中科大科学技术史讲义第4章物理学的发展

第四章物理学的发展物理学是研究物质基本结构和物质运动的最一般规律的科学，是其它科学和技术的基础和发源地。一方面，它推动着人们的认识观念与思维方式的变革与发展，另一方面，又通过技术转化为直接生产力，为社会和经济服务。同时，物理学也是一门不断发展的科学，向着物质世界的深度和广度不断前进。原始的自然观和物理学的起源与发展在第二章中已经谈到一些，本章叙述的主要是经典物理学至现代物理学的发展和相关内容。经典物理学是指19世纪末以前的物理学部分，包括经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁学等；现代物理学是指20世纪初发展起来的物理学部分，包括量子力学粒子物理学等内容。4.1经典物理学的诞生与发展从16世纪到18世纪，大约有300年的时间，是近代自然科学形成和发展时期。这一时期，在资产阶级民主革命和资本主义生产发展的推动下，自然科学摆脱了宗教神学的束缚和坚持对自然界进行精密的观察和实验的研究，以前所未有的速度发展起来。第谷、开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家都为新时代科学思想的建立作出了贡献。其中最杰出的成就是牛顿创立了经典力学体系，实现了以力学为中心的科学知识的第一次大综合。4.1.1经典力学体系的建立获得了大量数据资料，为开普勒（J.Kepler，1571～1630年）行星运动三定律的研究作了充分准备。与此同时，以伽利略(G.Galileo，1564～1642年)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了自由落体定律。伽利略的两部著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》（通常简称为《两门新科学》，所谓两门新科学是指材料力学和运动力学），为力学的发展奠定了思想基础。随后，牛顿（I.Newton，1642～1727年）在总结伽利略和开普勒等人研究成果的基础上，进行分析综合，建立了牛顿力学三定律和万有引力定律。牛顿力学经过伯努利(D.Bernoulli，1700～1782年)、拉格朗日(J.L.Lagrange，1736～1813年)、达朗贝尔(JeanleRondd’Alembert，1717～1783年)等人的推广完善，形成了系统的理论，并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。到了18世纪，经典力学已经发展成为自然科学中的主导和领先学科。(一)伽利略对经典力学的贡献意大利科学家伽利略1564年2月15日出生于意大利的比萨。1581年进入比萨大学学习医学。不久就对数学着迷，他执意不肯学医，未取得学位就于1585年离开了比萨大学。伽利略倾心研究欧几里得几何学和阿基米德的物理学。伽利略先后在比萨大学、帕多瓦大学担任教授工作。1610年回到了佛罗伦萨，继续从事他的物理学和天文学的研究。因为赞同和传播哥白尼的日心说受到教会迫害，转而专心研究力学，写出了《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》（通常简称为《两门新科学》对惯性定理作出了更明确的说明，提出了自由落体定律、相对速运动是指运动质点在任何相等的时间间隔里经过的距离相等”，“匀加速运动是指运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。这是伽利略对亚里士多德运动观念的重大改革。更重要的是，伽利略的这些成就不单是靠思辨和逻辑推理得出的，而是以大量的“斜面实验”的结果为基础的。其中对自由落体和抛物线运动规律的研究是他最富有创造性的成果。在16世纪以前，亚里士多德运动观一直占统治地位。亚里士多德认为：即物体运动的有无和快慢与它是否受到力的作用和力作用的大小有关；体积相等的物体下落的快慢与它们的重量成正比，即较重的下落快，较轻的下落慢。这种观点是错误的，但它比较符合人们的常识，再加上被宗教利用，在当时被人们敬为圣贤之言，不可触犯。对这一错误观点发起冲击的是伽利略。伽利略用逻辑推理的方法进行论证分析，发现了亚里士多德自由落体观点中的逻辑矛盾。他设想把一个重物和一个轻物捆在一起下落，会发生什么情况。若按照亚里士多德的观点，一方面，它们的重量是两个物体重量之和，也就是说两物体捆在一起应比重物单独下落的速度快。但另一方面，两个不同下落速度的物体捆在一起，下落快的重物必然被下落慢的轻物拖住而减慢下落速度，同时，轻的物体也会被快的重物所带动下落速度有所增加。这样，捆在一起的两个物体最终以相同速度下落，这个速度比原来重物单独下落的速度慢，比轻物单独下落的速度快，根据亚里士多德的观点推出两个不同的结论。伽利略对亚里士多德的观点提出疑问，他认为解决这一逻辑矛盾的唯一途径是：下落速度与重量无关。伽利略并未满足于逻辑推理，而是通过实验寻求根据。他从单摆运动的研究中得到启发，设计了著名的“斜面实验”。一个小球沿斜面下滑，可以看成“冲淡重力”的条件下的落体实验。物体在垂直地自由下落时，由于地球引力较强，降落速度很快，很难精确测定不同重量物体降落过程；但在斜面上，引起物体下落的只是重力沿斜面的分力，而易于观测。伽利略反复进行实验，终于得到了自由落体是匀加速运动，其下落的速度和时间同物体的轻重无关的结论。在此有必要说一点，伽利略并没有直接观察自由落体运动状况。因为自由落体加速度太大，而当时的记时装置还未出现，时间无法测量。想一想，伽利略发现摆的运动的等时性时，是用自己的脉搏记时，就可以明白当时科学仪器的缺乏。斜面可以使物体下落的加速度减小，因而可以对其进行观测，在此基础上，伽利略最终用“理想实验”由斜面的情形推到了自由落体和水平运动的情形。传说伽利略曾进行所谓的比斜塔自由落体实验是缺乏事实根据的。伽利略在发现自由落体定律的基础上，进一步进行分析和实验，又发现了“惯性原理”——即物体在没有外力作用的情况下，不仅有保持其静止状态不变的特性，而且还有保持其匀速直线运动的特性。尽管伽利略为经典力学体系的建立作出了贡献，但他为避免教会的进一步干涉和迫害，当时只说这些力学原理适用于地上的物体，而不提它是否适用于行星等天体的问题。除了力学上的贡献，伽利略还有许多发现和发明。例如：他发现了摆的等时根据物质热胀冷缩的道理，发明了一种湿度指示器；根据浮力原理，发明了一种流体静力学天平，被称为“当代的阿基米德”；他试图用实验方法测定光速，虽未成功，但毕竟是科学史上测定光速的先驱者。在科学研究方法上，伽利略作为实验物理学的先驱，他把实验方法、分析方法和数学方法综合地运用于力学研究，为近代自然科学开创了一个新时期。爱因斯坦评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”(二)开普勒对经典力学的贡献德国天文学家开普勒（J.Kepler,1571～1630年）生于德国南部瓦尔城。开普勒5岁时得过天花，致使手眼留下残疾。为了找到一份合适的工作，开普勒进入杜宾根大学学习神学。求学期间，他显示了出众的数学才华。开普勒从他的老师——杜宾根大学的天文教授米切尔·麦斯特林（1550～1631年）那里得知了哥白尼的日心说，并成为哥白尼的拥护者。大学毕业后，开普勒到了奥地利，由麦斯特林推荐到格拉茨大学当了一名天文学讲师。开普勒对数学的爱好、对自然界数的和谐的神秘感受，始终支配着他对天空奥秘的探索活动。在奥地利期间，开普勒致力于探测六大行星的轨道大小之间的数学关系，并于1596年发表《宇宙的奥秘》一书，以“太阳磁力说”解释行星运动的原因。开普勒的才能受到第谷的赏识。1600年，开普勒来到布拉格担任第谷的助手，继续他的天文学研究。在第谷的精确观测所获得资料的基础上，经过多年深入思考和紧张艰苦的工作，他提出了行星运动的三条定律。第一定律——轨道定律：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦第二定律——等面积定律：在相等时间间隔内，行星和太阳的连线（向径）所扫过椭圆的面积相等。即行星的运动不是匀速的，离太阳越近则速度越快。第三定律——周期定律：行星绕日公转周期的平方，与行星各自离太阳平均距离的立方成正比，即K（K为比例常数）。