书城科普与科学家相约(科学知识大课堂)
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第14章 与物理学家相约(3)

富兰克林只上过两年小学,怎么会有这样渊博的知识?原来他成功的秘诀就在于勤奋自学。富兰克林常说:“读书是我惟一的娱乐。”富兰克林当印刷工的时候,天天和书打交道,读书上了瘾。他结识了几个其他书店的学徒,他们经常带一些新书给他看。为了不露破绽,书一点也不能弄脏;同时,晚上借的书,必须在第二天早上送还。因此,他经常在自己的房间里读到鸡鸣天晓。一到星期天,为了抢时间,富兰克林总是想方设法逃避去教堂做礼拜。有时候为了抓紧读书,连吃饭也成了累赘,于是,面包片或者饼干,再加杯白开水,就是他的正餐。富兰克林积极组织“共读社”,创办图书馆,有人觉得不可理解。富兰克林却深情地说,正是图书馆“补足了我失掉的高等教育”。

1790年4月17日,富兰克林与世长辞,终年84岁。人们遵照他的遗嘱,在墓碑上刻着“印刷工富兰克林”。

向牛顿挑战的神童托马斯

托马斯·杨(Thomas Young,1773~1829)在物理学上的主要成就是发现了光的干涉现象。他是英国医生和物理学家,1773年6月13日诞生于英格兰米弗通的索末席特的一个虔诚的宗教徒家庭。

据说杨是个神童,智力过人,有惊人的记忆力。他在语言学习方面有特殊的才能,大约14岁就掌握了拉丁语、希腊语、意大利语等七八种外语。杨在中学时代就非常喜欢力学,成绩突出。17岁精读了牛顿的《自然哲学的数学原理》和《光学》两部经典著作。

杨的伯父是伦敦著名的医生,在伯父的影响下,杨中学毕业后在伦敦学医。1793年杨进入圣巴索洛缪医学院攻读医学。1795年到德国哥廷根大学留学,第二年获得哥廷根大学医学博士学位。1797年杨进入剑桥大学依玛诺学院工作。1799年在伦敦正式开业行医。1801年杨对色散现象作了研究,得到有关色散的理论公式。同年当选为英国伦敦皇家研究所的自然哲学教授。1802年杨当选为英国伦敦皇家学会秘书。1811年任圣乔治医院的主治医师。1817年任皇家度量衡委员会秘书。

从牛顿时代起,就存在着光的微粒说和波动说之争,由于当时牛顿在学术界威望很高,大多数学者都支持牛顿的微粒说。18世纪末年,杨认真地把牛顿的微粒说和惠更斯的波动说作了比较,发现波动说在解释反射、折射的时候比微粒说更有说服力。

1796年杨在博士论文中提出声和光都是波的振动的看法,还认为颜色就像不同频率的声波那样,是不同频率的光波。他在1800年发表的《论声光的实验和研究概要》一文中,勇敢地对牛顿的微粒说提出公开挑战:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”在1802~1804年期间,他成功地做了著名的“双缝实验”,发现了光的干涉现象。

在这之前,也有学者根据水波干涉,猜想两束光如果是波的话会发生干涉,不过都没有做出成功的实验。杨分析了别人失败的原因,利用双狭缝使同一束光分成两束,结果成功了。杨在屏上观察到了明暗相间的干涉条纹。他还根据实验数据推算出极端红光的波长大约是三万六千分之一英寸,极端紫光的波长大约是六万分之一英寸。但是,杨的实验当时没有得到学术界应有的重视。

1818年法国物理学家菲涅耳对惠更斯学说加以发展,提出了波动的数学理论,请大数学家泊松(1781~1840)审阅。泊松经过计算,得出了当一束光通过小圆片的时候,在圆片影子的中心会出现亮斑的结论。泊松认为这个结论很荒唐,采取不相信菲涅耳理论的态度。菲涅耳不服,立即做实验,确实发现圆片影子的中央有一个小亮斑。后人称它是“泊松亮斑”。这时候人们又想起杨的双缝实验,它和泊松亮斑一起,令人信服地证明了光的波动学说的正确性。大约在1850年前后,光的波动说终于被学术界普遍接受,在同微粒说的争论中占了上风。

