第六卷 19世纪：古典科学的全面发展
19世纪被背为科学的世纪。在这个世纪里，自然科学的各个们类 均相继成熟起来，形成了人类历史上空前严密和可靠的自然知识体 系。1617世纪，近代科学革命中形成的机械城自然观被大大修正。进化 发展的观念进入了自然科学理论之中。在世纪之末，不少科学家甚至 认为。自然界一些根本的问题己经解决，以后所能做的就是对计算结 果再精确一些而已。造成这种错觉并不是偶然的。19世纪的自然科 确实经历了突飞猛进的发展，使古典科学达到了相当完善的程度 不同了
第二十六章/19世纪的电暖学 第二十六章19世纪的电磁学 18世纪行将结束之际，电学达到了它的最高成就库仑定律。但是 电与磁之间的联系依然未被正确地认识。吉尔伯特在当时实验的基础 上认为电与磁没有什么共同性。这一看法延续了很长时间。库仑也探讨 过电与磁的相关性，但在实验上一无所获，结果也相信电与磁没有什么 关系。19世纪电磁学的大发展正是从认识到电磁的内在统一性开始 1,电流的磁效应：奥斯特、安培 18世纪后期在德国兴起的自然哲学思潮，弘扬自然界中联系、发 展的点，批评牛顿科学中机械论的成分，在当时的科学家中产生了重 要的影响。丹麦物理学家奥斯特(1777一1851)青年时代就是康德哲学 的崇拜者，1799年的博士论文讨论的就是康德哲学。后来，他周游欧 洲，成了德国自然哲学学派的追随者。1806年回国后，被母校哥本哈根 大学聘为教授。 基于其哲学倾向，奥斯特一直坚信电磁之间一定有某种关系，电一 26一1奥斯 特 -26-21831 年，罗斯发现地 磁北极，这是19 世纪末的一幅 图，中间的指针 朝下。 317
第六卷/19世纪：古电科学的全面发展 定可以转化为磁。在1812年出版 的《关于化学力和电力的统一的研 究》一书中，奥斯特推剥，既然电流 通过较细的导线会产生热，那么通 过更细的导线就可能发光，导线直 径再小下去，还可能产生磁效应。 沿着这个思路，奥斯特做了许多实 ，但均没有成功 1819年冬天，他受命主持 个电磁讲座，有机会继续研究电流 的磁效应问题。他产生了一个新的 想法，即电流的磁效应可能不在电 流流动的方向上。为了验证这个想 法，他于次年春设计了儿个实验 日不月冯有成功。1820年4月.在 次讲座快结束时，他灵机一动叉 重复了这个实验，果然发现电流接 于26一3奥斯通时附近的小磁针动了一下， 奥斯特惊万分，又反复实验，终于在 特发现电流的磁 效应 1820年7月21日发表了《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文。论文 指出，电流听产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反，而是与电 流方向州垂直。还指出，电流对周围磁针的影响可以透过各种非磁性 物质。 奥斯特的发现马上轰动了整 个欧洲科学界。当年8月，法国物 理学家阿拉果(1786一1853)在瑞 士听到了这一消息，迅即返回法 国，于9月11日向料学院报告」 奥斯特的新发现。阿拉果的报告使 法国物理学界十分展惊。因为他们 一直受库仑的影响，以为电与磁不 可能相百作用。扶国物里学家安 (1775一1836)敏锐地感到这一发 现的重要性，第二天即重复了奥斯 特的实验 一周后，他向科学院提 交了第一篇论文，提出了磁针转动 方向与电流方向相关判定的右手 定则。再一周后，安培向科学院提 交了第二篇论文，讨论了平行载流 318
第二十六章/19世纪的电磁学 导线之间的相互作用问题。1820年底，安培提出了著名的安培定律 安培生于 个富裕的商人之家。由于大革命时期父亲被处决，他的 心情一直十分忧郁。拿破仑时期，他曾就任综合技术学校的数学教授。 据说，他是一位心不在焉的“教投”，常常沉人思考而忘记周围的 有一次连皇帝拿破仑的宴会都忘了去。但安培是一位天才的物理学家， 不仅有良好的数学基础，而且精于实验。奥斯特只是发现了电流对磁针 有作用，安培却在极短的时间里将这一发现推广到电流与电流之间的 相互作用，并接连发现了作用的方向和大小，给出了判定方向的方法及 计算大小的公式。安培定律指出，两电流元之可的作用力与距离平方成 反比。这一极为重要的定律，构成了电动力学的基础。“电动力学”这 名称也是安培首先提出来的，用来指研究运动电荷（电流）的科学。与之 相对的是“电静力学”，库仑定律则是电静力学中的基本定律 安培之前，“电流”的概念尚未成为一个科学的概念。