法拉第的近距作用思想對電磁波概念誕生的貢獻

李國峰

(1.內(nèi)蒙古師范大學 科學技術(shù)史研究院，呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古科技大學理學院，包頭 014010)

法拉第的近距作用思想對電磁波概念誕生的貢獻

李國峰1，2

(1.內(nèi)蒙古師范大學 科學技術(shù)史研究院，呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古科技大學理學院，包頭 014010)

法拉第批判了安培電動力學中的超距作用思想，論證了電作用、磁作用是近距作用，論證過程中引入一系列新術(shù)語、新概念，還做出三個前瞻性猜測。法拉第的這些工作為電磁波概念的誕生奠定了基礎。

超距作用 近距作用 法拉第 電磁波

電磁學從1820年奧斯特(Hans Orsted，1777—1851)發(fā)現(xiàn)電流磁效應開始，到1861年電磁波概念誕生，經(jīng)歷了一個由舊的超距作用思想向新的近距作用思想的轉(zhuǎn)換過程，期間法拉第(Michael Faraday，1791—1867)有突出貢獻。盡管已有學者提及法拉第的部分工作[1—4]，但尚需做系統(tǒng)研究。本文根據(jù)法拉第的著作、日記、書信的相關(guān)論述，圍繞法拉第對安培(André-Marie Ampère，1775—1836)電動力學的批判、法拉第就電磁作用是近距作用所做的論證、法拉第的三個前瞻性猜測，進行剖析與評價。

1 法拉第對安培電動力學的批判

1.1 安培理論不能解釋電磁轉(zhuǎn)動現(xiàn)象

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，建立了電動力學理論，其本質(zhì)是超距作用思想的產(chǎn)物。這套理論提出“磁就是電流”的假說，認為電的作用是超距的、即時的，取消了磁的實體地位。在當時，安培的理論在數(shù)學上近乎完美，但法拉第于1821年發(fā)現(xiàn)的電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象使安培電動力學理論面臨一個難題，支配電磁旋轉(zhuǎn)的圓周力是一種“無心力”，不同于“超距作用”理論所說的“引力”和“斥力”等直線型“有心力”，法拉第隨即對安培電動力學理論產(chǎn)生懷疑。

在與加斯帕德·德拉里夫(Gaugust de la Rive)的通信中，法拉第談到，安培理論的諸多觀點并未得到實驗支持，要相信安培的電流假說，必須得到實驗證實才可以，法拉第本人毫不懷疑通電螺線管能夠產(chǎn)生磁力[5]。法拉第指出了安培理論的矛盾之處，根據(jù)安培理論，如果縱向張力是吸引力，產(chǎn)生電流，橫向張力是排斥力，產(chǎn)生磁力，那如何解釋通以同向電流的導線產(chǎn)生的橫向力會產(chǎn)生吸引作用呢([6]，第3卷，216—217頁)？法拉第把通電導線在磁針附近受到的力即安培力和電磁轉(zhuǎn)動的圓周力進行了對比，認為它們都是獨立的力，且是一類力([6]，第3卷，81頁3472)(法拉第的實驗記錄，絕大部分都編有連續(xù)的序號)。法拉第把電磁轉(zhuǎn)動的“圓周力”提高到了與超距作用理論下的力──“引力”和“斥力”──同等重要的地位。這樣，就打開了超距作用理論的一個缺口。

1.2 安培理論不能解釋電磁感應的瞬時效應

1831年8月29日，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。由于當時發(fā)現(xiàn)的感應現(xiàn)象是瞬時效應，法拉第開始質(zhì)疑安培電動力學的“即時”作用。他認為磁的作用需要時間，因為“磁脈沖傳播需要時間”([6]，第3卷，424頁393—396)。

