阿基米德定律的发现
现在人们常听到“尤里卡”一词，20世纪90年代初法国总统密特朗提出过“尤里卡”计划，美国最大的太空计划也称作“尤里卡计划”。“尤里卡”是什么意思呢？“尤里卡”是希腊语的音译，中文意思是“我找到了！”
这样一句普普通通的话被现代高科技用作代称，是因为它和古代希腊一位著名科学家连在一起的。这位伟大的科学家就是阿基米德（Archimedes，约公元前287～前212）。阿基米德是古希腊数学和力学方面最伟大的人物之一，也是真正有创见的古希腊科学家中的最后一个人。他是古希腊物理学家和数学家，静力学和流体静力学的奠基人，是从实验观测推导数学定律的先驱。恩格斯在《自然辩证法》一书中赞誉他是后古典时期才开始的对科学进行精确的和有系统研究的代表人物之一。
约公元前287阿基米德生于西西里岛著名的文化古城叙拉古（今意大利锡拉库萨）。他的父亲是天文学家和数学家。阿基米德11岁时，被父亲按照当时的惯例送到当时的世界文化学术中心亚历山大里亚城王家学校去学习。学习期间阿基米德对数学、力学和天文学发生了浓厚的兴趣。在他学习天文学时，发明了用水力推动的星球仪，并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。为解决用尼罗河水灌溉土地的难题，他发明了圆筒状的螺旋扬水器，后人称之为“阿基米德螺旋”。
公元前240年，他回叙拉古后，受到了国王亥厄洛的赏识，成为国王的顾问，帮助国王解决了生产实践、军事技术和日常生活中的许多实际问题。
阿基米德有一句名言：“给我一个支点，我可以撬起整个地球。”这句话至少有两个值得注意的地方。第一，阿基米德认为地球和月亮星星一样是圆球状的；第二，他从理论上掌握了杠杆原理。其实，阿基米德已经以丰富想像力把杠杆原理运用到实际问题上了。
后来，这话传到了国王的耳朵里。国王为了考验阿基米德的才能，让他把一条刚刚造好的船用简便的方法推下水去。于是阿基米德便设计了一套巨大的杠杆和滑轮机械，借助杠杆原理只要用很小的力量，就可以使很重的物体运动起来。他把一切都做好了以后，将一条绳子的末端交给国王。国王拉了一下绳子，船体竟真的有了轻微的移动。就这样，这条沉重的大船由国王亲自送下了水。全城的人像着魔般观看这一奇迹，国王立即发出告示：“从此以后，无论阿基米德说什么，都要相信他。”
阿基米德的著作很多，如《螺线》、《论抛物线形的求积法》、《论球和圆柱》、《论浮体》、《论平面图形的平衡》、《圆的度量》、《论锥体和球体》、《沙的计算》等。据现在所知，他失传的著作有《天球仪的制造》、《论杠杆》、《支持》、《原理》和《反射光学》等。在他死后过了差不多二千年之后的1670年，英国牛津出版了《阿基米德遗著全集》。经历了这么多世纪而保留下来的阿基米德的著作，就全部收在这部全集中了。阿基米德的著作是古代精确科学所达到的顶峰。无论在数学领域还是在力学领域，他都是伟大的，而且，他也和其他许多杰出的学者一样，在他们令人惊异的漫不经心的时候，会把人类天才的真正伟大的发现和引得他周围所有的人发笑的荒谬滑稽的狂举妄动结合起来。
他沉溺于科学的思索中，以至于完全忘记他是在什么地方，忘记吃饭、睡觉和休息。他在洗澡时，能长时间沉思默想地用手指往自己涂满泥皂（从沼泽底取出的淤泥，古希腊人用作肥皂）的身上画着各种各样的图形，只有强制才能使他摆脱这种入迷的状态。
国王亥厄洛是一个勇敢善战的人。有一次打了胜仗，为了庆祝胜利，他决定要献给神一顶王冠，于是下令找来了一个高明的金匠来制作。国王的会计官给了金匠必需的金子，不久王冠制成了，它玲珑剔透，金光闪闪，国王非常满意。
但是，人们私下传说金匠并没有把全部金子用到王冠上，而是掺进了一部分银子。国王听了，也起了疑心。他把金冠称一下，和交给金匠的金子一样重，颜色也黄澄澄的，看不出掺进了什么。如果为鉴别真假打碎这个精致的王冠，又觉得可惜。于是他决定让阿基米德来检验。
阿基米德接受了这个任务，回到家里左思右想，一直没想出好办法来。他茶不思，饭不想，整天焦躁不安。阿基米德思考问题非常专注，如同着了魔。让他吃饭，他好像丝毫没听见，仍然继续在火盆灰里画他的图形。她妻子须时时看着他，否则他即使在用油擦身时（古希腊贵族中流行的促进卫生和健康的一种方法），也会呆坐着用油在自己的身上画图案而忘记原来要做的事。有一次，他带着满脑子问题在洗澡。澡盆里装满了水，阿基米德慢慢把身子沉了进去。“哗啦——哗啦”，水不断地溢出来。同时，他觉得自己变轻了，入水越深，这种感觉越明显。以前，谁也没有思索过这个现象的意义。现在，阿基米德一心在寻找解决问题的方法，突然间他一下子从澡盆溢水的现象中受到启发。他意识到从盆子里溢出来的水就等于人体进入水中的体积，如果在容器里装满水，取一块和王冠一样重的纯金，把它与王冠同时放入两个充满水的容器里，如果它们溢出来的水一样多，王冠就一定是纯金的，否则就是掺了银。想到这里，阿基米德忘记了自己在洗澡，猛然跳出澡盆，光着身子跑出来，一边大声喊着：“尤里卡！尤里卡！”一边向街上跑，完全不顾赤身裸体、令人难堪的样子，穿过全城，奔向叙拉古王亥厄洛，去把自己的发现告诉他。街上的人们看着他光着身子高喊着跑出来，都以为他疯了。
阿基米德首先测出王冠的重量，然后准备了和王冠一样重的一块纯金和一块纯银，还有一个装满水的容器。阿基米德把纯金块慢慢沉入容器，算出溢出的水量，这些水的体积就是纯金块的体积。再次装满水后，他又把纯银块沉入装满水的容器，于是又得到了纯银块的体积。当然，银块的体积要比金块大。最后，他又把王冠放入装满水的容器，根据溢出的水量测出了王冠的体积。阿基米德把王冠的体积和纯金块与纯银块的体积加以比较，发现王冠的体积比纯金块的体积要大，比纯银块的体积要小，这就证明了王冠不是用纯金制成的，而是用金银混合后制作的。根据测出的结果，他还计算出有多少黄金被换成了白银，终于揭开了王冠之谜。
他对金匠说了自己的测试过程，金匠只好承认了自己的罪行。
其实，阿基米德利用的是流体静力学的最基本原理，但在他那个时代人们根本不懂得“比重”这个概念，更不懂得一个物体浸入液体以后，要利用它排开液体的重量。说阿基米德智慧过人也正是在这里。从此，一个被称作“阿基米德定律”的原理一直写到了今天的每一本物理学教科书中。
阿基米德一生的发明和科学发现非常多，他发现圆柱体积和其内接球体的体积之比（这个比例为3：2）；他还用内接和外切多边形的方法来测量圆周，逐渐增加多边形的边数，使其逐渐与圆周长相接近。这个渐进的方法证明：圆周长与直径之比，大于31071，小于31171.这是数学上相当重要的方法——用有理数逼近无理数，叫做“无穷逼近”。
阿基米德口头上虽然看不起他那些机械发明，称它是几何学上的小玩意儿。但他在机械方面的这些发明给人们带来了相当大的实用价值。大约是他在亚历山大里亚的时候，埃及人请他帮助处理尼罗河河水排灌，他们要他提供一种能使水均衡分配的方法。结果阿基米德发明了一种水螺旋。这种水螺旋大概是一种管子绕成螺旋形，放在水里绕着轴旋转，水便从管中不断流出来。
