【物理好好玩S2EP07】法拉第與他的老師戴維、法拉第與他的學生馬克思威爾

文、聲音|張嘉泓
法拉第的聖誕演講。皇家研究院,1855年。(東方IC)

那是一個自然科學爆發的啟蒙時代,知識過去僅限於精英,這時整個社會與群眾,開始睜開自己理性的眼睛,重新觀看周圍的自然,可以說無一處不是驚奇。那時的科學家,就是把自然的祕密帶入人群的先知。

5月裡一個陽光閃耀的早上,我去年的學生書辰與雅瑄,來找我拍一段訪問短片。短片的標題是「典範老師」,這是她們師資培育課程的一個作業。我其實很緊張,看著兩位未來優秀的老師或科學家,我不禁心裡嘀咕著:我自己知道怎麼做一個典範老師嗎?

聽眾知道我在師大教書,但我自己不是師大畢業,並沒有教師的職業訓練。當她們問我,教師需要什麼樣的特質,我還是盡力拼湊出一個模糊的想法:我覺得教師這個職業,適合對世界充滿好奇的人,他們把瞭解為什麼,看得比得到什麼來得重要。畢竟教師與知識必須整天黏在一起,他的志業可以說就是守護這個學問了。

上個月介紹的19世紀大物理學家法拉第,並沒有老師。出身一個貧苦的家庭,法拉第根本沒有受過教育。他在書籍裝訂商做學徒,意外的、書裡的世界為他打開了一扇窗。在工作以外時間,法拉第閱讀了店內裝訂的書,書中所談的盡是自然的探索,這當然與他面對的日常大相徑庭。但法拉第慢慢感覺,那才是他所屬於的世界,那才是他的熱情所在。

 

法拉第進到了企盼已久的學術殿堂

這些書籍的擁有者,很多都是學術名人,化學家戴維就是其中之一。說他是名人,一點都不誇張。那是一個自然科學爆發的啟蒙時代,知識過去僅限於精英,這時整個社會與群眾,開始睜開自己理性的眼睛,重新觀看周圍的自然,可以說無一處不是驚奇。那時的科學家,就是把自然的祕密帶入人群的先知。其中較有才華的,就會把科學包裝成引人入勝的演講與演示。皇家研究院就以此著名,而戴維就是研究院中的明星。據說當他演講的夜晚,研究院前的馬路,車輛絡繹不絕,盛況絕對不輸現在的阿妹演唱會。

法拉第與許多書店的客戶來往,也因此常常參與研究院的演講。他會把演講的內容整理成精美的筆記,來感謝給他票的學者。有一次,戴維因實驗炸傷了眼睛,法拉第就被介紹擔任戴維的短期實驗助理,這使他覺得,自己與探索自然的世界越來越靠近。當學徒契約一結束,他大膽的給戴維寫了一封信,並附上他為戴維演講整理校正的筆記,當然是精美裝訂的。戴維應該相當驚豔於這個年輕人的熱誠,雖然還要花一番工夫,但他真的幫法拉第,在研究院找了一個助理的工作。

法拉第一定覺得自己是在天堂。雖然這個所謂助理的工作,大家都說就是幫忙擦洗試管的學徒,但真的讓他進到了企盼已久的學術殿堂。事在人為,法拉第的細膩、勤勉、加上直覺與推理能力,讓他很快就嶄露頭角。一開始,法拉第主要是幫大教授們準備演示所要用的器材,但漸漸戴維也會開始在重要的研究實驗中,讓他參與操作,這已經越來越像今日博士後研究員,在各研究機構中,扮演的角色。請記得,法拉第並沒有任何正式的教育,但他的洞察力與實驗操作的天份,顯然並沒有被埋沒。而且戴維似乎越來越依賴他了。

 

