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電磁英雄法拉第

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發表於 2017-7-10 20:56:33 |顯示全部樓層
這一回要來寫一個家喻戶曉的人物,法拉第。他的人生簡直是從狄更斯小說中冒出來的傳奇故事:出身寒微、個性善良的主人翁,憑著毅力與熱誠,得到眾人的喜愛與幸運之神的青睞,即使遇到嫉妒的眼光,碰到惡棍的阻擾,但主角總能逢凶化吉,最後結局皆大歡喜。所以法拉第的生平往往被寫成勵志小說,這也是法拉第人氣高居不下的原因。但是阿文倒是想趁這個機會,藉著法拉第好好地來介紹工業革命如何改變科學的面貌。

想多啃點書?那就當位裝訂工吧!
法拉第(Michael Faraday)於 1791 年出生於英國倫敦附近的一個叫 Newington Butts 的村子。法拉第的父親 James 是個桑地馬尼安教派(Sandemanians)的一員,桑德曼派是蘇格蘭長老會牧師格拉斯在 1730 年前後創立的教派。嗣後他的女婿桑德曼成為該教會的領袖。因此該派通稱桑德曼派。他們照著字面解釋聖經來實踐聖經的教導,譬如說他們認為人不應積累財富,因為那是違背《聖經》的教導。法拉第一生篤信這個教派。在英國凡是信奉英國國教以外的教派的人被稱為非國教徒 Dissenters。十九世紀以前他們不能進大學,不能擔任公職,簡直就是社會的邊緣人。但是隨著工業革命的開展,這一切都將改變,而法拉第就是最好的見證。


法拉第一生篤信桑德曼派,認為人不應積累財富,因為那是違背《聖經》的教導。在英國凡是信奉英國國教以外的教派的人被稱為非國教徒,十九世紀以前他們不能進大學,不能擔任公職,但一切在工業革命後都將改變。圖/By Thomas Phillips, Public Domain, wikimedia commons
法拉第的父親是名鐵匠,但身體並不好,無法常上工,因此造成家境貧困,因此年紀一到他就得去當學徒賺錢維生。實際上,更窮的人,年紀還沒到,就去當童工呢!(狄更斯就當過童工!)法拉第 14 歲時成為書本裝訂商 George Riebau 的書店中的不支薪跑腿工。Riebau 是躲避革命而逃到英國的法國人。由於老闆很欣賞他的工作態度,就將法拉第升作學徒,還不收學費。看過電影「戀戀風塵」嗎?電影中的阿遠不也是家貧無法升學,跑去印刷行當學徒嗎?就是因為可以邊工作邊讀書呀。當然,得遇到好老闆才行。

7 年學徒生涯中,他讀了不少啟迪他的好書,像是 Isaac Watts 的 The Improvement of the Mind。Isaac Watts 是「非國教派」的神學家與邏輯學家。書中對於學習的原則與建議,法拉第一直奉為圭臬。還有 Jane Marcet 寫的Conversations on Chemistry。這本書是第一本寫給一般讀者看的化學入門書。法拉第拿到這本書之後,不但熟讀書中內容,還將書中的實驗一個接著一個地試做過呢。大概是在他寄住師父家的廚房中,用鍋碗瓢盆等簡陋的器材來做的吧!

當時的正統教育注重的是希臘、拉丁文這種古典語文以及數學,那個時代也還沒有化學系或是工學院。Liebig 在德國Giessen 大學首次開辦世界上實驗與教學並行的現代化學教育是從 1826 年才開始的!嚴格說來,在十九世紀初,勉強來講只有醫生與藥師算是「科學專業人士」,至於天文學家與數學家則算是「古典學者」。對於要從事當時的新興學科,特別是化學的人來說,正規教育其實幫助有限,一般法拉第的傳記總是喜歡拿他的學歷做文章,似乎是有點大驚小怪。

大師演講,開啟新世界
當然,法拉第絕不是英國惟一嚮往科學的學徒,但是幸運之神似乎特別眷顧他。Riebau 的一位老主顧,William Dance(他是一位音樂老師,之前曾是職業音樂家)在 1812 年送了四張當時倫敦有名的戴維演講會的入場券給法拉第。這四場演講會的日期分別是 1812 年 2 月 29 日、3 月 8 日、4 月 8 日、和 4 月 10 日。這件事情成了法拉第人生的轉捩點,他作夢也沒想到他的人生將與戴維以及主辦演講會的皇家研究院都即將結下不解之緣。讓我先介紹一下這兩者吧!

皇家研究院是在 1799 年由美國出生的科學家 Benjamin Thompson 所創立的。它的宗旨是以「傳播知識,促進有用的機械的發明和改進,並藉科學的演講和實驗教導人們將科學應用在日常生活中」。這樣的宗旨開宗明義地宣告了科學的實用價值,在過去這可是聞所未聞的事。皇家研究院在倫敦市中心買了豪華的建築,也準備了講堂和實驗室。但是真正讓皇家研究院聲名大噪的是戴維(Humphry Davy)。

