法拉第对电的同一性的分析范文

《自然科学史研究杂志》2014年第一期

1研究电的同一性之缘起

1.1电的同一性研究状况18世纪末至19世纪初，伴随着各种新电源的发现，关于各种电的研究成为科学界的一个热点问题。至1832年法拉第集中研究电的同一性之前，摩擦电、动物电、伏打电、温差电和磁感应电等五种不同来源的电已广为科学界所熟知。各种研究和学说不断提出，关于各种电的本质是否是同一的这一问题，也逐渐成为科学界一个具有重大争议的课题。科学界自18世纪70年代起，就开始了关于各种电的同一性的研究。法拉第在研究这一问题时，广泛查阅了前人的研究资料，其中包括卡文迪许(H．Cavendish，1731～1810)、戴维(H．Davy，1778～1829)、安培(A．M．Ampère，1775～1836)、沃拉斯顿(W．H．Wollaston，1766～1828)等15位科学家的研究，时间一直追溯至1773年，这些在《法拉第日记》中有详细记录［7］。前人的研究有的证明一些电的本质是同一的，一些则对此持怀疑态度，这主要表现在各种电的存在形式所体现的一些表面差异。例如，1829年，戴维在其关于电鳗研究的一篇论文中，描述了各种电的差异:普通电(摩擦电)①是非导体激发的，而且很容易被导体或不完全导体带走。伏打电是完全导体和不完全导体的结合所激发的，而且只能通过完全导体或最佳不完全导体传输。磁如果是电的一种形式，则只属于完全导体，而且磁的其他形式属于一类特殊的导体②。动物电只能附着在组成动物活体器官的不完全导体上。［8］诸如此类的争论不绝于耳。1831年电磁感应现象的发现将电的同一性问题推上了争论的又一高度。1832年，戴维之弟化学家约翰•戴维(J．Davy，1790～1868)甚至提出了电的组合理论。他认为各种电不是由单纯的一种力所形成，而是与阳光类似，由力的组合而成。各种力可有多种组合，从而形成人们所熟知的各种电形式。(［8］，77页)可以看出，按照该理论，各种电的本质是不同的。

