本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
“宇宙中没有任何一条定律不在这类现象中发挥作用并被触及。没有比考虑蜡烛的物理现象更能让你进入自然哲学研究的更好、更开放的途径了。”-- 迈克尔·法拉第,《蜡烛的化学史》
你会提名谁是你最喜欢的物理学家?这个领域有着悠久而丰富的历史,充满了色彩鲜明的人物和无可争议的天才,因此这是一个非常困难的选择。但迈克尔·法拉第肯定会在我认真考虑这个头衔的名单中名列前茅。[注意:请参阅Skulls in the Stars 上一篇关于法拉第关于物质的力的讲座的相关帖子。]
法拉第是19世纪的英国科学家,是一位铁匠的儿子,他最初是一名装订工的学徒,并利用这个职位如饥似渴地阅读。他最喜欢的科目是自然科学。
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巧合的是,当他的学徒期即将结束时,一位朋友给了他一张由杰出的科学家汉弗莱·戴维在皇家研究所举办的关于电化学讲座的票——对于出身卑微的年轻人法拉第来说,通常不会受到欢迎的场所。
法拉第听得入了迷,讲座结束后,他向戴维求职。戴维温和地告诉这位年轻人,目前没有职位空缺,但不久之后,他解雇了与人争吵的助手,聘请法拉第代替了他的职位。
人们常说,迈克尔·法拉第是戴维最伟大的发现;考虑到戴维发现了元素钡、锶、钠、钾、钙和镁,这绝非一句普通的赞美。法拉第继续进行了一系列关于电磁学的开创性实验,以及其他贡献。
他还很快获得了作为优秀公众演讲者的认可。早期维多利亚时代的英国人对当时的最新科学发现非常感兴趣。(尽管他们也同样容易迷信,但法拉第是反对诸如转桌子、降神会和催眠术等事物的坚定反对者。)博物学家威廉·克鲁克斯这样描述法拉第的讲座:“一切都是雄辩和实验例证的火花四射的河流。”
他最喜欢的演示之一现在是小学生随处可见的简单实验。你可以看到磁场线——法拉第称之为力线——方法是将铁屑撒在一张放在条形磁铁上的纸上。铁屑会在磁场中自行排列,因此我们可以“看到”通常我们看不见的图案。
特别是,法拉第每年都在皇家研究所举办一系列著名的圣诞讲座——这一传统延续至今。其中最早的一次,关于火焰的化学和物理学,成为一本畅销书:《蜡烛的化学史》。
这些讲座是法拉第年复一年地送给那些前来接受它的人的礼物:对自然世界的惊奇的礼物,即使在今天,自然世界的神秘运作仍然让我们感到惊讶。
法拉第首先讨论了蜡烛是如何制作的,从天然蜡烛,如在爱尔兰沼泽中发现的石蜡和烛木碎片——“一种坚硬、结实、优秀的木材”——到人造的蘸制牛油蜡烛、蜂蜡蜡烛,以及一种叫做鲸蜡蜡烛的东西,“它来自抹香鲸的提纯油”。他甚至展示了一根从1782年8月29日在斯皮特黑德沉没的皇家乔治号残骸中打捞出来的蜡烛;然而,当点燃时,这根蜡烛仍然燃烧得很明亮。
正如法拉第描述的过程
“脂肪或牛油首先与生石灰一起煮沸,制成肥皂,然后用硫酸分解肥皂,硫酸去除石灰,留下脂肪重新排列为硬脂酸,同时产生大量的甘油。甘油——绝对是一种糖,或类似于糖的物质——在这种化学变化中从牛油中析出。然后将油从其中压榨出来;你在这里看到这一系列压榨饼,显示了随着压力的增加,杂质是如何被油性部分完美地带走的,最后你得到了那种物质,它被熔化,并铸造成这里所示的蜡烛。”
但法拉第讲座的大部分内容都集中在与燃烧蜡烛的实际火焰相关的科学上。首先,法拉第演示了一个简单的实验,将蜡烛放在灯罩内,以阻挡任何微风,并获得“安静的火焰”。他展示了制作精良的蜡烛有多么重要,证明了由于“规则的上升气流从四面八方吹来,保持蜡烛外部凉爽”,“形成了一个美丽的杯状”。