戴維在 1778 年出生在英格蘭彭贊斯附近的鄉村。他當了一段時間醫生的學徒,在藥局學習化學和藥學,也做了各式各樣,甚至危險性很高的實驗。1798 年戴維被 Beddoes 網羅到氣體研究所當助手。這個研究所的目的是將各種人工製造的氣體做為醫療應用,戴維因此做了各種氣體實驗。當時有許多名人會定期來研究所來吸他們製造的笑氣呢。1801 年他成為剛皇家研究院的化學演講助手兼實驗主任。一開始他做和電學相關的公開演講。由於他的實驗表演巧妙,本身又英俊挺拔,風度翩翩,因此引起轟動,吸引了很多女性聽眾。於是乎戴維在 1803 年就升為皇家研究院的教授。自 1807 年起至 1808 年之間他利用伏打電池發展出所謂熔鹽電解的實驗手法,藉此成功分離出鉀等六種元素。1812 年戴維受封爵士,聲望如日中天。可想而知他的演講會有多熱門了。


和法拉第結下不解之緣的戴維,是真正讓皇家研究院聲名大噪的重要人物。圖/By Thomas Phillips, Public Domain, wikimedia commons
法拉第興沖沖地在台下聽了四次演講,還寫了詳細的筆記。連同實驗裝置的素描,做成完整的記錄。並將這份厚厚的紀錄,用他拿手的裝訂技術做成一本精美的書。不久法拉第和 Riebau 的合約到期。他正式成了裝訂工人。法拉第和新老闆據說處得並不愉快。其實這時法拉第早已無心繼續當裝訂工了。但是當時並立志成為科學工作者的人並沒有可依循的管道,法拉第於是寄了封信給皇家學會主席 Joseph Banks。他的信石沉大海,沒有收到回音。其實當時階級界限相當森嚴,Joseph Banks 又是伊頓公學,牛津一路念上來的傳統的仕紳,接到一位陌生的裝訂工的信,想當然耳是扔進廢紙簍的吧。(當時英國禮法森嚴,未婚男女不能通信,向陌生人自我介紹更是沒教養的行為呢!)

好用助理兼小弟?只需帶上法拉第
正當法拉第感到沮喪時,Dance 建議他該去找戴維,還建議他把演講會的筆記寄去。此時幸運之神又再度眷顧法拉第。就在此時戴維在做實驗的時候發生爆炸,傷到眼睛。急需一位研究助理幫他做實驗的記錄。就這樣,法拉第在 1812 的年終做了幾天的研究助理。但法拉第的幸運還不僅如此。1813 年 2 月 19 日,一個在皇家研究院當研究助理的男子因為和同事吵架而被解雇。戴維毫不猶豫地推薦法拉第為繼任人選。法拉第 3 月 1 日就獲得錄用。薪水是週薪 25先令(年薪 57 鎊),再加上研究院內宿舍的煤炭與蠟燭的配給。當時一般人的年薪為 50 鎊左右,因此這個條件是相當不錯。但是半年之後戴維要到歐洲旅行,而且要求法拉第隨行。起初戴維打算旅行三年以上,所以他辭去皇家研究院的教授職,當然法拉第也只好辭職。一行人 1813 年 10 月 13 日從倫敦出發。

戴維的歐洲之旅並不是去觀光,而是去領獎!拿破崙皇帝要頒獎給戴維!而戴維也是興致勃勃要和歐洲大陸的學者討論,必要的話也想做實驗。因此行李之中加上便於攜帶的實驗器具組,所以需要實驗助手法拉第同行。由於當時英法還在打仗,戴維的貼身僕人並不想去,法拉第原本是以助手的身份跟去,卻被要求同時作戴維的僕人,直到在巴黎找到人代替為止。戴維最後沒找到代替者,法拉第也因此被強迫在整個旅程同時兼任僕人與助手。

雪上加霜的是戴維的新婚妻子把法拉第當成僕人,旅行時要他坐在馬車外,與僕人同桌吃飯(看過唐頓莊園的看官一定知道我在講什麼!)這件事後來被人加油添醋,其實戴維夫人原是蘇格蘭一位家財萬貫的富商之女,後來嫁給一位「從男爵」的繼承人,沒想到她的第一任丈夫還沒當上從男爵就過世了,她才再嫁給戴維。顯然這位女士跟當時英國千千萬萬位仕女一樣,有著強烈的階級成見,而當時的實驗室助手並不像今天一樣被當做是「同事」,而更像是下屬(像法拉第自己的實驗室助手安德生,雖然忠心又沉默寡言,法拉第可沒把他當同事看)。

他們到達巴黎後,除了與安培等人見面外,戴維還「順便」確認了碘是一種元素!十二月一行人到達佛羅倫斯,在此戴維在法拉第協助下做了一系列實驗,證明了鑽石其實就是碳!隔年六月他們到米蘭跟伏打見面,一路北上到日內瓦。當他們準備前往希臘與伊斯坦堡時,拿破崙逃離厄爾巴島的消息傳開來,由於擔心時局動盪,一行人在 1815 年 4 月 23 日回到英國。


