黑暗中世界仿佛停止轉動（波動中的世界蠟燭中的宇宙）

2023-04-22 05:15:46 4

#頭條創作挑戰賽#

文紙抽盒

如果你身邊恰巧有一個一次性紙杯，倒些水，在桌面上拖動它，仔細觀察水面，會看到極其細微的、近乎靜止的波紋，這並不是由於推拉力的慣性產生的，而是由杯底與桌面摩擦產生的振動而引起的。

我們稱之為「法拉第波」，1831年，這位物理大咖提出著名的電磁感應定律的同一年，發現了這種波。

「法拉第波」（Faraday waves ）以麥克·法拉第（Michael Faraday）的姓氏命名，是一種正在振蕩的容器中液體表面的非線性駐波。當振蕩頻率超過臨界值時，平靜液面就會開始波動，「穩定」狀態就此被打破，這個現象稱為法拉第不穩性（Faraday Instability）。法拉第最早在1831年皇家學會《自然科學會報》裡的一篇文章附錄中提到了法拉第波。

法拉第波，來源：nldlab.gatech.edu

法拉第波通常出現在兩種流體的交界面處，用振動裝置作用於盛有液體的容器底部，發出垂直方向的正弦波振動，液面不再平靜，與空氣交界處出現的波動即是法拉第波。值得注意的是，法拉第波並不是振動裝置發出的波，而是液體受到振動裝置與容器的共振影響，在液面形成的波。

as科學藝術研究中心曾多次介紹音流學及其相關內容，雖然在法拉第生活的年代，音流學還沒有被明確命名，但是「音流學第一人」德國物理學家、音樂家克拉尼（Ernst Chladni）的一些列實驗及其成果，卻對法拉第的科學研究產生了深遠的影響。

克拉尼圖形的形成，來源：wikipedia

克拉尼在薄金屬板上灑滿沙粒，並用小提琴弓摩擦金屬板，使它產生振動，在產生聲音的同時，沙粒呈現出美妙的圖案，隨著拉弓位置和金屬板厚度的變化，圖案也會有所不同。

音流學圖案的本質是駐波，主要發生在液體表面的法拉第波也是一種駐波，同樣能產生具有數學對稱美感的圖案。經過了半年專注的實驗與觀察，法拉第預見性的指出，對液體表面這類圖案的研究必將極大地促進對液體波動的研究。正如他所說，法拉第波的一系列實驗成果對音流學的發展起到了承上啟下的作用，現代音流學研究中對液體、流體的振動實則都為法拉第波，絕對是音流學不可或缺的一部分。

也許是富有藝術神秘感的克拉尼圖像啟發了這位科學家，也許科學研究本就需要一些聯想發散思維，法拉第在克拉尼實驗的基礎上嘗試各種其他實驗介質可能性，用水、蛋清以及不同的油代替沙粒進行振動，他認為這種可見的流體振動現象與不可見的電流、電子的特性具有一定的關聯和研究意義，並且可以將磁極散發出的磁力與水面上的振動，或被聲音振動的空氣進行類比。

1831 年，法拉第在一篇關於克拉尼圖案的論文附錄中寫道：「當振動發聲的金屬板的上表面覆蓋一層水時，水通常在振動中心附近呈現出漂亮的「酥皮」表面（Crispated Appearance）。」法拉第提到的「酥皮」也許是來源於英國傳統食物酥皮肉派表皮紋理。

酥皮肉派，來源：culinaryginger

法拉第在研究聲學時，對克拉尼圖形及其操作過程和科學原理十分著迷，他認為這是以動「致」靜——通過動態方式實現相對的靜態平衡，他深信這種現象也會在電線裡出現；更令他感到驚訝的是，振動可以從一塊金屬板傳導到附近的另一塊金屬板，並使其上的沙粒呈現相同圖案，這種聲學互感現象多多少少的給了他一些靈感，促使他發現那項讓他一舉成名的電磁感應現象。

法拉第用磁鐵來回穿過金屬線圈，不斷改變其磁通量，產生了穩定的感應電流，驗證了自己「磁生電」的假設。這與克拉尼實驗中聲音振動產生相對靜態的圖案異曲同工，往復運動的磁鐵可以理解為一種振動，而穩定電流則可以看成那些美妙的圖案。

現代生活中常見的無線供電，就是利用了電磁感應原理，像是聲音和振動從一塊金屬板通過空氣傳向另一塊，電流也可以通過看不見的磁場「隔空投送」。

其實，在法拉第之前，有很多科學家試圖實現持續穩定的電磁感應，而只有法拉第嘗試利用「動態」的方式，取得了突破，獲得了穩定的電流。後來發電機、交流電的發明，都與電磁感應定律密不可分。不論是以動「致」靜，還是「隔空感應」，我們都可以看到克拉尼實驗的影子，這或許就是科學的傳承吧。

