论法拉第的统一场思想，本文主要内容关键词为：法拉第论文,思想论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
举世公认，法拉第对物理学有过卓绝的贡献，然而他是否贡献了统一场思想，则无人述及。这牵涉到如何评价一种科学思想及其理论——不但与时代的成熟性有关，而且与科学家的研究个性有关。如果忽略了这些，我们就可能忽略太多的东西。
一、法拉第的科学方法论个性
关于法拉第的生平，威廉姆士作出了详尽的记述；而关于法拉第的科学贡献也似乎研究得比较透彻了。 宋牧襄把法拉第的科学生涯分为3个阶段：对称性探索阶段（1821年～1832年）、物质统一性探索阶段（1833年～1844年）、电场、磁场理论创立及物理场论的哲学思考阶段（1845年～1857年）。 应该指出， 宋先生认为法拉第进入电磁学领域（1821年）之后再无反复，是值得商榷的。事实上，1822年～1830年间，法拉第几乎没有作过出色的电、磁学实验，而是回到合金钢、氦气、玻璃的化学研究上。这是因为，1821年他所成功地作出的电磁转动实验被他的老师戴维指责为剽窃了沃拉斯顿的研究成果（虽然两者的差异是明显的）。这一指责使法拉第暂时离开了电、磁学领域。纵观法拉第的科学生涯，有如下几点是重要的，这几点构成了他的研究个性。
1.对称性与统一性思想
这贯穿他一生的研究中。1821年电磁转动实验表明，通电导体一端可以绕一个磁极旋转，磁体一极也可以绕通电导体旋转，反映出一种和谐的“对称性”。1831年电磁感应的伟大发现则表明电、磁相互作用的对称性，同时这使他确信，在对称性背后有着深刻的统一性。可以说统一思想是其对称思想的深入与发展，而对称思想是统一思想之具体与前奏。法拉第的统一性思想有两点是重要的：（1 ）通过效应的同一性研究物质及其运动的统一性；（2）借助空间的力探寻物质的统一性。 前者是方法论准则，后者是实证方案（这种方法论显然也影响了后人，如麦克斯韦的“位移电流”及爱因斯坦的广义相对论）。
2.直觉论思想和敏锐的科学直觉能力
直觉论思想表现在他对抽象化、数学化引力作用的拒斥，这可能与他未经过严密数学训练有关（颇类似德布罗依的量子论思想）。在统一性思想的第2 条准则中就有拒斥牛顿力学绝对时空和“绝对电荷”无质流体假说的思想，他写道：“电的冲突不是局限在导体上，它在邻近的空间散布得相当广。”他也常引用牛顿对超距作用的怀疑：“我还未能从现象中发现重力所以具有这些属性的原因。”1937年他研究静电感应时，明确地否定了诺莱——库仑——泊松用数学方法建立起来的牛顿式绝对点电荷观念，验证了他1832年3月份的想法：空间中存在“力线”。正如麦克斯韦所评价的：“法拉第在空间中看到力线和介质，而以前的数学家只看到了点和距离。”尽管如此，法拉第的直觉仍然“可以与职业数学家的方法相媲美”。
法拉第敏锐的科学直觉是其统一性思想在长期研究探索中形成的一种理性直觉，这主要表现在其异乎寻常的前瞻性上，如他在1832年3 月12日《新观点》一文中提出了“磁的作用是渐进的，需要时间”；“光是力线的振动”。这后来为麦克斯韦所证明。
3.实验家风格
用简单的实验验证自己的思想。订书匠生涯使他形成了洁净、善于处理杂乱事物的实验家风格。早在未成为戴维助手的时候，他就开始用简陋的仪器模仿电子和化学实验了。实验简洁性或许与直觉论思想有着某种内在联系，相辅相成。1821年电磁转动实验只是对沃拉斯顿和戴维方法稍加改进，将“自转”改为“公转”。1831年磁感生电流实验则更简单，只是将磁场强度加以改变，而这种改变并不是通过磁源改变，仅将导线在非均匀磁场中移动。
4.实验前系统的资料研究
