法拉第對電磁波早期猜測的實驗研究

李國峰 白 欣

（1.內(nèi)蒙古科技大學數(shù)理與生物工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.首都師范大學物理系，北京 100048）

電磁波的發(fā)現(xiàn)，是19世紀物理學發(fā)展史上的重大事件.電磁波也是當今中學物理教學乃至大學物理教學涉及到的一個重要概念，了解電磁波發(fā)現(xiàn)的早期狀況，對中學物理教師的教學大有裨益，對學生的學習亦有所助益.以往國內(nèi)外的研究多集中于麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831—1879）和赫茲（Heinrich Rudolph Hertz，1857—1894）的工作，一般看法是麥克斯韋預言電磁波，赫茲實驗證實，盡管近年來對麥克斯韋是否明確預言電磁波發(fā)生了一些爭論［1－2］.事實上，早于麥克斯韋和赫茲，場論創(chuàng)立者法拉第（Michael Faraday，1791—1867）在電磁波方面也做了不少工作，除了對電磁波做了早期猜測，他還試圖通過測量磁場的傳播速度來證明其猜測的正確性.對法拉第的這些工作，雖然曾有學者部分提及［3－4］，但缺乏系統(tǒng)研究，以致人們對電磁波發(fā)現(xiàn)的早期狀況的認識不夠清晰全面.

筆者根據(jù)法拉第的著作、日記、書信，特別是《法拉第日記——多種實驗研究的哲學筆記》（Faraday's Diary-Being the Various Philosophical Notes of Experimental Investigation）中的原始記載，結合國內(nèi)外學者的相關研究，對法拉第測量磁場傳播速度的工作進行了詳悉考察；對法拉第、赫茲的工作做了比較，以期對法拉第在電磁波的早期嘗試實驗求證方面的貢獻做出適當評價.

1 法拉第嘗試測量磁場傳播速度的實驗

1.1 實驗緣起

法拉第測量磁場的傳播速度，是為了證實他關于磁作用是近距作用的觀點.法拉第有關磁作用是近距作用的觀點則表明，他對電磁波的概念做了早期猜測.這一點，筆者將專文論證，以下扼要介紹.

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應后，安培把超距作用理論引入電學，建立了電動力學.這套理論提出“磁就是電流”的假說，不僅認為電作用是超距的、即時的，還取消了磁的實體地位.法拉第懷疑安培理論中有關磁的觀點.

法拉第在懷疑超距電動力學舊范式、創(chuàng)立場論新范式的過程中，對電磁波作了早期猜測，其時間為1821年—1855年.法拉第先是于1821年拋棄了安培傳統(tǒng)的“引力”和“斥力”概念，接受了沃拉斯頓“圓周力”概念并加以改造，發(fā)現(xiàn)了電磁旋轉現(xiàn)象，進而懷疑安培理論；1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象后，法拉第質疑“即時”作用，把振動思想引入電磁學領域，通過對靜電感應現(xiàn)象的研究，在靜電學領域否定了超距作用理論；1845年發(fā)現(xiàn)磁致旋光效應和抗磁性后，法拉第提出電磁射線的傳播介質是力線的觀點，并論證了輻射振動的載體是力線而非以太后；通過對抗磁性的系統(tǒng)研究，法拉第在靜磁學領域否定了超距作用理論.1850年后，法拉第論證磁力依靠磁力線傳播的觀點，意圖證明磁力是近距作用的過程中，做了一些預言性的猜測.首先，法拉第預測了磁力線客觀實在性和傳遞磁力的能力；其次，法拉第猜測“磁性”的功能是傳遞“力”的作用；第三，法拉第認為輻射作用依靠力線傳遞，且是非即時的；第四，預測了新物質態(tài)的存在.這些猜測包含了某種電磁波的萌芽.

法拉第嘗試證明其作用是非即時的來證實自己的觀點，途徑是試圖通過測量磁力線或者說磁場的傳播速度來實現(xiàn).

1.2 法拉第的實驗設計

1855年8月15日至1856年1月19日，法拉第斷續(xù)開展了實驗設計.

