法拉第的近距作用思想对电磁波概念诞生的贡献

李国峰

(1.内蒙古师范大学 科学技术史研究院，呼和浩特 010022；2.内蒙古科技大学理学院，包头 014010)

法拉第的近距作用思想对电磁波概念诞生的贡献

李国峰1，2

(1.内蒙古师范大学 科学技术史研究院，呼和浩特 010022；2.内蒙古科技大学理学院，包头 014010)

法拉第批判了安培电动力学中的超距作用思想，论证了电作用、磁作用是近距作用，论证过程中引入一系列新术语、新概念，还做出三个前瞻性猜测。法拉第的这些工作为电磁波概念的诞生奠定了基础。

超距作用 近距作用 法拉第 电磁波

电磁学从1820年奥斯特(Hans Orsted，1777—1851)发现电流磁效应开始，到1861年电磁波概念诞生，经历了一个由旧的超距作用思想向新的近距作用思想的转换过程，期间法拉第(Michael Faraday，1791—1867)有突出贡献。尽管已有学者提及法拉第的部分工作[1—4]，但尚需做系统研究。本文根据法拉第的著作、日记、书信的相关论述，围绕法拉第对安培(André-Marie Ampère，1775—1836)电动力学的批判、法拉第就电磁作用是近距作用所做的论证、法拉第的三个前瞻性猜测，进行剖析与评价。

1 法拉第对安培电动力学的批判

1.1 安培理论不能解释电磁转动现象

奥斯特发现电流磁效应后，安培把超距作用理论引入电学，建立了电动力学理论，其本质是超距作用思想的产物。这套理论提出“磁就是电流”的假说，认为电的作用是超距的、即时的，取消了磁的实体地位。在当时，安培的理论在数学上近乎完美，但法拉第于1821年发现的电磁旋转现象使安培电动力学理论面临一个难题，支配电磁旋转的圆周力是一种“无心力”，不同于“超距作用”理论所说的“引力”和“斥力”等直线型“有心力”，法拉第随即对安培电动力学理论产生怀疑。

在与加斯帕德·德拉里夫(Gaugust de la Rive)的通信中，法拉第谈到，安培理论的诸多观点并未得到实验支持，要相信安培的电流假说，必须得到实验证实才可以，法拉第本人毫不怀疑通电螺线管能够产生磁力[5]。法拉第指出了安培理论的矛盾之处，根据安培理论，如果纵向张力是吸引力，产生电流，横向张力是排斥力，产生磁力，那如何解释通以同向电流的导线产生的横向力会产生吸引作用呢([6]，第3卷，216—217页)？法拉第把通电导线在磁针附近受到的力即安培力和电磁转动的圆周力进行了对比，认为它们都是独立的力，且是一类力([6]，第3卷，81页3472)(法拉第的实验记录，绝大部分都编有连续的序号)。法拉第把电磁转动的“圆周力”提高到了与超距作用理论下的力──“引力”和“斥力”──同等重要的地位。这样，就打开了超距作用理论的一个缺口。

1.2 安培理论不能解释电磁感应的瞬时效应

1831年8月29日，法拉第发现电磁感应现象。由于当时发现的感应现象是瞬时效应，法拉第开始质疑安培电动力学的“即时”作用。他认为磁的作用需要时间，因为“磁脉冲传播需要时间”([6]，第3卷，424页393—396)。

在1832年3月12日写给皇家学会(Royal Society)的一封密信中，法拉第又做了进一步阐述：

我相信磁作用是渐进的，并且需要时间。即当一个磁体作用于另一个远处的磁体或者一片铁时，磁性是逐渐地从磁体传播开去的，这种传播需要一定的时间，将来也许会发现，这种推断是很合理的。我有理由假设，电感应也要以相似的渐进方式进行。[7]

法拉第认为磁作用是渐进的，电作用也是渐进的。

考察法拉第的以上论述不难发现，法拉第认为磁作用、电作用均是近距作用。他的这些论述成为电磁学挣脱超距作用思想束缚的有力武器。

2 法拉第就电磁作用是近距作用所做的论证

2.1 力线是电磁作用的载体

磁作用、电作用是近距作用，那么磁力或电力是靠什么载体、以何种方式起作用呢，法拉第认为是通过磁力线或电力线以振动的方式进行的。为此，法拉第把“振动”概念引入电磁学领域，把磁力、电力作用解释成是一种“振动”：

