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第12章 与物理学家相约(3)

我遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”在1802~1804年期间,他成功地做了著名的“双缝实验”,发现了光的干涉现象。

在这之前,也有学者根据水波干涉,猜想两束光如果是波的话会发生干涉,不过都没有做出成功的实验。杨分析了别人失败的原因,利用双狭缝使同一束光分成两束,结果成功了。杨在屏上观察到了明暗相间的干涉条纹。他还根据实验数据推算出极端红光的波长大约是三万六千分之一英寸,极端紫光的波长大约是六万分之一英寸。但是,杨的实验当时没有得到学术界应有的重视。

1818年法国物理学家菲涅耳对惠更斯学说加以发展,提出了波动的数学理论,请大数学家泊松(1781~1840)审阅。泊松经过计算,得出了当一束光通过小圆片的时候,在圆片影子的中心会出现亮斑的结论。泊松认为这个结论很荒唐,采取不相信菲涅耳理论的态度。菲涅耳不服,立即做实验,确实发现圆片影子的中央有一个小亮斑。后人称它是“泊松亮斑”。这时候人们又想起杨的双缝实验,它和泊松亮斑一起,令人信服地证明了光的波动学说的正确性。大约在1850年前后,光的波动说终于被学术界普遍接受,在同微粒说的争论中占了上风。

在光学方面,杨还在1801年引入叠加原理,把惠更斯的波动理论和牛顿的色彩理论结合起来,成功地解释了规则光栅产生的色彩现象。1803年,他又用波动理论解释了障碍物影子具有彩色毛边的现象。1820年杨用比较完善的波动理论对光的偏振作出了比较满意的解释,认为只要承认光波是横波,必然会产生偏振现象。杨不仅对人眼的色盲作出了正确的解释,而且建立了著名的三原色原理,认为一切色彩都可以用红、绿、蓝三种原色按一定的比例混合得到。

此外,杨还对物体的弹性、毛细现象、流体的内聚性、生理光学等课题进行了研究,取得了不少成就,其中比较突出的是他发现了弹性定律中用他名字命名的杨氏模量(弹性模量)。

被命名为电阻单位的科学家欧姆

欧姆(Georg Simon Ohm,1787~1854)是德国物理学家,1787年3月16日诞生于德国巴伐利亚州埃尔兰根的一个普通锁匠家庭。

欧姆由父亲在家进行启蒙教育,有时还对他讲解数学、物理等知识。1800年欧姆进埃尔兰根一所中学接受古典式教育。1805年考入埃尔兰根大学学习,由于欧姆学习不认真,光喜欢玩,在大学只学了三个学期,严厉的父亲就勒令他退学,把他送到瑞士乡下,希望他改变坏习惯。1806年以后欧姆在中学教书。1811年复活节,欧姆回到埃尔兰根大学,通过考试,获得哲学博士学位,但是他没有找到满意的工作。1817年他出版了《几何学教科书》一书,后来应聘在科隆大学预科教物理学和数学。这个学校有比较浓厚的学术气氛,又有一个设备良好的实验室,促使他用很大的热情学习物理学,有机会阅读了一些著名学者如拉格朗日、拉普拉斯(1749~1827)等人的著作。1833年欧姆前往纽伦堡理工学院任物理学教授。1841年获英国伦敦皇家学会的柯普利奖章,第二年当选为学会的外国会员。1849年任慕尼黑大学非常任教授,1852年转为正式教授。

欧姆在物理学中的主要贡献是发现了欧姆定律。

1820年7月奥斯特发现了电流的磁效应,只经过四个月,安培就建立了安培定律。欧姆从另一方面进行探索,研究导线中电流本身遵循什么规律。他受到热流规律(一根导线杆中两点间的热流大小正比于这两点的温度差)的启发,推想导线中两点之间的电流大小也许正比于这两点之间的某种驱动力。欧姆把这种未知的驱动力称作“验电力”,也就是现在所说的电位差或电压。欧姆在这个设想的基础上,作了一系列实验,不过实验遇到了不少困难。起初,欧姆采用伏打电堆作电源,效果不理想,后来采用刚发明不久的温差电池作电源,才获得了稳定的电流。第二个困难是电流大小的测量。欧姆原来利用电流的热效应,通过热胀冷缩方法来测量电流的大小,但是没有取得理想的效果。后来他巧妙地利用电流的磁效应,设计了一个电流扭秤,才有效地解决了这个问题。欧姆用一根扭丝悬挂一根水平放置的磁针,待测的通电导线放在磁针的下面,并和磁针平行,用铋——铜温差电池作电源。欧姆反复作了多次实验,得到了如下关系:

X=ab+x

式中a、b是常数,分别和电源的电动势和内电阻相对应;X是磁针偏转角,和导线中电流强度相对应;x是导线长度,和外电路的电阻相对应。这是欧姆定律的最早的形式,发表在1826年德国《化学和物理学杂志》上,论文题目是《金属导电定律的测定》。1827年5月,欧姆写成《动力电路的数学研究》一书,把这个规律总结成下述形式:

