师：同学们，你们好，欢迎来到物理课堂。今天我们一起来学习高中物理选修3 - 2第四章第一节的内容。今天，我们将与物理大师们来一次亲密接触。首先，第一位大师登场，大家知道这位老人是谁吗？他就是家喻户晓、鼎鼎大名的爱因斯坦。爱因斯坦取得了众多卓越成就，他创立了狭义相对论和广义相对论，提出了光子假设成功解释了光电效应，推动了量子理论的发展。非常了不起的人物，却也有未能完成之事。在爱因斯坦的晚年，他试图统一引力和电磁力，期望建立一个统一理论来解释一切物理现象。
在爱因斯坦的哲学观念里，统一的观点是整体，他坚信自然界应满足简单性。正是这种追求统一简单的思想，促使人们思考四种相互作用之间的关系，并期望将它们统一起来，建立一个“超统一理论”。目前，我们已率先将弱相互作用和电磁相互作用统一起来。在此过程中，温伯格、萨拉姆、格拉肖三位物理学家做出了卓越贡献，他们提出的弱电理论，让他们荣获1979年诺贝尔物理学奖，这是人类向超统一理论迈进的第一步。
当然，在统一之路上我们仍在继续前行。目前，最有希望统一自然界中的各种粒子和四种相互作用的理论是弦论。弦论认为，各种粒子源于一个基本超弦的不同振动，就如同一根弦振动产生不同音调。那么，这些统一理论究竟源于何处？竟源于这个180多年前看起来貌不惊人的线圈——法拉第线圈，它与现代的变压器出奇地相似，现已成为珍贵的科学文物。法拉第线圈是人们在追寻电和磁统一过程中的一个标志，在这个过程中，人们感悟到了物理学蕴含的简单、统一、对称、和谐之美，而这种认识源于对自然的观察。大家看，这是自然界中的对称，这是生活中的，这是建筑中的，建筑之美如此纯粹，难怪人们把建筑称为凝固的艺术。正是这些对称之美，激励着物理学家们去探寻电和磁的统一与对称。那就让我们一起回到波澜壮阔的18世纪。那时，电和磁相对独立发展，包括库仑在内的一些物理学家认为电和磁互不相干。但同时，人们也发现电和磁存在许多相似性与关联。这两种观点针锋相对，引发了一场关于电和磁究竟有无关联的探讨。
到了18世纪末，人们开始思索各种自然现象之间的联系，比如摩擦生热，能将运动转化为热；蒸汽机可将热转化为动力。一些独具慧眼的哲学家，如康德，提出各种自然现象相互联系、相互转化。深受康德思想影响的丹麦物理学家奥斯特说：“物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知的各种零散现象的研究，我们要把整个宇宙容纳在一个体系中。”他坚信电和磁之间必定存在联系。那么，我们该如何探寻电和磁之间的联系呢？怎样让电产生磁呢？可以让一根导线通电，用小磁针在其周围检验是否有磁场。在此之前，1687年牛顿发现了万有引力，大家思考一下，两个物体之间的引力方向有什么特征？想到了吗？两个物体之间的引力在一条直线上。1785年，库仑提出库仑定律，两个点电荷作用力的方向又有何特征呢？同学们再思考一下。原来，两个点电荷之间的作用力方向同样在一条直线上。这样的力我们称之为纵向力。大家试想，如果奥斯特受这种纵向力思想的影响，他会如何设计验证实验呢？我想他可能会把导线和小磁针放置在同一条直线上，奥斯特确实做了大量此类实验，但可惜都失败了。然而，机会总是青睐有准备的人。1820年4月，在奥斯特的一次演讲中，他将南北放置的导线下方放置了一枚小磁针。当电源接通时，小磁针竟然转动了。在场的听众或许并未留意这个现象，但奥斯特敏锐地察觉到了。之后，他又做了一些相关实验，证实电流确实能使小磁针发生偏转，这就是电流的磁效应。电流的磁效应实现了电和磁的第一次“握手”，宛如在黑暗的科学领域打开了一扇大门，使其充满光明。
我们回过头来分析一下，奥斯特之前的实验为何失败？是因为思维定式，他认为电和磁之间的作用力可能也是纵向力。失败了这么多次，奥斯特为何还要坚持？因为他心中有一个坚定的信念，坚信电和磁之间一定存在联系。正是这种信念，让他在思想上时刻准备着，当机会来临时便能抓住。最后他为什么成功了呢？我们如今知道，电流和磁之间的作用力是一种垂直于电流方向的力，我们称其为横向力，这种横向力是对纵向力的挑战与创新。奥斯特的发现震动了整个科学界，引发了同向思维的迁移，同时还引发了对称性的逆向思考。既然电能生磁，那么磁能不能生电呢？关于电和磁的一个崭新领域就此开启，许多科学家基于对称之美坚信，既然电能生磁，磁也一定能生电，他们积极投入到相关研究中。其中代表人物首推法拉第，他凭借绕在一个铁环上的两个线圈，第一个实现了磁生电的梦想。那就让我们一起闭上眼睛，回到19世纪初期，回到法拉第曾经学习、工作的地方，重走大师的追梦之路，重温大师的思维历程。
在法拉第那个年代，人们获取电的方式是通过伏打电堆，但伏打电堆体积庞大，产生的电流却十分微弱。法拉第对这种获取电的方式并不满意，同时，他敏锐地察觉到磁生电或许有着美好的发展前景，有可能大规模应用于生产。村上春树说过：“对以往知识的熟知和对新鲜事物及其发展前景的敏感，是一个人创造力的源泉。”这便是法拉第研究的起点。
在法拉第所处的时代，科学界对电和磁的认识还很混乱，许多概念尚未建立，甚至认为电有多种类型，把摩擦起电产生的电称为“摩擦电”，把伏打电堆产生的电称为“伏打电”。我们知道，摩擦起电可产生静电，且感应出的静电是稳定的；奥斯特发现的电流磁效应，是由伏打电流感应出磁场，且感应出的磁场也是稳定的。法拉第依据对称思想，认为既然这几种现象能够发生，那么磁生电也理应能够实现，而且他认为感应出的伏打电也应该是稳定的。所以在法拉第刚开始研究磁生电的初始阶段，很长一段时间内，他的主要实验集中在两个方面：一是由磁生电，二是由电生电。他前前后后做了三次比较重要的实验。1824年，法拉第试图首先由磁生电，他将一个强磁体靠近导线，期望在导线中产生稳定的电流。我们现在可以用类似的实验器材演示一下，（演示实验）很遗憾，我们并未察觉到任何效果。为增强实验效果，法拉第把导线换成了线圈，再次实验，还是没有成功。为什么没有成功呢？大家设想一下，假如成功了，那是不是意味着只要在家里有一根磁铁，电流就会源源不断地产生？这显然违背了能量守恒定律。