阿基米德还利用空闲时间造了一些圆球，模仿日月及五大行星（水、火、金、土、木星）的运动，制好后，利用水来带动其旋转。他造得非常准确，可以把日食月食都运转出来。这是世界上最早的天象仪。
阿基米德进入暮年时，新兴起的罗马帝国进攻叙拉古。当时罗马军队已将整个城市包围。看到祖国面临灭亡的危险，阿基米德决心尽自己的全力来拯救祖国。他制造出一种类似现代起重机一样的机械，他用这种机械把罗马的战船抓起来，悬在空中，然后再猛地抛向水面使之沉入海底，或者越过城墙将这些船抓回城里，让叙拉古的士兵把敌人杀死。他还造了一种石弩，把大块石头抛向罗马军队和战船，将敌人砸得叫苦连天。还有一种难以置信的传说是，阿基米德曾让许多人手执凹面镜会聚阳光，烧毁了罗马军队的木制战舰。
阿基米德运用他的机械，差不多只他一个人就将敌人挡在城外。有时连一根绳子抛出城外，也要将罗马人吓得四散奔逃。罗马军队没有办法攻破城池，便改变策略，变强攻为久困长围。叙拉古被围困了整整三年，城中的一切都消耗尽了，没有办法再坚持下去。公元前212年，叙拉古终于向罗马投降了，罗马军队迅即占领了整个西西里岛。当罗马士兵冲进叙拉古的时候，阿基米德还在专心致志地研究他的问题，似乎并没有理会到战争的恐怖，也没有听到罗马士兵进城的喊声。直到一个士兵的脚踏乱了他在地上画的图，阿基米德才抬起头来向着他喊：“喂，你弄坏了我的图，赶快走开！”结果，他的喊声惹恼了那个无知的士兵，阿基米德就这样被杀害了。
牛顿发现万有引力定律
凡是学过物理的人都知道万有引力定律，而且知道这个定律是伟大的科学家牛顿发现的。
那么，牛顿究竟是如何发现万有引力定律的呢？
行星绕着太阳转
1543年，在自然科学史上发生了一件大事，哥白尼发表了他的日心说。哥白尼指出，地球是一颗普通的行星，与其他行星一样，是围绕着太阳旋转的。从此，被宗教神学奉为经典的亚里士多德——托勒密的地心说动摇了。
后来，开普勒又发展了哥白尼的日心说，他发现了行星运动的三定律，指出行星不是绕着太阳做匀速圆周运动的，而是沿着椭圆形轨道运行的。
人们自然会提出这样一个问题：庞大的地球为什么会不知疲倦地绕着太阳旋转呢？
17世纪，伽利略的惯性定律已普遍为人们所接受。伽利略通过实验证明，当物体不受力的时候，将保持静止或匀速直线运动，当受到力的作用时，就会改变速度或运动方向。
于是，人们猜测，一定是有一种力，迫使行星不断地改变方向和速度，使它们不停地绕着太阳旋转。
那时候，人们知道的力除了机械力之外，还有一种是磁力，磁石能够穿越空间把周围的铁屑吸引过来。所以人们首先想到了天体间相互作用的力是磁力。
以研究磁学著称的英国物理学家吉尔伯特提出，太阳和行星之间存在一种类似磁力的引力在起作用，正是这种力使行星绕太阳旋转。他还设想，地球是一个大磁石，地心产生的引力就是这块大磁石作用于周围物体的力。
法国哲学家、物理学家笛卡尔提出了以太说。他认为宇宙间充满了肉眼看不见的以太，在太阳、地球等聚集体周围的以太，围绕着聚集体形成旋涡似的运动，旋涡吸引着四周的物体向旋涡中心运动。
荷兰物理学家惠更斯是笛卡尔以太旋涡说的信奉者。他做过一个实验，在一只盛满水的大碗中搅起一个旋涡，于是，碗内的卵石就被拉到了碗正中的旋涡中心来。
惠更斯在研究摆的运动中，还发现物体沿圆周运动，需要一种向心力，就像我们在绳子一端拴上一个石子，然后拉着它的另一端让石子做圆周运动时，手通过绳子给了石子一个向心力一样，行星绕着太阳运行，也受到一种向心力的作用。惠更斯还推导出了向心力公式。
法国天文学家布里阿德在1645年甚至提出了引力与距离平方成反比的思想。
尽管许多科学家已不同程度地揣测到了万有引力的作用，但是没有一个人对万有引力定律做出精确的科学论证，真正完成这项工作的是牛顿。
天降大任
好像是“老天爷”有意安排似的，就在近代力学的奠基者伽利略1642年去世的这一年，一个继承他的事业，把经典力学推向最高峰的科学家诞生了，他就是牛顿。
牛顿出生在英国林肯郡伍尔索普村一个普通农户家，他的母亲和祖母以几个月前刚去世的他的父亲的名字——伊萨克牛顿为这个新生的男孩取名。
牛顿从小与那些喜欢打打闹闹的男孩子不大合得来，他喜欢安静地思考问题，爱好发明，手工做得特别好，他制作的风车、风筝、日晷滴漏都十分精巧，因此，大家都称他作“小巧匠”。
中学，牛顿进入离家十多公里的格兰赛姆皇家学校，寄宿在药剂师克拉克家中。当时的药房就像一个小小的化学实验室，牛顿在这里学到了许多化学知识，萌发了对科学的热爱。
14岁时，牛顿的家境每况日下，不得不中途辍学，回家务农。幸亏格兰赛姆的校长和他的舅父都很看重牛顿的天才，认为他应该继续深造，在他们的再三劝说下，牛顿的母亲才让他复学。
1661年，牛顿以减费生的名义考上了著名的剑桥大学的三一学院。所谓减费生就相当于现在的半工半读，靠给学院的教授、研究员打工获得奖学金。
牛顿入学后的第二年，三一学院设立了卢卡斯讲座，专门讲授自然科学知识。这个讲座的第一任教授是皇家学会会员、博学多才的数学家巴罗。牛顿把巴罗看作是对他一生帮助最大的恩师。是他把牛顿引向了近代自然科学，特别是光学和数学。巴罗对他的这个得意门生非常欣赏甚至崇敬，他常说：“我对数学虽略有造诣，但与牛顿相比，只能算个小孩。”后来，巴罗主动把卢卡斯讲座的教授职位让给了牛顿，使刚刚26岁的牛顿成为教授。
1665年到1667年，英国发生了可怕的瘟疫，仅伦敦一地，1665年夏就有3万人死于瘟疫。剑桥大学不得不停课，大家都分散到了人口比较稀少的乡下，牛顿也回到了他的家乡伍尔索普村避难。
在伍尔索普的这两年，是牛顿一生中创造力最旺盛的时期。牛顿自己曾说过，他的许多重大研究的基本思想，都是在这两年中形成的，以后不过是使这些思想加以发展、完善。正是在这两年间，他发现了微积分法、白色光的组成，还有著名的万有引力定律。
苹果落地的启示
据牛顿晚年的密友回忆，牛顿曾多次对他们讲过，是苹果落地引发了他对万有引力的思考。
一天，牛顿坐在一棵苹果树下对引力问题进行思考。突然“扑通”一声，一个苹果从树上落到了他的脚旁。苹果为什么不向上，也不向旁边而总是垂直地落在地面上呢？牛顿陷入了沉思。
苹果落地是重力的结果，也即地球对苹果吸引力的结果。牛顿发现，一个物体的重量不论在地面上还是在高山顶上，都相差不是很大，可见地球引力威力之大。他设想，重力可以延伸到很远很远，穿越太空，到达月球，把月亮往地球上吸引。
那么月亮为什么不会落到地球上呢？牛顿根据抛物体运动，画了一张画，例如有一个人站在一座高山上，用不同速度水平地抛出一个物体，抛出物体的速度越小，物体落地点离山脚越近，速度越大，落地点离山脚越远。当速度大到一定程度时，它就不再落回地面上了，而是绕着地球旋转。月亮的情形就是这样，它以1000米/秒的速度运行，所以不会落在地球上，成了地球的卫星。
牛顿画的这张图使人们不禁想到，假如追溯是谁最早提出人造卫星的设想的话，那么牛顿还可算是老祖宗呢。
牛顿首先选择了地球和月亮的关系开始研究万有引力，因为月球的轨道是圆的，计算起来也比较方便。