在光学方面,杨还在1801年引入叠加原理,把惠更斯的波动理论和牛顿的色彩理论结合起来,成功地解释了规则光栅产生的色彩现象。1803年,他又用波动理论解释了障碍物影子具有彩色毛边的现象。1820年杨用比较完善的波动理论对光的偏振作出了比较满意的解释,认为只要承认光波是横波,必然会产生偏振现象。杨不仅对人眼的色盲作出了正确的解释,而且建立了著名的三原色原理,认为一切色彩都可以用红、绿、蓝三种原色按一定的比例混合得到。

此外,杨还对物体的弹性、毛细现象、流体的内聚性、生理光学等课题进行了研究,取得了不少成就,其中比较突出的是他发现了弹性定律中用他名字命名的杨氏模量(弹性模量)。

被命名为电阻单位的科学家欧姆

欧姆(Georg Simon Ohm,1787~1854)是德国物理学家,1787年3月16日诞生于德国巴伐利亚州埃尔兰根的一个普通锁匠家庭。

欧姆由父亲在家进行启蒙教育,有时还对他讲解数学、物理等知识。1800年欧姆进埃尔兰根一所中学接受古典式教育。1805年考入埃尔兰根大学学习,由于欧姆学习不认真,光喜欢玩,在大学只学了三个学期,严厉的父亲就勒令他退学,把他送到瑞士乡下,希望他改变坏习惯。1806年以后欧姆在中学教书。1811年复活节,欧姆回到埃尔兰根大学,通过考试,获得哲学博士学位,但是他没有找到满意的工作。1817年他出版了《几何学教科书》一书,后来应聘在科隆大学预科教物理学和数学。这个学校有比较浓厚的学术气氛,又有一个设备良好的实验室,促使他用很大的热情学习物理学,有机会阅读了一些著名学者如拉格朗日、拉普拉斯(1749~1827)等人的著作。1833年欧姆前往纽伦堡理工学院任物理学教授。1841年获英国伦敦皇家学会的柯普利奖章,第二年当选为学会的外国会员。1849年任慕尼黑大学非常任教授,1852年转为正式教授。

欧姆在物理学中的主要贡献是发现了欧姆定律。

1820年7月奥斯特发现了电流的磁效应,只经过四个月,安培就建立了安培定律。欧姆从另一方面进行探索,研究导线中电流本身遵循什么规律。他受到热流规律(一根导线杆中两点间的热流大小正比于这两点的温度差)的启发,推想导线中两点之间的电流大小也许正比于这两点之间的某种驱动力。欧姆把这种未知的驱动力称作“验电力”,也就是现在所说的电位差或电压。欧姆在这个设想的基础上,作了一系列实验,不过实验遇到了不少困难。起初,欧姆采用伏打电堆作电源,效果不理想,后来采用刚发明不久的温差电池作电源,才获得了稳定的电流。第二个困难是电流大小的测量。欧姆原来利用电流的热效应,通过热胀冷缩方法来测量电流的大小,但是没有取得理想的效果。后来他巧妙地利用电流的磁效应,设计了一个电流扭秤,才有效地解决了这个问题。欧姆用一根扭丝悬挂一根水平放置的磁针,待测的通电导线放在磁针的下面,并和磁针平行,用铋——铜温差电池作电源。欧姆反复作了多次实验,得到了如下关系:

X=ab+x

式中a、b是常数,分别和电源的电动势和内电阻相对应;X是磁针偏转角,和导线中电流强度相对应;x是导线长度,和外电路的电阻相对应。这是欧姆定律的最早的形式,发表在1826年德国《化学和物理学杂志》上,论文题目是《金属导电定律的测定》。1827年5月,欧姆写成《动力电路的数学研究》一书,把这个规律总结成下述形式:

S=γE

其中S就是导线中的电流强度,γ就是电导率,E就是电压,这就是欧姆定律,后来人们把它整理成U=IR此外,欧姆对声学也有过研究,1843年发现人耳只能分辨作为纯音的正弦声波,并能自动地把任何一种周期性声波分解成各种谐音加以吸收。1852年他还对单轴晶体中的光的干涉现象进行了研究。

