【轨物洞见】从电磁感应现象的发现和应用理解科学、技术、工程的关系

news2024/9/23 3:33:00

        电磁感应现象是19世纪以来人类最伟大的发现。有了这个发现,才有后来电和无线电这两大改变人类命运的技术,第二次、第三次工业革命才会发生,人类财富才会猛增、我们的生活才会越来越美好。

        让我们来回顾一下电磁感应现象的发现和应用,更加深刻地理解科学、技术与工程之间的紧密关系,让我们能更好地进行科技创新,将科技转化为优质生产力。

        19世纪的英国是伟大的,人类第一次工业革命的诞生地,近代物理学的发源地,群星闪耀,牛顿、培根、达尔文等大师级人物不断涌现。出身贫寒的法接第没上过几年学就出来打工,但人家就是爱学习,一有时间就到书店蹭书看。年少的法接第非常积极,主动跑到英国著名化学家汉弗里·戴维那里毛遂自荐,非要给人家扫地倒水打杂,然后暗地里偷师学艺,把握机会取得大师的认可,成为身边的助手,法拉第终获全职做科研的机会。1831年10月17日,法拉第首次发现电磁感应现象:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。但人家没有因为是搞化学的,对这个物理现象一笑而过,而是记在了心里头,在1831年10月28日发明了圆盘发电机,这是人类创造出的第一个发电机。

        法拉第发现了电磁感应现象,也设计了实验装置,能捕获这种现象,但是还不知道怎么利用。根据《技术的本质》作者阿瑟的定义:技术是被捕获并加以利用的现象的集合,或者说,技术是对现象有目的的编程,所以法拉第只是发现并捕获了电磁感应现象,但并没有根据这个现象发明出真正有用的技术。

        法拉第毕竟没上过几年学,没受过系统性的理论训练,无法讲清楚现象背后的原理,更不会用数学公式描述出来。这个工作得由富家子弟、剑桥大学高材生麦克斯韦来完成。

        40年之后,法拉第的老乡英国科学家麦克斯韦在《电磁学通论》一书中全面地总结了19世纪中叶之前库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等人的系列发现和实验结果,通过科学的假设和合理的逻辑思维,第一次完整地建立了电场理论体系,将电场理论用简洁、对称、美观的数学形式表示出来。麦克斯韦方程与牛顿的万有引力方程、爱因斯坦的质能守恒方程被称为人类历史上的最美三大方程。

麦克斯韦方程完美地解释了电感现象背后的规律和原理。科学是对现象背后规律的总结和描述,好的科学不但能解释过去,还能预测未来。科学家麦克斯韦根据电磁波理论断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。但麦克斯韦是理论派,动手能力差一点,无法用用实验证实了电磁波的存在,这个工作得交给后来的德国物理学家赫兹。

       1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。

        电磁感应和电磁波都是自然界本来就存在的现象,只不过是以前人类没发现而已,特别是电磁波先是科学理论推导出它的存在,然后是人类苦苦寻觅之后才被发现和捕获,正是“因为相信而看见”的现象。这里还是要感叹一下:人只能看见认知范围内的东西,人这一生,要活到老、学到老,不断突破自己的认知边界。

        介绍到此,电磁感应和电磁波这两个现象被人们发现了、捕获了,但没被用起来,离成为技术还差一点。让我们先来看看,基于电磁感应现象的技术和工程应用。

        欧洲人捕获了电磁感应现象,完善了理论依据,美国人则奉行“拿来主义”,在这些成果之上,进一步发明了直流电和交流电技术,并结合电灯、电力线传输等其他技术给出了关于人类照明的完整解决方案。解决方案的设计及落地实施就是一个工程,当科学和技术用来解决工程问题时,才逐渐被大众所熟知。说到电,离不开爱迪生、特斯拉这两个伟大人物,他们不单单是发明家,更是工程师,创新者,他们给人类带来“光”。“一山不能容二虎”,这两位相互嫌弃、相互拆台,相恨一生,令人唏嘘。顺便提一下,他们都是不怎么成功的企业家,可能是这两位太喜欢“斗”了,商业讲究“以和为贵”。

        接下来讲讲电磁波的事情。在19世纪中叶还是一个“通讯基本靠吼”的时代,也许飞鸽传书和快马加急还是当时最快的通讯方式之一。当麦克斯韦预言的电磁波最终被赫兹的实验所证实时,人们对电磁波的应用同样充满了期待。1894年,意大利的一名年仅20岁的年青人伽利尔摩·马可尼注意到了赫兹的实验,他敏锐地意识到电磁波的传输不需要实际的线路,直接在空中就可以传播因此电磁波可能具有更远的传播距离。一年后,马可尼制作了一个可以发射无线电波的机器,具有商业头脑的他紧接着申请了发明专利并注册了公司。1899年,马可尼用他的仪器证明了电磁波确实可以远距离传输--在英吉利海峡的彼岸接收到了他发射的电磁波信号!神奇的无线电波传输距离的记录还在不断地被马可尼刷新,1901年,马可尼再次将无线电信息成功地穿越大西洋(从英国到加拿大),1910年则从爱尔兰传到了阿根廷!

        无线电报是第一个深刻影响人类生活、基于电磁波现象的技术发明,从此之后,雷达、广播、电视、手机等一个个技术接踵而来,将人类带入了一个全新的时代。

        电磁感应现象的发现带来了电力技术和无线电技术,改变人类的能源结构和信息传播的方式,深刻地影响了人类生活。电磁感应现象是19世纪以来人类最伟大的发现,致敬做出伟大贡献的大师们。

        最后关于技术、科学和工程做一下总结:

1、技术是被捕获并加以利用的现象的集合,或者说,技术是对现象有目的的编程。技术来源于自然,又作用于自然。

2、科学描述的是现象背后的规律和因果,数学是科学的语言。科学提供捕获现象、为我所用的方法。科学能解释过去,预测未来,科学能教我们“相信而看见”。

3、技术是有形的,科学是无形的; 技术重于表象,科学重于本质;技术和科学都源于自然现象,相互成就; 离开了身处的环境,原先好用的科学、技术可能就会彻底失效。

4、工程是一个复杂问题的解决方案设计和实施过程,是运用科学、技术解决问题的过程。科学、技术是工具,工程是目标。

5、工程师往往指的是既懂科学、又懂技术,并能解决问题的人; 老师傅对有技术、有经验,并能解决现场问题的人的尊称,老师傅往往缺少理论分析能力。科学、技术都要懂,才能知其然,并知其所以然。

6、科学、技术源于自然,又通过工程改造自然。自然一改变,科学技术就要变,新问题就会来,人类又要折腾。有的时候,“老子的无为”的确很高明。人还是不要盲目自大,一自大就想要“人定胜天”了,我们需要的不是斗争,而是合作共赢,和谐共处。

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