十年徘徊


　　探索电磁之谜的战役打响了，这是十九世纪上半叶物理学的一场激动人 心的攻坚战。许多大物理学家不约而同地加入这一行列，化学家也赶来参战。 但是谁能够夺得头功，还难预料。
1822 年，从法国最先传来捷报。起初是化学家盖—吕萨克和另一位学者
阿拉戈发明了电磁铁，他们把通电的导线绕在软铁上，成功地使铁磁化。这 是从电产生磁的又一个有力例证。紧接着，安培又在实验中发现方向相同的 平行电流互相吸引，方向相反的平行电流互相排斥。在九年以前，法拉第同 安培和盖—吕萨克就结下了友谊，他为他们的成绩感到由衷的高兴。不过这 些发现都属于从电产生磁，只是反映了电磁关系的一个方面。怎样从相反的 途径，从磁产生出电来呢？这就成了问题的关键。
一天，戴维收到一封巴黎来信，获悉安培的一项实验遇到困难。他把信
交给了法拉第，提醒学生注意。安培有很高的电学造诣和丰富的经验，他从 静电感应得到启发，作了这样一个推论：既然静止电荷能够感应出静止电荷， 那么电流（运动电荷）一定也能够感应出电流（运动电荷）。这个假设从逻 辑上说很吸引人，可惜安培忽略了磁的作用，他做了许多实验，都没有成功。 法拉第并没有因为安培的失败而畏缩。九年以前他在法国亲眼看过安培 精密的实验，对安培的睿智一直怀有敬意。他相信安培的思想中蕴藏着有价
值的东西，还没有发掘出来。于是，他决心继续做这个实验。 他用铜线在几米长的木棍上绕了一个线圈，铜线外面缠着布带以便绝缘
（当时还没有漆包线），然后在第一层线圈外面，用同样的方法绕上第二层、 第三层、直到第十二层，每层之间都是绝缘的。
　　法拉第把第一、三、五等奇数层串联起来，又把第二、四、六等偶数层 串联起来，这样就制成了两个紧密耦合而又互相绝缘的组合线圈。他把其中 一组线圈接到开关和电瓶上，另一组线圈接在电流计上。
　　一切就绪，法拉第怀着激动的心情开始实验。他希望在初级线圈接通电 流以后，次级线圈能够感应出电流来。这也正是安培的理想。
　　可是，事和愿违。法拉第接通初级线圈的电源以后，注意观看电流计， 指针毫无动静。
　　
　　原因在哪里呢？他设想或许是初级线圈的电流太小，于是把电瓶从一个 增加到两个，又增加到四个，结果都一样。最后他用十个电瓶串联成一组， 也就是初级线圈里的电流增大了十倍，可是电流计的指针还是在零位！
　　时间象江河一样，一个月一个月地流逝。法拉第在实验室里度过了不知 多少个不眠之夜。他把实验重复了多次，每次都在希望中开始，却以失望告 终。
法拉第明显地消瘦了，疲惫不堪，两眼布满了血丝。 难道真的重蹈了安培的覆辙，走进了死胡同吗？青年实验家徬徨了。他
的妻子也劝他当机立断，放弃算了。 法拉第是一个坚韧不拔的探索者，他一旦确定了方向，决不轻易承认失
败。少年时代在父亲的铁匠铺里，他很爱看锻工们挥动大锤，一锤一锤地锻 打烧红的铁块。每当铁块变冷变硬的时候，父亲就把它投进火炉，重新烧红。 经过千锤百炼，铁坯终于按照人的意志变成各种工具。父亲曾经笑着对他说： 在铁匠面前永远没有顽铁。多年来，这种铁匠的意志一直在他血液里流动着， 激励着他。失败使他意识到任务的艰巨，但是不能动摇他的决心。他对妻子 说：“如果实验不成功，这只能表明我还不善于处置它；就是实验不可能成 功，那也应当找出原因来。”
法拉第对自己的理想充满了信心，在崎岖的道路上坚持不懈地进行探
索。转眼之间十年过去了。 这是一段艰苦的岁月。皇家学院由于财政困难，把研究重心转向营利的
应用科学。法拉第不得不把大部分精力投入到工业应用的研究上去，他的电
学实验时常被迫中断。他试制过铁的合金，改良了光学玻璃，研究过液化气 体，发现了苯。这些研究项目花去了法拉第大部分时间，但是最后并没有收 到多大的商业效果。
每一个科学家都有他的长处，也有他的短处。法拉第善于发现，不擅长
制造。他是一位实验科学家，而不是技术发明家。用一位科学史家的话说， 他的特长要到知识的未知领域——也就是光明和黑暗交界的地带，才能充分 表现出来。法拉第的才能在工程技术上很难发挥，有一次做氯气液化实验， 因为气压过高，容器发生爆炸，飞溅的玻璃碎片差一点把他的眼睛炸瞎。
这十年的研究工作，法拉第在学术上虽然没有特别重大的发现，在事业
上却奠定了厚实的基础。1823 年，三十二岁的法拉第因为化学上的成绩，当 选为皇家学会的会员。一个进入皇家学院刚满十年的助理实验员，能够获得 这样高的荣誉和学术地位，是很不容易的。据说，当时戴维对这件事曾经提 出异议。或许因为法拉第曾经做过他的助手，或许是对新生力量估计不足， 皇家学会投票表决的时候，只有戴维一个人投反对票。第一个发现法拉第的 人，这次却成了唯一的保守者，确实是一件憾事。好在法拉第一直对自己的 恩师怀有感激之情，心胸又开阔，事后戴维也略有歉意，因此两人的师生情 谊并没有断绝。
　　第二年，法拉第正式登上讲台，在皇家学院任教。到 1829 年，三十八岁 的法拉第已经是一位著名的化学家，总计发表了六十多篇学术论文，其中大 多是化学领域的。这一年，法拉第正式向皇家学院提出申请，要求解除职务 的重担，以便集中全部精力进行自己念念不忘的电磁研究。十年来，他一直 没有放弃“从磁产生电”的理想。同事们知道他在失败中仍旧坚持自己的信 念，都很钦佩。不久，皇家学院批准了法拉第的要求。事实证明，这个决定
　　
是法拉第科学事业的重要转折。 同年五月，戴维在日内瓦病死，只活了五十一岁。噩耗传来，英国上下
都很悲痛。这位大化学家一生发现极多，而发现法拉第，却是他对科学事业 最大的贡献。戴维虽然过早地去世了，但是他未竟的事业却由法拉第继承下 来，并且得到发扬光大。

“啊，电流！”