S=γE

其中S就是导线中的电流强度,γ就是电导率,E就是电压,这就是欧姆定律,后来人们把它整理成U=IR

此外,欧姆对声学也有过研究,1843年发现人耳只能分辨作为纯音的正弦声波,并能自动地把任何一种周期性声波分解成各种谐音加以吸收。1852年他还对单轴晶体中的光的干涉现象进行了研究。

欧姆于1854年7月6日在德国巴伐利亚州的慕尼黑去世,终年67岁。后人为纪念欧姆,特地把电阻的单位命名为欧姆,并用希腊字母Ω标记,简称“欧”。

被命名为电容单位的科学家法拉第

法拉第(Michael Faraday,1791~1867)是英国著名的物理学家和化学家,1791年9月22日诞生于英格兰萨里郡纽因顿镇的一个铁匠家庭。

法拉第家境贫困,常常靠救济度日。他七岁上学,九岁退学,12岁就当报童。法拉第14岁那年全家迁往伦敦,经人介绍,他进了伦敦的李波书店当学徒工,装订书报。法拉第被大量的书报吸引住了,有一次在装订《大英百科全书》的时候,对电学的文章产生了强烈的兴趣,后来又被《化学漫谈》所吸引,从此对自然科学倾注了巨大的热情。1812年听了大化学家戴维(1778~1829)的讲演以后,法拉第更产生了参加科学工作的热切愿望。第二年,在戴维的帮助下,法拉第进入皇家学院实验室,做戴维的助手。1816年法拉第发表了第一批有关化学方面的论文。1820年他受丹麦物理学家奥斯特的影响,兴趣转到了电磁学方面,进行了长达四十多年的研究,作出了划时代的贡献。1824年1月,法拉第当选为英国伦敦皇家学会会员,1825年被提升为皇家学院实验室主任。1846年他荣获伦福德奖章和皇家勋章。法拉第一生热衷科学事业,不好功名利禄。1857年皇家学会准备选他当会长,他推辞了;后来皇家学院请他任院长,他也拒绝了;他甚至谢绝了封爵,于1858年退休。

法拉第在物理学方面的主要贡献是对电磁学进行了比较系统的实验研究,发现了电磁感兴现象,总结出电磁感应定律;发明了电磁学史上第一台电动机和发电机;发现了电解定律;提出电场、磁场等重要概念。他是19世纪电磁领域中最伟大的实验家。他写成的巨著《电学的实验研究》,收集了3362个条目,详细记述了他做过的实验,总结出带有规律性的成果,是一部珍贵的科学文献。

1820年,奥斯特发现电流的磁效应后,英国有名望的杂志《哲学年鉴》主编邀请大化学家戴维撰写有关的综合性评论文章,戴维让法拉第代劳。法拉第欣然同意,他在收集资料的过程中,对电磁现象的研究产生了巨大的热情。1821年9月3日,法拉第重做了奥斯特的实验,他用小磁针放在载流铜导线周围的不同位置,发现小磁针有沿着环绕以导线为轴的圆周旋转的倾向。根据这一现象,法拉第设计制作了一种“电磁旋转器”,让载有电流的导线在一个马蹄形磁铁的磁场中转动,这就是科学史上最早的一台电动机。

在法拉第的思想中,确信物理学所涉及的自然界的各种力是互相紧密地联系着的。他分析了电流的磁效应以后认为,既然电可以产生磁,反过来磁也应该能产生电。他在1822年的一篇日记中就写了这样的话:“把磁转化成电。”法拉第朝着这个目标,坚定不移地坚持实验、研究近十年,经历五次重大失败,终于在1831年发现了电磁感应现象。他用一个2.2厘米厚、外径15厘米的软铁圆环,绕有两股绝缘线圈A和B,B的两端用一条导线连成一个闭合回路,导线下面平行放置一根磁针。A和一组电池组、一个开关连接成另一个闭合回路。法拉第发现,在合上开关有电流通过线圈A的瞬间,磁针偏转,断开开关切断电流的瞬间,磁针也偏转。但是法拉第并不满足,立即提出了两个十分深刻的问题。第一,上述实验中是否一定要用软铁磁环,没有行不行?第二,线圈A是否可以不要,改用磁棒代替?10月17日法拉第做了一个现在人们熟知的实验,他用一个接有电流计、线圈的闭合回路,把一根永久磁棒迅速插入线圈或迅速拔出,都可以发现电流计指针偏转。法拉第在11月24日,向英国伦敦皇家学会报告了他的重大发现,归纳出产生感应电流的五种情况:一、变化着的电流;二、变化着的磁场;三、运动的稳恒电流;四、运动的磁铁;五、在磁场中运动的导线。法拉第在报告中,把他所观察的现象正式定名叫“电磁感应”。经过进一步研究,法拉第于1851年在《论磁力线》一书中正式提出电磁感应定律:“形成电流的力和所切割的磁力线根数成正比。