在1832年3月12日寫給皇家學會(Royal Society)的一封密信中，法拉第又做了進一步闡述：

我相信磁作用是漸進的，并且需要時間。即當一個磁體作用于另一個遠處的磁體或者一片鐵時，磁性是逐漸地從磁體傳播開去的，這種傳播需要一定的時間，將來也許會發(fā)現(xiàn)，這種推斷是很合理的。我有理由假設，電感應也要以相似的漸進方式進行。[7]

法拉第認為磁作用是漸進的，電作用也是漸進的。

考察法拉第的以上論述不難發(fā)現(xiàn)，法拉第認為磁作用、電作用均是近距作用。他的這些論述成為電磁學掙脫超距作用思想束縛的有力武器。

2 法拉第就電磁作用是近距作用所做的論證

2.1 力線是電磁作用的載體

磁作用、電作用是近距作用，那么磁力或電力是靠什么載體、以何種方式起作用呢，法拉第認為是通過磁力線或電力線以振動的方式進行的。為此，法拉第把“振動”概念引入電磁學領域，把磁力、電力作用解釋成是一種“振動”：

我傾向于把來自磁極的磁力向外傳播比作被攪動的水面振蕩，或比作聲音現(xiàn)象中空氣的振動；也就是說，我傾向于認為振動理論適用于這些現(xiàn)象，就像對聲音作的那樣，而且極有可能對光也是如此。以此類推，我認為它可能也適用于電壓的感應現(xiàn)象。[7]

1845年9月13日，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的偏振面在磁場中的旋轉(zhuǎn)(Faraday旋轉(zhuǎn)效應)現(xiàn)象([6]，第4卷，264頁7505)，同年11月4日法拉第又發(fā)現(xiàn)抗磁性([6]，第4卷，313頁7902)。這些發(fā)現(xiàn)促使法拉第發(fā)展了一種力線振動思想，于1846年4月15日完成了《關(guān)于射線振動的思考》(Thoughtsofray-vibrations)一文，法拉第在文中提出了光以及熱輻射等射線的振動是以力線──而不是以太──為介質(zhì)傳播的設想，并做了系統(tǒng)論述。

法拉第假設，粒子由力線連接，輻射和發(fā)光現(xiàn)象的振動就發(fā)生在力線當中，而不是之前通常認為的以太是發(fā)生振動的媒介。根據(jù)這個假設，法拉第認為，力線可以擴展到任何距離上，粒子僅僅通過力線而存在，這種物質(zhì)觀點逐漸導致他尋求把力線作為輻射振動的載體。他還說，這種觀點一旦被接納，以太理論將被排除([8]，第3卷，447頁)。接著，這篇文章較為系統(tǒng)的闡述了對以太的質(zhì)疑。

當時的以太理論認為，以太是一種稀薄彈性體，彌漫于宇宙間。法拉第認為，光以如此大的速度穿越以太，則以太的彈性必是無限的，也可以假設力線的彈性是無限的，那么為什么可以接受以太而不可以接受力線和力心？既然可以用力線代替以太，那么力線與物質(zhì)是何關(guān)系？法拉第認為，物質(zhì)粒子是力線中心，而當物質(zhì)不存在時，力線直接穿過空間([8]，第3卷，449—450頁)。

法拉第還構(gòu)想力線的作用方式類似于搖擺或橫向振動，如果力線連接的物體受力，力線將產(chǎn)生橫向擾動。“因此，我敢于發(fā)表的觀點是，把光輻射看作是一種力線中所作的高級振動。我們知道，物質(zhì)的粒子就靠這些力線聯(lián)系在一起，物質(zhì)的質(zhì)量也靠它們聯(lián)系。我的觀點是要排除以太，但不排除振動?！?[8]，第3卷，450頁)不僅如此，法拉第還進一步把這種作用方式推廣到整個空間，認為力線構(gòu)造了所有物體并彌漫于空間，發(fā)生振動的是力線而不是以太。菲涅爾(Augustin Jean Fresnel，1788—1827)曾經(jīng)認為，以太振動產(chǎn)生了光的橫向振動，法拉第則認為：可以直接構(gòu)想光是一個集合，是在所有方位角內(nèi)的一個無限大偏振波系統(tǒng)[9]。法拉第強調(diào)的是光波本身，而不是以太。

