法拉第對電的同一性的分析范文

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《自然科學史研究雜志》2014年第一期

1研究電的同一性之緣起

1.1電的同一性研究狀況18世紀末至19世紀初，伴隨著各種新電源的發現，關于各種電的研究成為科學界的一個熱點問題。至1832年法拉第集中研究電的同一性之前，摩擦電、動物電、伏打電、溫差電和磁感應電等五種不同來源的電已廣為科學界所熟知。各種研究和學說不斷提出，關于各種電的本質是否是同一的這一問題，也逐漸成為科學界一個具有重大爭議的課題。科學界自18世紀70年代起，就開始了關于各種電的同一性的研究。法拉第在研究這一問題時，廣泛查閱了前人的研究資料，其中包括卡文迪許(H．Cavendish，1731～1810)、戴維(H．Davy，1778～1829)、安培(A．M．Ampère，1775～1836)、沃拉斯頓(W．H．Wollaston，1766～1828)等15位科學家的研究，時間一直追溯至1773年，這些在《法拉第日記》中有詳細記錄［7］。前人的研究有的證明一些電的本質是同一的，一些則對此持懷疑態度，這主要表現在各種電的存在形式所體現的一些表面差異。例如，1829年，戴維在其關于電鰻研究的一篇論文中，描述了各種電的差異:普通電(摩擦電)①是非導體激發的，而且很容易被導體或不完全導體帶走。伏打電是完全導體和不完全導體的結合所激發的，而且只能通過完全導體或最佳不完全導體傳輸。磁如果是電的一種形式，則只屬于完全導體，而且磁的其他形式屬于一類特殊的導體②。動物電只能附著在組成動物活體器官的不完全導體上。［8］諸如此類的爭論不絕于耳。1831年電磁感應現象的發現將電的同一性問題推上了爭論的又一高度。1832年，戴維之弟化學家約翰•戴維(J．Davy，1790～1868)甚至提出了電的組合理論。他認為各種電不是由單純的一種力所形成，而是與陽光類似，由力的組合而成。各種力可有多種組合，從而形成人們所熟知的各種電形式。(［8］，77頁)可以看出，按照該理論，各種電的本質是不同的。

