法拉第对电磁波早期猜测的实验研究

李国峰 白 欣

（1.内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙古 包头 014010；2.首都师范大学物理系，北京 100048）

电磁波的发现，是19世纪物理学发展史上的重大事件.电磁波也是当今中学物理教学乃至大学物理教学涉及到的一个重要概念，了解电磁波发现的早期状况，对中学物理教师的教学大有裨益，对学生的学习亦有所助益.以往国内外的研究多集中于麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）和赫兹（Heinrich Rudolph Hertz，1857—1894）的工作，一般看法是麦克斯韦预言电磁波，赫兹实验证实，尽管近年来对麦克斯韦是否明确预言电磁波发生了一些争论［1－2］.事实上，早于麦克斯韦和赫兹，场论创立者法拉第（Michael Faraday，1791—1867）在电磁波方面也做了不少工作，除了对电磁波做了早期猜测，他还试图通过测量磁场的传播速度来证明其猜测的正确性.对法拉第的这些工作，虽然曾有学者部分提及［3－4］，但缺乏系统研究，以致人们对电磁波发现的早期状况的认识不够清晰全面.

笔者根据法拉第的著作、日记、书信，特别是《法拉第日记——多种实验研究的哲学笔记》（Faraday's Diary-Being the Various Philosophical Notes of Experimental Investigation）中的原始记载，结合国内外学者的相关研究，对法拉第测量磁场传播速度的工作进行了详悉考察；对法拉第、赫兹的工作做了比较，以期对法拉第在电磁波的早期尝试实验求证方面的贡献做出适当评价.

1 法拉第尝试测量磁场传播速度的实验

1.1 实验缘起

法拉第测量磁场的传播速度，是为了证实他关于磁作用是近距作用的观点.法拉第有关磁作用是近距作用的观点则表明，他对电磁波的概念做了早期猜测.这一点，笔者将专文论证，以下扼要介绍.

奥斯特发现电流磁效应后，安培把超距作用理论引入电学，建立了电动力学.这套理论提出“磁就是电流”的假说，不仅认为电作用是超距的、即时的，还取消了磁的实体地位.法拉第怀疑安培理论中有关磁的观点.

法拉第在怀疑超距电动力学旧范式、创立场论新范式的过程中，对电磁波作了早期猜测，其时间为1821年—1855年.法拉第先是于1821年抛弃了安培传统的“引力”和“斥力”概念，接受了沃拉斯顿“圆周力”概念并加以改造，发现了电磁旋转现象，进而怀疑安培理论；1831年发现电磁感应现象后，法拉第质疑“即时”作用，把振动思想引入电磁学领域，通过对静电感应现象的研究，在静电学领域否定了超距作用理论；1845年发现磁致旋光效应和抗磁性后，法拉第提出电磁射线的传播介质是力线的观点，并论证了辐射振动的载体是力线而非以太后；通过对抗磁性的系统研究，法拉第在静磁学领域否定了超距作用理论.1850年后，法拉第论证磁力依靠磁力线传播的观点，意图证明磁力是近距作用的过程中，做了一些预言性的猜测.首先，法拉第预测了磁力线客观实在性和传递磁力的能力；其次，法拉第猜测“磁性”的功能是传递“力”的作用；第三，法拉第认为辐射作用依靠力线传递，且是非即时的；第四，预测了新物质态的存在.这些猜测包含了某种电磁波的萌芽.

法拉第尝试证明其作用是非即时的来证实自己的观点，途径是试图通过测量磁力线或者说磁场的传播速度来实现.

1.2 法拉第的实验设计

1855年8月15日至1856年1月19日，法拉第断续开展了实验设计.

1855年8月15日，法拉第先是就磁力传播需要时间这一观点再次做了辨证思考，对实验的难点和解决方法进行了思考，初步给出了实验原理.

