物理学史和物理学家 伦琴对电磁理论的重要贡献 Peter dawson著 (Deparment of Radiology. Hanm eryn ith HaspitaI/RPMS, Du Cane Road, London w120NN, UK) 游胤涛马世红编译 (复旦大学物理学系上海200433) 摘要提到伦琴,人们往往想到的是他对x射线的发现,而对他在电磁理论方面的重要贡献则较少提及文章详 细叙述了伦琴为论证“位移电流特在而做的实验,此实验曾被誉为是19世纪最重要的物理实验之一,在当时广受赞 誉,但今天却被人们渐渐遗忘了希望该文能够使人们对伦琴为构建19世纪物理学宏伟大厦而取得成就的重要性有 更深入的认识 关键词伦琴,位移电流,麦克斯韦,电磁理论 Ron tgen's great con tribution to electromagnetic theory Peter Dawson (Deparment of Radiology. Hammern ith HaspitaI/RPMS. Du Cane Road, London w 120NN, UK) a bstra ROntgen's fame today rests solely on his discovery ofX -rays and takes no account of his great con ibution t electromagnetic theory The experment proving the existence of the" disp lacement current " done by Rontgen is described in his paper, which was recogn ized as the most mportant experment of the 19 th century. It was so famous at that tme, yet today has been all but camp letely forgotten Our am is t give you a camp rehen- ive understand ing of rontgen hm self and the significance of his achievement for the constructon of ifice of 19 th century physics Keywords Rontgen, disp lacement current, Maxwell, electromagnetic theory 的成功靠的是运气而已.然而,这种观点被伦琴的另 1引言 个工作有力地否定掉了在1885-1888年间,伦 琴用不同的方法重复做的一个实验出色地证明了虽 作为第一位诺贝尔物理学奖得主,X射线的发然微弱但却至关重要的一个物理现象一位移电 现毋庸置疑地使伦琴成为那个时代实验物理学家的流.在这个现象发现之前,它已被麦克斯韦以其非凡 先驱.1995年,全世界为X射线发现100周年进行的数学直觉所得到的麦克斯韦方程组而包含.这个 了庆祝活动,并肯定了它在随后的时间里为世界带实验被洛仑兹誉为是伦琴最伟大的成就,而伦琴本 来的贡献伦琴作为X射线的发现者也在诸多文献 和报道中被提及为何许多人用类似的的仪器,在无 原载于: Dawson p. Rontgen' sother experment The British Joumal of rad ology,1997,70:809-816译文的题目及中英文摘要均 意中也产生了X射线却唯独只有伦琴发现了它呢? 为编译者重新拟定的;而原文中的附录内容,则省略未译 难道真是伦琴的幸运大于其才智吗?这个问题引来 编译者注 了众多的分析.当伦琴以他的学术成就被毫无疑问 2006·11-12收到 地誉为有能力的物理学家时,一些人却依然认为他+通讯联系人,即a如 ma(@ fudan edu cn 36卷(2007年)4期 325 p c1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
36卷 (2007年 ) 4期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 物理学史和物理学家 伦琴对电磁理论的重要贡献 3 Peter Dawson著 (Departm ent of Radiology, Hamm ersm ith Hospital/RPM S, Du Cane Road, London W 120NN, UK) 游胤涛 马世红 编译 (复旦大学物理学系 上海 200433) 摘 要 提到伦琴 ,人们往往想到的是他对 X射线的发现 ,而对他在电磁理论方面的重要贡献则较少提及. 文章详 细叙述了伦琴为论证“位移电流 ”存在而做的实验 ,此实验曾被誉为是 19世纪最重要的物理实验之一 ,在当时广受赞 誉 ,但今天却被人们渐渐遗忘了. 