1855年8月15日，法拉第先是就磁力傳播需要時間這一觀點再次做了辨證思考，對實驗的難點和解決方法進行了思考，初步給出了實驗原理.

法拉第認為，如果時間對于磁力傳播的必要性能夠得到實驗證明，那么將會證實物理力線和一種可能存在的媒質——另一方面，如果存在一種媒質或磁力物理線，那么與時間有關幾乎是確定的了.法拉第還認為，磁力傳播所需要的時間很可能極度的短，就像時間與光的關系，甚至可能是不可察覺的.［5］

因此，法拉第預測實驗將面臨如下幾個困難：（1）磁力的產(chǎn)生與消失要迅急；（2）要觀察磁力的傳播與時間有關，需要足夠大的距離，而且在這么大的距離上，必須能夠確認何時切斷磁力作用；（3）即時的標記磁動，但是普通電流計是絕對不能勝任的，因為驅動電流計指針給出可見的擺動需要較長的時間；（4）需要突然的產(chǎn)生磁力源，要么是把一個一定距離之外的磁體放入或者磁力倒轉，要么是構建電磁鐵，這些都需要太長的時間使得觀察指針的微小差異變得不可能.法拉第認為最難的是（4），因為如何確定實驗當中制造磁力所用的時間比磁力傳播的時間少是個問題，否則無法觀察磁力傳播所用的時間.［5］

對這4個困難，法拉第一一給出了解決辦法.對于（1）和（4），法拉第給出的解決之道是用電流周圍的磁力作為測試對象，他認為電流的橫向力與磁力有相同的本質，它們是同樣的力，而且其產(chǎn)生與電流的產(chǎn)生是同步的，通過電火花和電池的聯(lián)合作用，磁力的產(chǎn)生完全能夠做到像光那樣的突然性.對于（3），法拉第把足夠精巧的懸絲懸吊的輕質小磁針作為高靈敏的電流計，可以測試微弱的電流.至于（2），法拉第用3個相互不等距的線圈來實現(xiàn)，安排A、B、C3個線圈，如果A線圈通以電流，B、C2個線圈將產(chǎn)生感應電流，又由于B、C與A的距離不相等，B、C2個線圈旁邊的小磁針的擺動將出現(xiàn)時間差；3個線圈的位置關系，可以是在同一平面內(nèi)同心或不同心安放，也可以是通過線圈圓心的軸線上相互平行放置，圖1給出的是其中一個方案；線圈可以是單線圈也可以是螺線管.［5］

法拉第還認識到磁力的傳播速度與強度無關.法拉第設想，電流計需要集中在一起，以便同時觀察其變化，并進行時間差的比較；實驗儀器要整體屏蔽以免受到電流和磁力的影響，而且用一個大鐵屋把它們罩起來.法拉第還準備考察磁力在不同介質中傳播速度.［5］

圖1 在同一軸線上彼此平行的3個線圈

1855年8月23日，法拉第再次對電流計進行了改進設計，提高了靈敏度.法拉第的設計如圖2所示，磁針n是一片方形、拋光的鋼制材料，由s懸掛，l發(fā)出一束光射到n的反射面進入眼睛e.如果磁針n繞著軸s有極小的轉動，l的光被反射后將移動較大的距離.法拉第認為借助這套系統(tǒng)將會發(fā)現(xiàn)2個小磁針發(fā)生微小擺動的時間差.法拉第還準備把惠斯通（Wheatstone）的旋轉鏡整合到這套觀測裝置上來，以進一步提高其靈敏度.