有趣的是，近年來，科學家發現法拉第波引發的「行走的液滴」現象呈現出類量子行為，科學界將這種毫米級液滴在震蕩液體表面通過與自身誘導波場的共振作用自我推進的現象與量子力學中的「雙縫幹涉」、「單粒子衍射」、「量子隧穿」、「自旋態」等現象進行類比，使理論偏多的量子領域現象實體化、動態化、視覺化，更容易被理解。看來類比法在科學研究中應用比較廣泛，科學的發展不僅要遵循嚴謹的邏輯與實驗，還要有一定的聯想力、想像力。

行走液滴，來源：APS Physics

法拉第在科研之餘，還熱衷於組織針對大眾，特別是青少年的科普活動。《蠟燭中的化學史》暢銷百年，根據他前後6次在皇家學會為青少年舉辦的科學演講編輯成書。圍繞一根普普通通的蠟燭，他設計了各種實驗，以最平實的語言，在輕鬆愉悅的氣氛中，跨多學科講述科學知識，試圖通過分析、解構最普通的事物來揭示整個宇宙的自然規律。法拉第認為，不管觀察什麼，只要觀察的足夠仔細，就會涉及整個宇宙。

「英國皇家學會聖誕演講」活動由法拉第發起，眾多諾貝爾獎獲得者都被邀請為演講嘉賓，內容涉及各科學領域。

點燃一根蠟燭，瞥見整個宇宙。

首先，從製作蠟燭的材料和製作分析，自然界的各種物質如何被「搓」成一根蠟燭？什麼樣的材質可以「安全的」燃燒？不同的材料是否能產生不同的火焰？

接著，點燃蠟燭，火焰在燭芯上翩翩起舞，而下方的蠟才是「燃料」，那這燃料是如何反重力輸送的呢？這像不像是電流通過電線給電燈供電呢？

再從燃燒產生的現象分析，燃燒以後周邊環境發生了什麼變化？蠟燭自身發生了什麼變化？所有的現象和變化之間有什麼聯繫？是因果的還是平行的？

那麼，蠟融化了，光發亮了，熱傳開了，除了這些可觀、可感的現象，蠟燭的燃燒還伴生了什麼看不見、摸不著的微妙產物呢？

《蠟燭中的化學史》英文首版，來源：wikipedia

再繼續發散下去，就像分叉的樹枝一樣，一生二，二生三，三生萬物，源源不斷出現新的問題和新的可能性，而這一切都是從同一起點出發的。

也許，所謂的起點和終點其實是同一點，是那些走過的旅程、看過的風景使它們變得不同，或者說，這些旅程和風景，同時讓我們參透它們又如此相同。法拉第經過大量的實驗，得到的另一項重要科學成就——「法拉第電解定律」，闡述了電場力與化學變化的關係，將電學與化學兩大領域聯繫起來，得到統一，人們發現表面上明顯不同的兩件事情實則為同一事情的不同方面。可謂「天地與我並生，而萬物與我為一」。

法拉第曾經表達過自己的想像力爆棚，甚至無法控制，而對現實世界的認知與科學研究則是他管理這不羈想像力的方式。愛因斯坦也說過，想像力比常識更重要，提出問題比解決問題更重要。科學研究的創新精神是老生常談了，而想像力則是創新力的源泉。想像力可以在某種程度上指導科學發展，而科學反過來又可以將想像變為現實。

Science wins when its wings are uninhibited with imagination

——Michael Faraday

「想像發則科學達。」 ——麥克·法拉第

從一種事物想像到另一種事物，是藝術創作中經常使用的「聯想發散法」，法拉第受到克拉尼的啟發，用液體代替沙子，發現了法拉第波，進而聯想到電與磁的關係，從而發現了電磁感應；法拉第提出「場」（Field）的概念，這個詞與生活聯繫緊密，趨於激發視覺聯想，易於理解；在法拉第波上「行走的液滴」被用來比擬量子行為，則像極了藝術創作中的「比喻」、「類比」，富有想像力的將兩種看似不相干的事物連結，使繁複的理論更易理解，更具詩意，也能使普通的事物煥發意想不到的魅力。

「科學家和藝術家說的是同一種語言，

尤其是當創造力萌芽的那一刻；

當所有事物融為一體的那一刻；

當你求獲你的問題解法的那一刻。」

---阿瑟·I·米勒

或許，科學與藝術本同宗同源，或許，科學，多想一點又何妨？