吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

视觉化经验在法拉第科学研究中的表现

吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

迈克尔·法拉第作为19世纪英国最伟大的科学家，在物理与化学领域取得了许多重要成就，特别是“力线”和“场”概念的提出，彻底打破了牛顿“超距作用”的传统观念，为经典电磁场理论的建立奠定了扎实的基础。文章从视觉化经验的角度分析了法拉第的思维特征，论证了这种非逻辑因素在法拉第科学研究过程中的表现和作用。

法拉第；电磁场；实验；非逻辑因素

众所周知，迈克尔·法拉第(Micheal Faraday，1791-1867)作为一个出生在穷苦铁匠家庭的孩子，仅仅小学毕业，这种学历注定不会拥有娴熟的数学推理能力。但是，这种微不足道的出身，并没能阻止法拉第成为那个时代世界上最伟大的物理学家、化学家、发明家乃至思想家。可以说正是法拉第把人类推进了电气化的时代。那么，如此辉煌的成就是在怎样的基础上建立起来的呢？像大多数科学家一样，原因很多，譬如：坚忍不拔的性格，精益求精的品质，超凡脱俗的大脑，很多好的运气和机遇，等等。但令人关注的是“……他不知怎么就有了一种思想，一种新的思想，革命性的思想，离轨的思想，或者随便，你爱怎么称呼就怎么称呼它吧。”[1]

一

首先，我们前面提过，法拉第没有受过正规的高等教育，逻辑推理能力不很突出（当然并不说没有，这里是相对他的实验能力而言的），但他却具有超人的直觉能力和实验技巧。法拉第作为一名实验大师特别崇尚观察和实验。可以说，法拉第一生的绝大多数时间是在实验室里度过的，他的绝大多数科学创造成果也是建立在实验基础之上的。虽然物理和化学作为以自然界为研究对象的自然科学理论，总体上说都离不开实验的提示和检验，但是法拉第尤其如此。正像人们对法拉第评价的那样：“法拉第作为物理学发展史上第一个大实验物理学家在电磁学实验上所取得的辉煌成就以及他精湛娴熟的实验研究技巧。使得他成为实验物理学上一座高高耸立的丰碑，在实验物理学上占据着独一无二的地位。”[1]这种评价对法拉第来说是当之无愧的。

法拉第承认自然界是由上帝所制订的几条法规支配的。他认为这些法规不仅是上帝在创业时所叙述的意旨，也是造物主本着简单和清楚的原则，在创造世界时，尽可能避免不必要的复杂性和隐晦性的结果。法拉第对所有力的现象都认为存在一个基本的不可破坏的守恒力。

在实际的科学研究过程中，作为一位实验科学家，法拉第一方面拒绝推测，他说：“我必须坚持我的研究的真正实验性，不能让它们在任何方面染上假设的想象色彩。”“必须永远坚持实践性的工作；若非如此，就绝不提出结论性的意见。”因为他认为：“推测是危险的诱惑”[1]。而另一方面，在法拉第所取得的成果中有许多又是借助于他丰富的想象力才完成的，也就是我们所说的视觉化经验的提示。“由于他天生赋予的巨大想象力，他敢于在其他人会畏缩的地方昂首前进……他仍然还是希望找到事实，并且要克服很大困难顺应理论，然而，他或多或少会受先入之见的影响，不管这些观点是否正确，它们都使他走向了新的道路，在那里他经常可以发现自己所要寻找的东西，而有时候，有些东西并非是他所寻找的，但是他却不断地遇到了某些重要的发现。”而法拉第自己也说：“你很难想象，我现在怎样竭尽全力运用我的富有诗意的思想，以便去发现有关地球、太阳以及宇宙万物的相似的方面和不同的形象——因为我认为这是做出发现的真正方法。”实际上法拉第本身就是一个思想活跃想象丰富的人，用他自己的话说就是：“……我是一个非常富于‘想象’的人，我会像相信《百科全书》那样轻易地相信《一千零一夜》的故事，但是事实对我来说是很重要的，可以拯救我。我所能信赖的就是事实。”[1]可见，法拉第所说的推测是危险的诱惑，指的是那些缺乏事实根据的无端轻易的推测。