圖2 法拉第繪制的靈敏電流計示意圖

1856年1月19日，法拉第繼續(xù)就磁力傳播速度和儀器的靈敏度進行了思考.對于磁力傳播速度究竟有多快，法拉第是矛盾的.他認為很可能觀察不到磁力傳播需要時間的效果；法拉第還認為，雖然磁力傳播速度很有可能像光一樣快，并不能絕對確信磁傳播一定就像光一樣快；但對磁力傳播需要時間這一點法拉第確信無疑.關于儀器的靈敏度，法拉第認為磁針的慣性要小，通過反射光來觀察電流計的擺動，其精度可以達到0.001s.［5］

1.3 法拉第的實驗

法拉第嘗試求證電磁波的這些實驗沒有取得成功，但在日記中有詳細記載，其中諸多失敗實驗的記載，在近代電磁學的發(fā)展歷程中具有積極意義，其中一些實驗是研究近代電磁學史無法繞開的.近年來，學界對《日記》中失敗的實驗記載越來越重視.法拉第測量磁力或者說磁場傳播速度的實驗記載即屬此類.因此，筆者也對《日記》中這些失敗實驗的相關記載給以特別關注，以求盡可能忠實于法拉第的原意，并減小理論重構的偏差.

法拉第在1857年3月25日給麥克斯韋的信中說：“我希望今年夏天作一些關于磁動傳播所需時間的實驗，或者更確切地說是做電致緊張態(tài)通過導線所需要時間的實驗.這時間極有可能比光傳播所用的時間要少.”［6］

同年3月30日，法拉第就做了相關實驗.在一個很大的房間里，同一軸線上放置3個相互平行的線圈，如圖3所示.中間的線圈P是施感線圈，兩邊的線圈A和B是感應線圈，G是電流計，箭頭表示電流方向.線圈A、B及電流計G串聯(lián)在同一電路中，G處于AB的中點，如A和B產(chǎn)生感生電流，則其方向相反.

圖3 法拉第測量磁場傳播速度的裝置一

法拉第認為，如果兩個感應線圈A和B是由同種材料制成，尺寸大小相等，而且施感線圈P處于線圈A和B之間的中點，那么線圈P產(chǎn)生的磁場就會同時到達線圈A和B并在其中同時產(chǎn)生感生電流，這兩個電流會同時到達電流計G，G的指針就不會偏轉；如果P偏離中點，即AP之距離不等于PB之距離，導致P產(chǎn)生的磁場不能同時到達線圈A和B，以致線圈A和B產(chǎn)生的感生電流不同時，這兩個電流到達電流計G的時間不同，則可觀察到電流計的指針偏轉.法拉第希望從電流計指針的偏轉情況來估算磁場的傳播速度值.然而不論他怎樣擺放感應線圈，都觀察不到電流計指針出現(xiàn)偏轉.法拉第后來對實驗做了改進，他在研究所一塊長度超過100ft的場地重新進行了實驗，仍然沒有成功.

我們知道磁場的傳播速度值等于光速，這個值是如此之大，想要用圖3所示的裝置，依靠肉眼觀測到電流計指針的偏轉，線圈A、B之間的距離需要很大，而法拉第的實驗裝置不滿足這一點.

法拉第依然沒有放棄，繼續(xù)改進實驗裝置，于1857年8月17日再次進行了實驗，其實驗裝置如圖4所示.A和B是兩個完全一致的感應線圈，它們各自串聯(lián)一個規(guī)格一致的電流計C、D，C、D彼此靠近，E、F是串聯(lián)在一起的兩個施感線圈，E、F串聯(lián)在一起是為了保證其中所流過電流的同時性.E線圈砸數(shù)較多，距離A線圈100ft，F(xiàn)線圈匝數(shù)很少，距離B線圈很近，如此設計可使得線圈A、B中所產(chǎn)生的感生電流強度較為接近.為避免A、B線圈所產(chǎn)生磁場的相互影響，在實驗時4個線圈如圖5放置，線圈E、A平行且處于同一軸線，線圈F、B平行且處于同一軸線，兩條軸線垂直.