牛顿由开普勒的第三定律和圆周运动向心加速度公式，得出了引力大小与行星质量成正比，与它们之间的距离成反比。这就是万有引力定律。
牛顿算出月亮加速度约为0.27厘米/秒2，而苹果落地的重力加速度是980厘米/秒2，约是月球加速度的3600倍，而月球与地球间的距离约为地球半径的60倍，这就证明了，让苹果落地的力和使月球保持在它的轨道上的力，都是地球的重力。
不过，当时牛顿并没有公布他的发现，也许他看到了要真正解决这个问题还有许多难点没有解决，这就为牛顿与胡克对发现万有引力的争论埋下了伏笔。牛顿真正公布万有引力定律，是在十几年以后的1684年。
牛顿和胡克的科学竞赛
在牛顿提出万有引力时，还有一些科学家也产生了和牛顿类似的设想，其中有一位科学家就是胡克。他既是牛顿的朋友，又是论敌，在光的波动说与粒子说上他们二人发生过激烈的争论。
胡克也是一位杰出的科学家，他是胡克定律、细胞的发现者，在天文学、医学、物理学等方面有多项发明和发现。
胡克相信引力和磁力很相似。由于吉尔伯特已用实验证明了磁力随物体距离变化而变化，胡克就想寻找引力随距离变化的规律。他在1662年～1666年曾做过实验，把一物体放入深井测重量，再放到高山顶上测重量，进行比较，由于仪器精度限制，没有获得结果。
1664年，胡克研究了彗星的轨道，指出彗星轨道在靠近太阳时是弯曲的，这是太阳引力造成的。胡克还聪明地看到，物体沿圆形轨道运行有两个分量，一个惯性分量，一个向心分量，惯性分量沿曲线的切线方向作直线运动，向心分量则拉物体偏离直线轨道。1679年，他曾把这种方法介绍给牛顿，并且在给牛顿的信中还提出引力与距离平方成反比。不过这只是定性的想法，没有严格的定量证明。牛顿没有给他回信。
胡克是英国皇家学会会员。英国皇家学会有一个惯例，每星期三下午，学者们常聚集在一家咖啡馆自由交谈。1684年初的一个星期三下午，胡克与年轻的天文学家哈雷及皇家学会创始人之一、圣堡罗教堂和格林威治天文台的设计人、建筑学家雷安聚在一起，探讨着行星的运动。
他们三个人取得一致见解，都认为行星通过一种力被太阳吸引，这种力与行星至太阳距离的平方成反比，他们也都认为开普勒的行星运行三定律是正确的，那么现在的关键是如何根据引力与距离的关系来证明行星运动轨道是椭圆形的。
雷安宣布，谁要是能够给出证明，他就奖励谁。胡克当即表示，他可以给出证明。可是，几个月过去了，胡克却迟迟拿不出证明。
到了8月，哈雷等得不耐烦了。他听说牛顿也在研究这一问题，而牛顿已是当时有名的数学家，于是哈雷便去登门拜访牛顿。
哈雷问牛顿：“假如一个行星受到一个和距离成反比的力的吸引，那它应当是以怎样的曲线运动呢？”牛顿不假思索地回答：“椭圆。”哈雷又惊又喜，他问牛顿：“你是怎么知道的？”牛顿漫不经心地说：“我以前计算过。”哈雷要求看看他的计算。牛顿找了一会儿，没有找着，于是许下诺言：“我再计算一次，然后把结果寄给你。”
1684年11月，牛顿把椭圆轨道计算寄给了哈雷，哈雷立即意识到这份论文的重要意义，他兴冲冲再次来到剑桥大学拜访牛顿。这时牛顿已写出《论物体运动》的小册子，哈雷说服牛顿公布他的研究成果，并以这本小册子为基础，再写一本书。
在哈雷的热情鼓励和敦促下，牛顿开始了他的不朽著作《自然哲学的数学原理》的写作。牛顿陷入极度的冥思苦想之中，连对自己吃了饭没有也记不清楚，有时，衣服只穿了一半就一整天失神地坐在床沿上。他极少离开房间，只有以卢卡斯教授身份讲课时才离开。牛顿只要有一小时不看书就认为是浪费了光阴。他很少在夜里二三点前睡觉，常常在凌晨四五点才上床休息，一天只睡四五个小时。
1686年4月，牛顿完成了《自然哲学的数学原理》第一卷。这本书原定以皇家学会的费用出版，但因未筹措到足够的资金，印刷被推迟了。哈雷决定自己出钱支付印刷费用。
在书付印前，胡克以曾向牛顿提示过平方反比定律为由，向牛顿提出异议。其实他也高度评价牛顿的成就，只是希望在其著作中承认自己的贡献。经过哈雷调停，这场风波才算平息了。
这部奠定了现代物理学基础的经典著作《自然哲学的数学原理》于1687年夏正式出版，它分为三卷。牛顿首先确定了质量、动量、惯性和力的基本概念，在概括和总结前人研究成果的基础上，通过自己的观测和实验，提出了运动三定律：惯性定律、第二运动定律、作用与反作用定律。这三条定律和万有引力定律一起共同构成了宏伟壮丽的力学大厦的主要支柱。
在这部书中，牛顿从数学上论证了万有引力定律，指出在万有引力作用下，物体运动轨迹有3种，当行星最初速度不很大、离太阳不很远时，是椭圆轨道，当最初离太阳很远或速度很大时，就是抛物线轨道或双曲线轨道，这样的物体仅仅在太阳附近出现一次，以后便永远消失了，偶尔到太阳系作客的彗星就是这种轨道。
牛顿还用太阳引力与月球引力解释了地球上的潮汐运动。
在发现万有引力的这场科学竞赛中，牛顿把所有的对手都远远抛在了后边，这是因为他在科学思想与科学方法上比其他人都高出一筹。他有丰富的想像力，从苹果落地联想到月球受重力的影响。他善于将错综复杂的自然现象进行简化，例如在有太阳、行星、卫星组成的太阳系中，引力作用很复杂，牛顿分别考虑日——地、月——地关系，并把天体作为没有体积的质点来计算。他发展了伽利略的实验——数学方法，先建立物理和数学模型，然后进行数学推导，得出结论，再经受实践的考验。同时他掌握有当时最先进的数学方法——他发明的微积分法，别的人或由于思路不对头，或因为数学上的障碍都没有获得成功。
万有引力定律的胜利
在牛顿发现万有引力定律后不久，天文学研究所取得的一个个成就，惊人地证明了万有引力定律的正确性。
在证实万有引力定律方面，哈雷又立了大功。
哈雷是一个对彗星很有研究的天文学家。拖着长长尾巴、出没不定的彗星一向让人感到神秘莫测，人们对它们的了解很少。哈雷注意到1531年、1607年、1682年出现过的三颗彗星轨道基本上是重合的，因此，他大胆猜想，这出现在不同时期的三颗彗星其实是一颗彗星，它的周期大约是76年。哈雷还根据万有引力定律，计算出了这颗彗星的长椭圆轨道，并预言它将在1758年在地球附近出现。哈雷还对另外24颗彗星的轨道进行了计算。
1758年，哈雷预言的这颗彗星没有出现，1759年它果然出现了，整个欧洲为之轰动，万有引力定律经受住了实践的考验。
哈雷本人没有看到这次彗星的出现，他那时已经去世了。为了纪念哈雷对彗星研究作出的贡献，这颗彗星就被命名为哈雷彗星。
海王星的发现是万有引力定律取得的最辉煌的一次胜利。
1781年，英国天文学家赫歇耳发现了天王星。半个多世纪以来的观测表明，天王星的实际轨道与用万有引力计算出来的轨道不大一致，是什么原因呢？难道万有引力定律错了吗？
英国剑桥大学的大学生亚当斯坚信，天王星轨道的不规则性不是万有引力定律失灵，恰恰是其他行星的万有引力引起的。他利用万有引力定律和对天王星的观察资料，反过来推算这颗未知行星的轨道。
亚当斯把他经过两年多艰苦计算的结果寄给了格林威治天文台台长艾利，但艾利不相信“小人物”的工作，把它扔在一旁。
1846年，法国巴黎天文台的青年天文学家勒维烈也应用万有引力定律，独立的计算出这颗新星的位置，他把结果告诉了德国天文台助理员加勒。