1.2法拉第研究电的同一性的缘起关于电的同一性研究的种种争论和形形色色的各种假说，如果不加以廓清和解决，电学的进一步发展将会面临重重困难。正如法拉第在其论文中所说:我有幸呈现给皇家学会的电学研究，促使我不得不面对这样一个问题，就是对于以不同方式激发的各种电的同一性或差别性，不应再存在任何疑问，这对我进行进一步的研究至关重要。(［8］，76页)许多研究者凭借这段话来说明法拉第开始电的同一性研究的原因。例如英国学者马丁(T．Martin)认为:在1831年，说明他所得到的感应效应确实是电流是一件十分重要的事情，事实上也就是要证明，所谓的‘磁电’和其他来自于伏打电池或摩擦起电机的电是同一事物。很多人仍对普通电、伏打电以及所已认识的其他形式的电的同一性持怀疑态度。于是，在1832年的秋天，法拉第开始了系统的调查研究，试图证明各种不同形式的电都将会产生同样的化学效应、磁效应以及其他效应。(［3］，95～96页)绝大多数学者也基本持有类似的观点。比如法拉第的同事廷德尔(J．Tyndall，1820～1893)就认为法拉第之所以开始电的同一性的研究，是急于证明他所发现的磁感应电和其他形式的电的本质是一样的，如果电的同一性得到证明，将会为其以后的研究扫清道路。［9］上述观点初看上去确实有些道理，因为法拉第在其论文中也的确给出了确凿的证据。但如果我们依据《法拉第日记》而不是其论文来做判断的话，就会发现此观点令人怀疑，是表面化的描述而不能揭示法拉第研究的根本原因。明显的两个疑点就是:1831年8月29日，法拉第发现电磁感应现象，随后几个月进行了大量的实验研究，发现了电磁感应定律，这段研究基本上至1832年3月26日完全结束。［10］在3月26日前后，法拉第已进行过一些研究，试图证明磁电也可以产生其他电形式可以产生的各种效应。比如，2月8日，他证明磁电可以产生电火花效应［11］;3月8日，不能证明磁电可以产生电解效应但可以产生生理效应(［11］，424页);6月11日，试图利用磁电产生电解效应，结果失败(［11］，429～430页)。法拉第这些零星的研究，重点在于磁电，对于其他形式的电基本没有涉及。这些零散的、不成体系的实验研究说明法拉第在研究电磁感应现象期间及之后一段时间里，虽然可能关注电的同一性问题，但并没有急于研究并加以证明电的同一性的强烈愿望。与之形成鲜明对比的是，1832年8月25日至12月24日，法拉第对各种电的同一性问题进行了集中重点研究。这些研究构成《法拉第日记》第二卷的起始部分，实验记录也被重新编号(1-221)。而且该系列的研究不是从研究磁电开始，而是从摩擦电开始。这充分说明该系列研究与之前的零散研究相比，无论在内容还是形式上都完全不同。这巨大的差异充分表明，法拉第关于电的同一性的研究并非其电磁感应现象研究的自然延伸，仅凭论文中法拉第的表面陈述来说明研究缘起，所得到的结论可能并不充分，我们须探寻这些差异背后的原因，才能说明法拉第为什么开始电的同一性的研究，以及他研究的真实状况和思想变化情况。如果对《法拉第日记》中的相关内容加以认真解读和仔细分析，并通读《法拉第日记》的前两卷，可以发现一条若隐若现的线索体现并贯穿电的同一性的研究，这条线索就是法拉第关于静电和电流作用机理的思索与研究。早在1825年11月28日，法拉第就认为如果静电可以在附近的导体上感应出稳恒的静电，电流(流动的电)也应该在附近的导体中感应出稳恒电流。为此他作了几个实验求证，结果失败了，失败的原因在于法拉第不清楚静电和电流的不同作用机理。1831年2月至7月关于声学振动图像的研究是发现电磁感应现象之路上的关键一步。法拉第将声学振动微粒类比于导体中处于感应状态下的导体粒子，将声学振动图像的瞬间改变类比于感应电流的产生，认识到感应电流的产生是导体粒子的特定态改变所致，从而预见到感应电流的瞬时性。在此基础上法拉第提出了粒子的“电紧张态”理论。认为电感应下的导体粒子处于一种特定的状态，该状态的改变就会产生感应电流。(［10］，21～28页)起初，法拉第认为电紧张态下的物体同带静电的物体一样，会显示出实验可验证的引力或斥力效应。(［8］，56页)由此可见，此时，他认为借助于“电紧张态”理论可以解释静电作用。即认为静电是一种物体的特定态，特定态的改变产生了电流。至此，法拉第似乎已经认识到了静电和电流的不同作用机理。但法拉第在利用电紧张态理论解释电磁感应现象时，限于当时的实验条件，验证不到粒子该状态的存在，他不得不将这个理论暂时搁置，而改用力线理论来对电磁感应现象进行解释(［10］，28～32页)。利用电紧张态理论来解释静电和电流作用机理的考虑也就此搁置下来。法拉第也考虑利用力线理论来解决这个问题。在1832年3月12日藏于皇家学会的密信中，法拉第设想磁作用、静电作用、声音振动以及电磁感应现象统统可以用振动理论进行说明，传播需要时间。(［10］，31页)1832年3月26日，法拉第做了一个实验，试图在力线理论指导下对静电和电流的作用机理进行研究。图1实验示意图(［11］，425页)398.已经证明当有电通过时，在与其垂直的方向上产生磁性。所以如果电静止，而金属针在相反的方向上移动，针也应变为一个磁体，因为这时电和金属是相对运动的，这看上去是唯一的一个条件。399.(图1上半部分所示)制作一个精巧的磁针，非常轻。取其他小针，使它们从一个导体末端附近经过。针和它的运动路径互相垂直。该导体属于一个摩擦起电机，并已充电。利用这种方式不能得到磁体。400.(图1下半部分所示)保持一个金属球与导体相对，然后小针在二者之间通过，但它没有任何获得磁性的迹象。401.当有电火花通过导体和球时，针在附近，电火花不能使小针产生明显的磁性，所以很明显，不能仅仅通过小针的运动，就可以产生效应。(［11］，425页)该实验的失败在于法拉第试图用力线理论对各种电作用进行解释。他认为两个带有相反静电的两个物体之间有电力线，而通有电流的导体也存在电力线:“两个带相反的电的导体之间的力线或力的方向可以类比于‘磁曲线’，而称之为‘电曲线’，难道它们不也存在于通有电流的导体中吗?”(［11］，425页)既然都存在电力线，当金属针和电力线在垂直方向上相对运动时，也即导体切割电力线时，就会产生磁性。但实验的失败说明利用现有的力线理论也不能对静电和电流的不同作用机理进行说明，或者说静电力线和电流力线还存在差异，需要进一步研究和求证。这个实验很好地说明了对静电和电流不同作用机理的解释，已成为困扰法拉第已久、不得不面对而亟需解决的一个重要问题。在发现电磁感应现象后，法拉第一直在思考静电和电流的不同机理，并试图用两种理论进行说明解释。一方面，借助于“电紧张态”理论可以很好地来说明静电作用机理。譬如在1831年11月，法拉第就利用该理论解释电化分解现象，说明静电电紧张态的解除产生电流。(［8］，22页)而且处于电紧张态下的静电物体之间的作用可以实验验证。但是电紧张态在解释电磁感应现象时，却不能实验证实，这说明“电紧张态”理论存在瑕疵或者不适用于解释电磁感应现象。另一方面，用现有的力线理论可以解释电磁感应现象，并且得到了实验证实，但在解释静电和电流的不同作用机理方面，却捉襟见肘，需要进一步研究和补充完善。要解决这个问题，在法拉第的理论框架内，只有在利用现有力线理论的基础上，进一步发展理论，说明静电力线和电流力线的差异，阐清力线的形成和运动变化机制，而这必然涉及介质粒子的微观层面，需要利用到电紧张态理论，将其与力线理论调和融通，这是法拉第力线理论进一步发展必然要面对的一个问题。1832年2月至8月，法拉第一直在思考解决这个两难问题。在2月至6月期间，他虽然偶尔进行一些磁电的同一性方面的研究，但零散而不成体系。而1832年8月之后以摩擦电的同一性研究而开始的系列实验研究，不仅实验验证了摩擦电的同一性问题，而且完全阐清了静电和电流的不同作用机理，将电紧张态理论和力线理论进行了恰当地调整融合，进一步发展了力线理论。上述种种的迹象表明，法拉第开始电的同一性的研究，绝不是偶然的，它是法拉第在经过几个月的深思熟虑后，已在思维上初步融合了电紧张态理论和力线理论，找到了解决静电和电流不同作用机理的突破口，然后开始的一场关于静电和电流本质的实践检验研究活动。对于这些，我们在下文将会看得更加清楚。

