光学史上的那些人儿---法拉第
第二十四章 法拉第光学
《法拉第光学》
磁光旋转见真章，电涌星痕旋舞狂。
电磁奥秘由此启，照彻物理新方向。
1 法拉第与光的故事
在19世纪的伦敦，一位出身贫寒的青年，凭借对科学近乎痴迷的热情，用双手和头脑改写了人类对自然的认知。他就是迈克尔·法拉第（Michael Faraday），一个将电磁学推向巅峰的名字。然而，鲜为人知的是，这位“电学之父”同样在光学领域留下了深刻的足迹，尤其是他将光与磁的神秘联系揭示于世的壮举，为现代物理学奠定了基石。
1813 年深秋，伦敦皇家学会的地下室里，22 岁的迈克尔・法拉第正弓着背擦拭玻璃器皿。这个出身铁匠家庭的装订工学徒，因偶然获得化学家汉弗莱・戴维的讲座门票，凭借工整的笔记和狂热的求知欲，终于以 “实验室助手” 的身份踏入科学殿堂。此时的他尚未意识到，未来三十余年，他将用最原始的实验装置，叩开光学与电磁学交融的大门。
戴维的欧洲游学之旅（1813-1815）成了法拉第的 “流动课堂”。在巴黎，他目睹了盖 - 吕萨克的气体实验；在意大利，他见证了伏打的电堆演示。这些经历让他坚信：自然力的统一性是解开宇宙奥秘的钥匙。1821 年，他因发明第一台电动机卷入学术争议，被戴维刻意调往光学玻璃委员会，这一 “惩罚” 却意外为他的光学研究埋下伏笔。
19 世纪 20 年代，英国光学玻璃制造技术落后于法德。法拉第在伦敦的玻璃作坊里，像炼金术士般调配着硅、硼、铅的氧化物。他用铂坩埚熔炼出硅酸硼铅玻璃，这种 “重玻璃” 密度是普通玻璃的两倍，折射率高达 1.65，却因内部应力过大而频繁开裂。经过六年（1825-1831）的反复试验，他终于掌握了搅拌熔融玻璃的技术，使材料均匀性达到前所未有的精度。
1830 年，当他将一块直径 30 厘米的重玻璃样品交给皇家学会时，台下的天文学家们惊叹：“这将彻底改变望远镜的分辨率！” 但法拉第的目光早已投向更远的领域 —— 他注意到，当强电流通过重玻璃时，其折射特性会发生微弱变化。这个发现如星火般点燃了他对 “光 - 电关联” 的猜想。
图1：1856年，迈克尔·法拉第在英国皇家学会发表圣诞演讲
1831年，他发现了电磁感应，奠定了发电机的基础。但这位永不停歇的探索者并未止步于此。他始终坚信，自然界的力之间必然存在某种深刻的统一性。“光、电、磁，它们难道不是同一枚硬币的两面吗？” 他曾在日记中写道。
1845年9月的一个下午，法拉第正在用一块沉重的铅玻璃进行实验，这是一种他自己精心准备的物质。 他将一束偏振光照射到玻璃上，玻璃放置在一个强大的电磁铁的两极之间。 他没抱任何期望。
但是，他看到了。起初，视野中只有均匀的光斑，但当他将磁场强度调至 5000 高斯时，奇迹发生了：偏振面旋转了 45 度！
法拉第停了下来，屏住了呼吸。 他重复了这个实验，调整磁场的强度，仔细记录旋转的角度。 这种效应是不可否认的、可重复的、可测量的。 他找到了！ 光和磁之间的联系。
这个现象颠覆了当时的认知。法拉第在日记中写道：“光与磁的关联不再是空想。” 他用数学公式描述旋转角 θ 与磁场强度 B 和玻璃长度 L 的关系：θ=VBL，其中 V 是与材料相关的 “费尔德常数”。更惊人的是，旋转方向仅由磁场方向决定，与光的传播方向无关 —— 这意味着光在往返路径中会积累双倍旋转角，而天然旋光物质（如石英）的旋转方向会随传播方向反转。
他将这种现象称为“磁光效应”，后来被称为“法拉第效应”。 这是一个开创性的发现，是两个看似截然不同的物理学领域之间的桥梁。
法拉第并未止步。他发现所有物质（包括气体和真空）都具有磁性：顺磁性物质沿磁场排列，抗磁性物质则垂直于磁场。1847 年，他用电磁铁将火焰偏转，证明了气体的磁效应。这些实验为后来的光谱分析、磁光存储技术（如光盘）奠定了基础。
法拉第的光学研究是一场跨越四十年的冒险。他用重玻璃捕捉光的奥秘，用电磁铁揭示磁的本质，最终在光与磁的交织中窥见了电磁统一的曙光。正如他在 1846 年演讲中所说：“自然的力量如同乐章，光与磁不过是不同声部的共鸣。” 这个从装订工成长为科学巨匠的传奇，至今仍在提醒我们：最伟大的发现，往往诞生于最质朴的好奇心与最执着的探索。
2 法拉第的光学