我倾向于把来自磁极的磁力向外传播比作被搅动的水面振荡，或比作声音现象中空气的振动；也就是说，我倾向于认为振动理论适用于这些现象，就像对声音作的那样，而且极有可能对光也是如此。以此类推，我认为它可能也适用于电压的感应现象。[7]

1845年9月13日，法拉第发现了光的偏振面在磁场中的旋转(Faraday旋转效应)现象([6]，第4卷，264页7505)，同年11月4日法拉第又发现抗磁性([6]，第4卷，313页7902)。这些发现促使法拉第发展了一种力线振动思想，于1846年4月15日完成了《关于射线振动的思考》(Thoughtsofray-vibrations)一文，法拉第在文中提出了光以及热辐射等射线的振动是以力线──而不是以太──为介质传播的设想，并做了系统论述。

法拉第假设，粒子由力线连接，辐射和发光现象的振动就发生在力线当中，而不是之前通常认为的以太是发生振动的媒介。根据这个假设，法拉第认为，力线可以扩展到任何距离上，粒子仅仅通过力线而存在，这种物质观点逐渐导致他寻求把力线作为辐射振动的载体。他还说，这种观点一旦被接纳，以太理论将被排除([8]，第3卷，447页)。接着，这篇文章较为系统的阐述了对以太的质疑。

当时的以太理论认为，以太是一种稀薄弹性体，弥漫于宇宙间。法拉第认为，光以如此大的速度穿越以太，则以太的弹性必是无限的，也可以假设力线的弹性是无限的，那么为什么可以接受以太而不可以接受力线和力心？既然可以用力线代替以太，那么力线与物质是何关系？法拉第认为，物质粒子是力线中心，而当物质不存在时，力线直接穿过空间([8]，第3卷，449—450页)。

法拉第还构想力线的作用方式类似于摇摆或横向振动，如果力线连接的物体受力，力线将产生横向扰动。“因此，我敢于发表的观点是，把光辐射看作是一种力线中所作的高级振动。我们知道，物质的粒子就靠这些力线联系在一起，物质的质量也靠它们联系。我的观点是要排除以太，但不排除振动。”([8]，第3卷，450页)不仅如此，法拉第还进一步把这种作用方式推广到整个空间，认为力线构造了所有物体并弥漫于空间，发生振动的是力线而不是以太。菲涅尔(Augustin Jean Fresnel，1788—1827)曾经认为，以太振动产生了光的横向振动，法拉第则认为：可以直接构想光是一个集合，是在所有方位角内的一个无限大偏振波系统[9]。法拉第强调的是光波本身，而不是以太。

2.2 电作用和磁作用是近距作用

法拉第批判了安培电动力学理论中超距作用思想，论证了力线是振动的载体，接着论证了电作用和磁作用是近距作用。

法拉第通过大量实验证明：电力的作用是曲线式的，而不是超距作用的直线式；有研究者认为，其电作用理论完全否定了传统的超距作用理论([10]，103页)。实际上，此时，法拉第的近距作用理论仅限于电作用领域，还没有在磁作用领域取得进展。法拉第通过在电学领域否定超距作用的方式，间接地、逆向地为自己的磁近距作用理论提供了研究依据。

安培理论认为：“磁极是某种穿过螺旋电流的、与电流有关的永恒线之端点；如果电流是直线型的，那么在电流的一侧扩张成N极，在另一侧扩张成S极。”([6]，第5卷，300页10831)但法拉第所做的实验，使得安培理论再次面临困难。如图1所示，位于磁极间的物体A、B、C。物体A既不是磁体也不是抗磁体，磁力线就没有受到扰动，物体B为顺磁体、有磁极性，使磁力线向自己聚拢，物体C为抗磁体，使磁力线偏离、绕过它([6]，第5卷，300页10832)。法拉第进一步论述：

