錢長炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

著名科學(xué)家及其科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程一直是科學(xué)史研究者關(guān)注的重點之一。法拉第(Michael Faraday，1791～1867)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是19世紀(jì)上半葉物理學(xué)的重大事件，由此揭開了經(jīng)典電磁場理論發(fā)展的序幕。對法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程及物理思想的研究，是物理學(xué)史研究的一個重要課題。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對此做過不同程度的探討，先后發(fā)表了不少具有代表性的論著。對法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象較早做專門寫實性描述的，當(dāng)推《法拉第日記》(Faraday’sDiaryofExperimentalInvestigation)的主編馬丁(T. Martin)[1]。美國學(xué)者威廉姆斯(L. P. Williams)撰寫的法拉第傳記[2]，則又將這一主題研究推入一個新的階段。著名科學(xué)史家?guī)於?T. S. Kuhn，1922～1996)在書評中寫道：“未來任何對法拉第的研究都必須從此書開始，沒有一個學(xué)習(xí)上世紀(jì)英國科學(xué)的學(xué)生能夠忽視它?！盵3]王洛印等人的系列研究在國內(nèi)具有標(biāo)志性[4- 7]。

隨著法拉第遺存手稿和書信的陸續(xù)整理出版，國際科學(xué)史界對法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程等相關(guān)問題的研究也不斷深入。我們注意到，20世紀(jì)90年代，西班牙學(xué)者榮莫(J. Romo)和董塞耳(M. G. Doncel)根據(jù)法拉第“電學(xué)實驗研究系列一”(以下簡稱“實驗系列一”)手稿等文獻(xiàn)，對其發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象過程中的思想轉(zhuǎn)變提出了“四階段論”的觀點[8]。尤其是他們還將法拉第“實驗系列一”的手稿整理出版([8]，336～385頁)，為進(jìn)一步考察法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象所經(jīng)歷的實際過程及其思想轉(zhuǎn)變提供了更為有利的幫助。

但是，仔細(xì)研讀法拉第電學(xué)實驗研究文集、書信、日記和“實驗系列一”手稿等文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)在已有的代表性研究論著中存在一些問題：要么對法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過程中的一些關(guān)鍵性實驗不同程度上存在漏讀或誤讀，因而難以對“實驗系列一”所謂“署名日期提前問題”做出更為合理的說明([4]，160頁；[5]，25～26頁)；要么沒有對法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象初期對感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識及其糾正過程的實驗研究做深入分析或片面強(qiáng)調(diào)安培(A. M. Ampère，1775～1836)的影響([2]，137～226頁)；還有將這一過程中的一天視為法拉第思想迅速轉(zhuǎn)變的“戲劇性”描述([8]，295～309頁)。這些都難以揭示法拉第這一重要發(fā)現(xiàn)的艱難過程及其曲折的思想轉(zhuǎn)變軌跡。實際上，我們只要對法拉第日記、論著和書信等文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析，將其中相應(yīng)內(nèi)容仔細(xì)比對、相互參照，就不難對他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程及相關(guān)問題獲得更加全面的認(rèn)識。

1 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及對它的初步認(rèn)識

法拉第對電磁作用現(xiàn)象的系統(tǒng)研究是從1821年開始的。[9]在隨后的歲月里，他從事化學(xué)實驗等研究工作同時，仍對電磁現(xiàn)象這個令人神往而迷惑的領(lǐng)域眷念不已，曾多次設(shè)計實驗對電磁作用現(xiàn)象再做認(rèn)真觀察，但都沒有新的進(jìn)展。[10]

然而，通過長期的科學(xué)研究實踐和英國皇家研究院學(xué)術(shù)氛圍的熏陶，法拉第的自然觀日趨成熟。正如有的學(xué)者所說：“強(qiáng)調(diào)自然力的統(tǒng)一性及相互轉(zhuǎn)化成為法拉第實驗研究的指導(dǎo)思想和(努力)方向?！盵11]并且隨著對電磁現(xiàn)象研究的不斷深入，電流計和電磁鐵等技術(shù)也不斷發(fā)展，為進(jìn)一步研究電磁現(xiàn)象創(chuàng)造了有利的實驗條件。終于在發(fā)現(xiàn)電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的十年之后，法拉第在電磁領(lǐng)域又做出了重要發(fā)現(xiàn)，揭開了電磁學(xué)發(fā)展史上新的一頁。

1.1 發(fā)現(xiàn)“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象

根據(jù)日記內(nèi)容，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象首輪實驗是在1831年8月29日至10月27日陸續(xù)完成的。其間，他不但發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還對產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件做了系統(tǒng)的實驗觀察，反復(fù)確證了“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象，同時為進(jìn)一步研究摸索了有效的實驗方法。

1831年8月29日法拉第通過“圓環(huán)實驗”，首次觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象。日記中，他輔之以圖(圖1)，對實驗過程和結(jié)果描述道：

3.將B側(cè)連接成一個線圈，末端用銅線連接。銅線恰好伸到不遠(yuǎn)處一個小磁針(距離圓環(huán)3英尺)的上方。再將A側(cè)線圈的兩端與電池連接，磁針立即產(chǎn)生易于觀察到的效應(yīng)。它先轉(zhuǎn)動，最后靜止于初始位置。當(dāng)將A側(cè)線圈與電池斷開(1)此處原文“breaking”，法拉第用斜體加重，筆者引譯以著重號示之。本文凡引用原文中斜體部分，譯文皆同此處理。時，磁針再次出現(xiàn)擾動。 ([10]，367頁)

這是前人從未觀察過的電磁作用現(xiàn)象，法拉第頓感新奇、重要。進(jìn)而，他將一平面線圈與B側(cè)線圈相連(圖2)，實驗結(jié)果愈加明顯：

7.電池與A側(cè)線圈兩端連接的瞬間，平面線圈強(qiáng)烈吸引磁針，磁針擺動數(shù)次后又靜止下來，回到初始的位置。而斷開電池的連接時，磁針則受到強(qiáng)烈的排斥，經(jīng)過數(shù)次擺動之后同樣回到初始位置。 ([10]，367頁)

圖1 圓環(huán)線圈示意圖([10]，367頁)

圖2 “圓環(huán)實驗”中平面線圈對磁針產(chǎn)生吸引或排斥作用示意圖([10]，367頁)

而對于A、B兩側(cè)電流的方向，法拉第根據(jù)平面線圈使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況做了判斷：

9.當(dāng)電路首先連接時，好像兩電流是同一方向的；而當(dāng)電池連接中斷時，磁針轉(zhuǎn)動顯示似乎產(chǎn)生瞬間反向的電流。([10]，368頁)

這些記錄表明，法拉第對感應(yīng)電流的方向尚未獲得清楚的認(rèn)識。在其隨后的實驗中我們將會看到，他此時對感應(yīng)電流方向的判斷是錯誤的(詳見下文分析)。而法拉第這階段的實驗重點在于確定產(chǎn)生這種現(xiàn)象的條件和方法。