　　法拉第刚解脱皇家学院的负担，不料他又成为实业界争夺的目标。不少 公司和厂家，争先恐后地用重金聘请法拉第，都想网罗这位后起的化学家当 他们的技术顾问。
　　1830 年，在朋友们的劝说下，法拉第接受了一些业务，得到一千镑酬金。 这笔相当可观的收入，对他的生活自然有很大帮助，他的妻子再也不用为衣 食和房租发愁了。据他的学生和密友丁铎尔（1820－1893）估计，照这样下 去，他每年的收入可以增加到五千镑以上。但是这些“生意上的事务”要牵 扯法拉第的很多精力和时间，常常影响他的研究工作。法拉第感到为难起来， 他再次面临着生活道路的选择：一条路是营利致富；另一条路是清贫一生， 去追求科学真理。究竟何去何从呢？
法拉第很快作出了抉择。他谢绝了来自四面八方的聘请，全力投入研究
工作。这样做尽管生活要苦些，温存的妻子却毫无怨言。法拉第很受感动， 还有什么比能够理解自己的事业更宝贵呢！丁铎尔后来感慨地说：“这位铁 匠的儿子，订书商的学徒，把他的一生总计起来，一方面可以得到十五万镑 的财富，一方面是完全没有报酬的学问，要在这两者之间作出选择。结果他 选择了后者，终生过着穷困的日子。然而这却使英国的科学声誉比各国都高， 获得接近四十年的光荣！”
俗话说，“鸟翼系上了黄金，鸟就飞不起来了。”法拉第摆脱了羁绊，
终于展翅高飞，开始他科学上的全盛时期。
1831 年是法拉第一生中最难忘的一年。 这一年的秋天似乎格外晴朗。天气已经有些凉意，法拉第还是穿着那件
朴素的外套，在实验室里紧张地工作。他的电学实验进入了最关键的阶段。
　　这时，法拉第已经把电池组增加到一百二十个电瓶。这意味着初级线圈 的电流同最早相比，增大了一百二十倍。他用做实验的线圈，也不知更换了 多少。
　　法拉第全神贯注地操作着。他小心翼翼地合上电闸，强大的电流通过线 圈，不一会导线就发热了。法拉第转过头注视着电流计，指针象是固定了一 样，还是纹丝不动。
　　一种失望的情绪涌上心头。一个有信念的科学家是不怕失败的，然而事 情却这样无情。呕心沥血十年，竟然毫无结果。这是为什么呢？法拉第望着 实验台上散布的线圈、电瓶和电流计，就象一个作家看着自已不能出版的作 品一样，又心疼，又惋惜。
　　一个有见识的科学研究工作者，既要不怕失败，又要正视失败。关键就 在作出正确的判断。在决定进退之前，法拉第慎重地作了一次最后的考虑。 他复查了全部实验记录，对设计思路和实验方法也都作了反省，并且逐 件检查了实验器具，连一根导线都不放过。在检查电流计的时候，法拉第无
　　
意中注意到：他每次实验都是先接通电源，再转过头来观测电流计。 问题会不会就出在这里呢？ 他马上把实验台重新布置好，进行检验。这次法拉第特地把电流计摆在
电源开关旁边，以便操作的时候他的目光可以一直监视指针。 法拉第目不转睛地盯着电流计，然后用手合上了电源开关。就在线路接
通的一刹那，电流计指针跳动了一下！这个时间非常短暂，稍不留意就发现 不了。法拉第过去的多次实验都忽略了这个细节，这次终于捉住了这稍纵即 逝的“一刹那”。
　　“啊，电流！”法拉第欣喜若狂，不由得喊了起来。人们常说“十月怀 胎，一朝分娩”。对他说来，这却是整整怀了十年的理想啊！
　　这位百折不挠的科学家把实验重复做了几次，每次都得到同样的结果。 因此他确信胜利已经在望。
法拉第乘胜前进，又改进了实验仪器。 他用软铁环代替木棍做线圈的芯子，效果更明显。在断开或者接通初级
线圈电流的一瞬间，次级线圈连接的电流计上的指针摆动得很厉害。 成功使法拉第非常兴奋，但是他没有陶醉。这位严肃的科学家激动地思
索着，应该怎样评价和分析这个发现。因为从表面上看，这个实验是从初级 电流感应出次级电流，换句话说，是从电变成电，好象同磁没有关系。而法 拉第孜孜以求的目标是“从磁产生电”，他的理想好象没有达到。但是反过 来说，如果这个发现仅仅意味着“从电变成电”，那又有一个问题不好解释
——为什么要在初级电流接上或者断开的一瞬间，次级线圈才有电流产生
呢？这种初级电流的突变会不会同磁有关系呢？ 为了弄清这个疑难问题，法拉第继续进行实验。几天以后，他进一步发
现，如果改变初级线圈和次级线圈间的位置，或者是改变初级线圈的电流强
度，次级线圈也有感应电流发生。法拉第顿时明白了，一定是初级线圈的电 流产生的磁的作用，使次级线圈感应出电流。为了证实这个判断，法拉第索 性把初级线圈拆掉，用一块磁铁来取代它。他让磁铁穿过次级线圈环，电流 计的指针也随着磁铁的运动而摆动！
谜底终于被揭开了：原来是通过次级线圈的磁通量的变化引起了感应电
流。换句话说，正是运动的磁产生了电流，法拉第酝酿和追求了十年的理想 实现啦！这就是著名的电磁感应现象！它继奥斯特等人的实验之后，进一步 揭示出电和磁互相转化的辩证关系，为近代电磁学奠定了基础。
“锲而不舍，金石可镂”。经过百折不挠的努力，法拉第终于成功了。
他用自己的意志和智慧，在电子科学技术史上写下了光辉的一页。 在我们看来，他结束了这场持久战，可以稍为休息一下了。但是法拉第
没有停顿，他找来一块大的马蹄磁铁，把一个铜线圈放在磁铁中旋转，线圈 中就感应出持续的电流来。在这个实验的基础上，他创造出世界上第一台感 应发电机。这一年的除夕，法拉第满面春风地向他的亲朋友好表演了这个新 发明。
　　这是一台别致的装置：只见一个中心有轴的圆形铜盘固定在支架上，铜 盘取垂直方向，并且伸进一块水平固定的马蹄形磁铁两极间。铜盘的中轴连 接一根导线，铜盘边缘同另一根导线保持接触，两根导线同一只电流计相连。 在圣诞节日烛光的映照下，铜盘更显得光泽夺目。客人们围在四周，兴趣盎 然地观看着。
　　
　　法拉第大声宣布：“开始！”只见他快活地转动摇柄，铜盘在两个磁极 间不停地旋转起来。由于铜盘的各部分都切割了磁力线，电流针的指针逐渐 偏离零位，微微颤动地指示出电流的读数。铜盘转动越快，电流的读数越大。 客人们赞不绝口。只有一位好挑剔的贵妇人不以为然，她取笑地问法拉
第：“先生，你发明的这玩意儿有什么用呢？” 法拉第把手放在胸前，微一欠身地回答：“夫人，新生的婴儿又有什么
用呢？” 人群中顿时爆发出一阵喝采声。
　　这台小发电机在今天看来，确实象一个简单的玩具，事实上法拉第也没 有把它付诸实用，然而它却是现在所有发电机的“老祖宗”。这个发明在近 代科学史上的意义是深远的。人类从此打开了电能宝库的大门。



向纵深挺进


　　电磁感应是近代物理学上的一项重大发现，也是法拉第科学事业的一座 高峰。他一旦越过这道峻岭，就向电磁学的纵深挺进，长驱直入，取得了许 多可喜的发现。
1832 年，法拉第通过大量实验，证明了电的普遍性，澄清了电学界多年
来的模糊认识。 这个成果实际是上一世纪富兰克林工作的继续。富兰克林用风筝实验证
明了雷电也是电，把人们对电的认识推进了一步。但是各种电在本质上是否
也都一样呢？富兰克林因为条件的限制，没有继续研究下去。一直到法拉第 时代，这个问题还没有解决。学者们众说纷坛，莫衷一是。戴维生前也不敢 妄下定论。
法拉第早就关心这个难题，在他的科学笔记里有大量的构思和设想，其
中有一段是这样写的：“对于我的疑问，实在有穷加追究的必要，就是用各 种不同方法诱起的电，到底是完全相同的还是各不相同的，非弄清楚不可， 不能留下丝毫的疑点。”
“从磁产生电”的宿愿实现以后，法拉第自然就想到：这种电同已经知
道的其他各种电是否相同呢？他把摩擦电、伏打电池产生的电同刚获得的电 磁感应电在生理效应、磁偏转、电火花、热效应、电解作用等方面一一进行 了比较。可以想见，这些实验的工作量是巨大的，而且很精细。法拉第竟然 一气呵成。
　　结果，法拉第发现几种电的性质完全一样，只有程度上的差别。因此， 他得出科学的结论：“不管来源怎样，电的性质是相同的。”
紧接着，1834 年，法拉第在电化学领域作出了卓越的贡献。他在戴维多 年工作的基础上，发现了著名的电解定律。这个定律找出了电解的时候物理 现象和化学现象定量的联系，成为化学的基本定律。电化学的开创人是戴维， 法拉第把它发扬光大了。
法拉第还对电介质①和电导体②进行了深入的研究。在实验中，他感到当



① 不导电物质的总称。当外加电场超过某个极限的时候，电介质被击穿而失去介电性能。工程上大量采用
的电气绝缘材料以及电容器中的介质，都是电介质。

时电学中沿用的旧名称很混乱，不但词不达意，还常有谬误。法拉第认为随 着新的电学理论的出现，有必要对旧名称来一次清理。他断然废除了一些过 时的旧名称，更换了新名。比如电极、阳极、阴极③、电解质④、电解⑤、离子
①等，就是法拉第首先使用的。这些名称一直沿用到现在。 法拉第不知疲倦地探索着。1836 年，他又发现了静电屏蔽现象②。这些
重要的发现，直到今天还是中学电学课的主要内容。在地球的每个角落，没 有哪个中学生不知道法拉第的名字。
　　法拉第的杰出贡献，使他成了举世瞩目的大科学家。人们从四面八方向 英国皇家学会投来尊敬的目光。但是并不是所有的人都知道，法拉第的成就 是在十分艰苦的条件下取得的。由于皇家学院的财政一直窘迫，法拉第的工 资，除了住宿和燃料外，每年只有一百镑，而且有时还不能如数支付。对于 清贫的生活，法拉第倒是安之若素。
　　有一段传做佳话的趣事，也足以表明法拉第的高尚人格。那是 1835 年， 大约连政府也感到科学家待遇太低，英国内阁总理皮尔爵士建议设立一种年 金，奖给在科学或者文学上有贡献的人（以前年金只有政治家、军事将领才 有资格得到），其中有一项就准备授予法拉第。
　　法拉第知道这个消息以后，马上给内阁总理写了封信，表示自己可以自 食其力，坚决拒绝接受这份年金。这封信在寄出以前被朋友们制止了，都觉 得有些失礼，而且他的生活境况确实很窘。他们劝法拉第改变主意，但是法 拉第执意不肯。
在事情最后决定以前，皮尔爵士已经离职，由另一位名叫梅尔本的勋爵
继任。一天，新任内阁总理亲自到皇家学院来，邀请法拉第在办公室面谈。 在大家劝说下，法拉第应约前去。但是，这位勋爵大约对法拉第并不了解， 而且官做大了，说话也毫无顾忌，言谈中流露出对科学技术人员的轻视。他 认为年金对文臣武将来说是受之无愧的，对科学家或者作家来说，那就算是 一种恩惠了。
法拉第听到这些话，感到是对科学的一种侮辱。他本来就不愿意来，人
家硬叫他来，结果却是来受辱。他赶紧结束谈话，告别回家，弄得这位勋爵 大人一时摸不着头脑。
当天晚上，梅尔本勋爵收到法拉第一张便条，措词简短而坚决，大意是