正是安培首先 规定了电流的方向。他大概受富兰克林影响，认为电流是电液体由正极 向负极流过所致，因此，他把电流的方向规定为由正极指向负极。今天 我们知道，电流的本质是电子由负极向正极的运动。安培的规定正好反 了，不过，只要彻底一贯地坚持这个规定，也不会待来什么麻烦，因此物 理学界依然因袭了安培的这个规定。 电流磁效应的发现也使测量“电流”的大小成为可能，从而使电动 力学真正走上了定量实验的发展道路。 1821年初，安培进一步提出了分子电流假说。他认为，物体内部的 每一个分子中都带有回旋电流，因而构成了物体的宏观磁性。这一假说 当时不为人所重视，直到七十多年后真地发现了这种带电粒子，人们才 惊叹安培过人的天才， 2.欧姆定律 1266欧姆 欧姆定律今天已成为中学物理课本中最浅显的一个基本定律。尽 管今天看来十分简单，当初发现它却不那么容易。要知道，构成欧姆定 律的“电阻”、“电压”概念尚未出现，有待欧姆本人去创造，而“电流”概 念也才刚刚由安培定量化。 德国物理学家欧姆(1789一1854)生于埃尔兰根的一个匠人家里 从小学到了机械制造技能。他没有正式上过大学，只在埃尔兰根大学旁 听过，以后一直当中学教师。他热心于电学研究，曾多次测量过不同金 属的导电。由于他所使用的伏打电推的电流不太稳定，使他的研究总 是不理想。1822年，德国物理学家塞班克(1770一1831)发现了温差电 效应，从而发明了温差电池。温差电池可以提供稳定的电流，这使欧姆 的金属导电率研究有了重要的突破。 319
第六卷19世丝：古典料孕的全面发展 法国数学家傅里叶已经发现，热传导过程中热流量与两点间的温 度差成正比。受此启发，饮姆猜测电流也应该与导线两端之间的某种 别动力成正比。他把这种驱动力叫做“验电力”，今天称为电势差。要验 证这一猜想，就必须测景电流的大小。欧姆起初利用电流的热效应导 致的热张冷缩米测最电汽的大小，但实际操作逗来效果很差。电流的 磁效应发现后，欧，依此原理设计了一个扭秤，可以很方便地测定电 流的大小。这样，他利用温电池和电磁扭秤继续进行金属的导电实 验，终于得出了“通过导体的电流与电势差成正比，与电阻成反比”的 结论。这就是著名的欧姆定律。 欧姆将他的实验结果发表于1826年，次华又出版了《关于电路的 数学研究》，给出了欧姆定律的理论推导。他的实验论文少有人知，而 这本数学著作又遭到了非雅。人们认为它仅仅是一种理论推测，并没 有实验依据。但他的工作在国外越来越受到重视。伦敦皂家学会于 1841年没予他科普利奖章，1842年接受他为会员。他的相国终于认识 到了他的价值。1849年，慕尼黑大学聘请他为教授，欧姆终于实现了他 青年时代当一名大学教授的理想。 3.法拉第的电磁感应定律 既然电流有意效应，科学家自然想到磁可能也会有电流效应。尽 管许多人为此做了不少实验，但磁的电流效应并未立即被发现。直到 奥斯特的发现十年后，英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利才完 成了这.壮举。 19世纪最伟大的实验科学家法拉第的一生，是在逆境中顽强奋斗 的一生。他于1791年9月22日生于伦敦郊区纽因顿的一个贫穷的家 庭。父亲是个铁匠，有十个核子，家境不佳。少年法拉第只学会了读书 写字便失学了。1804年，他进了一家印刷厂当童工，次年成为装订学 徒。利用工作之便，法拉笋经常禁不住翻开他要装订的书籍，读读其中 的内容。正是在这样的条件下，法拉第学到了不少科学知识。业余时 间，他也试着做了几个化学实验，还装了 台起电机。1812年，当时著 名的化学家戴维在皇家研究院做一系列化学讲演，法拉第得到了一张 法拉第 票。他十分惊喜地发现自己完全能听懂戴谁的讲演，这说明多少年的 苦读并非徒劳。整个讲座期间，法拉第认真听讲，并作了详细的笔记。 这一年，他到了一家法国人开的印刷厂当正式装订工，但工厂主对工 人很不好。法拉第每每想起从事科学事业是多么光荣和崇高，可眼前 的工作环境充满了欺诈和自私自利，遂决定离开这里。他元是给皇家 学会的会长写了一封信，请求得到学会的推荐，在皂家研究院的化学 实验室里找一份差使。这封信石沉大海，无音讯。法拉第又斗胆给大 320