加勒按照勒维烈指示的方位，用望远镜寻找，9月23日，果然发现了一颗暗淡的新行星，这就是海王星，其位差不超过一度。
后来，人们又发现海王星的轨道也不规则，用同样的办法，1930年，人们又发现了海王星以外的新行星——冥王星。
天狼伴星的发现是又一生动事例。1834年，贝塞尔观察天狼星时，发现它的运动轨迹是波浪形的，经过他用万有引力定律进行了详细的计算，他预言天狼星旁边应当有一颗天狼伴星，正是这颗星的振动造成天狼星轨道的波浪形。在他死后16年的1862年，美国克拉克把新制成的18英寸望远镜对准天狼星时，果然发现了这颗天狼伴星。
经过天文学上这一系列事实的检验，万有引力定律得到了人们普遍的承认，成为指导人们进行科学研究的有力武器。
测出万有引力的大小
既然任何两个物体间都存在着万有引力，为什么我们走近桌子、房子等物体时，感觉不到这个力呢？原因是这个力实在太小了，以致我们的感觉器官无法感觉出来。牛顿还有许多科学家都设计过许多实验，想测出两个物体间的万有引力，但是都没有成功。
那么，能不能根据万有引力公式F=GM1M2R2计算出这两个物体间的万有引力来呢？也不行，因为当时还没有测出万有引力常数G的值。
这个问题是在牛顿之后一百多年的1798年，由英国物理学家、化学家卡文迪什解决的。
卡文迪什从十几岁起就开始想测出万有引力常数来。有一次，他得知一个叫米歇尔的科学家用一根石英丝吊住一条磁铁，然后用另一块磁铁吸引它，石英磁被扭转了，这样就测出了磁力的大小。
卡文迪什用一根细长棒，两端各安一个小铅球，做成哑铃状的东西，用石英丝把“哑铃”吊起来，然后用两个大铅球靠近这两个小铅球，想测出引力的大小，结果什么也没测出来。
正当他为解决这个问题而苦恼时，他看到几个小孩手拿小镜子来反射太阳光，互相照着玩。镜面偏转一个很小角度，远处光点的位置就会偏转很大角度。
卡文迪什灵机一动，他把一面小镜子固定在石英丝上，让光点反射到一个刻度尺上，这样，只要石英丝有极小的扭动，反射光就会在刻度尺上显示出来。
这次，他再用两个大铅球去靠近两个小铅球，果然成功了，石英丝扭转的角度显示了出来。这就是著名的扭丝实验。他又用其他办法测出了石英丝扭转同一角度所需要的力，轻球与重球之间的万有引力就被测出来了。这个力真小，两个1公斤的铅球在相距10厘米时，它们之间的引力只有十亿分之一公斤。
测出了引力，根据万有引力公式就可以算出万有引力常数了。卡文迪什得到的引力常数G=6.71×10-8达因厘米2/克2，与现代测定的数据G=6.67×10-8达因厘米2/克2非常接近。
有了万有引力常数，用万有引力公式就可以算出地球的质量了。因为地球对已知物体的吸引力，就是物体的重力，地球和物体的距离，就是地球的半径，卡文迪什成了第一个称地球重量的人。他称出了我们脚下的地球重量为5.976×1024公斤，也就是大约60万亿亿吨！
站在巨人的肩膀上
牛顿发现了万有引力定律，创立了经典力学体系，在科学史上作出了划时代的贡献。牛顿的名字，被人们看作是近代自然科学的象征。他在数学、光学、热学等研究中也都取得了卓著的成就。这一切与牛顿的天才、勤奋分不开，但不能完全归功于他个人的聪明才智，正像牛顿自己所说的那样：“如果说我看得远，那是因为我站在了巨人的肩上。”
爱因斯坦在评论牛顿时也说过：牛顿之所以成为这样的人物，还有比他的天才更重要的东西，那就是命运使他处在人类理智的历史转折点上。
在力学与天文学方面，由于伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的工作，牛顿才有可能建筑起他宏伟壮丽的力学大厦，他们为他提供了建筑的材料。同样是一个牛顿，对化学进行了长时间的大量研究，却没有取得什么突出成就，这是因为当时这方面的道路还未开辟。牛顿的力学是经历了许多人的研究才得以诞生的，它是集体智慧的结晶，牛顿正是这个人类理智历史转折点上众多科学家的代表。
牛顿在临终之前，总结自己一生所走过的道路时说：“我不知道在世人眼里我是什么样的人，但是在我自己看来，我不过像是在海边玩耍的孩子，为不时拣到一块比较光滑的卵石、一只比较漂亮的贝壳而喜悦，而真理的大海在我面前，一点也没有被发现。”
这当然是牛顿的谦虚之说。但是有一点是确实的，牛顿力学并不是力学的尽头，对万有引力的认识也没有到头。
牛顿自己也承认，他并不清楚引力的本质是什么，产生引力的根源是什么。这就为后代的科学家们留下了一系列有待进一步探索的问题。
20世纪，爱因斯坦发现了相对论，对牛顿力学体系发出了挑战。
爱因斯坦在广义相对论中提出，不存在瞬间超距传递的引力，所谓的引力只不过是时空的一种特性，物体的质量决定了时空的弯曲程度，从而使行星沿着弯曲的空间运行。
广义相对论得到了许多实验的验证。这是不是说牛顿的力学错了，不能用了呢？不是的。在低速运动中，牛顿的力学和相对论并不矛盾，仍是适用的。今天，从机械设计到宇宙飞行，都还是在用牛顿力学体系，只有当速度大到可以和光速相比拟时，才必须抛弃牛顿体系，改用相对论。
迄今为止，人们还没有发现与广义相对论相矛盾的实验，但是，相对论是否就到头了，就没有问题了呢？不是。像广义相对论所预言的引力波，至今人们还未发现，人们还不能最后断定，广义相对论就是引力之谜的谜底。
人类对引力的认识还远未穷尽，还有许多问题等待着今天的和未来的科学家们去探索。
发现燃烧的秘密
因为有了火，在万物不断进化的竞争中，人类终于脱颖而出成了自然界的精灵。然而物质为什么会产生燃烧？火到底是什么？这些疑问始终在人们头脑中萦回缠绕。
一直到了18世纪下半叶，法国塞纳河畔的一位化学家终于揭开了火的神秘面纱，建立了科学的燃烧理论。他就是安图瓦拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743～1794），法国化学家，1774年发现氧气，1783年揭示“水是氢和氧的化合物”，其一生为推翻支配化学发展长达百年之久的燃素说努力，为现代化学奠定了基础，被称为“近代化学之父”。
1743年8月26日，拉瓦锡生于巴黎。11岁进入当时巴黎的名牌学校——马札兰学校，受到了良好的启蒙教育。少年的拉瓦锡爱上了自然科学，在校时一直热心钻研自然科学问题，并逐渐加深了这方面的兴趣。1763年获法学学士学位，并取得律师开业证书。21岁时转向自然科学研究，他拜法国著名科学家为师，刻苦学习了数学、天文学、地质矿物学、植物学和化学等，打下了深厚的基础。
拉瓦锡起初从事地质学研究，后来，他又转而学习化学。从一开始，拉瓦锡就以精细缜密、一丝不苟的态度，吃苦耐劳、勤于思考的精神对待科学研究。这些性格上的优秀品质使他攻破了许多科学难关，为他成为出色的科学大师奠定了基础。
18世纪中叶，法国城镇的市政建设还是相当落后的，城市街道的照明主要采用燃油灯。每天傍晚需要一个人拿着长杆去点燃，第二天清晨再由人去熄灭，既麻烦又不经济。昏暗的街灯常常使飞奔的马车与行人相撞，频繁发生交通事故。1765年，法国科学院以巨额奖金征集一种使街灯既明亮又经济的设计方案。
