物理学史和伟大的物理学家们电磁学.doc

物理学史和伟大的物理学家们 电磁学引自作者：山登绝顶电磁学是整个经典物理学辉煌到顶点的标志。早在古希腊时代人们认识到琥珀带电和磁石吸引铁钉的现象，但也仅仅到两百年以前才突然发现电和磁是如何紧密地联在一起的。最早能把琥珀带电和天上的闪电想象成是一种物质的是美国人富兰克林，这在当时也算是了不起的创见。自古以来人们就对电闪雷鸣抱有恐惧的心理，牛顿力学虽然解释了很多现象，但对此却无能为力，因为这其中涉及到的不是引力的作用，而是另一种尚未知晓的力-电磁力。富兰克林也是偶然注意到这一现象的，那一次在家中用一个存贮电荷的莱顿瓶做实验，一不小心莱顿瓶漏电，当场将他身旁的夫人击晕了过去，这只怕是历史上第一次人造电荷发生的事故。富兰克林赶忙将妻子扶起，心中却想，妻子倒地时浑身抽搐发青，倒似被雷电击中的一般，只怕雷电多少和这莱顿瓶中的电荷有关。这富兰克林也是胆气豪壮之士，他专门找准了雷雨天放起风筝，金属丝线搭落下来，火光四溢，旁人见了无不骇然失色，他却一边拽着风筝疾跑一边哈哈大笑，我找到雷电的成因了！当时研究电流的强度实在没有什么好的仪器，富兰克林干脆就把电流通到自己身上，如此强度就分成了三六九等，无感觉，麻木，抽搐，昏厥，再以上就觉察不到了，几次富兰克林都险被击毙。物理学家大都极富献身精神，但象他这般涉身犯险，视生命直同儿戏的倒也没几个，也正是在这些迹近拼命的实验下，电学的第一批数据建立起来了。第一个认识到电荷平方反比律的是应该算是英国的大物理学家卡文迪许。他出身贵族豪门，照例卡文迪许这等身份的人或者出入官场，扬威域内，或者放浪形骸，寄情声色犬马之中，可是他生性古僻，平时连生人都不愿见到一个，生平最喜好的事情便是在家里作各种希奇古怪的实验。卡文迪许是第一等的大物理学家，实验作得固然是精度极高，理论上的功底也是不弱，他在翻读牛顿的原理一书时看到牛顿的一个证明，一个小球悬吊在另一个空心球体之内，受到的引力为零，这完全是因为万有引力与距离平方成反比之故。卡文迪许看到这里，突然想到莱顿瓶的电荷可是只分布在表面，内部可是一点儿也没有，莫非电荷的作用力和引力作用全然相同，都是遵守平方反比的规律，这也未免太过巧合了吧?此等联想乃是物理学中最是宝贵的直觉,在实验室中不分昼夜的埋头实验故是不易，呕心沥血地推导出复杂的公式也属难得，但终究是及不上这电花火石般的一刹那，自牛顿的万有引力发现以来最重要的一个猜想便这般诞生了。当时的实验条件很是简陋，但卡文迪许经过极细心的检验和论证，指出电荷间作用力的形式如同：，其中n在之间，这是第一等的发现，但卡文迪许生性内向，所有的手稿都锁在柜中了事，根本无意发表。一直到1785年，法国物理学家库仑设计出扭称实验，验证了平方反比率，轰动了整个欧洲，但其精度尚还不及卡文迪许。卡文迪许终身未婚，只有他侄子继承了一大笔财产和一大柜手稿。他一生除了购置实验仪器之外花费着实寥寥，他的侄子毕竟最通他心意，将此笔钱捐给剑桥大学彼得豪斯学院实验室，这个实验室就是后来名闻天下的卡文迪许实验室，人类在那里第一次揭开原子的秘密，前后在那里培养出诺贝尔奖金获得者共计二十六人。不过卡文迪许的侄子本人不通物理，倒拿那一大堆手稿没有办法，直到他本人也逝世之后，手稿才流落出来，后世的物理学家读到之后才对卡文迪许的旷世才学又惊又佩。是他最早精确测定了万有引力的常数，是他最早提出了电荷间的作用力和距离平方成反比，是他在法拉第之先用实验演示了电容器的电容和填充的物质相关，早在欧姆定律公开发表的三十年前他就发现了导体两端的电势和流过的电流成正比。在化学上他甚至享有化学家中的牛顿的美誉，是他最早提出水是由氢氧两种元素组成的。更让人不可思议的是所有这一切全部都是他一人完成的，连一个助手都没有，更别提创立什么学派了，他从来不与其他科学家交往，但英国科学界对他的尊敬是牛顿之后无人可比的。库仑定理提出之后，静电学又进入了一个崭新的阶段，一些第一流的大数学家参加了进来，其中便有高斯，格林，泊松等人。