第二十六章/19世起的电磁学 26一8法拉 在他的实验室甲 化学家戴维本人写信，并将自己记的戴维的讲演笔记装订得很漂亮， 一起寄给了戴维。戴维为这位自学青年的才能和好学精神所感动，立 即回了一封信予以鼓励，但没有答应法拉第的求职要求。后来，戴维与 一位助手闹翻了，这位助手被解雇后，他想到法拉第的一再请求，便通 知法拉第说实验室有一个刷洗瓶子的工作。法拉第愉快地接受了这个 工作，虽然工资比当装订工时还低。 1813年，22岁的法拉第正式当上了戴维的曲手，走进了他梦寐以 求的科学殿。不久，戴维夫妇到欧洲大陆旅游，法拉第作为助手和仆 人跟随。虽然戴维夫人甚至很不客气地将法拉第当奴隶使唤，他也度 诚地忍受了。这次旅行，使法拉第大开眼界。他见到了电化学的始相伏 打和其他著名的科学家。1815年回国后，法拉第逐渐在实验室里显示 了卓越的实验才能。他先是与戴维一起研究矿井使用的安全矿灯，后 来又投人化学研究。1816年，法拉第发表了第 一篇学术论文。1823年】 他发现了加压液化二氧化碳、疏化氢、溴化氢和氯气等气体的方法 1825年，又发现了苯。他还在电化学方面做出了开创性工作，“电解 “电极”以及阳极、阴极等名词就是法拉第最先使用的。由于他在实验 方面的出色成就，1824年被选为皇家学会会员，1825年被任命为皇家 研究院实验室主任。戴维很快发现法拉第有着极为出色的实验天才 对他产生了妒忌。据说在选举皇家学会新会员时，只有他一个人反对 法拉第当选。尽管如此，法拉第还是怀着数慕的心情称颂戴维，感谢他 早期对他的培养和教导。 奥斯特实验传到英国后，在英国物理学界也引起了强烈的反响。 321
第六卷门9世纪吉典科学的全面发展 1821年，戴维和另-一位英国物理学家沃拉斯通(1766一1823)重复了奥 斯特的实验，并且试图用固定的强磁铁让载流导线绕自己的轴旋转 但是没有成功。法拉第受他们的启发，在同年成功地使一根小磁针绕 着通电导线不停地转动。这使他相信，电流对磁铁的作用力本质上是 圆形的。法拉第实验成功的这个装置大概是历史上第一台电动机。虽 然还只是玩具，但不久就改变者世界。 法拉第也像许多其他科学家一样，相信不仅有电流的磁效应，而 且也应有磁的电流效应。1824年，他曾设计了一个实验以检验这种效 应。他让两根导线平行放置，然后在一根导线中通电，看看另一根导线 中会不会有电流感应。他当时希望看到导线中产生稳定的电流，结果 瞬间的电流感应未被他注意。以后多次实验均无结果。 1831年8月29日，他又设计了一个新的实验。他在一个软铁环上 绕了两段线圈，一段线圈与电池相连，另一个则与电流计相连。这时他 发现，当电池接通时，电流计产生强烈的振荡，但不久回复到零位置， 而当电池断开时，电流计又发生同样的现象。法拉第起先不明白这里 的含义。9月24日，他将与电流计相连的线圈绕在一个铁圆筒上，又发 现每当磁铁接近或离开圆筒时，电流计都有短暂的反应。这表明，磁确 实可以产生电，虽然只是短暂的 同年10月1日，法拉第将两根绝缘铜线分别绕在同一根木头上， 形成两组线围，一组与电流计相连，另一组与电池相连。当电池接通或 断开时，电流计指针跳动，随后就回划零位，17日，法拉第进一步发现， 仅仅用一根永磁棒插人或拔出线图，就能从与线圈相选的电流计中发 现指针偏转。法拉第十分清楚，他已经用实验证明了感生电流的存在。 1月24日，他向皇家学会提交了一篇论文，报告了他的重大发现。感 生电流的发现有着重大的意义，它意味着通过连绒地运动磁体可以不 间断地得到电流。据说法拉第本人很快就微了一个模型发电机。电动 机和发电机的问世预示着人类电气时代的到来。 1834年，法拉第发现了自感现象。单独一个线圈在接通或断开电 流的一间总会产生 个很强的“额外”电流，这个额外电流在断电时 与原电流方向相同，试图加强它，在通电时与通电电流方向相反，试图 反抗它 应该提到，另外还有一个人与法拉第同时做出了电磁感应的伟大 发现，他就是美国物理学家亨利(1797-1878)。1827年8月，亨利因为 试制电磁铁面发现了自感现象 1830年8月，他又初步发现了电流引 起的磁场在通电或断电时能产生颜问的电流。亨利的实验时间均在法 拉第之前，但由于他的实验结果一直没有发表，人们还是将电磁感应 现象的发现归功于法拉第。 一9亨利 这本来也是历史的公正。法拉第不仪独自发现了电磁感应现象 322