2.2 電作用和磁作用是近距作用

法拉第批判了安培電動力學理論中超距作用思想，論證了力線是振動的載體，接著論證了電作用和磁作用是近距作用。

法拉第通過大量實驗證明：電力的作用是曲線式的，而不是超距作用的直線式；有研究者認為，其電作用理論完全否定了傳統(tǒng)的超距作用理論([10]，103頁)。實際上，此時，法拉第的近距作用理論僅限于電作用領域，還沒有在磁作用領域取得進展。法拉第通過在電學領域否定超距作用的方式，間接地、逆向地為自己的磁近距作用理論提供了研究依據(jù)。

安培理論認為：“磁極是某種穿過螺旋電流的、與電流有關(guān)的永恒線之端點；如果電流是直線型的，那么在電流的一側(cè)擴張成N極，在另一側(cè)擴張成S極?！?[6]，第5卷，300頁10831)但法拉第所做的實驗，使得安培理論再次面臨困難。如圖1所示，位于磁極間的物體A、B、C。物體A既不是磁體也不是抗磁體，磁力線就沒有受到擾動，物體B為順磁體、有磁極性，使磁力線向自己聚攏，物體C為抗磁體，使磁力線偏離、繞過它([6]，第5卷，300頁10832)。法拉第進一步論述：

如果用安培理論解釋上述現(xiàn)象，我們必須假設，磁力傳導時，在整個過程中靠的是磁力線周圍的環(huán)繞電流，而且這電流自身必須能夠存在于真空中；但是就安培理論而言，這是難以理解的，環(huán)形電流總是與粒子相聯(lián)系……([6]，第5卷，301頁10834)

圖1 物體磁性對磁力線分布的影響([6]，第5卷，300頁10831)

法拉第的以上論述表明：首先，磁力線是實體性存在，磁力線不會因抗磁體的出現(xiàn)而消滅；順磁體只不過具有束攏空間磁力線的作用，抗磁體也只不過將它所在空間的磁力線排開而已，順磁體和抗磁體的存在只是改變了磁力線的空間分布。其次，磁力不是超距作用，而是傳導，即近距作用，在磁領域排除了超距作用。最后，法拉第還用安培理論推導出一個安培理論自身無法解決的悖論，法拉第就這樣用安培理論駁倒了安培理論中的超距作用思想。

法拉第進一步得出結(jié)論：“傳導的觀點，不是可能而是最可能，磁力能夠以力線的方式穿過空間，并不需要環(huán)形電流?！?[6]，第5卷，302頁10837)那么何為磁極？法拉第認為，所謂磁極其實是“傳導極”([6]，第5卷，302頁10838)。

法拉第還借助牛頓的論述加強自己的觀點。牛頓曾經(jīng)說過：“一個物體能夠作用于以真空相隔有限距離的另一個物體，不需要通過任何媒介傳遞作用力從一個物體到另一個物體，這對我來說是一個特大荒謬，我相信不會有任何在哲學方面具有足夠思考能力的人士會墜入其中。引力必定是由按照某種定律作用的動因所造成的。至于這動因到底是物質(zhì)的還是非物質(zhì)的，在這里我留給我的讀者來思考?！?[8]，第3卷，507頁)法拉第認為：“牛頓是一個毫不猶豫的引力物理線的信徒，從其本意來說，可以把牛頓列入磁力線和電力線是物理線的支持者當中。”([8]，第3卷，506頁)