开普勒的行星运动三定律抛弃了行星沿圆形轨道作匀速运动的传统观念，使行星运动的不均匀性得到自然合理的说明，从而简化了哥白尼体系，使日心说真正体现出宇宙结构的简单性和完美性。爱因斯坦曾说：“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”三定律描述了行星的运动过程，而未解释行星为什么这样运动。换句话说，开普勒只是解决了天体运动学方面的问题，没有解决天体动力学方面的问题。他认为支配行星运动的这个统一的力量来自太阳，而他发现的这些运动定律，只是更普遍的物质运动规律的结果，但是他未能解决这个问题。他认为引力与磁力相类似，并且断言引力作用随着距离的增加而减少，这说明开普勒已经窥见到万有引力了，他所发现的行星运动定律，已经在敲着万有引力定律的大门，为后人解决这个问题准备了前提条件。(三)牛顿的综合与经典力学体系的建立英国物理学家、数学家牛顿（I.Newton，1642～1727年）在物理学、数学、天文学、几何光学等方面都取得了卓越的成就。其中最重要的贡献是为力学建立了一套基本的概念，提出了万有引力定律和力学运动三定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。牛顿出生在英国林肯郡伍尔索普的一个乡村。12岁时被送进格兰瑟姆的文科中学念书。1661年6月，牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院深造，结识了著名第一任卢卡斯教授数学家巴罗(I.Barrow，1630～1677年)。巴罗是一位知识渊博、品德高尚的学者，正是在他指导下牛顿踏进了科学的大门。期间牛顿阅读了开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》和《哲学原理》、伽利略的《关于两大世界体系的对话》以及胡克的《显微图》等书籍，基本上掌握了当时的全部数学和光学知识。1665年初，牛顿大学毕业获得文学学士学位。1665到1666年的两年中，是牛顿创造发明的最为旺盛时期。在数学上他发明了级数近似法和微积分；他提出了颜色理论；从开普勒的第三定律推出行星维持轨道运行所需要的力与它们旋转中心的距离成平方反比的关系。1667年，牛顿回到剑桥，当选为剑桥大学三一学院的研究员。1669年，在巴罗的举荐下，27岁的牛顿当上了剑桥大学的卢卡斯数学教授。当时，自行星运动的正圆轨道学说被打破以后，不少天文学家开始探讨行星为什么总是绕太阳作封闭曲线运动，而不是作直线运动远离太阳？伽利略认识到力只是改变运动的原因而不是保持运动的原因，但他只把这一点限制在地面，对天体运动他还是相信沿圆周作匀速运动的“圆惯性”观念。1684年1月，英国物理学家胡克（R.Hooke，1635～1703年）声称自己发现了天体与距离平方反比的力作用下的轨道运行规律，但他不能给出明确的数学证明。皇家学会决定悬赏征解。1684年11月，牛顿写出了《论运动》手稿，就行星运动轨道与距离平方反比的作用力之间的关系作了透彻的数学证明。事实上，从开普勒第三定律和向心力公式，很容易得到这一结论。此后，牛顿开始全身心投入动力学的研究之中。花了不到18个月的时间，于1686年写成了他的力学巨著《自然哲学的数学原理》。由于当时皇家学会资金不足，不能资助出版该书。英国天文学家、牛顿的好朋友哈雷便决定自己出资出版这部著作。在出版过程中，胡克声称自己是平方反比定律的第一位发现者，而且牛顿的一系列研究工作都是由他发起的。于是，牛顿在书中插入了一个声明，说胡克也是平方反比定律的独立发现者。这样，《原理》一书于1687年7月以拉丁文出版问世。静止的的概念，提出了著名的运动三定律，以及力的合成和分解法则、运动迭加性原理、动量守恒原理、伽利略相对性原理等。第一篇运用前面确立的基本定律研究引力问题；第二篇讨论物体在介质中的运动；第三篇论宇宙体系，是牛顿在天文学中的具体应用。其中贯穿全书、最核心的内容是力学三定律和万有引力定1、万有引力定律如果说开普勒为发现万有引力定律提供了运动学的前提条件，那么伽利略就为发现万有引力定律提供了动力学的前提条件。将这两位巨人比较一下，那是很有意思的。开普勒在天体运动学方面否定了亚里士多德、托勒密、甚至哥白尼的圆形轨道的见解，但在力学方面却仍然沿袭亚里士多德的观点，认为物体运动需要不断施加推动力才能保持；伽利略用实验和数学相结合的科学方法，研究了地球上物体运动的规律，推翻了亚里士多德的旧力学见解，发现了自由落体定律、惯性原理和抛射体运动的理论，奠定了动力学的基础，但在天体运动学方面却仍然坚持天体必然沿圆周作匀速运动的“圆惯性”观念。开普勒和伽利略是互相通讯的朋友，他们共同捍卫并发展了哥白尼学说，但是他们互不理会对方的科学成就，没有把这两方面的突破结合起来进行综合分析研究，因而未能导致更大的突为万有引力定律的诞生作出基础性工作的另一位科学巨人是荷兰著名的物理学家惠更斯（C.Huygens,1629～1695年）。他在摆钟研究中发现了物体作圆周运动时的向心加速度公式和离心力公式（F∝)。这是发现万有引力定律的又一个前提条件，只要把这两个公式同开普勒第三定律联系起来，进行简单的代数推导，便能得到引力的平方反比定律，掌握打开万有引力定律大门的钥匙，可是惠更斯没有这样做。关于引力问题，当时许多科学家都在研究，象英国的科学家胡克、哈雷（E.Halley，1656～1742年）和雷恩（C.Wren，1632～1723年）等都为此作出了贡献，到1679年，他们都得出了引力的平方反比定律，但他们都没能证明其逆命题：在平方反比于距离的力的作用下，行星必然做椭圆运动。只有牛顿给出了这一数学证明。从胡克和牛顿来往的信件中，可以看出是胡克向牛顿介绍了一种分析曲线轨道运动的新方法，即惯性分量和向心分量互相匹配，用向心力概念取代旧的离心概念。胡克还向牛顿提出，行星的运动是由一个依切线的直线运动与一个向着中心物体的吸引运动所合成，而把这个行星吸向太阳的向心力与二者间距离的平方成反比。到了这一步胡克不能再往前进行了，原因是缺乏数学功底。牛顿深谙数学语言，具有非常深厚的数学功力，这正是哈雷、惠更斯、胡克等人所缺少的。有的科学史家认为，在数学才能方面，胡克不如牛顿，但是在基本物理观念方面，胡克应该享有在引力平方反比定律和万有引力定律上首创的荣誉。由此可见，万有引力定律的发现，是有其深厚的历史基础的。不过，那些成果大多是孤立的、分散的，而且在逻辑上也各自独立。是牛顿将前人和同代人的成果加以创造性的综合和发展，建立起经典力学的辉煌大厦。1666年牛顿将惠更斯向心加速度公式用于开普勒第三定律,推导出了引力与距离平方成反比的引力定律的公式，即：后来牛顿又以引力定律为基础，从数学上反推出开普勒第三定律，给它增加了修正项，使其更加精确，并从物理学上正确回答了行星沿椭圆轨道运动的动力学原因。此外，他还从中解释了岁差现象、潮汐现象等。2、物体运动三定律牛顿根据前人的研究成果和自己的实验，系统总结了三条基本的运动定律：第一运动定律——惯性定律，每一个物体都始终维持在静止或匀速直线运动的状态，只有受了外加的力，才被迫改变其状态。第二运动定律——加速度定律，运动的改变和所加的力成正比，并且发生在所加的力的直线方向。也就是说，在质量一定时，外加力与加速度成正比，即F=ma；如果外力一定，物体质量又与运动状态改变的程度即加速度成反比，m，质量是物质惯性的量度。第三运动定律——作用力和反作用力定律，每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗，或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向牛顿第一运动定律是继承和发展了伽利略、笛卡尔的工作。伽利略根据斜面实验发现了水平方向惯性运动，但是他对惯性概念的理解还存在着问题；笛卡尔纠正了伽利略的“圆惯性”概念；最后由牛顿使之完善，成为动力学的基石之一。牛顿第二运动定律也是继承和发展了伽利略的工作。伽利略发现了加速度概念，并把它同作用力联系起来，但是未能进一步弄清楚力和加速度的关系。牛顿在研究万有引力定律的过程中，解决了这个问题，引进了质量的概念。作用力和反作用力定律是由英国瓦里斯（J.Wallis，1616～1703年）、雷恩、惠更斯等人发现的，并在皇家学会用实验分别做过证明。牛顿的贡献是作了进一步的概括，并把上述三条运动基本定律联结为一个整体，作为动力学的基石，建立了经典力学的理论体系。