2静电的同一性

在公开发表的论文中，法拉第如此定义静电(dinaryelectricity):我所理解的静电是指从摩擦起电机、空气，或通过压力、晶体的分裂以及其他众多方式得到的电。它的典型特征是高强度，以及在相当大距离而不仅是可觉察距离上的引力和斥力作用。(［8］，82页)而在日记中，法拉第所认为的静电是指普通电(commonelectricity)，即从摩擦起电机得到的摩擦电，通篇没有别的指代。这小小的差异说明，法拉第在研究静电过程中，并没有着眼于强调各种电的同一性，而是从最普通的静电开始，重点着眼于静电性状的研究，这反映了他对静电作用机理长时间的一贯思考，而非当时科学界有关电的同一性的各种争执引起的一时心血来潮。在论文中，法拉第将各种电的效应分为两类:一类是电处于张力状态(静电状态)下产生的效应，即一定距离下的引力和斥力效应;另一类是运动状态(电流状态)下产生的效应，即热效应、磁效应、电解效应、生理效应和电火花效应(［8］，78页)。法拉第明确说明，做出这样的分类是出于简便考虑，而并非是出于自然哲学上的考虑。这反映出在写作论文时，法拉第已经认识到无论是静电还是电流，都是各种电的存在形式。各种电都可以由静电状态转变为电流状态，或者相反。这实际上已经表明了法拉第在研究之初，就坚信各种电不存在本质差别的自然哲学态度。伏打电作为一种典型的电流，与磁电、热电类似，可以两种状态存在，并且六种效应的产生已被当时的科学界所证实。普通电作为一种典型的静电，与动物电相似，处于张力状态下所展示的引力和斥力效应也已广为人知，而摩擦电放电(流动状态下)时所产生的热效应、生理效应和电火花效应也为人所证实或很容易证明，没有进一步研究的必要，最需要证明的是摩擦电放电时要产生磁效应和电解效应。由于磁效应和电解效应是电流所显示的效应，要证明就需要改变摩擦电的通常存在形态，由静电状态改变为电流状态。而按照电紧张态理论，静电是一种张力状态，这种状态的释放就是静电放电，产生电流，这是静电和电流的作用机理。法拉第在开始研究前，已经认识到了这一点，这在上文中已有说明。在此基础上，法拉第所需要做的就是人工控制静电紧张态的释放，使之转变为电流形式，从而产生出磁效应和电解效应。在日记中，法拉第的研究也正是按照这种方式，从验证摩擦电的磁效应开始。证明摩擦电磁效应的最好方式是让摩擦电通过连有电流计的电路放电，如果电流计的指针发生偏转，则说明摩擦电可以产生磁效应。1832年8月27日，法拉第利用实验证明了这一点。他首先对当时通用的电流计做了一些防护措施，比如用锡箔覆盖电流计等(［7］，1～2页)，这样做的目的是防止电流计受到静电感应效应的影响。接着，让摩擦电通过一条放电线路放电，导致电流计指针偏转。在日记中，这个实验是这样描述的:11.现在做让电池中的电①通过水的实验。一根约4英尺长的粗线，完全浸湿，一端与电流计的A端相连。电流计内所含的导线约36英尺长。粗线的另一端与放电器(discharger)相连。电流计的B端与放电序列相连②。然后，将一个由15个莱顿瓶组成的电池连接到线路中。瓶子的外侧与放电序列相连，效果就像和电流计的B端连接一样。瓶子的内壁与摩擦起电机连接。将一个亨利静电计(Henly''''rom-eter)放在总导体(generalconduct)③上。起动摩擦起电机，电池充电，直至静电计的金属指针倾斜固定于约40度或35度为止。然后，让放电器与总导体接触，于是，放电就通过粗线中的水，从A到B方向通过电流计。12.在这些条件下，指针偏转。而当摆动的电流计指针每次回归到第一次脉冲的偏转方向时，则继续转动摩擦起电机，以使电池放电，偏转角度就很快升至40度或更高。(［7］，4页)在实验中，因为法拉第所用的是冲击式电流计，需要一定的反应时间，磁效应才能在电流计中显示出来。利用粗线中的水对放电的延迟作用以及长度很长的放电序列，保证了静电的放电可以持续一段时间而不致太迅速，这就使得静电放电产生了与稳定电流大致相同的效果。法拉第在随后的多个类似实验中，改变实验的各种条件，比如改变放电方向，发现电流计的指示方向也随之改变;如果改变丝线的长度和粗细，电流计指针的偏转幅度还是大致相同(［7］，5～6页)如果用金属导线代替丝线，或静电通过真空以及距离很近的尖端放电。指针依然发生偏转。由此法拉第得出结论:因此，无论是通过水、导线、真空以及聚集的点传递的电流，都能够使指针发生偏转，所需的唯一条件就是要有一定的作用时间。但是不完全导体，例如水、盐水、酸等等都是非常好的，因为它们都有能力可以把电池的放电转变为一种微弱的电火花或持续的电流。(［7］，8页)这多个实验毫无例外地证明了静电的磁效应，并说明静电紧张态的释放可以产生流动的电，产生与持续电流相同的效果。紧接着静电磁效应的实验，在8月31日，法拉第又用实验证明了静电的化学分解效应。他首先重复了沃拉斯顿1801年的一个实验，使摩擦电放电通过放电序列，用两根细银丝做电极以电解硫酸铜溶液，实验很成功(［7］，8页)。但法拉第对这个实验不满意，因为反应作用很微弱，只有极少量铜析出，而溶液中却没有出现没有任何迹象的银。(［7］，9页)于是在9月1日，法拉第又设计了一个实验，利用该实验，摩擦电放电产生了比较明显的化学分解效应:46.用另一种方式做普通电化学作用的实验，得到很好的实验结果。47.(图2左边小图所示)像这样，将两小段铂丝在近90度方向弯折两次，使得当整个铂丝竖直放置于三个支点a、b、c之上时，cd段大致垂直向上。(图2右边大图所示)将一块玻璃片或玻璃板放在桌上，上面放置一条锡箔，然后将一根约8英寸长的湿线，一端放在锡箔上，另一端与摩擦起电机连接。接着，将一段已经弯折过的铂丝如图示放置，使b、c两个支点放在这条锡箔的另一端上，而a点则放在第二片玻璃板上。第二段铂丝的a点放在第一段铂丝的a点附近，其他部分则利用锡箔或其他方式与放电序列相连。这样，可以保证在实验过程中，只要这两个a点不接通，就可以使整个线路随时断开。利用这种方式，可以随时使接触面积尽可能的小，下面很快会看到。48.一份由半份纯盐酸和半份水组成的混合溶液，加入硫酸靛蓝(sulphateofin-digo)使其成深蓝色。然后用其在较大的玻璃板上划一条湿带，使两个a、a末端间距约1/2英寸，并用湿带将二者连为一体。转动起电机，与起电机即正极这边连接的a端，立刻显示脱色效应。转动二三十圈后，溶液中被漂白的部分面积已经很大，而且脱色剧烈，以至于即使撤去导线，搅动全部溶液，产生的氯气也足以漂白所有部分。这个巧妙的实验已完全可以说明静电放电时产生的电解效应。但法拉第并不满足，在接下来的多个实验中，他又实验了不同的检验方式，例如用氢碘酸钾和淀粉的混合溶液、苏打溶液和姜黄试纸等做检验试剂。实验结果都证明普通电产生了化学分解效应。法拉第还在一些实验中试着用金属导线代替湿线，或者改变电流的方向、强度等，这些改变对普通电存在电解效应的结论都没产生任何影响。所有这些实验都毫无例外地证实了普通电的化学分解效应。(［7］，10～12页)应该说，至此为止，电的同一性已大致得到了证明，如果以这个主题作一篇论文的话，主题的架构已搭建完毕，剩下的就是一些修修补补的完善工作，比如继续查找前人研究文献资料，完善前人做过的一些有缺陷的实验，使实验结果更为确定和清晰;对一些有争议的实验和结论，重新论证和解读;将自己的研究和前人研究进行条理化的说明和合理编排，以增强论文说服力，等等。事实上，法拉第《电学实验研究》第三辑论文的第一部分就是这么做的。从论文来看，电的同一性研究工作似已完成。但在其日记中，法拉第的上述研究仅仅是个开始。因为从根本上来说，上述研究并没有说明静电和电流的运行机理。即使在研究之前，法拉第已对其力线理论和电紧张理论在思维上进行了初步融合和理论完善，找到了解决问题的突破口，但这个根本问题的解决还是需要进一步的实验验证和研究求证。而且，从已进行的研究来看，它提出了两个直接的问题亟需进一步研究。第一个问题是:既然各种电的本质是相同的，也就是静电和电流的本质是相同的，那么作为二者典型代表的摩擦电和伏打电，在量上应该可以比较，相同数量的摩擦电和伏打电产生的效应也应该相同。另一个是:既然各种电的同一性得到了证明，而各种电无外乎静电和电流两种存在形式，那么静电和电流的转化机制是什么，二者运行机理有何差异?从这两个问题出发，法拉第在初步证明了电的同一性之后，并不没有停步，而是保持了他一贯的研究风格，继续其关于静电和电流机理的研究，终于导致了重要的科学发现和力线理论的进一步发展完善。