8月30日，法拉第重復(fù)觀察“圓環(huán)實驗”，但他讓A側(cè)線圈持續(xù)通電，而交替斷續(xù)B側(cè)平面線圈的回路，結(jié)果沒有觀察到任何現(xiàn)象。他由此認(rèn)識到：“在B側(cè)，導(dǎo)線中不存在持久的或特殊的狀態(tài)；效應(yīng)產(chǎn)生的原因在于A側(cè)回路的斷續(xù)瞬間而產(chǎn)生的電起伏?！?[10]，369頁)

依照日記，隨后的實驗是法拉第在9月24日集中完成的([10]，370～372頁)。通過反復(fù)的嘗試，他實現(xiàn)了由磁直接產(chǎn)生電的愿望。輔之以草圖(圖3a)，他說明道：

33.所有的導(dǎo)線連接成一個線圈，并用銅線與遠(yuǎn)處的一個指示線圈相連，然后與前面實驗類似(兩條形磁鐵，一端異名磁極相連)，鐵棒置于兩磁鐵另一對磁極之間。每次鐵棒與磁鐵的N極或S極接觸或斷開，指示線圈都產(chǎn)生一個磁運動，但只是一瞬間的推或拉。如果電路(即連接的銅絲)斷開，無論接觸或斷開都不產(chǎn)生任何效應(yīng)。因此很明顯的是磁轉(zhuǎn)化為電。([10]，372頁)

在發(fā)表的“實驗系列一”論文中，法拉第對此實驗做了更為詳細(xì)的敘述[12]，并附插圖(圖3b)示之，檢測指示線圈中感應(yīng)電流的方法與圖2所示的實驗相同。

圖3 利用磁鐵直接產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗示意圖

根據(jù)日記內(nèi)容，在1831年10月1日、17日、18日、24日和27日五天的實驗研究中，法拉第利用螺線管等許多自制的實驗器材，對他所謂的“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象進(jìn)行了反復(fù)觀察和確證([10]，372～380頁)。

按照不同的條件和方法，法拉第對這些實驗進(jìn)行了分類和歸并，在 “實驗系列一”論文的第1部分“電流感應(yīng)”([12]，126～131頁)和第2部分“由磁到電的演化”([12]，131～139頁)中分別加以論述。對于“伏打電感應(yīng)”，法拉第論說道：

26.伏打電(Voltaic electricity)明顯地能夠產(chǎn)生感應(yīng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在某種程度上與張力電(electricity of tension)所產(chǎn)生的現(xiàn)象類似。然而如后文所述，它們之間存在許多差別。結(jié)果是另一電流的產(chǎn)生(但僅是瞬間的)總是平行于或趨于平行于施感電流。借助螺線圈能夠使磁針磁極發(fā)生偏轉(zhuǎn)(13.14.)和檢流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)(11.)，在所有的情況下，施感電流第一作用所產(chǎn)生的感應(yīng)電流都與其方向相反，施感電流中斷時產(chǎn)生的感應(yīng)電流與其方向相同(19.)。為了避免贅述，我將這種由伏打電池引起的電流作用稱作為伏打電感應(yīng)(Volta-electricinduction)。([12]，130～131頁)

法拉第將利用磁鐵直接產(chǎn)生的感應(yīng)現(xiàn)象稱作為“磁電感應(yīng)”，并說明道：

在普通磁鐵與電磁鐵或伏打電流之間這種作用的同一性幾乎能夠確證，這種作用也明顯與安培理論是一致的，從而也證實了安培的理論。同時也提供了有力的證據(jù)使人們相信這兩種情況下所產(chǎn)生的作用是一樣的。但是，作為語言上的區(qū)分還是必要的，我將這種由磁鐵所產(chǎn)生的作用稱作為磁電感應(yīng)(magneto-electricormagnetoelectricinduction)。([12]，138～139頁)

實際上這是產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象兩種不同的實驗方法，隨后人們一般不再作這種區(qū)分。誠然，法拉第此間完成的所有“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”的實驗便是他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的標(biāo)志。

而通過這些實驗，他意識到“仍然需要設(shè)計更為精巧的儀器和更強(qiáng)的磁鐵”([10]，379頁)來進(jìn)一步研究。當(dāng)時，克利斯蒂(Samuel Hunter Christie，1784～1865)的實驗室中有大型的電磁鐵。因而，10月28日和11月4日法拉第前往克利斯蒂實驗室，借助那里的電磁鐵從事了大量的研究工作，不僅對“阿拉果圓盤(Arago’s disc)”實驗結(jié)果獲得新的認(rèn)識，而且完成了他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象階段最后一系列的實驗觀察。

1.2 獲得持續(xù)感應(yīng)電流及對“阿拉果圓盤”實驗的研究

為了對電磁感應(yīng)現(xiàn)象做更加深入的觀察，在“阿拉果圓盤”實驗的啟發(fā)下，1831年10月28日法拉第利用克利斯蒂實驗室的強(qiáng)磁體，設(shè)計了新的實驗裝置，實現(xiàn)了持續(xù)產(chǎn)生感應(yīng)電流，有利于對感應(yīng)電流產(chǎn)生條件等各種實驗因素進(jìn)行系統(tǒng)的觀察([10]，380頁)。

圖4 產(chǎn)生持續(xù)感應(yīng)電流實驗 裝置示意圖([10]，381頁圖99)

實驗裝置如圖4所示。他將兩小磁體分別捆綁于兩大磁體磁極上，異性磁極相對構(gòu)成磁隙，帶有轉(zhuǎn)軸的銅圓盤上邊緣插入磁隙，下邊緣與容器中水銀接觸。與圓盤同樣厚度的銅條末端彎成凹槽，插入水銀中。另用兩根同樣的銅條綁縛于紙板上做成接觸器，利用它們與圓盤上兩點同時接觸，接觸器與電流計連接。([10]，381～382頁)

參照“阿拉果圓盤”實驗，借助這種裝置，法拉第知道當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，在其中應(yīng)該能夠產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。通過一系列實驗，他實現(xiàn)了對持續(xù)感應(yīng)電流的觀察，為進(jìn)一步仔細(xì)觀測感應(yīng)電流的方向等特性提供了方便。

根據(jù)日記記錄，法拉第開始以為圓盤中的感應(yīng)電流類似于渦旋電流(2)這是安培電動力學(xué)代表性觀點之一，并得到當(dāng)時英國物理學(xué)界的推崇，在法拉第作出新的解釋之前是對“阿拉果銅盤”實驗現(xiàn)象的主導(dǎo)性解釋。較為詳細(xì)的討論參見Ross， S., “The Search for Electromagnetic Induction: 1820- 1831”， Notes and Records of the Royal Society of London,1965, 20(2):184～219.，因而將接觸器放在圓盤邊緣相對于磁極的多種位置，并讓圓盤沿不同方向轉(zhuǎn)動，對圓盤中感應(yīng)電流的情況進(jìn)行觀察(圖5)。

