书城科普读物物理的妙趣
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第16章 经典人物——物理学家(3)

法拉第是电磁学的伟大奠基人,他发明的法拉第笼,让人们不用再担心被雷劈到。当有几十万伏特的高压雷电击向笼子时,在笼子里面的人却可以安然无恙。这是由于金属网的屏蔽作用使笼内的电场强度为零了。

据此,高压电线上的电力工作者用铜丝网做的“等电位服”穿在身上,创造了超高压自由带电作业的神话奇迹。

如果他把的这一发现比喻成一个刚刚出世的婴儿,没想到,50年之后,这个婴儿竟然变成了一个巨人。人类创造的第二次工业革命里面就包括有和法拉第紧密关联的发电机、变压器等等。

经典电磁理论的创始人——麦克斯韦

剑桥大学里的奇才

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831~1879)是举世闻名的物理学家,经典电磁理论的创始人。1831年6月13日生于苏格兰古都爱丁堡,麦克斯韦的父亲约翰是一名不随流俗的机械设计师,他对麦克斯韦的影响非常大。

麦克斯韦的智力发育格外早,对电磁的天赋也极其的高。他的数学才能尤其引人注目,从剑桥大学毕业的时候获得了数学领域的最高荣誉——史密斯奖,正是他出众的数学能力为其后来在理论上总结法拉第的磁场线与电场线奠定了坚实的基础。

麦克斯韦思路开阔,特别能干,无论是家务事还是在学校骄人的成绩,都是无与伦比的,课外知识也相当丰富。

14岁的时候,麦克斯韦写出了论述卵性图形绘图法的论文,并且在爱丁堡皇家学会进行了宣读。15岁时,就向爱丁堡皇家学院递交了一份有关电磁理论的科研论文,在当时的科学界引起了不小的争论和热潮。他在英国剑桥大学毕业,由于对电磁有着巨大的贡献,曾经在剑桥大学担任教授。

当麦克斯韦利用涡线与涡流的模型来分析电流周围的磁场时,首次大胆预言了电磁波的存在,并且进一步提出光也是一种电磁波。尤其是他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的事件之一。

辉煌巨著

《电磁学通论》是一部经典的电磁理论著作,是麦克斯韦呕心沥血的毕生之作,是科学历史上的里程碑。

在这本大部头的著作中,麦克斯韦系统地总结了人类在19世纪中叶前后对电磁现象的探索研究轨迹。其中包括库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的不可磨灭的功绩,更为细致、系统、详尽地概括了他本人的创造性努力的结果和成就,从而建立起完整的电磁学理论。

这部巨著的历史意义不可小觑,有着极其非凡的承前启后的跨时代意义。可与牛顿的《数学原理》、达尔文的《物种起源》相提并论。

麦克斯韦电磁方程组

1873年,麦克斯韦出版《电磁学通论》,他不仅用数学理论发展了法拉第的思想,还创造性的建立了电磁场理论的完整体系。

在这本书中,他的思想得到更完善的发展和更系统的陈述。他把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中,得到了电磁场的数学方程——麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构,揭示了电场和磁场内在的完美对称。《电磁学通论》是人类第一个有关经典场论的不朽之作。

能量守恒定律的发现者之一——焦耳

焦耳生平

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818~188),英国物理学家,出生于曼彻斯特近郊的沙弗特。

焦耳没有上过学校,15岁以前在家自学。因为家业的关系,他自小对酿酒很有兴趣。16岁时跟着英国物理兼化学学家约翰·道尔顿学习。完成学业后,开始经营自家酿酒厂,他希望以电动机代替蒸汽机。他的第一件研究便是寻求改进电动机效率,这使他注意到热量产生的问题。

他的第一篇重要的论文于1840年被送到英国皇家学会,当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系,此即焦耳定律。

1847年焦耳与英国著名物理学家凯尔文勋爵合作进行能量守恒等问题的研究。1849年焦耳提出能量守恒与转化定律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只能从一种形式转化成另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而能的总量保持不变。奠定了热力学第一定律(能量不灭原理)之基础。

1850年焦耳当选为英国皇家学会院士。由于他在热学、热力学和电方面的贡献,1866年皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章。

后人为了纪念他,把能量或功的单位命名为“焦耳”,简称“焦”;并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

评价与影响

无论是在实验方面,还是在理论上,焦耳都是从分子动力学的立场出发,进行深入研究的先驱者之一。在从事这些研究的同时,焦耳并没有间断对热功当量的测量。

在去世前两年,焦耳对他的弟弟说,“我一生只做了两三件事,没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家,他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。

18世纪,人们对热的本质的研究走上了一条弯路,“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑,但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题,是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。