拉瓦锡通过大量实验，提交了自己的设计方案。虽然没有获得奖金，但他的设计方案构思精巧，论证清晰合理，因而被特别授予优秀设计方案的金质奖章。隆重的颁奖仪式和激动人心的科学研究成绩，使拉瓦锡坚定了终生从事科学探索的信念。
这一年，他当选为巴黎科学院候补院士。
他最早的化学论文是对石膏的研究，发表在1768年《巴黎科学院院报》上。他指出，石膏是硫酸和石灰形成的化合物，加热时会放出水蒸气。
1775年，拉瓦锡出任皇家火药局局长，火药局里有一个相当好的实验室，拉瓦锡的大量研究工作都是在这个实验室里完成的。
拉瓦锡从事的科学研究是以研究街灯的形式开始的，这使拉瓦锡接触到了燃烧及其现象问题。
早在拉瓦锡之前的一百多年，人们已经提出了一种关于燃烧的理论，认为燃烧是“火素”放出的过程。当燃烧时火焰是向上飞腾离去的，其中夹杂的许多火星就是火素，也叫做“燃素”。许多物质如木材、纸张、煤炭和油类中都含有大量燃素，一旦燃烧就集中释放形式猛烈的火焰。事后剩余的灰烬远远少于可燃物燃烧之前的重量，这就是燃素放出的结果。
当时人们把这种观点叫做“燃素说”。它统治化学界长达一百多年之久。然而，社会生产技术和科学研究的日益深入，使燃素说暴露出许多破绽，例如燃烧木材和煤炭之类的东西，重量呈减少的状态；燃烧锡或铅等金属非但重量没有减少，反而出现增重现象。这就迫使人们重新审视燃烧理论。
拉瓦锡详尽搜集了前人关于燃烧的研究成果，加以认真地审视和分析，经过长时间的研究，拉瓦锡发现了以前人们忽视的一个问题：加热燃烧金属增重的原因是吸收了空气所致。
接着拉瓦锡在三四年的时间内，连续进行了大量的关于燃烧和气体方面的实验。他用金属锡、铅和水银作实验，再用非金属硫磺、磷作实验，还用有机物作实验。他逐渐把注意力集中在空气中有某种助燃气体能够与金属结合使其增重上，这究竟是什么样的物质呢？他在努力探索着。
1774年4月，拉瓦锡发表了论文，用实验论证了金属能与空气中的某种物质相结合的事实。但他始终苦于找不到将它分离出来的方法。
拉瓦锡家境富有，比科学界的多数同事的状况优越得多。妻子玛丽乐善好施，拉瓦锡也毫不吝啬，因此，拉瓦锡家成了法国甚至欧洲著名的“科学沙龙”，法国的科学家愿意到这里聚会畅谈，外国科学友人也乐于来这里造访逗留。
1774年10月，在拉瓦锡家的“科学沙龙”上，英国化学家J。普利斯特里介绍了自己做的一个实验。原来，普利斯特里用口径很大的聚光火镜加热汞灰（即氧化汞）时，搜集到一种助燃作用极强的气体，他将这种气体取名叫“脱燃素空气”。这种气体使蜡烛燃烧得更明亮，还能帮助呼吸。这就是我们现在说的氧气。但是普利斯特里一直坚信燃素说，所以他虽然发现氧气却没有揭开燃烧的奥秘。
拉瓦锡重复了普利斯特利的实验，得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说，所以他认为这种气体是一种元素。难能可贵的是，拉瓦锡又用制得的气体逆向重新和汞作用，结果又生成了汞灰。现在，拉瓦锡全明白了。燃烧就是可燃物通过水分解得到两种气体，再将这两种气体燃烧又得到水。
实验使他弄清了空气是由氧气和氮气组成的原理。火的产生就是可燃性物质与空气中氧元素相结合的结果。从此，确立了科学的燃烧理论，推翻了燃素说的错误。1777年，拉瓦锡正式把这种气体命名为oxygene（中译名“氧”），含义是“酸的元素”。同年，拉瓦锡向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》，阐明了燃烧作用的氧化学说，要点为：
①燃烧时放出光和热；
②只有在氧存在时，物质才会燃烧；
③空气是由两种成分组成的，物质在空气中燃烧时，吸收了空气中的氧，因此重量增加，物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量；
④一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰，它们是金属的氧化物。
他还通过精确的定量实验，证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态，但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。
虽然在今天看来，拉瓦锡的一些结论是错误的，比如：他认为凡是含有氧的化合物都是酸性化合物，例如硫酸、硝酸都含有氧，由此推断盐酸也含有氧，只是结合得牢固，因此不能从盐酸中分出氧——但是，他的实践仍然是革命性的。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，揭开了燃烧的奥秘，他创立了燃烧理论，为人类作出了巨大贡献，使化学开始蓬勃地发展起来。许多科学家盛赞拉瓦锡为“近代化学之父”，将拉瓦锡伟大的化学实践视为推翻“燃素说”的一场“化学革命”。
1794年5月8日，作为近代化学奠基人之一的拉瓦锡于巴黎去世。
电磁感应现象的发现
我们的日常生活离不开电，从电灯、电话、电报到收音机、电视机，从工厂中轰鸣的机器到农田中的抽水机，从军事上用的雷达到科研教学用的电子计算机，处处都要用到电，没有电，就没有现代文明社会。
那么，电是怎样被发现的？人类又是怎样学会利用电的呢？
初识静电
人类最早看到的电便是天空中的雷鸣闪电了。不过雷电究竟是什么，古人并不清楚。在我国有“雷公电母”的传说，在西方则有“上帝之火”之说，雷电被蒙上了一层神秘的色彩。
人类最早获得的电是摩擦产生的静电。公元前6世纪，古希腊人在佩戴首饰时就发现，用布或皮毛摩擦过的琥珀，能吸附灰尘、线头等轻小物体。
我国古代人民也早就发现了摩擦起电现象。汉代著名学者王充在“论衡”一书中有“顿牟掇芥”的记载，“顿牟”即琥珀，“掇芥”就是拾起轻小的物体。
第一个比较系统地对电和磁进行研究的是16世纪英国科学家、曾担任过英国女王宫廷医生的吉尔伯特。吉尔伯特发现，地球本身是一个巨大的磁体，并用一个大磁石模拟地球做过著名的“小地球实验”。他还发现，不仅琥珀可以吸引轻小物体，玻璃、硫磺、树脂、水晶、宝石等经过摩擦，也都能吸引轻小物体，并发明了可以检验物体是否带电的验电器。是他第一个应用“电”这个词。英语的“电”就是从希腊语“琥珀”一词派生出来的。
17世纪，德国马德堡市市长、物理学家格里凯制造出了一种能够摩擦起电的机器，它是用布摩擦一个可以连续转动的硫磺球，这样就可以得到大量的电荷了。后来，人们又制造出各种各样的静电起电器。
但是，那时候，人们好不容易起得的电，在空气中要不了多久就逐渐消失了。每次用电都要重新用起电器起电，很不方便。能不能把这些电保存起来呢？
一个叫马森布洛克的荷兰物理学家真的把电装到玻璃瓶里贮存起来了。
1745年，马森布洛克做了一个实验，在一个盛有水的玻璃瓶上塞上一个软木塞，软木塞上插了一枚铁钉，用铜丝把铁钉和起电器连接起来。
马森布洛克让他的助手拿着玻璃瓶，自己使劲摇动起电器，他的助手不小心用手碰到了铁钉，猛然遭到一阵强烈打击，不由得大喊起来。