法拉第认为，如果时间对于磁力传播的必要性能够得到实验证明，那么将会证实物理力线和一种可能存在的媒质——另一方面，如果存在一种媒质或磁力物理线，那么与时间有关几乎是确定的了.法拉第还认为，磁力传播所需要的时间很可能极度的短，就像时间与光的关系，甚至可能是不可察觉的.［5］

因此，法拉第预测实验将面临如下几个困难：（1）磁力的产生与消失要迅急；（2）要观察磁力的传播与时间有关，需要足够大的距离，而且在这么大的距离上，必须能够确认何时切断磁力作用；（3）即时的标记磁动，但是普通电流计是绝对不能胜任的，因为驱动电流计指针给出可见的摆动需要较长的时间；（4）需要突然的产生磁力源，要么是把一个一定距离之外的磁体放入或者磁力倒转，要么是构建电磁铁，这些都需要太长的时间使得观察指针的微小差异变得不可能.法拉第认为最难的是（4），因为如何确定实验当中制造磁力所用的时间比磁力传播的时间少是个问题，否则无法观察磁力传播所用的时间.［5］

对这4个困难，法拉第一一给出了解决办法.对于（1）和（4），法拉第给出的解决之道是用电流周围的磁力作为测试对象，他认为电流的横向力与磁力有相同的本质，它们是同样的力，而且其产生与电流的产生是同步的，通过电火花和电池的联合作用，磁力的产生完全能够做到像光那样的突然性.对于（3），法拉第把足够精巧的悬丝悬吊的轻质小磁针作为高灵敏的电流计，可以测试微弱的电流.至于（2），法拉第用3个相互不等距的线圈来实现，安排A、B、C3个线圈，如果A线圈通以电流，B、C2个线圈将产生感应电流，又由于B、C与A的距离不相等，B、C2个线圈旁边的小磁针的摆动将出现时间差；3个线圈的位置关系，可以是在同一平面内同心或不同心安放，也可以是通过线圈圆心的轴线上相互平行放置，图1给出的是其中一个方案；线圈可以是单线圈也可以是螺线管.［5］

法拉第还认识到磁力的传播速度与强度无关.法拉第设想，电流计需要集中在一起，以便同时观察其变化，并进行时间差的比较；实验仪器要整体屏蔽以免受到电流和磁力的影响，而且用一个大铁屋把它们罩起来.法拉第还准备考察磁力在不同介质中传播速度.［5］

图1 在同一轴线上彼此平行的3个线圈

1855年8月23日，法拉第再次对电流计进行了改进设计，提高了灵敏度.法拉第的设计如图2所示，磁针n是一片方形、抛光的钢制材料，由s悬挂，l发出一束光射到n的反射面进入眼睛e.如果磁针n绕着轴s有极小的转动，l的光被反射后将移动较大的距离.法拉第认为借助这套系统将会发现2个小磁针发生微小摆动的时间差.法拉第还准备把惠斯通（Wheatstone）的旋转镜整合到这套观测装置上来，以进一步提高其灵敏度.

图2 法拉第绘制的灵敏电流计示意图

1856年1月19日，法拉第继续就磁力传播速度和仪器的灵敏度进行了思考.对于磁力传播速度究竟有多快，法拉第是矛盾的.他认为很可能观察不到磁力传播需要时间的效果；法拉第还认为，虽然磁力传播速度很有可能像光一样快，并不能绝对确信磁传播一定就像光一样快；但对磁力传播需要时间这一点法拉第确信无疑.关于仪器的灵敏度，法拉第认为磁针的惯性要小，通过反射光来观察电流计的摆动，其精度可以达到0.001s.［5］

1.3 法拉第的实验

法拉第尝试求证电磁波的这些实验没有取得成功，但在日记中有详细记载，其中诸多失败实验的记载，在近代电磁学的发展历程中具有积极意义，其中一些实验是研究近代电磁学史无法绕开的.近年来，学界对《日记》中失败的实验记载越来越重视.法拉第测量磁力或者说磁场传播速度的实验记载即属此类.因此，笔者也对《日记》中这些失败实验的相关记载给以特别关注，以求尽可能忠实于法拉第的原意，并减小理论重构的偏差.

法拉第在1857年3月25日给麦克斯韦的信中说：“我希望今年夏天作一些关于磁动传播所需时间的实验，或者更确切地说是做电致紧张态通过导线所需要时间的实验.这时间极有可能比光传播所用的时间要少.”［6］

同年3月30日，法拉第就做了相关实验.在一个很大的房间里，同一轴线上放置3个相互平行的线圈，如图3所示.中间的线圈P是施感线圈，两边的线圈A和B是感应线圈，G是电流计，箭头表示电流方向.线圈A、B及电流计G串联在同一电路中，G处于AB的中点，如A和B产生感生电流，则其方向相反.