4.1.2热力学与统计物理学的诞生19世纪，物理学取得了全面发展，最具突破性的成就是热力学与统计物理学的诞生和经典电磁学的创立，它揭示了物理世界各种运动形式的内在联系和统一性。物理学的这些成就使人们认识到科学在社会生活中的重要价值，也把人们对自然界的认识水平提高到一个新的高度，为19世纪末20世纪初的物理学革命做了准备。热力学与统计物理学的任务是研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。热力学是研究热运动的宏观理论，通过对热现象的观测、实验和分析，人们总结出热现象的基本规律，即热力学第一定律、第二定律和第三定律。统计物理学是热运动的微观理论，认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，宏观物理量是微观量统计平均值。统计物理学也有其局限性，由于统计物理学对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，所得的理论结果也往往是近似的。随着物质结构认识的深入和理论方法的发展，统计物理学的理论结果也将更加接近于实际。(一)能量守恒与转化定律的前期探索1644年，法国哲学家和数学家笛卡尔（R.Descartes，1596～1650年）在出版的《哲学原理》一书中提出了运动不灭的思想，指出宇宙中的运动量的总和是守恒的，并主张物体的质量×速度（即m×υ)应当作为运动的量度。笛卡尔在这里将力与动量的概念混淆了。牛顿支持笛卡尔的观点，并在《自然哲学的数学原理》一书中完善了动量的概念，给出明确的定义。1669年，荷兰物理学家惠更斯大大推进了笛卡尔的观点，他在《论碰撞作用下的物体的运动》一文中，证明了完全弹性碰撞中的动量守恒。到了17世纪70年代，德国数学家和哲学家莱布尼茨对笛卡尔学派的观点提出了批评，提出宇宙间的“活力”（m×υ2，即动能的两倍）的总和是守恒的，运动的量度应表示为m×υ2。莱布尼茨的观点受到瑞士科学家约翰•伯努利（J.Bernoulli，1667～1748年）和丹尼尔•伯努利（D.Bernoulli，1700～1782年）等人的支持。笛卡尔的“动量”学派和莱布尼茨的“活力”学派的争论持续了半随着电磁学的基本规律的发现，人们开始注意认识电与磁、电与热、电与化学等方面的关系。1774年，法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743～1794年）通过煅烧金属的实验，确认煅烧前后金属及容器的总重量不变，用实验证明了质量守恒定律。19世纪初，蒸汽机尽管已获得广泛应用，但当时蒸汽机的效率却很低，不足5%。进一步提高蒸汽机的效率是社会生产的迫切需要。许多科学家和工程师对此进行了广泛的研究。丹麦工程师和物理学家柯尔丁（L.Colding，1815～1888年）通过摩擦生热实验，对热、功之间的关系作过研究，于1843年向哥本哈根科学院提交了关于热功当量的实验报告。俄国的赫斯(G.H.Hess,1802～1850年)从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。1840年，赫斯在一次科学院演讲中指出：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化合是直接进香还是经过几道反应间接进行。”赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理。英国律师格罗夫（W.R.Grove,1811～1896年他在1842年的一篇著名的讲演“自然界的各种力之间的相互关系”中，提到一切物理力以及化学力在一定条件下将相互转化。到19世纪30年代，人们已经揭示了机械、热、电、磁、光、化学等各种运动形式之间的相互联系和相互转化的奥秘，为能量转化与守恒定律的发现奠定了对热力学的建立作出突出贡献的是法国年轻的工程师卡诺(N.L.S.Carnot，1796～1832年)。卡诺自幼对数学、物理学等方面的知识感兴趣。1812年，卡诺以允许入学的最小年龄考入巴黎法国当时最著名的高等工科学校——多科综艺学院，毕业后进入工兵学校学习军事工程。1820年，开始专心于科学研究。在1830年提出了功热相当的思想。并指出：“热不是别的什么东西，而是动力，或准确地说，它既不会创生也不会消灭；实际上它只改变了它的形式。”由于卡诺过早地去世，卡诺的手稿直到1878年才公开发表。卡诺提出的“卡诺定理”成为热力学第一定律、第二定律的基础。二、能量守恒与转化定律发现能量守恒与转化定律的发现是牛顿建立力学体系以来物理学取得的最大成就。它是在19世纪30～40年代间，在五个国家、由六、七种不同职业的十几位科学家，分别从不同的侧面各自独立地提出的，其中德国的迈尔(J.R.Mayer,1814~1878年)和亥姆霍茨（H.Helmholtz,1821～1894年）、英国的焦耳(J.P.joule,1818~1889年)是作出主要贡献的三位科学家。迈尔虽然是一名医生，但对物理学很感兴趣，善于对各种物理现象进行探讨。1839年，迈尔作为东印度轮船公司的随船医生，乘船到荷兰去印尼的爪哇岛。在船上发现船员的静脉血比在欧洲时红。他把这归因于人体在热带维持体温所需要的新陈代谢的速率比欧洲低，在动脉血中所消耗的氧也就较少。由此他进一步认识到，体力和体热都必定来源于食物中所含的化学能，如果动物体内的能的输入同支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上就必定守恒。1842年迈尔将自己的发现写成论文——《论无机界的力》，以比较抽象的推理方法提出了能量守恒与转化原理。迈尔首次提出了热功当量的概念，并根据定压比例和定容比热的差值从理论上推算出热功当量为367kg.m/kcal。由于缺乏充足的实验依据，迈尔的论文发表后，未能引起重视。为此，迈尔又接连写了几篇文章，继续阐述他的能量守恒与转化原理。在1845年出版的著作《与新陈代谢联系着的有机运动》，将转化与守恒关系从机械能、热能推广到电磁能、化学能和生物能，并提出了“能量无中不能生有，有不能变无”的观点。可是在后来的20多年中，他的思想依然得不到人们的理解，再加上其他方面的打击，于1849年跳楼自杀未遂，饱受尽病痛的折磨。迈尔是公认的最早发现普遍的能量转化与守恒定律的人。1871年迈尔被英国皇家学会授予科普利奖。与迈尔几乎同时提出能量守恒与转化原理的还有英国科学家焦耳。焦耳生于英国曼彻斯特市近郊，幼年时因身体不好，一心在家里念书。父亲支持他搞科学研究，在家里为他搞了一个实验室，因而焦耳从小就对实验着迷。16岁到著名化学家道尔顿(J.Dalton，1766～1844年)那里学习，使焦尔对科学发生了浓厚兴趣，这段经历对焦尔后来的科学生涯起了关键作用。1840年，焦耳通过大量的实验，测量电流流过电阻线所放出的热量，得到了焦耳定律：导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比，与电流强度的平方成正比。焦耳给出了电能向热能转化的定量关系，为发现能量守恒与转化定律打下了基础。后来，焦耳通过电与热、电与机械运动、热与机械运动的转化的实验，得到比较准确的热功当量，在1843年首次发表了他的实验结果。以后30多年他一直从事此项测定，先后做实验四百余次，采用原理不同的各种实验方法，不仅确定了电和热转化的焦耳——楞次定律，而且给出了比较精确的热功当量值，使能量转化与守恒定律确立在牢固的实验基础之上。当时，焦耳的工作并没有引起应有的注意，皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文。他的关于热功当量测定的论文只得在一家报纸上发表。1847年，在英国科学促进会年会上，焦耳希望报告他做的热功当量实验。会议主席只允许他作简单的口头描述。听众中有一位青年人对报告进行了高度评价，并以他雄辩的口才引起了与会者对焦耳报告的注意和兴趣，这位青年人就是23岁的开尔文（L.kelvin，原名威廉·汤姆逊——W.L.Thomson,1824～1907年，后来成为英国著名的物理学家）。大约到了1850年，以焦耳实验为基础的能量守恒和转化原理逐渐得到公众的认同。