這樣，法拉第就在電學和磁學領域否定了超距作用思想。

2.3 引入電磁學新術(shù)語

為了便于表述其近距作用思想，法拉第引入了一系列新概念和新術(shù)語：

法拉第用“電波動”來描述感應現(xiàn)象的瞬時性，用“磁曲線”來解釋感生電流的產(chǎn)生機制，以及提出“電緊張態(tài)”在感生電流的產(chǎn)生過程中起媒介作用，法拉第用這些新術(shù)語解釋了感生電流的產(chǎn)生過程：導線切割“磁曲線”通過“電緊張態(tài)”引起“電的波動”，從而產(chǎn)生感應電流，后來用“磁力線”代替“磁曲線”，用“磁傳導”描述空間物體的存在對磁力線分布的影響作用，用“傳導力”解釋物體能夠傳遞磁力的能力。法拉第還進一步把安培力納入自己創(chuàng)立的“電緊張態(tài)”概念當中，他認為安培力構(gòu)成了自己所說的電緊張態(tài)。由此可知，法拉第所引入的概念均屬于近距作用思想范疇。

尤其值得注意的是“極化”“磁極化”“極化態(tài)”這幾個概念，隱含著電作用或磁作用伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，法拉第說：

感應看起來是起作用的帶電體使一些微粒進入某種極化狀態(tài)，這些微粒是帶正電或負點的質(zhì)點或部分……這種狀態(tài)肯定是一種受迫狀態(tài)，因為它只是由于一種力而產(chǎn)生和維持，并且當那種力消除時就恢復到正常的或靜止的狀體。([8]，第1卷，409頁)

這段話對“電位移”概念的誕生意義重大，“電位移”就是麥克斯韋(James Clerk Maxwell，1831—1879)對電介質(zhì)極化的替代([3]，189頁)。

法拉第對安培電動力學所做的批判，對電、磁作用是近距作用的論證，特別是新術(shù)語的創(chuàng)造，表明法拉第已經(jīng)脫離開了安培電動力學舊范式，開始用自己創(chuàng)立的新范式對電磁學進行研究。在1850年4月8日后，法拉第在日記中再未提到過安培的名字。

3 法拉第的三個前瞻性猜測及其意義

法拉第所做的電磁作用是近距作用的論證工作以及新術(shù)語的引入為電磁波概念的誕生奠定了哲學基礎。法拉第本人還做出了一系列的前瞻性猜測，這些猜測包含了電磁波概念的萌芽。

(1)法拉第猜測“磁性”的功能是傳遞“力”的作用。他在1851年10月22日完成的論文《論磁力線；它們的確切特征；在空間和磁體內(nèi)的分布》(OnlinesofMagneticForce;theirdefinitecharacter;andtheirdistributionwithinaMagnetandthroughspace)說：

磁力在物體中是如何傳遞的，又是如何穿過空間的，我們不得而知：是否僅僅是超距作用，就像在重力的情況；或者是通過中介媒介，就如光、熱、電流的情況，亦或就像電感態(tài)。考慮真空和磁力以及有關(guān)磁力實驗中磁性特征之間的關(guān)系，我更傾向于這樣的觀點，磁性是一種力的傳遞作用，而不是表面看起來的吸引和排斥的超距作用。這樣一種作用可能行使著以太的職能，因為這種作用并不是絲毫不像以太，如果以太存在的話；這種作用有其它用途而不是簡單的輻射傳遞。([8]，第3卷，330—331頁3075)

(2)法拉第認為輻射作用依靠力線傳遞，且是非即時的。他在1852年3月6日完成的論文《論磁力線的物理性質(zhì)》(Onthephysicalcharacterofthelinesofmagneticforce)中說：

當轉(zhuǎn)向輻射現(xiàn)象時，我們獲得了需要時間的最高證據(jù)，雖然它們是不可稱量的事物，然而力線有獨立的物理存在，以某種方式，或者物體發(fā)出輻射，或者物體接收輻射。在傳遞過程中，輻射可能被偏轉(zhuǎn)，可能由直線彎曲成曲線。……力線的存在不依賴于附加物或者被作用的物體，就如引力；而且它們的傳遞需要時間。([8]，第3卷，409頁3246)