如果用安培理论解释上述现象，我们必须假设，磁力传导时，在整个过程中靠的是磁力线周围的环绕电流，而且这电流自身必须能够存在于真空中；但是就安培理论而言，这是难以理解的，环形电流总是与粒子相联系……([6]，第5卷，301页10834)

图1 物体磁性对磁力线分布的影响([6]，第5卷，300页10831)

法拉第的以上论述表明：首先，磁力线是实体性存在，磁力线不会因抗磁体的出现而消灭；顺磁体只不过具有束拢空间磁力线的作用，抗磁体也只不过将它所在空间的磁力线排开而已，顺磁体和抗磁体的存在只是改变了磁力线的空间分布。其次，磁力不是超距作用，而是传导，即近距作用，在磁领域排除了超距作用。最后，法拉第还用安培理论推导出一个安培理论自身无法解决的悖论，法拉第就这样用安培理论驳倒了安培理论中的超距作用思想。

法拉第进一步得出结论：“传导的观点，不是可能而是最可能，磁力能够以力线的方式穿过空间，并不需要环形电流。”([6]，第5卷，302页10837)那么何为磁极？法拉第认为，所谓磁极其实是“传导极”([6]，第5卷，302页10838)。

法拉第还借助牛顿的论述加强自己的观点。牛顿曾经说过：“一个物体能够作用于以真空相隔有限距离的另一个物体，不需要通过任何媒介传递作用力从一个物体到另一个物体，这对我来说是一个特大荒谬，我相信不会有任何在哲学方面具有足够思考能力的人士会坠入其中。引力必定是由按照某种定律作用的动因所造成的。至于这动因到底是物质的还是非物质的，在这里我留给我的读者来思考。”([8]，第3卷，507页)法拉第认为：“牛顿是一个毫不犹豫的引力物理线的信徒，从其本意来说，可以把牛顿列入磁力线和电力线是物理线的支持者当中。”([8]，第3卷，506页)

这样，法拉第就在电学和磁学领域否定了超距作用思想。

2.3 引入电磁学新术语

为了便于表述其近距作用思想，法拉第引入了一系列新概念和新术语：

法拉第用“电波动”来描述感应现象的瞬时性，用“磁曲线”来解释感生电流的产生机制，以及提出“电紧张态”在感生电流的产生过程中起媒介作用，法拉第用这些新术语解释了感生电流的产生过程：导线切割“磁曲线”通过“电紧张态”引起“电的波动”，从而产生感应电流，后来用“磁力线”代替“磁曲线”，用“磁传导”描述空间物体的存在对磁力线分布的影响作用，用“传导力”解释物体能够传递磁力的能力。法拉第还进一步把安培力纳入自己创立的“电紧张态”概念当中，他认为安培力构成了自己所说的电紧张态。由此可知，法拉第所引入的概念均属于近距作用思想范畴。

尤其值得注意的是“极化”“磁极化”“极化态”这几个概念，隐含着电作用或磁作用伴随着能量的转移和转化，法拉第说：

感应看起来是起作用的带电体使一些微粒进入某种极化状态，这些微粒是带正电或负点的质点或部分……这种状态肯定是一种受迫状态，因为它只是由于一种力而产生和维持，并且当那种力消除时就恢复到正常的或静止的状体。([8]，第1卷，409页)

这段话对“电位移”概念的诞生意义重大，“电位移”就是麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831—1879)对电介质极化的替代([3]，189页)。

法拉第对安培电动力学所做的批判，对电、磁作用是近距作用的论证，特别是新术语的创造，表明法拉第已经脱离开了安培电动力学旧范式，开始用自己创立的新范式对电磁学进行研究。在1850年4月8日后，法拉第在日记中再未提到过安培的名字。

3 法拉第的三个前瞻性猜测及其意义

法拉第所做的电磁作用是近距作用的论证工作以及新术语的引入为电磁波概念的诞生奠定了哲学基础。法拉第本人还做出了一系列的前瞻性猜测，这些猜测包含了电磁波概念的萌芽。

(1)法拉第猜测“磁性”的功能是传递“力”的作用。他在1851年10月22日完成的论文《论磁力线；它们的确切特征；在空间和磁体内的分布》(OnlinesofMagneticForce;theirdefinitecharacter;andtheirdistributionwithinaMagnetandthroughspace)说：