1.2法拉第研究電的同一性的緣起關于電的同一性研究的種種爭論和形形色色的各種假說，如果不加以廓清和解決，電學的進一步發展將會面臨重重困難。正如法拉第在其論文中所說:我有幸呈現給皇家學會的電學研究，促使我不得不面對這樣一個問題，就是對于以不同方式激發的各種電的同一性或差別性，不應再存在任何疑問，這對我進行進一步的研究至關重要。(［8］，76頁)許多研究者憑借這段話來說明法拉第開始電的同一性研究的原因。例如英國學者馬丁(T．Martin)認為:在1831年，說明他所得到的感應效應確實是電流是一件十分重要的事情，事實上也就是要證明，所謂的‘磁電’和其他來自于伏打電池或摩擦起電機的電是同一事物。很多人仍對普通電、伏打電以及所已認識的其他形式的電的同一性持懷疑態度。于是，在1832年的秋天，法拉第開始了系統的調查研究，試圖證明各種不同形式的電都將會產生同樣的化學效應、磁效應以及其他效應。(［3］，95～96頁)絕大多數學者也基本持有類似的觀點。比如法拉第的同事廷德爾(J．Tyndall，1820～1893)就認為法拉第之所以開始電的同一性的研究，是急于證明他所發現的磁感應電和其他形式的電的本質是一樣的，如果電的同一性得到證明，將會為其以后的研究掃清道路。［9］上述觀點初看上去確實有些道理，因為法拉第在其論文中也的確給出了確鑿的證據。但如果我們依據《法拉第日記》而不是其論文來做判斷的話，就會發現此觀點令人懷疑，是表面化的描述而不能揭示法拉第研究的根本原因。明顯的兩個疑點就是:1831年8月29日，法拉第發現電磁感應現象，隨后幾個月進行了大量的實驗研究，發現了電磁感應定律，這段研究基本上至1832年3月26日完全結束。［10］在3月26日前后，法拉第已進行過一些研究，試圖證明磁電也可以產生其他電形式可以產生的各種效應。比如，2月8日，他證明磁電可以產生電火花效應［11］;3月8日，不能證明磁電可以產生電解效應但可以產生生理效應(［11］，424頁);6月11日，試圖利用磁電產生電解效應，結果失敗(［11］，429～430頁)。法拉第這些零星的研究，重點在于磁電，對于其他形式的電基本沒有涉及。這些零散的、不成體系的實驗研究說明法拉第在研究電磁感應現象期間及之后一段時間里，雖然可能關注電的同一性問題，但并沒有急于研究并加以證明電的同一性的強烈愿望。與之形成鮮明對比的是，1832年8月25日至12月24日，法拉第對各種電的同一性問題進行了集中重點研究。這些研究構成《法拉第日記》第二卷的起始部分，實驗記錄也被重新編號(1-221)。而且該系列的研究不是從研究磁電開始，而是從摩擦電開始。這充分說明該系列研究與之前的零散研究相比，無論在內容還是形式上都完全不同。這巨大的差異充分表明，法拉第關于電的同一性的研究并非其電磁感應現象研究的自然延伸，僅憑論文中法拉第的表面陳述來說明研究緣起，所得到的結論可能并不充分，我們須探尋這些差異背后的原因，才能說明法拉第為什么開始電的同一性的研究，以及他研究的真實狀況和思想變化情況。如果對《法拉第日記》中的相關內容加以認真解讀和仔細分析，并通讀《法拉第日記》的前兩卷，可以發現一條若隱若現的線索體現并貫穿電的同一性的研究，這條線索就是法拉第關于靜電和電流作用機理的思索與研究。早在1825年11月28日，法拉第就認為如果靜電可以在附近的導體上感應出穩恒的靜電，電流(流動的電)也應該在附近的導體中感應出穩恒電流。為此他作了幾個實驗求證，結果失敗了，失敗的原因在于法拉第不清楚靜電和電流的不同作用機理。1831年2月至7月關于聲學振動圖像的研究是發現電磁感應現象之路上的關鍵一步。法拉第將聲學振動微粒類比于導體中處于感應狀態下的導體粒子，將聲學振動圖像的瞬間改變類比于感應電流的產生，認識到感應電流的產生是導體粒子的特定態改變所致，從而預見到感應電流的瞬時性。在此基礎上法拉第提出了粒子的“電緊張態”理論。認為電感應下的導體粒子處于一種特定的狀態，該狀態的改變就會產生感應電流。(［10］，21～28頁)起初，法拉第認為電緊張態下的物體同帶靜電的物體一樣，會顯示出實驗可驗證的引力或斥力效應。(［8］，56頁)由此可見，此時，他認為借助于“電緊張態”理論可以解釋靜電作用。即認為靜電是一種物體的特定態，特定態的改變產生了電流。至此，法拉第似乎已經認識到了靜電和電流的不同作用機理。但法拉第在利用電緊張態理論解釋電磁感應現象時，限于當時的實驗條件，驗證不到粒子該狀態的存在，他不得不將這個理論暫時擱置，而改用力線理論來對電磁感應現象進行解釋(［10］，28～32頁)。利用電緊張態理論來解釋靜電和電流作用機理的考慮也就此擱置下來。法拉第也考慮利用力線理論來解決這個問題。在1832年3月12日藏于皇家學會的密信中，法拉第設想磁作用、靜電作用、聲音振動以及電磁感應現象統統可以用振動理論進行說明，傳播需要時間。(［10］，31頁)1832年3月26日，法拉第做了一個實驗，試圖在力線理論指導下對靜電和電流的作用機理進行研究。圖1實驗示意圖(［11］，425頁)398.已經證明當有電通過時，在與其垂直的方向上產生磁性。所以如果電靜止，而金屬針在相反的方向上移動，針也應變為一個磁體，因為這時電和金屬是相對運動的，這看上去是唯一的一個條件。399.(圖1上半部分所示)制作一個精巧的磁針，非常輕。取其他小針，使它們從一個導體末端附近經過。針和它的運動路徑互相垂直。該導體屬于一個摩擦起電機，并已充電。利用這種方式不能得到磁體。400.(圖1下半部分所示)保持一個金屬球與導體相對，然后小針在二者之間通過，但它沒有任何獲得磁性的跡象。401.當有電火花通過導體和球時，針在附近，電火花不能使小針產生明顯的磁性，所以很明顯，不能僅僅通過小針的運動，就可以產生效應。(［11］，425頁)該實驗的失敗在于法拉第試圖用力線理論對各種電作用進行解釋。他認為兩個帶有相反靜電的兩個物體之間有電力線，而通有電流的導體也存在電力線:“兩個帶相反的電的導體之間的力線或力的方向可以類比于‘磁曲線’，而稱之為‘電曲線’，難道它們不也存在于通有電流的導體中嗎?”(［11］，425頁)既然都存在電力線，當金屬針和電力線在垂直方向上相對運動時，也即導體切割電力線時，就會產生磁性。但實驗的失敗說明利用現有的力線理論也不能對靜電和電流的不同作用機理進行說明，或者說靜電力線和電流力線還存在差異，需要進一步研究和求證。這個實驗很好地說明了對靜電和電流不同作用機理的解釋，已成為困擾法拉第已久、不得不面對而亟需解決的一個重要問題。在發現電磁感應現象后，法拉第一直在思考靜電和電流的不同機理，并試圖用兩種理論進行說明解釋。一方面，借助于“電緊張態”理論可以很好地來說明靜電作用機理。譬如在1831年11月，法拉第就利用該理論解釋電化分解現象，說明靜電電緊張態的解除產生電流。(［8］，22頁)而且處于電緊張態下的靜電物體之間的作用可以實驗驗證。但是電緊張態在解釋電磁感應現象時，卻不能實驗證實，這說明“電緊張態”理論存在瑕疵或者不適用于解釋電磁感應現象。另一方面，用現有的力線理論可以解釋電磁感應現象，并且得到了實驗證實，但在解釋靜電和電流的不同作用機理方面，卻捉襟見肘，需要進一步研究和補充完善。要解決這個問題，在法拉第的理論框架內，只有在利用現有力線理論的基礎上，進一步發展理論，說明靜電力線和電流力線的差異，闡清力線的形成和運動變化機制，而這必然涉及介質粒子的微觀層面，需要利用到電緊張態理論，將其與力線理論調和融通，這是法拉第力線理論進一步發展必然要面對的一個問題。1832年2月至8月，法拉第一直在思考解決這個兩難問題。在2月至6月期間，他雖然偶爾進行一些磁電的同一性方面的研究，但零散而不成體系。而1832年8月之后以摩擦電的同一性研究而開始的系列實驗研究，不僅實驗驗證了摩擦電的同一性問題，而且完全闡清了靜電和電流的不同作用機理，將電緊張態理論和力線理論進行了恰當地調整融合，進一步發展了力線理論。上述種種的跡象表明，法拉第開始電的同一性的研究，絕不是偶然的，它是法拉第在經過幾個月的深思熟慮后，已在思維上初步融合了電緊張態理論和力線理論，找到了解決靜電和電流不同作用機理的突破口，然后開始的一場關于靜電和電流本質的實踐檢驗研究活動。對于這些，我們在下文將會看得更加清楚。