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發表於 2017-7-10 20:57:37 |顯示全部樓層
避免礦坑爆炸,從礦燈改良開始
這趟旅行雖然讓法拉第大開眼界,但回國後卻失業了。幸好皇家研究院以比之前稍高的薪水再次聘用了法拉第。這當然是拜戴維所賜。法拉第在 1821 年升為 Assistant Superintendent。除了要擔任在戴維辭職後續任的布蘭德教授上課時的助理,管理實驗室之外,法拉第還要從事皇家研究院接受委託的工作。因為接受私人的委託也是皇家研究院重要的財源之一。從委託的內容也可以看出研究院重視以科學來改善窮人的福祉的一面。最好的例子莫過於安全燈的改良。
隨著工業革命的進行,煤炭的需求量不斷上升,過度開採導致礦坑事故變得頻繁。特別是自從 1812 年 5 月 25 日發生Felling Colliery 礦災(這起事故造成 92 人死亡,其中 37 人是 17 歲以下的小孩,最年幼的罹難者年僅九歲)之後使得社會注意到礦工的安全,迫使礦業主來請求皇家研究院協助。戴維在法拉第的協助下,發現礦坑內的甲烷依一定比例和空氣混合的氣體,在接觸火或高溫熱源時會爆炸。
根據這個發現而發明的安全礦燈具有用細密的鐵絲網包覆燈火的構造。混合了甲烷的空氣進入安全燈時會被鐵絲網冷卻,因此無法達到燃點。此外,當鐵絲網變紅的時候,還有警示的功用。戴維親自進到礦坑內測試安全燈的效用,而且不申請專利。這些做事態度後來法拉第都繼續奉行。但隨著戴維在 1819 年接受了「從男爵」的爵位,隔年又成為皇家學會主席之後,兩人卻漸行漸遠。兩人間的裂痕不久後浮上檯面了。

戴維發明的安全礦燈具有用細密的鐵絲網包覆燈火的構造。By Scan made by Kogo, Public Domain, wikimedia commons
昔日師徒情深,而今形同陌路
在厄斯特發現電流生磁現象後,戴維和 William Hyde Wollaston 嘗試設計一部電動機,但沒有成功。Wollaston 認為電流在導線內以螺旋方式進行。他預測一條懸掛的導線會受到附近的磁鐵的影響而以自身為軸旋轉。與他們討論過這個問題後,法拉第把導線接上化學電池,使其導電,再將導線放入另一個內有磁鐵的汞池之中(如下圖),他發現導線繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極馬達。

法拉第證實電磁轉動的實驗裝置。圖/By Michael Faraday, Public Domain, wikimedia commons
原理是這樣的:放置在與磁場垂直的載流導線會產生一個垂直磁場與導線的力。此力產生一個力矩。由於旋轉軸與磁場平行,且對應的磁場方向不變,故電流不需要改換方向還是可以持續旋轉。法拉第這項發現的報告於 1821 年 9 月 11 日發表,刊載於 Quarterly Journal of Science。法拉第在未告知 Wollaston 的情況下就將論文發表。雖然 Wollaston 的預測和法拉第的實驗並不相同,Wollaston 和他的朋友還是認為這是一種「剽竊」行為,為此法拉第受到相當嚴厲的責難。
1823 年 3 月戴維以主席的身分在皇家學會演講,居然將電磁轉動歸功給 Wollaston,對法拉第來說是格外難堪之事。之後有人提名法拉第成為皇家學會的院士(FRS)的候選人。戴維不但反對,還試圖阻擋法拉第當選,但沒有成功,法拉第在 1824 年 1 月 8 日被選為皇家學會的院士。這件事讓兩人師徒情份盡失。而從 1825 年起,法拉第更獲聘為皇家研究院的 Director of the Laboratory,年薪 100 鎊。他擔任這個職務一直到退休。
院士選舉這件事後來被法拉第的傳記作者大書特書。被當做是戴維嫉妒法拉第的鐵證。甚至認為 1825 年戴維指派法拉第進行改良光學玻璃實驗是阻止法拉第研究電磁學的陰謀。其實這個計畫是皇家科學院和海軍部帶進來的。計畫裡組織一個小型的委員會,法拉第的責任是負責指導光學玻璃的製作。Dollond 負責研磨鏡片,John Herschel 進行光學性質測定。
把戴維想成似乎是三國演義的周瑜一般地妒火中燒,似乎與他向來的為人不符吧?更何況,就在同一年法拉第還能從倫敦路燈使用的瓦斯(一種從鯨油分解而來的產物)分離出苯,看來法拉第並不是單用一個計畫就能阻止他做別的研究的人。不管如何,光學玻璃實驗最終在 1829 年年底喊停了。而這一年戴維與 Wollaston 相繼謝世,「湊巧」的是,法拉第不久就回到電磁相關的研究。真相如何,恐怕只有當事人才知道吧。
從一個裝訂學徒變成為當時一流的學者,法拉第走過了迢迢長路,然而他的精彩人生才正要邁入高潮,還請各位看官耐心等候。
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發表於 2017-7-10 21:00:23 |顯示全部樓層
聽說咱們臺灣的基礎研究的預算,今年又要狠狠地被砍一番,不禁想起法拉第這位一生游走在基礎研究與應用科學的科學家。他可是惟一得過兩次 Copley 獎章的物理學家哦。(Copley 獎章是皇家學會不分領域所頒發的最高榮譽)且讓我們來看看,法拉第這位光電磁的魔術師在玩什麼戲法?

以磁生電,古往今來第一人!
厄斯特發現電流生磁後之後,科學家發現愈來愈多電磁相關的現象。像法國科學家 François Arago 就發現把電線捲成線圈,再把不帶磁性的金屬棒放進去,金屬棒會被磁化。此外,若是將圓形磁鐵和不帶磁性的圓型金屬板,彼此靠近排在一起,當磁鐵轉動時,金屬板也會朝同樣的方向轉動。這個被稱呼為「Arago 圓盤」。英國科學家 William Sturgeon 在 1823 年也發現,若是將鐵棒放入用鐵絲纏繞而成的螺線管內的話,鐵棒的磁場會變強。他還將鐵棒彎成 U 字型,通電後成功吸起相當於磁鐵 12 倍重量約 4 公斤重的秤錘!但是這些基本上都是以電生磁,那倒底能不能以磁生電呢?雖然大家普遍相信有可能,可是沒有人做的出來,直到 1831 年,法拉第才終於成功地以磁生電!