图3 法拉第测量磁场传播速度的装置一

法拉第认为，如果两个感应线圈A和B是由同种材料制成，尺寸大小相等，而且施感线圈P处于线圈A和B之间的中点，那么线圈P产生的磁场就会同时到达线圈A和B并在其中同时产生感生电流，这两个电流会同时到达电流计G，G的指针就不会偏转；如果P偏离中点，即AP之距离不等于PB之距离，导致P产生的磁场不能同时到达线圈A和B，以致线圈A和B产生的感生电流不同时，这两个电流到达电流计G的时间不同，则可观察到电流计的指针偏转.法拉第希望从电流计指针的偏转情况来估算磁场的传播速度值.然而不论他怎样摆放感应线圈，都观察不到电流计指针出现偏转.法拉第后来对实验做了改进，他在研究所一块长度超过100ft的场地重新进行了实验，仍然没有成功.

我们知道磁场的传播速度值等于光速，这个值是如此之大，想要用图3所示的装置，依靠肉眼观测到电流计指针的偏转，线圈A、B之间的距离需要很大，而法拉第的实验装置不满足这一点.

法拉第依然没有放弃，继续改进实验装置，于1857年8月17日再次进行了实验，其实验装置如图4所示.A和B是两个完全一致的感应线圈，它们各自串联一个规格一致的电流计C、D，C、D彼此靠近，E、F是串联在一起的两个施感线圈，E、F串联在一起是为了保证其中所流过电流的同时性.E线圈砸数较多，距离A线圈100ft，F线圈匝数很少，距离B线圈很近，如此设计可使得线圈A、B中所产生的感生电流强度较为接近.为避免A、B线圈所产生磁场的相互影响，在实验时4个线圈如图5放置，线圈E、A平行且处于同一轴线，线圈F、B平行且处于同一轴线，两条轴线垂直.

图4 法拉第测量磁场传播速度的装置二（1）

图5 法拉第测量磁场传播速度的装置二（2）

可以看到，法拉第的这个实验设计之巧妙.因为流过线圈E、F的电流具有同时性，那么它们产生的磁场也是同时的，即施感磁场同时产生；由于线圈A与E的距离远大于B与F距离，因此磁场从E传播到A的时间会大于从F到达B的时间，线圈B、A先后感生出电流，结果就能够观察到电流计D先于C出现指针的偏转；根据电流计D和C出现偏转的时间差，考虑FB和EA之间的距离差，即可算出磁场的传播速度.理论上，这样的实验装置完全可能测量出磁场的传播速度值.然而，法拉第之努力再一次以失败告终.

此时法拉第开始意识到，磁场传播速度值可能接近于光速.他在1857年9月26日的日记中写道：“在磁活动中发现时间的存在可能是无望的，如果他接近于光速的话.”这比麦克斯韦通过计算得出电磁波传播速度等于光速的结论早3年.

同日，法拉第改进了实验装置.他设计了类似于菲索（Armand Hipplyte Louis Fizeau，1819—1896）1849年测量光速的旋转棱镜装置，感应线圈与棱镜装置连接，靠观察反射镜中指针变化来计算磁场传播速度.法拉第测得磁场传播速度为2574mile/s，约为光速的 1/74.这个数值明显偏小.

其后，法拉第在整个1858年致力于改进仪器，提高测量精度，但做的相关实验仍然没有取得理想结果.

法拉第实验虽然没有取得成功，然而实验设计思想精妙，启发了后人，对电磁理论的建立和电磁波的发现亦有重大意义.对此，电磁理论的集大成者麦克斯韦给予高度评价，他说自己分享了法拉第的观点，是法拉第建议了光的电磁理论（指电磁波的猜测——笔者注）.［7］麦克斯韦后来还把光的电磁理论这一观点告诉了他的学生W.M.希克斯［William M.Hicks，后来成为设菲尔德大学（University of Sheffield）的物理教授］，希克斯于1874年在卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810）实验室设计了验证电磁波是否存在的实验，并进行了测量电磁波传播速度的实验.希克斯的实验要比赫兹发现电磁波的实验早12年.

2 对法拉第工作的评价

2.1 法拉第的工作与赫兹工作的区别

要对法拉第的工作给出恰当评价，需分析对比法拉第、赫兹工作异同.

关于赫兹发现电磁波的过程，国内学者钱长炎做了系统研究［1，8，9］，本文择要概述如下.

