书城科普读物与科学家相约(科学知识大课堂)
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第15章 与物理学家相约(4)

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。

亨利小时候父亲长年有病。母亲为了照料父亲,只好把六岁的亨利送到五十多公里外的戈尔维乡下,寄养在亲戚家里。亨利在戈尔维上小学,10岁就辍学,在一家乡村小店当学徒。老板见小亨利聪明、机灵,很喜欢他,让他上午上班,下午去学校学习。有一次,他到教堂去玩耍,发现有一块地板是活动的,原来下面有一条地道直通教堂图书馆。从此只要有空,亨利就钻进地道到图书馆去看书。后来小店老板知道了,干脆带亨利走正门去那里读书,还和他一起讨论问题,使亨利养成良好的自学、钻研的习惯。亨利14岁那年父亲去世,他回到母亲身边,在奥尔贝尼一位制表工匠那里学习手艺。他当时的抱负是当演员和剧作家。母亲为了维持生活,把空余的房间出租,有一位房客成了亨利的好朋友。有一次房客借给亨利一本1808年出版的《格里戈利关于实验科学、天文学和化学讲演集》。这本书内容丰富,有启发性,深深地吸引了亨利。从此,他的兴趣发生转移,决心献身于自然科学。亨利17岁在奥尔贝尼学校上夜校,只用了七个月就取得乡村小学教师资格。他白天教书,晚上做研究。后来在奥尔贝尼学院任职,经常利用实验室空闲时间做些电学实验。不久,他去伊利运河工地任测量工程师。1832年亨利应聘任新泽西学院(今普林斯敦大学)自然哲学教授,1846年经国会推选任华盛顿史密松博物馆馆长,同年亨利创设气象局。1867年选为美国国家科学院第一任院长。

亨利在物理学方面的主要成就是对电磁学的独创性研究。1829年亨利对英国发明家威廉·史特京(1783~1850)发明的电磁铁作了改进,他把导线用丝绸裹起来代替史特京的裸线,使导线互相绝缘,并且在铁块外缠绕了好几层,使电磁铁的吸引作用大大增强。亨利最初制作的电磁铁能吸起300千克铁。后来他制作的一个体积不大的电磁铁,能吸起一吨重的铁块。

1829年8月,亨利对绕有不同长度导线的各种电磁铁的提举力做比较实验。他意外地发现,通有电流的线圈在断路的时候有电火花产生。第二年8月,亨利对这种现象又进行了研究。1832年他发表了《在长螺旋线中的电自感》的论文,宣布发现了电的自感现象。

1830年8月,亨利在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒,然后把条形铁棒上的导线接到检流计上,形成闭合回路。他观察到,当电磁铁的导线接通的时候,检流计指针向一方偏转后回到零;当导线断开的时候,指针向另一方偏转后回到零。这就是亨利发现的电磁感应现象。这比法拉第的发现几乎早一年,遗憾的是亨利没有及时公开发表自己的实验结果。法拉第不但在1831年就报告了自己的发现,而且在1851年又总结出了电磁感应定律。因此,后人把发现电磁感应现象的优先权归属于法拉第,并且用法拉第的名字来命名电磁感应定律。

1842年亨利在实验室里安装了一个火花隙装置,在40米处放一个线圈来接收能量,线圈和检流计相接,形成回路。当火花隙装置的电火花闪过的时候,和线圈相接的检流计指针就发生偏转。这个实验的成功,实际上实现了无线电波的传播。亨利的实验虽然比赫兹的实验早了40多年,但是当时的人们包括亨利自己在内,还认识不到这个实验的重要性。

此外,亨利还先于莫尔斯(1791~1871)发明了电报机,并且成功地研究了长距离输送电力的问题。

亨利的贡献很多,只是当时没有立即发表,因此他失去了许多发明的专利权和发现的优先权。但是亨利仍然不失为公认的著名电学家。亨利于1878年5月13日在华盛顿去世,终年81岁。后人为了纪念亨利,特地用他的名字来命名电感的单位,简称“亨”。

被命名为磁通量单位的科学家韦伯

威尔海姆·爱德华特·韦伯(Wilhelm Eduard Weber,1804~1891)在物理学中的主要贡献是测定了电荷的静电单位和电磁单位的比值。他是德国物理学家,1804年10月24日诞生于德国维腾堡。