希望该文能够使人们对伦琴为构建 19世纪物理学宏伟大厦而取得成就的重要性有 更深入的认识. 关键词 伦琴 ,位移电流 ,麦克斯韦 ,电磁理论 RÊntgen′s great contr ibution to electromagnetic theory Peter Dawson (Departm ent of Radiology, Hamm ersm ith Hospital/RPM S, Du Cane Road, London W 120NN, UK) Abstract RÊntgen′s fame today rests solely on his discovery of X - rays and takes no account of his great con2 tribution to electromagnetic theory. The experiment p roving the existence of the“disp lacement current”done by RÊntgen is described in his paper, which was recognized as the most important experiment of the 19 th century. It was so famous at that time, yet today has been all but comp letely forgotten. Our aim is to give you a comp rehen2 sive understanding of RÊntgen himself and the significance of his achievement for the construction of the edifice of 19 th century physics. Keywords RÊntgen, disp lacement current, Maxwell, electromagnetic theory 3 原载于 : Dawson P. RÊntgen′s other experiment. The British Journal of Radiology, 1997, 70: 809—816. 译文的题目及中英文摘要均 为编译者重新拟定的 ;而原文中的附录内容 ,则省略未译. ——— 编译者注 2006 - 11 - 12收到 通讯联系人. Email: shma@fudan. edu. cn 1 引言 作为第一位诺贝尔物理学奖得主 , X射线的发 现毋庸置疑地使伦琴成为那个时代实验物理学家的 先驱. 1995年 ,全世界为 X射线发现 100周年进行 了庆祝活动 ,并肯定了它在随后的时间里为世界带 来的贡献. 伦琴作为 X射线的发现者也在诸多文献 和报道中被提及. 为何许多人用类似的的仪器 ,在无 意中也产生了 X射线却唯独只有伦琴发现了它呢 ? 难道真是伦琴的幸运大于其才智吗 ? 这个问题引来 了众多的分析. 当伦琴以他的学术成就被毫无疑问 地誉为有能力的物理学家时 ,一些人却依然认为他 的成功靠的是运气而已. 然而 ,这种观点被伦琴的另 一个工作有力地否定掉了. 在 1885—1888年间 ,伦 琴用不同的方法重复做的一个实验出色地证明了虽 然微弱但却至关重要的一个物理现象 ———位移电 流. 在这个现象发现之前 ,它已被麦克斯韦以其非凡 的数学直觉所得到的麦克斯韦方程组而包含. 这个 实验被洛仑兹誉为是伦琴最伟大的成就 ,而伦琴本 · 523 ·
物理学史和物理学家 人对此也比较认同1它无疑是19世纪最重要的物称事实上没有人观测到利用公认的(3)式所描述 理实验之 的物理现象 为了能更好地理解伦琴这一成就的重要性,以 麦克斯韦试图一次性地解决他的两个问题.他 及欣赏他的实验天赋和技术,很有必要追溯到19世总结后发现:(1)式并不是完全“错误的”,而只是不 纪60年代麦克斯韦建立他的电磁理论的时候.完整罢了通过引用(3)式的思想,他大胆地给出了 正确的方程形式 2麦克斯韦的电磁场方程组 eq×= 麦克斯韦以数学形式描述了电磁场,他根据式中的附加项,即变化电场的时间导数项被他定义 的是那个时代在电磁学领域的实验经验当然,这些为位移电流”这个术语所指的是在绝缘体(电介 验多数来自法拉第及其所代表的皇家研究中心的质)中,电场导致的极化强度可以看作类似于导体 实验科学家们的贡献 中引起的相应电流现在,我们再来演示一下麦克斯 麦克斯韦的电磁场方程组之一是 韦的最初的矢量(度)操作 0 ev×B= (1) (7如)=,+aB 式中B是磁场,为电流密度矢量,0是真空介电由于麦克斯韦方程组中的另一个方程是 常数,c是光速,这里所描述的方程是以现代形式来 表述的当然,在麦克斯韦所用的原始表述形式中 光速c并不出现在方程中简短地说,方程描述了磁式中p是单位体积的电荷它遵循 场和电场的关系它的解含有磁场的大小和方向 麦克斯韦意识到这个方程中有些错误1.