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第6章 19世纪的物理科学(5)

热质说终于在1866年左右走到了尽头,因为麦克斯韦和玻尔兹曼(Ludwig Boltz—mann,1844—1906)各自用不同的方程式描述气体的行为,其完善性超过前人。麦克斯韦说,气体的温度并不反映气体所有分子的运动速率是均匀的,它反映的是这些运动在所有方向和所有速度上的平均统计值。他解释说,当气体加热时,分子运动得更快,互相碰撞也就更多,而碰撞增加了气体的压强。

麦克斯韦妖

1871年,麦克斯韦发明了一个小精灵——后来就叫做麦克斯韦妖——用来说明熵和气体中热运动论的统计性质。想象有一个二室的房子,气体均匀地分布在两室里。两室之间只有一个活动门相通。正如麦克斯韦的理论所描述的,两室中的气体分子,有些运动得很慢,有些则很快。当分子走过时,精灵抓住慢的把它送到另一室,又把另一室的快分子抓住通过活动门送到第一室。用这一方式,最后第一室将充满热(运动快的)分子,而第二室充满冷(运动慢的)分子。如果精灵真的存在(当然是不可能的),加热一间房子就可以不要任何能量。

物理学经过了70年的时间,研究热的本质及其与其他能量形式的相互关系,这才摆脱了18世纪的热质说。基于原子论的威力并且通过运用数学和模型以及仔细的实验,这才获得两个永恒的原理,从而为热力学机制提供了更为扎实深刻的认识。

磁、电和光

1819年,整个欧洲都在用电流做实验,这时奥斯特(Hans Christian Oersted,1777—1851)正在哥本哈根大学教授物理课。他也不例外,在一次课堂演示中,他拿起一根通电导线,让它靠近一枚磁针。长期以来,关于电和磁的关系一直存在种种猜测。奥斯特也许猜想到了电流和磁铁相互间会有某种效应。果然他是对的。

这是一种突然瞬时的反作用,磁针晃动了,不过不是沿着电流的方向,而是与电流方向垂直。奥斯特改换电流的方向,磁针再次晃动。不过这次方向相反,但仍然与电流方向垂直。

奥斯特第一次在学生面前演示电与磁之间存在的联系,从而打开了一项新研究领地的大门:电磁学。后来证明,这是19世纪最有成效的领域之一。

一个古老的奥秘

电与磁的研究都可追溯到16世纪柯彻斯特的吉尔伯特的工作。吉尔伯特最先引入电力、电吸引和磁极这些名词。在1600年出版的《论磁》中,他论述了自己的研究,因此,人们普遍认为他是电学研究的奠基人。

17世纪,盖里克设计了一个可以产生静电的机器,1745年,马森布洛克(Pieter vanMusschenbroek,1692—1761)和克莱斯特(Ewald won Kleist,1700—1748)独立发现了莱顿瓶原理。不仅在科学上,而且在日常生活中,对电的兴趣普遍高涨,富兰克林对电的极性、电与磁的关系、电对熔融金属的能力等方面作了广泛的研究。

然而,在伏打发明伏打电池以前,还没有办法产生连续稳定的电流,所有的电源都是静态的。在伏打之前,电可以储存,但一瞬间就放电完毕(常常表现为强大的电击形式)。

但是,19世纪却迎来了电学上的伟大突破。一旦用上了电力,不仅会改变人们的生活方式,而且通过对电、磁以及它们关系的新认识,将会产生新的强大理论,从而改变人们对宇宙的看法。沿着这一方向,一位名叫法拉第的年轻人首先迈出了巨大的步伐。

伟大的实验家法拉第

法拉第是科学史中最让人崇拜和尊敬的人物之一,不同于他的同事们,他既没有受过什么教育,也没有闲暇时间。作为英国一位铁匠十个孩子中的一个,除了去学校学会读书写字,法拉第从来就没敢奢望进大学。12岁时,他就开始自己谋生,学校生涯就此结束。但是有些人往往有强烈的好奇心,他们不可法拉第遏止地要探寻这样一些问题,诸如:世界是什么组成的,或者为什么人们以这种方式行事,或者是什么使事物运转。法拉第就是这样一位具有不倦好奇心的人物。他还交了一点好运:找到一份在装订厂里当学徒的工作,就在他为书籍装订封面的同时,还贪婪地阅读书中的文字。他读了《大英百科全书》(Encyclopaedia Britannica)中关于电的文章和拉瓦锡的《化学基础论》。他还读了(并装订了)简·马舍特(Jane Marcet,1769—1858)的《化学谈话》(Conversations on Chemistry),这本书在19世纪初是一本广泛流传的通俗读物。