2靜電的同一性

在公開發表的論文中，法拉第如此定義靜電(dinaryelectricity):我所理解的靜電是指從摩擦起電機、空氣，或通過壓力、晶體的分裂以及其他眾多方式得到的電。它的典型特征是高強度，以及在相當大距離而不僅是可覺察距離上的引力和斥力作用。(［8］，82頁)而在日記中，法拉第所認為的靜電是指普通電(commonelectricity)，即從摩擦起電機得到的摩擦電，通篇沒有別的指代。這小小的差異說明，法拉第在研究靜電過程中，并沒有著眼于強調各種電的同一性，而是從最普通的靜電開始，重點著眼于靜電性狀的研究，這反映了他對靜電作用機理長時間的一貫思考，而非當時科學界有關電的同一性的各種爭執引起的一時心血來潮。在論文中，法拉第將各種電的效應分為兩類:一類是電處于張力狀態(靜電狀態)下產生的效應，即一定距離下的引力和斥力效應;另一類是運動狀態(電流狀態)下產生的效應，即熱效應、磁效應、電解效應、生理效應和電火花效應(［8］，78頁)。法拉第明確說明，做出這樣的分類是出于簡便考慮，而并非是出于自然哲學上的考慮。這反映出在寫作論文時，法拉第已經認識到無論是靜電還是電流，都是各種電的存在形式。各種電都可以由靜電狀態轉變為電流狀態，或者相反。這實際上已經表明了法拉第在研究之初，就堅信各種電不存在本質差別的自然哲學態度。伏打電作為一種典型的電流，與磁電、熱電類似，可以兩種狀態存在，并且六種效應的產生已被當時的科學界所證實。普通電作為一種典型的靜電，與動物電相似，處于張力狀態下所展示的引力和斥力效應也已廣為人知，而摩擦電放電(流動狀態下)時所產生的熱效應、生理效應和電火花效應也為人所證實或很容易證明，沒有進一步研究的必要，最需要證明的是摩擦電放電時要產生磁效應和電解效應。由于磁效應和電解效應是電流所顯示的效應，要證明就需要改變摩擦電的通常存在形態，由靜電狀態改變為電流狀態。而按照電緊張態理論，靜電是一種張力狀態，這種狀態的釋放就是靜電放電，產生電流，這是靜電和電流的作用機理。法拉第在開始研究前，已經認識到了這一點，這在上文中已有說明。在此基礎上，法拉第所需要做的就是人工控制靜電緊張態的釋放，使之轉變為電流形式，從而產生出磁效應和電解效應。在日記中，法拉第的研究也正是按照這種方式，從驗證摩擦電的磁效應開始。證明摩擦電磁效應的最好方式是讓摩擦電通過連有電流計的電路放電，如果電流計的指針發生偏轉，則說明摩擦電可以產生磁效應。1832年8月27日，法拉第利用實驗證明了這一點。他首先對當時通用的電流計做了一些防護措施，比如用錫箔覆蓋電流計等(［7］，1～2頁)，這樣做的目的是防止電流計受到靜電感應效應的影響。接著，讓摩擦電通過一條放電線路放電，導致電流計指針偏轉。在日記中，這個實驗是這樣描述的:11.現在做讓電池中的電①通過水的實驗。一根約4英尺長的粗線，完全浸濕，一端與電流計的A端相連。電流計內所含的導線約36英尺長。粗線的另一端與放電器(discharger)相連。電流計的B端與放電序列相連②。然后，將一個由15個萊頓瓶組成的電池連接到線路中。瓶子的外側與放電序列相連，效果就像和電流計的B端連接一樣。瓶子的內壁與摩擦起電機連接。將一個亨利靜電計(Henly''''rom-eter)放在總導體(generalconduct)③上。起動摩擦起電機，電池充電，直至靜電計的金屬指針傾斜固定于約40度或35度為止。然后，讓放電器與總導體接觸，于是，放電就通過粗線中的水，從A到B方向通過電流計。12.在這些條件下，指針偏轉。而當擺動的電流計指針每次回歸到第一次脈沖的偏轉方向時，則繼續轉動摩擦起電機，以使電池放電，偏轉角度就很快升至40度或更高。(［7］，4頁)在實驗中，因為法拉第所用的是沖擊式電流計，需要一定的反應時間，磁效應才能在電流計中顯示出來。利用粗線中的水對放電的延遲作用以及長度很長的放電序列，保證了靜電的放電可以持續一段時間而不致太迅速，這就使得靜電放電產生了與穩定電流大致相同的效果。法拉第在隨后的多個類似實驗中，改變實驗的各種條件，比如改變放電方向，發現電流計的指示方向也隨之改變;如果改變絲線的長度和粗細，電流計指針的偏轉幅度還是大致相同(［7］，5～6頁)如果用金屬導線代替絲線，或靜電通過真空以及距離很近的尖端放電。指針依然發生偏轉。由此法拉第得出結論:因此，無論是通過水、導線、真空以及聚集的點傳遞的電流，都能夠使指針發生偏轉，所需的唯一條件就是要有一定的作用時間。但是不完全導體，例如水、鹽水、酸等等都是非常好的，因為它們都有能力可以把電池的放電轉變為一種微弱的電火花或持續的電流。(［7］，8頁)這多個實驗毫無例外地證明了靜電的磁效應，并說明靜電緊張態的釋放可以產生流動的電，產生與持續電流相同的效果。緊接著靜電磁效應的實驗，在8月31日，法拉第又用實驗證明了靜電的化學分解效應。他首先重復了沃拉斯頓1801年的一個實驗，使摩擦電放電通過放電序列，用兩根細銀絲做電極以電解硫酸銅溶液，實驗很成功(［7］，8頁)。但法拉第對這個實驗不滿意，因為反應作用很微弱，只有極少量銅析出，而溶液中卻沒有出現沒有任何跡象的銀。(［7］，9頁)于是在9月1日，法拉第又設計了一個實驗，利用該實驗，摩擦電放電產生了比較明顯的化學分解效應:46.用另一種方式做普通電化學作用的實驗，得到很好的實驗結果。47.(圖2左邊小圖所示)像這樣，將兩小段鉑絲在近90度方向彎折兩次，使得當整個鉑絲豎直放置于三個支點a、b、c之上時，cd段大致垂直向上。(圖2右邊大圖所示)將一塊玻璃片或玻璃板放在桌上，上面放置一條錫箔，然后將一根約8英寸長的濕線，一端放在錫箔上，另一端與摩擦起電機連接。接著，將一段已經彎折過的鉑絲如圖示放置，使b、c兩個支點放在這條錫箔的另一端上，而a點則放在第二片玻璃板上。第二段鉑絲的a點放在第一段鉑絲的a點附近，其他部分則利用錫箔或其他方式與放電序列相連。這樣，可以保證在實驗過程中，只要這兩個a點不接通，就可以使整個線路隨時斷開。利用這種方式，可以隨時使接觸面積盡可能的小，下面很快會看到。48.一份由半份純鹽酸和半份水組成的混合溶液，加入硫酸靛藍(sulphateofin-digo)使其成深藍色。然后用其在較大的玻璃板上劃一條濕帶，使兩個a、a末端間距約1/2英寸，并用濕帶將二者連為一體。轉動起電機，與起電機即正極這邊連接的a端，立刻顯示脫色效應。轉動二三十圈后，溶液中被漂白的部分面積已經很大，而且脫色劇烈，以至于即使撤去導線，攪動全部溶液，產生的氯氣也足以漂白所有部分。這個巧妙的實驗已完全可以說明靜電放電時產生的電解效應。但法拉第并不滿足，在接下來的多個實驗中，他又實驗了不同的檢驗方式，例如用氫碘酸鉀和淀粉的混合溶液、蘇打溶液和姜黃試紙等做檢驗試劑。實驗結果都證明普通電產生了化學分解效應。法拉第還在一些實驗中試著用金屬導線代替濕線，或者改變電流的方向、強度等，這些改變對普通電存在電解效應的結論都沒產生任何影響。所有這些實驗都毫無例外地證實了普通電的化學分解效應。(［7］，10～12頁)應該說，至此為止，電的同一性已大致得到了證明，如果以這個主題作一篇論文的話，主題的架構已搭建完畢，剩下的就是一些修修補補的完善工作，比如繼續查找前人研究文獻資料，完善前人做過的一些有缺陷的實驗，使實驗結果更為確定和清晰;對一些有爭議的實驗和結論，重新論證和解讀;將自己的研究和前人研究進行條理化的說明和合理編排，以增強論文說服力，等等。事實上，法拉第《電學實驗研究》第三輯論文的第一部分就是這么做的。從論文來看，電的同一性研究工作似已完成。但在其日記中，法拉第的上述研究僅僅是個開始。因為從根本上來說，上述研究并沒有說明靜電和電流的運行機理。即使在研究之前，法拉第已對其力線理論和電緊張理論在思維上進行了初步融合和理論完善，找到了解決問題的突破口，但這個根本問題的解決還是需要進一步的實驗驗證和研究求證。而且，從已進行的研究來看，它提出了兩個直接的問題亟需進一步研究。第一個問題是:既然各種電的本質是相同的，也就是靜電和電流的本質是相同的，那么作為二者典型代表的摩擦電和伏打電，在量上應該可以比較，相同數量的摩擦電和伏打電產生的效應也應該相同。另一個是:既然各種電的同一性得到了證明，而各種電無外乎靜電和電流兩種存在形式，那么靜電和電流的轉化機制是什么，二者運行機理有何差異?從這兩個問題出發，法拉第在初步證明了電的同一性之后，并不沒有停步，而是保持了他一貫的研究風格，繼續其關于靜電和電流機理的研究，終于導致了重要的科學發現和力線理論的進一步發展完善。