韦伯在维腾堡上小学,1813年全家迁往哈勒。1822年,韦伯考入哈勒大学,在物理学家施维格(1779~1857)教授指导下攻读物理学。1826年发表关于簧风琴的波动理论的学位论文,取得博士学位。1828年韦伯先后担任哈勒大学的讲师、副教授。1831年4月任哥廷根大学物理学教授。1832年韦伯和高斯成了好朋友,先后合作进行电报、地磁等方面的研究。1838年3月韦伯先后到柏林、伦敦、巴黎等地旅行。1840年当选为英国伦敦皇家学会外国会员,不久任法国科学院外国院士。1843年任莱比锡大学物理学教授。1848年恢复在哥廷根大学的教授职位,兼任天文台台长。韦伯曾经荣获英国皇家学会柯普利奖章。

1832年,韦伯就和高斯一起研究磁学量的绝对测量,发明了磁强计和磁偏计。1840年韦伯开始从事电学量和磁学量的测量研究。当时,在电磁学研究中有两种电荷单位,一种是以库仑定律来定义的电荷的静电单位,另一种是以毕奥-沙伐尔定律来定义的电荷的电动力学单位(这种单位是现在的电磁单位的2倍)。这两种单位各有优点,长期在电磁学研究中同时使用。它们究竟有什么关系,反映了什么物理意义呢?

1856年韦伯和卡尔劳什合作,在马尔堡对这个问题进行了测量研究。他们用实验测定电荷的电动力学单位和静电单位之比具有速度的量纲,数值是2×3.1074×108米/秒,折合成电磁单位和静电单位的比值是3.1074×108米/秒,和光速十分接近。不过,韦伯当时没有沿着这条路子得出正确的结论。后来麦克斯韦根据这个结果得到了光的电磁理论。

韦伯还花了很多精力研究电荷之间的相互作用力,他导出了运动电荷的受力公式,创立了韦伯电动力学。由于韦伯的电动力学遇到不能满足能量守恒等困难,因此没有得到发展,最后被麦克斯韦电磁场理论所代替。

此外,韦伯第一个提出了电子论,后来经过特鲁德(1863~1906)、洛伦兹等人的发展,创立了经典金属电子论。韦伯于1833年在相距2700米的韦伯物理实验室和高斯天文台之间,用有线电报进行通信联系,这是最早的伽伐尼电报之一。1849年研制成镜式电流计。他还认为电流是由相反运动的正电和负电组成的。

韦伯对电磁学作了许多研究,后人为了纪念他,于1935年把磁通量的单位命名为“韦伯”,简称“韦”。

电磁感应定律的发现者楞次

楞次(Heinrich Friedrich Emil Lenz,1804~1865)是俄国物理学家,1804年2月14日诞生于俄国爱沙尼亚的杰普特市。

楞次在中学时期就酷爱物理学,成绩突出。1820年他以优异成绩考入杰普特大学,学习自然科学。1823年他还在大学三年级读书,就因为物理成绩优秀被校方选中,以物理学家的身份参加了环球考察。1826年,他考察归来后在一所中学教物理,同时认真总结整理考察成果。1828年2月16日,楞次向彼得堡皇家科学院作了考察成果汇报,由于报告生动、出色,被接收为科学院研究生。1830年他当选为科学院候补院士,1834年接替刚去世的彼得洛夫,升为正式院士。1935年10月,楞次应邀主持彼得堡大学物理学讲座,1836年任物理系主任,1862年任彼得堡大学校长,1864年因病辞职。

楞次在物理学上的贡献主要在电磁学方面。1831年他开始系统地进行电学研究,首先用实验验证了欧姆定律。1832年楞次在彼得堡得知法拉第发现电磁感应现象的消息之后,对研究这一现象产生了极浓厚的兴趣,还沿着自己的路子重做了法拉第实验。1833年他总结了自己的实验结果,年底写出论文《论动电感应引起的电流的方向》,向彼得堡科学院作了报告,宣布他发现了电磁感应现象的基本定律。他在报告中断言:“如果金属导体在电流或磁铁附近运动,那么导体中激起的伽伐尼电流的方向,就要使得处于静止状态的这个导体朝相反方向移动;当然我们假定这种移动只能沿着运动的方向朝前或逆着运动方向朝后进行。”后人把这一定律叫做楞次定律。用现代的术语来说,就是“感应电流的方向总是使它所产生的磁场同引起感应的原有磁场的变化方向相反。”这是一条重要的定律,它从电磁现象和机械现象相互作用的角度反映了能量守恒和转化的规律。