François Arago 發現把電線捲成線圈,再把不帶磁性的金屬棒放進去,金屬棒會被磁化。圖/By Hendrik Scheffer, Public Domain, wikimedia commons
法拉第把兩條獨立的電線環繞在一個大鐵環,第一條導線連上電池,另外一條導線只連上電流計。他發現當第一條導線通電跟斷電時,連上第二條導線的電流計都會動一下,法拉第接著把磁鐵通過導線線圈,線圈中也有瞬間電流產生。移動線圈通過靜止的磁鐵上方時也一樣,原來之前眾人都期待「以磁生電」會產生穩定電流,只有法拉第注意到磁場變化生出來的電流都是瞬間電流!1831 年 11 月下旬,法拉第在皇家科學院的聚會中做了口頭發表,接著又以「與電相關實驗之研究」為題投稿到自然科學會報。這是他在接下來將近 25 年間撰寫的 29 篇論文中的第一篇。除了其中一篇論文之外,28 篇論文都發表在皇家學會的旗艦刊物《自然科學會報》(The Philosophical Transactions of the Royal Society)。內容就是大家從國中就學過的電磁感應定律(不過感應電動勢的方向是後來才由在聖比得堡的冷次 Heinrich Lenz 所決定的)隔年法拉第就獲得他的第一面 Copley 獎章了。


大家國中都有玩過電磁感應嗎?圖/By Eviatar Bach, CC0, wikimedia commons
論文還沒付印前,法拉第就寫信告訴法國數學家 Jean Nicolas Pierre Hachette 他的大發現,Hachette 將內容透露給 Arago。Arago 則在 12 月 26 日一個會議中宣布。這個消息幾天後出現在巴黎的報紙上。但報導卻說在法拉第之前已經有法國科學家先做過這個實驗。更離譜的是當時頗備歡迎的英國雜誌 Literary Gazette 的主編 William Jerdan 居然寫了篇文章說道「最早發現電磁感應現象的是 Leopoldo Nobili 和 Vincenzo Antinori 兩位義大利科學家,法拉第是重做了他們的研究」。這是因為義大利的雜誌將這兩位義大利化學家的論文發表日期由 1832 年 1 月往前移了兩個月成為 1831 年 11 月造成的誤會。這兩位義大利化學家在他們的論文中明明承認法拉第首先發現電磁感應。順便一提這兩位學者是在佛羅倫斯做的實驗。

當然最後法拉第的功績還是被世人肯定,不過話說回來,當時的社會大眾會關心「從磁力做出電」這件事,表示科學的成就已經開始牽動一般民眾的民族情感,這也顯現出科學與社會的互動已是愈加緊密,至於這是好還是壞,就見仁見智囉。



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發表於 2017-7-10 21:03:41 |顯示全部樓層
看不見的電其實藏有定律
法拉第研究電磁感應後提出了一個非常重要的新概念。那就是「磁力線」。根據法拉第的看法,磁力線占據磁鐵內部與其周圍的空間。雖然肉眼不可見,但是只要將鐵粉灑在磁鐵上方的紙張上,馬上就可以看到圖形。磁力線在磁力最強的兩極附近,分佈得最稠密。離兩極越遠,隨著磁力越弱磁力線的分佈的密度越低。有了磁力線的概念,法拉第認為切斷線路上的磁鐵或其他電流發出的磁力線,是引起電磁感應的原因。法拉第的磁力線概念後來被馬克士威發揚光大。不過法拉第的電磁感應模型也有踢到鐵板的時候,著名的「法拉第弔詭」就是最好的例子。限於篇幅,阿文在此不能詳述,日後當寫專文一篇來討論,還請各位看官耐心等候。


磁力線占據磁鐵內部與其周圍的空間。在磁力最強的兩極附近,分佈得最稠密。離兩極越遠,隨著磁力越弱磁力線的分佈的密度越低。圖/By Newton Henry Black, Public Domain, wikimedia commons
法拉第下一個重要貢獻是證明了電基本上是同一種東西;在 19 世紀初,不同來源的電因而有不同的名稱。像是由伏打電堆(或一般化學電池)所得的電稱為「伏打電」;經由摩擦而得的靜電稱為「摩擦電」;電磁感應產生的被稱為「磁電」;溫度不同的兩個金屬產生的叫「熱電」;電魟和電鰻之類產生的則叫「動物電」等等。法拉第認為這些不同名稱的「電」應該擁有相同的性質。那他要如何證明呢?

1833 年法拉第設計了一種測量電流的儀器,根據電解過程中釋放的氣體體積來衡量流過的電流量,也就是後來的伏特計(Voltmeter)。他用這種儀器量度了電解過程中每產生 1 克氫氣所通過的電量與在電解槽中所沉積出的各種物質量的關係,最後歸納出法拉第電解定律:

電解過程中,於電極所游離出之物質的質量與通過電解質之電量成正比
電解過程中,用相同之電量,其產生游離物質之質量與它們的化學當量成比例
無論電的由來為何,一定量的電會引起一定的效果,就這樣法拉第證明了各種名稱的電其實都是相同的。電解定律馬上就被發現具有實用的價值。利用電解的鍍金法,當時流行的方法是汞合金法就是將金與汞混合,金汞比例大致為(1 : 7),形成液體合金(金汞齊)。將它塗抹在器物的表面。無煙炭火溫烘烤令汞蒸發,剩下金層。電鍍比起來要安全得多而且更有效率。