其内容是：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转换过程中，各种形式的能量的总和不变。这条定律生动地证明了自然界物质运动变化发展的客观性、守恒性、多样性和统一性。在能量守恒和转化定律的发展过程中，特别是在争取得到公众的认同方面，德国物理学家亥姆霍茨作出了重要贡献。亥姆霍茨早年在数学上有过良好的训练，又非常熟悉力学，读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作，是康德哲学的拥护者。1847年，26岁的亥姆霍茨在柏林物理学会议上，发表了自己的论文——《论力的守恒》。他根据机械能守恒定律，系统严密论证了宇宙总能量守恒的原理。他从v推导出mghmv2，并建议用mv2作为运动的量度。亥姆霍茨的这篇报告并没有得到会议的认可，认为是胡思乱想。无奈之下，亥姆霍茨自费出版了小册子。亥姆霍茨在他的这篇论文中，具体阐述了热、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化与守恒规律，并建立了能量守恒原理的数学公式，即热力学第一定律。热力学第一定律是普遍的能量守恒与转化定律的特殊形式，是在只涉及热现象的比较狭窄的意义上对这一定律的表述。他的这本书是论述能量守恒原理的最早也是最好的著作之一。1853年，英国物理学家开尔文把能量守恒的思想表述为：当一个系统的工作物质从某一给定的状态A无论以何种方式过渡到另一给定状态B时，该系统对外作功与传递热量的总和是守恒的，这一总和就用该系统的内能变化来衡量。用公式表示为：UB-UA=W+Q，态函数U称作内能，W为外界对系统所作的功，Q为热量。关于能量守恒原理的发现，也发生了优先权之争。事实上，从论文发表的时间上讲，迈尔占先；从提供确凿的实验证据上讲，焦耳占先；从全面而精确地阐述这一原理上讲，亥姆霍茨占先。能量守恒和转化定律的确立，不仅是物理学中的重大事件，而且也是整个科学史上的重大事件，它给哲学上运动不灭原理和自然界运动形式的统一性提供了可靠的科学证据。(三)热力学第二定律的发现热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有着密切关系。卡诺很早就洞察到蒸汽动力在促进法国工业化和经济发展方面所具有的巨大潜力，认为以普遍的理论形式揭示出消耗热产生运动的原因，寻找出热机不完善的原因，提高热机效率是一项迫切任务。卡诺为此作出了不懈努力。当时，对热的本性的认识存在捉两种不同的观点：热质说和热的运动说。热质说认为热是一种物质，今天科学发展已经证明这种观点是错误的。而热的运动说还没有被人们普遍接受。卡诺在这一时期信奉热质说的观点。他在1824年发表《关于火的动力及产生这种动力机器的研究》的著作中，总结了他对热机的早期研究成果，出色地运用了理想模型的方法，分析了蒸汽机热效应和机械效率之间的关系，得出了一个基本结论：热机必须工作于至少两个热源之间，热机的效率仅仅取决于两个热源的温度差，而与采用什么工作物质无关。但是卡诺对热机工作过程的认识是错误的，他认为热机是通过把热量从高温热源传到低温热源而作功的，热量本身并没有消耗，工作物质从高温热源吸取的热量与在低温热源放出的热量是相等的。卡诺没有认识到工作物质在循环过程中是把从高温热源所吸取的热量的一部分转化为机械功。卡诺因此构造了一个简单了理想热机，它只有一个高温热源和一个低温热源，这个热机必须是由两个等温过程（当工作物质与两个热源接触时）和两个绝热过程（当工作物质与两个热源脱离时）所组成的一个循环。即“卡诺热机”。卡诺认为，在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切理想的卡诺热机，不论工作物质如何，它们的效率都相等。这就是卡诺第一定理的确切表述。卡诺证明，在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于理想卡诺热机的效率。这就是卡诺第二定理。卡诺的工作在实践上为提高热机效率指明了方向，在理论上，卡诺已经接近热力学第一定律和第二定律发现的大门口，但他未能取得理论上的突破，错过了真理发现的机遇。卡诺的热机理论在法国科学界长时间没有得到认可，因而也没能应用于蒸汽机的改进实验。这对法国的科学发展和工业进步是非常遗憾的。究其原因，这与法国当时的政局动荡，科学体制存在弊端，再加上卡诺政治上受到父亲问题的牵连，英年早世有很大关系。到了19世纪50年代，卡诺的热机理论渐被科学界承认。有两位物理学家从能量转换的观点分析了卡诺发现的意义，以不同的表述形式总结出热力学第二定1850年，德国物理学家克劳修斯(R.J.E.Clausius,1822～1888年)对卡诺的理想热机理论进行了新的修正和发展，提出了著名的克劳修斯等式，即热机从高温热源吸取的热量与该热源温度之比，等于向低温热源所放热量与该热源温度之比。并指出热不可能独自地、不付任何代价地（没有补偿地）从冷物体传向较热的物体；在一个孤立的系统内热总是从高温物体传到低温物体中去，而不是相反。1851年，英国物理学家开尔文发表了《论热的动力理论》一文，指出不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。他们二人的表述虽然不同，但却包含着一个共同的真理，即热机在工作过程中不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为有用功，它总要把一部分热量传给低温热源，这就是理想热机的效率不可能达到百分之百的原因。1865年，克劳修斯发现一个系统所含能量与其绝对温度之比在系统孤立（不与外界发生能量交换）时总是会增大，在理想状态下它将保持不变。克劳修斯称之为“熵”，即S=Q/T。由于热量总是从高温物体传独立的系统总是要沿着熵增大的方向运动。熵的概念说明了热力学过程的不可逆性。这样，克劳修斯就将热力学的两个定律表述如下：第一定律，宇宙的总能量是守恒不变的；第二定律，宇宙的熵趋向一个最大值。热力学第二定律的发现直接导致了“宇宙热寂说”，克劳修斯把无限的宇宙当作一个有限的孤立系统，认为“宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的可能性就越小，当它最后完全达到这个状态时，也就不会再出现进一步的变化了，宇宙就将永远处于一种惰性的死寂状态。”显然，“宇宙热寂说”认为一切运动形式都将转化成热，而热却不再转化成其他运动形式的观点是违背能量转化定律的。科学发展已证明宇宙演变的过程不遵守热力学定律。热力学第二定律的发现说明，科学上的某些突破或新的理论的建立也会从发现和纠正某些旧理论的错误中获得，正确看待和分析科学家在科学研究过程中出现的错误和失误，寻找产生错误和失误的根源，本身就是一个科学探索和科学发(四)分子运动论与统计物理学的创立在17世纪，就已经产生了分子运动论的基本概念，能够解释一些热学现象。在18世纪和19世纪初，由于热质说的兴盛，分子运动论受到压抑而发展十分缓慢。19世纪中叶，热力学基本定律的建立则说明了热运动的一般规律，但热运动的本质是什么，它的内部机制是什么，并没有深入具体地回答。许多科学家通过对气体分子运动的研究对热现象进行了微观解释，使人们认识到，在由大量粒子所组成的系统中，仅仅用每个粒子的机械运动的规律来描绘整个系统的状态是不够的，由大量粒子所组成的系统还有其在整体上出现新的统计规律性。分子运动论的研究开创了统计物理学这个新的分支学科。所谓统计物理学就是运用数学中的统计和概率的方法，运用力学的定律研究大量数目的微粒的运动，并得出其统计规律的一门科学。19世纪中叶以后，英国的麦克斯韦（J.C.Maxwell,1831～1879年）、奥地利的玻尔兹曼（L.E.Boltzmann，1844～1906年）以及英国的吉布斯（J.W.Gibbs，1839～1903年）等人将数学中的统计和概率方法引入分子物理学，得到了分子运动的速度分布、能量分布等一系列规律，并创立一系列方法理论。1826年，英国植物学家布朗(R.Brown，1773～1858年)就发现了分子运动现象。他用显微镜观察到水中悬浮的藤黄(一种植物)花粉粒子不停地作无规则的运动，即布朗运动。开始他认为这是花粉粒子有生命活动能力所引起的，后来才认识到无机性微粒在液体或气体中都有布朗运动产生，而这种运动是由液体或气体分子的不平衡撞击所引起的。