3電解第一定律的初步提出

在研究靜電磁效應的過程中，法拉第通過實驗發現，改變靜電放電的強度和放電時間，而不改變總電量，產生的磁效應大致相同。沿著這個線索調查下去，通過逐步地實驗研究，法拉第最終初步提出了電解第一定律。1832年8月27日，法拉第通過實驗發現，將相同數量的靜電用不同的放電方式通過電流計，指針的偏轉效果大致相同:20.現在用一根濕的粗繩代替絲線，二者長度基本一樣，產生的效應很好且基本一樣。21.縮短繩子，但依然用相等數量的電池放電，(指針)偏轉大約相同的幅度。22.用四倍粗的短繩子代替這根長繩子，效應沒有明顯不同。(［7］，5頁)隨著研究持續深入，實驗逐步從定性走向定量研究。9月14日的一個實驗中，法拉第開宗明義地指出:“做緊張態效應①的實驗，全部數量(的緊張態)對磁針產生的效應是相同的，如下。”隨后法拉第描述了實驗的詳細過程:我們的電池由15個相同規格的大萊頓瓶組成……，7個先放置一旁，其余8個連在一起。然后準備好起電機②，將其與電池及電流計相連，以使放電可以以上述方式(11、20、21)①通過電流計和濕繩;濕繩約10英寸長，很粗，是四倍粗的那根繩子。123.轉動起電機，轉至38圈時，電池充滿，39圈時，電池則自動放電。于是給電池只充30圈的電，然后通過繩子和電流計放電。指針偏轉，至左側2.5刻度后，擺向右側3刻度處。刻度示數由放置在下面的一個不規則的、大度數的刻度盤指出。雖然如此，刻度也足以確定擺動的幅度。124.然后將其余7個瓶子也連接上，給這15個充上起電機轉動30圈的電。亨利靜電計現在張開角度不如原來的一半，但將這些電通過繩子和電流計放電時，指針同樣擺動至左側2.5刻度處，然后擺回到右側3刻度處，恰好和先前一樣。125.重復這個實驗，依然得到完全相同的結果。126.因此，看上去如果同等數量的電通過儀器，無論其強度如何，偏轉力是相同的。(［7］，22～23頁)在法拉第時代，所用的電流計為沖擊式電流計，需要一定的反應時間，且指示不是很精確，靜電放電時間又很短，所以實驗的結果大致相同。在該實驗中，僅證明了相同數量的靜電可以產生相等的偏轉力。那么，可不可以利用這種方式比較靜電和電流的偏轉力呢?因為靜電和電流的本質是同一的，原理上，相等數量的靜電和電流也會產生相等的偏轉力。于是，法拉第設計了一個精巧的伏打電池，將電流和摩擦電產生的效應進行認真比較研究:129.現在從一個拉線板的同一個孔中拉出一些鉑線和鋅線，直徑約1/18英寸，將它們固定到一塊木板上，末端突出木板，互相平行，且相距5/16英寸。將末端浸入到酸中，構成一個標準的伏打電池裝置。鉑線和鋅線的另一端分別與電流計的兩端連接，連接處用干凈的銅線捆扎，以保證接觸良好。130.將一滴硫酸滴入4盎司水中，混合好，放在鉑線和鋅線下方。升高液面，直至導線的末端沒入液面下5/8英寸，然后立刻拿走溶液，電流計的指針向右手方向擺動，超出3刻度。所以這兩根導線在這樣微弱的酸液內，在片刻時間產生的電量與摩擦起電機轉動30圈后儲存于電池的電量相當。(［7］，23頁)9月15日，經過時間測算，法拉第發現在同等實驗條件下，電流計指針從左側擺至最右側或從右側擺至最左側，所花費的時間接近于其懷表跳動17次所需要的時間。而導線沒入液面下的時間，即電池的工作時間，約為整個擺動時間的一半，即約懷表跳動8次的時間。由此法拉第得出結論:因此作為一個近似結果，兩根導線，一根為鉑線，一根為鋅線，每根直徑為1/18英寸，分別浸入到由一滴濃硫酸和4盎司水構成的酸液中，沒入液面下5/8英寸，且相距5/16英寸，在我的懷表跳動8次的時間內產生的電量，與運行良好的大起電機轉動30圈所產生的電量一樣多。(［7］，25～26頁)法拉第還特別強調，得到的結果并不是在導線第一次浸入酸液的情況下得到的，而是在多次浸入后，標準電池產生的電流已經穩恒的情況下得到的實驗結果。他發現標準電池穩定放電時，電流計的指針穩定在右側第3刻度，這說明:“穩定地偏轉于右手第3刻度，表示這種穩恒的電流在(懷表跳)8次的時間里所提供的電量和昨天的起電機轉動30圈儲存于電池中的電量相等。”(［7］，26頁)看到上述內容，相信絕大多數人都會對法拉第的研究方式和結論迷惑不已。因為在開始電的同一性研究之前，法拉第已經通過對地磁電感應現象的研究，發現了電力、電流和電阻三者之間的關系，揭示了歐姆定律的內容［12］。