1886年10月—1888年3月，赫兹发现电磁波，他先是用实验证明了介质中位移电流的存在，而后通过实验证实电磁作用以有限速度传播；1888年4月—1892年12月，赫兹对实验结果进行了理论解释.期间，赫兹的思想经历了一个从赫姆霍兹电动力学到麦克斯韦电磁场理论的转变过程，最后通过对麦克斯韦理论基础的重建才成为一个真正的“麦克斯韦主义者”［8］.赫兹发现电磁波的实验方法是这样的：关于位移电流的证明，他通过专门设计的感应天平，证明了介质中的位移电流对感应天平的平衡位置影响与导体中的传导电流对其所产生的影响是完全一样的；关于电磁作用以有限速度传播，赫兹是通过对“导线波”与空气中直接传播的电磁作用之间在距离振荡器不同位置上的相互干涉效应的仔细研究所获得的，并测量了“空气波”的传播速度；赫兹还通过实验观察了电磁波的偏振、反射和折射等效果，证明了电磁波和光的同一性.［9］

对比法拉第和赫兹的工作，可以发现，从个人思想到实验仪器，有相似之处亦有明显的区别.法拉第和赫兹的思想都有一个从超距作用向场论转变的过程，法拉第作为先行者，是从超距作用理论怀疑者转变为一个场论的创立者，而赫兹作为后来人，是从一个对场论有所偏爱［1］的超距作用理论者转变为一个场论的重构者.法拉第和赫兹的实验都用到了感应线圈，所不同的是，法拉第用的是闭合线圈，赫兹用的是开口线圈；法拉第的实验装置没有谐振子，而赫兹的实验装置有2个谐振子，一个用来产生电磁波，一个用来接收电磁波.法拉第在更大程度上是理论开创者，赫兹是这一理论的实验验证者，因此法拉第几乎是在黑暗中摸索，他在当时没有能够通过实验证明电磁波的存在，也没有能够令人信服地给出磁场或电场的传播速度，但是照亮了后人；赫兹之所以能够成功恰恰在于他明确地知道自己寻找的是波，并按照波的理论来设计实验，而法拉第尚未有这种自觉.

此外，赫兹明确提出“空间电力自由存在”的观点，这与法拉第的思想是一致的.［1］但是，他们对待以太的态度有很大的不同，法拉第始终对以太抱怀疑态度，认为以太仅仅是个假设性的概念，赫兹则假设以太随着运动物体一道运动，还据此建立了运动物体的电磁学方程组.［1］

法拉第的研究，客观上对赫兹有影响.据钱长炎的研究，赫兹从事电磁学实验研究的直接动因是亥姆霍兹（Helmholtz，1821—1894）1879年为柏林大学和普鲁士科学院所提出的两个悬赏课题.其中柏林大学悬赏课题的主要内容是：如果导体中的电运动具有惯性，那么，在某种条件下这种效应将在额外电流（电路突然接通或断开时所产生的电流）的大小中显示出来.试用实验的方法测量额外电流的大小，从而判断电运动是否具有惯性.普鲁士科学院悬赏课题的主要内容是：……由法拉第提出的电动力学理论，并由麦克斯韦最终用数学的方式完整地表达出来……科学院要求对以下2个问题中的任何一个作出决定性的实验证明：证实或否定麦克斯韦所假设的在介质中所产生的电极化的形成或消失过程中所产生的电动力效应的存在；或者，证实或否定由电磁感应的电动力致使绝缘介质中的介质极化现象的存在［8］.柏林大学悬赏课题中提到的“某种条件”与法拉第测量磁场传播速度的实验装置有惊人的相似之处，而普鲁士科学院悬赏课题则明确写道“由法拉第提出的电动力学理论”.

2.2 法拉第的工作是尝试实验验证电磁波的早期努力

宋德生曾依据哲学家尼克利斯（Thomas Nickles）关于科学发现的三级结构理论——科学思想的产生、思想价值的追求、科学发现的接受，把电磁波的发现过程划分为3个阶段：（1）1831—1857年，作为一项科学发现的法拉第场论思想产生.（2）1855—1873年，麦克斯韦在理论论证中发现新的科学问题，提出新的理论假说（位移电流——笔者注），预言电磁波.（3）1870—1888年，赫兹接受法拉第和麦克斯韦的思想，用实验证明电磁波.