② 具有大量在外电场作用下能够自由移动的带电粒子，因此能够良好地传导电流的物体，都称做电导体，
比如金属和水等。
③ 在电解池里，同电位比较低的直流电源线相连的电极是阳极，同电位比较高的直流电源线相连的电极是 阴极。在工作中，电流从阳极流出，从阴极流入。
④ 在水溶液中或者熔融状态下能够导电的化合物，称做电解质，比如酸、碱、盐等。
⑤ 把电流通入电解质溶液，使在两个电极上（或者极旁）同时产生化学反应的过程。比如用炭极电解浓食 盐溶液，阴极上放出氢气，极旁产生苛性钠，阳极上放出氯气。
① 原子失去或者获得电子以后形成的带电微粒，称做离子。带正电的叫正离子或者阳离子，带负电的叫负 离子或者阴离子。
② 法拉第在绝缘板上放一个金属丝的笼子，在笼子的里面和外面各放一个金箔验电器，并且用金属链条分 别把验电器的金属球和笼子连接起来。当金属丝的笼子带电的时候，笼外验电器的金箔张大，笼里验电器 的金箔依旧下垂，丝毫没有带电的现象。它表明金属丝笼子能够对内部物体起到电的屏蔽作用，这就是静 电屏蔽现象。

“既然这样，恕难接受恩惠”。勋爵读完便条，才知道他触犯了法拉第。他 起初还觉得好笑，等事情传开以后，才感到问题严重。
　　这时，一位同双方相识的贵夫人，看到内阁大人下不了台，于是出面调 解。她给法拉第做了几次工作，婉言劝他收下年金，但是法拉第态度坚决， 执意不收。调解人费尽口舌也无济于事，最后只好问法拉第，究竟要梅尔本 勋爵怎样做，才能使他满意。法拉第回答说：“除非他向我书面道歉。不过， 这一点我既没有权力也没有理由要求他做到。”
　　第二天，内阁总理亲笔写的道歉信，居然送来了。信的措词坦率而客气， 这场“年金事件”才算圆满解决。

创立新说


1841 年的春天悄悄地来到伦敦。 法拉第推开实验室窗户，深深地吸了一口气。然后打开一本蓝皮册子，
写下了当天实验的记录和编号，他脸上已经出现皱纹，两鬓也有些灰白了， 只有那双褐色的眼睛，还是和青年时代一样，闪烁着和蔼的光芒。
　　是啊，在不断的探索和发现中，又一个十年过去了。这十年间，法拉第 的电学实验研究成就辉煌。他超过了同时代许多著名的科学家，包括他的导 师戴维和安培。因此，有人把法拉第称为“先知先觉”，甚至说他“可以闻 出真理来”。法拉第听到这些过誉之词，都是摇头一笑。凡是他的同事和最 亲近的人都知道，法拉第的每一项发现后面，凝结了多少心血，耗费了多少 艰苦的劳动啊！他工作起来有一种决不后退的劲头。丁铎尔曾经说，他胸中 蕴藏着固体燃料，一旦燃烧起来，决不会轻易熄灭。
法拉第这种不知疲倦的拼命精神，也常常使他夫人担忧。由于操劳过度，
他得了严重的神经衰弱症，终于病倒了。1841 年盛夏，在医生的一再敦促下， 法拉第离开英国，在他夫人陪同下到瑞士休养；他的内弟是一位颇有才华的 画家，也陪同前往。
这是法拉第第二次出国旅行。沿途的自然风光，又象二十年前一样，使
他神采飞越，心旷神怡。旧地重游，山河依旧，科学却已经大踏步地前进了。 这次疗养，对法拉第恢复健康有明显的好处。但是十年积劳，他实在是
太累了。医生不允许他恢复工作，法拉第的研究中断了整整五年。
　　1845 年春天，法拉第恢复健康，重新回到实验室工作，这时他已经是五 十四岁的老将了。按照一般说法，一个科学家最能够出成果的年龄在二十五 岁到四十五岁之间，他的黄金时代好象已经过去。
　　但是事实恰好相反，法拉第一生最重要的贡献，就是在这个时期完成的。 年龄并不是科学发明的决定因素，关键在于永远保持旺盛的斗志和孜孜不倦 的探索精神。
　　法拉第克服了体力日衰的困难，继续顽强地攀登着。他很早就抱定一种 想法，认为光和电磁现象有内在联系。当时电磁理论还没有建立起来，能够 有这样天才的设想，实在叫人惊异。这大概要归功于他的科学信念和哲学思 想。他相信世界是统一的，无论是磁、光、热还是引力，都应当有密切的联 系。电磁的统一已经证实，他决心寻找电磁现象和光的关系。
法拉第采用的是他拿手的办法——实验。经过多次失败以后，他把一块

玻璃放在电磁铁的两极间，然后用一束偏振光①沿着磁力作用的方向透过玻 璃，光线在磁力的作用下，它的振动面果然偏转了一个角度，磁力越强，偏 转角度越大。这就是有名的磁致旋光效应，是法拉第对电磁学的又一个大功 劳。法拉第满怀着胜利的喜悦，兴奋地在日记里写着：“这样一来，磁力和 光有相互关系就得到了证明！”这个发现的时间是 1845 年，也就是法拉第恢 复研究工作的同一年。
　　这个成功对法拉第很有启发，他又杀了个回马枪，把几年以前研究过的 各种介质放进两个磁极之间，做同样的实验。他的设想是：可能其他物质也 应该和玻璃有相同的反应。他使用的是一个比以前强大得多的电磁铁。意想 不到的是，在实验过程中，法拉第发现了一个新奇的现象。他把一根玻璃棒 放进磁铁两极间，玻璃棒居然表现出对磁力作用的反抗，停在同磁力垂直的 方向上。这就是说：磁不但对磁性金属有作用，对其他材料也有作用，不同 的只是前者顺着磁力方向，后者恰恰相反。
　　法拉第又惊又喜，他马上换成一根铜棒进行实验，铜棒也停在同磁力垂 直的方向上，傲然不动。他又用木块代替铜棒，结果一样。这是多么奇妙的 发现啊！他把身边所有的东西都放进两个磁极之间，一一进行试验，发现全 部物质对磁力都有反应，其中大多数都表现出抗磁性。
法拉第全神贯注地做着实验，连吃晚饭的时间也忘掉了。他妻子只好把
晚饭给他送到实验室来。她推开实验室的门，发现法拉第正埋头在一堆乱物 中忙着，眼里不由流露出温和的责备，催促他赶快吃饭。法拉第见她从篮子 里拿出一块面包和牛排，十分高兴。做妻子的还没有反应过来，法拉第已经 把面包用一根细线悬挂起来，放进两个磁极之间。面包象受过训练那样，一 动不动地停立在磁力交叉的方向上。法拉第朝着妻子眨眨眼睛，笑了笑，又 用牛排做试验，取得同样的结果。法拉第夫人看着他的表演，简直哭笑不得。 实际上根据法拉第当时的心情，如果不是因为磁铁不够大，恐怕连他夫人也 会被吊起来，送进磁极之间去检验一番，因为他确信人体也是反磁体。
磁致旋光效应和反磁体的发现，给法拉第很大的启示。一个崭新的思想
终于脱颖而出！ 当时，“超距作用”的观念很流行。牛顿（1642－1727）曾经为超距观
念苦恼过，但是最终他还是采用了超距的说法。一百多年来，牛顿力学成了
物理学的主宰。“超距作用”观念不但支配了天体力学，也影响到电磁学。 人们普遍认为，力的传递（包括电力和磁力）是即时而超距的，也就是不管 传递多远都不需要时间，一个电荷或者磁极周围的空间，除了距离以外，一 无所有。法拉第不随波逐流，他从大量的实验事实出发，对“超距观念”提 出了怀疑。他相信“物质到处存在，没有不被物质占有的中空地带”，因此 电力和磁力不能凭空传递。这个思想，法拉第酝酿了十几年，在没有找到充 分的实验证据以前，他不愿意匆忙宣布自己的科学假设。摧毁旧学说，需要 新的武器。法拉第终于找到了这种武器，那就是杰出的“力线”概念。
法拉第把铁粉撒在磁铁周围，铁粉立刻呈现出有规则的曲线，从一个磁 极到另一个磁极，连续不断。法拉第把这种曲线称做力线。他进一步用实验 证明，这种力线不只是几何性质的，它同时具有物理性质，导线里感应电流 的大小，完全取决于导线截割磁力线的数目，而同导线的移动位置无关。换



