返回上一页 发布人:
我要发布信息
| 中外科学家发明家丛书：赫兹 （三） | 发布于:2012/08/12 | |
| 三、前人的成就 进入柏林大学并成为赫尔姆霍茨的学生，对赫兹的一生来说意义重大， 他从此走上了成为世界著名物理学家的道路。在叙述赫兹的成长和成就之 前，我们来对前人的科学成就作一个回顾。 18世纪后期，法国物理学家库仑曾对电学和磁学做过深入细致的研究， 发表了大量科学著作，产生了深刻的影响。库仑曾提出一个论断，即电和磁 是完全不相同的物理实体。这一论断在科学家的思想中根深蒂固，以致于在 意大利科学家伏打于1800年发明了伏打电池后很长时间，各国的科学家都没 有想到利用这种恒稳持续的电源去寻找一下电和磁的关系，因为人们从未对 库仑的论断产生过疑问。 当然也有例外，丹麦科学家奥斯特就对库仑的论断心存疑窦。他根据德 国古典哲学家康德的自然力都有一个共同的根源的哲学原理，始终坚信电和 磁不是相互独立的，两者之间必定存在着一种关系，只是这种关系人类尚未 发现。为此，他借助伏打电池长期进行研究与探索，终于在1820年发现电流 可以将磁针推向与电流垂直的位置。对于这种电流磁效应，奥斯特用“电碰 撞”来解释，即在电流周围存在着一种环形运动的力，它可以穿透非磁性物 质，但不能穿过磁体，一旦碰上磁体就会发生撞击，致使磁体的轴体的轴转 到与电流相垂直的方向。奥斯特的发现在当时引起了极大轰动，法国物理学 家接受了他的发现，但拒绝了他对此的解释。 在奥斯特宣布了他的发现后不几天，法国物理学家安培也做了相同的实 验，但他认为这种电流磁效应并不是电碰撞的结果。当时法国物理学界正流行超距论理论，即认为一切物理现象都是粒子间的吸引或排斥的力学现象。 安培通过实验证明，两根载流导体可以相互吸引或排斥。他将电流的这种力 称为“电动力”，意即由电流产生的动力。他还用实验证明，两个螺线管如 通有电流，它们将像两根磁棒那样产生相互作用。由此安培认为，磁体之所 以会相互作用，即相互吸引或排斥，并不是因为它们具有什么磁性粒子，而 是因为它们当中存在电流，一根磁棒中的电流作用于另一根磁棒中的电流， 于是便产生了磁棒之间的吸引力或排斥力。安培认为，磁就是电流或运动中 的电。在这个基础上，安培创立了他的超距电动力学。由于这个学说具有数 学上的美及其内含的实体高度统一的优点，因此被很多物理学家接受，在欧 洲大陆极为流行。然而不久，安培的学说也遇到了难题。1822年，安培的同 事阿拉戈在用磁针振荡法测量大地磁场强度时，发现金属可以阻尼磁针的振 荡，用现有的电磁学理论他无法解释这种现象。阿拉戈认为这是一个新的发 现，于是就根据这个现象做了一个铜圆盘实验，以期引起人们的兴趣。他装 置了一个可以旋转的铜圆盘，盘的正上方悬吊着一根磁针，当圆盘旋转时， 磁针跟着旋转。对此，安培用他的超距论电动力学作了解释：当圆盘开始旋 转后，它就分离出正、负两种电粒子，电粒子运动形成电流，这种电流与磁 针中的分子电流相互作用便形成了磁针转动的动力。安培的理论好像能够说 明圆盘旋转带动磁针转动的现象，但都无法解释为什么磁针先行转动而圆盘 也能随之旋转的原因。 1831年，英国物理学家法拉第对安培的超距论电动力学提出了第一次批 判。法拉第没有受各种特设的电和磁的实体的局限，大胆想象，探索电和磁 的各种可能的关系。当时，许多人认为奥斯特发现的电流磁效应是所有电磁 关系中的唯一的基本内容，但法拉第却不这样认为。