宋先生的3段论是一个概略划分.事实上要复杂得多，法拉第的工作可能已经涵盖了全部3个阶段，法拉第不仅创造了场论思想这一新范式，还对电磁波做出了早期猜测，并尝试通过实验求证.麦克斯韦也跨过了3个阶段，因为麦克斯韦不是简单地追求法拉第创造的科学思想，而是对其进行了深化发展，即麦克斯韦也参与了科学思想的创造.赫兹的工作跨过了后2个阶段，赫兹发现电磁波的过程属于思想价值追求的阶段，因为赫兹存在一个由亥姆霍兹电动力学到麦克斯韦电磁场理论的思想转变过程［1］，必然存在一抛弃旧范式、追求新范式的阶段，发现电磁波是第3个阶段，也是第2阶段的结果.因此，法拉第和麦克斯韦的工作并不单单是前人认为的一个前后传承的关系，实际上要更为复杂，法拉第的思想和工作一定程度上涵盖甚至超越了麦克斯韦的思想与工作.他们的贡献有点像全息相片，如果说法拉第是宽视野的朦胧版，那么麦克斯韦和赫兹就是视野相对小的清晰版.一项新发现或发明，其过程可能不是界限分明的线性过程，而是复杂的螺旋上升过程，理解这一点，就容易认可法拉第在猜测电磁波和尝试实验验证电磁波方面的贡献.

3 结语

通过以上分析，可以得出以下结论.

（1）法拉第的实验是通过测量磁力或者说磁场传播速度的方式进行的，但是对于磁力传播速度究竟有多快，法拉第显得犹豫不决，有时认为这个速度太快，根本测不出来，有时也认为可以与光速相比拟.

（2）法拉第的相关实验，在当时没有能够通过实验证明电磁波的存在，也没有能够令人信服地给出磁场或电场的传播速度，但是为后人指引了方向.法拉第的相关实验，通过1879年为柏林大学和普鲁士科学院所提出的两个悬赏课题，客观上、间接地对赫兹实验产生了影响，是赫兹实验的早期形态，二者具有逻辑上的传承性.

（3）由于所处时代不同，法拉第作为先行者，是从超距作用理论怀疑者转变为一个场论的创立者，几乎是在黑暗中摸索，而赫兹作为后来人，是从一个对场论有所偏爱的超距作用理论者转变为一个场论的重构者；法拉第在更大程度上是理论开创者，赫兹是这一理论的实验验证者.

（4）电磁波概念的提出和电磁波的发现，经历了一个较为漫长和复杂的过程.法拉第不仅创造了场论新范式，还对电磁波做出了早期猜测，并尝试通过实验求证；麦克斯韦深化发展了法拉第创造的科学思想，提出新的位移电流假说，预言了电磁波；赫兹则通过实验验证了位移电流存在，证明电磁作用以有限速度传播并测量了其传播速度，证明了电磁波和光的同一性，还对麦克斯韦理论进行了一定程度的重构.但是，法拉第、麦克斯韦、赫兹的工作也有交叉之处，他们的贡献呈现复杂的螺旋上升过程.

1 钱长炎.赫兹的电磁学研究时间顺序及其思想转变过程［J］.自然科学史研究，2003，22（1）：1－25.

2 厚宇德.麦克斯韦“没有明确预言电磁波的存在”吗［J］.自然科学史研究，2004，23（2）：173－178.

3 宋德生.略论电磁波的发现［J］.物理，1985，14（3）：184－188.

4 ［美］阿盖西.法拉第传［M］.鲁旭东，康立伟译.北京：商务印书馆出版，2002：159.

5 M Faraday.Thomas Martin Ed.Faraday's Diary［M］.London：G.Bell and Sons，Ltd，1932－1936（6）：434.

6 Frank A F L Fames Edited.The Correspondence of Michael Faraday ［M］.London：Institution of Electrical Engineers，2008（5）：207.

7 K Thomas.Simpson：Maxwell and the Direct Experimental Test of his Electromagnetic Theory ［J］.Isis，1966，57（4）：411－432.

8 钱长炎.也论电磁波的预言及其发现过程［J］.物理，2003，32（7）：484－487.

9 钱长炎.赫兹发现电磁波的实验方法及过程［J］.物理实验，2005，25（7）：33－38.