布朗运动显示了物质分子处于永恒的热运动之中。1857年，克劳修斯首先对热力学定律做了动力学的解释。他认为：气体由大量的运动着的分子所组成，气体分子是弹性质点；气体分子在运动时互相碰撞，在碰撞时沿各个方向运动的机会和分子数相等；分子运动的速度随气体温度的增加而增大，气体的热能就是气体分子运动的动能。克劳修斯从这些观点出发，用气体的分子数、分子质量和分子速度导出了气体压力，并进一步对波义耳定律、查理定律作出了微观解释。但克劳修斯在提出分子速率的无规分布的概念时，没有考虑分子速率的分布，是按平均速率计算的，所以计算的结果并不完全正确。为此作出贡献的是英国物理学家麦克斯韦、奥地利物理学家玻尔兹曼。著名物理学家、英国的麦克斯韦用概率统计的方法研究了分子运动论，在1859年发现了气体处于热平衡时其分子的数目按速度大小分布的定律。麦克斯韦定律表明，气体在宏观上达到平衡状态时，虽然大量的个别分子的速度一般来说都不相同，并由于相互碰撞而不断发生变化，但平均来说，在某一速度范围内的分子数在总分子数中所占的百分比总是一定的，这个比值只与气体的种类和温度1868年，奥地利物理学家玻尔兹曼推广了麦克斯韦的速度分布律，提出了平衡态气体分子的能量均分定律，并且从分子运动论的观点对熵作出了统计几率解释。波尔兹曼认为，由于分子的热运动，物质系统的分子要从“有规则”(或者叫“有序”)趋向混乱(或叫“无序”)。在物质系统处于热不平衡状态时，系统结构的内部差异较大，组织程度较高，具有向确定方向转变的可能或能力，因而这种系统是“规则”的；处于热平衡状态的物质系统，其内部差异小，没有什么确定的结构或确定的变化方向，它是“无规则的”。波尔兹曼证明，“规则”状态的几率(可能性的量度)较小，“无规则状态”的几率较大，或者说熵的减小也就是无规则性、混乱度的减小(或者说组织程度和有序程度增大)的几率小，熵的增大几率大。这样，就使熵的概念同无规则性、混乱度、无序的加大联系起来，而它的反面(用现代术语说叫“负熵”)则是表示规则性、组织程度、有序性的提高。麦克斯韦、玻尔兹曼等人的统计思想，在美国耶鲁大学数学物理教授吉布斯的工作中得到进一步发展。吉布斯在研究热力学第二定律时，萌发了用力学定律和统计方法来阐述热力学的思想。他仔细阅读和研究了麦克斯韦、玻尔兹曼等人关于统计方法的论著，经过多年的反复思考和推敲，终于在1901年写成了统计力学的经典著作——《统计力学基本原理》一书，提出和发展了统计平均、统计涨落和统计相似三种方法，完成了热力学与分子运动论两个方面的理论综合。4.1.3光学的发展光学的起源可以追溯到二、三千年前。反射定律和折射定律的建立标志着光学开始成为一门科学。(一)光学的早期发展早在古希腊时期，天文学家托勒密就曾做过光的折射实验。在近代，第一个对光学现象进行系统考察的是开普勒。他首先提出了光度学定理。他指出从点光源发出的光，其强度随着被照明物体与光源距离的平方成反比而减少。对光的折射现象，开普勒认为，当光从光疏介质进入光密介质时，其折射方向总是靠近法线，反过来就远离法线而靠近介质表面。开普勒对透镜的折射进行了定量分析，并据此设计了望远镜。17、18世纪光学取得了一系列发展。荷兰数学家斯涅尔（W.Snell,1591~1626年）通过实验于1621年发现了光的折射定律。1637年，笛卡尔在《折射光学》中用几何学推导出了这条定律，发现了折射与光速的关系。1661年，法国数学折射定律的确立极大推动了光学的发展。1655年，意大利科学家格里马蒂（F.M.Ggrimaldl，1618～1663年）发现了光的绕射现象（即衍射现象）和薄膜干涉现象。胡克对薄膜干涉作了进一步解释。从1665年开始，牛顿通过分解日光的实验提出了光和色的新理论。他认为白光是由连续变化的若干单色光组成的，每种光都有不同的折射能力。透明物质都是以相同的方式折射光线的，因而色像差不能避免，据此设计了反射望远镜。其实，他的这一假设并不正确，用不同种类的玻璃制成的复合透镜是可以消除色像差的。在同一时期，牛顿还发现了后来被人们称之为“牛顿环”的(二)光的波动说与微粒说的争论随着光学上的发现，人们对光的本性和规律性提出了各自的看法，归纳起来大致有两种学说，一是以惠更斯为代表的波动说，一是以牛顿为代表的微粒波动说的观点是由意大利的格里马蒂（F.Grimaldi，1618～1663）首先提出来的，通过反复的实验发现光并不严格走直线，他提出了光是一种能够作波浪状运动的精细流体。1665年，英国物理学家胡克（R.Hooke，1635～1703年）在《显微术》一书中，提出光是一种快速的小振幅的振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为光是类似水波的某种快速脉冲。1678年，荷兰物理学家惠更斯对光的波动说理论进行了精密的数学论证，进一步发展了胡克的思想。提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太物质中的传播过程。1690年惠更斯出版了《光论》一书，进一步阐述自己的这一学说。微粒说的思想来自古希腊的原子论者和毕达哥拉斯学派。笛卡尔认为光是从发光物体产生的一种压力，通过空中的物质（以太）传播到被照射的物体上。牛顿则倾向于笛卡尔的观点，认为光是微粒流，是从光源向各个方向发射出来的小物体，这些运动着的微粒在周围的以太介质中激起一种振动。笛卡尔和牛顿仍没有对光的本性作出肯定的解释。光的微粒说和波动说各自以自己的方式说明了光的一些性质，但是对双折射现象这两种学说在当时都不能给予圆满的解释。两种学说各持己见争论了一百多年。后来，随着牛顿名气的增大，微粒说占了上风。(三)光的波动学说的复兴19世纪上半叶物理学领域中另一引人瞩目的事件是光的波动说取代微粒说而占据主导地位。英国医生和物理学家托马斯·扬(T.Young，1773～1829年)和法国工程师菲涅尔（A.J.Fresnel，1788～1827年）是推动光的波动说复兴的代表托马斯·扬原是一名医生，早年在德国哥廷根大学从事生理光学的研究。托马斯·扬继承了惠更斯的波动说，认为把光视为波动比看作微粒更为合理。他假想如果光是一种波动，那么平行光束经过一定距离的双孔后，就会产生光束的互相干涉现象，波峰遇波峰而加强，波峰遇波谷而抵消，就会在屏幕上显出明暗相间的图象。1801年，他通过实验证明了这一假设。这种图象只是波动的特征图象，用微粒说是无法解释的，他又根据法国马吕斯（E.L.Malus，1775～1812年）偏振光的发现，在1817年提出光是横波的新见解（惠更斯的波动说认为光波与声波同为纵波）。他虽然得到实验的有利支持，但作为波动说，却必须假定一种弥漫一切空间的传播介质——光以太的存在。光以太既要有弹性，又对光不产生任何阻力，以便使光能以极大速度传播，这种属性的物质是难以想象的，所以不少人有怀疑。再加上与牛顿力学的成功伴随在一起的“微粒”观念，还在统治着人们的思想，所以托马斯·扬的工作未能及时得到科学界的认可。法国工程师菲涅尔从1815年开始对光的衍射现象进行研究，他独立地得到了干涉和衍射方面的规律，建立了比较完善的理论，他向法国科学院寄去了自己的一篇关于光的衍射的论文。论文从托马斯·扬的光横向振动假说出发，证明偏振和所有已知的光学现象都可以根据横波得到说明。由于数学处理上的缺陷，菲涅尔的工作遭到不少人的怀疑和反对。之后，菲涅尔作出了更加艰苦的努力，运用数学工具进行了精密的计算，终于使更多的人转向相信光的波动说。菲涅尔开创了光学研究的新阶段，成为物理光学的开拓者。对波动学战胜微粒说具有决定意义的工作，是来自后来对光速作出的精确测定，并由此安排的两种学说的判决性实验。1849年法国菲索（A.H.L.Fizau,1819~1896年）用高速齿轮的精密装置测定光速（在空气中）为315000km/s。1862年法国物理学家傅科(JB.L.Foucault,1819～1868年)加以改进，用旋转多面镜测得光速更精确值（在空气中）是29800km/s(当今的数值为299792.46km/s)。按波动说，光在密介质中的速度较慢，而按微粒说则要较快。谁是谁非，只要实测光在密介质（如水）中的速度，并与真空中的光速相比就可见分晓。傅科实测结果是光在水中的速度小于在真空或空气中的速度。人们普遍认为傅科的实验结果宣布了波动说的胜利。