欧姆于1854年7月6日在德国巴伐利亚州的慕尼黑去世,终年67岁。后人为纪念欧姆,特地把电阻的单位命名为欧姆,并用希腊字母Ω标记,简称“欧”。

被命名为电容单位的科学家法拉第

法拉第(Michael Faraday,1791~1867)是英国著名的物理学家和化学家,1791年9月22日诞生于英格兰萨里郡纽因顿镇的一个铁匠家庭。

法拉第家境贫困,常常靠救济度日。他七岁上学,九岁退学,12岁就当报童。法拉第14岁那年全家迁往伦敦,经人介绍,他进了伦敦的李波书店当学徒工,装订书报。法拉第被大量的书报吸引住了,有一次在装订《大英百科全书》的时候,对电学的文章产生了强烈的兴趣,后来又被《化学漫谈》所吸引,从此对自然科学倾注了巨大的热情。1812年听了大化学家戴维(1778~1829)的讲演以后,法拉第更产生了参加科学工作的热切愿望。第二年,在戴维的帮助下,法拉第进入皇家学院实验室,做戴维的助手。1816年法拉第发表了第一批有关化学方面的论文。1820年他受丹麦物理学家奥斯特的影响,兴趣转到了电磁学方面,进行了长达四十多年的研究,作出了划时代的贡献。1824年1月,法拉第当选为英国伦敦皇家学会会员,1825年被提升为皇家学院实验室主任。1846年他荣获伦福德奖章和皇家勋章。法拉第一生热衷科学事业,不好功名利禄。1857年皇家学会准备选他当会长,他推辞了;后来皇家学院请他任院长,他也拒绝了;他甚至谢绝了封爵,于1858年退休。

法拉第在物理学方面的主要贡献是对电磁学进行了比较系统的实验研究,发现了电磁感兴现象,总结出电磁感应定律;发明了电磁学史上第一台电动机和发电机;发现了电解定律;提出电场、磁场等重要概念。他是19世纪电磁领域中最伟大的实验家。他写成的巨著《电学的实验研究》,收集了3362个条目,详细记述了他做过的实验,总结出带有规律性的成果,是一部珍贵的科学文献。

1820年,奥斯特发现电流的磁效应后,英国有名望的杂志《哲学年鉴》主编邀请大化学家戴维撰写有关的综合性评论文章,戴维让法拉第代劳。法拉第欣然同意,他在收集资料的过程中,对电磁现象的研究产生了巨大的热情。1821年9月3日,法拉第重做了奥斯特的实验,他用小磁针放在载流铜导线周围的不同位置,发现小磁针有沿着环绕以导线为轴的圆周旋转的倾向。根据这一现象,法拉第设计制作了一种“电磁旋转器”,让载有电流的导线在一个马蹄形磁铁的磁场中转动,这就是科学史上最早的一台电动机。

在法拉第的思想中,确信物理学所涉及的自然界的各种力是互相紧密地联系着的。他分析了电流的磁效应以后认为,既然电可以产生磁,反过来磁也应该能产生电。他在1822年的一篇日记中就写了这样的话:“把磁转化成电。”法拉第朝着这个目标,坚定不移地坚持实验、研究近十年,经历五次重大失败,终于在1831年发现了电磁感应现象。他用一个2.2厘米厚、外径15厘米的软铁圆环,绕有两股绝缘线圈A和B,B的两端用一条导线连成一个闭合回路,导线下面平行放置一根磁针。A和一组电池组、一个开关连接成另一个闭合回路。法拉第发现,在合上开关有电流通过线圈A的瞬间,磁针偏转,断开开关切断电流的瞬间,磁针也偏转。但是法拉第并不满足,立即提出了两个十分深刻的问题。第一,上述实验中是否一定要用软铁磁环,没有行不行?第二,线圈A是否可以不要,改用磁棒代替?10月17日法拉第做了一个现在人们熟知的实验,他用一个接有电流计、线圈的闭合回路,把一根永久磁棒迅速插入线圈或迅速拔出,都可以发现电流计指针偏转。法拉第在11月24日,向英国伦敦皇家学会报告了他的重大发现,归纳出产生感应电流的五种情况:一、变化着的电流;二、变化着的磁场;三、运动的稳恒电流;四、运动的磁铁;五、在磁场中运动的导线。法拉第在报告中,把他所观察的现象正式定名叫“电磁感应”。经过进一步研究,法拉第于1851年在《论磁力线》一书中正式提出电磁感应定律:“形成电流的力和所切割的磁力线根数成正比。”对于这一发现,爱尔兰著名物理学家丁铎尔(1820~1893)评论说:“我不能不认为……关于磁—电的这个发现,是迄今所获得的最伟大的实验成果。这是法拉第成就的勃朗山峰。”

在发现电磁感应现象以后,法拉第又做了这样一个实验:把一个铜盘放在一个大的马蹄形磁铁的两极中间,铜盘的轴和边缘各引出一根导线,同电流计相连,构成闭合回路,当铜盘旋转的时候,电流计指示出回路中有电流产生。这就是发电机的雏形。