① 光是一种电磁波，是横波，波的振动面限于某一固定方向的光，称做偏振光。

句话说，磁力线越密的地方，磁的强度越大。 用这种全新的眼光来观察，电荷或者磁极周围的空间不再是一无所有，
而是布满了向各个方向散发出去的力线，电荷或者磁极就是力线的起点。从 这一事实出发，法拉第在物理学上首次提出了“场”的概念。他把布满磁力 线的空间称做磁场，而磁力就是通过连续的场传递的。牛顿力学“超距作用” 的神圣殿堂就这样被动摇了！
　　法拉第力线观念的建立，看起来不象发现电磁感应那样富于戏剧性，然 而它在电磁学上的意义却是更深远的。可以说，法拉第对电磁理论最重要的 贡献就在这里。著名科学家约瑟夫·汤姆逊（1856－1940）几十年以后曾经 评论说：在“法拉第的许多伟大贡献当中，最伟大的一个就是力线概念了， 电场和磁场的许多性质依靠它就可以简明而形象地表示出来。”
　　根据力线这一崭新的思想，法拉第提出了光的电磁学。1846 年他在《哲 学杂志》上发表了论文《关于辐射线振动的思考》。这是法拉第全部科学著 作中的瑰宝，它的光采直到几十年以后才被人们发现。在这篇论文里，法拉 第定性地提出，电力线和磁力线的振动，就可以产生光和其他辐射现象。一 个革命性的、使人耳目一新的学说，就这样诞生了。

老骥伏枥


　　不过，法拉第主要是个实验科学家。他一生总结性的著作是《电学实验 研究》。在这部巨著中，几乎找不到一条数学公式。世界上没有完人，无论 是政治伟人或者科学巨匠，都不可能是十全十美的。法拉第的短处是数学修 养不足，这使他始终没有能够把他的发现和见解精确地表达出来，升华到理 论高度。但是法拉第重视吸取前人的经验，勇于实践，敢于创新。他的思想 方法改变了物理学的传统观念，把真理向前推进了一步。
法拉第经过毕生的努力，终于为人类开发了一个全新的知识领域。他没
有完成的大业，后来由他的学生麦克斯韦（1831—1879）创造性地完成了。 由于对电磁学的巨大贡献，法拉第在晚年获得全世界的敬重。各国授予 他的奖章、荣誉称号，象春天的鲜花一样繁多。他坚韧不拔的精神和纯朴无 私的人格，使许多人倾倒，著名科学家、作家都以能和他结识为荣。和他同
时代的法国作家大仲马，曾经这样称赞说：
　　我不知道是否会有一个科学家，能够象法拉第那样，遗留下许多令人惬 意的成就，当做赠与后辈的遗产而不自满??他的为人异常质朴，爱慕真理 异常热烈；对于各项成就，满怀敬意；别人有所发现，力表钦羡；自己有所 得，却十分谦虚；不依赖他人，一往直前的美德。所有这些融合起来，就使 这位伟大物理学家的高尚人格，添上一种罕有的魔力。
　　面对花团锦簇的荣誉，法拉第始终虚怀若谷。他从来不把自己看成一个 伟人。晚年的时候，英国皇家学会一致推选他当会长。根据他的贡献和声望， 这个职位本来是当之无愧的。他的朋友都希望他接受，并且认为只有他才能 享有这个最高荣誉。但是法拉第考虑再三，还是拒绝了。他对朋友说：“我 还是始终保留做一个平常的法拉第！”
　　但是只要是对公众有益的事情，他却从不推却。当初有人请他给一座灯 塔当技术顾问，他尽管工作繁忙，还是愉快地承担了，并且几十年如一日， 对灯塔的照明设施作了许多技术改进。每当法拉第看见灯塔在滨海暮色中闪
　　
亮的时候，心里就感到无限的愉快。 法拉第不但是伟大的科学家，也是热心的科普宣传家。尤其是孩子们都
很喜欢他，常来请他讲演。法拉第有求必应，他用通俗生动的故事，给小听 众们讲述各种科学知识。有一本叫《蜡烛的故事》的书，就是根据他的几次 讲稿整理出版的。 这本书后来成了著名的科普读物，被译成各种文字，直到一百多年以后的今 天还深受欢迎。
　　法拉第晚年体力渐衰，精神也不如从前了。几十年忘我的工作，耗尽了 他的精力。但是他仍旧坚持做电磁实验。他的实验记录簿还是整理得井井有 条，清清楚楚。这常常需要他付出几倍的努力。据说有次他做一个实验，费 了很大功夫，直到一个月以后才发觉，这个实验他几个月以前已经做过了。
　　1862 年，法拉第已经是七十一岁的老人了，他做完最后一个实验。实验 的内容是研究磁场对光源的影响。他设想强大的磁场可能会改变光源的波 长。虽然因为仪器的限制，实验没有成功，却表明这位电学大师卓越的洞察 力。法拉第这个闪光的思想，三十多年以后由荷兰物理学家塞曼（1865－
1943）用实验证实，他发现在强磁场中光源发射的谱线确实分裂成几条，后 来被称做塞曼效应。
法拉第一生的最后几年，是在乡间别墅度过的。他没有子女，陪伴他的
是忠实的妻子和一个侄女。他平常喜欢坐在窗下，远眺碧绿的草地、树林、 农舍和变幻无穷的天空。
晚霞布满天际，一轮红日渐渐西沉。到别墅去拜望的朋友，可以看见一
位白发飘肃、衣着简朴的老人，坐在门外凝望着田野和壮丽的落日。他的表 情恬静，眼里含着快活的光芒。
这位铁匠的儿子，横跨一个时代的大科学家，一直到临终都对大自然和
人民怀着深挚的热爱。他本人就象一轮红日，把光和热洒满人间以后正静静 地沉落。
1867 年八月二十五日，法拉第坐在书房的椅子上安详地离开了人世，终
年七十六岁。这位伟大的科学家生前一向反对哀荣的葬礼，遵照他的遗言， 在伦敦北部的海格特公墓举行了简朴仪式，只有他的亲人在场。他的坟前只 立了一块小小的石碑，表示出迈克尔·法拉第长眠的地方。
没有举行轰动全国的葬礼，也没有金碧辉煌的陵墓，然而法拉第的伟大，
却是任何帝王所不能比拟的。他给后人留下的科学遗产，直到今天还在为人 类造福。

莫尔斯和电报


　　电为人类服务，要算电报是最早了。有趣的是，发明电报的人不是物理 学家，也不是工程师，而是一位画家，他的名字叫塞缪尔·莫尔斯（1791－
1872）。一个搞美术的，竟成为有线电通信的开创者，这好象有些不可想象， 说起来其中还有一段故事呢！

在“萨丽”号上


　　1832 年十月一日，一艘名叫“萨丽”号的邮船，满载旅客和邮件，在法 国北部的勒阿弗尔港启碇，驶向纽约。
　　邮船在浩翰的大西洋上破浪前进，船尾上空飞着海鸥。这种例行的远航 大多是枯燥无味的。旅客们或是聊天、下棋，或是在甲板上眺望无边的大海， 消磨时光。一天傍晚，旅客们正在餐厅里准备进餐，被一个年轻旅客的演说 吸引住了。这位青年名叫查尔斯·杰克逊，他是美国马萨诸塞州波士顿的医 生，但是对电学研究却有浓厚的兴趣。当时，电磁感应刚发现不久，人们对 一切有关电磁的现象都觉得新奇。杰克逊向大家展示了一个名叫电磁铁的新 装置。这是一个上面绕着绝缘铜线的马蹄形铁块，当铜线通电的时候，马蹄 形铁块就产生了磁性。杰克逊用孩子般的热情滔滔地解说着。


　　“先生们！”他说，“请记住，我们快要利用一种无限的力量了。最近 有实验表明，绕在铁芯周围的导线越多，磁铁的吸力就越强。而且有人已经 证明，电能够神速地通过一段导线，不管有多长。科学就要创造出改变我们 生活的电的奇迹啦！”
青年医生的话不时被打断，餐厅里响起一阵欢呼和热烈的议论。最后，
演说家被大家抬了起来。人们都被一种神奇的幻想陶醉了。谁也没有注意到， 听众中有一个皮肤黝黑的中年男子，一言不发地望着讲台，两眼闪烁着异样 的光芒。夕阳映照在他的脸上，象火在燃烧。他的心也在燃烧。他就是四十 一岁的美国画家塞缪尔·莫尔斯。
一连几天，莫尔斯坐卧不安，晚上也兴奋得不能入睡。他的情绪完全被
神奇的电所左右。几天以后，邮船到达目的地。旅客们挥手告别，有关电磁 铁的议论，不过成为记忆中的一朵浪花罢了。
可是，莫尔斯却好象换了一个人。在船靠近码头的时候，他忽然对船长
说：“先生，不久你就可以见到神奇的‘电报’啦，请记住，它是在你的‘萨 丽’号上发明的呀！”他提着画箱走下邮船，步履坚定，神情庄严。杰克逊 那天傍晚的一席话改变了莫尔斯的一生。从此以后，写生画、肖像画不再是 莫尔斯的主要兴趣。他告别艺术，投身到科学领域里去。画家在写生簿上端 端正正地写下了“电报”两个字，立志要完成用电传递信息的伟大使命。

