【跨科際閱讀】想像比知識重要

法拉第以高明的科學想像力,體認到電荷之間的場才是描述電磁現象的關鍵。

Michael Faraday@wiki

Michael Faraday正拿著一個1845年當時他使用的那種玻璃棒。1845年,他發現了抗磁性(diamagnetism;法拉第效應)現象:一個線性極化的光線在經過一物體介質時,外加一磁場並與光線的前進方向對齊,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉向。這個實驗證明了光和磁力有所聯繫。

撰文│高涌泉(臺大物理系教授)

原載於【科學人雜誌】2008.06.01

1857年3月25日,被後世認為是19世紀最偉大的實驗物理學家法拉第寫了一封信給被後世認為是19世紀最偉大的理論物理學家馬克士威,當時法拉第已 64歲,是英國科學界的長老,才剛出道的馬克士威則是24歲。法拉第在信中說:「已經收到你寄來的論文,非常感激。我不願意冒昧地感謝你在論文中所說關於『力線』的一切,因為我知道你所做的一切都是為了哲學真理(而不是為了我),不過你一定認為這件工作是由我而起,所以它會激勵我對這個問題想下去。(但是)當我看到這篇論文用了那麼多數學討論這個題材,我最初幾乎嚇到了……」法拉第被嚇到了?這可是有意思的事。

馬克士威寄給法拉第的論文發表於1856年,題目為《論法拉第的力線》。馬克士威在論文中把法拉第發明的電力線與磁力線類比成不可壓縮流體的流線,將空間中某處電(磁)力線密度對應到當地流體的速度,並且以向量語言來描述流體的速度,換句話說,馬克士威將法拉第以圖形來表示的電(磁)力線轉化成精準的向量電(磁)場。法拉第出身貧窮,沒有受過正式教育,全憑自學,當然無法和受過劍橋大學教育的馬克士威一樣精通高等數學,難怪會對他的工作多少有畏懼之心。

其實法拉第在電磁現象上的偉大發現(如變動磁場會產生電場的感應定律)還幸好有馬克士威進行數學分析,才得以彰顯其價值:流體流線與電(磁)力線的類比是馬克士威建立其電磁理論的第一步,爾後十年間他又發表了《論物理力線》與《電磁場的動力學理論》等論文,從數學的一致性出發,提出了變動的電場也會產生磁場的想法(亦即現今大家非常熟悉的「位移電流」概念),從而建立了完整的電磁學方程式,並發現光即是電磁波。一般認為法拉第–馬克士威的電磁場理論是19世紀物理最重要的成就。

愛因斯坦在其《自傳筆記》中曾說,「法拉第–馬克士威」與「伽利略–牛頓」這兩對物理學家極為類似,每一對的前者都先以直覺來掌握物理現象,而後者則用數學精確地描述前者發現的物理關係。愛因斯坦以為,法拉第與馬克士威的電磁場是自牛頓以來最重要的發明,他認為只有最高明的科學想像,方能體認電荷之間的場才是描述電磁現象的關鍵。事實上,愛因斯坦本人最仰慕的物理學家即是牛頓、法拉第、馬克士威──他的書房只掛了這幾個人的照片。

James Clerk Maxwell@wiki

馬克士威1831年6月13日生於英國愛丁堡,1847-1850年於愛丁堡大學學習、之後4年則在劍橋三一學院攻讀數學。1860年,他成為英國皇家學會會員,1871年任劍橋大學教授,創建並領導了英國第一個專門的物理實驗室卡文迪許實驗室。他主要貢獻是建立了麥克斯韋方程組,創立經典電動力學,並且預言了電磁波的存在,提出了光的電磁說。麥克斯韋是電磁學理論的集大成者。他出生於電磁學理論奠基人法拉第提出電磁感應定理的 1831年,後來又與法拉第結成忘年之交,共同構築了電磁學理論的科學體系,電磁學理論則為邁入電器時代奠定了基石。

 

馬克士威於1873年發表了《電磁論》一書,來完整解說他的電磁理論。此書的序極有趣味,因為我們可以從中知曉當時在法拉第、馬克士威之外,還有試圖以超距力來建構電磁學的德國學派(包括高斯、韋伯、黎曼等人),也可了解馬克士威受法拉第影響之深,以及他對法拉第的崇敬之心。馬克士威在開始研究電學之時,就下定決心不讀任何有關此題材的數學論文,直到他先把法拉第的《電學實驗研究》一書讀完,因為他知道「法拉第想像電磁現象的方式與其他數學家不一樣,兩方都不滿意對方的語言。」他又說:「當我深入研讀法拉第,我體會到雖然他感受現象的方式無法以慣見的數學形式呈現,但其實也是一種數學方式……例如法拉第在其心靈之眼看到穿透空間的力線,而其他數學家看到超距力的中心;法拉第看到介質,他們只看到距離;法拉第試圖在介質中尋找現象的根由,他們只要能找到超距力的形式就滿足了。」

馬克士威建議學生在知道必須觀察的電磁現象有哪些之後,應仔細研讀《電學實驗研究》。他說學生研讀任何科目時,最好閱讀那一科目的原始文獻,而「如果《電磁論》能幫助學生了解法拉第的思考與表達模式,我就達成了設定的主要目標之一,那就是將我閱讀《電學實驗研究》時所獲得的喜悅傳達給他人。」

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1 Response

  1. jtchen 說:

    若以十九世紀為考量,我還是認為Dalton的原子論及Darwin的演化論最重要,電磁理論只能獲得物理學家的票。

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