歷史 物理

電磁英雄列傳之五:法拉第(上)

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-10-14
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  • 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。

    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。

     
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    Michael Faraday(圖片來源: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。

    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熱門了。

    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!)

    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,必要的話也想作實驗。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,卻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。

    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1821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。

    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(如圖),他發現導線繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極馬達。

     
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    Faraday magnetic rotation(圖片來源: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。下回見囉!


    (1)中文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)MacTutor History of Mathematics archive
    (4)【科學大人物】法拉第不為人知的一面, Case 讀報。原文出處:連載於『化学』,68(5),22(2013)(化学同人社)
    作者:竹內・敬人Takeuchi Yoshito,東京大學名譽教授,神奈川大學名譽教授。1962年取得東京大學大學院理學院研究所博士學位。
    責任編輯:陳竹亭,化學系教授。
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