书城教材教辅中学理科课程资源-探究物理历程
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第5章 电磁的发展历程(2)

后来科学史上留下了一段法拉第与戴维之间的恩怨故事。主要是法拉第有成就后,在被入选英国皇家学会时,只有他原来的恩师戴维一人极力反对。戴维从此留下了对后辈嫉贤妒能的不好名声。其实,公正地说,不管法拉第有成就后戴维是否真如传闻那样嫉贤妒能,法拉第能做出这么大的科学成就是与戴维的提拔和栽培分不开的。大而言之,戴维发现并栽培法拉第之功是恩泽全人类的“大善”,而他对法拉第的嫉贤妒能毕竟是“小恶”,大可不必对此耿耿于怀。

1815年4月回国后,法拉第即被提拔为实验仪器管理员,并在戴维指导下开始了自己的研究工作。开始主要在化学领域,很快就取得了一系列成就。1824年当选为英国皇家学会会员,并于次年由戴维提名担任了皇家学院的实验室主任。

1820年奥斯忒发现电流磁效应后,法拉第开始转向电磁实验的研究。1821年,他取得了第一项电磁学的研究成果,发明了“电磁旋转器”。其实,这就是电动机的雏形。该项成就使法拉第在电学领域崭露头角。

接着,法拉第开始了“磁变电”的研究。他在1822年-天的日记上写了一句话:“把磁转变为电。”说明当时法拉第的目标是很明确的,就是用实验证实磁能产生电,并且要找到这种方法。

然而,经过近10年的研究,法拉第没有找到“磁生电”的方法。后来他回忆这10年失败的教训是错误地认为“磁生电”也像“电生磁”那样是一种稳恒过程,即只要有磁力存在,在其周围放置的导线上就能检测到持续的电流。

很显然,法拉第和当时其他科学家一样,都进入了这个误区。他们总是不断地在加大磁性强度上下功夫。后来才明白,“磁生电”最关键的是磁强度的变化,而不是磁强度本身。不过,在为“磁生电”而摸索的科学家中,在1831年前离发现电磁感应大门最近的不是法拉第,而是一位叫克拉顿的瑞士物理学家。他曾将一个线圈和一个检流计构成闭合回路,想通过磁铁在线圈中插入、拔出在线圈中感应出电流。当时他为了防止磁铁对检流计磁针的可能影响,将检流计放到隔壁房间里。由于没有助手,他在这边用磁铁不断在线圈中插入、拔出(我们现在明白,也是我们中学做过的实验,这时克拉顿放在隔壁的那只检流计的指针肯定在动!可惜他看不见),然后跑到隔壁去观察检流计,每次都是零结果(要是克拉顿有助手,电磁学电就要改写了)。看来,有时科学发现其实不过一层窗户纸,但必须有智、有心、还要有幸者才能捅破。

1831年8月,法拉第经过10年无数次的失败,终于获得了成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中感生出电流,法拉第把这叫做“伏打电感应”。

10月,又发现,磁铁和导线的闭合回路有相对运动时,回路中会产生感生电流,法拉第称之为“磁电感应”。“伏打电感应”孕育了变压器的诞生,“磁电感应”预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。后求有人就把法拉第发现电磁感应原理的1831年定为电气时代的纪元元年。

在发现电磁感应之后,法拉第又思考电磁学中另一个重大问题:“电磁作用是如何传递的”。自然界物体之间的相互作用除了拉力、压力、摩擦力这些靠接触传递的力之外,还有万有引力、静电力、电流之间作用力等非接触力。这些非接触的物体之间的相互作用力是如何传递的呢?当时占统治地位的是一种被称为“超距作用”的观点。该观点认为,相隔一定距离的物体之间相互作用,不需要任何媒介传递,也不需要传递时间,是直接的瞬时的。富兰克林、库仑、安培等大多数学者都持这种观点。牛顿确立了万有引力定律,但他明智地回避了引力的本质问题,把引力是否超距的问题留给了后人。法拉第具有不同凡响的想象力,他提出了一种全新的概念和物理图像——“力线”。

1845年11月,法拉第用强电磁铁进行实验发现,物质对磁力的作用类似于介质对电的作用。他设想在带电体、磁体和电流周围空间存在着某种由电或磁产生的像“以太”那样的连续介质,起着传递电力和磁力的媒介作用,法拉第把它们称为“电场”和“磁场”。这是第一次把“场”的概念引入到物理学中来。

法拉第关于“力线”和“场”的概念,对传统观念是一个突破,对电磁学乃至整个物理学发展产生了深远影响。正如汤姆孙所说:“在法拉第的许多伟大贡献中,最伟大的一个就是力线的概念。我想电场和磁场的许多性质借助于它都可以简明而富有启发性地表示出来。”

法拉第还曾提出了电磁波的猜测:电磁作用可以以波的形式传播,而光可能是一种电磁波。这些猜测后来被麦克斯韦和赫兹所证实。

法拉第为人质朴,喜欢帮助亲友,不善交往,不图名利。为了专心从事科学研究,他放弃一切有丰厚报酬的商业性工作。英国政府拟封他为爵士,1857年皇家学会拟选他为会长,均被拒绝,因为他愿意永远是普通的法拉第。1867年8月25日,法拉第在维多利亚女王赠给他的寓所中去世,终年76岁。去世时,他坐在书房的一把椅子上,安详地停止了呼吸。

后人对法拉第评价极高,认为他是19世纪最伟大的实验科学家。爱因斯坦也高度评价法拉第的工作,认为他在电磁学中的地位,相当于伽利略在力学中的地位。那么,爱因斯坦所指的在电磁学中如力学中牛顿的那个人又是谁呢?