戴維與法拉第開始了一段黃金合作期

於是,戴維邀請他一起到歐洲、進行一趟訪問旅程。一般都認為,這一趟旅程是法拉第一生的轉捩點,因失學而欠缺的教養與文化視野,一次補起來。從巴黎到佛羅倫斯、從威尼斯到羅馬,他浸潤在當時歐洲最細緻的文明、與最尖端的科技之中。當然,我們也從法拉第的書信知道,他很多時候就是戴維夫婦的管家,幫戴維太太提行李也是他的工作。

從歐洲的旅程回來,戴維與法拉第開始了一段黃金合作期。通常,戴維會給一大堆點子,然後自己到處旅行、演講、釣魚、社交。法拉第就在實驗室中,勤勉不懈,分析戴維路上收集寄回來的各式礦物、空氣等樣本。法拉第所完成劃時代的氯氣液化,就是兩人關係一個生動的寫照。法拉第在論文中,特別感謝戴維爵士的討論,使他有了這樣的念頭,在高壓下對含氯的化合物加熱,而得到液態氯。但戴維堅持在發表的版本後面,再加上了一段附註,聲稱自己早已預見這個實驗的結果。這樣的附註只能被解讀,戴維要暗示氯氣的液化完全是自己的想法,法拉第只是付出勞力而已。但實情是:戴維就這樣在繁忙的日程之間,像風一樣飄進實驗室,隨意丟下一兩個意見。最後,卻要把法拉第在實驗室內日以繼夜所完成的獨立工作,佔為己有。

1820年底發生震驚歐洲科學圈的大事,丹麥科學家奧斯特發現,電流通過的導線、與磁鐵之間會有磁力。戴維告訴法拉第這個消息,並建議他注意。之前以化學實驗為主的法拉第,於是開始進行電與磁的研究。一絲不苟的法拉第很快讀遍了可以找到的科學家文獻,重複他們作過的電與磁的實驗。謙遜的他,匿名寫了一篇非常完整的電磁知識總整理,這篇匿名文章在當時還蠻受注目的。

 

法拉第解釋,自己的工作從未受到沃拉斯頓的啟發

1821年初有一天,法拉第進到研究院的實驗室,正好撞見戴維與同事沃拉斯頓正結束一個電流與磁鐵的實驗,看來是失敗而沒有完成的,而嘗試的就是沃拉斯頓未公開的一個點子。顯然戴維除了法拉第之外,同時也找了對電更有經驗的專家進行合作,而且更加密切。

究竟兩人的關係從那一個時間開始變調,現在已難追索。但很明顯的,這時聲望如日中天,剛剛出任皇家學會會長的戴維,並不習慣這個當年的學徒,現在已在學術的路途上,與他越來越靠近。實驗室意外邂逅4個月之後,法拉第獨立發展了一個實驗,讓一條電導線,可以在磁場中持續繞行運動。這是第一個電動馬達的雛形,但也與幾個月前,他所撞見戴維與沃拉斯頓正在進行的實驗,有一點神似。法拉第當然完全忘了這件事,自然也沒有在發表的論文中,禮貌性的提及沃拉斯頓。但顯然沃拉斯頓與戴維都沒有忘記,法拉第曾看到他們失敗的實驗。如同憑空瞬間出現的暴雨,論文發表1週後,小小的學術圈內,凶猛的出現了法拉第是剽竊者的批評聲浪,在學術界這是比殺人更嚴重的罪行。法拉第向他的恩師戴維求救,解釋他的工作從未受到沃拉斯頓的啟發。但換來的只有沉默,戴維的沉默,就是故意默許放任對法拉第的批評,讓這個危機繼續延燒下去。批評者振振有詞的指出,法拉第從來沒有電學的經驗,一下子得到的重大發明,顯然是偷取他人的創意。在這樣的痛苦煎熬下,法拉第支撐了接近1年,最後只能再仔細寫一篇論文,細細描述他的思索歷程,還得公布當初匿名的那篇電學總整理就是他執筆,可見他在電學已經下了很久的工夫。這個危機終於慢慢解除,但對耿直的法拉第顯然打擊很大。

 

