波动中的世界,蜡烛中的宇宙

作者: 科学艺术研究中心

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-08-08 11:24:57

本文详细介绍了法拉第波的发现及其科学意义,以及法拉第在科学研究中的创新精神和想象力,同时提到了他在科普教育方面的贡献。

如果你身边恰巧有一个一次性纸杯,倒些水,在桌面上拖动它,仔细观察水面,会看到极其细微的、近乎静止的波纹,这并不是由于推拉力的惯性产生的,而是由杯底与桌面摩擦产生的振动而引起的。我们称之为“法拉第波”,1831年,这位物理大咖提出著名的电磁感应定律的同一年,发现了这种波。

法拉第波(Faraday waves)以麦克·法拉第(Michael Faraday)的姓氏命名,是一种正在振荡的容器中液体表面的非线性驻波。当振荡频率超过临界值时,平静液面就会开始波动,“稳定”状态就此被打破,这个现象称为法拉第不稳定性(Faraday Instability)。

法拉第波通常出现在两种流体的交界面处,用振动装置作用于盛有液体的容器底部,发出垂直方向的正弦波振动,液面不再平静,与空气交界处出现的波动即是法拉第波。值得注意的是,法拉第波并不是振动装置发出的波,而是液体受到振动装置与容器的共振影响,在液面形成的波。

虽然在法拉第生活的年代,音流学还没有被明确命名,但是“音流学第一人”德国物理学家、音乐家克拉尼(Ernst Chladni)的一些列实验及其成果,却对法拉第的科学研究产生了深远的影响。克拉尼在薄金属板上洒满沙粒,并用小提琴弓摩擦金属板,使它产生振动,在产生声音的同时,沙粒呈现出美妙的图案。音流学图案的本质是驻波,主要发生在液体表面的法拉第波也是一种驻波,同样能产生具有数学对称美感的图案。

经过了半年专注的实验与观察,法拉第预见性的指出,对液体表面这类图案的研究必将极大地促进对液体波动的研究。正如他所说,法拉第波的一系列实验成果对音流学的发展起到了承上启下的作用,现代音流学研究中对液体、流体的振动实则都为法拉第波,绝对是音流学不可或缺的一部分。

法拉第在研究声学时,对克拉尼图形及其操作过程和科学原理十分着迷,他认为这是以动“致”静——通过动态方式实现相对的静态平衡,他深信这种现象也会在电线里出现;更令他感到惊讶的是,振动可以从一块金属板传导到附近的另一块金属板,并使其上的沙粒呈现相同图案,这种声学互感现象多多少少的给了他一些灵感,促使他发现那项让他一举成名的电磁感应现象。

法拉第用磁铁来回穿过金属线圈,不断改变其磁通量,产生了稳定的感应电流,验证了自己“磁生电”的假设。这与克拉尼实验中声音振动产生相对静态的图案异曲同工,往复运动的磁铁可以理解为一种振动,而稳定电流则可以看成那些美妙的图案。

法拉第在科研之余,还热衷于组织针对大众,特别是青少年的科普活动。《蜡烛中的化学史》畅销百年,根据他前后6次在皇家学会为青少年举办的科学演讲编辑成书。围绕一根普普通通的蜡烛,他设计了各种实验,以最平实的语言,在轻松愉悦的气氛中,跨多学科讲述科学知识,试图通过分析、解构最普通的事物来揭示整个宇宙的自然规律。法拉第认为,不管观察什么,只要观察的足够仔细,就会涉及整个宇宙。

法拉第曾经表达过自己的想象力爆棚,甚至无法控制,而对现实世界的认知与科学研究则是他管理这不羁想象力的方式。爱因斯坦也说过,想象力比常识更重要,提出问题比解决问题更重要。科学研究的创新精神是老生常谈了,而想象力则是创新力的源泉。想象力可以在某种程度上指导科学发展,而科学反过来又可以将想象变为现实。

“科学家和艺术家说的是同一种语言,尤其是当创造力萌芽的那一刻;当所有事物融为一体的那一刻;当你求获你的问题解法的那一刻。”

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