马森布洛克和他的助手掉换了位置，用手去摸铁钉，果然他的手臂和身体像遭到雷击一样，有一种无法形容的恐怖感觉。这说明电荷被存到瓶子中了，人接触到瓶子，因此受到电击。马森布洛克是荷兰莱顿大学的教授，这个能贮电的瓶子就得名莱顿瓶。
莱顿瓶实际上就是一个电容器。后来，莱顿瓶经过改进，里边不再装水，而是在玻璃瓶内外贴上锡箔，用起来就更方便了。
有了莱顿瓶，人们可以方便地进行各种电学实验，因此，它很快就传开了。魔术师们也因此增添了一个新节目，他们带着起电器和莱顿瓶到处周游，为人们做触电麻酥酥感觉的表演。
揭开雷电之谜
许多科学家都注意到了，莱顿瓶放电时，会产生电火花和劈啪声，与天空中的雷鸣闪电很相似。那么，摩擦起电得到的电与天上的雷电是不是一样的电呢？
在美国费城，有一个科学家叫富兰克林，他也在思考这个问题。有一次，他的夫人丽达不小心碰到了莱顿瓶，突然闪出一团电火，随着一声轰响，丽达被击倒在地，经过抢救才脱险。这件事给了富兰克林深刻的印象，他决心要把天上的雷电“捉”下来，看看它们和莱顿瓶的电是不是一样。
1752年7月的一个雷雨天，46岁的富兰克林带着他的儿子，把一个用绸子做的大风筝放到了天空。这个风筝的顶部安了一根尖细的铁丝，牵引风筝的麻绳末端拴了一个铜钥匙，钥匙塞入莱顿瓶中间。
风筝和麻绳被雨水淋湿，变成导电的了。当带着雷电的云来到风筝上面时，尖细的铁丝立即从云中吸取电，绳子松散的纤维向四周竖了起来，在富兰克林的手指和钥匙间发出蓝白色的小火花，他感到一阵麻，闪电被引到莱顿瓶中了。
富兰克林发现，天电和普通电一样可以使莱顿瓶充电，一样可以点燃酒精和进行其他电学实验，也就是说，天上的电和地上的电性质是完全一样的。“上帝之火”的迷信被击垮了。
不过，这个实验实在是太危险了。俄国科学家利赫曼曾设计了一个装有金属尖杆的检雷器，想测出云中有没有电，结果一阵雷电下来，将他当场击毙。为研究科学，利赫曼献出了宝贵的生命。
根据对雷电的实验和尖端放电的原理，富兰克林发明了避雷针，使千千万万的房屋建筑免遭雷击。避雷针很快在全世界普及开了。
可笑的是，英王乔治三世因为富兰克林是美国独立战争中的风云人物，下令要把尖端避雷针改成球形的。幸亏英国皇家学会的科学家拒绝了他这一愚蠢的命令。
“动物电”引出的发明
摩擦起的电和贮存在莱顿瓶中的电，当放电时，瞬间就消失了，不能形成持续的电流，我们把这种电叫做静电。静电的作用远不如动电，事实上，我们今天所用的电，绝大多数都是可以在导线中流动的持续电流。只有在发现这种电流之后，人类对电的运用才有了突飞猛进的发展。
那么，电流是怎样被发现的呢？
1786年，在意大利有一位解剖学家叫伽伐尼，正在做解剖青蛙的实验。他把一只刚刚解剖完的青蛙腿用铜钩子挂在一个铁架子上，无意中使蛙腿碰到了铁架子，蛙腿竟奇怪地抽搐了几下。
细心的伽伐尼没有放过这个偶然的发现。他找来一根铁筷子，把蛙腿和铁架子连接起来，蛙腿上的肌肉同样也发生了强烈的抽搐，就像他过去曾经做过的用莱顿瓶或起电器给青蛙腿通电的情况一样。显然，蛙腿是受到电的刺激而抽搐的。那么电又是从哪里来的呢？
伽伐尼选择不同时间、不同条件进行实验。他发现，无论是在晴天还是雷雨天，在室外还是封闭的屋子里，重复这个实验，蛙腿都会收缩。因此，他认为这个电不可能是外来电，而是动物本身所有的。两种不同的金属与之接触，就把这种电激发出来了。他把这种电叫“动物电”。
伽伐尼的“动物电”观点得到了许多人的支持。因为人们早就知道，海洋中有一些鱼，像电鳗、电鲶等都能放电，人们自然联想到，别的动物体内也可能贮存这种电。
但也有一些科学家不同意伽伐尼的观点，其中有一位就是意大利物理学家伏打。
伏打认为，引起蛙腿抽动的是来自铜钩和铁架两种不同金属接触产生的电流。他把两种不同的金属导线连接起来，用它们的两端去接触青蛙，蛙腿就会抽动。他还用它们的两端去接触自己的舌头，立即感到有电的刺激，他把这种电叫金属电。
为了论证自己的看法，伏打又做了大量实验。他花了整整3年时间，把各种金属搭配成一对一对进行实验，编制出了各种金属材料接触生电的序列，其次序是锌、锡、铅、铜、铁、铂、银、金……这就是著名的伏打序列，只要按这个序列将前边的金属与后边的金属搭配起来，前者就带正电，后者就带负电。
伏打还发现，形成电流的另一个必要条件是必须把金属放在导电的溶液中去，在青蛙实验中，蛙腿就起到了溶液的作用。
根据这个原理，1800年，伏打把数十个圆形的银片、锌片以及用食盐水浸泡过的厚纸片按银片、纸片、锌片、纸片的顺序不断叠起来，制成了伏打电堆，当把电堆的两端用金属导线连接起来时，电路中立刻出现了持续的电流。
伏打电堆的发明，使人类第一次获得了持续的稳定的电流，从此电学又进入了一个新的迅速发展的阶段。
那么，伽伐尼提出的动物电对不对呢？伏打的异议促使伽伐尼进行了更严密的实验。他不用铜钩、铁架，而是剥出蛙腿的一条神经，一头绑在另一条腿上，一条与脊椎接触，结果蛙腿仍会抽搐。实践证明，动物会产生电流的结论是正确的，生物体内确实存在生物电。
想不到一个青蛙腿的实验，引出了生物电和伏打电池两项重大的发现和发明。
电能转化为磁
人们不仅早就发现了电现象，而且也早就发现了磁现象。但是长期以来，人们一直没有把电和磁联系起来，就连对电和磁分别很有研究的吉尔伯特也认为，电和磁是两种截然不同的现象。
19世纪初，随着对电学的深入研究，电和磁的关系开始引起了人们的注意。法国物理学家阿拉果曾记载过，一场雷电使船上的指南针方向改变了；富兰克林曾发现，莱顿瓶中的电可以使铁针磁化。在矢志搞清电和磁的联系的科学家中，有一位就是丹麦物理学家奥斯特。
奥斯特深受德国哲学家康德、谢林自然哲学的影响，相信光、电、磁等各种自然力具有统一性。还在1807年他在哥本哈根大学担任物理、化学教授时，就已开始着手研究电和磁之间的联系。
根据电流通过直径小的导线会发热的现象，奥斯特推测，通电的导线直径进一步缩小，便会发光，再缩小就会产生磁效应，他做了许多实验，但一直没有发现电能够转化为磁。
失败并没有使奥斯特灰心。他分析，以往人们都是在电流方向上寻找电流的磁效应，莫非电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向的力？他的脑海中闪出一个问号。
1820年4月的一天，奥斯特在给学员们作电学演示实验。他在一个伽伐尼电池的两极间安了一根铂丝，铂丝的下方有一枚小磁针。当他把电路接通的时候，突然发现小磁针微微地抖动，转到了与铂丝垂直的位置上。奥斯特一下愣住了，简直不敢相信自己的眼睛，多少年来梦寐以求的现象终于出现了！
此后三个月，奥斯特一连做了60多个实验，他把磁针放在导线的上下左右，改变导线中电流的方向，观察电流对磁针作用的方向；把磁针放在离导线不同的距离上，看电流对磁针作用的大小；在导线与磁针之间放上玻璃、金属、石头、木块、水等，考察它们对这一作用的影响……