圖5 接觸器置于圓盤邊緣不同位置觀察感應(yīng)電流情況示意圖([10]，382頁圖102～106)

通過這些嘗試，法拉第未能做出明確的判斷。正如他在日記中寫道：“所有這些效應(yīng)在方向上都是恒定的，但難以得出有規(guī)律的結(jié)果。將兩接觸器同時迅速與圓盤邊緣接觸比較困難，圓盤邊緣并非十分規(guī)則，位置也不穩(wěn)定?！?[10]，382～383頁)

繼之，法拉第以為是由于地磁的影響造成的實驗結(jié)果不理想。通過實驗，他立刻排除了這種可能。([10]，383頁)經(jīng)過反復(fù)細(xì)致的觀察，法拉第不得不放棄圓盤中感應(yīng)電流是渦旋電流的設(shè)想，認(rèn)為這種電流可能是沿圓盤徑向的。([10]，384頁)通過多次嘗試，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個接觸器與圓盤的接觸點分別處于邊緣和軸心時，電流最大。改變圓盤的轉(zhuǎn)動方向或磁極的位置，感應(yīng)電流方向也隨之變化，或從軸心流向邊緣，或從邊緣流向軸心，實驗觀察方法如圖6。進(jìn)而，法拉第證實了圓盤在磁極間轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流是沿圓盤徑向的，而不是開始他所設(shè)想的渦旋電流，同時也排除了這種電流是由摩擦和水銀等因素產(chǎn)生的。([10]，385頁)

圖6 觀察圓盤中徑向感應(yīng)電流方法示意圖([10]，384頁圖117～122)

這些創(chuàng)造性的實驗方法，不但使得法拉第很好地獲得持續(xù)的感應(yīng)電流并便于對其產(chǎn)生條件、屬性等進(jìn)行較為全面觀察，而且還對“阿拉果圓盤”實驗獲得更為清楚的認(rèn)識。但我們應(yīng)該注意到，法拉第的這些實驗觀察主要還是集中在感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件和強(qiáng)度等方面，而對其方向未給予足夠的重視，在圖中都沒有明確標(biāo)示。

1.3 觀察導(dǎo)體在磁極間做平動情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電流

根據(jù)日記記載，1831年11月4日法拉第在克利斯蒂實驗室繼續(xù)完成了許多實驗，借助強(qiáng)磁鐵觀察了不同形狀的金屬在磁極間平動產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，對產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件做了進(jìn)一步觀察。

當(dāng)銅板條在磁極間向右平動時，法拉第觀察到檢流計的磁針“S極轉(zhuǎn)向東”；而當(dāng)銅板條運動方向相反時，則“S極轉(zhuǎn)向西。這些效應(yīng)非常清楚，令人愉快”。([10]，386頁)當(dāng)銅板條在磁極軸線外平動時，效應(yīng)仍然明顯，檢流計的磁針“S極轉(zhuǎn)向東”，僅是比在磁極間平動時偏轉(zhuǎn)的幅度稍小。([10]，387頁)

利用導(dǎo)體棒替代銅板條，法拉第發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體棒橫向穿過磁極間時(圖7)，能夠觀察到產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電流；而導(dǎo)體棒縱向穿過磁極間時(圖8)，則觀察不到任何效應(yīng)。

圖7 導(dǎo)體棒橫向穿過磁極間時產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗示意圖([10]，387頁圖140)

圖8 導(dǎo)體棒縱向穿過磁極間時產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗示意圖([10]，387頁圖142)

法拉第還用銅導(dǎo)線做類似圖7所示的實驗，同樣能夠觀察到感應(yīng)現(xiàn)象。但是，當(dāng)導(dǎo)線在磁極間繞其自身軸轉(zhuǎn)動時，他卻觀察不到這種效應(yīng)。法拉第進(jìn)而認(rèn)識到：“這種效應(yīng)明顯是由于橫穿運動產(chǎn)生的，而非轉(zhuǎn)動?！?[10]，388頁)

方形金屬板在磁極間移動時，法拉第同樣觀察到能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流(圖9)。同日，法拉第還用銅板做了切開的“阿拉果圓盤”，觀察其在磁極中平動時產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況(圖10)。

圖9 方形金屬板在磁極間平動產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗示意圖([10]，388頁圖153)

圖10 割裂的“阿拉果圓盤”在磁極間平動產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗示意圖([10]，388頁圖156)

他記錄道：“兩片銅板，形狀如圖所示，相隔約2英寸，每片銅板的直線邊緣都與汞接觸。將其整體穿過磁極，電流計產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)；但是，當(dāng)將紙片置于邊緣(兩直邊)之間時，電流計則無可觀察到的反應(yīng)。顯現(xiàn)了阿拉果圓盤割裂所產(chǎn)生的效應(yīng)?！?[10]，388頁)

有研究者將這項實驗與“阿拉果圓盤”實驗一并討論([7]，11頁)，這容易導(dǎo)致不必要的混亂，因為此實驗中圓盤是在磁極間做平動，法拉第主要觀察金屬平板的中央裂縫對感應(yīng)電流所產(chǎn)生的影響。

事實上，所有這些實驗對法拉第認(rèn)識導(dǎo)體切割磁力線能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流及對“阿拉果圓盤”實驗結(jié)果的解釋都起到了重要的作用，遺憾的是有的研究者對它們未做任何說明[5]，便難以揭示法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的真實過程。

同樣值得我們注意的是，在這些實驗觀察中，法拉第對感應(yīng)電流的方向仍然沒有明確的標(biāo)示。根據(jù)日記記錄，在11月4日的最后幾項實驗中，法拉第似乎感覺對感應(yīng)電流方向確證的必要性。實驗方法簡單，目的明確，都是直接用于檢驗感應(yīng)電流的方向的。如圖11所示，當(dāng)平線圈接近磁鐵的北極或標(biāo)識極(marked pole)，磁針南極轉(zhuǎn)向西；當(dāng)平線圈遠(yuǎn)離時，磁針南極轉(zhuǎn)向東。([10]，389頁)

與此類似，他通過螺線圈在磁極間做不同的運動觀察磁針的偏轉(zhuǎn)情況(圖12)。當(dāng)螺線圈向磁極間移動時，“南極向西”；當(dāng)螺線圈移出時，“南極向東”。([10]，389頁)但他仍未在圖中明確標(biāo)示感應(yīng)電流的方向。

圖11 平線圈相對磁極移動時產(chǎn)生感應(yīng)電流方向觀察實驗示意圖([10]，389頁)

