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，這并不是由于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(fā)現(xiàn)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(wěn)定 " 狀態(tài)就此被打破，這個現(xiàn)象稱為法拉第不穩(wěn)性（FaradayInstability）。法拉第最早在 1831 年皇家學會《自然科學會報》里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(xiàn)在兩種流體的交界面處，用振動裝置作用于盛有液體的容器底部，發(fā)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(xiàn)的波動即是法拉第波。值得注意的是，法拉第波并不是振動裝置發(fā)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，并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(xiàn)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(fā)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(shù)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(fā)展起到了承上啟下的作用，現(xiàn)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(fā)了這位科學家，也許科學研究本就需要一些聯(lián)想發(fā)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(xiàn)象與不可見的電流、電子的特性具有一定的關聯(lián)和研究意義，并且可以將磁極散發(fā)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，法拉第在一篇關于克拉尼圖案的論文附錄中寫道：" 當振動發(fā)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(xiàn)出漂亮的" 酥皮 " 表面（Crispated Appearance）。" 法拉第提到的 " 酥皮 " 也許是來源于英國傳統(tǒng)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(tài)方式實現(xiàn)相對的靜態(tài)平衡，他深信這種現(xiàn)象也會在電線里出現(xiàn)；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，并使其上的沙粒呈現(xiàn)相同圖案，這種聲學互感現(xiàn)象多多少少的給了他一些靈感，促使他發(fā)現(xiàn)那項讓他一舉成名的電磁感應現(xiàn)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(wěn)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(tài)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(wěn)定電流則可以看成那些美妙的圖案。

現(xiàn)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(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的電磁感應，而只有法拉第嘗試利用" 動態(tài) " 的方式，取得了突破，獲得了穩(wěn)定的電流。后來發(fā)電機、交流電的發(fā)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(fā)現(xiàn)法拉第波引發(fā)的" 行走的液滴 "現(xiàn)象呈現(xiàn)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(xiàn)象與量子力學中的 " 雙縫干涉 "、" 單粒子衍射 "、" 量子隧穿 "、" 自旋態(tài) " 等現(xiàn)象進行類比，使理論偏多的量子領域現(xiàn)象實體化、動態(tài)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(fā)展不僅要遵循嚴謹?shù)倪壿嬇c實驗，還要有一定的聯(lián)想力、想象力。

行走液滴，來源：APS Physics

法拉第在科研之余，還熱衷于組織針對大眾，特別是青少年的科普活動。《蠟燭中的化學史》暢銷百年，根據(jù)他前后 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，在輕松愉悅的氣氛中，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(guī)律。法拉第認為，不管觀察什么，只要觀察的足夠仔細，就會涉及整個宇宙。

英國皇家學會圣誕演講（由 1825 年延續(xù)至今的 " 英國皇家學會圣誕演講 " 活動由法拉第發(fā)起，一年一度，眾多諾貝爾獎獲得者都被邀請作為演講嘉賓，內容涉及各個科學領域。）來源：wikipedia

點燃一根蠟燭，瞥見整個宇宙。

首先，從制作蠟燭的材料和制作分析，自然界的各種物質如何被 " 搓 " 成一根蠟燭？什么樣的材質可以 " 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(xiàn)象分析，燃燒以后周邊環(huán)境發(fā)生了什么變化？蠟燭自身發(fā)生了什么變化？所有的現(xiàn)象和變化之間有什么聯(lián)系？是因果的還是平行的？

那么，蠟融化了，光發(fā)亮了，熱傳開了，除了這些可觀、可感的現(xiàn)象，蠟燭的燃燒還伴生了什么看不見、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(xù)發(fā)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(xiàn)新的問題和新的可能性，而這一切都是從同一起點出發(fā)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系，將電學與化學兩大領域聯(lián)系起來，得到統(tǒng)一，人們發(fā)現(xiàn)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" 天地與我并生，而萬物與我為一 "。

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

Science wins when its wings areuninhibited with imagination

—— Michael Faraday

" 想象發(fā)則科學達。" ——麥克 · 法拉第

從一種事物想象到另一種事物，是藝術創(chuàng)作中經常使用的" 聯(lián)想發(fā)散法 "，法拉第受到克拉尼的啟發(fā)，用液體代替沙子，發(fā)現(xiàn)了法拉第波，進而聯(lián)想到電與磁的關系，從而發(fā)現(xiàn)了電磁感應；法拉第提出 " 場 "（Field）的概念，這個詞與生活聯(lián)系緊密，趨于激發(fā)視覺聯(lián)想，易于理解；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(chuàng)作中的" 比喻 "、" 類比 "，富有想象力的將兩種看似不相干的事物鏈接，使繁復的理論更易理解，更具詩意，也能使普通的事物煥發(fā)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(chuàng)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？