并且由上一段文字我們知道，法拉第完全清楚，電流計測量的是電流強度，即電流的通過率，而非電量。在實驗中，很明顯靜電放電和電池放電的時間并不相同，在電量一定情況下，電流強度必然不同，電流計的偏轉怎么會相同呢?不僅現在的讀者不明白，即使一些對法拉第有相當研究的著名學者讀到這里也感到無法理解。比如著名科學史家威廉斯就認為:法拉第在電學的眾多新現象和新理論中，思維陷入了混亂狀態，他不能再考慮理論的細節，所以犯下了這個錯誤。但是盡管有這個明顯的矛盾和錯誤，法拉第還是通過這個錯誤幸運地達到了他的目的，即得到了相同的電量產生相同的效應這個結論。(［4］，220頁)威廉斯將法拉第這次的成功歸于幸運，這樣的例子其實在科學史上也不乏先例。但如果我們仔細分析法拉第的日記和論文，卻發現法拉第的成功卻并非全然幸運的結果，這里面有法拉第自己獨特的思維方式，從這一方向看來，這樣的實驗方式和結論也是合理的:在構建標準電池時，法拉第明確表明:“在一定酸液中的浸入時間，遠少于指針在一個方向上的擺動時間，因此電池裝置和靜電放電應該產生相同的偏轉。”(［8］，105頁)這表明在法拉第看來，只要保證標準電池產生電流的時間足夠短，遠少于指針擺動的時間，全部電流的能量就完全轉化為了指針的運動能量，這和靜電短時間放電的作用相仿。由此可以看出，法拉第所依據的其實是原始的能量轉化和守恒理論，即他一貫堅持的自然力的轉化和統一思想，在這種情況下，電流計測量的是電流的積累效應，而非穩定電流的瞬時效應。接下來，可以計算一下法拉第所設計的標準電池的運行時間。他的懷表1分鐘跳動150次(［7］，26頁)。那么電池的兩極浸入液面下的時間為8÷150×60=3.2秒，這遠小于電流計指針從一側轉向另一側所需的6.4秒。而對于靜電的放電時間，法拉第也做過估計。用粗繩阻礙放電時，放電時間很短;用細繩，時間稍長;而用細線時，放電時間約為2至3秒。(［8］，104頁)這也遠低于指針的偏轉時間，加之法拉第所用的是沖擊式電流計，對于較短時間內的放電，在電量差別不太懸殊的情況下，反應大致相同。這幾種因素綜合起來，保證了法拉第的實驗結論既存在相當的合理成分，也是當時實驗環境所決定的，因此，將其成功完全歸于幸運是不合適的。同一天，法拉第又做了多個與此類似的實驗，都得到了相同的結果:“效應依然相同，雖然電流的時間和強度差異很大，但總量是一樣的。”(［7］，27頁)隨后，法拉第又測量了相等電量的摩擦電和伏打電的電解效應，讓二者流經直徑為1/12英寸的導線，導線的末端與浸有氫碘酸鉀溶液的四層濾紙的兩側接觸。電解后，電解出的碘會在濾紙上顯示出棕色的圓形痕跡。(［7］，27頁)比較相等電量的摩擦電和伏打電，發現:“它(摩擦電)產生的碘斑點與伏打電池產生的色跡可以確定為大致一樣。在(濾紙)的其他多個地方實驗，對比效應，發現完全一樣。”(［7］，28頁)如果說法拉第用電流計檢測相等電量的磁效應，所得實驗結果還有幸運成分在里面的話，那么他用電的化學分解效應來說明各種電的同一性，即相同電量的靜電和電流產生一樣的電解效應，所得的實驗結果則是確鑿無疑的。一方面，這些實驗不僅進一步從量上證明了摩擦電和伏打電的同一性:“因此可以看出，無論是磁偏轉效應還是化學效應，標準電池在懷表跳8次的時間內，都等于摩擦起電機轉動30圈產生的電的效應，所以普通電和伏打電在所有方面都是相同的。”(［7］，28頁)另一方面，通過這些研究，法拉第得出了另一個重要的結論:“由此也可以得出，化學力和磁力一樣，與通過的電的數量成正比關系，這個結論不僅適用于電化分解，并且很有可能適用于其他一切方面。”這段論述事實上已經揭示出電解第一定律的內容。并已經過實驗大致證實，二者成確定的正比關系而不是別的關系［13］，從而證實了之前未曾驗證的假設:“當電化分解發生時，有充分理由相信，分解的物質量不是與(電流)強度成比例，而是與通過的電量成比例。”(［8］，92頁)法拉第電解第一定律的初步提出是其關于靜電和電流機理考察的一個重要成果，也是其電的同一性研究的重要收獲。之所以說是初步提出，因為從法拉第所進行的實驗研究可以看出，雖然所得出的結論是正確的，但結論的取得并非是完全精確計量實驗的結果，缺少實驗數據的有力支撐而含有一些定性的成分在里面。這個問題的解決需要法拉第的進一步研究，對此將撰文另述。