圖12 螺線圈在磁極間移動時產(chǎn)生感應(yīng)電流方向觀察實驗示意圖([10]，389頁圖165)

作為判斷感應(yīng)電流方向的這些實驗，法拉第在12月5日和8日又分別重復(fù)觀察，但沒有能夠獲得一致正確的結(jié)果([10]，391～393頁)。而11月4日這些模糊性實驗結(jié)果應(yīng)該就是導(dǎo)致法拉第在“實驗系列一”初稿中對感應(yīng)電流方向錯誤描述的重要原因。有研究者在論及1831年11月4日的實驗時，未經(jīng)仔細(xì)考察便統(tǒng)而言之：“法拉第在這些實驗中都對感應(yīng)電流的方向進(jìn)行了描述，這些描述與今天用‘右手定則’判定的感應(yīng)電流方向是一致的?！?[5]，25頁)這便不難理解，該文作者為何沒有說明法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象研究初期對感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識了。

1.4 完成“實驗系列一”初稿及對感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識

根據(jù)日記內(nèi)容，1831年8月29日至11月4日間，法拉第連續(xù)對電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了實驗研究，對產(chǎn)生感應(yīng)電流的各種條件進(jìn)行了系統(tǒng)的考察，對感應(yīng)電流的特性也進(jìn)行了較為全面的探究。至此，法拉第認(rèn)為有必要對這些實驗結(jié)果進(jìn)行歸納、整理，撰寫成文，盡早將這一重要發(fā)現(xiàn)公諸于世。最終便成為法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象標(biāo)志性論文——“實驗系列一”。[13]

無論在《法拉第日記》中([10]，389頁)，還是在他最初發(fā)表論文([12]，125頁)和最后收錄于《電學(xué)實驗研究》([13]，1頁)，“實驗系列一”都被標(biāo)為1831年11月24日在皇家研究院例會上宣讀。這個時間標(biāo)注給后來研究者帶來了一些誤解和困惑，在一定程度上影響了人們對法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗過程及其思想轉(zhuǎn)變的認(rèn)識。因為對照日記相關(guān)內(nèi)容，我們不難發(fā)現(xiàn)“實驗系列一”中的一些實驗是法拉第在1831年12月，甚至有些是1832年1月完成的。這便是有研究者所謂的 “署名日期提前問題”([4]，160頁；[5]，25～26頁)。借助“實驗系列一”手稿、日記和書信等相關(guān)文獻(xiàn)，對“實驗系列一”文稿撰寫及修改情況進(jìn)行仔細(xì)考察，我們就能對此問題獲得更好的理解。

按照榮莫和董塞耳的考證，法拉第“實驗系列一”的初稿是在1831年11月21日遞交皇家學(xué)會的，隨后便去布賴頓(Brighton)休假，其間對文稿不斷進(jìn)行修改，而寫于文稿前面的“1831年11月24日宣讀”是由皇家學(xué)會秘書添加的([8]，311～312頁)。“實驗系列一”第一完整稿應(yīng)該是法拉第在休假返回倫敦后的1831年12月2至4日間完成，再遞交皇家學(xué)會的。1831年11月24日宣讀的是文稿的第1部分內(nèi)容，其時法拉第在布賴頓休假，是由皇家學(xué)會秘書代為宣讀的([8]，312頁)。文稿的第2部分是在12月8日宣讀，文稿第3、4部分則宣讀于12月15日，而“實驗系列一”完整論文的摘要12月15日出現(xiàn)在皇家學(xué)會的會議記錄中[14]。因此，1831年11月24日宣讀的內(nèi)容應(yīng)該是1831年11月21日法拉第遞交的“實驗系列一”初稿的第1部分。

關(guān)于初稿內(nèi)容的要點，我們可以在其寫作過程中法拉第的有關(guān)書信中找到線索。1831年11月29日，法拉第在給好友菲利普(Richard Phillips， 1778～1851)的信中，對“實驗系列一”初稿的第1部分“論電流的感應(yīng)” 做了概要的說明：

當(dāng)兩平行導(dǎo)線其一通電時，在另一導(dǎo)線中首先產(chǎn)生相同方向的電流。但是這種感應(yīng)電流瞬間即逝，而初始電流持續(xù)不變，一切似乎毫無變化。但是，當(dāng)初始電流中斷時，在另一導(dǎo)線中由于感應(yīng)即產(chǎn)生回程強(qiáng)度相當(dāng)?shù)碾娏?，瞬間出現(xiàn)。而斷開時產(chǎn)生的感應(yīng)電流與通電時產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相反，因此能夠和原始電流產(chǎn)生同樣的感應(yīng)效應(yīng)，而遵循特殊的規(guī)律。這種效應(yīng)是：當(dāng)感應(yīng)建立時，產(chǎn)生一同向電流；而感應(yīng)中斷時產(chǎn)生一反向電流，過渡間隙處于特殊狀態(tài)。[15]

這一“特殊狀態(tài)”便是人們所熟知的法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之初所提出的“電緊張態(tài)”(electro-tonic state)，以期對這種新發(fā)現(xiàn)做出理論上的解釋。這一概念緣起于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，形成于法拉第對這種現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制探索之中，進(jìn)而成為他物理思想的有機(jī)組成部分。

④網(wǎng)架散件組裝將網(wǎng)架散件吊運至腳手平臺上，均勻地灘鋪，控制網(wǎng)架材料均勻鋪荷轉(zhuǎn)小于1kNm。仔細(xì)核對施工圖紙，按照設(shè)計要求，進(jìn)行組裝。臨時支點設(shè)置在臨時支點的支的時候，以千斤頂為主要的設(shè)備，對數(shù)量、位置和高度要進(jìn)行統(tǒng)一的安排，確保支點下部及時的加固，防止支點受到施工因素的影響發(fā)生下沉現(xiàn)象。做好對注定的抽線和中心線的放樣和施工，并且采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢查。再復(fù)測各柱網(wǎng)間的幾何尺寸及標(biāo)高，結(jié)合設(shè)計要求進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)各個施工點都達(dá)到設(shè)計要求之后進(jìn)行加固，加固焊接固定法。

法拉第在書信中對感應(yīng)電流方向的描述是：“當(dāng)兩平行導(dǎo)線其一通電時，在另一導(dǎo)線中首先產(chǎn)生相同方向(3)為突出起見，筆者使用黑體字示之。下同。的電流，但是，當(dāng)初始電流中斷時，在另一導(dǎo)線中由于感應(yīng)即產(chǎn)生回程強(qiáng)度相當(dāng)?shù)碾娏?，與通電時產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相反”這與他1831年8月29日的日記([10]，368頁)中，對感應(yīng)電流方向的記錄是一致的。然而，在發(fā)表的“實驗系列一”論文中，法拉第在相應(yīng)部分論及感應(yīng)電流時卻寫道：“感應(yīng)電流，由誘導(dǎo)感應(yīng)的電流的第一作用所產(chǎn)生，其方向與后者相反，但是由誘導(dǎo)感應(yīng)的電流停止所產(chǎn)生的電流方向與誘導(dǎo)感應(yīng)電流的方向是相同的?！?[12]，130頁；[13]， 7頁)顯然，這與日記和致菲利普信中的說法相互矛盾。