攀登


　　可是，只要翻开电子科学技术史的最初几页，就可以看到，莫尔斯要完 成的使命是非常艰巨的。
早在 1753 年就有人试图用电来实现通信。当时电池还没有发明，科学家

只能借助于静电感应。一个叫摩立孙的人，曾经设计架设二十六条导线，每 条代表一个字母，当导线接上电的时候，在导线另一端相应的纸就被吸引， 记下一个字母，这样类推，拼成词语，来传递信息。这大约是最早的有关电 报的工程设计，可是因为方法原始，而且用静电感应传不远，始终没有能够 实现。在摩立孙以后，不少学者提出其他方法，也做过多种实验，有的用单 线取代二十六条导线，或是用木球代替纸球，但是经过四十多年的努力，没 有什么成效。
　　1800 年，在生物学家伽伐尼解剖蛙腿实验的启发下，意大利人伏打发明 了电堆，宣布了静电时代的结束。人们终于获得连续不断的电流了！“用电 传递信息”的理想之火又重新燃烧起来。
　　1820 年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够转动磁针的效应。这个近 代电磁学上的重大发现，给电报的实现带来了希望。第二年，法国电学大师 安培就提出可以用电磁效应来传递消息。杰克逊在“萨丽”号上宣传的，实 际就是安培的思想。在这十年时间里，人们进行了大量探索，但是却没有找 到一种既有效又实用的方法。连不少有经验的专家都感到问题棘手。
　　莫尔斯就是在这种背景下“投笔从戎”，参加这场攻坚战的。一个从来 没有研究过电磁学的画家，而且已经过了四十岁，居然改行要攀登这座人们 都没有征服的高峰，这需要多么大的勇气和决心！
莫尔斯遇到的最大困难，是他对电和磁的知识几乎一窍不通。但是他一
点也不动摇，决心从头学起。经过半年的刻苦学习，莫尔斯初步掌握了电磁 原理。特别是美国物理学家亨利（1797－1878）①一年以前提出的电报原理， 对莫尔斯有很大启发。亨利用电磁铁做成电铃，可以把信号传到一·六公里 远的地方。这实际是“电磁音响式电报机”的最早模型。莫尔斯决定采用亨 利的原理，进行深入的实验。
画家买来各种电工器材和工具，在家里夜以继日地干起来。从前的小画
室变成了地道的实验室，到处都是线圈、磁石和导线。他的写生簿也涂满了 各式各样的方案和草图。莫尔斯的全部生活和希望都凝聚在这个小小的实验 室里了。夜幕笼罩着城市，只有他实验室里的灯火常常彻夜不熄。冬尽春来， 秋去冬至。他画了一张又一张草图，进行了一个又一个试验，但是每次都以 失败而告终。
三年过去了，莫尔斯的积蓄几乎全部花完，电报机还是没有造出来。
　　这位业余发明家到了山穷水尽的地步。他在给朋友的信里写着：“我被 生活压得喘不过气了！我的长袜一双双都破烂不堪，帽子也陈旧过时了。”
1836 年，莫尔斯不得不重操旧业，接受了一所大学的工艺美术教授的职 位。他又回到艺术界，不是休息，也不是退缩，而是为了生活，以便继续进 行试验。受挫的发明家第一次重新拿起画笔，不禁感慨万千。三年以前在“萨 丽”号上听演说的情景，他一次又一次的努力和失败，象潮水般涌现在眼前。 他奋笔画了一幅油画，画的下方是波涛汹涌的大海，一群 在暴风里搏击的信鸽布满了整个天空。他觉得，自己就是一只信鸽，在逆风 飞翔。莫尔斯念念不忘的还是通信，是人类多少年来没有实现的梦想。

突破



① 约瑟夫·亨利，美国著名科学家，详见本书第 153－154 页。


失败没有使莫尔斯气馁，他变得冷静了。用导线传递信息难道不可能吗？
不，经过三年的实践，他更加坚信杰克逊的话是能够实现的。那么失败的原 因在哪里呢？莫尔斯苦苦思索着。他反省了自己的设计思路，认真地检查了 所有的实验。
　　多少个不眠之夜过去了，莫尔斯终于找到了问题的症结：踩着别人的脚 印是不能走在前面的，必须寻找新路！经过反复思考，一个崭新的思想酝酿 成熟了。他在科学笔记上充满信心地写着：
　　电流是神速的，如果它能够不停顿地走十英里①，我就让它走遍全世界。 电流只要停止片刻，就会出现火花，火花是一种符号；没有火花是另一种符 号；没有火花的时间长又是一种符号。这里有三种符号可以组合起来，代表 数字和字母。它们可以构成全部字母，文字就能够通过导线传送了。这样， 能够把消息传到远处的崭新工具就可以实现了！
　　莫尔斯的这个构思，是电报发明史上一项重大的突破。在这以前，人们 的试验，都是用多根导线或是磁针偏转的多种位置来代表不同字母，二十六 个字母就要有二十六种不同的状态，因此设备庞杂，很难实现。莫尔斯设想 用点、划同空白的组合来表示字母，只要发出两种电符号，就能够传送消息。 这就大大简化了设计和装置。莫尔斯规定了特定的点划组合，表示各个字母 和数字，这就是著名的莫尔斯电码，也是电信史上最早的编码。


　　为了设计和制作这种新装置，莫尔斯投入了紧张的工作。美术教学的收 入就是他的全部试制经费。有时候发明家穷得连买面包的钱都没有，但是他 很乐观。经过一年的努力， 1837 年，莫尔斯终于研制成功一台传递电码的 装置，他把它叫做电报机。这时莫尔斯已经四十六岁。在同一年里，英国著 名物理学家惠斯登（1802－1875）和库仑（1736－1806），德国的斯泰因亥 尔也各自独立地发明了电报装置。惠斯登和库仑的装置是磁针式的，用五枚 磁针的不同偏向来表示文字；斯泰因亥尔的发明是用一串音调不同的铜铃来 做记录信号的终端。比较起来，莫尔斯的电报机实用得多。他采用自己的电 码设计思想，并且发展了安培和亨利提出的原理，废除了磁针，更用不着二 十多个累赘的铃铛。这使得莫尔斯电报机一出世就具有强大的生命力。

“丑小鸭”


电报机终于研制成功了。当时，它虽然还比较粗糙，而且传递距离不超 过十二米，却标志着一种崭新的通信工具的诞生。多年的理想将要实现，莫 尔斯高兴极了。他申请了专利，抱着电报机去找企业家，企图说服他们投资。 可是，回答他的却是一盆盆冷水。科学技术上有多少发明在刚出世的时候都 被当做“丑小鸭”。在那些大老板的眼里，莫尔斯耗尽心血研制成功的电报 机，不过是一堆赚不了钱的废铁。一个秃顶的经理回答说：“先生，你在开 玩笑吧？居然想叫我把钱投资在一个玩具上！”另一个矮胖的百万富翁讥笑 说：“哈哈！用导线传递消息？你为什么不发明一枚能够飞向月球的火箭 呢？”



① 一英里等于一·六○九三公里。

　　莫尔斯满腔忧愤，失望地回到家里。热嘲冷讽并没有使他丧失信心，他 懂得自己发明的价值。可是要改进电报装置，加大通信距离，使它投入实用， 需要一大笔经费。他的钱早已经用得一干二净。怎么办呢？莫尔斯望着电报 机，就象望着一个断奶的婴儿，心里一阵酸疼。难道就让它饿死在摇篮里吗？ 不能啊！窗外飘着雪花，莫尔斯推开窗户，看见几只鸽子在屋顶盘旋。画家 心头一热，他仿佛看到电报机的导线架过屋顶，穿越纽约，一直延伸到全世 界，人们都在用他的电码通信。他想起自己身边仅存的一点值钱的东西—— 几幅珍藏多年的名画。那是他从前的老师、一位酷爱艺术的老画家馈赠的。 莫尔斯忍痛把这些艺术珍品卖给了古董商。他心里很难受，但是他相信，就 是恩师在世也不会责备他的。
　　就这样，试验坚持下来。又是三年过去了。在最艰难的日子里，一位名 叫盖尔的青年技师从外地专程赶来，自愿给莫尔斯担任助手。这是一个乐观 诙谐的实干家，体格魁伟，对电磁机械很有经验。莫尔斯不再是孤军奋战了， 他有了得力而忠实的帮手。
　　莫尔斯和盖尔在实验室里一同研究，反复试验，对电报机作了许多改进。 他们增加电池组，并且增加环绕磁铁的线匝，这样就大大延长了通信距离。 盖尔还是个优秀的小提琴手，在他们工作疲劳的时候，盖尔就在小实验室里 拉起他喜爱的民间乐曲。那淳朴悠扬的琴声，常常把莫尔斯带到遐想的境界。 两个战友经过一年的奋斗，最后电报机达到了可以实用的水平。
当成功地做完最后一次试验的时候，莫尔斯确信电报为人类造福的日子
终于到来了。