3电解第一定律的初步提出

在研究静电磁效应的过程中，法拉第通过实验发现，改变静电放电的强度和放电时间，而不改变总电量，产生的磁效应大致相同。沿着这个线索调查下去，通过逐步地实验研究，法拉第最终初步提出了电解第一定律。1832年8月27日，法拉第通过实验发现，将相同数量的静电用不同的放电方式通过电流计，指针的偏转效果大致相同:20.现在用一根湿的粗绳代替丝线，二者长度基本一样，产生的效应很好且基本一样。21.缩短绳子，但依然用相等数量的电池放电，(指针)偏转大约相同的幅度。22.用四倍粗的短绳子代替这根长绳子，效应没有明显不同。(［7］，5页)随着研究持续深入，实验逐步从定性走向定量研究。9月14日的一个实验中，法拉第开宗明义地指出:“做紧张态效应①的实验，全部数量(的紧张态)对磁针产生的效应是相同的，如下。”随后法拉第描述了实验的详细过程:我们的电池由15个相同规格的大莱顿瓶组成……，7个先放置一旁，其余8个连在一起。然后准备好起电机②，将其与电池及电流计相连，以使放电可以以上述方式(11、20、21)①通过电流计和湿绳;湿绳约10英寸长，很粗，是四倍粗的那根绳子。123.转动起电机，转至38圈时，电池充满，39圈时，电池则自动放电。于是给电池只充30圈的电，然后通过绳子和电流计放电。指针偏转，至左侧2.5刻度后，摆向右侧3刻度处。刻度示数由放置在下面的一个不规则的、大度数的刻度盘指出。虽然如此，刻度也足以确定摆动的幅度。124.然后将其余7个瓶子也连接上，给这15个充上起电机转动30圈的电。亨利静电计现在张开角度不如原来的一半，但将这些电通过绳子和电流计放电时，指针同样摆动至左侧2.5刻度处，然后摆回到右侧3刻度处，恰好和先前一样。125.重复这个实验，依然得到完全相同的结果。126.因此，看上去如果同等数量的电通过仪器，无论其强度如何，偏转力是相同的。(［7］，22～23页)在法拉第时代，所用的电流计为冲击式电流计，需要一定的反应时间，且指示不是很精确，静电放电时间又很短，所以实验的结果大致相同。在该实验中，仅证明了相同数量的静电可以产生相等的偏转力。那么，可不可以利用这种方式比较静电和电流的偏转力呢?因为静电和电流的本质是同一的，原理上，相等数量的静电和电流也会产生相等的偏转力。于是，法拉第设计了一个精巧的伏打电池，将电流和摩擦电产生的效应进行认真比较研究:129.现在从一个拉线板的同一个孔中拉出一些铂线和锌线，直径约1/18英寸，将它们固定到一块木板上，末端突出木板，互相平行，且相距5/16英寸。将末端浸入到酸中，构成一个标准的伏打电池装置。铂线和锌线的另一端分别与电流计的两端连接，连接处用干净的铜线捆扎，以保证接触良好。130.将一滴硫酸滴入4盎司水中，混合好，放在铂线和锌线下方。升高液面，直至导线的末端没入液面下5/8英寸，然后立刻拿走溶液，电流计的指针向右手方向摆动，超出3刻度。所以这两根导线在这样微弱的酸液内，在片刻时间产生的电量与摩擦起电机转动30圈后储存于电池的电量相当。(［7］，23页)9月15日，经过时间测算，法拉第发现在同等实验条件下，电流计指针从左侧摆至最右侧或从右侧摆至最左侧，所花费的时间接近于其怀表跳动17次所需要的时间。而导线没入液面下的时间，即电池的工作时间，约为整个摆动时间的一半，即约怀表跳动8次的时间。由此法拉第得出结论:因此作为一个近似结果，两根导线，一根为铂线，一根为锌线，每根直径为1/18英寸，分别浸入到由一滴浓硫酸和4盎司水构成的酸液中，没入液面下5/8英寸，且相距5/16英寸，在我的怀表跳动8次的时间内产生的电量，与运行良好的大起电机转动30圈所产生的电量一样多。(［7］，25～26页)法拉第还特别强调，得到的结果并不是在导线第一次浸入酸液的情况下得到的，而是在多次浸入后，标准电池产生的电流已经稳恒的情况下得到的实验结果。他发现标准电池稳定放电时，电流计的指针稳定在右侧第3刻度，这说明:“稳定地偏转于右手第3刻度，表示这种稳恒的电流在(怀表跳)8次的时间里所提供的电量和昨天的起电机转动30圈储存于电池中的电量相等。”(［7］，26页)看到上述内容，相信绝大多数人都会对法拉第的研究方式和结论迷惑不已。因为在开始电的同一性研究之前，法拉第已经通过对地磁电感应现象的研究，发现了电力、电流和电阻三者之间的关系，揭示了欧姆定律的内容［12］。