理论教育 重返电磁之路:揭秘伟大的科学三部曲

重返电磁之路:揭秘伟大的科学三部曲

时间:2023-06-10 理论教育 版权反馈
【摘要】:它突破物理学的传统观念,揭示出电磁现象的本质,预见了电磁波,使电子科学技术发生了飞跃。他们前仆后继的科学接力和卓越贡献,在科学史上谱写出动人的“继承—创新—发展”三部曲。在奥斯特公布结果翌年,他怀着极大的兴趣重复了奥的实验,受到很大启发。赫兹的实验公布以后,轰动了全世界的科学界。

重返电磁之路:揭秘伟大的科学三部曲

电磁理论的创立,是19世纪科学史上的一次革命。它突破物理学的传统观念,揭示出电磁现象的本质,预见了电磁波,使电子科学技术发生了飞跃。这次革命改变了世界文明的面貌,它的重大意义,足以与进化论、细胞理论、能量守恒和转化定律三大发现相比。爱因斯坦曾指出,这“是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。无数科技工作者投入和推动了这一变革,其中有三位主将,值得后人永远纪念。他们是:法拉第麦克斯韦赫兹”。

他们前仆后继的科学接力和卓越贡献,在科学史上谱写出动人的“继承—创新—发展”三部曲。

法拉第是电磁理论的奠基人。他一生发现极多,在电磁、电解和化学领域都有所建树。法拉第在近代物理学上的声誉,几乎可以同牛顿并驾齐驱。因此有的西方科学史家,把他捧为“先知先觉”,甚至说他“可以闻出真理来”。

法拉第成为电磁理论的创始人,不是偶然的。任何科学理论都不是凭空产生的,它是人类智慧长期积累和发展的结果。在法拉第之前,有许多先行者为探求电磁之谜做过贡献。1800年,意大利电学家伏打在伽伐尼蛙腿试验启发下,发明了电池,为电磁研究提供了最重要的物质条件——持续的电流

1820年,丹麦物理学者奥斯特发现了电流使磁针偏转的效应,第一次展示了电和磁有联系,这一发现是近代电磁学的突破口。紧接着,同一年法国的安培用实验表明,通电导线框相当于一个磁体;另一位科学家也发现螺旋电流能使钢针磁化。这样,电和磁有关系是确凿无疑了。法拉第发现电磁感应,就是这一工作的接力。在奥斯特公布结果翌年,他怀着极大的兴趣重复了奥的实验,受到很大启发。他搜集了各种电磁实验的资料,仔细加以研究比较后确信:电和磁就像铜币的图案面和文字面一样,是同一事物的两面。法拉第在笔记中写下了一个闪光的设想:“由电产生磁,由磁产生电。”为了实现这一目标,法拉第进行了长达11年的实验研究,终于在1831年发现了著名的电磁感应现象——变化的磁场在导线里产生感应电流。这个发现比奥斯特、安培等人的实验进了一层,它用事实证明了,不仅电可以转变为磁,磁也同样可以转变为电,从而揭示出电和磁两种物理现象的内在统一性。

1846年,法拉第发表了论文《关于辐射线振动之思考》,这是法拉第科学著述中的瑰宝,它的光彩直到几十年后才为人们发现。这篇论文包含了光的电磁理论的雏形:法拉第定性地提出,电力线和磁力线的振动,就可以产生光和其他辐射现象。一个带有革命性质的、使人耳目一新的学说,就这样诞生了。

不过,法拉第主要是实验家。他的一位朋友曾说:“一个实验做成功了,能使他几乎快乐得跳起舞来。”他一生研究电学的总结性著作,书名就叫《电学实验研究》,而且在这部巨著中找不到一条数学公式。世上没有完人,无论政治伟人还是科学泰斗,都不可能十全十美。法拉第的短处,是基本上不懂数学,尽管他的思想方法改变了物理学的传统观念,但他始终未能把他的发现和见解精确地表达出来,升华到理论的高度。这个任务,后来历史性地落在麦克斯韦的肩上。

麦克斯韦是电磁理论的集大成者,他比法拉第小40岁。麦克斯韦在总结法拉第等人研究成果的基础上,继续深入研究并加以创造性地发展,十年后完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》。在这部鸿篇巨制里,麦克斯韦在法拉第工作的基础上,总结了人类在19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了电磁场的基本方程。“他指出当时已知的全部光和电磁现象,都可以用他的著名的两组微分方程来表示”(爱因斯坦语),这就是有名的麦克斯韦方程组。这一高度抽象的数学公式,惊人地把电荷、电流、电场和磁场间的普遍联系完全统一起来,同时精确地表明电磁场的运动具有波动性质,它在空间以有限速度(相当于光速)传播,并且光在本质上就是一种电磁波。电磁理论的宏伟大厦,就这样巍然矗立起来了。

但是一些守旧的学者大表怀疑:“世界上真有看不见摸不着的电磁波吗?”(www.daowen.com)

1888年,赫兹用实验发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布以后,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论,到这时候才取得了决定性的胜利!

1888年,成了近代科学技术史的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它不但证明了麦克斯韦发现的真理,更重要的是导致了无线电的诞生,开辟了电子技术的新纪元。理论只能够解释世界,它只有回到实践中才能够改造世界。赫兹的不朽功绩,就在于他客观上促成了这个转变。

电磁波的发现所产生的巨大影响,连赫兹本人也没有料到。在他发现电磁波的第二年,有人问他,电磁波是不是可以用作无线电通信,赫兹不敢肯定。但是不到6年时间,意大利的马可尼(1874-1937)、俄国的波波夫(1859-1906)就分别实现了无线电传播,并且很快投入使用。其他无线电技术,也像雨后春笋般地涌现出来。无线电报(1894)、无线电广播(1906)、无线电导航(1911)、无线电话(1916)、短波通信(1921)、无线电传真(1923)、电视(1929)、微波通信(1933)、雷达(1935)以及遥控、遥测、卫星通信、射电天文学等,都是这个变革的产物,整个物质世界的面貌发生了深远的变化。

如果把电磁理论比作一座雄伟的高楼,那么,是法拉第给它打下了坚实的地基,麦克斯韦在地基上建成了大厦,最后是赫兹对这座大厦进行了内部装修,使它能够被人们广泛利用。电磁理论创立的历史,生动地印证了科学技术“继承—创新—发展”的客观规律。没有法拉第发现电磁感应定律,麦克斯韦不可能创立电磁理论并预见电磁波;没有麦克斯韦的理论创新,赫兹也不可能于1888年发现电磁波,从而改变世界,开辟人类的无线电时代。正是这个原因,法拉第、麦克斯韦、赫兹的名字,永远和继承与创新联系在一起,光照史册!

[智慧箴言]

科学是没有边界的,我们不能把它们限制在狭隘的范围之内。我们应该开拓新的领域,探索前沿性的东西。

——麦克斯韦

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