实际上任何一个科学家在探寻自然奥秘的过程中，都不会是盲目进行的，在他们的头脑当中总有一幅预设的图景存在，不同的是有的图景清晰，而有的图景模糊而已。正像马克思曾经说的那样：“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到惭愧。但是，最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了。劳动过程结束时得到的结果，在这个过程开始时就已经在劳动者的表象中存在着，即已经观念地存在着。”［2］即在实验过程中和实验之前，法拉第头脑中是有一幅预设的物理图景。正像廷德尔（Tyndall John，1820-1893）说的那样：“对于法拉第来说，他在全部实验之前和实验中，想象力都不断作用和指导着他的全部实验。作为一个发明家，他的力量和多产，在很大程度上应归功于想象力给他的激励。”[1]这种预设的图景既与他心中的形而上学世界观有关，也和以往所接受的科学理论有关。

二

对于法拉第来说，他相信世界在本质上是和谐统一的，当然这也是当时绝大多数科学家共同拥有的信念。和一般人不同的是法拉第站得更高看得更远，正像法拉第的传记作家克劳塞(Crowther J A)所说的那样：“他从象庇斯伽山那样的高处，下眺自然界中还没有为人征服的方面，拿出预言家的眼光，画出应该遵循的途径。他使后继的人得到一种线索，可以领导他们在那荆棘丛生的知识道程中安全渡过。”[1]譬如，法拉第的有关电磁学的工作是这样展开的：他首先对电磁学的发展进行了历史的调研和分析，然后构建出一幅自然图景，形成自己的研究纲领。在构建自然图景中，由于法拉第没有受过系统的经典力学的训练，这就使得他较少地受到来自经典力学图景的约束和辖制。电磁感应的发现就是典型的一例。1820年丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应，人们很快就想到一个问题——既然电能生磁，那么磁是否能翻过来生电呢？在信念上，大多数科学家们给出的答案是肯定的，这种信念无疑是建立在自然界处处表现出的对称性之上的，即视觉化经验的提示。为此，科学家们整整经过了10年的努力，经历了无数艰辛、挫折和失败，一直到了1831年才由法拉第给出了正确的答案。从而使得电磁学达到了一个巅峰状态[3]。法拉第的第一个传记作者丁铎尔对这一发现这样评价：“我不能不认为……关于磁—电的这个发现是迄今为止所获得的最伟大的实验成果。这是法拉第成就的勃朗峰。他长期在高水平上工作，但是他从来没有达到比这更高的山峰。”[1]那么这一艰难而卓越的跨越何以如此艰难呢？主要的原因有两个：一个是安培的分子电流假说，另一个是牛顿的经典力学图景。

奥斯特发现了电流的磁效应后不久，安培便提出了关于电流之间相互作用的安培定律，安培把磁作用归结为电流之间的相互作用，并在此基础上提出了分子电流假说。这样便把电流和电看成是根本性的东西，把磁和磁作用当做是电流的一种表现形态。这样等于安培从理论上否认了磁和磁性的存在。于是在一部分科学家的头脑中磁生电的问题就被忽略或者淡化了。另外，牛顿经典力学的成功，使得人们企图把一切理论均要纳入到经典力学的框架之中，而根据牛顿力学，力向来是直线的推或者拉、排斥或者吸引这类中心力。而电磁作用当中涉及的“圆形力”、“旋转力”等概念就显得很异类。这样就阻碍或者遏制了当时人们对新概念的接受和进一步探寻的欲望和热情。这是一种对熟悉的物理图景的固守而产生的对新物理图景的排斥的典型案例[4]。由此可见建立在视觉化经验基础之上的物理图景对科学家产生的影响是多么巨大。而法拉第则不然，他没有受到过正规的高等教育，无论安培的观点还是牛顿的经典力学图景对他的影响相对其他人要小得多。同时，法拉第又是一位十分注重事实的人，所有这一切致使法拉弟比其他人受到的干扰和阻挠要少得多。当然，不同意安培观点的在当时并非仅法拉第一人，譬如，塞贝克(Seeback,1770-1831)1821年就通过一个实验证明有一种“磁雾”存在。他把铁屑撒在一张纸上，让一根导线垂直穿过纸片，当接通电源时，铁屑就以纸片上的导线为中心形成了许多同心圆。塞贝克认为通电导线周围存在着一种“磁雾”。此外像阿拉果(Arago Dominique Francois Jean,1786-1853)等人都做过类似的实验，实际上这些实验本身已经证明了磁生电的问题。但是他们均没有办法对这些现象给予解释。而法拉第则不然，他更喜欢从事实出发去不断地检验和校正自己心中的物理图像。对于无法通过实验检验的问题总是采取怀疑的态度。对于安培的分子电流假说，法拉第在致德拉里弗的信中这样说：“我不怀疑一个载流的螺线管同一根磁棒的作用一样，但我没有办法确定普通磁体中是不是有电流存在，不能确定这种磁性状态直接取决于电……我仍然怀疑安培的理论。”[1]我们从法拉第的表述中可以看到，只要是无法在实验中呈现的东西，他就不会轻易去相信。我们现在当然明白安培的观点是正确的，但是正是法拉第的这种极端崇尚实验的态度，使他歪打正着，导致了电磁感应现象的发现，凭借着精巧的实验手段和充满想象力的智慧大脑，提出了意义非凡的“力线”和“场”的概念，从而对电磁学乃至整个物理学的发展产生了巨大影响。