”对于这一发现,爱尔兰著名物理学家丁铎尔(1820~1893)评论说:“我不能不认为……关于磁—电的这个发现,是迄今所获得的最伟大的实验成果。这是法拉第成就的勃朗山峰。”

在发现电磁感应现象以后,法拉第又做了这样一个实验:把一个铜盘放在一个大的马蹄形磁铁的两极中间,铜盘的轴和边缘各引出一根导线,同电流计相连,构成闭合回路,当铜盘旋转的时候,电流计指示出回路中有电流产生。这就是发电机的雏形。

法拉第的又一个重要成果,是提出了场的概念和力线的图像。他反对电、磁之间超距作用的说法,设想带电体、磁体或电流周围空间存在一种从电或磁激发出来的物质,它们无所不在,是一种像以太那样的连续介质,起到传递电力、磁力的媒介作用。他把这些物质称做电场、磁场。法拉第还凭借着惊人的想像力,和流体力学中的流场类比,提出电场和磁场是由力的线和力的管子组成的,正是这些力线、力管,把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。

1852年,他用铁粉显示出磁棒周围磁力线的形状。1832年,法拉第还用极深邃的物理洞察力对光和电的关系作出了研究。他给英国伦敦皇家学会写了一封密封信,信封上写着:“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新的观点。”这封信在档案馆里躺了一百多年,直到1938年才为后人重新发现,启了封。法拉第在信中预言了磁感应和电感应的传播,暗示了电磁波存在的可能性,还预言了光可能是一种电磁振动的传播。

此外,法拉第还发现了用他名字命名的电解定律,并且引入了阳极、阴极、阴离子、阳离子等现在仍在普遍使用的术语。他还发现了光的偏振面在磁场中旋转的旋光效应。

在化学方面,法拉第也做出了很大的贡献。他研究了氯,发现两种新的氯化碳,通过实验研究了气体扩散和几种气体的液化,还研究了合金钢的性能,等等。

法拉第是一位靠自学成才的伟大科学家。他小时候虽然只上过两年小学,但是思维敏捷,经常思考一些很有意义的问题。有一天,他到一家订户送报,突然对花园的栏杆出了神,心想,如果我的头伸进栏杆里,而身子还在栏杆外,那么我究竟应该算在栏杆的哪一边呢?法拉第好提问题,以至别人这样来形容他:他的头“老是往前伸着,好像随时准备向别人提问题似的。”法拉第当了书店学徒以后,学习的积极性更高涨了。他不但博览群书,而且用它们作指导,在宿舍里做了许多实验。他的工钱除了吃饭以外,几乎全部花在买实验用品上。

后来法拉第听了戴维的讲演,更下定了“献身于科学”的决心。据说法拉第为了进皇家学院实验室工作,戴维曾经同他进行过如下的谈话。戴维一边指着自己手上、脸上的伤疤,一边对法拉第说:“牛顿说过:‘科学是个很厉害的女主人,对于为她献身的人,只给予很少的报酬。’她不仅吝啬,有时候还很凶狠呢。你看,我为她效劳十几年,她给我的就是这样的奖赏。”法拉第坚定地说:“我不怕这个!”戴维又说:“这里工资很低,或许还不如你当订书匠挣的钱多呢!”法拉第回答说:“钱多少我不在乎,只要有饭吃就行。”戴维追问了一句:“你将来不会后悔吧?”法拉第频频点头说:“我决不后悔!”就这样,法拉第正式踏进了科学的殿堂。

法拉第在科学的征途上走过了半个多世纪,他始终如一地实践了自己“献身于科学”的诺言。由于法拉第在电学和化学研究上出了名,有一段时间,法院曾经聘请他做专家作证的工作。在不到一年时间里,法拉第获得了五千镑的报酬。这时候,一位朋友劝法拉第辞去皇家学会的研究工作,告诉他“如果继续干下去,每年可以稳赚25000镑”。当时皇家学会每年给法拉第的报酬只有500镑。爱科学不爱金钱的法拉第经过郑重考虑,为了专心进行科学研究,毅然辞去了专家作证的工作。

法拉第经常不分昼夜地在实验室里工作,为了利用每一分钟时间,凡是和实验无关的事情,他尽量推辞、谢绝;他不去朋友家吃饭;不上剧院看戏。他不停地做实验,记笔记。在他的实验日记上,记满了“没有效果”、“没有反应”、“不行”、“不成”等字样。1855年出版的八卷《法拉第日记》,就是他日夜辛勤工作的明证,他的一系列重大科学成果,就是他心血和汗水的结晶。法拉第退休以后,还念念不忘皇家学院实验室,经常去那里扫地、擦桌子、整理仪器。

1867年8月25日,法拉第在伦敦去世,终年76岁。遵照他的“一辈子当一个平凡的迈克尔·法拉第”的意愿,他的遗体被安葬在海格特公墓。后人为了纪念法拉第,特意用他的名字来命名电容的单位,简称“法”。

被命名为电感单位的科学家亨利

亨利(Joseph Henry, 1797~1878)是美国物理学家,1797年12月17日诞生于美国纽约州奥尔贝尼一个贫穷的家庭。

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