圖4 法拉第測量磁場傳播速度的裝置二（1）

圖5 法拉第測量磁場傳播速度的裝置二（2）

可以看到，法拉第的這個實驗設計之巧妙.因為流過線圈E、F的電流具有同時性，那么它們產(chǎn)生的磁場也是同時的，即施感磁場同時產(chǎn)生；由于線圈A與E的距離遠大于B與F距離，因此磁場從E傳播到A的時間會大于從F到達B的時間，線圈B、A先后感生出電流，結果就能夠觀察到電流計D先于C出現(xiàn)指針的偏轉；根據(jù)電流計D和C出現(xiàn)偏轉的時間差，考慮FB和EA之間的距離差，即可算出磁場的傳播速度.理論上，這樣的實驗裝置完全可能測量出磁場的傳播速度值.然而，法拉第之努力再一次以失敗告終.

此時法拉第開始意識到，磁場傳播速度值可能接近于光速.他在1857年9月26日的日記中寫道：“在磁活動中發(fā)現(xiàn)時間的存在可能是無望的，如果他接近于光速的話.”這比麥克斯韋通過計算得出電磁波傳播速度等于光速的結論早3年.

同日，法拉第改進了實驗裝置.他設計了類似于菲索（Armand Hipplyte Louis Fizeau，1819—1896）1849年測量光速的旋轉棱鏡裝置，感應線圈與棱鏡裝置連接，靠觀察反射鏡中指針變化來計算磁場傳播速度.法拉第測得磁場傳播速度為2574mile/s，約為光速的 1/74.這個數(shù)值明顯偏小.

其后，法拉第在整個1858年致力于改進儀器，提高測量精度，但做的相關實驗仍然沒有取得理想結果.

法拉第實驗雖然沒有取得成功，然而實驗設計思想精妙，啟發(fā)了后人，對電磁理論的建立和電磁波的發(fā)現(xiàn)亦有重大意義.對此，電磁理論的集大成者麥克斯韋給予高度評價，他說自己分享了法拉第的觀點，是法拉第建議了光的電磁理論（指電磁波的猜測——筆者注）.［7］麥克斯韋后來還把光的電磁理論這一觀點告訴了他的學生W.M.?？怂梗踂illiam M.Hicks，后來成為設菲爾德大學（University of Sheffield）的物理教授］，?？怂褂?874年在卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810）實驗室設計了驗證電磁波是否存在的實驗，并進行了測量電磁波傳播速度的實驗.?？怂沟膶嶒炓群掌澃l(fā)現(xiàn)電磁波的實驗早12年.

2 對法拉第工作的評價

2.1 法拉第的工作與赫茲工作的區(qū)別

要對法拉第的工作給出恰當評價，需分析對比法拉第、赫茲工作異同.

關于赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的過程，國內(nèi)學者錢長炎做了系統(tǒng)研究［1，8，9］，本文擇要概述如下.

1886年10月—1888年3月，赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波，他先是用實驗證明了介質中位移電流的存在，而后通過實驗證實電磁作用以有限速度傳播；1888年4月—1892年12月，赫茲對實驗結果進行了理論解釋.期間，赫茲的思想經(jīng)歷了一個從赫姆霍茲電動力學到麥克斯韋電磁場理論的轉變過程，最后通過對麥克斯韋理論基礎的重建才成為一個真正的“麥克斯韋主義者”［8］.赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的實驗方法是這樣的：關于位移電流的證明，他通過專門設計的感應天平，證明了介質中的位移電流對感應天平的平衡位置影響與導體中的傳導電流對其所產(chǎn)生的影響是完全一樣的；關于電磁作用以有限速度傳播，赫茲是通過對“導線波”與空氣中直接傳播的電磁作用之間在距離振蕩器不同位置上的相互干涉效應的仔細研究所獲得的，并測量了“空氣波”的傳播速度；赫茲還通過實驗觀察了電磁波的偏振、反射和折射等效果，證明了電磁波和光的同一性.［9］

