中外科学家发明家丛书:法拉第_2-第4部分

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家们用来获取或提炼某些化学元素。法拉第想：电解时分离出来的物质的量　

一定是与通电量的多少有关，比如水电解时产生了氢和氧两种气体，那么能　

否根据电解时从电极上逸出的气体量的多少，来计算出通过水的电量呢？想　

到这些，法拉第又进行了大量的实验。　

　　　　　经过大量实验证实了他的想法：电解时分离出来的物质数量与通电量两　

者之间存在着严格的量的关系。于是，电量计创制出来了。同时，一个远比　


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电量计更为重要的规律也随之问世了，这就是著名的“法拉第电解定律”。　

　　　　　电解定律是法拉第在研究与发明电量计过程中的意外收获，也可以说是　

电量计的副产品，但其重要性却是电量计的千百倍。这如同一个进行潜水锻　

炼的爱好者，在进行锻炼，达到了强健体魄目的同时，在水中发现了古代装　

满贵重物品的沉船。　

　　　　　电解定律有两条：　

　　　　一、电解的时候，在电极上析出的物质重量，与通过电极的电量成正比；　

　　　　二、如果在同时间内通过的电量相同，那么析出的不同物质的化学“克　

当量”数相等。（电解一个克当量物质的用电量，叫一个“法拉第”，等于　

96484库仑。）　

　　　　下面，我们就用法拉第实验最多的“水的电解”为例，来说明这两条定　

律。　

　　　　把两片铂做的电极插在水中，通上电流，负极上就会有氢气析出，正极　

上则有氧气析出。根据第一定律，两个电极间通过的电流量越大，时间越长，　

电极上所析出的氢气与氧气就越多。　

　　　　为了理解第二定律，先要知道什么叫做当量、克当量、克当量数。再以　

水为例。我们知道，每一个水分子是由两个氢原子与一个氧原子组成的，用　

结构式表示，就是：H…O…H。而氢（H）的化合价是1，氧（O）的化合价为2；　

那么，元素的原子量被化合价除，就是这个元素的当量。如：氢的原子量是　

1、化合价也是1，那它的当量就是1；氧的原子量是16、化合价是2，那它　

的当量就是8。1克氢称为1个克当量氢，它的克当量数是1；2克氢称为2　

个克当量氢，它的克当量数是2；……元素化合成化合物或化合物分解成元　

素时，每一元素的重量比等于当量比，所以它们的克当量数就相等。比如电　

解9克水，一定得到1克氢与8克氧，氢与氧的克当量数都是1，是相等的。　

　　　　有了这些关于当量的知识，我们就可以说明法拉第的第二电解定律了。　

根据这条定律，要电解出1克当量的氢气（重1克）与1克当量的氧气（重　

8克），两片铂电极之间就需要通过一个“法拉第”的电量，也就是96484　

库仑。同样，比如铜的当量是31。8，氯的当量是35。5，那么电解氯化铜水溶　

液的时候，要得到31。8克铜和35。5克氯气，也需要一个“法拉第”的电量。　

　　　　生物进化论奠基者达尔文说过：“科学就是整理事实，以便从中得出普　

遍的规律或结论。”法拉第电解定律的创立过程，非常清楚地印证了达尔文　

的这句名言。电解定律完全是从大量的实验与浩如烟海的实验数据中发现　

的，是通过实验数据的汇集、分析、整理和总结得出的规律。法拉第之所以　

能够发现这个规律，除了他的坚韧毅力与极为细致、负责的工作态度外，还　

缘于他的敏锐观察能力和他对电学与化学两门学科兼通的本领；而他在青少　

年时期，在里博的订书铺，通过刻苦自学所打下的坚实的实验能力与电学、　

化学知识的基础，无疑也是一个重要的成功因素。　

　　　　在创立电解定律的过程中，法拉第还制订了一系列新的电化学术语——　

电极、阳极、阴极、电解、电离、离子、电化当量……这些术语一直沿用到　

今天。法拉第在电化学学科中取得了如此大的成绩，被公认为电化学的先驱。　

两条电解定律是电化学的基础，直到今天仍在电解与电镀工业上广泛应用。　

　　　　　另外，法拉第电解定律还有更深一层的意义：它的光芒照亮了半世纪后　

电子论的发展道路，为发现原子的内部结构奠定了初步的理论基础。　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　七、物理学的革命——场论　