一步之差


　　在盖尔的鼓励下，莫尔斯带着改进以后的发明，离开纽约去华盛顿。当 这位饱经风霜的发明家提着笨重的箱子走下列车的时候，喃喃自语地说：“华 盛顿，我给你带来了电报！”
莫尔斯在华盛顿的遭遇，一开始就比三年以前在纽约的那次要好。特别
幸运的是，他用发明家特有的坚定和热忱，成功地说服了国会提出一项拨款 三万美元的议案，给他在华盛顿和六十四公里外的巴尔的摩之间建立一条实 验性的电报线路。议案最后将提交国会批准。莫尔斯住在一家简陋的旅店里 等候好消息。眼看梦寐以求的理想将要变成现实，这位五十岁的画家抑制不 住内心的喜悦，他给盖尔写了一封报喜信，并且叫青年技师做好一切试验准 备。
　　不料国会经过几次激烈辩论，热衷于驿站马车和法国老式通信机的保守 观点占了上风，有关电报的议案没有通过。莫尔斯得到通知以后，就象天雷 盖顶，受到很大打击。
　　“啊，华盛顿，这个无情的城市！”莫尔斯伤心地回到纽约，他的口袋 里只剩下不到一美元。他紧紧地握住前来迎接的盖尔的手，一时竟说不出话 来，两行眼泪夺眶而出。
　　“字字看来都是血，十年辛苦不寻常”，这是曹雪芹写《红楼梦》的辛 酸。莫尔斯发明电报也耗费了十年心血！他牺牲了锦绣的艺术前程，抛弃了 教授的舒适生活，把自己的全部精力和智慧都贯注到电报机上了。可是，就 在离开最后成功只差一步的时候，他被迫停住了。他们的试验中断下来。实
　　
际上，电报机的研究已经完成，现在需要的是实践检验，是向社会宣布成果。 盖尔依依不舍地离开了莫尔斯和实验室。分手的时候，青年技师深情地望着 画家，许久才说出一句话来：“先生保重！”
　　在以后的整整一年时间里，莫尔斯贫病交加。他又和颜料、线条打交道 了，因为除了绘画，他没有别的谋生办法。但是因为长久不画，笔墨生疏， 他的作品无人问津。资本主义社会不知道饿死了多少发明家，莫尔斯也在饥 饿线边缘挣扎。

伟大的时刻


　　但是，技术的进步是阻挡不住的。凡是为人类造福的发明必将受到历史 的尊重。一天，奇迹发生了。莫尔斯收到一封束着朱红绸带的公函，他用微 微颤抖的手拆开，一行醒目的字映入眼帘：“塞缪尔·莫尔斯先生，我们荣 幸地通知你，参议院已经通过关于修建电报实验线路的拨款提案??”原来， 有关电报的议案被重新提交国会讨论，在科学界舆论的影响下，国会终于通 过了。
　　莫尔斯这时腰无分文，他立即给已经改行的盖尔写了封信，又到一个过 去跟他学过美术的学生那里借了五十美元，买了一套新衣服，赶到华盛顿去。 不久，盖尔也兴冲冲地赶来。两位战友在首都重逢，不禁热泪盈眶。伟大的 事业终于展现在眼前，他们经历了多少坎坷啊！在莫尔斯的领导下，从华盛 顿到巴尔的摩的电报线路（也是世界上第一条实用的电报线路）动工兴建， 不到两年就完成了。


　　1844 年五月二十四日，人类通信史上的庄严时刻到来了。这一天，华盛 顿沉浸在节日般的气氛中。在国会大厦联邦最高法院会议厅里，莫尔斯向应 邀前来的几位科学家、政府人士介绍了实验原理，盖尔等候在六十四公里外 的巴尔的摩。大厅外面观众云集，人们怀着极大的兴趣来观看“用导线传递 消息”的奇迹。几年以前嘲讽过莫尔斯的那两个人也赶来了，他们万万没有 想到“丑小鸭”飞上了蓝天，变成人人赞美的“白天鹅”。在预定的时间， 莫尔斯接通电报机，用一连串的点、划——也就是到今天还在使用的莫尔斯 电码，开始发出电文。这是历史上第一份电报：“上帝创造了何等的奇迹！” 试验成功了，人类通信史揭开了新的一页。莫尔斯的发明迅速风行全球。 莫尔斯发明电报到现在，一百多年过去了。这期间电信技术不断刷新， 世界发生了巨大的变化。但是莫尔斯在科学道路上不怕困难，披荆斩棘的精 神，却永远是值得学习的。他四十一岁改行，“半路出家”，面对许多专家 没有攻克的难关，没有惧色。最后是有志者事竟成！这不禁使人想到马克思 的名言：在科学上面是没有平坦的大路可走的，只有那在崎岖小路的攀登上
不畏劳苦的人，有希望达到光辉的顶点。 历史记下了塞缪尔·莫尔斯的功勋，也没有忘记杰克逊的名字——他不
愧是一位杰出的科普宣传家。这个热心的青年虽然没有发明电报，却点燃了 莫尔斯心中的火种。电报的发明是整个人类智慧的结晶，还有多少无名英雄 付出了毕生的劳动啊！


开尔文——不畏失败的一生

在近代物理学史上有一位很著名的人物，叫做开尔文勋爵（1824－
1907）。他二十二岁当了大学教授，二十四岁提出绝对温标①，不到三十岁就 因为电磁学和热力学的研究而闻名欧洲，是一个年轻有为的科学家。但是， 他曾经两次走到电磁理论的边缘，却又徘徊而去，错过了发现的机会。这确 实是非常可惜的。
　　这位勋爵的名字叫威廉·汤姆生，开尔文是他的封号。他不但在科学领 域里有很多发现，而且还是个非常杰出的电信工程师。他一生创建的最大业 绩，就是领导建立了世界上第一条大西洋海底电缆，为有线通信的发展作出 了重大的贡献。

小大学生


　　1824 年，威廉·汤姆生出生在英国贝尔发斯特城，父亲是皇家学院的数 学教授，性情温和，治学勤奋；母亲是富家女儿，是个典型的贤妻良母。汤 姆生的兄弟姊妹比较多，他从小生活在一个和睦而热闹的大家庭里，非常快 活。由于他长得最漂亮，又很聪明，在兄弟中最受父亲宠爱。他也最爱父亲。 汤姆生六岁那年，母亲不幸去世，父亲挑起了照料全家的担子。这位数 学教授是农民出身，年轻的时候靠自学进入大学。他虽然疼爱失去母亲的孩 子，但是对他们的教育却很严格。在汤姆生和比他大两岁的哥哥杰姆都还很 小的时候，父亲就向他们系统地教授数学了。他还经常在清晨带孩子们到郊 外去散步，一路上提出各种有趣的问题来问他们，培养他们思考的习惯。每
当这个时候，孩子们都兴奋得象小鸟一样，叽叽喳喳地发表自己的见解。
　　1832 年，汤姆生的父亲被母校格拉斯哥大学聘请去教书，全家迁到格拉 斯哥城。这座城市位于苏格兰腹地，横跨克莱德河，西临狭窄的克莱德海湾， 是英国北部第一大港，商业繁荣，造船业比较发达。汤姆生一生的主要活动 都是在这里进行的。所以有的科学史家提到他的时候，都爱把他称做“格拉 斯哥的汤姆生”。
这一年新学期，汤姆生的父亲开始讲课。新来的教授学问渊博，讲述有
条不紊，待人亲切，很快就博得了学生们的敬仰。没有多久大家就发现，教 授来讲课的时候常常带着两个漂亮的小男孩，让他们坐在教室里旁听。小的 那个孩子还背着装玩具的书包。起初，同学们都以为这两个小家伙是来玩的， 后来看到他们在认真地记笔记，才大吃一惊。因为这两个大学旁听生的年龄 实在太小了：杰姆是十岁，汤姆生才八岁！


一所堂堂的高等学府竟准许八岁的儿童当旁听生，听起来有些荒唐，但 是却是事实。人才的培养本来就应该不拘一格。我国历史上不也有甘罗十二 岁当宰相①的佳话吗？汤姆生的父亲望子成才，也很费了一番苦心。汤姆生从 接受启蒙教育直到中学教育，都是他父亲自己编教材，在家里教的。他在读



① 绝对温标是一种最基本的温度单位制，也称做开氏温标。
① 相传春秋战国时期，十二岁的甘罗因为聪明过人，外交有功，被秦王封做上卿（相当于丞相）。

大学以前，从来都没有进过学校。气宇轩昂的老教授是个天生的教育家，他 的最大乐趣就是给孩子们传授知识，把他们教育成材。汤姆生兄弟也很争气， 他们在大学非正式地旁听了两年，眼界开阔了不少。有一次上实验课，兄弟 两个对电学实验发生了浓厚的兴趣，回家以后，竟仿制了几个莱顿瓶和伏打 电堆。两个小实验家用电堆给莱顿瓶充上电，然后骗小妹妹维莉来摸，结果 “啪啦”一声，把她吓得大哭一场。
　　汤姆生十岁的时候，和哥哥一道正式进了格拉斯哥大学预科学习。这大 约是当时世界上最小的大学生。同年级的同学大多是农场主的儿子，最大的 二十四岁。这些纨袴子弟醉心在神学里，汤姆生却在数学、物理学和天文学 方面努力学习。汤姆生十五岁那年，获得了学校的物理学奖；十六岁获得了 天文学奖，同时还因为写了一篇出色的论文《地球的图形》，得到大学的金 质奖章。
　　1840 年春天，汤姆生的父亲带着全家去欧洲大陆旅行。他们渡过多佛尔 海峡，顺着莱茵河南下，旅游的区域主要在德国境里。父亲选取这条路线， 主要是想让孩子们练习德语会话。为了避免分散精力，他事先规定谁也不准 携带书籍。这年年初，汤姆生的指导教授，向他介绍了法国数学大师傅立叶
（1789－1857）①关于热的数学分析的一本著作，要他学习。汤姆生动身以前， 听说爱丁堡大学的凯伦特教授非难这部著作。他瞒过父亲，把书悄悄地藏在 皮包里，旅途中一有机会就偷偷地读几页。他们在法兰克福作客的那些日子， 汤姆生每天都躲进地窖里研究傅立叶的理论，终于发现是凯伦特教授自己搞 错了。于是，他写了一篇反驳的论文。旅行结束以后，他把论文寄给凯伦特 教授。凯伦特对这个十六岁少年的挑战，最初只是付诸一笑，但是当他读完 全文以后却完全折服了。第二年，这篇论文发表在剑桥大学的数学杂志上， 虽然用的是笔名，但是不久，大学生们就都知道作者是谁了，汤姆生顿时名 扬全校。