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發表於 2017-7-10 21:04:23 |顯示全部樓層
搭乘飛機怕雷擊?法拉第會說「免驚」
三年後法拉第又讓社會大眾大吃一驚。法拉第做了一個被細密的金網包覆的木框。籠子長達 3.5 公尺相當龐巨大,無法放進法拉第的地下實驗室,只好搬到講堂。實驗時因為有大量的電荷從發電機送到籠子表面的金網,所以甚至有火花從金網飛出來。但是法拉第進到籠子裡,不但點燃蠟燭,還一副悠哉悠哉的模樣。他還用電表確認了籠子裡完全沒有電荷。這就是法拉第籠。

被導體包圍的法拉第籠內部的電位完全相同。所以一旦將電荷帶進籠內部,電荷就會往法拉第籠移動並分佈在籠子的表面。在日常生活中,飛機和汽車等金屬製的交通工具就算被雷打中,裡面的乘客也不會受到影響。阿文曾搭飛機時親身經歷飛機機身被雷擊中,一時機艙內一片死寂,只有陣陣嬰兒哭聲,不多久傳來德籍座艙長冷冷地說「我們開始供應餐點」,真是畢生難忘。當然啦,飛機一路順利抵達目的地,只是當時魂飛魄散的模樣依稀在眼前呢!


法拉第籠示意圖。圖/Di L’utente che ha caricato in origine il file è stato Nobelium di Wikipedia in tedesco, Public domain, wikimedia commons
當時大部份的科學家都認為庫侖力與萬有引力都是所謂的「超距力」,力是電荷或質量之間的作用,跟周遭的介質是無關的。法拉第獨排眾議,認為電力是透過介質而來傳遞,所以介質應該對電力有影響。為此 1837 年法拉第做了兩個大小相同的電容。電容的內極板與外極板之間各有 3 公分的間隔,可在其中填入介質。他先讓其中一個電容的內極板帶電,接著讓這個極板與另一個電容的內極板連接。結果電荷在兩個電容平均分布。接著他將其中一個電容的空腔填滿介質,再重複相同的實驗,卻發現填滿介質的電容累積比較多的電荷(電荷多寡是由庫倫的扭秤做測量)。由此可用數值來表現絕緣體的介質性質。法拉第把這個數值叫作比電容量,現在我們稱之為介電常數。

1838 年法拉第與德國的「數學皇帝」高斯一起獲得 Copley 獎章,這是他第二次獲獎。但是之後法拉第就病倒了(當時法拉第四十九歲,當年戴維是五十歲英年猝逝,後世有學者懷疑他們因為長期接觸有毒物質所以才會健康出問題。誰說科學工作沒風險?)在休養好一陣子之後法拉第才逐漸恢復,接下來他的興趣由電磁現象轉到了光與磁相關的問題,並且得到非常豐碩的成果。

劃時代磁光效應,想得到卻量不到
法拉第認為光跟電磁現象有密不可分的關係,一開始他嘗試讓光通過強電場,想要觀察偏振光是否產生變化。但是徒勞無功。後來法拉第把電場換成磁場,在偏振光的附近放置磁極,並且讓偏振光通過各式各樣透明物質。雖然改變過磁鐵的強度、位置、通過物質的種類,卻一直無法得到預想的結果,1845 年 9 月 13 日他終於發現電磁鐵讓光的偏振面旋轉的神奇現象!當偏振光與磁力線平行地通過重玻璃時會產生最大的旋轉。這個實驗首次證明了光和磁力有所聯繫,也開啟後來馬克斯威爾的工作!

諷刺的是,使偏振面產生旋轉的物質正是令他苦惱許多年的「光學玻璃改良計畫」中製造的高折射率重玻璃。他了解到這種玻璃的高折射率會放大磁力的作用。這個現象是由於線性偏振可以分解為兩個圓偏振部份的疊加,而這兩個圓偏振部份之間的振幅相同、一個左旋,一個右旋,當磁場加在磁性物質上時,左旋與右旋光在磁性材料中有不同的吸收及反射係數,造成左旋圓偏振光波與右旋圓偏振光波各自以不同的速度傳播於介質,造出的相對的相移就會造成線性偏振取向的旋轉。電場其實也有類似的現象,但是法拉第當時的儀器還量不到這個效應,要等到 1878 年蘇格蘭科學家 John Kerr 才成功。

雖然在 1845 年法拉第已經發現磁光效應,直到一百多年後,才應用起磁光效應觀察、量測磁性材料的磁滯曲線;隨著雷射光與電子學的發展,結合磁光效應,發展出新型的光訊息元件——磁光元件。如法拉第旋轉器(Faraday rotator)可以用於光波的調幅,是光隔離器與光循環器(optical circulator)的基礎組件,也是光通訊與其它雷射領域必備組件。在天文學裏,法拉第效應也是一種很重要的磁場測量工具。舉個例子,從銀河系外射微波源(extragalactic radio sources)發射的無線電信號,穿過日冕而產生的法拉第效應,可以用來估算日冕內部的電子密度分布以及磁場的分布。

處處皆有磁?原來法拉第才是第一位「萬磁王」
當時人類只知道磁石等特殊物質有磁性。但法拉第相信所有物質或多或少都有內含的磁性。雖然早在 1778 年,S. J. Brugmans 就發現了金屬鉍和金屬銻在磁場中存在某些抗磁性現象,但是直到 1845 年 9 月,法拉第發現在外在施加磁場中,所有天然物質都擁有不同程度的抗磁性,抗磁性 diamagnetism 這個詞才正式在文獻中使用。其實這個詞是William Whewell 建議的(Whewell 還創造 scientist, physicist 等詞呢)這個現象要等到二十世紀量子力學出現之後才能完整地解釋,不過這算是邁出磁性物理的重要的一步。