對比法拉第和赫茲的工作，可以發(fā)現(xiàn)，從個人思想到實驗儀器，有相似之處亦有明顯的區(qū)別.法拉第和赫茲的思想都有一個從超距作用向場論轉變的過程，法拉第作為先行者，是從超距作用理論懷疑者轉變?yōu)橐粋€場論的創(chuàng)立者，而赫茲作為后來人，是從一個對場論有所偏愛［1］的超距作用理論者轉變?yōu)橐粋€場論的重構者.法拉第和赫茲的實驗都用到了感應線圈，所不同的是，法拉第用的是閉合線圈，赫茲用的是開口線圈；法拉第的實驗裝置沒有諧振子，而赫茲的實驗裝置有2個諧振子，一個用來產(chǎn)生電磁波，一個用來接收電磁波.法拉第在更大程度上是理論開創(chuàng)者，赫茲是這一理論的實驗驗證者，因此法拉第幾乎是在黑暗中摸索，他在當時沒有能夠通過實驗證明電磁波的存在，也沒有能夠令人信服地給出磁場或電場的傳播速度，但是照亮了后人；赫茲之所以能夠成功恰恰在于他明確地知道自己尋找的是波，并按照波的理論來設計實驗，而法拉第尚未有這種自覺.

此外，赫茲明確提出“空間電力自由存在”的觀點，這與法拉第的思想是一致的.［1］但是，他們對待以太的態(tài)度有很大的不同，法拉第始終對以太抱懷疑態(tài)度，認為以太僅僅是個假設性的概念，赫茲則假設以太隨著運動物體一道運動，還據(jù)此建立了運動物體的電磁學方程組.［1］

法拉第的研究，客觀上對赫茲有影響.據(jù)錢長炎的研究，赫茲從事電磁學實驗研究的直接動因是亥姆霍茲（Helmholtz，1821—1894）1879年為柏林大學和普魯士科學院所提出的兩個懸賞課題.其中柏林大學懸賞課題的主要內(nèi)容是：如果導體中的電運動具有慣性，那么，在某種條件下這種效應將在額外電流（電路突然接通或斷開時所產(chǎn)生的電流）的大小中顯示出來.試用實驗的方法測量額外電流的大小，從而判斷電運動是否具有慣性.普魯士科學院懸賞課題的主要內(nèi)容是：……由法拉第提出的電動力學理論，并由麥克斯韋最終用數(shù)學的方式完整地表達出來……科學院要求對以下2個問題中的任何一個作出決定性的實驗證明：證實或否定麥克斯韋所假設的在介質中所產(chǎn)生的電極化的形成或消失過程中所產(chǎn)生的電動力效應的存在；或者，證實或否定由電磁感應的電動力致使絕緣介質中的介質極化現(xiàn)象的存在［8］.柏林大學懸賞課題中提到的“某種條件”與法拉第測量磁場傳播速度的實驗裝置有驚人的相似之處，而普魯士科學院懸賞課題則明確寫道“由法拉第提出的電動力學理論”.

2.2 法拉第的工作是嘗試實驗驗證電磁波的早期努力

宋德生曾依據(jù)哲學家尼克利斯（Thomas Nickles）關于科學發(fā)現(xiàn)的三級結構理論——科學思想的產(chǎn)生、思想價值的追求、科學發(fā)現(xiàn)的接受，把電磁波的發(fā)現(xiàn)過程劃分為3個階段：（1）1831—1857年，作為一項科學發(fā)現(xiàn)的法拉第場論思想產(chǎn)生.（2）1855—1873年，麥克斯韋在理論論證中發(fā)現(xiàn)新的科學問題，提出新的理論假說（位移電流——筆者注），預言電磁波.（3）1870—1888年，赫茲接受法拉第和麥克斯韋的思想，用實驗證明電磁波.