当 然,首先根据奥斯特的结论—电流总是相应地产 这个形式表明,流出一个区域的净电流不为0,而是 生一个磁场这个方程所描述的是相当符合物理上等于区域内电荷的减少速率,这完全是一个逻辑上 的观察结论的然而,当麦克斯韦在这个方程中作了的结论事实上这就是电荷守恒定律因此,这个方 某一数学上的操作,即对方程两端求散度,得 程组现在不仅具有令人愉快的对称性及令人满意的 内部自洽性和逻辑性,而且它们也整合了电磁场中 的电流和磁场然而,所有这些都是基于一个从来都 方程的左边等于0,则说明右边的V·J必须也为没有被观测到的物理现象的存在 0这里散度不只是一个简单而抽象的数学操作,而 不仅如此,麦克斯韦继续证明21,经过对这些 是有它清楚的物理含义,指的是从一块区域内流出方程适当的修正,他的4个方程能够被整合起来而 的纯净流量为了简化,麦克斯韦巧妙的操作使得构成一对描述电磁波传播的方程组,其中电磁波的 y·J=0,进而暗指电流的不存在,这个结论显然传播速度c是可测量的真空介电常数e。和磁导率 是错误的那么,如何修正方程才可以“消除”述的函数 的荒谬结论呢? v'B=En aB 麦克斯韦也认识到在他的方程组中存在一个基 本的对称性,即人们可以用变化的磁场强度(电磁 G 感应)来表示电场强度E,即 上式中假设波的速度为 ×E=.通B 试式中负号源于愣次定律),但是,没有描述变化的 SoHo 电场强度可以产生磁场强度的对应方程人们可以利用实验测量值取代和馬值,他计算出了假定 希望用以下的方程来表述 的波的传播速度,且发现它与光速十分接近他继续 3/假定这种以光的速度传播的电磁波的存在,并假定 光本身就是一种电磁波这一电磁波理论是19世 这样一个方程的缺少仅仅意味着物理观测上的不对纪物理学的最高成就,导致了射频电磁波的产生及 326 http:/awwwuliaccn 物理 D1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttps://www.cnki.net
http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 物理 人对此也比较认同 [ 1 ] . 它无疑是 19世纪最重要的物 理实验之一. 为了能更好地理解伦琴这一成就的重要性 ,以 及欣赏他的实验天赋和技术 ,很有必要追溯到 19世 纪 60年代麦克斯韦建立他的电磁理论的时候 [ 2 ] . 2 麦克斯韦的电磁场方程组 麦克斯韦以数学形式描述了电磁场 [ 2 ] ,他根据 的是那个时代在电磁学领域的实验经验. 当然 ,这些 经验多数来自法拉第及其所代表的皇家研究中心的 实验科学家们的贡献. 麦克斯韦的电磁场方程组之一是 : c 2 ¨ ×B = J ε0 , (1) 式中 B 是磁场 , J 为电流密度矢量 ,ε0 是真空介电 常数 , c是光速 ,这里所描述的方程是以现代形式来 表述的. 当然 ,在麦克斯韦所用的原始表述形式中 , 光速 c并不出现在方程中. 简短地说 ,方程描述了磁 场和电场的关系. 它的解含有磁场的大小和方向. 麦克斯韦意识到这个方程中有些错误 [ 2 ] . 当 然 ,首先根据奥斯特的结论 ———电流总是相应地产 生一个磁场 ,这个方程所描述的是相当符合物理上 的观察结论的. 然而 ,当麦克斯韦在这个方程中作了 某一数学上的操作 ,即对方程两端求散度 ,得 : c 2 ¨ ·(¨ ×B ) = 1 ε0 ¨ ·J, 方程的左边等于 0,则说明右边的 ¨ ·J 必须也为 0. 这里散度不只是一个简单而抽象的数学操作 ,而 是有它清楚的物理含义 ,指的是从一块区域内流出 的纯净流量. 为了简化 ,麦克斯韦巧妙的操作使得 ¨ ·J = 0,进而暗指电流的不存在 ,这个结论显然 是错误的. 那么 ,如何修正方程才可以“消除 ”上述 的荒谬结论呢 ? 麦克斯韦也认识到在他的方程组中存在一个基 本的对称性 ,即人们可以用变化的磁场强度 (电磁 感应 )来表示电场强度 E,即 ¨ ×E = - 9B 9t . (2) (式中负号源于愣次定律 ) ,但是 ,没有描述变化的 电场强度可以产生磁场强度的对应方程. 人们可以 希望用以下的方程来表述 : ¨ ×B = 9E 9t . (3) 这样一个方程的缺少仅仅意味着物理观测上的不对 称. 事实上没有人观测到利用公认的 ( 3)式所描述 的物理现象. 麦克斯韦试图一次性地解决他的两个问题. 他 总结后发现 : (1)式并不是完全“错误的 ”,而只是不 完整罢了. 通过引用 (3)式的思想 ,他大胆地给出了 正确的方程形式 : c 2 ¨ ×B = 9E 9t + J ε0 , (4) 式中的附加项 ,即变化电场的时间导数项 ,被他定义 为“位移电流 ”. 这个术语所指的是在绝缘体 (电介 质 )中 ,电场导致的极化强度可以看作类似于导体 中引起的相应电流. 现在 ,我们再来演示一下麦克斯 韦的最初的矢量 (散度 )操作 : c 2 ¨ ·( ¨ ×B ) = 1 ε0 ¨ ·J + 9 9t ( ¨ ·E). 