迈克尔・法拉第最广为人知的成就可能是电磁感应现象的发现、对电气工程和电化学的贡献，以及他在物理学中引入 "场" 概念来描述电磁相互作用的创举。但鲜为人知的是，他还对光的电磁理论做出了基础性贡献。
就在 170 年前的 1845 年，法拉第发现磁场会影响偏振光 —— 这一现象被称为磁光效应或法拉第效应。具体而言，他观察到当一束线偏振光入射到玻璃时，若沿光束传播方向施加磁场，其振动面会发生旋转。这是证明电磁现象与光存在关联的首批证据之一。次年（1846 年 5 月），法拉第发表了《论射线振动》一文，在这篇具有前瞻性的论文中，他推测光可能是电力线和磁力线的振动。
法拉第的探索精神并未止步于发现电与磁的关联，他还试图探明磁场是否会对光学现象产生作用。他相信自然界所有力的统一性，尤其是光、电、磁的统一性。法拉第在其《日记》第 7504 段中写道：
Today worked with lines of magnetic force, passing them across different bodies (transparent in different directions) and at the same time passing a polarized ray of light through them (…) there was an effect produced on the polarized ray, and thus magnetic force and light were proved to have relation to each other。
今日研究磁力线，使其穿过不同物质（透明体在不同方向），同时让一束偏振光穿过它们（……）偏振光束受到了影响，由此证明磁力与光之间存在关联。
这无疑是首次明确证明磁力与光存在关联的证据，同时也表明光与电磁现象密切相关。关于这一现象，法拉第在同一段落中还写道：
This fact will most likely prove exceedingly fertile and of great value in the investigation of both conditions of natural force。
这一事实极有可能在探索自然力的两种状态时，展现出极其丰硕的成果与重大价值。
他没有错。这一效应是光的电磁理论的基石之一。
图2法拉第效应引起的极化旋转
然而，法拉第的这一观点在当时遭到广泛质疑并被所有人摒弃，直到 1865 年麦克斯韦（Maxwell）发表题为《电磁场的动力学理论》的论文。在这篇论文中，麦克斯韦不仅阐述了他具有开创意义的光电磁理论 ，还将最终构成其理论基础的思想归功于法拉第的《论射线振动》。在论文第 466 页，麦克斯韦以其一贯谦逊的态度如此评价法拉第 1846 年的论文：
The conception of the propagation of transverse magnetic disturbances to the exclusion of normal ones is distinctly set forth by Professor Faraday in his ‘Thoughts on Ray Vibrations’. The electromagnetic theory of light, as proposed by him [Faraday], is the same in substance as that which I have begun to develop in this paper, except that in 1846 there were no data to calculate the velocity of propagation
法拉第教授在其《论射线振动》中清晰地阐述了排除纵向扰动、传播横向磁扰动的概念。他所提出的光的电磁理论，与我在本文中着手构建的理论，本质上是一致的。只不过在 1846 年那个时候，还没有可用于计算传播速度的数据。
Faraday discovered that when a plane polarized ray transverses a transparent diamagnetic medium in the direction of the lines of magnetic force produced by magnets or currents in the neighbourhood, the plane of polarization is caused to rotate