就我們所掌握的資料來看，法拉第1831年11月29日給菲利普的書信最早引用于瓊斯(Henry Bence-Jones， 1813～1873)在法拉第去世后不久出版的傳記中，但瓊斯對上述問題未做任何評述[16]。而早期的著述者湯普森(Silvanus Phillips Thompson， 1851～1916)轉(zhuǎn)引了這封書信，并注意到這種描述中的錯誤，但未認(rèn)識到其重要性，因而僅在腳注中做了簡單的說明[17]。湯普森認(rèn)為：“這是描述中的疏忽。原始電流在第二導(dǎo)線中所產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)電流是反向的，當(dāng)原始電流停止時，隨后便產(chǎn)生順行的電流?！?[17]，115頁)在《法拉第日記》前言中，馬丁對法拉第的這種錯誤沒有加以說明。([10]，vii～xiii頁)在其專著中，馬丁還從湯普森的著作里全文引用了法拉第給菲利普的書信和湯普森的注釋，但對上述問題也沒有做進(jìn)一步討論([1]，89～94頁)。即便在20世紀(jì)90年代出版的法拉第書信集中，編輯者對此仍然沒有做任何評論。([15]，589～591頁)

實際上，無論是在1831年8月29日的日記中([10]，368頁)，還是在11月29日給菲利普的書信中，甚至在12月15日皇家學(xué)會會議記錄中，法拉第關(guān)于感應(yīng)電流方向的描述都是：“電池通過導(dǎo)線輸出電流時，僅當(dāng)電路接通瞬間，在另一導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)電流突然中斷時，則產(chǎn)生相反方向的電流?！?[14]，91～92頁)這些說明，從實驗發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流到“實驗系列一”初稿完成，法拉第對感應(yīng)電流方向的認(rèn)識始終是錯誤的。正如前文所述，1831年11月4日法拉第似乎感覺到確證感應(yīng)電流方向的必要性，并通過專門實驗進(jìn)一步觀察。然而，這些實驗仍然沒有幫助他對感應(yīng)電流的方向做出正確的判斷。這便是法拉第在12月5日之后的實驗中首先著力解決的問題。

2 澄清感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識及對有關(guān)問題的進(jìn)一步研究

根據(jù)日記內(nèi)容及相關(guān)文獻(xiàn)，我們可以確定，法拉第是在完成“實驗系列一”第一完整稿期間，意識到以前實驗中有關(guān)感應(yīng)電流的方向存在模糊認(rèn)識的。1831年12月5日，法拉第就做了一些嘗試。([10]，391頁)而在12月8日的日記中，法拉第更明確地寫道：“精確觀察電流的方向等，因為在以前的日記中存在許多混亂”。([10]，392頁)在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象隨后的三個多月的實驗研究和理論思考的過程中，法拉第在1831年12月初對所觀察到的有關(guān)感應(yīng)電流的方向的結(jié)論產(chǎn)生了懷疑，隨即決定重新進(jìn)行實驗加以確證，并對有關(guān)電磁感應(yīng)現(xiàn)象做了進(jìn)一步研究。

2.1 仔細(xì)觀察不同情形下產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向

按照日記內(nèi)容，1831年12月5日、8日和9日，法拉第集中重復(fù)了以前觀察產(chǎn)生感應(yīng)電流的各種實驗，而此時的觀察側(cè)重點在于感應(yīng)電流的方向。

12月5日，法拉第為了“獲得方向”，從而在克利斯蒂實驗室做了一系列的實驗。([10]，391～392頁)為了確定有關(guān)實驗中感應(yīng)電流的方向，法拉第重復(fù)觀察了11月4日的一些完全相同的實驗。他在日記里曾記錄道：

將平線圈隨同其所在平面向磁極或磁極面移動，移動過程中線圈平面保持方位不變，對準(zhǔn)同一磁極，線圈如頁邊空白處圖所示。當(dāng)線圈靠近磁極過程中，磁針的標(biāo)識極轉(zhuǎn)向西；而線圈遠(yuǎn)離磁極過程中，磁針的標(biāo)識極轉(zhuǎn)向東。([10]，391頁)

圖13 平線圈相對磁極運動實驗示意圖([10]，391頁)

圖14 螺線圈在磁極間移動實驗示意圖([10]，391頁)

同日，法拉第還重復(fù)了11月4日所做的另一典型實驗，即將螺線圈插入或拖出磁極間觀察其中感應(yīng)電流的情況(圖14)。他記錄道：“重做那個實驗?？拷鼤r，磁針標(biāo)識極轉(zhuǎn)向西；穿過兩磁極或退出時，標(biāo)識極轉(zhuǎn)向東。”([10]，391頁)

這些重復(fù)實驗附圖中，法拉第既沒有畫出檢流計的連接，也沒有畫出磁針的南北極，更不用說明確標(biāo)出感應(yīng)電流的方向了。同時，與前此實驗相關(guān)記錄相仿，有記錄磁鐵標(biāo)識極(北極)的，又有磁針標(biāo)識極(也應(yīng)該是指北極)的，又必須通過磁針標(biāo)識極或南極轉(zhuǎn)向東或轉(zhuǎn)向西來判斷感應(yīng)電流的方向，著實有些混亂。加之在實驗記錄中對磁針極的轉(zhuǎn)向他還特地加重予以強(qiáng)調(diào)。所有這些表明，12月5日的這些重復(fù)實驗結(jié)果不但使得法拉第意識到前此實驗中有關(guān)感應(yīng)電流的方向認(rèn)識可能存在錯誤，而且認(rèn)識到進(jìn)一步確證實驗中產(chǎn)生感應(yīng)電流方向在認(rèn)識感應(yīng)電流屬性乃至探究電磁感應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制中的重要性。根據(jù)實驗記錄，法拉第在12月8日通過一系列重復(fù)實驗對感應(yīng)電流的方向做出了明確的判斷，不僅在附圖中一一標(biāo)出，而且在日記中分別加以說明。

12月8日，法拉第開始重新對“伏打感應(yīng)”中的感應(yīng)電流方向進(jìn)行非常仔細(xì)的觀察，在日記中做了詳細(xì)的說明。在該日的第一條日記中，法拉第便寫道：“我利用自己的儀器在家中從事實驗，對電流的方向進(jìn)行精確的觀察，因為以前的日記中存在許多混亂”。([10]，392頁)介紹儀器準(zhǔn)備情況之后，法拉第依次記錄了觀察感應(yīng)電流方向的結(jié)果：