1820年7月21日，奥斯特发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，向科学界宣布了电流的磁效应。他指出，当电流通过导线时，在导线周围会产生像磁铁那样的磁力；这个电流产生的磁力不是沿着电流方向而是沿着垂直于导线的方向传播的。
奥斯特的发现看来似乎是偶然的，但正如巴斯德所说：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”
奥斯特的发现轰动了整个学术界，许多科学家纷纷投入了对电与磁的研究，其中最快做出反应并取得重要成就的就是法国物理学家安培。
安培在得知这一消息后，第二天就重复了奥斯特的实验。7天后，向法国科学院提交了他的第一篇论文，提出了圆形电流产生磁性的可能性，并发现了磁针转动方向与电流方向的关系服从右手定则。
安培发展了奥斯特的实验，不仅研究了电流对磁体的作用，还研究了电流对电流的作用。他发现两条平行的通电导线，当电流方向相同时互相吸引，当电流方向相反时互相排斥。
为了解释奥斯特效应，安培把磁的本质简化为电流，创立了分子电流假说。他提出在原子、分子内部，存在一种叫分子电流的环形电流，正是分子电流的存在，使每一个物质微粒都成为小磁体。在没有磁化的物体内部，所有分子电流的方向是杂乱无章的，它们形成的小磁体也杂乱无章地排列，因此对外不显示磁性。磁化的时候，在外磁场的作用下，每个分子电流产生的磁场方向变得相同，对外就显示出磁的作用。安培把电磁现象上升到一个新的理论高度。
奥斯特的发现拉开了现代电磁学的序幕。2000多年来一直被人们认为毫不相干的电与磁，原来是互相联系的；过去，人们一直以为两个物体之间相互作用的力的方向，在两个物体的连线上，无论万有引力定律还是库仑定律都是如此，而现在电磁作用力却不是这样。由此引发了物理学上的一场革命，导致了场论的诞生。而第一个提出电磁场概念的，就是被人们称作电学之父的法拉第。
磁能生电
法拉第是著名的化学家、物理学家。他于1791年诞生在英国伦敦郊区的一个铁匠家庭。由于家庭贫困，法拉第只上过两年小学，12岁时就到一个书商兼订书匠的家里当学徒。这使他有机会接触到许多书籍。
下班后，当同伴们纷纷离开工场回家时，法拉第却舍不得离去，坐在窗前如饥似渴地读书。他最喜爱的是自然科学书籍，那里边告诉他许多他从来不知道的有趣知识。法拉第还省吃俭用，用自己一点微薄的工钱，买药品做化学实验。
当时伦敦经常举办科学演讲会，一个先令一张的入场券对法拉第来说相当昂贵，但法拉第仍想方设法去听讲。他认真做笔记，并把笔记誊清，配上插图，作为自己的教科书。
有一次，他有机会听了著名的化学家戴维的演讲，这使他更加向往献身科学事业了。他给戴维写了一封信，并附上了他整理好的听讲记录。这个勤奋好学的年轻人深深打动了戴维，终于，他成了戴维实验室的助手。
靠勤奋与才华，法拉第很快在科坛上崭露头角。他帮助戴维完成了矿井安全灯的发明，发现了氯、二氧化硫硫酸、氨等气体的液化，发现了苯。
奥斯特发现电流的磁效应传到英国后，1821年，英国的一家有名望的杂志《哲学年鉴》邀请戴维写一篇文章，评述电磁学一年来的发展。戴维把这项任务交给了法拉第。
在收集资料的过程中，激发起法拉第对电磁现象研究的巨大热情。他敏锐地意识到奥斯特发现的重要性，法拉第这样评价说：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”法拉第同奥斯特一样，受到谢林哲学的影响，深信电、磁、光、热是相互联系的。现在，奥斯特证明了电能生磁，摆在眼前的拦路大山就是如何用实验证明磁能生电了。1821年，法拉第在日记中记下了他的光辉思想：“磁能转化为电”，并开始了这方面的艰难探索。
开始，法拉第也像当时许多投入这一研究的科学家一样，简单地认为用强磁场靠近的导线，导线中就会产生电流，或者在一根导线中通入强大的电流，靠近导线中就会产生稳定的电流。但是，这些实验全都以毫无结果而告终。
历经10年的失败、试验、再失败、再试验，1831年8月29日，法拉第终于取得了突破性的进展。他在一个圆形的铁棒上绕了两个线圈，一个线圈接电源，一个线圈的下方平行地放了一个小磁针。当接通电源的一瞬间，他发现小磁针摆动了一下又回到原来的位置，断开电源时，小磁针又摆动了一下。
法拉第抓住这个一瞬间出现的现象穷追不舍。小磁针的摆动说明另一个线圈也出现电流了，但是它们只在电源接通、断开的瞬间才有，这又是为什么呢？法拉第终于明白了，在电源接通或断开的瞬间，电流是变化的，它们产生的磁场也是变化的，也就是说，只有变化的磁场才能产生感应电流，问题的关键在于变化！
法拉第十分激动，他又设计了几十个实验，结果证明了，只要穿过闭合回路中的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电流，这就是著名的电磁感应定律。
磁能够生电，法拉第10年前写在日记上的预言实现了。电磁感应的发现，为发电机的发明奠定了理论基础。现代发电机就是根据这一原理工作的。法拉第本人根据电磁感应现象，制造出世界上第一台直流发电机。那是在一个U形磁铁的南北极之间，插入一个可以旋转的圆形铜盘，导线的一端缠绕在铜盘的轴心上，另一端用电刷与铜盘边缘相接触。当铜盘旋转时，在铜盘与导线组成的回路中就产生了电流。尽管这个发电机非常简陋，发出的电还不及现在的玩具发电机，但它第一次把机械能转化成了电能，为人类打开了电气化的大门。
为了证实用各种不同方法产生的电在本质上都是一样的，法拉第仔细研究了电解液中的化学现象。1834年总结出了法拉第电解定律。
他还探索了电磁和光的关系，历经多次失败，百折不挠，终于在1845年观察到了磁使偏振光旋转的现象，磁力越强，偏转角度越大，这就是有名的磁光效应。法拉第在人类历史上第一次证实了磁对光的作用，播下了电、磁、光统一的种子。
法拉第的另一重大贡献，则是创立了场论，引入了电场和磁场的概念。
在牛顿的经典力学中，两个物体之间的作用力如万有引力的传递既不需要媒介，也不需要时间，也就是说是超距离作用的，并且遵从与距离的平方成反比的关系，就连在库仑定律中，静电荷之间的作用也是这样的。
法拉第在大量电磁实验的基础上，提出了完全不同的崭新概念。他认为带电体、磁体周围会产生电场或磁场，电作用或磁作用是通过电场或磁场来传递的，而不是超距作用。法拉第还以惊人的想像力，引入磁力线、电力线来表示场的强弱变化。他曾做过一个实验，在一张纸上撒上一些铁粉，纸的下边放上一个磁棒，当他轻轻抖动纸片时，铁粉就集合成了许多线，清楚地呈现出磁场的力线。
与法拉第同时探索电磁感应现象的科学家还有不少。美国物理学家亨利也独立地发现了电磁感应现象。1827年，他用一个纱包铜线在一个铁芯上绕了两层，然后通电。结果铁芯中仅3公斤的铁片居然能吸引300公斤的物体。他以此为开端，发现了自感现象。
不过，无论从研究的规模、深入的程度、取得的成果来看，没有哪一个科学家比得上法拉第。因此人们把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第，并把电磁感应定律称为法拉第电磁感应定律。