　　在以后的几年里，汤姆生发表了一连串的科学论文，内容涉及数学、热 力学和电学。十七岁那年，他把电力线和磁力线同热力线加以类比；十八岁， 接触到了热传播的不可逆性（就是热量总是从高温物体传到低温物体，不能 反向传递）。在研究这些问题的时候，他娴熟地运用了很多新的数学定理。 剑桥大学的数学家霍普金斯（1793－1866），曾经担任他的指导教授，使他 得益不小。这一切都表明，他有可能成为一个杰出的数学物理学家。遗憾的 是，他成名太早，反而影响他刻苦钻研。他一生中的某些不足在这个时候已 经露头。他撰写论文很少参考别人的著作，写起来也是龙飞凤舞，一挥而就。 据说他习惯用铅笔写作，而且常常写在零乱的纸上就送去付印。
　　1845 年一月，二十岁的汤姆生通过了紧张的毕业考试。事前，父亲和老 师们对他都寄予很大的希望。父亲确信他能够稳拿第一名，一个主考教授甚 至对他的同事说，他们都不配改汤姆生的卷子。可是考试揭晓，汤姆生只得 了第二名。直到第二次史密斯奖考试的时候，他才夺得了桂冠。

后生可畏



① 傅立叶也译做富里埃，法国著名的数学家和物理学家，他发现可以把函数表示为由三角函数构成的级数
（就是“傅立叶级数”），在无线电电路分析中有重要意义。


汤姆生毕业以后，首先选择了电磁学当做进军的目标。虽然热力学也在
他的视野范围里，但是自从法拉第在 1831 年发现电磁感应以后，探索电磁的 奥秘就成了很多科学家感兴趣的课题，汤姆生也受到强烈的吸引。这个高材 生还在儿童时代就被电学迷住了。他很羡慕法拉第的成就，尤其是对法拉第 关于电力线和磁力线的思想很感兴趣。汤姆生掌握了数学工具以后，更觉得 电磁学是个大有可为的领域，跃跃欲试。
　　汤姆生的父亲却一心要儿子竞选教授席位。当时格拉斯哥大学有位德高 望重的物理学教授要退休，父亲非常希望汤姆生能够接替这个职位。按照当 时的传统，必须要对物理学有实践经验的人才有资格。为了达到这个目的， 父亲特意安排汤姆生去巴黎留学，给物理学家雷尼奥（1810－1878）当研究 生。雷尼奥是搞热力学的，曾经接受法国政府的委托，测定过比热常数。汤 姆生一边听他的课，一边给他当实验助手，在热力学研究上得到不少启发。 但是他当时的主要精力，还是放在电磁学上。他在巴黎只逗留了四个多月， 就写了第一篇很有见地的电学论文，发表在法国的数学杂志上。这家杂志的 主编很赏识这个英国青年，曾经给了他不小的鼓励。汤姆生的论文根据光学 倒影原理，论述了静电感应的电荷分布，这已经是个创见；更不简单的是， 他还提出可以用数学方法来分析法拉第的静电感应现象。他这个闪光的思 想，比麦克斯韦要早十年！
1845 年初夏，汤姆生从法国回到剑桥大学，参加了英国科学协会的会
议。出席这次会议的都是著名学者，包括法拉第、焦耳（1818－1889）①这样 一些世界第一流的大科学家。相比之下，二十一岁的汤姆生不过是个孩子。 但是他不迷信权威，在会上大胆发表自己的见解。
这个英俊的青年有些紧张地站在讲台前，介绍自己对电磁学的研究。他
的脸颊因为兴奋而微微发热，声音也不由自主地提得很高。汤姆生在会上宣 读的论文，是根据自己发表在数学杂志上的那篇文章修改的。当他谈到法拉 第的磁力线可以用数学公式来表示，谈到他发现的光线在两块带不同电荷的 玻璃片之间发生极化现象的时候，会场上发出了一阵热烈的议论。
当汤姆生回到自己座位的时候，旁边一个衣着简朴、态度和蔼的学者转
过脸对他说：“小伙子，你谈得不错啊！” “先生过奖了！”年轻人有些不好意思。 “我也一直在思考这个问题，”那位学者直率地说。 “请问先生贵姓？”汤姆生很有礼貌地问。 “迈克尔·法拉第。”
　　想不到同自己谈话的竟是法拉第！汤姆生顿时肃然起敬。法拉第从皮包 里取出自己写的一本电学专著《电学实验研究》递给汤姆生，建议他抽空读 一读。接着，他们的话题又回到论文上。汤姆生向法拉第请教，为什么光束 通过带电介质会发生极化现象。法拉第解释说，这个问题很不简单，他几次 想用《电学实验研究》来验证，都没有取得成功。
“但是我相信，发生电感应现象的时候，介质一定是处在某种特殊状态 中的。”法拉第坚定地说，并且表示要继续研究这个难题。
汤姆生当时很想提出来同法拉第合作。他犹豫了一下，没有把话说出口。



① 焦耳是英国著名物理学家，在热学上有重要贡献。

法拉第那时已经五十一岁，久病初愈，刚恢复研究工作。他虽然赏识汤姆生 的才能，但是没有想到这个二十一岁的后生是最理想的助手。所以，他们探 索的目标尽管是共同的，特别是汤姆生又精通数学，却没有能够携起手来。 这是很可惜的。
　　一个月以后，汤姆生在皇家学院重新进行这项实验，可惜法拉第已经离 开了。对他们两个人来说，都失去了一次最宝贵的机会。后来，法拉第始终 没有能够把自己的研究提高到理论的高度；汤姆生的愿望，也要到麦克斯韦 手里才能变成现实。
　　以后，汤姆生有好几次想把自己对电磁的研究总结成理论性的东西，但 是都失败了。他的主要缺点是不善于吸取别人的长处。他对法拉第虽然很敬 重，却从没有系统地读过《电磁学研究》。对于其他人的著作，他当然就更 少过目了。有人说，他在四十年里没有认真读过一本书，这话虽然有些夸张， 但是也说明了汤姆生的弱点。他在实验中的一些发现，有的确实闪耀着天才 的光芒，有的却是重复了别人早已发现过的事实。
　　1846 年五月，老汤姆生等候已久的机会终于到来：那位受人尊敬的老教 授去世，他的职位空出来了。当时大学提出三十个有才干的教师做候选人。 汤姆生的父亲梦寐以求的，就是要让儿子坐上教授这把交椅。他一向训诫儿 子要把数学同物理学上的实际问题互相结合起来，对汤姆生一生确实有不小 的影响。父亲主要是为了适应选拔教授的考试的需要，儿子却因此转向了应 用工程的研究。
同年九月十一日，是汤姆生一家的大喜日子。通过一场激烈的竞赛，二
十二岁的汤姆生击败了所有的对手，夺得了第一名。汤姆生的父亲在学校听 到儿子当选为教授的消息，感到平生最大的愿望实现了，欣喜若狂，连帽子 都顾不上戴，就

在真理的边缘


　　1846 年十一月一日，汤姆生正式担任教授的职务。他还是悉心研究电 学，而且很有进展。法拉第那年从剑桥大学回去以后，做了大量实验，研究 光的极化，当年就取得突破。这位实验大师发现：通过玻璃的一束偏振光， 它的振动面在磁场作用下会发生偏转。这就是有名的磁致旋光效应。法拉第 曾经喜悦地写着：“这样一来，磁力和光有相互关系就得到证明了！”消息 传来，汤姆生很受鼓舞。在法拉第实验的启发下，汤姆生进行了反复的研究， 他用数学方法进行分析，对电磁力的性质作了有益的探讨，还试图用数学公 式把电力和磁力统一起来。这确实是一个天才的思想。
　　汤姆生把研究成果写成了一篇论文。那时，他当教授才半个多月。论文 完成的时间，是 1846 年十一月二十八日。汤姆生在当天的日记里写下了这样 的话：“上午十点一刻，我终于成功地用‘力的活动影像法’来表示电力、 磁力和电流了。”
　　实际上，他已经走到了电磁理论的边缘，只要再向前迈进一步，就能够 发现真理。遗憾的是，汤姆生就在这里停步了。他也许朦胧地感觉到了曙光 在前，但是却缺少那种锲而不舍的精神。他在笔记里匆匆地写下这么一行字： 假使我能够把固体对电磁和电流有关系的状态重新做一番更特殊的考 察，我就会超出现在所知道的范围，不过那是以后的事了。可惜他后来再也
　　
没有做这方面的工作。因此，建立电磁理论的桂冠，就只好让麦克斯韦来戴 了。当然，汤姆生的功绩也不可否认：第一，是他作了开拓性的工作；第二， 是他把自己的思想毫无保留地告诉了麦克斯韦。这是汤姆生很伟大的地方。 汤姆生没有能够把电磁理论的研究进行到底，客观上还有个原因，就是 他没有能够及时得到法拉第的指导。1847 年夏天，汤姆生曾经把自己的论文
抄寄给法拉第。他在信里是这样写的：