并且由上一段文字我们知道，法拉第完全清楚，电流计测量的是电流强度，即电流的通过率，而非电量。在实验中，很明显静电放电和电池放电的时间并不相同，在电量一定情况下，电流强度必然不同，电流计的偏转怎么会相同呢?不仅现在的读者不明白，即使一些对法拉第有相当研究的著名学者读到这里也感到无法理解。比如著名科学史家威廉斯就认为:法拉第在电学的众多新现象和新理论中，思维陷入了混乱状态，他不能再考虑理论的细节，所以犯下了这个错误。但是尽管有这个明显的矛盾和错误，法拉第还是通过这个错误幸运地达到了他的目的，即得到了相同的电量产生相同的效应这个结论。(［4］，220页)威廉斯将法拉第这次的成功归于幸运，这样的例子其实在科学史上也不乏先例。但如果我们仔细分析法拉第的日记和论文，却发现法拉第的成功却并非全然幸运的结果，这里面有法拉第自己独特的思维方式，从这一方向看来，这样的实验方式和结论也是合理的:在构建标准电池时，法拉第明确表明:“在一定酸液中的浸入时间，远少于指针在一个方向上的摆动时间，因此电池装置和静电放电应该产生相同的偏转。”(［8］，105页)这表明在法拉第看来，只要保证标准电池产生电流的时间足够短，远少于指针摆动的时间，全部电流的能量就完全转化为了指针的运动能量，这和静电短时间放电的作用相仿。由此可以看出，法拉第所依据的其实是原始的能量转化和守恒理论，即他一贯坚持的自然力的转化和统一思想，在这种情况下，电流计测量的是电流的积累效应，而非稳定电流的瞬时效应。接下来，可以计算一下法拉第所设计的标准电池的运行时间。他的怀表1分钟跳动150次(［7］，26页)。那么电池的两极浸入液面下的时间为8÷150×60=3.2秒，这远小于电流计指针从一侧转向另一侧所需的6.4秒。而对于静电的放电时间，法拉第也做过估计。用粗绳阻碍放电时，放电时间很短;用细绳，时间稍长;而用细线时，放电时间约为2至3秒。(［8］，104页)这也远低于指针的偏转时间，加之法拉第所用的是冲击式电流计，对于较短时间内的放电，在电量差别不太悬殊的情况下，反应大致相同。这几种因素综合起来，保证了法拉第的实验结论既存在相当的合理成分，也是当时实验环境所决定的，因此，将其成功完全归于幸运是不合适的。同一天，法拉第又做了多个与此类似的实验，都得到了相同的结果:“效应依然相同，虽然电流的时间和强度差异很大，但总量是一样的。”(［7］，27页)随后，法拉第又测量了相等电量的摩擦电和伏打电的电解效应，让二者流经直径为1/12英寸的导线，导线的末端与浸有氢碘酸钾溶液的四层滤纸的两侧接触。电解后，电解出的碘会在滤纸上显示出棕色的圆形痕迹。(［7］，27页)比较相等电量的摩擦电和伏打电，发现:“它(摩擦电)产生的碘斑点与伏打电池产生的色迹可以确定为大致一样。在(滤纸)的其他多个地方实验，对比效应，发现完全一样。”(［7］，28页)如果说法拉第用电流计检测相等电量的磁效应，所得实验结果还有幸运成分在里面的话，那么他用电的化学分解效应来说明各种电的同一性，即相同电量的静电和电流产生一样的电解效应，所得的实验结果则是确凿无疑的。一方面，这些实验不仅进一步从量上证明了摩擦电和伏打电的同一性:“因此可以看出，无论是磁偏转效应还是化学效应，标准电池在怀表跳8次的时间内，都等于摩擦起电机转动30圈产生的电的效应，所以普通电和伏打电在所有方面都是相同的。”(［7］，28页)另一方面，通过这些研究，法拉第得出了另一个重要的结论:“由此也可以得出，化学力和磁力一样，与通过的电的数量成正比关系，这个结论不仅适用于电化分解，并且很有可能适用于其他一切方面。”这段论述事实上已经揭示出电解第一定律的内容。并已经过实验大致证实，二者成确定的正比关系而不是别的关系［13］，从而证实了之前未曾验证的假设:“当电化分解发生时，有充分理由相信，分解的物质量不是与(电流)强度成比例，而是与通过的电量成比例。”(［8］，92页)法拉第电解第一定律的初步提出是其关于静电和电流机理考察的一个重要成果，也是其电的同一性研究的重要收获。之所以说是初步提出，因为从法拉第所进行的实验研究可以看出，虽然所得出的结论是正确的，但结论的取得并非是完全精确计量实验的结果，缺少实验数据的有力支撑而含有一些定性的成分在里面。这个问题的解决需要法拉第的进一步研究，对此将撰文另述。