几年后，英国物理学家麦克斯韦创立的电磁波理论进一步揭示了光的电磁波本质，后来又得到德国物理学家赫兹（H.R.Hertz，1857～1894年）的实验证明。光是一种特殊形式的电磁波，就成了不可动摇的科学理论。但这并不是说光的本性就认识完了。实际上，在19世纪末还有一个重要的实验结果——光电效应的临界现象，用电磁波能量连续的观念就解释不了。直到1905年，爱因斯坦才用“光量子说”解决了这个疑难。此后对光的认识就过渡到波动性和粒子性的统一和综合，走向更加全面和深刻的认识。（四）光谱学的发展德国物理学家夫琅和费（J.vonFraunhofer，1787～1826年）在光谱学上作出重大贡献。他对太阳光谱进行过系统的研究，并于1814—1825年，向慕尼黑科学院展示了自己绘制绘制的太阳光谱图。他还发明了衍射光栅。1859年，基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824～1887年）对光的吸收和发射之间的关系作了深入研究。他和德国化学家本生（R.W.Bunsen，1811～1899年）研究了各种火焰光谱和火花光谱，并在研究碱金属的光谱时发现了铯和铷。接着其他科学家相继发现了铊、铟、镓等元素，用的都是光谱分析方法。1868年，瑞典物理学家埃格斯特朗(A.J.Ångström，1814～1874年)对光谱波长的测量进行过大量艰苦细致的工作，发表了“标准太阳光谱”图表，记有上千条夫朗和费线的波长，10-8厘米为单位，精确到六位数字，为光谱研究提供了极其有用的资料。为纪念他的功绩，10-8厘米就命名埃格斯特朗单位（简写为Å)。埃格斯特朗还从气体放电的光谱中获得了氢光谱。美国科学家罗兰（H.A.Rowland，1848～1901年）设计制作的高分辨率的平面光栅和凹面光栅，能够获得极为精细的太阳光谱。到19世纪80年代初，已积累了大量的基础资料，为后来光谱规律的研究打下坚实基础。在光谱规律研究方面作出突出贡献的是瑞士的一位中学教师巴耳末（J.J.Balmer，1825～1898年）。巴耳末擅长投影几何，对建筑结构、透视图形、几何素描有浓厚的兴趣。他在这方面的特长使他能摆脱传统观念的束缚，取得了物理学家没有想到的结果。1884年，巴耳末提出了氢光谱的公式：2m-n这个公式提供译解原子“密码”的依据，为后来光谱规律的发现和原子光谱逐渐成为一门系统科学奠定了基础。1890年，瑞典物理学家里德伯（J.R.Rydberg，1854～1919年）从另外途径发现了光谱规律。1890年，他在《哲学杂志》上发表了题为《论化学元素线光谱的结构》的论文，列举了大量光谱数据，对光谱规律进行了总结，并提出了元素光谱的普遍公式。随后，不少科学家继续对光谱进行了研究，取得较大进展。4.1.4经典电磁学的创立和发展电磁波理论的创立是19世纪科学史上的一次重要的革命，这次革命改变了世界文明的面貌，其深远意义不亚于19世纪中叶的“三大发现”。(一)早期电磁学的研究探索在电磁学方面，英国人威廉·吉尔伯特(W.Gilbcrt，1540～1603年)对磁学进行了较深入的研究。在实验中吉尔伯特发现了磁倾角，当一个小磁针放在地球上除南北极之外的地方，它有一个朝向地面的小小倾角，这是因为地磁吸引的结果。吉尔伯特由此推测地球是一块大磁铁。吉尔伯特对近代物理学的贡献还在于他提出了质量、力等新概念。在1600年出版的《磁石》一书中，吉尔伯特提出：一个均匀磁场的磁力强度与其质量成正比，这是历史上第一次独立于重量而提到质量。1650年，德国物理学家格里凯（O.Guericke,1602～1686年）在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。1720年，英国的格雷（S.Gray,1675～1736年）研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，又发现导体的静电感应现象。1733年，法国物理学家杜菲（duFay，1698～1739年）经过实验区分出两种电荷——称之为松脂电（负电）和玻璃电（正电并由此总结出静电作用的基本特征——同性相斥，异性相吸。1745年，荷兰莱顿大学的穆欣布罗克（P.Musschenbroek，1692～1761年）和德国的克莱斯特（E.G.Kleist，1700～1748年）发明了一种能储存电荷的装置——“莱顿瓶”，它和起电机一样为电的实验研究提供了基本工具。1752年10月，美国科学家富兰克林（B.Franklin,1706～1790年）对放电现象进行了研究，通过著名的风筝实验，发明了避雷针。当人们认识到电荷分正电和负电，同性相斥、异性相吸时，不少人开始研究电荷之间的力，较为著名的是英国科学家卡文迪许（H.Cavendish，1731～1810年）和法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736～1806年）。卡文迪许性格内向，潜心科学研究，从不关心发表自己的成果。在电学研究方面作出了开创性工作。如提出了静电电容、电容率、电势等概念，提出了电荷作用的平方反比定律。这些成果都是在他逝世后，从他的手稿中发现的。1777年，库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤。1785～1786年间，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，根据万有引力定律，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平方成反比的定律库仑。其数学公式与万有引力定律相似。从库仑定律的发现经过，我们可以看到类比在科学研究中的作用。实际上，整个电学的发展，都是在借鉴和利用万有引力理论的已有成果的基础上1780年，意大利波仑亚大学医学教授伽伐尼（L.Galvani,1737～1798年）和助手在解剖青蛙时，发现用不同的金属与蛙腿接触可以使蛙腿抽动。伽伐尼认为存在着动物电。显然伽伐尼的观点是错误的，但伽伐尼的发现激发人们对流电的进一步研究。意大利物理学家伏打（A.Volta,1745～1827年）对伽伐尼“动物电”的实验结果表示怀疑。1792年，伏打通过实验证明了伽伐尼动物电本质上是因为两种金属与湿的动物体相连造成的，蛙腿只起到了验电器的作用。1794年，伏打只用金属而不用肌肉组织来做实验，发现电流的产生与生物组织无关。由此，在伽伐尼和伏打之间发生了一场争论。后来，伏打用各种不同的金属搭配，进行了一系列实验，研究它们互相接触时产生电的情况，获得了著名的伏打序列：锌、铅、锡、铁、铜、银、金、石墨等。只要按这个序列的顺序，将排在前面的金属同后面的一种金属相接触，前者就带正电，后者带负电；在序列中相距越远，带电越多。1800年，伏打制成了伏打电堆。伏打电堆的出现使人们第一次有可能获得稳定而持续的电流，从而为研究动电现象打下了基础，也推动了电化学的发展。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，许多人都感到它十分简单，可是当初发现它却不是那么容易。德国物理学家欧姆（G.S.Ohm,1789～1854年）受法国数学家傅里叶关于热传导过程中热流量与两点间的温度差成正比的发现的启发，猜测电流也应该与导线两端之间的某种驱动力成正比。他起初利用电流的热效应导致热胀冷缩来测量电流的大小，但实际操作起来效果很差。电流的磁效应发现后，欧姆依此原理设计了一个扭秤，可很方便地测定电流的大小。他利用温差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。其实验结果发表于1826年，次年他又出版了《关于电路的数学研究》，给出了欧姆定律的理论推导。皇家学会于1841年授予他科普利奖，1842年接受他为会员。(二)电流磁效应现象的发现电磁波理论产生的突破口，是丹麦物理学家奥斯特(H.C.Oersted，1777～1851年)关于电流磁效应的发现。奥斯特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自从吉尔伯特提出电和磁彼此独立无关的论断以来，科学家们受这种思想的影响，只是孤立地研究电和磁。而奥斯特由于受到德国古典哲学的同一性思想的影响和启发，奥斯特一直坚信电、磁之间有某种关系，电一定可以转化为磁。