【科學大人物】法拉第與諾貝爾獎

■《法拉第不為人知的一面》連載期間,非常感謝陳竹亭教授擔任責編幫忙審稿,使稿件能穩定上線。本篇是陳教授對此連載的心得,經授權刊登於CASE讀報。再次感謝陳教授!!

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Michael Faraday in his laboratory, ca. 1850s.

撰文|臺大化學系教授 陳竹亭

連載了一年的十二篇「側寫麥可・法拉第不為人知的一面」中文稿終於全部上線。(注1) 2013年客座京都大學期間聽說了竹內敬人(Yoshito Takeuchi)教授為『化學同仁社』出版的《化學》撰寫法拉第生平。雖然明知法拉第在全球不缺傳記,但是畢竟中文的科普書及科學家傳記仍少,而且2009年CASE推出「探索基礎科學講座」正是師法法拉第舉世聞名「聖誕夜科普講座」的精神與遠見。(注2) 就向竹內教授爭取了翻譯權及在CASE平台的網路發表權。

法拉第在科學上的地位是連麥克思威爾、居理夫婦、愛因斯坦…等許多名科學家都齊聲稱道的。法拉第生於1791年,當時拉瓦節尚在人間;卒於1867年,其時門德烈夫已發表了週期表,而麥克思威爾也已開始他對電磁力的研究。

ca. 1861
ca. 1861

法拉第的科學工作大多遠早於第一屆諾貝爾獎頒布前半世紀之久。若是以後見之明回顧法拉第的研究,假如他是活在二十世紀,起碼值得獲頒2~4個諾貝爾獎,包括發現電磁轉動、電磁感應、提出磁力線理論、電解定律與電化學研究、以及光與磁的法拉第效應、反磁性、苯的發現。

獲得諾貝爾獎的條件通常必須是(1)第一原創;(2)新發現對原有的科學見解提供了全新的視野;(3)引導科學社群的研究獲得新的方向。當然這三點都齊備時,研究成果對科學貢獻的程度,以及提名使力的程度,甚至國際學術的政治角力也未必不無關係。不論如何,法拉第的發現足夠讓他在物理及化學領域,都有機會獲頒不只一個諾貝爾獎!

其中尤其法拉第在十九世紀前葉就發現電、磁互生的現象,提出「力線」(line of force)而有「場」(field) 的概念。這不僅延伸了電學的研究發展,創造了磁學的新視野,更促成了麥克思威爾建立電磁學理論的數學根基。

從法拉第晚年想要連結光與磁,或光與電的實驗看來,他應該已經有了「統一場論」的雛型信念。「統一場論」的信念不僅是二十世紀的物理顯學,從愛因斯坦到許多量子力學的巨擘都承襲這個物理思維與觀點。雖然法拉第「統一場論」的信念動機可能源自其宗教信仰,他絕對夠資格做物理學的先知。

法拉第的電解知識是從老師韓福瑞˙達維習得。達維是歷史上發現最多種元素的化學家,包括鈉、鉀、鈣、氯、碘。其關鍵技術就是電解。1830年代,法拉第不僅實驗發現一定的電量可以電解出特定量(稱為電化學當量,equivalent weight)的元素物質;更進一步建立了電解時的用電量和元素產量之間的定量關係。這就是法拉第的兩個電解定律。

在尚未確定元素原子量的時代,這正好提供了元素論及原子論進一步的明確證據,而且顯示了電和物質的基本性質之間有絕對密切的相關性。今天我們把電解出1當量任何元素需要的電量,就是約96500庫倫稱為1法拉第,就表示了絕對值得頒給法拉第一個諾貝爾化學獎!

對於法拉第這種世界級的科學偉人,問他應該算是物理學家還是化學家,好像十分無聊。法拉第之所以受世人尊崇的另一個原因就是他從小失學,沒有受過正規的教育。出版商學徒出身的法拉第不擅數學不足為奇。但是要成為出色的物理學家,少了數學的工具是否會影響其物理成就呢?

法拉第把磁力線的問題丟給了麥克思威爾,是否暗示法拉第相信物理理論需要由數學來陳明?而他自己正好少了這項工具。法拉第的早期科學訓練主要來自十八世紀的經典化學實驗以及達維的研究。換言之,他是黑手出身。法拉第在1820年代初期的電磁轉動研究被老師達維阻止,一直到達維1829年過世之後,才在1830年代重新恢復。從他很快的就在1831年底發表了電磁感應的論文看來,法拉第對電-磁研究的進展必然是念茲在茲。1820-1830的十年中,法拉第雖然有電解定律及發現苯的傲人化學成就,他應該還是身雖在「楚」心在「漢」的。

十九世紀末葉之前的物理並未著眼於微觀的世界。道耳吞「原子論」中關於物質組成及物質變化的內容及成就當時被看成是承接拉瓦節「元素論」的化學里程碑。到今天仍然有科學家認為物理比較關心「大」現象與「大」科學。法拉第在十九世紀前期就學貫物理、化學,兼具宏觀與微觀的科學觀點,而且有劃時代的貢獻,也是科學家中的異數。

究竟新理論才是科學躍進的關鍵,還是新的實驗促成科學的關鍵突破?法拉第究竟是長於理論還是實驗?我以為他立下了一個極佳的典範,就是在科學上理論固然可以經由數學,轉譯出上帝的密碼;實驗也可以如藝術臻於化境,設計巧妙的實驗能暴露宇宙的奧秘於燈火明亮的廳堂。

法拉第的出身和早年的教育都不順遂,或許也不是數學的奇才,這都無法限制他在科學上嶄露的光芒。他具備一個傑出化學家的天份,卻有一個物理學家的靈魂!

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注1. 《法拉第不為人知的一面》全文

注2. https://case.ntu.edu.tw/darwin/explore.html

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原文出處:法拉第與諾貝爾獎

 

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