宋先生的3段論是一個概略劃分.事實上要復雜得多，法拉第的工作可能已經(jīng)涵蓋了全部3個階段，法拉第不僅創(chuàng)造了場論思想這一新范式，還對電磁波做出了早期猜測，并嘗試通過實驗求證.麥克斯韋也跨過了3個階段，因為麥克斯韋不是簡單地追求法拉第創(chuàng)造的科學思想，而是對其進行了深化發(fā)展，即麥克斯韋也參與了科學思想的創(chuàng)造.赫茲的工作跨過了后2個階段，赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的過程屬于思想價值追求的階段，因為赫茲存在一個由亥姆霍茲電動力學到麥克斯韋電磁場理論的思想轉變過程［1］，必然存在一拋棄舊范式、追求新范式的階段，發(fā)現(xiàn)電磁波是第3個階段，也是第2階段的結果.因此，法拉第和麥克斯韋的工作并不單單是前人認為的一個前后傳承的關系，實際上要更為復雜，法拉第的思想和工作一定程度上涵蓋甚至超越了麥克斯韋的思想與工作.他們的貢獻有點像全息相片，如果說法拉第是寬視野的朦朧版，那么麥克斯韋和赫茲就是視野相對小的清晰版.一項新發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，其過程可能不是界限分明的線性過程，而是復雜的螺旋上升過程，理解這一點，就容易認可法拉第在猜測電磁波和嘗試實驗驗證電磁波方面的貢獻.

3 結語

通過以上分析，可以得出以下結論.

（1）法拉第的實驗是通過測量磁力或者說磁場傳播速度的方式進行的，但是對于磁力傳播速度究竟有多快，法拉第顯得猶豫不決，有時認為這個速度太快，根本測不出來，有時也認為可以與光速相比擬.

（2）法拉第的相關實驗，在當時沒有能夠通過實驗證明電磁波的存在，也沒有能夠令人信服地給出磁場或電場的傳播速度，但是為后人指引了方向.法拉第的相關實驗，通過1879年為柏林大學和普魯士科學院所提出的兩個懸賞課題，客觀上、間接地對赫茲實驗產(chǎn)生了影響，是赫茲實驗的早期形態(tài)，二者具有邏輯上的傳承性.

（3）由于所處時代不同，法拉第作為先行者，是從超距作用理論懷疑者轉變?yōu)橐粋€場論的創(chuàng)立者，幾乎是在黑暗中摸索，而赫茲作為后來人，是從一個對場論有所偏愛的超距作用理論者轉變?yōu)橐粋€場論的重構者；法拉第在更大程度上是理論開創(chuàng)者，赫茲是這一理論的實驗驗證者.

（4）電磁波概念的提出和電磁波的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了一個較為漫長和復雜的過程.法拉第不僅創(chuàng)造了場論新范式，還對電磁波做出了早期猜測，并嘗試通過實驗求證；麥克斯韋深化發(fā)展了法拉第創(chuàng)造的科學思想，提出新的位移電流假說，預言了電磁波；赫茲則通過實驗驗證了位移電流存在，證明電磁作用以有限速度傳播并測量了其傳播速度，證明了電磁波和光的同一性，還對麥克斯韋理論進行了一定程度的重構.但是，法拉第、麥克斯韋、赫茲的工作也有交叉之處，他們的貢獻呈現(xiàn)復雜的螺旋上升過程.

1 錢長炎.赫茲的電磁學研究時間順序及其思想轉變過程［J］.自然科學史研究，2003，22（1）：1－25.

2 厚宇德.麥克斯韋“沒有明確預言電磁波的存在”嗎［J］.自然科學史研究，2004，23（2）：173－178.

3 宋德生.略論電磁波的發(fā)現(xiàn)［J］.物理，1985，14（3）：184－188.

4 ［美］阿蓋西.法拉第傳［M］.魯旭東，康立偉譯.北京：商務印書館出版，2002：159.

5 M Faraday.Thomas Martin Ed.Faraday's Diary［M］.London：G.Bell and Sons，Ltd，1932－1936（6）：434.

6 Frank A F L Fames Edited.The Correspondence of Michael Faraday ［M］.London：Institution of Electrical Engineers，2008（5）：207.

7 K Thomas.Simpson：Maxwell and the Direct Experimental Test of his Electromagnetic Theory ［J］.Isis，1966，57（4）：411－432.

8 錢長炎.也論電磁波的預言及其發(fā)現(xiàn)過程［J］.物理，2003，32（7）：484－487.

9 錢長炎.赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的實驗方法及過程［J］.物理實驗，2005，25（7）：33－38.