戴維培植了他的後繼者,到達了一個自己都無法忍受的高度

或許,人生真的沒有不散的宴席。在剽竊爭議還在延燒的時候,幾位皇家學會的院士跳過會長戴維,向學會提名推薦法拉第成為院士。戴維自然覺得這是對會長的不敬、對他權威的挑戰。根據法拉第的描述:「戴維爵士要我撤回提名,我回答他說:我不能,因為這是我的推薦者的提名,不是我自己提的。他更進一步要求,那我必須說服我的推薦者撤回。我回答:我知道他們不會同意的。這時他說了,那作為會長,他會把提案撤銷。我的回覆:我相信戴維爵士會考量,而做出最符合學會利益的決定。」

我們沒有戴維對這件事的描述,但我猜,大概無需對法拉第的說法有太多質疑。又過了將近半年,經過10次不間斷的提案,在第11次會議上,法拉第當選院士。會中採秘密投票,只有1張反對票,也許大家都知道是誰投的了。兩人後來都不願再提及這件事,兩人也不再有私人的書信來往,從此、兩人之間大概就只有公事罷了。

有一本很好的法拉第傳記,作者赫希菲在書上有這麼一段描述。大概就在皇家學會的爭議發生之前,戴維曾經到蘇格蘭高地旅行。當時,看到了老鷹正在教導小鷹飛行,他寫了一首詩,其中有這幾句:

我想引領年輕的靈魂去嚮往,

能飛到我自己所無法企望的高,

我將如此開懷,從下方往上仰望,

他們超越我、追尋光亮榮耀。

可是,現實是:戴維培植了他的後繼者,到達了一個自己都無法忍受的高度,使戴維必須去阻止他飛翔更高。父親並不是永遠都有足夠智慧,知道他的兒子已不再是一個男孩了。是戴維將法拉第帶離原來的低微,進入他所夢想、自然探索的殿堂。是戴維一路帶領、啟發,讓法拉第的能力完全發揮。但也是戴維,不願承認而且出手壓抑法拉第的獨立性。只是,法拉第還是成為了傳世的科學家。

 

法拉第的演講中,充滿了「美麗、美好」這樣的字眼

不知道是偶然,還是刻意的迴避,法拉第有10年時間沒有進行任何電學實驗。1829年戴維過世,1831年8月,法拉第開始了上個月節目所介紹的電磁感應實驗,我們對電與磁的認識,就此完全改觀。

現在法拉第自己開始進入演講廳成為名人了,他甚至別出心裁將觀眾擴及到兒童,為他們設計了著名的耶誕節演講。法拉第的演講充滿娛樂效果,他會用電火花爆破一個充滿氫氣的氣球、用電荷讓自己頭髮豎起。最有名的表演當然是法拉第籠,這是一個一邊大概有2公尺的金屬籠子,表面都是金屬導體。有一個門讓法拉第走進去,然後在金屬表面通上高壓電。金屬的阻隔效果,會讓裡面的法拉第完全不受高壓電影響。這應該是很刺激的表演。法拉第的演講中,充滿了「美麗、美好」這樣的字眼,他會對小朋友們說:「我們能活在這世界上,多麼美好呀!幸好有這些探究自然的心靈活動,找到自然背後美麗的定律,否則我們很可能活了一輩子,都不會對這個世界的奇觀,讚嘆它們的美好呢!」

當我第一次讀到這個故事時,我對戴維不能接受學生超越自己,很不以為然。但這一回重新看,我卻對戴維啟發法拉第成為一個完全不一樣的人,更加深深感動。戴維顯然不是一個典範教師,典範就不能犯錯,不能如戴維那樣心胸狹隘。但戴維絕對是一個充滿魅力的領導者,他指出了一個方向,激勵、鼓舞法拉第向著這個方向努力前進。法拉第一生保存著,當年戴維回答他求職要求時的那封回信,信上寫著:「看到你對我演講筆記的校正,其中展現了熱情與專注,我一點也不會不開心。我希望很快可以見到你、更希望可以盡我所能對你有所幫助。」