在比较了电与磁吸引和排斥的相似性，以及它们规律的相似性之后，就提出了电与磁之间究竟有什么联系和作用的问题，并于1807年起就开始研究探索。1819年至1820年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现电流附近的小磁针发生偏转的现象。随后他又做了60多次实验，在磁针和导线之间放上玻璃、水、木头、石头等东西，确证了电流磁效应的存在。他立即向科学界公布了电流周围存在磁场的发现。自奥斯特的发现公布以后，电磁学的研究便突飞猛进。(三)安培定律的发现奥斯特的实验消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培(A.M.Ampere，1775～1836年)。他想，既然磁与磁之间，电流与磁体之间都有作用力，那么电流和电流之间是否也存在作用力呢？他和助手德莱里弗（A.delaRive,1801～1873年）立即重复了奥斯特的实验，一周后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——即判别电流磁场的方向的右手螺旋法则。再一周后，安培向科学院提交了第二篇论文，讨论了平行载流导线之间的相互作用问题：即两根平行导线，如果通以同向电流，它们相互吸引；如果通以反向电流，它们就相互排斥。他还发现，如果给两个螺线管通以电流，他们就会象两个磁铁一样相互吸引或排斥。安培不仅具有良好的数学基础，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。1822年，安培在实验的基础上，以严密的数学形式表述了电力产生磁力的基本定律——安培定律，即两电流元之间的作用力与距离的平方成反比。他认为磁的本质是电流，一切磁现象均起源于电流。地球之所以有两极，是因为在赤道附近的地壳里存在一种由东向西的环形电流，其原理就象是通电的螺线管。他把电流和磁体、磁体和磁体的相互作用问题，统统归结为电流和电流的相互作用，并把电流和电流之间的相互作用力称作“电动力”，而把研究这种力的理论称为“电安培还进一步提出了著名的分子电流假说，即物体内部的每一微粒都带有一个环形电流（即今天物理学上所说的分子环流），实际上就是一个小磁体，因而构成了物体的宏观磁性。这一假说当时不被人们所重视，直到七十多年后真的发现了这种带电粒子，人们才惊叹安培预言的准确和过人的天才。最后，想说的是安培和德莱里弗在1822年的实验中，曾看到一个现象：在给线圈接通电源的瞬间，放在线圈附近的金属环发生了偏转，这即是电磁感应产生电流现象，可安培并没有认识到这一现象的重要性，错过了发现电磁感应定律的(四)法拉第奠定电磁理论的基础既然电流有磁效应，科学家自然想到磁可能也会有电流效应，许多人为此做了不少实验。但是，磁的电流效应并未立即被发现。直到奥斯特的发现十年以后，英国物理学家法拉第（M.Faraday，1791～1867年）和美国物理学家亨利（J.Henry,1797～1878年）才完成了这一壮举。法拉第出生于伦敦郊区的纽因顿。父亲是个铁匠，家境十分贫寒。少年法拉第只学会了读书写字便失学了。1804年，他进一家印刷厂当童工，次年成为装订学徒。利用工作之便，法拉第经常禁不住翻看他要装订的书，读其中内容。正是在这样的条件下，法拉第学到了不少科学知识。后来，在一次听著名的化学家戴维的讲演时受到吸引，便斗胆给戴维写信，请戴维帮助推荐他到皇家研究院的实验室里找一份差使，并将自己记的戴维的讲演笔记装订得很漂亮一并寄给了戴维，戴维为这位自学成才青年的才能和好学所感动，立即回了一封信予以鼓励。后来，法拉第如愿以偿当上了戴维的助手，开始步入科学的殿堂。法拉第一生过着纯真、俭朴的生活，鄙视虚荣，为人谦逊，连英国皇家学会会长、伦敦大学校长之类的荣誉职位和“爵士”封号都一概谢绝。法拉第是一个伟大的实验物理学家，在电磁学上的发现，发明和改进达158项之多，堪称电学大师。其中最主要的贡献有三项：一是发现了电磁感应定律，打开了禁锢电力的大门；二是提出了“力线”和电磁场的概念，直接促进了电磁理论的建立和无线电电子学的兴起；三是发现了电解定律，奠定了电化学的基础。1824年12月，法拉第曾设计了一个实验：两根导线平行放置，然后在一根导线通以电流，看另一根导线是否会有电流感应出来。当时并未发现另一根导线中感应出电流。以后近10年的时间，法拉第又进行了几百次的实验。1831年8月29日，法拉第又设计了一个新的实验，在一个软铁环上绕了两段线圈，一段与电池相连，另一段与电流计相连。看看当电流接通时，电流计的情况。结果发现当电流接通或断开时，电流计发生强烈的振荡。1831年9月24日，法拉第将与电流计相连的线圈绕在一个铁筒上，发现磁铁接近或离开圆筒时，电流计都有反应。同年1分别缠绕在一根木头上，一组与电池相连，一组与电流计相连，当接通或断开电流时，电流计指针都有瞬间跳动。1831年10月17日，法拉第进一步发现，用一根永磁棒插入或拔出线圈时，就能从与线圈相连的电流计中看到指针有瞬间偏转。至此，法拉第终于发现并完全搞清了电磁感应现象。11月24日，他向皇家学会提交了一篇论文，报告了他奥斯特、安培等人的工作，确证了电和磁之间存在着无可置疑的联系，法拉第的发现比他们又前进了一大步。他用实验证明了电不仅可以转变为磁，磁也同样可以转变为电。运动中的电产生磁，运动中的磁产生电，变化的磁场在导线里就能产生感应电流。法拉第的发现提供了产生强大电力的可能性，这便是发电机的基本原理。1833年11月，德国物理学家楞次（H.F.E.Lenz,1804～1865年）提出了确定感生电流方向的定律，即感生电流的方向是使它所产生的磁场与起感应的原有磁场的变化相反。法拉第还用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他确信这种力线不是几何的，他同时具有物理性质，是物理实在。电荷或磁极周围的空间，不再是一无所有，而是布满了各个方向散发出去的力线，电荷或磁极就是力线的起点，他把布满力线的空间称为磁场，磁力线就是通过连续的场这种物理实在传递的。法拉第的这个创见比电磁感应的发现意义还要重大，它奠定了电磁理论的基础。可是在当时，对法拉第提出“场”的概念，几乎所有物理学家都认为是离经叛道的妄想，直到二三十年以后，麦克斯韦接受了法拉第的思想，并用数学语言把它表达了出来，才开花结果。1853年，法拉第通过实验比较，对当时能获得的五种电——摩擦电、动物电、磁感应电、温差电和伏打电，它们所产生的五种效应—热、磁、化学、生物和火光，进行分析，根据它们的同一性肯定电只有一种，得出结论：“不管电的来源如何不同，它的本质总是完全相同的。”从而结束了给电分类的争论，实现了电的大统一。1834年，他在解决测量电量大小的问题时，通过电解方法创制了电量计，发现了电解定律，即电解一克当量质量都需要96500库仑的电量。如果接受原子分子论，单价元素的克当量就等于克原子量，而一克原子的原子数等于阿佛加德罗常数，即6×1023个，于是可以算出单价元素的一个原子所带的电量，这就是电量的最小单位，如果朝这个方向研究下去，就可以导致电子的发现。可惜法拉第不信原子论，未能开花结果。1849年，法拉第还试图统一电磁力和牛顿引力。他用107米长的绝缘铜线绕成线圈，两端与电流计相联，从36码高处下抛，看有无电流产生？这个实验没有显示这种转化。法拉第这位伟大的实验物理学家最大的缺陷就是基本上不懂数学，不能用精确的数学语言表述他的物理思想。在他一生研究电学的总结性著作《电学实验研究》中，几乎找不到一个数学公式，以致有人认为它只是关于电磁实验的实验报告，谈不上一部科学著作。正因为他不用数学语言，就不得不千方百计地用形象的方法解释他的理论。他是一位出色的科普演讲家，善于用通俗易懂的语言来说明高深的物理理论。他的这个缺陷恰好被他的后继者麦克斯韦弥补了，这是科学史上一个美妙结合的范例。应当提到，美国物理学家亨利（J.Henry,1797-1878）与法拉第同时作出了电磁感应的伟大发现。1827年8月，亨利因为试制电磁铁而发现了电磁感应现象，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瞬间的电流。亨利的实验均在法拉第之前，但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。