4電流與電解機理的研究和力線理論的進一步完善

早在1831年11月，法拉第就嘗試用“電緊張態”理論解釋電化分解過程:它(電緊張態)對于伏打電分解以及物質元素向兩極移動的影響都是確定無疑的。處于電緊張態時，如果物質不可電解，物質的同類微粒就會沿電流方向產生有序的和受迫的電排列，這種緊張釋放時，就會產生反向電流;但是如果物質是可電解的，這種力的狀態就足以保證元素微粒離開他們的同伴，被迫同相鄰的與其同伴類似的微粒結合，這樣受迫的電排列得以消除和釋放，從而微粒處于一種自然的狀態，效果上與不受感應類似。但是由于電池電流是持續的，電緊張態可以立刻恢復，又會產生粒子的受迫排列，然后粒子再次移動和結合，放電消除緊張態，如此類推。從而維持物質微粒向兩個相反方向不停地移動，移動方向與電流方向是一致的。(［7］，22頁)在此段論述中，可以看出，法拉第認為電力的傳遞不是超距作用的引力和斥力作用，而是一個漸進的過程，這也是法拉第關于電流的基本理論。而按照電緊張態理論，靜電是一種穩定的緊張狀態，這種緊張態的釋放就產生電流。由此可見，在研究電的同一性之前，事實上法拉第已經有了解釋靜電和電流機理的指導理論，只不過，這只是存于紙面的一種設想，沒有任何實驗基礎。如上文所述，在電緊張態理論和力線理論解釋靜電和電流機理的兩難局面中，法拉第必須進行進一步的實驗研究，以解決這個難題。隨著摩擦電化學分解效應研究的不斷進行，法拉第逐漸發現電化分解產生的現象和他的預測是一致的。1832年9月6日，法拉第通過實驗，證實了他1831年11月對電化分解過程做出的推測性解釋:(如圖3［99］所示)在玻璃板上放置一條用硫酸鈉溶液浸濕過的姜黃試紙，紙的一段連接起電機，另一端隔兩英寸與一條濕線構成的放電線相對，放電線的另一端懸掛在空氣中。起電機轉動四五十周后，發現試紙的靠近放電端的兩個角因為有堿析出而變為深棕色，而且靠近放電端的那個角顏色更深一些。接著(如圖3［100］所示)，用石蕊試紙代替姜黃試紙，一段連接放電線，另一端與起電機引出的一根導線相對，起電機轉動幾周后，正電由空氣進入試紙的一端，這一端的兩個角因為有酸的生成而變紅了。(［7］，17頁)由這兩個實驗法拉第得出結論:103.因此看上去不是正極對堿的排斥力和對酸的吸引力等等，而是只要有電流通過，無論是通過金屬電極還是不通過，元素微粒都會自動排列。堿伴隨電流向一個方向盡可能遠地運動，而酸向另一個方向運動。金屬電極只是分解物質的終點罷了。104.分解效應看上去更依賴于化學親和力在一個方向加強，另一個方向減弱(而導致的微粒移動)，而不是兩個電極之間直接的引力和斥力所致等等。(［7］，18頁)這個結論說明原來被很多人認為是超距作用力的中心的電路兩端的電極，跟電路的其他部分并沒有什么區別，只要有電流通過、而電解質不能通過的地方，比如在電解液斷開、而可以通過空氣放電的地方，就會有電解物質析出。電極在這種情況下不再像其他學者認為的是力的中心，通過超距作用的引力和斥力撕開溶液中的電解質微粒，從而只能在兩極上析出，而只是作為電力的多個進入點和離出點的一個而已。從本質上來說，所謂的電極，和電流通過、而電解質斷開的地方沒有任何分別。電力可以使組成分子的微粒之間的親和力在一個方向加強，另一個方向減弱，從而導致微粒分開并立刻和附近的另一個微粒結合，通過持續電流電力導致的這種微粒之間的不斷結合、不斷分開的連鎖傳遞，形成電力的傳遞，一種微粒向“正極”一側移動，另一種向“負極”一側移動，最后在電解質的斷裂處析出。在12月15日的實驗中，法拉第用另一個非常明顯的實驗再次說明了這一點:182.(圖4所示)兩節電池充電，如圖所示放在箱子上。然后將電解裝置連接好。如圖，利用依次連續的四個裝置。一根導線從正極引出，至第一個裝置，從第一個再至第二個，然后至第三個，這里擴展為一塊板，再從這里連接到第四個裝置，是鉑質小容器。Ⅰ和Ⅱ中裝有硫酸鈉溶液;Ⅲ中裝有氯化硫酸納溶液，被甘藍液染成藍色;在Ⅳ中鉑質容器和鉑板之間的b處，放有在硫酸鈉溶液中浸過的石蕊試紙和姜黃試紙，兩張紙疊在一起。當負極和放電序列連接，而b處用插入地中2英寸深的導線接地時，所有的裝置中都發生分解現象，有氣體生成并有酸和堿析出。183．當b處和放電序列連接，而負極用插入地中兩英寸深的導線接地時，結果一樣。(［7］，32頁)這個實驗與9月6日的實驗事實上沒有本質差別，只不過是法拉第利用連鎖電解的方式，進一步形象地說明了電解在整個電流漸進路程上，處處都在發生，在電解質連續的地方，酸堿結合和分裂時刻在進行著，因此不會有酸堿析出;而在電流通過、但電解質不連續的地方，最明顯的是金屬導線的斷點處，分裂的酸和堿不再結合，所以呈游離態而析出。這個電解過程實質上也是電流的形成和流通過程，是電解過程中電流的運行機理所在。由此可以認為，法拉第已經通過實驗說明了靜電和電流的機理，即靜電是一種穩定的緊張狀態的排列，而電流則是這種緊張狀態的釋放。靜電高緊張態的釋放只能形成短暫的電流，長時間穩恒電流的形成必須這種緊張狀態的不斷形成和釋放，即電流由無數個連鎖的緊張和釋放組成。因此，雖然靜電的張力狀態(電壓)看上去很強，電流的電量卻應遠大于靜電的電量。法拉第后來的研究也證明了這一點。在隨后的實驗研究中，法拉第用更為清楚的語言闡明了靜電和電流的不同:“我所說的電流是指漸進的東西，無論這東西是電的流體、振動或者通常意義上漸進的力;我理解的排列是指粒子、流體或力的自身安排狀態，而不是漸進性的。”(［7］，21頁)可見，電流是一種動態的存在，而靜電則是一種靜態的存在，是一種排列，這種排列的釋放就是靜電放電而形成的短暫電流。雖然法拉第在此階段的研究中很少提及理論層面的東西，但從上述研究來看，他思維的脈絡卻清晰可尋。無論是探尋靜電和電流的機理，還是對電化分解機理的解釋，其理論的根源都可以追溯至法拉第的電緊張態理論和力線理論。［14］