这个人自然就是麦克斯韦。

(第三节 )麦克斯韦

麦克斯韦是电磁学的集大成者,正如牛顿在伽利略等人工作的基础上创立经典力学体系一样,麦克斯韦总结法拉第等人的科学成果,建立了完整的电磁理论体系,是物理学的又一次大综合。他的电磁理论是经典物理学的最高峰。在科学史上,人们能清晰地看到牛顿——麦克斯韦——爱因斯坦这样的思想历程。麦克斯韦是从牛顿到爱因斯坦不可逾越的阶段。

1831年6月13日麦克斯韦出生于英国爱丁堡。他似乎命中注定与电磁学有缘,这一年恰好法拉第发现了电磁感应。麦克斯韦的父亲是一名律师,但爱好实用技术,是爱丁堡皇家学会的会员。幼年时麦克斯韦随父居住乡下,在父亲的诱导下学习科学,10岁就进入爱丁堡中学,并经常随父亲到爱丁堡皇家科学院听演讲。14岁时发表第一篇学术论文《论卵形曲线的机械画法》,被誉为“神童”。

16岁时,麦克斯韦进入爱丁堡大学学习物理学,19岁又进了剑桥大学三一学院。非常幸运的是,在剑桥麦克斯韦在一个偶然机会认识了著名数学家霍普金斯。从此得到霍普金斯和另一名著名数学家斯托克斯的悉心指导,从而打下了非常坚实的数学基础。这是麦克斯韦以后能把数学工具成功用于物理学研究的关键。

麦克斯韦于1854年从剑桥毕业后不久就开始了电磁学的研究。他详细地研究了法拉第的著作,对法拉第的实验报告和笔记都十分熟悉。由于法拉第基本上是一名纯粹的实验物理学大师,不懂数学,无法用精确的数学语言表述他的物理思想,经常是在他的论文中几乎找不到一个数学公式,以致被人误以为是实验报告。而数学恰恰是麦克斯韦的强项。于是麦克斯韦选择用数学形式表达法拉第物理思想的“翻译”工作作为电磁学研究的突破口。

他精心研究了法拉第提出的“力线”概念,于1855年发表了关于电磁理论的第一篇论文《论法拉第的力线》。这篇论文用严格的数学方式说明了法拉第的力线,使法拉第的力线严密化、形式化和数学化了。并由此自然地推导出库仑定律和高斯定律。

1860年,麦克斯韦在伦敦拜会了法拉第。法拉第赞扬了麦克斯韦的工作,并鼓励他不要停留在这种“翻译”的层次上,要突破这些观点,创立一个全新的不属于牛顿自然哲学体系的电磁学理论。这使麦克斯韦受到很大鼓舞。

1862年,麦克斯韦发表了电磁研究的第二篇论文《论物理力线》,不但进一步发展r法拉第的思想,而且得出了新的结果:电场与磁场的相互转化,并创造性地提出“位移电流”的概念,预言了电磁波的存在。指明电磁波是一种以光速在空间传播的波,揭示了光的电磁本质,把光学和电磁学统一了起来。

1864年,麦克斯韦的第三篇论文《电磁场的动力学理论》发表,该文从几个基本事实出发,运用场论的观点,以演绎法建立了系统的电磁理论。著名的“麦克斯韦方程组”就是在该文中提出的,该方程组成为科学史上用数学语言叙述科学理论的和谐、完美的象征,甚至是代名词。

1873年,麦克斯韦出版《电学和磁学论》一书,这是一本集电磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪以来的电磁学成就,建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的里程碑式的著作。

除了电磁学领域的巨大贡献外,麦克斯韦还在气体分子运动论、统计物理学、热力学、天体物理学等领域做出过突出贡献。20多岁时,麦克斯韦曾写过一篇关于土星光环的论文。他通过数学计算得出结论:土星光环既不是整块的固体,也小是液体,如果这样引力和离心力的作用就会使它分崩离析;而是由一群离散、微小的星(即卫星环)聚集而成的。

100多年后,当一架“航行者”太空探测器到达土星周围时,证实了麦克斯韦的说法。此外,麦克斯韦负责建立的卡文迪许实验室,在他和以后几任主任的领导下,发展成为名闻于世界的学术中心之一,这里先后培养出了26位诺贝尔奖获得者,创造了科学界的一个奇迹。

1879年11月5日,麦克斯韦因病去世,年仅48岁。

1887年,麦克斯韦逝世后8年,他预言的电磁波及其光的特性被德国物理学家赫兹用实验证实。1895年,波波夫和马可尼实现了无线电通信。从此一个新的时代——无线电电子时代开始了。