由于麦克斯韦方程组中的另一个方程是 : ¨ ·E = ρ ε0 , 式中 ρ是单位体积的电荷 ,它遵循 : ¨ ·J = - 9ρ 9t . 这个形式表明 ,流出一个区域的净电流不为 0,而是 等于区域内电荷的减少速率 ,这完全是一个逻辑上 的结论. 事实上这就是电荷守恒定律. 因此 ,这个方 程组现在不仅具有令人愉快的对称性及令人满意的 内部自洽性和逻辑性 ,而且它们也整合了电磁场中 的电流和磁场. 然而 ,所有这些都是基于一个从来都 没有被观测到的物理现象的存在. 不仅如此 ,麦克斯韦继续证明 [ 2 ] ,经过对这些 方程适当的修正 ,他的 4个方程能够被整合起来而 构成一对描述电磁波传播的方程组 ,其中电磁波的 传播速度 c是可测量的真空介电常数 ε0 和磁导率 μ0 的函数 : ¨ 2 B =ε0μ0 9 2 B 9t 2 , ¨ 2 E =ε0μ0 9 2 E 9t 2 , 上式中假设波的速度为 c = 1 ε0μ0 . 利用实验测量值取代 ε0 和 μ0 值 ,他计算出了假定 的波的传播速度 ,且发现它与光速十分接近. 他继续 假定这种以光的速度传播的电磁波的存在 ,并假定 光本身就是一种电磁波. 这一电磁波理论 [ 2 ]是 19世 纪物理学的最高成就 ,导致了射频电磁波的产生及 · 623 · 物理学史和物理学家
物理学史和物理学家 其在后一世纪的无线电通信革命的实现 的.只有在很高的频率时,与导体电流相比,位移电 流才不会小得难以被观察到 3实验的验证 4伦琴的实验 麦克斯韦根据从原方程组中看到的不对称和明 显的数学上的不完整性中得到了他的新方程组然 就当时的科技水平而言,伦琴面临着巨大的挑 而在将近二十年的时间里,世界上一直没有实验证战他的实验装置是一个带电的电容器,其中间的夹 实麦克斯韦的关于电磁场假设.从某种意义上说,修层由一个装有各种材料和不同厚度的介质体转盘构 正后的方程组在对称性、各个方程的协调性和预见成11,如图1(右)、图2和图3所示,它用来探测 性方面都显得太过于完美,以至于令人怀疑它的真产生的磁场.现在,要观测到“位移电流“的简单方 实性正如海森伯对爱因斯坦所说1:“如果自然界法就是通过电池使电容器带电在充电的过程中,电 让我们得到的数学形式相当简单而优美……以至于流流入了其中一个平板而从另一个平板流出.“位 没有人以前遇到过,我们禁不住想知道它们是否真移电流就是那个流经两平板之间的东西,以便维 的揭示了自然界的真实面,想知道它们所揭示的自持电流的连续性如果两平板之间夹的是绝缘材料 然界的真正性质.实上,麦克斯韦在他方程中引(电介质),那么流经它们的“流號可以被想象为 的对称性已经超出了他的所知将近40年后,庞种“虚的电荷流向电介质的另一端,其过程就是 加莱和洛仑兹两人论证了这个方程组在洛仑兹变换材料被极化了在这种绝缘材料的内部,电场就不是 下(种数学上空间和时间的平权性)是协变的(对E而是D,其中D=E0E+P,式中P为介质材料的 称的)在一个简明的数学变换下,这种对称性或极化强度于是,E在(4)式中被D替代,附加项就 者说不变性是非凡的这种协变性事实上也预示着变成为:①=E。+①P在充电过程的末尾,导线 狭义相对论中的时间与空间的相关然而,这需要爱 dt dt 因斯坦的天赋来最终把其中蕴含的东西挖掘出来.中几乎没有电流,而电场D是稳定的并达到它的最 因此无论是美学、数学还是哲学的讨论,一个论证大值,所以司=0.在充电过程期间,导线中有电流 位移电流在的物理实验实在是必要的 伦琴 Wilhem Conrad rontgen,1845-1923)把(随时间变化)和“位移电流 ae aP 他的精力投到这个问题上来是在1885年在1885 至1889年的3年期间,伦琴工作在 Giessen大学,他 做了一系列相当优秀的实验,以证实随时间变化的 电场伴随着一个磁场,就好像随时间变化的磁场伴 随着一个电场一样1-1 伦琴在实验中所遇到的挑战难度来自于需要考 虑在导电介质(0)中应用含时间的电场 e Eo sirt@ =2I f J =o Eo SI t 正 在与真空(自由空间)不同的介质中,被一般的ε图1伦琴左图)发现位移电流试验装置照片现存德国伦 所替代将σ值代入铜的数值,为了简单起见,可设琴博物馆 ε=1,进而可以从(4)式获得位移电流”与传导电 流的相对数值的大小 伦琴做了两种类型的实验.首先他转动一个充 J 电电容器平板之间的介质(绝缘)盘,如图2所示 由此可观测到其产生了一个磁场,它被认为是在介 在电介质(绝缘体)中,导电性将会有明显的下降,质表面由于移动了虚拟电荷所致有趣的是,英国人 其中ε=E0E,如设E,=100,以至于上述的比值将 Rowland作过一个类似的实验,但他转动的却是电 会大几个数量级但实验所存在的挑战依然是存在容器的平板他们两人的这些实验论证了移动的 36卷(2007年)4期 p s1994-2007ChinaAcademicJournalElectroniepUblishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