5同一性研究的補充完善

法拉第關于靜電和電流機理的研究以及對電化分解機理的調查至1832年9月18日已基本完成。此后至10月26日，日記中沒有任何記錄，說明此段時間內法拉第沒有進行研究工作。10月26日至12月24日的研究情況在日記中只有短短的9頁記錄，相比于前面28頁的記錄，基本沒有什么新的內容，主要是對前一階段的研究工作進行一些補充和完善，而其中主要的是對各種電產生五種效應的情況進行進一步的調查研究工作，補充已有研究的不足或用更為明確的實驗結果證明各種電的同一性。例如，磁電產生電解效應已被法國的皮克西(A．H．Pixii，1808～1835)用實驗證實，法拉第自己也堅信磁電可以產生電解效應。但在11月1日的一個實驗中，法拉第還是對磁感應電產生各種效應的情況進行了進一步研究。他發現利用自己的裝置依然不能產生電化分解效應，認為其原因是磁電的強度太弱，不過在這種強度下，依然可以產生生理效應和電火花效應。(［7］，31頁)伏打電的六種效應都已被實驗證實，但法拉第通過進一步研究發現，還有一種更好的實驗方式來證明伏打電的引力和斥力效應:圖5通過熱空氣放電實驗裝置示意圖(［7］，33頁)191.(圖5所示)兩節電池，每節由10對4平方英寸的沃拉斯頓極板組成。分別充電，絕緣并連接成一節電池。兩根鉑線分別焊接到兩根銅線的末端，然后固定到一根玻璃棒上，使其末端非常接近但不接觸。將玻璃棒安置好，一根銅線a接到電池的正極，另一根導線b放在一塊金屬(鉑)板c上。一段彎曲的鉑線，跟47所用的(本文標號47的實驗)類似，將其與在標準氫碘酸鉀溶液中浸過的試紙連接，該段鉑線由一個鉑質抹刀(platinaspatula)支起并置于其上，該抹刀用一根銅線與電池負極連接。整個線路完全絕緣，這樣，如果回路中兩根鉑線的末端不隔斷，氫碘酸鉀的分解就會發生。(現在)10分鐘或一刻鐘內沒有分解發生，由此可以斷定沒有接觸。192.但是當用酒精燈加熱鉑線末端間隙的空氣時，一分鐘之內，出現了很明顯的分解現象———顯示有電通過熱空氣。193.利用一根吹管(blowpipe)將末端盡可能的加熱時，立刻就有氫碘酸鉀分解。194.讓一切都冷卻下來，效應消失，伏打電像普通電一樣，即使僅有20對極板，也能通過點燃的空氣放電。(［7］，33～34頁)利用這個巧妙的實驗，不僅說明伏打電的電解效應，也說明了伏打電不放電時存在的緊張狀態，即靜電通常狀態下所顯示的明顯的引力和斥力效應。伏打電的引力和斥力效應雖然較小，但當加熱空氣使放電容易產生時，這較小的張力也足以使伏打電放電。通過類似的一些不成系統的碎片式研究，最后，在論文而不是在日記中，法拉第將五種不同來源的電的六種效應的產生情況進行了總結，列出一張表格(表1)，將各種電的六種效應的產生與否情況清楚地表示了出來:雖然表中列出了8種效應，但“磁偏轉”和“制造磁體”表明的都是電的磁效應，“吸引與排斥”和“通過熱空氣放電”表明的都是電張力狀態下的引力和斥力效應，所以該表所描述的實質就是五種電的六種效應。表中的“×”表示該種效應至時，即1833年1月時已經被實驗證實。“+”表示該種效應至1838年12月已被證實，這在論文集的注釋中講述的很清楚，例如約翰•戴維已經觀察到電鰻電流的熱效應。表中的空白表示至1838年12月還未被實驗證實的效應，但法拉第堅信，既然五種電都已被證實可以通過冷空氣放電而產生電火花，在同樣強度下，肯定會產生表中空白處所標示的各種效應。(［8］，102頁)最終法拉第得出結論:“我認為從這些收集到的事實必然引出的總結論是:電無論其來源如何，在本質上都是同一的。所列舉的五種電現象上的不同并非本質上的不同，只是程度上的差異。在這方面因數量和強度的變化而成比例變化，而數量和強度幾乎對任何一種電都可隨意改變，改變程度就像它們彼此間所顯示的差異那樣大。”(［8］，102頁)至此，法拉第關于電的同一性研究終于完成。綜合上文所有內容來看，法拉第命名為“電的同一性研究”可以分為兩個部分，在1832年9月18日之前，法拉第通過大量的研究，成功解決了靜電和電流的運行機制問題，這是其名為“電的同一性研究”的最主要部分;其后法拉第所進行的零散研究，只是該階段研究的次要部分，但卻成為“電的同一性研究”的主要命名依據。在9月8日的日記中，法拉第列出了詳細的有關電的同一性研究的重要參考書目，其在日記中出現的時間和位置，綜合法拉第這一階段的全部研究來看，似并不偶然。可以合理推測:在9月18日前，法拉第已經完全解決了一直關心的靜電和電流機理問題。而在1832年前后，關于電的本質是否同一的爭論構成了學術界的熱點問題，恰巧該問題也是法拉第自電磁感應現象發現以來有所關心的問題，他由此將二者聯系起來，發現完全可以依靠自己對靜電和電流的研究來順帶解決這個問題。接著他廣泛查閱各種研究資料，將自己的研究與他人的研究聯系起來，查漏補缺，從而比較滿意地、隨帶性地研究了這個學術界熱議的問題。因此，法拉第所謂的“電的同一性的研究”只是其關于靜電和電流機理考察研究的一個順勢而為的行為。