X射线的发现者——伦琴

伦琴生平

威廉·康拉德·伦琴(1845~1923)生于德国下莱茵省的伦内普,他是一个服装制造商的独生子。

伦琴三岁时,随全家搬到荷兰的阿佩尔多恩,在那里他进入了多恩专科学校,接受早期教育。

伦琴20岁的时候进入乌德勒支大学学习物理。由于他没有得到一个正式学生应有的文凭,所以通过考试,考取了苏黎世工业学院学习机械工程,在这里开始了作为一名机械工程学生的学习生活。

伦琴听过克劳修斯的讲课,还在孔脱的实验室工作过。孔脱和克劳修斯对他的进步有很大的影响。

1869年伦琴在苏黎世大学获得了博士学位,并被任命为孔脱的助手,同年随孔脱去维尔茨堡。以后他又去斯特拉斯堡。1876年担任斯特拉斯堡任物理学教授。

1888年,伦琴谢绝了耶拿大学和乌德勒支大学聘请,回到了维尔茨堡大学。

伦琴一生在物理学许多领域中都进行过实验研究工作,如对晶体的导热性、热释电和压电现象、光与电的关系等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射线的发现赢得了巨大的荣誉,以致这些贡献大多不为人所注意。

世界上第一张“X光照片”

19世纪末期,物理学已经有了相当的发展,如牛顿力学、热力学、分子运动论、电磁学、光学,都建立了完善的理论,在应用上也取得了巨大成果。物理学家普遍认为,物理学的发展已经到了尽头。

正是由于X射线的发现,唤醒了沉睡的物理世界,它像一声惊雷,唤醒了更多的物理学家,把人们的注意力引向更广阔的天地,从而揭开了现代物理学革命的序幕。

1895年11月8日,伦琴在研究真空管中的高压放电效应中发现了未知的射线,并且留下了他夫人戴有戒指的手的照片——世界上第一张“X光照片”。

伦琴在进一步的实验中证明,这种新的射线是阴极射线与物体碰撞时产生的。因为当时不知道这种新的射线的本质,所以伦琴称它为X射线。

后来劳厄和他的学生证明,这种射线和光一样具有电磁波性质,不同的只是X射线的振动频率更高。

X射线公布后的强烈反响

1895年12月28日,伦琴用《一种新的射线——初步报告》这个题目,向维尔茨堡物理学医学协会作了报告,宣布他发现了X射线,阐述这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。

这一发现立即引起了强烈的反响:1896年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出X射线照片。

1月5日维也纳《新闻报》抢先作了报道;1月6日伦敦《每日纪事》向全世界发布消息,宣告发现X射线。

这些宣传,轰动了当时国际学术界,论文《初步报告》在3个月之内就印刷了5次,立即被译成英、法、意、俄等国文字。

同年1月中旬,伦琴应召到柏林皇宫,当着威廉皇帝和王公、大臣们的面作了演示。

X射线作为世纪之交的三大发现之一,引起了学术界极大的研究热情。据统计,只是1896年这一年,世界各国发表的有关论文就有一千多篇,有关的小册子达50种。

X射线发现才四天,美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。企业家蜂拥而至,出高价购买X光射线技术。50万、100万,出价越来越高。

德国著名的A·E·G电气公司来与伦琴商量购买他的专利。

伦琴微笑着说:“我不是‘发明’了X射线,它是千古以来就存在的,我仅仅是‘发现’了它而已。所以,X射线是全人类的东西,而不是我个人的财产。打算运用我的方法去产生X射线的人,不用再来找我了!”

伦琴没有申请专利权,他知道如果这项技术被一家大公司独占,穷人就出不起钱去照X光照片了。爱迪生得知这个消息后深受感动,他为接收X光发明了一种极好的荧光屏,和X光射线管配合使用,也没有申请专利权。

从此,伦琴射线成为科学界以及全人类的共同财富。伦琴照相以及X射线疗法的发展,给人类带来了无限的幸福!

对于自然科学发展的意义

X射线的发现对于自然科学的发展有极为重要的意义,它像一根导火索,引起了一连串的反应,许多科学家投身于X射线和阴极射线的研究,导致了放射性电子,以及α、β射线的发现,为原子物理的发展奠定了基础。

对于伦琴发现X射线的伟大贡献,科学界也给予了极高的正确的评价,为后来的科学家作出了榜样。

为了奖赏伦琴在科学上的贡献,巴伐利亚贵族院准备授予他王室勋章及贵族封号。但是伦琴不愿意用贵族来玷污自己的名字,他不顾一些势利小人的恶意诽谤,拒绝接受这一贵族封号。