他根据对称性这个普遍 的自然法则断定，既然奥斯特发现的电流磁效应是客观存在的规律，那必须 会存在与此相对应的逆效应，即磁感生电流的效应。法拉第认为，阿拉戈的 实验正是体现了磁感生电流的效应。通过大量实验，法拉第认识到，在电流 或磁体周围的空间存在着一种力的状态，这种力态一经改变或受到扰动，便 能使处于这个空间的金属感生出电流。他据此圆满地解释了阿拉戈的实验： 由于铜圆盘的运动扰动了磁针建立的空间稳定的力态，使它自身感生出电 流，这种电流与磁针的相互作用便形成了带动磁针运动的力；如果磁针先运 动，它产生的空间力态不断地变化，也使圆盘产生电流，从而带动圆盘旋转。 在研究的基础上，法拉第总结出了电磁感应定律，达到了前人未有的认识。 法拉第在处理电磁感应现象时已初步用到了场的概念；而缺乏对电流周围的 空间——场的考虑，恰恰是安培理论的一个弱点。1837至1838年，法拉第 在研究静电感应现象时，初步提出了场的概念。在以后的研究中，他又提出 了电磁场理论。 法拉第电磁感应定律的发现，在信奉安培超距电动力学的欧洲大陆引起 了极大震动，超距论者不得不对安培的理论作些修改，以便能够解释他们原 来无法解释的现象。1845年，德国物理学家纽曼将安培分子电流假说推广到 宏观电流的情况，并在此基础上总结出法拉第电磁感应定律，试图将超距论 电动力学与法拉第的电磁学统一起来。第二年，德国的另一位物理学家韦伯 提出一种假说，即认为导线中的电流是由正、负电粒子在两个方向上的运动 构成的，并在牛顿引力公式基础上建立了韦伯电作用公式。韦伯认为，他的 电动力学可以推导出安培电动力学推导不出的电磁感应现象，因此比安培的理论具有更广泛的代表性。纽曼和韦伯的理论，被称为德国电动力学体系， 是对安培理论的发展，因此在欧洲大陆风靡一时。但德国电动力学体系和安 培的电动力学具有相同的弱点，仍然缺乏场的概念，没有考虑电磁场空间的 作用。 在远离欧洲大陆的法拉第的祖国——英国，超距论电动力学在电磁学中 渐趋势微，出现了电磁场论的电磁学派，做出这一巨大贡献的是英国伟大的 数学家和物理学家麦克斯韦。法拉第的重大发现和电磁学理论，深深地吸引 着麦克斯韦。尤其使他感到惊奇的是，法拉第虽然不是数学家，但他提出的 电磁学概念含有丰富的数学思想。麦克斯韦决心用数学符号和公式将法拉第 的场论思想总结出来，得到一种处理电磁场的动力学方法。法拉第的工作， 成了麦克斯韦研究的出发点。麦克斯韦应用高度完善的数学方法把法拉第的 电磁学理论“转换”成数学形式，同时使之更加准确和扩大，成为臻于完善 的电动力学理论。1861年，麦克斯韦提出电位移和位移电流的概念，对超距 论电动力学提出了第二次批判。在随后的研究中，他从理论上预言电磁波的 存在，用纯数学的方法得出结论：在虚无的空间内存在着电磁波，电磁波的 传播速度与真空中的光速相同。麦克斯韦用他那些著名的微分方程以最高超 的独创性概括了许多电磁现象，开创了电的世纪；他的公式以简便和完善的 特点，受到大多数数学家和物理学家的赞叹。 但是，麦克斯韦的理论最初也只是作为一种新颖大胆的假说而被人们接 受。这种假说看来是十分可能的，并且有许多现象都有利于证明这种假说； 然而麦克斯韦却没有能用实验的途径检验其电磁理论和光理论的正确性，并 且这种理论的基本原理与人们已经接受的传统观点太矛盾了，因此多数物理 学家对这种理论是否反映事物的本质表示怀疑。但是，在德国电动力学颇为 流行时，德国物理学家赫尔姆霍茨却倾向于相信麦克斯韦的理论。 |
||