(3)猜測新物質(zhì)態(tài)的存在。1852年6月11日，法拉第在《論磁力的物理線》(OnthePhysicalLinesofMagneticForce)一文中談到：

磁體周圍存在一種狀態(tài)并由磁體維持，這種狀態(tài)顯示了磁力線的物理性質(zhì)。([8]，第3卷，443頁)

對于猜測(1)，惠特克(E T Whittaker)認為是光的電磁理論的開端[11]。因為綜合分析法拉第的這些論述，可以發(fā)現(xiàn)，法拉第猜測磁作用是近距作用，類似于電感應；磁的功能是傳遞“力”，法拉第所指的“力”，在某種程度上可以理解為后來的“能量”；法拉第所說的“傳遞作用”有超越于以太的功能，并且對這種功能做了猜測，其不僅僅是傳遞輻射，其意義已經(jīng)超越了單純的磁力線或者磁性本身。

猜測(2)表明，法拉第認為力線在輻射傳遞機制中起著重要作用，力線發(fā)出或接收輻射，傳遞過程中會發(fā)生繞射現(xiàn)象，而且是非即時傳播。至此，電磁波的概念呼之欲出了。

猜測(3)所指的新物質(zhì)態(tài)就是場。

法拉第的這些猜測為電磁波概念的誕生做了準備工作，為麥克斯韋的研究指明了道路。

1855—1864年間，麥克斯韋提出“渦旋電場”和“位移電流”的假說，通過構(gòu)建數(shù)學模型推導出了以以太為媒介的電磁波動方程，從理論上闡述了光的電磁屬性，預言了電磁波的存在。從前文分析可知，法拉第的相關(guān)論述客觀上構(gòu)造了一種電磁理論，只不過采用了一種非數(shù)學的圖形表述方式，例如圖2描繪了磁場與電流的關(guān)系。國外就有學者認為麥克斯韋把法拉第基于實驗提出的電磁場理論翻譯成了麥克斯韋方程組，麥克斯韋方程組中的每一個方程所表述物理思想都可以在法拉第的理論中找到[12]。

圖2 法拉第描述磁力線和電流關(guān)系圖([8]，第3卷，Plate IV. Figure1)

證明光波和電磁波的同一性的第一步也是法拉第邁出的，這就是他發(fā)現(xiàn)的磁致旋光效應。法拉第在1845年11月的《論光的磁化和磁力線照明》(Onthemagnetizationoflightandtheilluminationofmagneticlinesofforce)一文中進行了論述：“各種形式的力顯然有共同的起源，換句話說，它們是如此直接相關(guān)和彼此依賴，以致可以相互轉(zhuǎn)化……磁致旋光效應是光轉(zhuǎn)變成電和磁的最好方式?！?[10]，1頁2146)不同于麥克斯韋由數(shù)學推導得出電磁波傳播速度等于光速，法拉第是猜測磁場傳播速度接近光速。

4 結(jié) 語

安培電動力學理論提出“磁就是電流”的假說，認為電的作用是超距的、即時的，并取消了磁的實體地位。法拉第對這些觀點進行了批判，一是安培理論當中的“引力”和“斥力”等直線型力無法解釋法拉第本人發(fā)現(xiàn)的、由“圓周力”支配的“電磁轉(zhuǎn)動”現(xiàn)象，指出了安培理論對“力”認識的片面性。二是安培理論無法解釋“電磁感應”現(xiàn)象的產(chǎn)生機制，具體而論，在安培理論中處于非實體地位的“磁”怎么能夠產(chǎn)生實體的“電”呢？況且安培理論中的電力“即時”作用論也不能夠解釋在當時看來是“瞬時效應”的電磁感應現(xiàn)象。法拉第這些批判使電磁學研究開始脫離超距作用思想的束縛。