亲爱的法拉第先生： 以前，我向你提到过一个问题，那就是用解释弹性体中“应
力”分布的方法来解释电力和磁力之间相同的情况。现在我写了 一篇论文，只从数学上论述了电力和磁力相同的地方。还不敢说 这就是关于电力和磁力分布的理论。假如够得上称做理论，它也 只是说明了电力和磁力之间存在着必然的联系，说明了吸铁石或 者有电流通过的导体，都会产生绝对静止的磁性现象。如果这个 理论能够成立，把它同光的波动理论联系起来，就完全可以解释 磁性使光发生极化现象的效应了。
论文随信附上。 信中的精辟见解，在今天看来也是令人惊叹的。因为当时除了法拉第以
外，还没有第二个人把电磁现象和光波联系起来。可惜的是，汤姆生没有得
到法拉第的回信，在关键时刻没有得到宝贵的指导。 正当汤姆生在电磁理论的边缘徘徊的时候，他遇到了焦耳。跟这位大物
理学家结识以后，他的兴趣被引上了另一条道路——热力学的研究。一位英
国传记作家在《汤姆生传》中 饶有风趣地写着：
说来也怪有趣的，汤姆生在年轻的时候就碰到了两个大名鼎
鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来只同其中的一个成了要好 的朋友。
传记里说的“其中的一个”，指的就是焦耳。
　　汤姆生和焦耳的相遇，是很富有戏剧性的。1845 年在剑桥大学举行的英 国科学协会的会议，焦耳也参加了。他在会上还作了关于热功当量的报告。 但是那次开会，汤姆生没有能够同他结识。焦耳在 1841 年发现了电流通过导 体发热的定律①，1843 年又通过实验测定了热功当量②，为建立能量转换和守 恒定律提供了重要的实验根据，这在物理学上是个了不起的发现。但是，当 时人们抱着成见，还不理解焦耳工作的意义，皇家学会也拒绝发表他的论文。
1847 年，在牛津大学召开的英国科学协会的会上，焦耳再次宣讲自己的 理论。这位不屈不挠的实验家，面对怀疑和非难，坚定地声称各种形式的能 都可以定量地互相转化，比如机械能可以定量地转化成热能。当时，著名的 热力学家都认为这种转化是不可能的。汤姆生也出席了这次会议，他起初打



① 1841 年，焦耳发现电流在一段导体中产生的热量，跟电流强度的平方、这一段导体的电阻和通电时间三
者的乘积成正比。1842 年，俄国科学家楞次（1804－1865）也独立地发现了这个定律，后来就称做“焦耳
-楞次定律”。
② 相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量，焦耳用精密的实验测定并且证实了热功当量是一个常数：
J=427 公斤·米/千卡。

算等焦耳讲完以后马上站起来反驳，但是，听完讲演就完全明白了焦耳的学 说里包含着真理。会后，他同焦耳亲切地交谈起来，焦耳深深感到是遇见了 知音。当时，焦耳是二十九岁，汤姆生才二十三岁。后来，他们成了莫逆之 交。在焦耳的鼓励下，汤姆生把注意力转到了热力学研究方面。结果，他的 天才在电磁学领域里没有充分显示出来，却在热力学的领域里显示出来了。 第二年，他提出了绝对温标。在热力学的理论上，他也做出了相当大的贡献。 汤姆生还同焦耳合作，发现了著名的汤姆生-焦耳效应（被压缩的气体通过窄 孔，进入大容器以后，就膨胀降温）。这个效应，为近代低温工程奠定了重 要基础。

海底电缆通信理论


　　汤姆生结识焦耳以后，就把大部分精力放到了热力学的研究上。转眼之 间，几年过去了。在这几年里，他在格拉斯哥大学创建了英国第一所物理实 验室，吸引了不少学生。后来，这所实验室成了他的基地。同时，他的家庭 生活也发生了很大变化。1849 年，他父亲患病去世了。这位老教授在世的时 候对儿子要求很严格，亲眼看见爱子成器，临死的时候内心是满意的。老汤 姆生对英国教育也有贡献。在他去世以后，苏格兰的学校仍旧采用他编的教 科书。据说，他编的有些教科书再版了将近一百次。父亲去世三年以后，汤 姆生成了家。妻子体弱多病，汤姆生一直对她体贴入微，细心照料，花了不 少时间。
1853 年，二十九岁的汤姆生在热力学研究方面取得了成就以后，才回过
头来再一次对电磁学进行探索性的研究。他用很精确的实验，证明了莱顿瓶 放电具有振荡性质。实际上这是发现电磁波的前兆，真理就在眼前，只不过 汤姆生没有充分意识到这一点罢了。汤姆生还用数学方法推导出电振荡过程 的方程和振荡频率的公式。
同年，他发表了《瞬间电流》这篇论文。这不但是汤姆生一生中最出色
的一篇论文，而且也是电磁学史上光采夺目的篇章。在这篇论文里，他指出 带电体的放电有两种，一种是连续放电，一种是振荡放电。如果是振荡放电， 就会形成这样一种情况：“主要导体最先失去它的电荷，然后得到比起初稍 小而正负相反的电荷，这样循环下去一直到无限，而后达到平衡。”
他还认为，如果放电频率太高（电火花爆发太快），肉眼不能判断，就
可以用惠斯登的“转镜法”来观测（六年以后，另一位科学家证实了这点）。 但是，汤姆生没有继续研究下去。第二年，他收到剑桥大学年轻的毕业生麦 克斯韦向他求教怎样研究电磁的来信。汤姆生毫无保留地把自己研究的成果 告诉了他。后来，麦克斯韦沿着汤姆生开辟的道路一直走下去，终于完成了 汤姆生没有完成的事业。
　　汤姆生为什么没有坚持到底，有种种原因。最主要的，是当时有项举世 瞩目的工程——铺设第一条大西洋海底电缆，把他吸引住了。汤姆生不是法 拉第那样的实验科学家，由于各人的经历、性格、受到的教育和所处的环境 不同，因此，他身上更多地具有工程师的气质，对于实际的应用工程更有兴 趣。这种倾向，在他三十岁以后更加明显。他的“三十而立”，可以说完全 立在工程界了，尽管他一直是格拉斯哥大学的教授。
从莫尔斯发明电报以后，不到二十年，电报这种新型通信方式已经在世

界上流行起来。当时无线电还没有发明，莫尔斯电报只能进行有线传送，只 能在陆地上使用，称做陆地电报。随着资本主义的发展，英国和欧洲大陆以 及欧美两地之间传统的利用邮船通信的方式，已经远远不能满足需要，于是 制造和铺设海底电缆成了最迫切的任务。1850 年，在英法之间的多佛尔海峡 铺设了最早的海底电缆，但是，它比较短。要制造和铺设几千公里长的海底 电缆，工程就艰巨多了，因为有很多理论上和技术上的问题需要解决。
　　1854 年，也就是汤姆生发表《瞬间电流》的第二年，一个叫克拉克的科 技人员发现了信号延迟现象，也就是信号通过海底电缆的时候，收报比发报 要滞后一定时间。他不能解释这种现象。
　　汤姆生知道这件事情以后，怀着极大的兴趣进行了研究。他意识到这个 问题是铺设长距离海底电缆成败的关键。因为电缆越长，信号延迟时间也越 长，而且衰减和失真（从脉冲波变成钟形波）也就越厉害。甚至会不能正常 传递电报。经过整整一年的系统研究，汤姆生提出了关于海底电缆信号传递 衰减的理论，解决了铺设长距离海底电缆的重大理论问题。这使他在还没有 肩负铺设大西洋海底电缆重任以前，就已经成了这个工程的奠基人。那时， 他刚三十一岁。一个有趣的巧合是，后来麦克斯韦提出电磁理论是三十一岁， 赫兹（1857－1894）证实电磁波的存在也是三十一岁。
1855 年，汤姆生发表了信号传输理论的论文。它系统地分析了海底电缆
信号的衰减原因，并且指出，由于海水是导体，包着绝缘层的海底电缆同海 水组成了一个电容器，这就使信号传递有个充放电的过渡过程。如果增大铜 线截面面积来减小电阻，加厚绝缘层来减小分布电容，而且使用小电流，就 能够使信号的延滞降低到最小限度。这个理论成了后来设计海底电缆通信工 程的重要理论根据。
1856 年，大西洋海底电缆公司正式组成，资本总额是三十五万英镑。按
照公司章程的规定，公司董事由各个地区的股东选定，在股东还没有分到百 分之十的红利以前，董事没有薪金。苏格兰的股东选聘汤姆生当董事，汤姆 生高兴地同意了。一个人把工作当成了事业，他是不会计较报酬的。青年电 学家盼望的是把自已的理论拿到实际中去应用，在第一条大西洋海底电缆的 工程中显示威力。