(五)麦克斯韦的伟大贡献麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831～1879年)出生于苏格兰爱丁堡的一个名门望族，从小便显露出色的数学才能，14岁时就在英国《爱丁堡皇家学会学报》上发表数学论文，内容是如何用大头针和线作一条正确的椭圆曲线，获得了爱丁堡学院的数学奖。后来，他又给英国皇家学会送去了两篇论文：《关于摆线的理论》和《论弹性体的平衡》。由于皇家学会“不宜让一个穿夹克衫的小孩登上这里的讲台”而由别人宣读。1847年，麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理学，1850年考入剑桥大学三一学院，主攻数学、物理学。1854年大学毕业，数学成绩非常优秀。1871年回到母校剑桥大学任实验物理教授。1855年，24岁的麦克斯韦发表了他的第一篇关于电磁学的论文：《论法拉第的力线》。这是对法拉第力线概念的数学翻译。这一年恰好法拉第告老退休，接力棒传给了麦克斯韦。法拉第和麦克斯韦的结合，就好象第谷和开普勒的结合那样，是观察实验和理论分析相结合的范例。法拉第精于实验研究，麦克斯韦擅长理论概括，他们相辅相成，相互补充，导致了科学上的重大突破。1862年，麦克斯韦发表了《论物理的力线》，不仅解释了法拉第的实验研究结果，而且发展了法拉第的思想。他提出了“涡旋电场”和“位移电流”的概念，初步提出完整的电磁理论。1873年，麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》，建立了著名的麦克斯韦方程组，以非常简洁、完美的数学语言概括了全部电磁现象。这一方程组的积分形式是：（1）D.dSdV=q，即通过任意封闭曲面的电通量等于此封闭曲面（2）E.dldS，即在任何电场中电场强度沿任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积的磁通量随时间变化率的负值；（3）B.dS=0，即在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量恒等于零；（4）H.dldS，即在任何磁场中磁场强度沿任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积内的全电流。麦克斯韦把电荷、电流、电场和磁场间的联系完全统一起来，指出变化的电场产生变化的磁场；反之，变化的磁场产生变化的电场，它们以波的形式在空间传播，这种物质运动的形式就是电磁波。麦克斯韦预言光也是一种电磁波。这就把电、磁、光统一起来了，成为反映自然界电磁现象一般规律的普遍理论。《电磁学通论》的问世，标志着完整的电磁理论体系的确立，它的科学价值可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相媲美。但是，麦克斯韦的理论当时没有几个人懂，奥地利物理学家玻尔兹曼（L.E.Boltzmann，1844～1906年）称它为“天书”，支持的人就更少了。德国物理学家劳厄(M.vonLaue，1879～1960年)说：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相结合，但它只能逐渐地被物理学家们接受。它的思维是太不正常了，甚至象亥姆霍茨和玻尔兹曼这样有异常才能的人为了理解它也花了几年的通过麦克斯韦创立的麦克斯韦方程组，可以看到数学在物理学科中的作用。麦克斯韦精通数学，他用严谨精确的数学语言将实验结果上升为理论，用数学的完美形式使法拉第的实验结果更加和谐美丽。麦克斯韦的理论显示出巨大的威力，同时也可说是显示了数学巨大的威力。(六)赫兹实验验证了电磁波的存在1857～1894年）完成的。麦克斯韦的理论开辟了电子技术的新纪元，无线电报、无线电广播、导航、无线电话、短波通讯、传真、电视、微波通讯、雷达、遥控、遥测、射电天文学等随后相继问世。爱尔兰物理学家菲茨杰拉德（G.F.Fitzgerald，1851～1901年）于1883年曾作过一个推论，即：如果麦克斯韦电磁场理论是正确的，那么莱顿瓶震荡放电时即可产生电磁波。1886年，赫兹经过反复实验，发明了一种电波环。这是一种十分简单却非常有效的电波探知器。他把一根粗铜线弯成环状，环的两端分别连着可以调解距离的金属小球。赫兹用它进行了一系列的实验，终于在1888年发现了电磁波。他将电波环放在放电的莱顿瓶附近，只要电波环金属球间距离大小和放置的位置调节的合适，电波环两球间就有电花闪现。这正是莱顿瓶放电时辐射的电磁波，为环路所获得而激发出电火花。接着，他又证明了电磁波射到大型金属板上发生反射，在通过硬沥青或松脂三棱镜发生反射，并且具有衍射、偏振等光波所具有的各种特性。赫兹的精彩实验，不仅证明了电磁理论的正确，而且导致了无线电的产生，开辟了电子技术的新纪元。可惜的是赫兹英年早逝，没能在电磁波的应用技术方面作出他本来完全可能作出的重大贡献。不久以后，意大利青年物理学家马可尼就实现了无线电波的通讯。就在赫兹的实验中，还发现了一个奇怪的现象，即：当发送装置闪跃电荷的光照到电波环的开口两端时，间隙中暗淡的火花就稍微容易产生一些。这个后来称之为光电效应的现象，为量子的存在提供了实验证据。所以，赫兹的实验同时具有两方面的深远意义。4.1.5近代科学方法近代自然科学之所以能战胜宗教神学取得独立发展的地位，并不单是依靠知识的力量和科学家的献身精神，很重要的是立足于它特有的实践基础——科学实验基础之上的。没有实验就没有近代科学。这是与建立在直观基础上的古代自然科学不同的主要特点之一。(一)实验科学的先驱实验方法在古代已经萌芽，杰出的代表人物就是阿基米德，他用实验方法发现了浮力原理和杠杆原理。不过总的说来，古代人轻视实验，崇拜思辨，认为实验是低贱的活动。近代实验科学的创始人公认是伽利略，但是在他之前已有不少先驱者，其中著名代表人物有意大利艺术家达·芬奇（L.daVinc吉尔伯特（W.Gilbert，1540～1603年）和荷兰工程师斯台文（S.Stevinus，1548~1620年）等人。研究一个科学问题时，我首先安排几种实验，因为我的目的是根据经验来决定问题，然后指出为什么物体在什么原因下会有这样的效应。这是一切从事研究自然102页）他用实验方法证明了在连通器中液面高度相等；用模型实验研究了柱和梁所能承受的重量是如何随其粗细、长短而变化的，并且找出了它们的数学关系；他还是在科学史上最早对固体摩擦进行实验研究的人，而且得到了一些宝贵的科学结论，等等。总之，他是近代实验科学的开路先锋。吉尔伯特是英王的御医、皇家医学院的院长，又是物理学家，爱好科学实验。他在1600年出版的《磁石》一书，被认为是近代实验方法的开端，是用实验方法探索自然界和从理论上解释自然界这两者结合的范例，是工匠经验和学术的范例。斯台文(W.Stevin,1548～1620年)是先于伽利略做落体实验的荷兰工程师。他在1586年出版了《静力学》和《流体静力学》两本书，推进了阿基米德的工作。在《静力学》一书的附录中，记载了他所做的落体实验。他说：“反对亚里士多德的工作：让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下来，落在一块木版或者什么可以发出清晰响声的东西上面，那么，我们会看出轻铅球并不需要比重铅球10倍的时间，而是同时落到木板上，因此它们(二)培根的实验归纳法在近代实验科学的创始人中，哲学界的代表是英国政治家和哲学家弗兰西斯·培根（F.bacon，1561～1626年）。马克思、恩格斯称培根是“英国唯物主义作为新兴资产阶级的代言人，培根非常重视科学技术的作用，他提出“知识就是力量”的口号，认为操纵时代，影响人类生活的力量，不是政治、宗教、思想，而是“机械技术上的发明”。培根特别强调实验和归纳的科学方法，这集中地表现在他的名著《新工具》中（之所以叫《新工具》，以示与亚里士多德的《工具篇》相区别）。培根尖锐地批评了亚里士多德以及后来经院哲学中对演绎法的过分依赖，认为三段论不能给人以新知识。他认为，自然的奥秘在实验中比其自然发生时容易暴露出来，因而更容易发现，他把科学实验称作是“带来光明的实验”。他比较详细地研究了归纳法，认为只有归纳法才能获得自然界的真理，人们只有依靠它才能做“科学上的哥伦布”。归纳法并非培根所首创，但培根是自觉地把归纳法作为认识真理的根本方法的