法拉第不僅相信光與電磁現象有關,他還相信重力與電磁現象也有關。1849 年 4 月,法拉第開始做實驗要來證明電與重力的關係。他嘗試將銅之類非磁性物質所做成的球,從直立的金屬製螺旋梯中落下,但沒有任何特殊的發現。他逐漸提升降落的高度。還是沒有看出任何效果。最後他甚至利用泰晤士河南岸的 Lambeth 的 shot tower,還是無法觀測到任何電荷變化(shot tower 翻做散彈製造塔,將鉛溶化後從很高的塔頂滴下去,塔底為水槽,墜落於水槽的鉛滴即可製成鉛彈)。法拉第不得不承認無法證明電和重力的關連,他非常失望,因為他連重力電這個專有名詞都早就準備好了。法拉第將這個研究結果投稿到哲學學報(Philosophical Transactions),皇家學會的秘書斯托克斯認為實驗沒有成果而將它退稿。這是法拉第最後一篇的投稿論文。


泰晤士河南岸的 Lambeth 的 shot tower(左)圖/By David Wright, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons
法拉第真正最後的實驗又回到光與磁的關係。1862 年 3 月 12 日,他觀察強磁場是否會改變鈉的 D 線(焰色反應中的黃色光)的頻率與譜線線寬。結果是一場空。然而,法拉第的想法並沒有錯,問題出在他當時使用的儀器,尚不足以觀察到這效應。等到 1896年,荷蘭的物理學家 Zeeman 才利用分光能力更好的光柵分光器觀察到了今日我們稱之為 Zeeman 效應的光譜線的分裂。順帶一提,Zeeman 和用理論解釋此效應的勞侖茲一起獲得 1902 年的諾貝爾物理獎呢。

綜觀法拉第一生的研究,可以看得出來他所追求的是各種物理現象的合一。這跟他個人虔誠的宗教信仰有密不可分的關聯。有趣的是法拉第工作一輩子的皇家研究院非常重視科學的應用的機構,與傳統的學術單位大相逕庭。但是法拉第的電磁學研究許多在他有生之年是看不出應用價值的。到頭來,做科學最要緊的是有好的品味,做出好的科學才是王道吧。

各位看官,您說是不是呢?
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工業革命之後,科學與社會的互動變得比以前更密切,而科學家不僅要焚膏繼晷地探究自然的奧妙,還要將科學的新知轉換成大眾熟悉的語言,甚至要幫社會解決問題,簡直成了希臘神話中那位教會人使用火的普羅米修斯了。綜觀法拉第的一生,在普及科學方面可是說是開風氣之先,此外他還運用他的科學知識幫助社會處理礦災,燈塔甚至發臭的泰晤士河。說他是維多利亞時期的普羅米修斯毫不為過呀!

既能賺錢又可教育,科普演講第一人
說來有趣,法拉第的演講生涯是為了籌錢。從 1820 年代後半到 1830 年代初期,皇家研究院陷入經濟危機。1818 年雖然跟大金主 John Fuller 借了 1000 英鎊來紓困,但是只靠會員繳納的會費,很難維持研究院的運作。法拉第在 1825 年升任為實驗室主任(Director of the Laboratory of the Royal Institution)因此規畫了以兩個公開收費的系列演講,來解救研究所的困境。

第一個是周五演講會。法拉第擔任實驗室主任之後,就召開每周五傍晚的研究院集會。所有會員都可以自由參加,也可以攜伴前往。這個集會備受好評,所以法拉第便將它變成公開收費的演講。周五演講會在初期就被泰晤士報等等報章的星期六版詳細地報導。而法拉第也常將本身研究的最新成果藉此公諸於世。周五演講會是在每週五晚上九點,在皇家研究院的大講堂舉行整整一個小時。受邀演講者並不限於當時有名的科學家,還包括各個領域的名人。從演講者的選擇、邀請,以及在記錄上耗費的大量精力,可以窺見法拉第為這個演講企劃投入了多少力氣。

直至 1840 年代初期為止,法拉第一手主導周五演講會。他說服了藉由科學工作認識的朋友和同仁到周五演講會來演講。能被邀請為周五演講會的講者在當時被視為莫大的榮譽,再加上台下的聽眾不乏貴族和名人,所以講員都很緊張。甚至曾經發生膽小的 Charles Wheatston 爵士在通往講台的門前怯場逃走,法拉第只好上台即興演講代打的趣聞。法拉第本身也時常擔任講者,除了因病休養而缺席的 1840 年,及至 1862 年退休為止,他登台的次數占了 1862 年為止所有演講的五分之一。他的演講內容包括在皇家研究院地下實驗室得到的最新成果。1846 年曾經發生因為聽眾超過 1000 人,使得新聞記者們無法入場而不滿的事件。可見星期五演講會在當時就是多麼地受歡迎了。