193.連接好線圈，其中通電方向如圖所示。此時置于a處的磁針變?yōu)榇朋w，標(biāo)識極指向下。因此，通電瞬間感應(yīng)電流與施感電流的方向向左或相反，如圖b處線圈中電流方向所示。

194.斷開伏打電流時，磁針反向極化，因此感應(yīng)電流與施感電流方向相同。([10]，393頁)

圖15 “伏打感應(yīng)”電流方向觀察 實驗示意圖([10]，393頁圖193)

實驗電路如圖15所示。我們看到法拉第用箭頭標(biāo)明了電路中電流的方向。這是從8月29日發(fā)現(xiàn)“伏打感應(yīng)”以來，他首次對感應(yīng)電流方向做出明確的判斷和標(biāo)示。

法拉第同樣利用簡單的實驗分別觀察不同情況下的“磁電感應(yīng)”電流的方向，并在圖中一一標(biāo)明。對于這些實驗，他記錄道：

197.當(dāng)磁鐵標(biāo)識極插入線圈O時，如圖所示，磁針的標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西；因此電流的方向如圖箭頭所示。

198.抽出磁鐵過程中，磁針的標(biāo)識端轉(zhuǎn)向東。當(dāng)線圈向磁鐵極間移動時，如圖所示，磁針的標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西；因此電流的方向如圖所示。

199.線圈從兩磁極間移出時，磁針的標(biāo)識端轉(zhuǎn)向東。([10]，393頁)

條目197、198所附圖分別如圖16、圖17所示。法拉第不僅在文字記錄時加重強(qiáng)調(diào)，在圖中也分別標(biāo)出感應(yīng)電流的方向。

圖16 磁鐵插入或抽出螺線圈時感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁)

圖17 螺線圈在磁極間移動時感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁)

圖18 平面線圈相對磁極運動產(chǎn)生 感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁)

不難看出，圖17與圖12、圖14所示的實驗方法是相同的，所不同的就是圖17中明確標(biāo)出了實驗觀察結(jié)果中感應(yīng)電流的方向。法拉第同樣重復(fù)上述圖11、圖13所示的實驗(圖18)，此時在圖中也明確標(biāo)出了感應(yīng)電流的方向。他在日記中寫道：

201.當(dāng)平面線圈向標(biāo)識磁極移動時，如圖所示，磁極在線圈的另一側(cè)，磁針的標(biāo)識極轉(zhuǎn)向西，因此電流的方向如圖所示。

202.當(dāng)線圈遠(yuǎn)離磁極過程時，磁針的標(biāo)識極轉(zhuǎn)向東。 ([10]，393頁)

我們還注意到，法拉第12月8日不僅重復(fù)了12月5日所做的實驗，而且重復(fù)了11月4日的實驗，所不同的是此時他特別關(guān)注感應(yīng)電流的方向，并在日記中一一加以強(qiáng)調(diào)說明，在圖中加以明確標(biāo)示。他在重復(fù)11月4日已經(jīng)做過的銅板條在磁極間平動產(chǎn)生感應(yīng)電流的實驗時(圖19)，就強(qiáng)調(diào)說明：

圖19 金屬板在磁極間平動產(chǎn)生感應(yīng) 電流方向示意圖([10]，394頁)

205.標(biāo)識磁極位于上方，非標(biāo)識(unmarked)極位于下方，然后將金屬板穿過磁極間。磁針的標(biāo)識極轉(zhuǎn)向西，因此板中的電流由B向A。([10]，394頁)

圖20 “阿拉果圓盤”實驗產(chǎn)生感應(yīng) 電流方向示意圖([10]，394頁圖206)

在該日最后幾項日記中，法拉第記錄重復(fù)“阿拉果圓盤”實驗所觀察感應(yīng)電流的方向的結(jié)果，并附圖(圖20)加以說明。他寫道：

206.當(dāng)圓盤置于兩條形磁鐵異名磁極間旋轉(zhuǎn)時，磁鐵標(biāo)識極位于上方、圓盤逆時針旋轉(zhuǎn)，(磁針)標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西。

207.當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)方向相反時，磁針標(biāo)識端轉(zhuǎn)向東。([10]，394頁)

容易看出，法拉第在上述所有實驗中對感應(yīng)電流的方向的描述與我們今天用“右手定則”判斷感應(yīng)電流的方向結(jié)果是一致的?？梢姡ɡ谄鋾r重復(fù)此前的實驗觀察，并在圖中一一表明感應(yīng)電流的方向，澄清了“以前日記中存在許多混亂”，掌握了導(dǎo)體(或線圈)在磁極周圍(或磁極間)沿不同方向(或方位)移動時所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向的判斷方法，從而能夠確定不同情形下導(dǎo)體與磁極相對運動方向跟感應(yīng)電流方向之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步總結(jié)“磁生電”的方式和條件，歸納出電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律，為其“磁曲線”思想的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。無疑，這是法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過程中認(rèn)識的重要轉(zhuǎn)折。

有研究者認(rèn)為法拉第11月4日所做的實驗就都得到有關(guān)感應(yīng)電流方向的明確結(jié)果([5]，25頁)，這顯然與史實不符?；蛟S，這是作者既誤讀了法拉第11月4日的日記，又漏讀了其12月8日日記的相關(guān)內(nèi)容造成的。

2.2 形成“磁曲線”思想及對感應(yīng)電流產(chǎn)生機(jī)制的進(jìn)一步解釋

通過上述系列實驗對感應(yīng)電流方向的觀察，法拉第非常高興。為了對之獲得更為全面的認(rèn)識，12月9日法拉第繼續(xù)進(jìn)行了系列實驗。在這些研究過程中，他形成了“磁曲線”思想，對電磁感應(yīng)機(jī)制獲得了新的認(rèn)識。在12月9日日記的第1條目中，他便寫道：“今天仍然從事更一般性的工作，因為前面(實驗觀察感應(yīng)電流)方向僅是部分(情況)，而我認(rèn)為獲得了非常滿意、一致的結(jié)果。”([10]，394頁)

法拉第認(rèn)為更一般的情況便是通過簡單的實驗，觀測導(dǎo)線在磁極周圍不同位置做不同運動時，進(jìn)一步觀測其中產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，進(jìn)而總結(jié)出一般的規(guī)律。這些簡單的實驗及觀測結(jié)果如圖21所示。法拉第說明道：

圖21 導(dǎo)線在磁極附近不同運動情形下產(chǎn)生感應(yīng)電流方向示意圖([10]，394頁)

210.如圖所示，當(dāng)導(dǎo)線BA在磁鐵標(biāo)識極的前面自左向右運動時，磁針的標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西。因此，(感應(yīng))電流的方向由上而下。

211.(感應(yīng)電流的)方向在如圖所示的另兩種情形是相同的。標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西，因此，電流的方向由B至A。