泊松是拉格朗日的得意高徒，他最先把数学中一整套分析的办法引入到电磁学中来，高斯则把单电荷的库仑定理扩展到连续场中，格林则第一次引入了电势的概念。静电学已经发展得很是成熟，与此平行的磁学也找到了类似的平方反比的作用力，但究竟电和磁之间究竟有什么牵连几十年来都不甚明了。一直到电池问世，人们可以获得稳恒的电流时，这个谜底才在1820年被丹麦物理学家奥斯特揭开。奥斯特也是偶然发现通以电流的导线边上的磁针奇迹般地发生了偏转，这一发现当即轰动一时，当年的著名科学刊物化学和物理学年鉴破例将他的论文全文刊载，附的编者按也颇耐人寻味：读者们一定都知道，本刊从不轻易支持宣称有惊人发现的报告，至今我们仍以能坚持这一方针而自诩，然而奥斯特先生的文章显然是个例外，他的结果看起来无论怎么光怪陆离，但每一个数据都是准确无误的，谁也找不到丝毫漏洞。奥斯特的论文很快被译成法文，英文和德文传便了整个欧洲，另一位大物理学家安培接到消息之后大吃一惊，头脑中冒出的第一个想法便是磁体和磁体之间有相互作用，电流和磁体之间也有相互作用，如此说来电流和电流之间也应该有相互作用的呀。电池发明并使用的那么长时间，奥斯特效应摆在眼边都被漠视至此，已经是说不过去了，电流之间的相互作用要是还找不到，岂不令我辈汗颜?他马上付诸实验，并于1820年9月18日找到了实验证据，并向法国科学院作了汇报，并给出了著名的安培定律的表达式，而这仅仅是在奥斯特发现电流磁效应的第七天，电磁学的在一个星期的时间里进境之快，当真令人瞠目结舌。物理学家们各个都在暗悔自己的粗心大意，下一个目标却是再也不能放过了，电流可以产生磁，那么磁怎样才能产生电呢?但这个问题一搁置又是十年，直到英国的大物理学家法拉第发现了电磁感应现象。法拉第的崛起才真正算得上是一个奇迹。这位从小生长在伦敦郊外贫民窟里的孩子，一生所受到的正规教育不过才两年。连他自己都认为一生的最大出息也不过是一个出色的手艺工人而已，可是当时万业萧条，连靠手艺吃饭都成梦想，不得已法拉第浪迹伦敦，什么样的粗活重活都干过，包括打铁，喂马，送报，烤面包等等，最后的一份工作总算是固定下来了，帮人装订书报。可是法拉第也算是不世奇才，那个印刷厂出版的多是科技图书，他在装订的间隙闲极无聊，干脆读一些装订的书页为乐，开始他连字都认不全，但后来居然对其中的电和磁之类的东西大感兴趣。下工之后，他经常在工友中宣讲自己对电磁学的理解，人人都听得昏昏欲睡，唯独他意兴盎然，最后一位老工人劝他道：你和我们这些粗人有什么可说的呢，应该去找那些吃白面包的人呀。那些吃白面包的人都是上层人士，自己奈何能见到他们?再三思量之下，法拉第决定把自己的一些见解写信寄给当时皇家学会会员戴维先生。戴维乃是英国当时首屈一指的大化学家，28岁那年便自创电化学一门学科，并发现了钠，钾等诸多金属元素，当时英法两国打得天昏地暗，拿破仑还是力排众议，授予他皇家勋章。法拉第对他景仰已久，经常旷工跑去听他做的报告。法拉第本没抱多大希望，谁知不久竟然受到了戴维的亲笔回信。原来戴维看到法拉第的信后，心想此人的见解倒也颇具灵性，看来也是一位可造之才，一见面之后却不免微微皱头，来者衣衫不整，肢手粗大，全无想象中儒雅的绅士风范，稍询片刻，便知法拉第根本没受什么教育，业余自学的东西倒是不少，但都杂而未纯，不成章法，尤其数学知识几乎是零。但戴维心肠甚软，不忍拂他一片热忱求学之意，又见他反应灵敏，手脚麻利，便接纳他为自己的助手。自此法拉第一步登天，步入了科学的殿堂。法拉第得知奥斯特和安培的进展之后，就把目标锁定在磁如何生电的问题上。十年之间他不知做了多少实验，跟着戴维拜会了多少名家，都没有取得丝毫进展，但法拉第却并不气馁。最后一次他选定的方案是把磁铁插入绕制的线圈之中，然后观察电流计中的计数。当时的仪器很是庞大，每次法拉第把磁铁插入线圈之后，都须得跑到另外一个放电流计的屋子去读数，结果每每都失望而回。突然法拉第灵感忽现，莫不是在磁棒插入的一瞬间才有电流产生?