36卷 (2007年 ) 4期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 其在后一世纪的无线电通信革命的实现. 3 实验的验证 麦克斯韦根据从原方程组中看到的不对称和明 显的数学上的不完整性中得到了他的新方程组. 然 而在将近二十年的时间里 ,世界上一直没有实验证 实麦克斯韦的关于电磁场假设. 从某种意义上说 ,修 正后的方程组在对称性、各个方程的协调性和预见 性方面都显得太过于完美 ,以至于令人怀疑它的真 实性. 正如海森伯对爱因斯坦所说 [ 3 ] :“如果自然界 让我们得到的数学形式相当简单而优美 ……以至于 没有人以前遇到过 ,我们禁不住想知道它们是否真 的揭示了自然界的真实面 ,想知道它们所揭示的自 然界的真正性质. ”事实上 ,麦克斯韦在他方程中引 入的对称性已经超出了他的所知. 将近 40年后 ,庞 加莱和洛仑兹两人论证了这个方程组在洛仑兹变换 下 (一种数学上空间和时间的平权性 )是协变的 (对 称的 ) [ 4 ] . 在一个简明的数学变换下 ,这种对称性或 者说不变性是非凡的. 这种协变性事实上也预示着 狭义相对论中的时间与空间的相关. 然而 ,这需要爱 因斯坦的天赋来最终把其中蕴含的东西挖掘出来. 因此 ,无论是美学、数学还是哲学的讨论 ,一个论证 “位移电流 ”存在的物理实验实在是必要的. 伦琴 (W ilhelm Conrad RÊntgen, 1845—1923)把 他的精力投到这个问题上来是在 1885年. 在 1885 至 1888年的 3年期间 ,伦琴工作在 Giessen大学 ,他 做了一系列相当优秀的实验 ,以证实随时间变化的 电场伴随着一个磁场 ,就好像随时间变化的磁场伴 随着一个电场一样 [ 5—7 ] . 伦琴在实验中所遇到的挑战难度来自于需要考 虑在导电介质 (σ)中应用含时间的电场 : E = E0 sinωt,ω = 2πf; J =σE0 sinωt, 9E 9t / J ε = εω σ . 在与真空 (自由空间 )不同的介质中 ,ε0 被一般的 ε 所替代. 将 σ值代入铜的数值 ,为了简单起见 ,可设 ε= 1,进而可以从 (4)式获得“位移电流 ”与传导电 流的相对数值的大小 : 9E 9t / J ε ～ ω 10 19 . 在电介质 (绝缘体 )中 ,导电性将会有明显的下降 , 其中 ε = ε0εr ,如设εr = 100,以至于上述的比值将 会大几个数量级 ,但实验所存在的挑战依然是存在 的. 只有在很高的频率时 ,与导体电流相比 ,位移电 流才不会小得难以被观察到. 4 伦琴的实验 就当时的科技水平而言 ,伦琴面临着巨大的挑 战. 他的实验装置是一个带电的电容器 ,其中间的夹 层由一个装有各种材料和不同厚度的介质体转盘构 成 [ 5—7 ] ,如图 1 (右 )、图 2和图 3所示 ,它用来探测 产生的磁场. 现在 ,要观测到“位移电流 ”的简单方 法就是通过电池使电容器带电. 在充电的过程中 ,电 流流入了其中一个平板而从另一个平板流出.“位 移电流 ”就是那个流经两平板之间的东西 ,以便维 持电流的连续性. 如果两平板之间夹的是绝缘材料 (电介质 ) ,那么流经它们的“电流 ”就可以被想象为 一种“虚的电荷 ”流向电介质的另一端 ,其过程就是 材料被极化了. 在这种绝缘材料的内部 ,电场就不是 E而是 D ,其中 D =ε0 E + P ,式中 P为介质材料的 极化强度. 于是 , E 在 (4)式中被 D 替代 ,附加项就 变成为 : 9D 9t =ε0 9E 9t + 9P 9t . 在充电过程的末尾 ,导线 中几乎没有电流 ,而电场 D 是稳定的并达到它的最 大值 ,所以 9D 9t = 0 . 在充电过程期间 ,导线中有电流 (随时间变化 )和“位移 ”电流 : 9D 9t =ε0 9E 9t + 9P 9t . 图 1 伦琴 (左图 )发现“位移电流 ”的试验装置照片 ,现存德国伦 琴博物馆 伦琴做了两种类型的实验. 首先他转动一个充 电电容器平板之间的介质 (绝缘 )盘 ,如图 2所示 , 由此可观测到其产生了一个磁场 ,它被认为是在介 质表面由于移动了虚拟电荷所致. 有趣的是 ,英国人 Rowland作过一个类似的实验 ,但他转动的却是电 容器的平板 [ 4 ] . 他们两人的这些实验论证了移动的 · 723 · 物理学史和物理学家