212.當(dāng)導(dǎo)線BA沿圖中點畫線——→方向移動時，標(biāo)識端轉(zhuǎn)向西。([10]，394頁)

同日，法拉第還重復(fù)了對磁鐵插入或抽出線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向的觀測([10]，395頁)，得到與前一天同樣的結(jié)果([10]，394頁)。對于平線圈靠近或遠(yuǎn)離磁極產(chǎn)生感應(yīng)電流情況法拉第也同樣進(jìn)行了重復(fù)觀察，結(jié)果也是與先前實驗相同(參見圖18)。尤為重要的是，通過這項實驗(圖22)，法拉第萌生了“磁曲線”的思想。正如他在日記中所說：

圖22 平面線圈相對磁極運動時產(chǎn)生感應(yīng)電流方向 及磁極附近磁曲線示意圖([10]，395頁圖214)

線圈的任何一部分好像穿過如圖所示的生成物或磁曲線(magnetic curves)似的，因此這個實驗與前面單導(dǎo)線實驗210、211和212是一樣的。([10]，395頁)

為了進(jìn)一步檢驗“磁曲線”思想，同日法拉第還重復(fù)了“阿拉果圓盤”實驗。實驗過程中，他保持圓盤的轉(zhuǎn)動方向、磁極間的相對位置不變，而改變磁體相對于圓盤的方位(圖23)。通過觀察，他總結(jié)道：

圖23 磁體處于不同方位“阿拉果圓盤”實驗產(chǎn)生感應(yīng)電流方向示意圖([10]，395頁圖216)

因此，如果(磁極)位置和圓盤的運動保持一致，那么圓盤中所產(chǎn)生的(感應(yīng))電流的方向都是一樣的。不論磁體方位如何，只要保持同樣的磁極置于同樣的位置，即只要磁曲線被切割的方向一致，磁體中軸的位置對結(jié)果都毫無影響。([10]，395頁)

正是通過這一系列的實驗觀察，法拉第完全澄清了對感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識，促進(jìn)了他磁極周圍分布“磁曲線”思想的形成。這對他力線思想乃至場觀念的形成和發(fā)展都具有重要意義。

湯普森對法拉第12月5日之后的實驗觀察發(fā)表了評論：“12月5日他再次從事實驗研究。他重新觀察感應(yīng)電流的方向，正如他在給菲利普信中的疏忽所顯現(xiàn)的，他思想中對此存在一些疑惑?！?[17]，118頁)隨即湯普森便論及法拉第12月14日關(guān)于地磁電感應(yīng)的實驗觀察，而對12月8日、9日法拉第為何再次研究感應(yīng)電流的方向問題未做說明。([17]，122～129頁)由此可見，湯普森沒有認(rèn)識到法拉第在這期間思想認(rèn)識方面轉(zhuǎn)變的重要性。后續(xù)的研究者們也都同樣忽視了這個問題。

還應(yīng)該指出的是，有學(xué)者說明法拉第對感應(yīng)電流方向認(rèn)識轉(zhuǎn)變時，強(qiáng)調(diào)12月8日的實驗結(jié)果而忽略了12月5日重復(fù)11月4日實驗結(jié)果對法拉第這一認(rèn)識的轉(zhuǎn)變所起到的作用([8]，309頁)。這在很大程度上也導(dǎo)致了他們將12月8日一天視為法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象第二階段的戲劇性的描述。([8]，331頁)至于他們將法拉第對感應(yīng)電流方向此前認(rèn)識的錯誤完全歸因于受安培的影響([8]，293、304～309、329～331頁)，筆者也是難以茍同的。實際上，正如前文所述，法拉第前期實驗觀察重點在于確定產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和方法，而忽視了感應(yīng)電流的方向，加之實驗中根據(jù)平面線圈使磁針偏轉(zhuǎn)情況反推感應(yīng)電流的方向也很容易出現(xiàn)誤判。法拉第1831年8月29日至11月4日的實驗本身足以說明這些問題。

根據(jù)日記等文獻(xiàn)，我們有理由相信，法拉第在12月9日之后，糾正以前對感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識，并對“實驗系列一”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改。

2.3 糾正感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識及對“實驗系列一”文稿的修改

從1831年11月形成“實驗系列一”初稿之后，法拉第結(jié)合自己的實驗進(jìn)程，對其內(nèi)容進(jìn)行不斷的修改和完善。而12月9日之后，法拉第著重修改的應(yīng)該是有關(guān)感應(yīng)電流的方向及相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)已經(jīng)整理出版的法拉第“實驗系列一”手稿及相關(guān)考證([8]，293～294、336～385頁)，比對《法拉第日記》1831年12月5、8和9日的相關(guān)記錄以及 “實驗系列一”發(fā)表文稿，我們不難發(fā)現(xiàn)法拉第在認(rèn)識感應(yīng)電流方向的錯誤并反復(fù)通過實驗確證之后，對“實驗系列一”初稿中有關(guān)感應(yīng)電流方向的內(nèi)容進(jìn)行了修改，增加了1831年11月24日后完成的實驗內(nèi)容，使文稿得以進(jìn)一步完善。有關(guān)感應(yīng)電流方向的主要修改情況如表1所示，其中修改內(nèi)容用黑體突出顯示，以便比較，段落編號和頁碼與法拉第《電學(xué)實驗研究》第1卷中“實驗系列一”[13]相對應(yīng)。

圖24 直導(dǎo)線在磁極附近運動產(chǎn)生感應(yīng)電流方向說明示意圖([12]，131頁圖版III圖24)

應(yīng)該說，通過“實驗系列一”文稿的修改及后續(xù)的相關(guān)研究，法拉第對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識也不斷深入。在初稿中，法拉第就對產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律進(jìn)行了初步的總結(jié)說明([8]，375頁)，隨后經(jīng)過反復(fù)修改、完善。而我們今天稱其為“法拉第電磁感應(yīng)定律”的要旨，在他標(biāo)志性論著中卻僅給出了一種頗為冗長的“操作性”表述。輔之以圖24，法拉第論說道：

114.磁極、運動導(dǎo)線或金屬以及感應(yīng)電流的方向之間的關(guān)系，即支配磁電感應(yīng)電流的定律是非常簡單的，盡管難以表述。在圖24中，如果PN表示通過標(biāo)識磁極一水平導(dǎo)線，它的運動方向與(圖中)曲線一致，由下至上；或如果它沿曲線的切線平動，但總的方向沿箭頭方向；或如果它由其他方向通過磁極，但只要在總的相同方向上切割磁曲線(4)原文此處有一腳注：“所謂磁曲線，我意指磁力的線(the lines of magnetic forces),盡管其隱布于磁極周圍，但可以利用鐵屑加以顯現(xiàn)；或者借助非常小的磁針加以顯示，磁針(在磁曲線)各處將與之相切?！保蛟谕粋?cè)磁曲線被沿著虛線方向運動的導(dǎo)線切割；——那么，導(dǎo)線中(感應(yīng))電流的方向由P至N。如果使其以相反的方向運動，(感應(yīng))電流則由N至P。或者如果導(dǎo)線在垂直(于標(biāo)識磁極的)位置上，如(圖中)P′N′(所示)，使其沿類似方向運動，與水平虛曲線一致，只要在它的同一側(cè)切割磁曲線，(感應(yīng))電流則由P′至N′。，關(guān)于導(dǎo)線通過磁極(所產(chǎn)生的感應(yīng)電流)，可以直接簡化為兩種相反的情形:其一，電流由P至N；其二，電流由N至P。([12]，154～155頁；[13]，32～33頁)