那个时候,诺贝尔奖刚刚设立。评奖委员会在1901年将第一个物理学奖颁发给伦琴时,特别指出:这位德国学者的发现,具有“实际应用结果”。当时的伦琴,已经非常有名,获得了不少的奖誉,所以,把刚刚问世的诺贝尔奖发给他,不仅给他本人带来荣誉,而且也一定有利于提高这一新奖的声誉。然而,诺贝尔奖章程中唯一要求的获奖发言,伦琴却从来没有做过。这位著名的科学家,不爱在公共场合出头露面,一生中经常躲避这样的发言。

对世界的影响

伦琴射线直到今天最重要的应用领域仍然是医学诊断。用于诊断的射线强度已被大大降低,同时诊断结果可以显示更清晰的细节。在现代数字技术的帮助下,伦琴射线诊断已经可以提供人体内部三维图像。除了在医学上,伦琴射线还应用在微观世界的观察和对太空的研究,另外一个伦琴射线的重大应用领域是材料无损探伤。

为了纪念伦琴的成就,X射线在许多国家被称为伦琴射线。另外第111号化学元素“錀”也以伦琴命名。在伦琴的祖国,德国有许多以伦琴命名的学校、街道和广场。由于伦琴在物理学的杰出成就,在德国的吉森市、柏林市和伦琴的出生地伦内普都建有伦琴纪念碑。妻子去世四年后,1923年2月10日,伦琴因患肺癌于慕尼黑逝世。

伦琴一生献身科学,对物质利益十分淡薄,他不仅将自己的发现无私地奉献给了社会,也将自己所获诺贝尔奖金全部献给维尔茨堡大学以促进科学的发展。

电磁波之父——赫兹

海因里希·鲁道夫·赫兹(1857~1894),德国物理学家,于1887年首先用实验证实了电磁波的存在,并于1888年发表了论文。他对电磁学有很大的贡献,故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。

赫兹出生在德国汉堡一个改信基督教的犹太家庭。父亲是一位律师和参议员,母亲是一位医生的女儿。他有三个弟弟和一个妹妹。

在他去柏林洪堡大学就读之前就已经展现出良好的科学和语言天赋,喜欢学习阿拉伯语和梵文。他曾经在德国德累斯顿、慕尼黑和柏林等地学习科学和工程学。他是柏林洪堡大学著名教授古斯塔夫·基尔霍夫和赫尔曼·冯·亥姆霍兹的学生。1880年赫兹获得博士学位,但继续跟随亥姆霍兹学习,直到1883年他收到来自基尔大学出任理论物理学讲师的邀请。1885年他获得卡尔斯鲁厄大学正教授资格,并在那里发现电磁波。

随着阿尔伯特·迈克耳孙在1881年进行的实验和1887年的迈克耳孙-莫雷实验推翻了光以太的存在,赫兹改写了麦克斯韦方程组,将新的发现纳入其中。通过实验,他证明电信号如同麦克斯韦和法拉第预言的那样可以穿越空气,这一理论是发明无线电的基础。他注意到带电物体当被紫外光照射时会很快失去它的电荷,发现了光电效应(后来由爱因斯坦给予解释)。

1886年至1889年间,赫兹发表了两篇往后被称作接触力学领域的论文。赫兹虽以电动力学的贡献闻名,但多数研究接触之根本性质的论文皆引用此两篇文章里的重要概念。

1892年,赫兹被诊断出感染韦格纳肉芽肿,发病时会有剧烈头痛,他曾尝试去治疗这种疾病。1894年,赫兹因为败血症在德国波恩离世,享年36岁。

赫兹死后留下了妻子伊丽莎白和两名女儿乔安娜和玛蒂尔德。妻子在他死后并没有改嫁。1930年代,希特勒崛起,他的妻子和两名女儿也从德国搬到英国。据調查,赫兹的两名女儿都没有结婚,因此他没有任何后裔。

他的侄子古斯塔夫·路德维格·赫兹是诺贝尔奖获得者,古斯塔夫的儿子卡尔·海尔莫斯·赫兹创立了超声影像医学。

现代物理学奠基人——爱因斯坦

爱因斯坦概述

阿尔伯特·爱因斯坦(1879~1955),20世纪犹太裔理论物理学家,也是相对论的创立者。

阿尔伯特·爱因斯坦被誉为是现代物理学之父及20世纪最重要的科学家之一,现代物理学的开创者、集大成者和奠基人,同时也是一位著名的思想家和哲学家。

爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职,在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任大学教授。

1913年返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。

1933年爱因斯坦在英国期间,被格拉斯哥大学授予荣誉法学博士学位。因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高级研究所教授。从事理论物理研究,1940年入美国国籍。