另一個系列的演講則是以孩童為對象的聖誕節演講會。這個也是從 1825 年開始。當時中小學完全沒有系統化的科學教育,法拉第的創舉令人佩服。1825 ~ 1826 年首次聖誕節演講會的講者是當時皇家研究院的力學教 Millington,講題是「自然哲學」(也就是「科學」),1826 ~ 1827 年則由天文學家 Wallis 擔任講者。1860 年為止的講者之中除了法拉第自己,皇家研究院的 William Thomas Brande 講了七次,John Frederic Daniell 一次,其餘則為化學領域以外的的講者,講者幾乎都是皇家研究院內的科學家。這些演講和星期五演講會相異之處,在於聖誕節演講會偏重化學領域。這是為了孩子們準備的有實驗表演的演講。聖誕節演講會也同樣被報紙廣泛報導。這些報導使得對法拉第的好評不限於科學界,更廣泛傳到社會。就這樣,法拉第成功地讓維多利亞時代的英國都「看得到」科學與皇家研究院。


因為演講的推廣,報導對法拉第的好評不限於科學界,更廣泛傳到社會。就這樣,法拉第成功地讓維多利亞時代的英國都「看得到」科學與皇家研究院。圖/By Alexander Blaikley, Public Domain, wikimedia commons
1830 年代末期,皇家研究院總算從財政危機中解脫出來,法拉第將皇家研究院的建築物正面飾以雄偉的歌德式圓柱。完成後令這棟門牌為 21 號的建築物,在櫛比鱗次的商店和住宅的 Albemarle street 上顯得鶴立雞群,彷彿在宣示惟有這棟建築物是學術的殿堂。這兩個連續性的演講至今仍持續仍在舉辦呢。

當時的大文豪狄更斯曾聽過法拉第的演講後大感欽佩。他勸過法拉第兩次,一定要將演講內容出版成書。但是法拉第以「若印成書,就無法傳達隨實驗演進課程的精髓」的理由拒絕了。但演講的部分內容後來還是被印成書。『蠟燭的科學』為題的演講在 1848 ~ 1849 年及 1860 ~ 1861 年共舉行兩次。第二次既是法拉第最後一次站上聖誕節演講會,也是後來普及於世的那本書的基礎。其實這本書並不是法拉第親筆所寫,而是由當時名為 Chemical News 的科學雜誌編輯 William Crookes 徵得法拉第的同意後,委託速記員做紀錄,由 William Crookes 整理後加上圖,先刊載於雜誌,再發行成冊。透過『蠟燭的科學』,法拉第不只是個科學家,更以一個演講家,以及對推廣科學做出偉大貢獻的的身分而名留青史。順便一提 William Crookes 後來發明陰極射線管,發現鉈元素,還當過英國皇家學會主席呢。

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哪裡出了問題,就用科學來解決吧!
除了普及科學知識,法拉第也致力於將科學知識拿來貢獻社會。他和 Trinity House 長年來不遺餘力的合作就是最好的一個例子。Trinity House 是總管圍繞英國領土海域安全相關業務的組織。不僅燈塔,還包括浮標及領航都是它的業務。當時還沒有飛機,所以長距離的貨運客運都是要靠海運。因此燈塔非常重要。英國對燈塔技術革新的需求逐漸增加,因此法拉第接受了 Trinity House 的委託,於 1836 年以年薪 200 英鎊就任顧問職。

法拉第針對如何讓照明能夠穩定提出各項建議並且著手進行改良。電燈照明的時代來臨後,法拉第的專長變得更加有用。這份工作法拉第一直做到1865 年為止。為了執行任務,法拉第曾在暴風雨的天氣裡,乘著小船出海看看燈塔的光能夠傳到多遠。也曾經在前往目的地燈塔的路上,因為下雪鐵路不通,徒步穿越積雪的曠野,再攀越圍牆才能抵達燈塔,而且這還是在他 70 歲時發生的事呢。


法拉第致力於將科學知識拿來貢獻社會,和 Trinity House 長年來不遺餘力的合作就是最好的一個例子。Trinity House 是總管圍繞英國領土海域安全相關業務的組織,尤其在燈塔方面因為海運是唯一的途徑顯得更重要,而法拉第的專業也恰好能盡情發揮。圖/By User:Grim23, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons
自從法拉第科學家的聲名鵲起之後,來自政府和關係機構的委託案就蜂擁而來。漸漸地,有越來越多對跟法拉第的研究沒有直接關聯的問題也聞聲而來,徵求他的意見。像國家畫廊和大英博物館因館藏快速劣化而委託法拉第擬出對策來處理因倫敦的黃色霧霾造成對美術品的損害。法拉第從年輕的時開始就是皇家工藝與商業協會會員所以他一口答應。針對國家畫廊中貴重繪畫的髒污,法拉第教人用酒精先去除畫作表面的亮光漆,讓繪畫恢復到接近原本的狀態。法拉第還曾經和當時英國最著名的美術評論家 John Ruskin 發生過論戰呢。

另一方面,大英博物館裡古希臘帕德嫩神殿的大理石雕像(在英國泛稱為埃爾金大理石雕塑,Elgin Marbles)因為有為數眾多的參觀人潮帶入灰塵,以及黃色霧霾裡所含硫酸的影響,表面明顯被汙染還產生細小的龜裂。法拉第用海綿、手指或刷子沾稀硝酸、弱鹼或強鹼的水溶液盡量地清潔。我們到倫敦旅行,參觀國家畫廊和大英博物館那些令人讚嘆的館藏時,應該要記得要感謝法拉第呀。