 

法拉第一輩子獨來獨往,沒有培養出什麼學生

因此我在訪問最後,告訴書辰與雅瑄:我覺得教師最重要的特質,應該是領導力與領袖魅力Charisma。英文更生動,這叫inspiring,能激勵人的。如此、老師才能夠激發學生對生命的熱情passion。一旦找到了自己的熱情,學生就不再是學生,而是志業上的夥伴了。

相比之下,法拉第似乎不是非常有領袖魅力的人,他獨來獨往,一輩子沒有培養出什麼學生。但有些時候,人的關係也不是如此拘限,即使跨越時空也不是不行。司馬遷不是說了嗎?「藏諸名山,以俟後世。」還好法拉第不需要等這麼久,他晚年總結對電磁現象的了解,寫了一本書:電學的實驗探究。這本書以實驗的直覺為主,特別是引進電磁力線的概念來捕捉電磁場,是歷史性的創見。但當時大部分的學者,打開這本書之後,都驚訝的發現,裡面一條方程式也沒有,這有點尷尬。書中寫的是觀察、實驗以及法拉第的猜想,而法拉第臆測式的語言,其實讀起來非常空洞難懂。因此法拉第並無法辦法說服當時的科學社群,他所提出來的電磁場、電磁力線是有用的。

小他大概40歲的馬克思威爾(James Clerk Maxwell),是另一位19世紀的大物理學家,我們還會進一步介紹他的故事。馬克思威爾很巧的生於1831年,就是法拉第完成電磁感應實驗的那一年。23歲時他開始從法拉第的書,進入電磁學的領域。馬克思威爾是數學奇才,法拉第生猛的創見與直覺,馬克思威爾把它抽象化、數學化。乍看之下好像很難懂,仔細咀嚼後,反而是一個普遍而清晰的理論,所有人都可以嘗試理解,而參與、思索、討論、修正並測試。他的發現現在就稱為「馬克思威爾方程式」。

 

馬克思威爾與法拉第,在倫敦有了交集

3年之後,年邁的法拉第收到了,素昧平生的馬克思威爾寄給他的論文,題目就是「論法拉第的力線」。法拉第坦言:「第一瞬間,我嚇壞了,我的想法怎麼變成我自己都看不懂的數學?漸漸的,我才發現,它們透過數學,活得挺好的!」馬克思威爾自己說了:「法拉第的謙遜,有時有點令人感傷。」感傷也許真的有,法拉第的確眼睜睜看著自己的實驗大船,在馬克思威爾的抽象數學大海中,漸漸消失遠去。但世人透過馬克思威爾的工作,這才終於了解,法拉第所提出,可能自己原來也不完全清楚的想法,是如此驚天動地的發現。繼承法拉第的創見,而發揚光大,馬克思威爾當之無愧。

1860年馬克思威爾到倫敦大學就職,直到7年後法拉第過世,兩人在倫敦有了交集。現在輪到馬克思威爾,來給那個著名的研究院科普演講。演講完,馬克思威爾擠在人群中,向出口慢慢移動。只聽見法拉第大喊:「哈哈!馬克思威爾、人多到你走不出去了是嗎?」

馬克思威爾在自己的電磁學教科書上,清楚的交代了法拉第對他的影響:「我在這本書,如果有一個要達成的目標,那大概就是傳達給讀者,我在閱讀法拉第的大作時,所得到的快樂。」至於法拉第的書本身,馬克思威爾是這樣說的:「法拉第會同時寫出成功的、與失敗的實驗,粗略的猜想、連同成熟的概念。使得讀者感覺與作者有同志般一起奮鬥的共鳴,遠超過對作者的崇拜。每一個人都不禁相信,如果自己也有機會,一定可以如法拉第一樣成功,成為自然界真理的發掘者。」一個有魅力的領導者,不就是這樣嗎?

下一次的物理好好玩,我們將介紹彩虹。

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