　　　　　物理学中的场论思想也是起源于法拉第。1831年，法拉第作出了他最伟　

大的发现——电磁感应。10年研究的愿望一旦实现，他固然感到极度兴奋，　

但同时也感到了震惊。因为用当时在物理学界占绝对统治地位的牛顿力学，　

已经无法解释电磁感应这个新现象了。　

　　　　　牛顿认为，宇宙空间除了粒子以外什么也没有，而没有粒子的地方则是　

一无所有的真空。　

　　　　　　“真是一无所有吗？”法拉第对牛顿的说法感到了怀疑。　

　　　　　直觉告诉法拉第，空间不可能真的像牛顿所说的那样，除了以超距作用　

相互作用着的粒子以外，什么东西也没有。比如在一根磁棒周围撒一把铁屑，　

铁屑就会描画出了一条条曲线。这是因为铁屑在磁棒周围被磁化，变成了无　

数个小磁针。它们所指示的方向就是磁棒对小磁针作用力的方向，因为各点　

方向不同，所以形成了曲线。法拉第把这些曲线叫做“力线”。他认为：磁　

棒周围的空间存在着这种从宏观无法观测到的力线。　

　　　　　古希腊哲学家亚里士多德等人，在讨论磁铁的磁性时就使用过“力线”　

这个名称。他们用力线解释磁力，但是并不把它当做实有的东西，也没有给　

它下一个确切的定义。而法拉第给力线下了明确的定义，它不仅表示磁力的　

方向，还可以表示磁力的大小。他把力线当作实实在在的东西，用力线来思　

考问题、解决问题。　

　　　　　在实验中，法拉第使导线在两个磁极中间运动，由于电磁感应的存在，　

导线所形成的闭合电路中就产生了感生电流。法拉第认为：如果两个磁极间　

的空间真的是“一无所有”的真空，那么导线中的感生电流又是从何而来的　

呢？显然，空间并不“空”。两个磁极之间的空间内充满了力线；它们是实　

际存在，可以被切割的线。导线的运动如果切割了力线，导线所形成的闭合　

电路中就会有感生电流出现；切割的导线越多、速度越快，感生电流就越大；　

导线的运动如果不切割力线，电路中也就不会有感生电流产生。　

　　　　　所以，法拉第认识到，不仅磁铁周围的空间有力线，电流周围空间也存　

在着力线。磁铁与电流周围的力线指示磁针的受力方向，所以应叫磁力线；　

而充满了磁力线的空间应叫磁场。　

　　　　　就这样，法拉第的场论思想诞生了。他突破了牛顿力学的势框，开创了　

一项完全不同于以往思想的新的分支学科。牛顿认为，宇宙空间就是一无所　

有的真空；法拉第却认为，宇宙空间内充满了场，其中有磁力线、电力线，　

如果再考虑到光、热、引力……那场的性质就更加丰富了。牛顿认为，物质　

只有一种形态——实物，而实物则是由无数个弹性小球式的粒子构成的；法　

拉第则认为，所谓的实物粒子就是力场的中心奇点。牛顿认为，空间与物质　

无关；法拉第却“把物质化为‘力的中心’，又把物质有运动倾向的方向性　

质化为　‘物理上实有的力线’。”牛顿学派认为，万有引力、电力、磁力都　

是超距作用；法拉第则认为，这些力量以物场为中介，像波一般传递的。牛　

顿学派认为，有一种力的存在，就会对应着一种物质，各种力之间没有关系；　

法拉第却认为，各种力是统一的，电、磁、光、热、引力都相互联系，可以　

在场中相互作用，相互转化。　

　　　　　如果把苍茫的宇宙比做一场戏，那么牛顿所描述的宇宙就是一场古代戏　

剧，表演是在空荡荡的广场上进行的，物质在空间运动就如同演员在广场上　


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表演，演员与广场彼此间不发生任何关系；而法拉第所描述的宇宙却是一场　