物理学史和物理学家 电荷,不管是真实的还是虚的,与导线中的电流都是 上(平)板 等价的,这在当时可决不是不言而喻的等价.在第 个实验中,伦琴把电容器平板沿它的直径两等分,并 把相邻的两半分别加上相反的电势,如图3所示.这 是一个看似简单然而却很高明的做法,因为当介质 盘被转动时,盘中任一点的极化强度矢量在穿过分 隔线的时侯,其极化强度矢量符号就被倒转过来,于 是当导线中没有电流流过时,一个垂直方向的 移电流”∂/∂就会在介质体中流过.伦琴探测到 了伴随这个电流的微弱磁场,因此也就证明了 移电流“的存在 介质(绝缘)盘 下(平)板 上(平)板 图3沿电容器平板盘的直径将它二等分,其间隔为几个毫米,并 分别加上相反的电势 磁力计装置被安装在实验室角落里的一根 50cm宽的砂石岩柱(墩)上.它是由一对大小分别 介质(绝缘)盘 为01×456cm,Q1×474cm的无定向指针构成, 该指针被安置在一个与铝制的吊架固定在一起且相 隔245cm的包金箔的玻璃毛细管上整个装置被 根带有小镜子的细长铝线悬吊着.两根指针具有 大小分别为22534cm 和22913amg 的磁力矩(cgs单位)伦琴定义了这些力矩与长度 图2沿其轴转动充电电容器平板之间的介质盘,由此可观测 的比率为10168和10193从望远镜中可以观察 到其产生了一个磁场 到由平面镜反射且距离仪器229cm远的一把标尺 的像平板的最大转速为100爬ey·s1,这是因为仪 为了消除大量干扰因素,伦琴煞费苦心地设计器在更高的转速下会产生振动其转动是用安装在 他的实验仪器,为此他付出了很多努力在1890年转轴上且用铅载重的木制 Savart!轮来驱动的它被 柏林的普鲁士科学学术报告会上,伦琴的演说给人一个辅助的设备以规则的速率启动,用声学和频闪 留下了深刻的印象,他所描述的许多实验细节,的方法来检测它的转速 毋庸置疑地证明了他是一个严谨细心且高水准的 伦琴在他的论文中并未试图计算所探测的磁场 验物理学家事实上,在三年多的时间里,连续地强度但是从他的实验记录中,可以估计出所要寻 改变实验方案足以显示出他对进行这些实验有着十找的实验效果真是太小了,即以100rev·s转速转 足的信心 动的平板,在距平面镜229cm的标尺上所测到的位 在实验中,他使用过直径和厚度范围分别为移变化不超过2-3mm这说明角位移的量级为 10-16am以及02-05cm的玻璃和硬质橡胶平 板但是在最后的实验方案中所用两块半圆的电容×0312ad(=03)(x2是因为反射光转过 器平板的间隔却是a8m,上下平板盘的间隔则为的角度是平面镜转角的两倍) 074cm一个由霍尔兹起电机充电的莱顿瓶被用于 电容器平板充电,而一个验电器被自始至终地用来 检测莱顿瓶中的剩余总电量或电位 328 http:/awwuliaccn 物理 91994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 物理 电荷 ,不管是真实的还是虚的 ,与导线中的电流都是 等价的 ,这在当时可决不是不言而喻的等价. 在第二 个实验中 ,伦琴把电容器平板沿它的直径两等分 ,并 把相邻的两半分别加上相反的电势 ,如图 3所示. 这 是一个看似简单然而却很高明的做法 ,因为当介质 盘被转动时 ,盘中任一点的极化强度矢量在穿过分 隔线的时侯 ,其极化强度矢量符号就被倒转过来 ,于 是当导线中没有电流流过时 ,一个垂直方向的“位 移电流 ”9D / 9t就会在介质体中流过. 伦琴探测到 了伴随这个电流的微弱磁场 ,因此也就证明了“位 移电流 ”的存在. 图 2 沿其轴转动充电电容器平板之间的介质盘 ,由此可观测 到其产生了一个磁场 为了消除大量干扰因素 ,伦琴煞费苦心地设计 他的实验仪器 ,为此他付出了很多努力. 在 1890年 柏林的普鲁士科学学术报告会上 ,伦琴的演说给人 留下了深刻的印象 [ 7 ] ,他所描述的许多实验细节 , 毋庸置疑地证明了他是一个严谨、细心且高水准的 实验物理学家. 事实上 ,在三年多的时间里 ,连续地 改变实验方案足以显示出他对进行这些实验有着十 足的信心. 在实验中 ,他使用过直径和厚度范围分别为 10—16cm以及 0. 2—0. 5cm 的玻璃和硬质橡胶平 板. 但是在最后的实验方案中 ,所用两块半圆的电容 器平板的间隔却是 0. 8cm,上下平板盘的间隔则为 0. 74cm. 一个由霍尔兹起电机充电的莱顿瓶被用于 电容器平板充电 ,而一个验电器被自始至终地用来 检测莱顿瓶中的剩余总电量或电位. 图 3 沿电容器平板 /盘的直径将它二等分 ,其间隔为几个毫米 ,并 分别加上相反的电势 磁力计装置被安装在实验室角落里的一根 50cm宽的砂石岩柱 (墩 )上. 它是由一对大小分别 为 0. 1 ×4. 56cm, 0. 1 ×4. 74cm的无定向指针构成 , 该指针被安置在一个与铝制的吊架固定在一起且相 隔 24. 5cm 的包金箔的玻璃毛细管上. 整个装置被 一根带有小镜子的细长铝线悬吊着. 两根指针具有 大小分别为 22534cm 1 /2 g 1 /2 s - 1和 22913cm 1 /2 g 1 /2 s - 1 的磁力矩 ( cgs单位 ). 伦琴定义了这些力矩与长度 的比率为 1. 0168和 1. 0193. 从望远镜中可以观察 到由平面镜反射且距离仪器 229cm 远的一把标尺 的像. 平板的最大转速为 100 rev·s - 1 ,这是因为仪 器在更高的转速下会产生振动. 其转动是用安装在 转轴上且用铅载重的木制 Savart轮来驱动的. 它被 一个辅助的设备以规则的速率启动 ,用声学和频闪 的方法来检测它的转速. 伦琴在他的论文中并未试图计算所探测的磁场 强度 ,但是 ,从他的实验记录中 ,可以估计出所要寻 找的实验效果真是太小了 ,即以 100 rev·s - 1转速转 动的平板 ,在距平面镜 229cm的标尺上所测到的位 移变化不超过 2—3mm. 这说明角位移的量级为 1 2 ×0. 3 /229 rad (≡0. 03°). ( × 1 2 是因为反射光转过 的角度是平面镜转角的两倍 ) · 823 · 物理学史和物理学家