某种程度上这也得益于他的订书匠生涯（这一点也成了现代科学研究必要的准备步骤）。1821年他做电磁转动实验之前，就对以往和新近有关电和磁的研究报告仔细读了一遍，整理成《电磁研究的历史概况》。1822年～1830年，他从事化学研究时也同样对自己的研究课题作了历史的考察，布朗的《化学手册》被他拆散装订入自己的心得。1855年，他编写的《电学实验》，总结了自己和前人的工作，同时也用以作为对引力场和电、磁场统一研究的历史考察。
5.形成自己的“研究纲领”
1820年，安培、毕奥和萨伐尔用数学方法总结了奥斯特电磁效应实验，分别提出了安培定律和毕奥一萨伐尔定律。法拉第对这种落于牛顿窠臼的做法十分不满，因为它们未说明这种力通过什么介质起作用，他在给朋友的信中写道：“安培先生的理论是巧妙的……因为我天生对哲学理论持怀疑态度，我认为非常需要实验证据。”1831年法拉第重返电磁研究，同年11月他在皇家学会宣读了4篇论文， 提出“电致紧张态”概念，开始用力线及其多寡来描述其强弱。此后“磁流体”、“圆周力”等成为他的专有名词。1839年研究电与化学关系后，他认为：空间永久地充满了极性的电力线；电力线的聚集是通过能量的转化实现的；电荷只是电力线极性在物体上的表现。1849年他用自己的用语解释了螺丝管对抗磁体产生感生电流的实验：不是因为抗磁体产生了“相反的磁性”，而是磁力线在其中的分布密度与四周分布密度的差异导致的。1851年，在《论物体的磁和抗磁的传导》一文中，他在磁力线的基础上提出了“场”概念；1855年最终完善了“场”理论——《论磁哲学的一些观点》：（1）物体可以改变力线在空间中的分布；（2）力线的存在与物体无关；（3）具有传递力的能力；（4）在时间中传播。
应该说，直觉论思想和实验家风格是其研究个性的灵魂，因此法拉第的成果为那些嗜好数学方法的物理学家接受并不是一帆风顺的事，其中至少经过了两人的工作，一是汤姆生于1853年在《瞬变电流》中用数学语言初步表述了他的思想，二是麦克斯韦在《论法拉第力线》中比较彻底地反映了他的思想并于1866年最终用数学统一了电磁场（法拉第“光是力线的振动”观点）。
二、法拉第的统一场
宋牧襄将法拉第的研究分为3个阶段，仅是就其科学成果而言， 并不包含一切研究。实际上法拉第对场的哲学思考中萌发了“统一场”思想，到了晚年，他一面整理《电学实验研究》，一面做着大量失败的实验。“统一场”思想正是他的失败留给后人的启示。所以法拉第还有第4个阶段， 即探索统一场的科学后阶段——这也是许多科学家所共有的阶段，如牛顿对“第一推动”的寻求。
早在1849年3月19日的实验日记中， 法拉第写道：“这种力（重力）肯定同电磁和其他力有一种实验关系……”后来，在皇家学院的演讲大厅里，他把铀、铋、铁等各种金属球从房顶上掉下来，掉到铺在地面的垫子上，看他们在重力作用下会不会产生电，结果是否定的。他又把试验物体作高频振荡，结果仍是否定的。直到1859年，已是68岁高龄，他还爬上泰晤士河畔滑铁卢大桥附近的一座高塔里（伦敦当时所能找到的最高高度），把一个200磅重的铅球从塔顶上吊下来，吊绳长达165英尺，法拉第把铅球从塔顶放电，然后降到底，又从塔底吊上顶，结果都是否定的。重复多次亦未出现所期望的结果……忽视法拉第统一场思想可能有如下理由：
一是法拉第场概念虽经麦克斯韦等发展，但本人不可能理解；当时的场概念只实证地限于电磁方面，他只是哲学地认为存在于其他方面，因此他的思想至多是“泛场论”，始终是思辩的（这一点实际上也否定了其“场论”的科学性）。二是当时尚未发现强、弱相互作用，无所谓统一场。三是未在理论上提出明确的统一场概念。四是他的一系列实验是十分粗糙而失败的。
如果考虑爱因斯坦及其时代，则有明确的理由认定其为“统一场论”的开山祖：（1 ）麦克斯韦已经最终完善法拉第的理论并使之在数学上明晰地限定于电磁场中；（2）当时已有强、弱作用， 且其性质明晰，为统一场论的实证产生提供了条件；（3 ）爱因斯坦本人既能理解麦克斯韦的理论，本人又是理论物理学大师；（4 ）他明确地提出了统一引力场和电磁场的统一场概念及其数字模型。