磁力在物体中是如何传递的，又是如何穿过空间的，我们不得而知：是否仅仅是超距作用，就像在重力的情况；或者是通过中介媒介，就如光、热、电流的情况，亦或就像电感态。考虑真空和磁力以及有关磁力实验中磁性特征之间的关系，我更倾向于这样的观点，磁性是一种力的传递作用，而不是表面看起来的吸引和排斥的超距作用。这样一种作用可能行使着以太的职能，因为这种作用并不是丝毫不像以太，如果以太存在的话；这种作用有其它用途而不是简单的辐射传递。([8]，第3卷，330—331页3075)

(2)法拉第认为辐射作用依靠力线传递，且是非即时的。他在1852年3月6日完成的论文《论磁力线的物理性质》(Onthephysicalcharacterofthelinesofmagneticforce)中说：

当转向辐射现象时，我们获得了需要时间的最高证据，虽然它们是不可称量的事物，然而力线有独立的物理存在，以某种方式，或者物体发出辐射，或者物体接收辐射。在传递过程中，辐射可能被偏转，可能由直线弯曲成曲线。……力线的存在不依赖于附加物或者被作用的物体，就如引力；而且它们的传递需要时间。([8]，第3卷，409页3246)

(3)猜测新物质态的存在。1852年6月11日，法拉第在《论磁力的物理线》(OnthePhysicalLinesofMagneticForce)一文中谈到：

磁体周围存在一种状态并由磁体维持，这种状态显示了磁力线的物理性质。([8]，第3卷，443页)

对于猜测(1)，惠特克(E T Whittaker)认为是光的电磁理论的开端[11]。因为综合分析法拉第的这些论述，可以发现，法拉第猜测磁作用是近距作用，类似于电感应；磁的功能是传递“力”，法拉第所指的“力”，在某种程度上可以理解为后来的“能量”；法拉第所说的“传递作用”有超越于以太的功能，并且对这种功能做了猜测，其不仅仅是传递辐射，其意义已经超越了单纯的磁力线或者磁性本身。

猜测(2)表明，法拉第认为力线在辐射传递机制中起着重要作用，力线发出或接收辐射，传递过程中会发生绕射现象，而且是非即时传播。至此，电磁波的概念呼之欲出了。

猜测(3)所指的新物质态就是场。

法拉第的这些猜测为电磁波概念的诞生做了准备工作，为麦克斯韦的研究指明了道路。

1855—1864年间，麦克斯韦提出“涡旋电场”和“位移电流”的假说，通过构建数学模型推导出了以以太为媒介的电磁波动方程，从理论上阐述了光的电磁属性，预言了电磁波的存在。从前文分析可知，法拉第的相关论述客观上构造了一种电磁理论，只不过采用了一种非数学的图形表述方式，例如图2描绘了磁场与电流的关系。国外就有学者认为麦克斯韦把法拉第基于实验提出的电磁场理论翻译成了麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组中的每一个方程所表述物理思想都可以在法拉第的理论中找到[12]。

图2 法拉第描述磁力线和电流关系图([8]，第3卷，Plate IV. Figure1)

证明光波和电磁波的同一性的第一步也是法拉第迈出的，这就是他发现的磁致旋光效应。法拉第在1845年11月的《论光的磁化和磁力线照明》(Onthemagnetizationoflightandtheilluminationofmagneticlinesofforce)一文中进行了论述：“各种形式的力显然有共同的起源，换句话说，它们是如此直接相关和彼此依赖，以致可以相互转化……磁致旋光效应是光转变成电和磁的最好方式。”([10]，1页2146)不同于麦克斯韦由数学推导得出电磁波传播速度等于光速，法拉第是猜测磁场传播速度接近光速。