随后另一个好运降临法拉第生活。一位顾客送给法拉第几张票,是皇家研究所戴维的四次演讲票。法拉第极为高兴,对那四次讲座的全部内容都作了详细记录,他把这些记录装订好后送给戴维,并附上一封希望在研究所当助手的申请书。几个月后,戴维果然给法拉第提供了这份工作。戴维的一个同事说,“让他洗瓶子吧,如果他确实不错,他会接受这份工作;如果他拒绝,那他什么事情也干不成。”这一工作的薪金比法拉第订书的工资要少,但这个机会他正求之不得呢。

不久,戴维在1813年访问欧洲,随身带上法拉第作为秘书和科学助手。尽管戴维的夫人把法拉第当做仆人,但这位年轻人从无怨言,而是利用这个机会见到了科学界的关键人物,其中包括伏打、安培(André-Marie Ampère,1775—1836)、盖吕萨克(Josep Louis GayLussac,1778—1850)、阿拉哥(Arago,1786—1853)、洪堡(Alexander von Humbokit,1769—1859)和居维叶。他们在欧洲各地旅行,从一个实验室到另一个实验室,完成各种实验,参加各种演讲,在这个过程中,法拉第接受了他从未有过的教育。

1815年,他们返回英国,法拉第正式成为实验室助理,负责皇家研究所的矿物收藏和仪器主管。他成了戴维在实验室里的得力助手,因为他灵巧、内行并且投入,经常从早上9点一直工作到晚上11点。几个月后,他的工资增加为年薪100英镑,这一年薪一直保持到1853年。

当法拉第读到奥斯特1820年做的实验后,他和科学界其他人一样,感到非常兴奋。奥斯特的磁针显示,电流不是像大家想的那样,沿着直线从导线的一端流向另一端,而是围绕着导线。巴黎的安培证实了这一思想,他证明,如果两根载流导线平行放置,其中一根处于可随意运动的状态,当两根导线电流方向一致时,它们互相吸引;如果电流方向相反,则互相排斥。

法拉第自己动手做了一个简单的实验。1821年9月,他演示了“电磁旋转”,让载流导线围绕着一块固定的磁铁旋转,同时又让磁铁围绕一根固定的载流导线旋转。这是第一个原始的电动机。

遗憾的是,戴维因此而对法拉第生气了,他声称法拉第窃听了戴维与沃拉斯顿(William Hyde WoUaston,1766—1828)的谈话,因为谈话中涉及类似的实验。法拉第承认他也许受到谈话的启示,但是他的装置有实质上的不同,沃拉斯顿和历史也都承认这一点。

无论如何,这也许是法拉第最不足道的发现,他正在酝酿更大的发现。1822年,法拉第在他的笔记本中写道:“把磁转变为电。”奥斯特用电产生磁(磁针反映了磁力),为什么逆过程不可能发生呢?

法拉第从安培和另一位物理学家斯图根(William Sturgeon,1783—1850)提出的设想开始着手。他先是准备一个铁环,铁环的一部分用线圈缠绕,合上电键即可引入电流。铁环的另一部分也缠绕线圈,然后连接到电流计。他想第一个线圈的电流也许会在第二个线圈中引起电流。电流计可以测量第二个电流并显示结果。

这一想法真的成功了——这正是第一个变压器——但是结果让人有点吃惊。尽管在铁环中有稳定的磁力,但在第二个线圈中却没有稳定的电流通过。取而代之的是,仅当法拉第闭合线路时,第二个线圈才会出现瞬时电流——电流计跳了一下。然后当他再次切断线路时,又产生了瞬时电流,标志是电流计又跳了一下。

由于法拉第不懂数学,他只能形象地解释这一现象,并且提出磁力线这一概念。他注意到,如果在纸片上撒有铁屑,上面放一块强磁铁,轻轻敲击,铁屑就会沿着他所谓的磁力线呈现出某种模式。他想象电流形成某种磁场,从源头向所有方向辐射。当他在实验中合上线路时,力线辐射出去,而第二个线圈则切割了这些力线。这时,第二个线圈里就有感应电流。当他断开线路时,力线“收缩”,第二个线圈又切割了力线,从而再次生成感应电流。他还研究了条形磁铁的力线、像地球一样的球形磁铁的力线和载流导线的力线。这是自从伽利略和牛顿提出机械论宇宙以来,第一次以一种更富创造力的新眼光来看待宇宙,这就是场理论的出现。

1831年,法拉第在皇家研究所的一次大型普及讲座中,用另一种方法演示了力线。他拿起一个线圈,把磁铁插入线圈中。与线圈相连的电流计指针开始晃动,当磁铁的运动停止时,晃动也停止。当他把磁铁取出时,电流计又有显示。磁铁在线圈里面运动,也有显示。如果把线圈移过磁铁,电流计也会显示。但是如果磁铁在线圈中静止不动,电流计就没有电流。法拉第发现了电磁感应原理。也就是说,他发现通过机械运动与磁的结合可以产生电流。这就是发电机的基本原理。[另一位物理学家,美国的亨利(Joseph Henry,1797—1878)也精彩地演示了这一相同的思想,但是他没有及时发表。于是,一心专注于工作的法拉第获得了发现权的荣誉,对此亨利欣然接受]