鑒于安培理論對電磁領域新發(fā)現(xiàn)的無能為力，法拉第另辟蹊徑引入振動和力線思想，沿著近距作用的思路開展研究，取得了影響后世的杰出成就。法拉第賦予“力線”實體地位，明確電作用、磁作用的載體是力線，其方式是力線的振動，光現(xiàn)象也是力線的振動，而非抽象的以太。法拉第結(jié)合實驗事實論證了電作用、電磁作用是近距作用。法拉第在論證過程中創(chuàng)立了一系列新概念，及相應新術(shù)語，而這些新概念、新術(shù)語無一例外屬于近距作用范疇。這些都表明法拉第不僅拋棄了安培理論的舊范式，并正在建立一種新范式。

在批判了安培理論中的超距作用思想、論證了自己的近距作用思想后，法拉第做出了三個前瞻性猜測，這些猜測客觀上或暗示了某種類似萌芽態(tài)的“電磁波”概念，盡管他沒有明確地提出“電磁波”概念。法拉第所有這些工作為電磁波概念的誕生奠定了哲學基礎或者說準備，為麥克斯韋的電磁波預言指引了方向，例如麥克斯韋的電“位移電流”概念就直接受到了法拉第的“極化”概念的影響。

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

2 (美)約瑟夫·阿蓋西. 法拉第傳[M]. 魯旭東, 康立偉譯. 北京: 商務印書館, 2002. 159.

3 (美)弗·卡約里. 物理學史[M]. 戴念祖譯. 范岱年校. 桂林: 廣西師范大學出版社, 2001. 177—180.

4 (英)W.C.丹皮爾. 科學史——及其與哲學和宗教的關(guān)系[M]. 李珩譯. 桂林: 廣西師范大學出版, 2001. 235.

5 Jones H B.TheLifeandLettersofFaradayVol.1[M]. London: Longmans, 1870. 355—357.

6 Faraday M., Thomas Martin Ed.Faraday’sDiary[M]. London: G Bell and Sons, Ltd, 1932—1936.

7 Frank A F L Fames Edited.TheCorrespondenceofMichaelFaradayVol.2[M]. London: Institution of Electrical Engineers, 1993.26.

8 Faraday M.ExperimentalResearchesinElectricity[M]. London: Taylor & Francis, 1855.

9 Faraday M.ExperimentalResearchesinChemistryandPhysics[M]. London: Taylor & Francis, 1859. 357—358.

10 王洛印.法拉第的電磁學實驗研究──根據(jù)《法拉第日記》進行的分析[D].中國科學技術(shù)大學, 2009.

11 Whittaker E T.AHistoryoftheTheoriesofAetherandElectricity[M]. Dublin: Hodges Figgis CO. Ltd, 1910. 217.

12 Ryan D Tweney. Representing the Electromagnetic Field: How Maxwell’s Mathematics Empowered. Faraday’s Field Theory Springer [J].ScienceBusinessMediaB.V,Science&Education, Online FirstTM, 2010-4-22.

LI Guofeng1，2

(1.InstitutefortheHistoryofScienceandTechnology，InnerMongoliaNormalUniversity，Hohhot010022，China;

2.SchoolofScience，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010 ，China)

Faraday’sContributionontheBirthofConceptofElectromagneticWave

Faraday criticized the viewpoint of the action at a distance of Ampère electrodynamics， and he demonstrated that the electricity action and magnetic action are progressive. Faraday introduced a series of new term and concepts， and that he had three prospective speculations. Faraday’s efforts laid a foundation to the birth of the concept of electromagnetic wave.

action of a distance， Faraday， action through medium， electromagnetic wave

2016- 10- 11；

：2017- 01- 11

李國峰，1975年生，山西定襄人，內(nèi)蒙古師范大學科學技術(shù)史研究院2016級科學技術(shù)史專業(yè)博士研究生，內(nèi)蒙古科技大學理學院副教授，研究方向為物理學史、技術(shù)史, Email: lgfnkd@163.com。

N091∶O4- 091

A

1673- 1441(2017)01- 0089- 07