4电流与电解机理的研究和力线理论的进一步完善

早在1831年11月，法拉第就尝试用“电紧张态”理论解释电化分解过程:它(电紧张态)对于伏打电分解以及物质元素向两极移动的影响都是确定无疑的。处于电紧张态时，如果物质不可电解，物质的同类微粒就会沿电流方向产生有序的和受迫的电排列，这种紧张释放时，就会产生反向电流;但是如果物质是可电解的，这种力的状态就足以保证元素微粒离开他们的同伴，被迫同相邻的与其同伴类似的微粒结合，这样受迫的电排列得以消除和释放，从而微粒处于一种自然的状态，效果上与不受感应类似。但是由于电池电流是持续的，电紧张态可以立刻恢复，又会产生粒子的受迫排列，然后粒子再次移动和结合，放电消除紧张态，如此类推。从而维持物质微粒向两个相反方向不停地移动，移动方向与电流方向是一致的。(［7］，22页)在此段论述中，可以看出，法拉第认为电力的传递不是超距作用的引力和斥力作用，而是一个渐进的过程，这也是法拉第关于电流的基本理论。而按照电紧张态理论，静电是一种稳定的紧张状态，这种紧张态的释放就产生电流。由此可见，在研究电的同一性之前，事实上法拉第已经有了解释静电和电流机理的指导理论，只不过，这只是存于纸面的一种设想，没有任何实验基础。如上文所述，在电紧张态理论和力线理论解释静电和电流机理的两难局面中，法拉第必须进行进一步的实验研究，以解决这个难题。随着摩擦电化学分解效应研究的不断进行，法拉第逐渐发现电化分解产生的现象和他的预测是一致的。1832年9月6日，法拉第通过实验，证实了他1831年11月对电化分解过程做出的推测性解释:(如图3［99］所示)在玻璃板上放置一条用硫酸钠溶液浸湿过的姜黄试纸，纸的一段连接起电机，另一端隔两英寸与一条湿线构成的放电线相对，放电线的另一端悬挂在空气中。起电机转动四五十周后，发现试纸的靠近放电端的两个角因为有碱析出而变为深棕色，而且靠近放电端的那个角颜色更深一些。接着(如图3［100］所示)，用石蕊试纸代替姜黄试纸，一段连接放电线，另一端与起电机引出的一根导线相对，起电机转动几周后，正电由空气进入试纸的一端，这一端的两个角因为有酸的生成而变红了。(［7］，17页)由这两个实验法拉第得出结论:103.因此看上去不是正极对碱的排斥力和对酸的吸引力等等，而是只要有电流通过，无论是通过金属电极还是不通过，元素微粒都会自动排列。碱伴随电流向一个方向尽可能远地运动，而酸向另一个方向运动。金属电极只是分解物质的终点罢了。104.分解效应看上去更依赖于化学亲和力在一个方向加强，另一个方向减弱(而导致的微粒移动)，而不是两个电极之间直接的引力和斥力所致等等。(［7］，18页)这个结论说明原来被很多人认为是超距作用力的中心的电路两端的电极，跟电路的其他部分并没有什么区别，只要有电流通过、而电解质不能通过的地方，比如在电解液断开、而可以通过空气放电的地方，就会有电解物质析出。电极在这种情况下不再像其他学者认为的是力的中心，通过超距作用的引力和斥力撕开溶液中的电解质微粒，从而只能在两极上析出，而只是作为电力的多个进入点和离出点的一个而已。从本质上来说，所谓的电极，和电流通过、而电解质断开的地方没有任何分别。电力可以使组成分子的微粒之间的亲和力在一个方向加强，另一个方向减弱，从而导致微粒分开并立刻和附近的另一个微粒结合，通过持续电流电力导致的这种微粒之间的不断结合、不断分开的连锁传递，形成电力的传递，一种微粒向“正极”一侧移动，另一种向“负极”一侧移动，最后在电解质的断裂处析出。在12月15日的实验中，法拉第用另一个非常明显的实验再次说明了这一点:182.(图4所示)两节电池充电，如图所示放在箱子上。然后将电解装置连接好。如图，利用依次连续的四个装置。一根导线从正极引出，至第一个装置，从第一个再至第二个，然后至第三个，这里扩展为一块板，再从这里连接到第四个装置，是铂质小容器。Ⅰ和Ⅱ中装有硫酸钠溶液;Ⅲ中装有氯化硫酸纳溶液，被甘蓝液染成蓝色;在Ⅳ中铂质容器和铂板之间的b处，放有在硫酸钠溶液中浸过的石蕊试纸和姜黄试纸，两张纸叠在一起。当负极和放电序列连接，而b处用插入地中2英寸深的导线接地时，所有的装置中都发生分解现象，有气体生成并有酸和碱析出。183．当b处和放电序列连接，而负极用插入地中两英寸深的导线接地时，结果一样。(［7］，32页)这个实验与9月6日的实验事实上没有本质差别，只不过是法拉第利用连锁电解的方式，进一步形象地说明了电解在整个电流渐进路程上，处处都在发生，在电解质连续的地方，酸碱结合和分裂时刻在进行着，因此不会有酸碱析出;而在电流通过、但电解质不连续的地方，最明显的是金属导线的断点处，分裂的酸和碱不再结合，所以呈游离态而析出。这个电解过程实质上也是电流的形成和流通过程，是电解过程中电流的运行机理所在。由此可以认为，法拉第已经通过实验说明了静电和电流的机理，即静电是一种稳定的紧张状态的排列，而电流则是这种紧张状态的释放。静电高紧张态的释放只能形成短暂的电流，长时间稳恒电流的形成必须这种紧张状态的不断形成和释放，即电流由无数个连锁的紧张和释放组成。因此，虽然静电的张力状态(电压)看上去很强，电流的电量却应远大于静电的电量。法拉第后来的研究也证明了这一点。在随后的实验研究中，法拉第用更为清楚的语言阐明了静电和电流的不同:“我所说的电流是指渐进的东西，无论这东西是电的流体、振动或者通常意义上渐进的力;我理解的排列是指粒子、流体或力的自身安排状态，而不是渐进性的。”(［7］，21页)可见，电流是一种动态的存在，而静电则是一种静态的存在，是一种排列，这种排列的释放就是静电放电而形成的短暂电流。虽然法拉第在此阶段的研究中很少提及理论层面的东西，但从上述研究来看，他思维的脉络却清晰可寻。无论是探寻静电和电流的机理，还是对电化分解机理的解释，其理论的根源都可以追溯至法拉第的电紧张态理论和力线理论。［14］