从以上几点比较中，我们可以看出，确定一个人是否提出了某种理论有如下几点是重要的：（1）时代是否成熟；（2）是否明确提出了概念；（3）是否对不同现象作了实证的区分即摆脱了哲学思辩；（4）是否付诸过行动。这里实际上是一组科学理论的判定标准，而且有一个潜在的假定：只有创立了某种理论，并且是严格数学意义上的，才具有某种科学思想。这4条标准中，第1条是逻辑上的“循环规定”，时代的成熟性是以人的活动为依据的，如果没有科学思想的发轫和积累，时代不可能成熟，因此该标准对科学思想的评判是过分苛刻了。
在这里，应该还有两点区别是重要的：一是统一场思想（科学思想）和统一场理论（科学理论），二是科学家的研究个性。我们认为法拉第虽没有提出统一场论，但已经有了相当明确的统一场思想，并且不再只是哲学上的统一性思想，而且已在场论中具体化了。法拉第的统一场思想之所以不能引起注意，是因为人们把科学理论提出的判定强加给了科学思想之产生，并严格要求其数学化。我们对待其统一场思想的态度很像麦克斯韦以前的物理学家对待其场论一样，我们忽略了其研究个性。判定科学思想的形成应该去掉判定理论提出的前两个严格约束，并且在第4条判定中加入对科学家研究个性的区分。 这里从以下几个方面来阐述我们的观点：（1）从爱因斯坦的失败看。爱因斯坦从1923 年起就致力于统一场的研究工作了，而强、弱作用在30年代才发现，因此他开展的工作也只有在引力和电磁力之间。而且正是因为他后来一直没有注意到这两种新作用力而导致他的失败。因此强、弱相互作用未产生之前同样可以有统一场论。（2）法拉第对重力和电磁力有明确的区分。 1849年前他并未引入重力线概念，却已经有了电力线、磁力线概念，这说明他对力线的研究至少历史地存在区分，并不是“泛场论”。他也确曾在理论上作过明确区分（当然不是数学上的）。他在《论磁力线》一文中写道：“电力线是有源力线，是非闭合的，具有极性，决定介质的极化状态；磁力线是无源力线，是闭合的，具有非极性。”在《论力的守恒》一文中，他对重力线又作了明确的区分：“重力线也是一种非极性力线，它沿着直线在空间和时间中传播，从而传递质量引力。”这种明晰的区分如果沿着麦克斯韦的方向加以数学化，是可以导出一个不成功的统一场理论模型的。（3）概念的明晰性不仅仅在于其具有一个名称，更在于其是否具有其内涵。法拉第的力线概念已隐含了统一场论的内涵，只是没有赋予名称而已，这似乎可以用库恩的“不可通约性”来解释，法拉第拥有自己的纲领，其基本概念是力线，后来才转化为场。一类力线就是一个场方程。（4）从法拉第的研究个性看， 如果我们承认其场论思想，我们就不得不承认其统一场思想。法拉第场论思想得自于他的实验，只是成功了而已；而他的统一场思想也引导了他的实验行为，只是失败了而已。法拉第的研究个性是实验和直觉，我们当然不能向他要求数学公式，只要他的行为满足对各种场（力线）作了明确的区分，在区分后作了试图统一的实验，我们就可以认定他具有了统一场思想。（5）历史地看，我们不能否认爱因斯坦吸取了法拉第的思想精华。1931年，他指出：“从法拉第的电磁场概念中，后世人仍然可以学到许多东西，一点也不比前人学到的少。”1940年，他再次说了类似的话。
法拉第在《关于光振动的想法》中写道：“物体粒子靠力线联系在一起，物质的质量也靠它们联系。我的观点是排除以太，但并不排除振动。”爱因斯坦的狭义相对论排除了以太，而广义相对论把加速场与引力场等价起来，与这种“靠力线传递质量”的思想如出一辙。如果说广义相对论的光在引力场中弯曲尚有点唯象论痕迹的话，那么统一场论则像法拉第一样探索电磁场与引力场的具体联系。这仅是一种巧合吗？在沿着相对论这种统一思想发挥到统一场论的道路上，我们能担保爱因斯坦没有从法拉第那儿得到更多更具体的启发吗？
诚然，法拉第并未能够从数理上创立统一场论，也不可能设计更精确的实验方案。但我们却有足够的理由认定他是统一场论的思想先驱。