物理学史和物理学家 中,索末菲说道:仅仅少数人能够欣赏这个课题 5伦琴实验的意义 的本质),他的贡献仅被标注为人类历史长河中 个微不足道的脚步然而他应该得到更多的赞誉,因 如果天才就是那些拥有“无限的刻苦能力的为伦琴这一出色的实验,证明了麦克斯韦“位移电 人,那么伦琴无疑就是一个天才支持他在学术会议流概念的合理性,为19世纪物理学大厦填上了最 上做演讲的人,都是像亥姆霍兹这样的人物.与他的后一块砖 实验一样令人印象深刻的是,在他们那个时代,一个 实验科学家对深奥的理论问题竟拥有如此清晰的理译者致谢感谢复旦大学物理学系王斌教授的有 以致于能设计出如此精湛的实验事实上,他的益讨论和帮助 家科学院通讯院士的推荐者中就包括能斯特冯 劳厄、普朗克、爱因斯坦等大牌物理学家,由此可 参考文献 以看出伦琴在物理学界中所占据的重要位置 [1 Rosenbusch G, Oudlerk M, Amman E Radobgy in Med ical 如果说无线电学家没有认识到伦琴在解决这个 Diagnostics Evoluton of X-ray app licatons 1895-1995. Ox 问题时所取得的成就还情有可原,那么在物理学家 ford: B lackwell Science. 1995 15 当中,倘若还有人对他的这一伟大成就知之甚少,就 [2 Maxell J C Phibsophical Trans Royal Soc, 1865, 155 太令人遗憾了.了解伦琴在这个领域所做的工作将31 Davies P. Superforce London: Penguin Books199 有助于人们更加清楚地认识到他是怎样一个富于创 [4 Whittaker T A history of the Theones of Aether and Elec- 造且技术熟练的实验学家,也有助于人们更全面地 tricity London: Longmans, green and Ca, 1910 评价他在物理学史上的地位费曼曾说:纵观人5 ontgen wC Versuche aber de elektromagnetische w irkung 类的历史……19世纪最重要的事件毫无疑问应该 der dielektrischen Polarisation Sitzungsberichte der Preussis- hen Akadem ie der w issenschaften Physik- Math KL 1885 被认为是麦克斯韦电磁波理论的创立与这一事件 89-93 相比,同一时期发生的美国内战在人类历史上就显[6 Rontgen w C. Ueber die durch Bewegung e ines mhamogenen 得无足轻重."如果把伦琴对X射线的发现认为是 elektrischen Felde befind lichen d ielektrikums hervorgerufene 将麦克斯韦电磁波理论在实验上拓展到高频段的电 elektrodynan ische Kraft Sitzungsberichte der Preussischen 磁波谱,那么,他对麦克斯韦直觉的数学模型所潜在 Akadem ie der w issenschaften Physik- Math KL 1888, 7 [7 Rontgen w C Annalen der Physik u Chem ie Neue Folge 的物理现象的充满智慧的论证,也许就可以看作是 1890,40:93-108 对19世纪物理学最富有开创性的贡献.洛仑兹认为 [8 Feynman R P The Feyman Lectures on Physics Vol Il 这个发现是如此的重要,以至于他建议将“位移电 Reading, MA: Addisonwesley Publishing Ca, 1997 流称作为“伦琴电流”以示纪念 [9 Sommerfeld A Zu Rontgen siebzigsten Geburtstag Physik 今天,由于这个课题自身的困难和伦琴本人的 Zeitschrift 1915, 16: 89 虚等多种因素的综合(在伦琴70岁生日的颂词 1)此节标题是编译者加的,原文中无此标题 36卷(2007年)4期 p: /Mw.wuli ac