当空气来到蜡烛时,它会因蜡烛的热量产生的气流的力量而向上移动,它会冷却蜡、牛油或燃料的所有侧面,从而使边缘比内部部分凉爽得多;内部部分被沿着灯芯流下的火焰熔化,直到火焰熄灭为止,但外部部分不会熔化。如果我沿一个方向制造气流,我的杯子就会是倾斜的,液体就会因此溢出;因为将世界维系在一起的相同的重力将这种液体保持在水平位置,如果杯子不是水平的,液体当然会沿着沟槽流走。因此,您可以看到,杯子就是这样漂亮地形成的。
接下来,法拉第(反问地)问道,当固体燃料不可能像油灯中那样“流”到灯芯顶部以供给火焰时,蜡烛是如何如此稳定地燃烧的?灯中的油之所以向上流动,要归功于一种叫做毛细作用的东西:“一种物质将另一种物质吸入其中的能力。”(这也是所谓的“灯芯效应”解释可疑的人体自燃案例的原因。)基本上,这与海绵(一种多孔材料)从表面吸收液体的原因相同。
你可以用一根两端开口的简单垂直玻璃管亲眼见证毛细作用。将下端放入一杯水中,你会注意到水会上升到一定高度然后停止。表面张力基本上将液柱向上拉,直到液体的质量足够大,以至于重力可以克服分子间力。你知道当水滴在水龙头的龙头上形成并悬在那里直到你触摸它时吗?毛细力将其固定在那里。
蜡烛也是如此。为了证明这一点,法拉第展示了一个“用金属丝网制成的装满水的容器”。它是多孔的,因为倒入顶部的水会从底部流出,但容器仍然装满了水。法拉第将金属丝网比作蜡烛的灯芯,并解释说
“金属丝一旦被浸湿,就会保持湿润;网眼非常小,以至于液体从一侧到另一侧被强烈地吸引,从而留在容器中,尽管它是多孔的。同样,熔化的牛油颗粒沿着棉线向上升,到达顶部:然后其他颗粒通过它们之间的相互吸引力而跟随,当它们到达火焰时,它们会逐渐燃烧。”
法拉第继续思考燃烧的蜡烛与烟灰和烟雾的形成之间的联系,以及气流及其如何影响火焰的形状。他用即兴表演的“吃燃酒葡萄干”来说明最后一点:他拿出一个温热的盘子,倒入一些白兰地(燃料),然后点燃。然后他放入一些李子(充当灯芯),并指出“美丽的火焰舌头”是如何形成的。
“你可以看到空气从盘子的边缘爬进来,形成这些舌头。为什么?因为,由于气流的力量和火焰作用的不规则性,它无法以均匀的流流动。空气如此不规则地流入,以至于原本应该是一个单一的图像被分解成各种形状,而这些小舌头中的每一个都具有独立的自身存在。”“事实上,我可能会说,你在这里看到了许多独立的蜡烛。你千万不要因为你同时看到这些舌头,就认为火焰是这种特定的形状。任何时候火焰的形状都不是这样的。你刚才看到的从球体上升起的火焰体,它的形状从来都不是你看到的那个样子。它由许多不同的形状组成,这些形状彼此快速地更替,以至于眼睛只能同时识别它们。”
这是一场精彩的讲座,值得完整阅读。尽管我们的技术取得了进步,但我发现即使在今天,科学家们仍然发现燃烧的蜡烛有很多值得思考的地方,这很迷人。“从燃料蒸汽产生并离开灯芯的那一刻到它实际燃烧并产生二氧化碳和水的这段时间,实际上发生了数千种反应,”美国宇航局研究员霍华德·罗斯在 2001 年告诉Discover。
这就是我如此热爱法拉第的原因。无论他在科学界取得了多大的成就,无论他通过实验学到了多少(这些实验给我们带来了发电机等等),他从未失去敏锐地观察周围最简单事物的能力,注意到微小的细节,并在自然的复杂性中陶醉。他在蜡烛讲座的结尾告诉他的听众,
“事实上,在这些讲座结束时(因为我们总要结束),我只能表达一个愿望,希望你们这一代人能够像蜡烛一样;希望你们在所有的行动中,都能通过使你们的行为光荣和有效地履行你们对同胞的责任来证明蜡烛的美丽。”
1867年8月25日,法拉第的生命之火熄灭了;到那时,他的(身体和精神)健康状况已经恶化了20年之久。但他的天赋在多年后的今天仍在继续给予。圣诞节似乎是纪念这位伟人的特别合适的时机。