表1 “實驗系列一”文稿中與感應(yīng)電流方向相關(guān)內(nèi)容的修改

不難看出，法拉第的這種認(rèn)識直接來源于12月9日所完成的相關(guān)實驗結(jié)果(參見圖21)。這再次說明，糾正感應(yīng)電流方向的錯誤認(rèn)識之后，法拉第的實驗研究進(jìn)程得以加速，系列實驗結(jié)果表明獲得感應(yīng)電流的條件或方法遵循統(tǒng)一的規(guī)則，為其“磁曲線”思想的形成奠定了重要的基礎(chǔ)。

與初稿([8]，324頁)相比，“實驗系列一”出版稿中的段落18和19([12]，128～129頁；[13]，5頁)是根據(jù)1831年12月26日的實驗內(nèi)容增加的([10]，401頁)。這是法拉第在12月14至21日完成有關(guān)地磁電感應(yīng)實驗研究(5)法拉第對地磁電感應(yīng)現(xiàn)象的觀察是“實驗系列一”相關(guān)研究的延續(xù)和拓展，已有研究者對其做過專論[6]，故此不再贅述。和“電學(xué)實驗研究系列二”文稿([10]，399頁)后，于12月23至26日重復(fù)一些實驗的內(nèi)容([10]，400～407頁)。此外，法拉第“實驗系列一”手稿中標(biāo)有“安排印刷，1832年2月9日”，這一時間是皇家學(xué)會秘書添加的([8]，359頁)。在手稿最后他本人注釋的時間為“1832年2月29日”([8]，385頁)。而在發(fā)表的“實驗系列一”論文中，長篇尾注([12]，162頁；[13]，41頁)則又是他在“1832年4月”撰寫的。

所有這些表明，從1831年11月至1832年4月，法拉第對“實驗系列一”進(jìn)行了不斷的修改和完善。因此，在終稿里我們看到，他將1831年11月24日之后的有關(guān)實驗內(nèi)容寫入其中，便不難理解。這既說明了法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)實驗研究過程之艱難，又反映了其間他對這種新現(xiàn)象認(rèn)識的思想變化之曲折。

3 結(jié)論與討論

通過對法拉第日記、文稿和書信等文獻(xiàn)的對比分析，我們就能夠更好地理解他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其思想轉(zhuǎn)變的過程，并對其中相關(guān)問題獲得更為全面的認(rèn)識。

(1)在1831年8至12月的第一階段研究中，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并對其產(chǎn)生的各種條件做了系統(tǒng)的實驗觀察，逐步形成了“電緊張態(tài)”概念，并力圖藉此對電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制做出合理解釋，完成“實驗系列一”論文初稿，但對感應(yīng)電流的方向存在錯誤認(rèn)識，未能完全總結(jié)出電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律。

關(guān)于法拉第的這一發(fā)現(xiàn)，有研究者曾論說道：“1831年11月24日，法拉第在皇家學(xué)會宣讀了他的《電學(xué)實驗研究》(ExperimentalResearchesinElectricity)第一輯的四篇文章，公布了他發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，解釋了阿喇戈圓盤實驗。產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件包括變化著的電流、變化著的磁場、運動的穩(wěn)恒電流、運動的磁鐵及在磁極附近運動的導(dǎo)體等，感應(yīng)電流的方向由導(dǎo)體切割磁力線的方式來確定?！盵18]諸如此類未經(jīng)認(rèn)真研究并帶有明顯輝格式的描述，在我國相關(guān)論著中具有代表性，理應(yīng)努力予以糾偏。

(2)在1831年12月至1832年4月的第二階段研究中，法拉第通過更為細(xì)致的實驗觀察，糾正了前一階段對感應(yīng)電流方向的認(rèn)識錯誤，形成了“磁曲線”思想，完成了“實驗系列一”論文修改稿和“電學(xué)實驗研究系列二”論文稿，總結(jié)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律。尤其在1831年12月5至9日，法拉第重做了第一階段的許多實驗，實現(xiàn)了對感應(yīng)電流方向判定方法的準(zhǔn)確把握，激發(fā)了他對感應(yīng)電流產(chǎn)生機(jī)制的全新感悟，促進(jìn)了他的“磁曲線”思想形成。這是法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過程中認(rèn)識的一次飛躍，為其力線思想的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)，對其場觀念的形成和發(fā)展起到了重要的作用。

(3)毋庸置疑，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象在物理學(xué)史上具有劃時代的意義。他創(chuàng)造性地利用“電緊張態(tài)”概念和“磁曲線”思想來解釋這種現(xiàn)象，開啟了電磁場理論發(fā)展之先河。

然而，我們應(yīng)該認(rèn)識到，19世紀(jì)上半葉安培電動力學(xué)理論在電磁領(lǐng)域是處于統(tǒng)治地位的，在當(dāng)時的英國也同樣得到許多著名科學(xué)家的肯定。因此，法拉第的實驗發(fā)現(xiàn)及其理論解釋一時難以被科學(xué)界全面接受亦屬情理之中。正如有的學(xué)者所說：“當(dāng)法拉第因發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象而名聲鵲起時，他的力線理論即便在英國也沒有達(dá)到完全被認(rèn)同的程度?！盵19]

此外，法拉第的思想本身同樣存在著難以逾越的歷史局限性。愛因斯坦(A. Einstein， 1879～1955)就曾指出：“偉大的變革是由法拉第、麥克斯韋和赫茲帶來的——事實上這是半不自覺的，并且是違反他們的意志的。所有這三位，在他們的一生中都始終認(rèn)為自己是力學(xué)理論的信徒?！盵20]

致 謝王元春女士從美國代購的新版《法拉第日記》和王洛印博士惠贈學(xué)位論文《法拉第的電磁學(xué)實驗研究——根據(jù)〈法拉第日記〉進(jìn)行的分析》，為本研究提供重要的基礎(chǔ)；文獻(xiàn)調(diào)研過程中得到中國國家圖書館和中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館工作人員的熱情幫助；審稿專家對本文初稿提出的許多寶貴意見對文稿的修改和完善大有裨益。特致謝忱。