36卷 (2007年 ) 4期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 5 伦琴实验的意义 1) 如果天才就是那些拥有“无限的刻苦能力 ”的 人 ,那么伦琴无疑就是一个天才. 支持他在学术会议 上做演讲的人 ,都是像亥姆霍兹这样的人物. 与他的 实验一样令人印象深刻的是 ,在他们那个时代 ,一个 实验科学家对深奥的理论问题竟拥有如此清晰的理 解 ,以致于能设计出如此精湛的实验. 事实上 ,他的 皇家科学院通讯院士的推荐者中就包括能斯特、冯 ·劳厄、普朗克、爱因斯坦等大牌物理学家 ,由此可 以看出伦琴在物理学界中所占据的重要位置 [ 11 ] . 如果说无线电学家没有认识到伦琴在解决这个 问题时所取得的成就还情有可原 ,那么在物理学家 当中 ,倘若还有人对他的这一伟大成就知之甚少 ,就 太令人遗憾了. 了解伦琴在这个领域所做的工作 ,将 有助于人们更加清楚地认识到他是怎样一个富于创 造且技术熟练的实验学家 ,也有助于人们更全面地 评价他在物理学史上的地位. 费曼曾说 [ 8 ] :“纵观人 类的历史 ……19世纪最重要的事件毫无疑问应该 被认为是麦克斯韦电磁波理论的创立. 与这一事件 相比 ,同一时期发生的美国内战在人类历史上就显 得无足轻重. ”如果把伦琴对 X射线的发现认为是 将麦克斯韦电磁波理论在实验上拓展到高频段的电 磁波谱 ,那么 ,他对麦克斯韦直觉的数学模型所潜在 的物理现象的充满智慧的论证 ,也许就可以看作是 对 19世纪物理学最富有开创性的贡献. 洛仑兹认为 这个发现是如此的重要 ,以至于他建议将“位移电 流 ”称作为“伦琴电流 ”以示纪念 [ 1 ] . 今天 ,由于这个课题自身的困难和伦琴本人的 谦虚等多种因素的综合 (在伦琴 70岁生日的颂词 中 ,索末菲说道 [ 9 ] :仅仅少数人能够欣赏这个课题 的本质 ) ,他的贡献仅被标注为人类历史长河中一 个微不足道的脚步. 然而他应该得到更多的赞誉 ,因 为伦琴这一出色的实验 ,证明了麦克斯韦“位移电 流 ”概念的合理性 ,为 19世纪物理学大厦填上了最 后一块砖. 1) 此节标题是编译者加的 ,原文中无此标题 译者致谢 感谢复旦大学物理学系王斌教授的有 益讨论和帮助. 参 考 文 献 [ 1 ] Rosenbusch G, Oudlerk M, Amman E. Radiology in Medical D iagnostics. Evolution of X2ray app lications 1895—1995. Ox2 ford: Blackwell Science, 1995. 15 [ 2 ] Maxwell J C. Philosophical Trans. Royal. Soc. , 1865, 155: 459 [ 3 ] Davies P. Superforce. London: Penguin Books. 1995 [ 4 ] Whittaker E T. A history of the Theories of Aether and Elec2 tricity. London: Longmans, Green and Co. , 1910 [ 5 ] RÊntgen W C. Versuche über die elektromagnetische W irkung der dielektrischen Polarisation. Sitzungsberichte der Preussis2 chen Akademie der W issenschaften. Physik - Math KL 1885, 89—93 [ 6 ] RÊntgen W C. Ueber die durch Bewegung eines imhomogenen elektrischen Felde befindlichen D ielektrikums hervorgerufene elektrodynamische Kraft. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie derW issenschaften. Physik - Math KL 1888, 7 [ 7 ] RÊntgen W C. Annalen der Physik u Chemie. Neue Folge 1890, 40: 93—108 [ 8 ] Feynman R P. The Feynman Lectures on Physics. Vol. II. Reading, MA: Addison2Wesley Publishing Co. , 1997 [ 9 ] Sommerfeld A. Zu RÊntgens siebzigsten Geburtstag. Physik Zeitschrift, 1915, 16: 89 · 923 · 物理学史和物理学家