6結論

通過對《法拉第日記》及其他資料進行研究和分析，我們對法拉第研究各種電的同一性的緣起及其實質有了更為清楚的認識。縱觀法拉第該階段的研究，可以得到如下認識:(1)法拉第該階段的研究實質是對靜電和電流機理進行探究的實驗研究過程和其電學理論的進一步發展。法拉第長期以來對靜電和電流機理的一貫思考和實驗研究是開始“電的同一性研究”的根本原因。法拉第之所以將這一階段的研究稱為“電的同一性研究”，應在于法拉第研究綱領和指導思想的離經叛道及特立獨行性。在藏于皇家學會的密信中，法拉第考慮將振動理論應用于解釋電磁作用和光現象，清楚地表示了電作用和磁作用的漸進性，這是對當時居于統治地位的超距作用的質疑和否定，具有革命性的意義。而在電的同一性研究中，法拉第公開宣稱無論電是一種流體、振動或者通常意義上漸進的力，都不影響電流的漸進性結論。這種表述實際上隱藏了法拉第早已有之的電作用是一種力的振動而并非一種實體的思想。法拉第該階段的研究活動反映了其獨特的研究和思考方式，以及一種革命性理論在創建階段所必然面對的艱難處境和壓力。(2)自然力的統一和轉化思想是指導法拉第研究的一個重要思想。它不僅在電解第一定律的發現過程中發揮了重要作用，而且在該思想的指引下，法拉第認為各種電的同一性是一個不言自明的、自然力統一和轉化的一個特例，就像法拉第自己所說的:“我相信絕大多數哲學家都認為這些電是一樣的。”(［8］，76頁)依照法拉第的實驗能力和聰明才智，他完全可以證明上文表中“+”處和空白處所標示的各種效應，但他并沒有去證明，這充分說明了該思想對他產生的重要影響。當然，從另一方面來說，各種電的同一性的證明又從反面加強了法拉第自然力的統一和轉化信念，使之在其后的科學研究中進一步發展并強化了這種思想。(3)法拉第通過電磁感應現象研究所形成的電緊張態理論和力線理論經過這一階段的研究發展，而逐步融合為一體，這是法拉第力線思想發展過程中的關鍵一步。電緊張態和力線理論的源頭可以追溯至法拉第1821研究電磁旋轉現象期間形成的物質特定態思想和圓周力思想，［15］此后經過1831年聲音振動圖像研究和電磁感應現象研究階段的思索和完善，產生了電緊張態理論和力線理論。接著經過幾個月的思考，法拉第找到了困擾已久的解決靜電和電流問題的突破口。通過研究電化分解的機理，發現電解在整個電流過程中都在發生，電解不是金屬電極的超距引力所致，而是一個連鎖傳遞的漸進過程，電解過程即是電流的形成和流通過程。在此基礎上，法拉第揭示了靜電和電流的差別，靜電是一種電排列，類似于物體整體的電緊張態，而電流是電排列的釋放過程。在電解現象中，電流是電排列的不斷形成和釋放的連鎖漸進過程，這就將電緊張態理論融合入了力線理論，使兩種理論得以和諧共存，從而初步說明了力線的運動和變化機制，揭示了力線運行的漸進性，用確鑿的實驗事實否定了正統的超距作用理論，促進了力線思想的進一步發展。這條線索貫穿法拉第其后直至1838年所有電學研究的始終并最終導致力線思想的成熟。(4)法拉第在研究靜電的同一性過程中，開始電化分解機理的實驗研究，而不是為了調查電化分解機理而開始電的同一性研究［16］。通過定量比較靜電和電流的磁效應及電化分解效應，初步揭示了電解第一定律的內容，為后續電解第一和第二定律的正式提出打下了堅實的基礎，并由此開始了其卓越的電化學研究，從此種意義上來說，法拉第開創了電化學這門新科學。同時，法拉第電解現象的研究也為其力線理論的進一步發展提供了強大的推動力以及實驗事實基礎。［17］(5)縱觀法拉第關于電的同一性研究，在證明各種不同來源的電的同一性方面，其研究存在認識論和方法論上的缺陷。不僅法拉第沒有通過實驗證實五種電都可以產生六種效應，使得結論的說服力打了折扣;而且即使五種電都可以產生六種效應，也不能得出電的本質就是同一的這一結論。他所認為的六種效應僅僅是他的認識，是在一些簡單實驗事實基礎上得出的歸納性認識，不具有強大的概括和綜合證明作用，這種科學研究中歸納法的缺陷導致結論存在瑕疵。而且對于電的存在形式是否僅有五種，當時的科學界無法給出確定的回答，在此基礎上證明電的本質是同一的，所得結論的說服力令人懷疑。此外，正如上文中所指出的，法拉第長期持有的自然力的統一和轉化思想以及親身經歷各種實驗研究所導致的認識，使他認為各種電的同一性是個不言自明的真理，這客觀上造就了他關于證明電的同一性的愿望并非多么強烈，在這方面付出的努力與其他重要的研究相比也小得多。結論上的缺陷和思想上的不重視，導致研究者以為法拉第冠名為“電的同一性”的該階段研究，沒有多大價值而很少加以研究，從而成為科學史上討論較少的一個案例。

作者：王洛印白欣單位：哈爾濱工業大學科技史與發展戰略研究中心首都師范大學物理系