而法拉第对超距说的否定，可以说是他“不拘泥于书本知识，而允许丰富的大自然本身作用于他那开放的心灵”的产物。按照当时公认的观点，电磁作用应该同引力一样，也是超距的、与周围空间物质无关的。这是由于牛顿经典力学在理论和实践中取得的巨大成功，在人们头脑中构建出的机械论图景的影响造成的。但是，由于法拉第没有系统地学习过牛顿的理论，牛顿的那一套观点对他影响不是很大，所以，他在追寻、接受“圆形力”，“旋转力”，“场”，等等与牛顿的基本观点相冲突的概念和图景时，内心不会产生多大的顾虑和不安。法拉第甚至认为在电磁领域圆形力比中心力更根本。法拉第在他的《物质的新的电状态或情况》指出，电流或磁体会在它的周围产生一种“电紧张状态”，并提出了“磁力线”的概念以对其进行精确描述。也就是说法拉第是沿着他亲手所做实验的指引，通过视觉化经验的启示在自己的头脑中，为电磁场描绘出一幅自然图景。就像伽莫夫（George Gamow,1904-1968）所指出的，当法拉第看到一个东西从一处运动到另一处时，他还想看到牵动它的绳子或者推动它的棍棒。他还要想象在它们周围空间中充满着能够拉或者推的“某种东西”。

亥姆霍兹在谈到法拉第电磁感应现象的发现时说：“这些发现的大部分突如其来，令世界震惊不已，这些发现显然是一种不可思议的直觉的产物；甚至后来，法拉第本人也难以用清晰的语言来描述导致这些的理性的组合。”他进一步指出法拉第的“主要优势毫无疑问源于这一事实，即他的理智并不会轻易就被理论所束缚，面对自然现象他要享有理论上的自由；他并不拘泥于书本知识，而允许丰富的大自然本身作用于他那开放的心灵。而那些劣势也许是次要的；但当他力求表达自己的思想时，当他试图用各种直观的形象化描述来填补数学修养上的缺陷时，这些劣势就会十分明确地暴露了出来。这显然就是他偶然发现他的力线、光线振动、以及其他概念的方法，……”[1]。

总之，从法拉第在科学研究过程中的表现，我们可以感受到视觉化经验对科学理论建立和选择的重要性，作为一个科学家在科学理论研究当中，谁都无法和这种非逻辑因素割裂开，这种经验有的来自已有的科学理论，有的来自自然本身；可是，无论来自哪里，它们都具有可错性和局限性。从方法论的角度出发，如何在科学研究中既能获得经验的提示，同时又不陷于经验的窠臼而不能自拔，这确实是一个自然科学家或者科学工作者面临的巨大挑战，特别是当我们所面对的客观认识对象离人类的直接经验越来越远的今天，尤其如此。

[1](美)约瑟夫·阿盖西.法拉第传[M].鲁旭东,康立伟译.北京:商务印书馆,2002.

[2]国家教委社会科学研究与艺术教育司.自然辩证法概论[M].北京:高等教育出版社,1989.

[3]王黄友,何兵.法拉第传[M].武汉:湖北辞书出版社,1998.

[4]吕仕儒.视觉化经验与物理学理论的建立[M].北京:中国轻工业出版社,2011.

Abstract:Michael Faraday made many important achievements in physics and chemistry,as the greatest scientist in 19thcentury. In particular,he proposed the concept of“line of force“and“field”,which totally broke Newton’s traditional concept of action at distance,laid a solid foundation of the classical electromagnetic field theory.this article made analysis of Faraday’s thinking characteristics from visual experience,demonstrated non logical factors’performance and effect in Faraday’s scientific research.

The Performance of Visual Experience in Faraday’s Scientific Research

LV Shi-ru
(School of Physic and Electronic Science,Shanxi Datong University,Shanxi Datong,037009)

Faraday;electromagnetic field;experiment;non logical factor

N09

A

〔责任编辑 高海〕

1674-0874(2017)04-0093-04

2017-03-17

吕仕儒（1963-），男，山西怀仁人，硕士，教授，研究方向：物理学思想史。