法拉第发现，当一束平面偏振光沿着由附近的磁体或电流所产生的磁力线方向穿过一种透明的抗磁介质时，其偏振面会发生旋转。
虽然迈克尔·法拉第主要因其在电学和磁学方面的开创性工作而被人们记住，但他对法拉第效应的发现是光学史上的关键时刻。它提供了光与电磁之间联系的第一个直接实验证据，为麦克斯韦的电磁理论和现代磁光学的发展铺平了道路。
附24法拉第简介
迈克尔・法拉第（Michael Faraday，1791 年 9 月 22 日－1867 年 8 月 25 日）是英国著名的物理学家和化学家，被誉为 “电学之父”。他出身贫寒，自学成才，通过实验研究彻底改变了人类对电磁现象的理解，其贡献深刻影响了现代科学与技术。
1791年9月22日出生于英国萨里郡纽因顿（现属伦敦）一个贫苦铁匠家庭。父亲詹姆斯·法拉第体弱多病，家庭收入微薄，常靠亲友接济度日。
1805年，他被一位名叫乔治·里鲍的当地装订商和书商收为学徒。 这份看似平凡的工作被证明对法拉第来说是变革性的。 他可以接触到大量的书籍，并以永不满足的好奇心吞噬它们。 他特别着迷于科学科目，尤其是化学和电学。 他一丝不苟地阅读和学习《不列颠百科全书》，并在业余时间参加讲座以扩展他的知识。 他甚至一丝不苟地重复书中所述的实验，建造自己的简易仪器。
1812年，法拉第通过聆听著名化学家汉弗里·戴维（Humphry Davy）的讲座，戴维是一位著名的化学家，也是皇家研究所的所长。 法拉第深受戴维的讲座的启发，他一丝不苟地做了笔记，将它们装订成一册，并连同一份谦卑的求职信寄给了戴维。起初，戴维并没有留下深刻的印象，但当戴维的一位实验室助理在一次争吵后被解雇时，情况发生了转机。 戴维想起了法拉第，并向他提供了1813年在皇家研究所担任实验室助理的职位。 这对法拉第来说是一个梦想成真，他渴望抓住这个机会与当时领先的科学家一起工作。
法拉第很快证明自己是一位勤奋而足智多谋的实验室助理。 他协助戴维进行实验、清洁设备并执行其他卑微的任务。 然而，他也抓住机会尽可能多地向戴维学习，并进行自己的独立研究。
随着时间的推移，法拉第的才能和奉献精神越来越明显。 他于1816年发表了他的第一篇科学论文，分析了托斯卡纳石灰。并于1824年当选为皇家学会会员。 他逐渐在皇家研究所晋升，最终于1825年成为所长。
1821年，发明第一台实用电动机（电磁旋转装置）。他证明了载有电流的导线会持续绕着磁铁旋转，或者反过来，磁铁会绕着载流导线旋转。 这种简单的装置提供了将电能转化为机械能的第一次实际演示。
1830年，通过他对电解的一丝不苟的实验，法拉第建立了通过电解质的电量与产生的化学变化量之间的定量关系。 这些定律是电化学的基础。
1831年，这可以说是法拉第最伟大的成就。制成圆盘发电机（法拉第盘），发现了电磁感应。 他意识到变化的磁场可以在附近的导体中感应出电流。 他通过将两根线圈绕在一个铁环上来说明这一点。 当他通过一个线圈通入电流时，他观察到另一个线圈中短暂的电流流动，即使它们之间没有直接的电气连接。 这一发现为电发电机和变压器奠定了基础，它们是现代电力系统的重要组成部分。
1834 年，法拉第制定了他的电解定律，这些定律指出在电解过程中，在电极上沉积或溶解的物质的量与通过电解质的电量成正比。 这些定律为电和化学反应之间提供了关键的联系。
1845年，发现磁场可使偏振光的振动平面发生旋转（磁光效应），首次证明光、电、磁之间的内在联系， 即磁光效应。
1846 年提出光可能是 “力线振动” 的假说，挑战当时主流的 “以太” 理论，后经麦克斯韦发展为光的电磁理论。
法拉第在晚年继续他的研究工作，尽管健康状况逐渐恶化。迈克尔·法拉第于 1867 年 8 月 25 日在他的伦敦附近的汉普顿宫的家中去世。 他被埋葬在海格特公墓。
法拉第的发现彻底改变了我们对电和磁的理解，并为现代电气技术奠定了基础。 他的电磁感应定律是发电机、变压器和许多对现代生活至关重要的其他设备的基础。 他对电化学的贡献也对化学工业和分析化学产生了深远的影响。