4 结 语

安培电动力学理论提出“磁就是电流”的假说，认为电的作用是超距的、即时的，并取消了磁的实体地位。法拉第对这些观点进行了批判，一是安培理论当中的“引力”和“斥力”等直线型力无法解释法拉第本人发现的、由“圆周力”支配的“电磁转动”现象，指出了安培理论对“力”认识的片面性。二是安培理论无法解释“电磁感应”现象的产生机制，具体而论，在安培理论中处于非实体地位的“磁”怎么能够产生实体的“电”呢？况且安培理论中的电力“即时”作用论也不能够解释在当时看来是“瞬时效应”的电磁感应现象。法拉第这些批判使电磁学研究开始脱离超距作用思想的束缚。

鉴于安培理论对电磁领域新发现的无能为力，法拉第另辟蹊径引入振动和力线思想，沿着近距作用的思路开展研究，取得了影响后世的杰出成就。法拉第赋予“力线”实体地位，明确电作用、磁作用的载体是力线，其方式是力线的振动，光现象也是力线的振动，而非抽象的以太。法拉第结合实验事实论证了电作用、电磁作用是近距作用。法拉第在论证过程中创立了一系列新概念，及相应新术语，而这些新概念、新术语无一例外属于近距作用范畴。这些都表明法拉第不仅抛弃了安培理论的旧范式，并正在建立一种新范式。

在批判了安培理论中的超距作用思想、论证了自己的近距作用思想后，法拉第做出了三个前瞻性猜测，这些猜测客观上或暗示了某种类似萌芽态的“电磁波”概念，尽管他没有明确地提出“电磁波”概念。法拉第所有这些工作为电磁波概念的诞生奠定了哲学基础或者说准备，为麦克斯韦的电磁波预言指引了方向，例如麦克斯韦的电“位移电流”概念就直接受到了法拉第的“极化”概念的影响。

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

2 (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. 159.

3 (美)弗·卡约里. 物理学史[M]. 戴念祖译. 范岱年校. 桂林: 广西师范大学出版社, 2001. 177—180.

4 (英)W.C.丹皮尔. 科学史——及其与哲学和宗教的关系[M]. 李珩译. 桂林: 广西师范大学出版, 2001. 235.

5 Jones H B.TheLifeandLettersofFaradayVol.1[M]. London: Longmans, 1870. 355—357.

6 Faraday M., Thomas Martin Ed.Faraday’sDiary[M]. London: G Bell and Sons, Ltd, 1932—1936.

7 Frank A F L Fames Edited.TheCorrespondenceofMichaelFaradayVol.2[M]. London: Institution of Electrical Engineers, 1993.26.

8 Faraday M.ExperimentalResearchesinElectricity[M]. London: Taylor & Francis, 1855.

9 Faraday M.ExperimentalResearchesinChemistryandPhysics[M]. London: Taylor & Francis, 1859. 357—358.

10 王洛印.法拉第的电磁学实验研究──根据《法拉第日记》进行的分析[D].中国科学技术大学, 2009.

11 Whittaker E T.AHistoryoftheTheoriesofAetherandElectricity[M]. Dublin: Hodges Figgis CO. Ltd, 1910. 217.

12 Ryan D Tweney. Representing the Electromagnetic Field: How Maxwell’s Mathematics Empowered. Faraday’s Field Theory Springer [J].ScienceBusinessMediaB.V,Science&Education, Online FirstTM, 2010-4-22.

LI Guofeng1，2

(1.InstitutefortheHistoryofScienceandTechnology，InnerMongoliaNormalUniversity，Hohhot010022，China;

2.SchoolofScience，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010 ，China)

Faraday’sContributionontheBirthofConceptofElectromagneticWave

Faraday criticized the viewpoint of the action at a distance of Ampère electrodynamics， and he demonstrated that the electricity action and magnetic action are progressive. Faraday introduced a series of new term and concepts， and that he had three prospective speculations. Faraday’s efforts laid a foundation to the birth of the concept of electromagnetic wave.

action of a distance， Faraday， action through medium， electromagnetic wave

2016- 10- 11；

：2017- 01- 11

李国峰，1975年生，山西定襄人，内蒙古师范大学科学技术史研究院2016级科学技术史专业博士研究生，内蒙古科技大学理学院副教授，研究方向为物理学史、技术史, Email: lgfnkd@163.com。

N091∶O4- 091

A

1673- 1441(2017)01- 0089- 07