他向来心思极是周全，但于这一节却倒是从未想过，心念一动，叫来同事帮忙，在另一个房间里他果然看到了指针的偏转，登时目瞪口呆，兴奋得连欢呼都忘了。电磁感应定律发现又一次轰动了欧洲，法拉第也一朝成名。但法拉第在科学上的贡献远远不止这些，他师从戴维，在电化学领域发现了电解第一，第二定律。在实验方面19世纪的物理学家中却没有一个及得上他，是法拉第首先证实了电荷守恒，研究了光的偏振面在强磁场中的旋转，揭示了抗磁性和顺磁性，在化学上也是硕果累累，他制造出包括苯，丁烯在内无数的有机物，成功地液化了二氧化碳，氯气，二氧化硫等气体，接连不断地创出新的低温记录。但所有这一切比起他提出的场的观念，都不免黯然失色了。法拉第的数学基础不好，这是不争的事实。当时的物理学家各个都擅长用复杂的数学公式来表达物理思想，法拉第就经常合不上拍，但他也有自己的一套办法，用图解的方法表示出电磁场的分布。法拉第称之为力线，并在讲演中经常使用，开始大家都不免窃窃私笑，但没有人料到，这些力线实在是牛顿时代以来物理基础理论的一次最重要的变革。在此以前人们的潜意识中都持有的是超距作用的观点，即物质之间相互作用的传递根本是不需要时间的，力本身就是物质的属性，至于它怎样产生是无法说明的。这本来是牛顿的一家之言，只是牛顿威名过胜，后来人们一直便当天经地义一般。而法拉第画出的力线则隐然包含了物质之间的作用力乃是通过场来传播的，场虽然看不见，摸不着，但却实实在在的是一种物质，这不但为迈克斯韦的电磁场理论奠定了基础，而且对整个二十世纪的物理学影响极深。法拉第曾著有电学的实验研究一书，由于书中公式寥寥，在当时抱有数学至上观点的物理学界中反应平平，但法拉第毕生的思想精髓汇聚于内，后世得益于此书的有两个大大有名的人物，其一便是大发明家爱迪生，他年青时在波士顿的旧书摊上买得一本，虽然页数不全，却也是收益匪浅。晚年的爱迪生腰缠万贯，回忆起来仍认为当年买下法拉第的书实是一生中最得意的一笔投资。另一个人便是旷世奇才迈克斯韦，电磁学在他手中才到了旁人想也不敢想的至高境界，以他的姓命名的迈克斯韦方程组更是十九世纪物理学的一株奇葩，千载之后的人们忆及公元1864年，首先想到的只怕不是轰动一时的美国南北战争，而是那几个朴素的方程。迈克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡，自小沉默寡言，喜好的仅是数学和英文诗歌，同学们都送给他一个外号傻子，但稍有眼光的老师都清楚这个孩子在数学上的前途不可限量。果然在16岁的时候迈克斯韦就写下了两篇论文关于旋轮线的理论和论弹性的平衡，居然获得了在皇家学院会议上宣读的资格，但会议真正开始的时候却是由人代读的，他还不过是个穿夹克衫的孩子而已，实在上不得台面。迈克斯韦在19岁那年进入剑桥大学学习，他的兴趣极为广泛，数学，物理，化学，哲学方面的课都去听，不过他最喜欢的还是数学。一次著名的大数学家霍普金斯到图书馆去借一本数学著作，管理员告诉他已经被一个叫迈克斯韦的学生借走了，霍普金斯心中暗暗称奇，这本书艰难晦涩，全剑桥的数学教授也未必有几人能看得懂，而一个学生竟能聪明至此?自此迈克斯韦师从霍普金斯，水平又升上了一个台阶。数学自古希腊以来一直分为两派，一派以毕达哥拉斯为鼻祖，崇尚抽象数学，并把数学看成纯粹的符号，另一派由法国的笛卡儿，英国的牛顿等人继承了下来，他们强调的是数学的应用性，尤其在物理学中更是一件犀利的锐器。很多大数学家，例如高斯，欧拉等人都是身兼两派之长，在纯数学和应用数学中都有过光辉的贡献。而迈克斯韦在老师影响之下，走的是应用数学的路子，这是他一生中最正确的选择，因为他有着比一般数学家强的多的物理直感。自古而来，数学家从事物理的鲜有大家，可见两门学科的思考方式原本大大的不同，物理学家固罕见严密得无以复加的推理本事，数学家也缺少简洁明快地直觉思维，但一朝突破这一障碍，那便是了不起的大师级人物，迈克斯韦便是一例。迈克斯韦一生中的另一大幸事便是见到了法拉第，他们二人虽都是第一等的物理学大师，但各方面相差仍是极远