近代戏剧，表演是在有背景与道具的舞台上进行的，物质在空间运动就像演　

员在舞台上表演，演员的各种表演要与场景的变化交相呼应、融为一体。　

　　　　　然而，限于当时的科技发展水平与理论水平，法拉第关于“场”的许多　

观念仍处在萌芽状态，带有推断、猜测的性质，以致有错误的成分。法拉第　

把磁力线、电力线当做实际存在的东西，这是正确的；但他没有突破机械论　

的框框，把力线当做机械的、有弹性的细线，如同棉线那样，这就是错误的　

了。他没有认识到除了实物这种实在以外，还可以有场的实在，因此完全不　

必把场纳入机械式的实物范畴之中。法拉第认为，力的作用是以场为中介，　

渐进地传递的，这是很正确的；然而他将场的现象看做一种假想的连续媒质　

中的应力的表现，这就不正确了。他没有看到，场与实物一样，也是有质量、　

能量与动量的，是和实物有同等地位的物质存在形态，而不必把场归结为某　

种假想的实物的应力。　

　　　　　在一个新理论萌芽、发展的过程中，这些缺点和错误都是在所难免的，　

是有待于后继者去进行改进、提高的。但是，有一点却是肯定的——法拉第　

要求改变物理学中的不足，要求对牛顿的经典力学加以改进。这是具有划时　

代意义的，是物理学史上的又一次伟大的革命。　

　　　　　在物理学史上，新思想、新理论不断出现。但能够称得上伟大的新思想、　

新理论，而且这种思想的树立必须打破传统思想的统治，却是为数不多的。　

法拉第关于场的思想，就是那为数不多的伟大思想之一。然而，恰恰由于它　

的“新”，才遭到了来自传统思想的反对及各种冷嘲热讽。　

　　　　　的确，法拉第关于场和力线的概念还比较粗糙，由于他没有学过高等数　

学，也就没有能力对这些概念进行数学的概括与分析，只能作出种种感性的　

描述，而无法在理论上加以进一步提高。法拉第赋予力线和场的种种神奇的　

性质，却没能指出严格的推导和证明。由于存在这些问题，对于牛顿学派那　

些受到过严格数学训练的物理学家来说是无法接受的。　

　　　　　由于受当时条件和能力的制约，场论的最后胜利，还要靠后来人。　

　　　　　首先是英国著名学者，比法拉第小40岁的麦克斯韦继承了法拉第开创的　

事业。麦克斯韦出生于1831年11月13日，这恰好是在法拉第发现电磁感应　

后不久。他们两人的出身、所受的教育程度、特长、性格等方面是迥异的：　

一个来自社会最底层，一个出身名门；一个小学没有毕业，一个则是牛津大　

学的高材生；一个擅长实验，一个精通数学；一个善于运用直觉把握住各种　

现象的本质、设计合理的实验进行观察与总结；一个能够建立理论模型运用　

数学技能，进行证明与提高。这么多能力侧重点的不同，并没有妨碍他们物　

理想象上的一致性：他们都坚信场的物质性，反对牛顿的“超距”学说；他　

们的目标是一致的——建立一个全新的、不从属于牛顿自然哲学体系的电磁　

学理论。　

　　　　　麦克斯韦大学毕业后，就致力于电磁学的研究，他十分推崇法拉第的研　

究成果。当年法拉第发现的电磁感应现象可以归纳为一句话：变化的磁场能　

够激发电场。而反过米，变化的电场能否激发磁场呢？这个问题许多年一直　

得不到解决。1861年和1862年，麦克斯韦发表了四篇论文，在论文中，他　

以充足的理论数据、严谨的推理证明，找到了问题的答案——变化的电场也　

能激发磁场。在40年前，奥斯特和安培的实验证明电流能够激发磁场，他们　

使用的电流，能使导线发热、能使化合物电解，这种电流叫做传导电流。而　


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变化的电场虽具有电流的某些性质，但是并不明显，叫做位移电流。　

　　　　　法拉第发现电磁感应——变化的磁场激发电场，完全是通过实验得以证　

实，他亲眼目睹了激发出来的电场效应；麦克斯韦提出位移电流——变化的　

电场激发磁场，则是依靠理论分析。这两个发现可以说是理论加实践的最佳　

产物，它们就如同电磁场理论的双腿，缺一不可。正是因为有了这两者，场　

论才最终站立起来，阔步前进了。　

　　　　　然而，韦克斯韦的位移电流理论没有得到准确实验的印证，所以场论还　

不能称为是一套完整的理论。　

　　　　　历史是要留给科学的继承者来写的。　

　　　　　1887年的一天，在一间蒙得漆黑的实验室里，德国青年物理学家赫兹正　

在用实验验证麦克斯韦的电磁场理论。他在两个金属小球上接通高压交流　

电，“嗞——嗞——”，小球中间跳过了电火花。如果麦克斯韦的位移电流　

理论是正确的，那么这时就该有电磁波辐射产生。赫兹全神贯注，眼睛盯住　

实验室另一头的电磁波接收器——那也是用铜丝联接的两个金属小球。忽然　

　“嗞——嗞——”，接收器的两个小球之间也跳过了一个很小的蓝色火花。　

能量跃过了空间，位移电流产生了，这是波！电磁波就这样诞生了。赫兹测　

定了电磁波的频率与波长，算出它的传播速度：每秒30万公里——与光速一　

样，这与麦克斯韦的预言相符。场论胜利了。　

　　　　　法拉第——麦克斯韦——赫兹，实验——理论——再实验，这是场论发　

展的道路，也是场论之所以成功的原因。赫兹的实验轰动了全世界，它预示　

着人类将获得新的技能。1901年，意大利的马可尼