1844 年 9 月 28 日 Hasewell Colliery 礦坑發生了大災難,造成 95 人犧牲,其中還包括當天第一次進入礦坑的 10 歲少年。政府針對這個慘案組成了調查委員會,並任命法拉第與地質學家 Charles Lyell(他後來受封從男爵)為委任專家。當時法拉第已經年近半百,還深受眩暈與記憶減退所苦。才剛剛藉由休養和易地療法恢復健康,正要回到工作崗位的時候。但他勇於任事,沒有推辭,親自前往出事的礦坑來調查,並且出席調查委員會,陳述他的專業意見。事故原因不外乎煤碳粉塵或粉塵與甲烷兩者的共同作用,這是戴維和法拉第早就已經調查清楚的事了。結果礦坑經營者卻還是無視危險,自行其是。才釀成大災!科學的力量在經營倫理前竟顯得如此軟弱無力。這是維多利亞時期英國的醜陋面。

1855 年 7 月,泰晤士河變得臭不可耐。法拉第前往考察泰晤士河發臭的實際狀況,並將結果投稿到泰晤士報。他坐著蒸氣船往返於 London bridge 與 Hungerford bridge 之間調查。法拉第視情況,並非僅止於觀察,甚至還用實驗的方式來了解狀況。比如說將白紙濡濕浸到河水中,發現下沉不到 3 公分深就看不見紙了。法拉第的結論是整條泰晤士河都成了下水道。惡臭的主要原因之一是沖水馬桶的普及。因為屋內雖然已經有沖水馬桶, 配套的下水道系統卻尚未完成,於是汙水就全部直接排放到泰晤士河裡。因此,改善泰晤士河的發臭問題需要很長的時間。事實上在 1858 年因為實在是太臭了,還被稱為「大惡臭」在歷史上留下臭名呢。河川發臭會成為眾人關切的問題,原因之一是一年前曾經爆發霍亂大流行。病源經由空氣散播是當時根深蒂固的觀念。當時認為臭氣,即受汙染的空氣易造成疾病流行。後來大家才知道霍亂與臭氣是沒有直接關連的。
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金錢名利只是浮雲,科學才是他的真愛
雖然法拉第對公眾利益向來非常注重,但是對於自己的私利就相當地澹泊了。皇家研究院給法拉第的薪水自法拉第就任實驗室主任起即為年薪 100 鎊。1833 年法拉第因皇家研究院大金主富勒的捐獻而成為富勒講座教授,這個職位的年薪為 100 英鎊。就這樣法拉第得到了皇家研究院教授的頭銜。所以 1833 年以後他有年薪 200 鎊的收入。後來在 1853年調薪至年薪 300 鎊。其實法拉第副業收入,就是從研究院外面來的委託業務工作,遠高於本薪。1830 年法拉第的副業收入約年薪 1000 鎊。但是法拉第在 1830 年代因電磁感應的發現等等,正值研究的頂峰。他認為難以兼顧副業與研究,因此不再接受外面來的委託。結果 1832 年的副業收入變成年薪 150 鎊,1835 年終於歸零。

1837 年英國國會通過 Civil List Act 1837,設立了給卓有功勳的人士每年 300 鎊的年金。法拉第當然名列其中。但是時任首相第二任墨爾本子爵 William Lamb 說了「最近的藝術家和科學家都想趕快拿到年金,年金制度根本就是個騙局」的不當言論後,法拉第馬上辭退,不受嗟來之食。後來還是在法拉第的朋友和皇室的斡旋之下,他才在 1838 年 12 月 24 日正式接受300 鎊的年金。

法拉第從不為自己的發明申請專利,對將發明產業化,也是一點興趣缺缺。可能是因恩師戴維對專利沒有興趣。在電磁感應發現的數年後,當時的財政部長到皇家研究院訪問,曾問法拉第「和電有關的新發現有甚麼樣的用途」,法拉第回答:「我不知道,不過有一天政府大概會為它課稅吧。」可見法拉第雖然預見了他的發明應用的可能性,但他對於實業化沒有興趣,只有追求基本的科學真理才是他終身的志趣。在法拉第及他之後的時代,幾乎所有英國著名的科學家都有爵士(Sir)的稱號。法拉第當然也有被徵詢過意願,但是他沒有接受。1858 年他更拒絕就任皇家學會主席,這可是對一個英國科學家來說最光榮的職位。1864 年皇家研究院院長(president)的就任邀約也令法拉第十分為難。他一生堅守非國教徒的立場是推掉殊榮的主要原因。

1858 年起的 9 年間,法拉第伉儷接受維多利亞女王的王夫 Albert 親王的安排,住到漢普頓宮由皇室持有的 Grace and Favour House。當 Albert 親王提出建議時,法拉第還以付不起修繕費用為由,考慮婉拒。皇室獲悉後為了免除法拉第的顧慮,而負擔了這筆費用。Albert 親王在德國受過良好的科學教育,他對法拉第的禮遇表明了他對英國當時最偉大科學家的敬重。1862 年法拉第覺得連自己創辦的聖誕節演講都已經沒有體力再應付,於是向皇家研究院提出辭呈。之後都在漢普頓宮的住宅裡昏沉渡過。他在 1867 年 8 月 25 日坐在他喜歡的書房椅子上壽終正寢。

像法拉第這樣的大學者,當然可以像牛頓一樣被埋葬在西敏寺,但法拉第依循桑地馬尼安派的作風,免去一切禮儀,僅在家人和幾位至親友人的環繞下,埋葬於 Highgate Cemetery。從漢普頓宮出發的短短的送葬行列,在皇家研究院前短暫停留之後,前往墓地。那裏立著刻有法拉第姓名和生卒年的樸素墓碑,座落於非國教徒的角落。
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