波动中的世界，蜡烛中的宇宙

文 纸抽盒

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性（FaradayInstability）。法拉第最早在 1831 年皇家学会《自然科学会报》里的一篇文章附录中提到了法拉第波。

法拉第波，来源：nldlab.gatech.edu

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。

as 科学艺术研究中心曾多次介绍音流学及其相关内容，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。

克拉尼图形的形成，来源：wikipedia

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，随着拉弓位置和金属板厚度的变化，图案也会有所不同。

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。

也许是富有艺术神秘感的克拉尼图像启发了这位科学家，也许科学研究本就需要一些联想发散思维，法拉第在克拉尼实验的基础上尝试各种其他实验介质可能性，用水、蛋清以及不同的油代替沙粒进行振动，他认为这种可见的流体振动现象与不可见的电流、电子的特性具有一定的关联和研究意义，并且可以将磁极散发出的磁力与水面上的振动，或被声音振动的空气进行类比。

1831 年，法拉第在一篇关于克拉尼图案的论文附录中写道：" 当振动发声的金属板的上表面覆盖一层水时，水通常在振动中心附近呈现出漂亮的" 酥皮 " 表面（Crispated Appearance）。" 法拉第提到的 " 酥皮 " 也许是来源于英国传统食物酥皮肉派表皮纹理。

酥皮肉派，来源：culinaryginger

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。

现代生活中常见的无线供电，就是利用了电磁感应原理，像是声音和振动从一块金属板通过空气传向另一块，电流也可以通过看不见的磁场 " 隔空投送 "。

其实，在法拉第之前，有很多科学家试图实现持续稳定的电磁感应，而只有法拉第尝试利用" 动态 " 的方式，取得了突破，获得了稳定的电流。后来发电机、交流电的发明，都与电磁感应定律密不可分。不论是以动 " 致 " 静，还是 " 隔空感应 "，我们都可以看到克拉尼实验的影子，这或许就是科学的传承吧。

有趣的是，近年来，科学家发现法拉第波引发的" 行走的液滴 "现象呈现出类量子行为，科学界将这种毫米级液滴在震荡液体表面通过与自身诱导波场的共振作用自我推进的现象与量子力学中的 " 双缝干涉 "、" 单粒子衍射 "、" 量子隧穿 "、" 自旋态 " 等现象进行类比，使理论偏多的量子领域现象实体化、动态化、视觉化，更容易被理解。看来类比法在科学研究中应用比较广泛，科学的发展不仅要遵循严谨的逻辑与实验，还要有一定的联想力、想象力。

行走液滴，来源：APS Physics

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。

英国皇家学会圣诞演讲（由 1825 年延续至今的 " 英国皇家学会圣诞演讲 " 活动由法拉第发起，一年一度，众多诺贝尔奖获得者都被邀请作为演讲嘉宾，内容涉及各个科学领域。）来源：wikipedia

点燃一根蜡烛，瞥见整个宇宙。

首先，从制作蜡烛的材料和制作分析，自然界的各种物质如何被 " 搓 " 成一根蜡烛？什么样的材质可以 " 安全的 " 燃烧？不同的材料是否能产生不同的火焰？

接着，点燃蜡烛，火焰在烛芯上翩翩起舞，而下方的蜡才是 " 燃料 "，那这燃料是如何反重力输送的呢？这像不像是电流通过电线给电灯供电呢？

再从燃烧产生的现象分析，燃烧以后周边环境发生了什么变化？蜡烛自身发生了什么变化？所有的现象和变化之间有什么联系？是因果的还是平行的？

那么，蜡融化了，光发亮了，热传开了，除了这些可观、可感的现象，蜡烛的燃烧还伴生了什么看不见、摸不着的微妙产物呢？

《蜡烛中的化学史》英文首版，来源：wikipedia

再继续发散下去，就像分叉的树枝一样，一生二，二生三，三生万物，源源不断出现新的问题和新的可能性，而这一切都是从同一起点出发的。

也许，所谓的起点和终点其实是同一点，是那些走过的旅程、看过的风景使它们变得不同，或者说，这些旅程和风景，同时让我们参透它们又如此相同。法拉第经过大量的实验，得到的另一项重要科学成就——" 法拉第电解定律 "，阐述了电场力与化学变化的关系，将电学与化学两大领域联系起来，得到统一，人们发现表面上明显不同的两件事情实则为同一事情的不同方面。可谓" 天地与我并生，而万物与我为一 "。

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。

Science wins when its wings areuninhibited with imagination

—— Michael Faraday

" 想象发则科学达。" ——麦克 · 法拉第

从一种事物想象到另一种事物，是艺术创作中经常使用的" 联想发散法 "，法拉第受到克拉尼的启发，用液体代替沙子，发现了法拉第波，进而联想到电与磁的关系，从而发现了电磁感应；法拉第提出 " 场 "（Field）的概念，这个词与生活联系紧密，趋于激发视觉联想，易于理解；在法拉第波上 " 行走的液滴 " 被用来比拟量子行为，则像极了艺术创作中的" 比喻 "、" 类比 "，富有想象力的将两种看似不相干的事物链接，使繁复的理论更易理解，更具诗意，也能使普通的事物焕发意想不到的魅力。

" 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。"

--- 阿瑟 · I · 米勒

或许，科学与艺术本同宗同源，或许，科学，多想一点又何妨？