第二十六章/9世起的电成学 其研究的深度和广度无人能及，而旦运用他自已创造的“场”和“力线” 概念，建立了电磁感应定律。在法拉第以前，人们已经知道了许多物理 作用力不是通过直接接触实现的，如牛顿的万有引力、库仑的静电力 磁级之间的作用力，以及新析发现的由流之间的整作用小等，而日们 均遵守距离的平方反比关系。牛顿本人相信引力是即时作用，既不需装 传播媒介，也不带要时间，是一种超距作用。后来的科学家均诗有这种 观点。但是法拉第不同意这种超距作用观，天才地创造了“场”和“力线 的慨念。 法拉第认为，电磁作用力均需要媒介传递，因为他从实验中得知 电介质影响带电体之间的电磁作用他设想，带电体或磁体周制有 种 由电磁本身产生的连续的介质，来传递屯磁相互作用。这种看不见、摸 不着的介质，被他称做“场”。为了直观地显示“场”的存在，他又引入了 “力线”的概念。他设想，电力线或磁力线由带电体或磁体发出，散布于 空间之中，作用于其中的每一电磁物体。演示磁力线的实验今天为每 个初中生所熟悉，将铁屑酒在一张纸上，纸下放一块磁铁，轻轻弹动这 张纸，纸上的铁屑就会排成一个规则的图形。法拉第说，铁州所排成的 形状就是磁力线的形状。 有了力线的念，法拉第就能够进一步解释电磁感应现象。他在发 表于1851年的《论磁力线》-一文中说，只要导线垂直地切到磁力线.导 线中就有电流产生，电流的大小与所切制的磁力线数成正比：这篇论文 实际上正式将电磁感应现象确立为-一条定律。法拉第由十从小没受过 正规教育，其数学能力十分欠缺，但他对物理世界天不的洞察力弥补了 这一不足。“力线”概念就是 一种极为出色的非数学化的图像式想象，室 今仍为物理教学所喜用。 1938年，在皇家学会的档案里发现了法拉第1832年3月12日写 给皇家学会的一封信。信中，他先提到电力和磁力的传播需要时间，接 着他说；“我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起被纹的水而的振动 或者空气粒于的声振动，也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象 就像对声音所作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。”在这封 信里，法拉第实际上预言了电磁波的存在」 185年，法拉第发现了磁的旋光效应即著名的法拉第效成。次年 他又提出光的本性是电力线和磁力线的振动。这一看法后来被麦克斯 书发展成为光的申蓝道】 自进人皇家研究院实验室以来，法拉第的新发现一个接一个，及至 40年代，法拉第声名大振，数不清的荣誉向他袭米，但他依然像当年那 个学徒工那样对科学一往情深，对金钱和地位不屑 一顾。成名之后，他 热精地给普通群众主办通俗科学讲座，希望科学能像当年在他心中引 起崇高的理想那样教有下一代青年人，据说法拉第是-位十分优秀的 323
第六学/19世纪古典科学的全而发展 2610 位笔在 王至员 讲座 演说家，作家狄更斯以及王室成员都是他忠实的听众。有人曾建议他 当皇家学会的会长，他没有答应。国王要封他爵位，他也谢绝了 50年 代英俄交战时，英国政府曾请法拉第领导研制毒气，被法拉第断然拒 绝。他临终前要求，葬礼尽量简朴，不要立纪念裤。1867年8月25口 法拉第在伦敦谢世，遵遗嘱没有举行大的送葬仪式。他在长达42年 (1820一]862)的科研生涯中，每天坚持对当天的实验情况作详细记 录，这些日记于1932年为纪念他发现电磁感应100周年而出版。煌煌 七大卷、长达3236页的巨着，记载了这位科学伟人的毕生心血。生活 于电气化时代的人们，全都缅怀这位电学大师的丰功伟绩。 4.电磁理论之集大成：麦克斯韦 法拉第的创造性工作奠定了电磁学的物理概念基础，但是由于法 拉第不懂数学，不能用精确的数学语言表达他的物厘思想。在他总军 性的著作《电学实验研究》 ·书里，几乎找不到一条数学公式，以致有 人认为它只是关于电磁实验的实验报告，谈不上是一部科学论著，另 一方面，由于分析力学的高度发达，电磁学领城每取得 个突破性的 定律，就有数学 物理学家将之用严密精确的数学公式数学化。库仑 定律，安培定律和法拉第电磁感应定律均很快被表述成一般的数学形 式，现在就等待着一个伟大的综合出现。英国物理学家麦克斯韦担当 了这一历史使命。 ↑26-11 名 麦克斯韦1831年11月13日出生在爱丁堡一个名门望族，从小低 克斯韦的青年时 显露出数学天才。15岁时写了一篇论卵形由线的论文，发表在漫丁堡 代 空家学会的刊物上，令许多数学家不相信它出自一个孩子之手。 324