5同一性研究的补充完善

法拉第关于静电和电流机理的研究以及对电化分解机理的调查至1832年9月18日已基本完成。此后至10月26日，日记中没有任何记录，说明此段时间内法拉第没有进行研究工作。10月26日至12月24日的研究情况在日记中只有短短的9页记录，相比于前面28页的记录，基本没有什么新的内容，主要是对前一阶段的研究工作进行一些补充和完善，而其中主要的是对各种电产生五种效应的情况进行进一步的调查研究工作，补充已有研究的不足或用更为明确的实验结果证明各种电的同一性。例如，磁电产生电解效应已被法国的皮克西(A．H．Pixii，1808～1835)用实验证实，法拉第自己也坚信磁电可以产生电解效应。但在11月1日的一个实验中，法拉第还是对磁感应电产生各种效应的情况进行了进一步研究。他发现利用自己的装置依然不能产生电化分解效应，认为其原因是磁电的强度太弱，不过在这种强度下，依然可以产生生理效应和电火花效应。(［7］，31页)伏打电的六种效应都已被实验证实，但法拉第通过进一步研究发现，还有一种更好的实验方式来证明伏打电的引力和斥力效应:图5通过热空气放电实验装置示意图(［7］，33页)191.(图5所示)两节电池，每节由10对4平方英寸的沃拉斯顿极板组成。分别充电，绝缘并连接成一节电池。两根铂线分别焊接到两根铜线的末端，然后固定到一根玻璃棒上，使其末端非常接近但不接触。将玻璃棒安置好，一根铜线a接到电池的正极，另一根导线b放在一块金属(铂)板c上。一段弯曲的铂线，跟47所用的(本文标号47的实验)类似，将其与在标准氢碘酸钾溶液中浸过的试纸连接，该段铂线由一个铂质抹刀(platinaspatula)支起并置于其上，该抹刀用一根铜线与电池负极连接。整个线路完全绝缘，这样，如果回路中两根铂线的末端不隔断，氢碘酸钾的分解就会发生。(现在)10分钟或一刻钟内没有分解发生，由此可以断定没有接触。192.但是当用酒精灯加热铂线末端间隙的空气时，一分钟之内，出现了很明显的分解现象———显示有电通过热空气。193.利用一根吹管(blowpipe)将末端尽可能的加热时，立刻就有氢碘酸钾分解。194.让一切都冷却下来，效应消失，伏打电像普通电一样，即使仅有20对极板，也能通过点燃的空气放电。(［7］，33～34页)利用这个巧妙的实验，不仅说明伏打电的电解效应，也说明了伏打电不放电时存在的紧张状态，即静电通常状态下所显示的明显的引力和斥力效应。伏打电的引力和斥力效应虽然较小，但当加热空气使放电容易产生时，这较小的张力也足以使伏打电放电。通过类似的一些不成系统的碎片式研究，最后，在论文而不是在日记中，法拉第将五种不同来源的电的六种效应的产生情况进行了总结，列出一张表格(表1)，将各种电的六种效应的产生与否情况清楚地表示了出来:虽然表中列出了8种效应，但“磁偏转”和“制造磁体”表明的都是电的磁效应，“吸引与排斥”和“通过热空气放电”表明的都是电张力状态下的引力和斥力效应，所以该表所描述的实质就是五种电的六种效应。表中的“×”表示该种效应至时，即1833年1月时已经被实验证实。“+”表示该种效应至1838年12月已被证实，这在论文集的注释中讲述的很清楚，例如约翰•戴维已经观察到电鳗电流的热效应。表中的空白表示至1838年12月还未被实验证实的效应，但法拉第坚信，既然五种电都已被证实可以通过冷空气放电而产生电火花，在同样强度下，肯定会产生表中空白处所标示的各种效应。(［8］，102页)最终法拉第得出结论:“我认为从这些收集到的事实必然引出的总结论是:电无论其来源如何，在本质上都是同一的。所列举的五种电现象上的不同并非本质上的不同，只是程度上的差异。在这方面因数量和强度的变化而成比例变化，而数量和强度几乎对任何一种电都可随意改变，改变程度就像它们彼此间所显示的差异那样大。”(［8］，102页)至此，法拉第关于电的同一性研究终于完成。综合上文所有内容来看，法拉第命名为“电的同一性研究”可以分为两个部分，在1832年9月18日之前，法拉第通过大量的研究，成功解决了静电和电流的运行机制问题，这是其名为“电的同一性研究”的最主要部分;其后法拉第所进行的零散研究，只是该阶段研究的次要部分，但却成为“电的同一性研究”的主要命名依据。在9月8日的日记中，法拉第列出了详细的有关电的同一性研究的重要参考书目，其在日记中出现的时间和位置，综合法拉第这一阶段的全部研究来看，似并不偶然。可以合理推测:在9月18日前，法拉第已经完全解决了一直关心的静电和电流机理问题。而在1832年前后，关于电的本质是否同一的争论构成了学术界的热点问题，恰巧该问题也是法拉第自电磁感应现象发现以来有所关心的问题，他由此将二者联系起来，发现完全可以依靠自己对静电和电流的研究来顺带解决这个问题。接着他广泛查阅各种研究资料，将自己的研究与他人的研究联系起来，查漏补缺，从而比较满意地、随带性地研究了这个学术界热议的问题。因此，法拉第所谓的“电的同一性的研究”只是其关于静电和电流机理考察研究的一个顺势而为的行为。