法拉第取得了如此伟大的成就，但他从不计较名誉、地位，更不看重钱财。他拒绝了许多制造商的高薪聘请，谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇准备授予他的爵位，终身在皇家学院实验室从事科学研究。
爱因斯坦曾高度评价法拉第，说他在电学中的地位就相当于伽利略在力学中的地位，法拉第奠定了电磁学的实验基础。
电磁波的预言
正像许多新思想、新理论刚刚诞生之时不为人们所理解一样，法拉第提出的场的概念也迟迟不为人们所接受。特别是由于法拉第没有受过系统的正规教育，数学水平不够高，因此他对电磁场的研究，只能停留在对力线的描述上，不能把它变成精确的定量的理论。
是一位年轻的物理学家把法拉第萌发的新思想用精确的数学形式表示出来，并把它发展成为完整的电磁场理论，他就是麦克斯韦。
麦克斯韦也是英国人，诞生在1831年，比法拉第晚出世40年。他的父亲是一个律师，但主要兴趣却是制作各种机械和研究科学问题。他父亲对科学的爱好对麦克斯韦产生了很大的影响。麦克斯韦从小喜爱数学，14岁时就在爱丁堡皇家学会发表了画椭圆曲线的论文，16岁考入爱丁堡大学学习物理，19岁时转入剑桥大学。他因设计著名的色陀螺而轰动科学界，获得皇家学会奖章，24岁就成为大学教授。
早在剑桥大学求学时，麦克斯韦就被法拉第的崭新观念所吸引，并立志要把它用数学形式表达出来。
1856年，25岁的麦克斯韦写出了《论法拉第的力线》的论文，引入一种新的矢量函数来描述电磁场，法拉第看到后大加赞扬。
1860年，麦克斯韦登门拜访了年近七旬的法拉第，他们一见如故，谈得十分投机。麦克斯韦崇敬地请法拉第指出他论文的缺点，法拉第非常诚恳地说：“你不应该停留在用数学来解释我的观点，而应该突破它。”麦克斯韦受到极大的鼓舞。
当时在电磁学领域已经建立了四大定律，它们是库仑定律、高斯定律、法拉第定律、安培定律。麦克斯韦深入研究了法拉第提出的场，以此为起点，综合各家之长，终于提出了著名的麦克斯韦方程组，它由四个方程式组成，几乎包括了已有的全部电磁学的规律，其构思深刻奥妙，表达简洁明了，以致后人赞誉它是“神仙写出来的”。
在这里麦克斯韦发展了法拉第的电磁感应定律。他指出电磁感应的本质是变化的磁场产生电场，不论周围有无闭合回路存在。同时他也发展了电流的磁效应，指出不仅电流能够产生磁场，任何变化的电场都要在周围空间产生磁场。
这样，麦克斯韦就为我们勾画出一幅完美的图像：变化的电场在它周围产生变化的磁场，变化的磁场又在周围产生变化的电场，变化的电场再产生变化的磁场……如此不断交替产生，就构成了统一的电磁场。而一圈圈变化的电场和磁场向四周不断传播出去，就形成了电磁波。
麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且计算出电磁波在真空中的传播速度是3×108米/秒，与光的速度相同，从而进一步预言了光也是电磁波，是一种可以引起人们视觉的电磁波。
青出于蓝而胜于蓝。麦克斯韦站在巨人肩上，终于建成了电磁理论的宏伟大厦。正像牛顿继哥白尼、伽利略、开普勒等人之后，创立了经典力学，完成了物理学的第一次革命，麦克斯韦继承库仑、欧姆、安培和法拉第之后，创立了经典电磁学理论，完成了物理学上的第二次革命。
麦克斯韦在天文学、气体分子运动理论、热力学方面也都作出了卓越的贡献。
捕捉电磁波
尽管麦克斯韦用严密的数学论证了电磁波的存在，但是在人们心目中电磁波却是那样神秘莫测，既不像水波可以看得见，又不像声波可以听得见。那么，怎么才能证明电磁波真的存在，麦克斯韦的理论是正确的呢？
麦克斯韦生前没有看到他的理论被证实，他积劳成疾，48岁就患癌症去世了。在麦克斯韦去世后的1887年，一个德国青年物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。
1878年，21岁的赫兹来到柏林大学攻读电学。他的导师亥姆霍兹是最早支持麦克斯韦的少数几个杰出科学家之一。亥姆霍兹建议柏林科学院悬赏征求证实电磁波的实验，同时鼓励他的学生赫兹去解决这个问题。
赫兹也为麦克斯韦的理论所吸引，他欣然接受了导师的建议，从此几十年如一日，孜孜不倦地投入到寻找电磁波的研究中。
要证明电磁波的存在，首先就要能够产生电磁波。很长一段时间，赫兹苦于找不到产生迅速变化的电磁场的办法。有一天，赫兹在实验室工作，他发现当把一个两端间留有很小间隙的弯成长方形的铜线接到感应线圈上做放电实验时，在间隙部位出现了一个来回迅速跳跃的小火花。赫兹立即意识到，这个跳动的小火花不正是可以产生变化的电场和磁场吗？
那么又怎样接收电磁波呢？他百思不得其解。当他从各种设想又回到麦克斯韦的电磁理论时，突然顿悟，电磁波既然向四面八方传播，那么在它传播的空间的导线中不是应当产生电流吗？观察导线中有无电流应当是很容易的事情。
赫兹开始实验了，他的装置很简单，两块锌板，每块锌板上连着一根端上装着铜球的铜棒，两个铜球离得很近，两根铜棒分别与高压感应线圈的两个电极相连，这就是他的电磁波发生器。在离发生器10米远的地方放着电磁波探测器，那是一个弯成环状、两端装有铜球的铜棒，两个铜球间的距离可以用螺旋调节。
赫兹把门窗遮盖得严严实实，不让光线射进来，当他合上电源开关时，发射器的两个铜球间闪出耀眼的火花，发出劈劈啪啪的响声。但这不是赫兹要观察的目标。他紧张地调节着探测器的螺丝，让两个铜球越靠越近，突然，两个铜球的空隙间也跳跃着微弱的电火花，电磁波被捉住了。
赫兹还进行了其他实验，证明了电磁波和光波一样，可以发生反射、折射，并且测出电磁波的速度和光速一样。
1888年，赫兹在柏林科学院大厅向云集在那里的各国科学家发表了演说，明确指出光是一种电磁现象，并介绍了他的实验，顿时整个大厅里发出一片惊讶和赞叹声。
在赫兹的实验之后，再也没有人怀疑电磁波的存在了。正像爱因斯坦说的：“在现代物理学家看来，电磁波正像他坐的椅子一样实在。”麦克斯韦的电磁理论从此为人们所接受。
赫兹所创造的电磁波发射器和探测器，也就是后来无线电发射器和接收器的开端，他的实验拉开了人们运用无线电的序幕。
电气时代的到来
随着法拉第发现电磁感应现象、麦克斯韦完成电磁理论，新的技术、新的发明不断涌现。1832年，法国皮克西制成第一台旋转式交流发电机。1844年，美国莫尔斯发明有线电报。1860年，意大利巴奇诺奇发明直流电动机。1867年，德国西门子制成自激式直流发电机。1872年，德国阿尔特纳设计出第一台高效率直流发电机。1876年，英国贝尔和美国爱迪生发明电话。1879年，爱迪生和英国斯旺发明电灯。1895年，意大利马克尼和俄国波波夫发明无线电报……
电力作为一种新能源登上了人类生活舞台，它为工业生产提供了方便、价廉、强大的新动力，带动了一系列新兴的产业的诞生，创造了比蒸汽时代大得多的生产力。电力不仅被用作工业动力，而且用于照明、通讯及人类生活的各个领域，它极大地改变了人类社会的面貌，推动了人类文明的进步。
蒸汽机的发明使人类进入蒸汽时代，而电的利用使人类社会又跃入了一个崭新的时代——电气时代。