当然,法拉第下一步的目标就是建造一台能够产生连续电流的发电机,而不是实验中那种断断续续的感应电流。为此他做好一只铜盘,使其边缘在永久磁铁两极间通过。当铜盘转动时,会产生电流,引出电流就可派上用场。通过水轮或蒸汽机推动轮盘转动,流水的动能或者燃料燃烧后的能量就转变成了电能。今天的发电机与法拉第的原始装置已经大不一样,经过50多年的改进它才投入实际应用,但它无疑是迄今最重要的电学发现。

从孩提时代起,法拉第就对自然力和自然现象的相互联系与统一性有深刻的信念,他承认,他在1844年发表的场理论和他对磁、电和运动的相互联系性的探讨,都是围绕这一信念而展开的工作。1845年11月5日,他在皇家学会宣读的论文《论光的磁化和磁力线的启示》一开头写道:

“我长期持有这一观点,几乎就是一种信念,就和许多自然知识爱好者一样:我相信,物质的作用力虽然形式不同,却有共同的渊源;或者,换句话说,它们是如此直接联系和相互依赖,以至于它们都是相互可转化的,并在其作用中拥有同等的能力。”

起初,没有多少人重视法拉第的场理论,但是法拉第对自然统一性的信念被焦耳、汤姆生、亥姆霍兹、克劳修斯和麦克斯韦以多种方式在以后几十年的工作中得到证实。

与此同时,法拉第和戴维之间的关系继续恶化。随着时间流逝,戴维不得不承认法拉第正在超过自己,于是他开始变得忌妒和怀恨。当法拉第的名字报到皇家学会,准备被接纳为会员时,戴维表示反对。尽管戴维一个人投了反对票,法拉第还是在1824年当选为皇家学会会员。1825年,法拉第成了实验室主任,1833年担任皇家研究所化学教授。法拉第是一位温文尔雅、忠于职守的人,他宁可把时间花在实验室里,或在家里陪伴妻子巴拉德(Sarah Barnard),对戴维的行为从不回击。他还有很多的事情要做。丁铎尔(John Tyndall,1820—1893),作为法拉第在皇家研究所的继承人,曾这样形容法拉第:他“是一个容易激动、生性火爆的人,但是经过高度自律,他已经把这种火爆转变成了生命中的闪光和动力,而不是让其耗费在无谓的激动中”。

对于伟大的实验家法拉第,我们深怀敬意,正如英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937)在1931年所说:

“回顾过去,我们越是研究法拉第的工作,就越是感受到作为一个实验家和自然哲学家,他所具有的那种无与伦比的才能。当我们考虑他的发现和这些发现对科学和工业进步的影响时,实在找不到相称的荣誉来纪念法拉第——这位所有时期里最伟大的发现者之一。”

苏格兰的理论家

麦克斯韦1831年出生,正好这一年,法拉第作出了最有影响的发现——电磁感应。儿童时代,麦克斯韦在数学上非常出色,以至于看起来像是有点反常,同学们叫他痴人。15岁时,他向爱丁堡皇家学会递交了一篇论文,论述椭圆曲线的绘制,论文给人的印象是如此深刻,以至于许多会员认为这不可能出自一位如此年轻的少年之手。在麦克斯韦30多岁时,他已经正确地解释了土星光环的概率特性(1857年),并且独立于玻尔兹曼提出了气体的运动理论(1866年)。

但是他始终对法拉第的工作充满兴趣。1855年12月和1856年2月,24岁的麦克斯韦正在剑桥大学三一学院任研究员,他提交了一篇特殊的论文——《法拉第的力线》。接着,在1864年到1873年之间,麦克斯韦又把他的数学天才用于法拉第对电磁力线的猜测上,他试图为此提供必要的理论根据。

在这个过程中,麦克斯韦提出了一系列简单的方程式来描述磁和电的观察事实,并且证明,这两种力无法分离。这一不朽的工作就是电磁理论,证明磁和电不能单独存在。

麦克斯韦为了支持法拉第的场理论,证明了电磁场实际上是由电流的振荡造成的。他说,这个场从源头以恒定的速度向外辐射,其速率可以从特定的磁学单位和特定的电学单位之比计算得出,结果大约是186300英里每秒。光就是以186282英里每秒的速率传播的——麦克斯韦想,这一巧合太令人惊奇了,它不是偶然。由此他得出结论,光本身一定与振荡着的电荷有关。他的结论是:光就是电磁辐射!他无法证明这一点,但它似乎就是一个有力的预言,这个预言一代以后就得到了证实。

但是麦克斯韦想得更远。他假设,光也许就是以不同速度振荡的电荷所引起的辐射。(已经找到证据,其中有许多是我们看不到的:1800年赫歇尔发现了红外线,是肉眼看不到的;1801年,里特尔在光谱的另一端发现了紫外线,也是肉眼无法看到的。)

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