6结论

通过对《法拉第日记》及其他资料进行研究和分析，我们对法拉第研究各种电的同一性的缘起及其实质有了更为清楚的认识。纵观法拉第该阶段的研究，可以得到如下认识:(1)法拉第该阶段的研究实质是对静电和电流机理进行探究的实验研究过程和其电学理论的进一步发展。法拉第长期以来对静电和电流机理的一贯思考和实验研究是开始“电的同一性研究”的根本原因。法拉第之所以将这一阶段的研究称为“电的同一性研究”，应在于法拉第研究纲领和指导思想的离经叛道及特立独行性。在藏于皇家学会的密信中，法拉第考虑将振动理论应用于解释电磁作用和光现象，清楚地表示了电作用和磁作用的渐进性，这是对当时居于统治地位的超距作用的质疑和否定，具有革命性的意义。而在电的同一性研究中，法拉第公开宣称无论电是一种流体、振动或者通常意义上渐进的力，都不影响电流的渐进性结论。这种表述实际上隐藏了法拉第早已有之的电作用是一种力的振动而并非一种实体的思想。法拉第该阶段的研究活动反映了其独特的研究和思考方式，以及一种革命性理论在创建阶段所必然面对的艰难处境和压力。(2)自然力的统一和转化思想是指导法拉第研究的一个重要思想。它不仅在电解第一定律的发现过程中发挥了重要作用，而且在该思想的指引下，法拉第认为各种电的同一性是一个不言自明的、自然力统一和转化的一个特例，就像法拉第自己所说的:“我相信绝大多数哲学家都认为这些电是一样的。”(［8］，76页)依照法拉第的实验能力和聪明才智，他完全可以证明上文表中“+”处和空白处所标示的各种效应，但他并没有去证明，这充分说明了该思想对他产生的重要影响。当然，从另一方面来说，各种电的同一性的证明又从反面加强了法拉第自然力的统一和转化信念，使之在其后的科学研究中进一步发展并强化了这种思想。(3)法拉第通过电磁感应现象研究所形成的电紧张态理论和力线理论经过这一阶段的研究发展，而逐步融合为一体，这是法拉第力线思想发展过程中的关键一步。电紧张态和力线理论的源头可以追溯至法拉第1821研究电磁旋转现象期间形成的物质特定态思想和圆周力思想，［15］此后经过1831年声音振动图像研究和电磁感应现象研究阶段的思索和完善，产生了电紧张态理论和力线理论。接着经过几个月的思考，法拉第找到了困扰已久的解决静电和电流问题的突破口。通过研究电化分解的机理，发现电解在整个电流过程中都在发生，电解不是金属电极的超距引力所致，而是一个连锁传递的渐进过程，电解过程即是电流的形成和流通过程。在此基础上，法拉第揭示了静电和电流的差别，静电是一种电排列，类似于物体整体的电紧张态，而电流是电排列的释放过程。在电解现象中，电流是电排列的不断形成和释放的连锁渐进过程，这就将电紧张态理论融合入了力线理论，使两种理论得以和谐共存，从而初步说明了力线的运动和变化机制，揭示了力线运行的渐进性，用确凿的实验事实否定了正统的超距作用理论，促进了力线思想的进一步发展。这条线索贯穿法拉第其后直至1838年所有电学研究的始终并最终导致力线思想的成熟。(4)法拉第在研究静电的同一性过程中，开始电化分解机理的实验研究，而不是为了调查电化分解机理而开始电的同一性研究［16］。通过定量比较静电和电流的磁效应及电化分解效应，初步揭示了电解第一定律的内容，为后续电解第一和第二定律的正式提出打下了坚实的基础，并由此开始了其卓越的电化学研究，从此种意义上来说，法拉第开创了电化学这门新科学。同时，法拉第电解现象的研究也为其力线理论的进一步发展提供了强大的推动力以及实验事实基础。［17］(5)纵观法拉第关于电的同一性研究，在证明各种不同来源的电的同一性方面，其研究存在认识论和方法论上的缺陷。不仅法拉第没有通过实验证实五种电都可以产生六种效应，使得结论的说服力打了折扣;而且即使五种电都可以产生六种效应，也不能得出电的本质就是同一的这一结论。他所认为的六种效应仅仅是他的认识，是在一些简单实验事实基础上得出的归纳性认识，不具有强大的概括和综合证明作用，这种科学研究中归纳法的缺陷导致结论存在瑕疵。而且对于电的存在形式是否仅有五种，当时的科学界无法给出确定的回答，在此基础上证明电的本质是同一的，所得结论的说服力令人怀疑。此外，正如上文中所指出的，法拉第长期持有的自然力的统一和转化思想以及亲身经历各种实验研究所导致的认识，使他认为各种电的同一性是个不言自明的真理，这客观上造就了他关于证明电的同一性的愿望并非多么强烈，在这方面付出的努力与其他重要的研究相比也小得多。结论上的缺陷和思想上的不重视，导致研究者以为法拉第冠名为“电的同一性”的该阶段研究，没有多大价值而很少加以研究，从而成为科学史上讨论较少的一个案例。

作者：王洛印白欣单位：哈尔滨工业大学科技史与发展战略研究中心首都师范大学物理系