科学史(下)- 第5节

由所用的仪器的尺寸以及光带的宽度，我们可以计算出各种单色光的波

长。这些波长经证明是非常之短，其数量级为一时的五万分之一，或一毫米

的二千分之一，和牛顿认为易反射和易透射的间歇长度恰相符合。由此可见，

在光线的路径中，一般障碍物的大小比光波的长度大得很多，而且数学上的

研究证明，如果我们假定一个前进的波阵面分解为无数同心圈，都环绕着与

人目最接近的波阵面上的一点，那么，除了挨近那一点的同心圈之外，其余

的同心圈必因干涉而相消，因而我们眼睛所看见的只有沿着直线而来的光。

这样，光差不多只沿直线进行，遇着障碍物而弯曲的现象只限于微小的衍射

效应。

牛顿的第二困难为弗雷内尔所克服。胡克偶尔提到光波的颤动，可能与
光线的方向相正交，弗雷内尔指出这个提示说明一线光在各方向上可能有不
同的性质。如果我们看看一个前进光的波阵面，它的线性颤动非上下的即左
右的。这样的线颤动应产生所谓平面偏振光。如果一块晶体在一位置上只能
让一个方向的颤动通过，第二块同样的晶体沿着晶轴旋转90　度之后，必将通
过第一晶体而来的光完全遮断。这正是光线通过冰晶石的现象。

弗雷内尔利用数学将光的波动说发展到很圆满的境界。虽然还有一些困

难，但大体说来，他的完善的学说与观测到的事实异　221　常符合。他和他以

后的人如格林、麦克卡拉（MacCullagh）柯西（Cauchy）、斯托克斯（Stokes）、

格莱兹布鲁克（Glazebrook）等人经历一个世纪，才把古典的光的波动说确

立起来。

如果光波是与其前进的方向成正交的，则其媒质必须具有使这样的波能
在其中传播的结构。气体与液体都不能具有这种结构。因此，如果光是机械

①　第四章，163　页。

式的波动，则传光的以太必定有与固体类似的性质：即它必定带有刚性。这
就是把以太看做是有弹性的固体的许多学说的开端。怎样才能把光的媒质所
必需的这种性质和行星的运动没有遇到可观的阻力的事实调和起来呢？十九
世纪头七十年的许多聪明物理学家为此绞尽了脑汁。为了解释这种必要的刚
性，后来甚至有人设想以太具有回转仪式的旋转运动。

正如爱因斯坦所指出的①，光的波动说的成功，在牛顿物理学中打开了第
一道缺口，虽然当时没人知道这个事实。牛顿把光看做是在空间中运行的微
粒的学说，和他的别的哲学很相配合，可是这些微粒为什么只以一个不变的
速度运动，很难了解。但等到人们开始把光看做是波动的时候，再要相信一
切实在的东西都是由在绝对空间里运动的微粒所组成的，就已经不可能了。
以太是为了保存机械观点而臆造出来的，只要可以把光看做是在类似刚体的
媒质中传播的机械波动，以太就完成了这个任务，可是，如果假定以太无所
不在，它已经在某种意义上与空间本身合而为一了。但法拉第指出空间也有
电和磁的性质，到麦克斯韦证明光是电磁波时，以太就不必一定是机械的了。

光的波动说揭开了现今所谓场物理学的第一章。由法拉第和麦克斯韦的
工作写成第二章，把光与电磁联系起来。在第三章里，爱因斯坦用几何学来
解释万有引力。也许有一天，万有引力可能和光与电磁波在更大的综合里联
系起来。爱丁顿就一直在作这样的努力。

电磁感应

由静电的感应而生的静电荷以及磁石对于软铁的类似作用，使早期实验
者想到利用伏特电池发出的电流也许可得同样的效果。例如法拉第就用两根
绝缘线按螺旋的形式缠绕在同一根圆木筒上，但是，当他使强电流不断地通
过一根螺旋线时，他在另一螺旋线里的电流计上，没有发现有什么偏转。

他的第一个成功的实验，在电学史上打开了一个新纪元。1831　年11　月

24　日，他向皇家学会这样描写这次实验把一根203　呎长的铜丝缠在一个大木

块上，再把一根长203　呎的同样的铜丝缠绕在前一线圈每转的中间，两线间

用绝缘线隔开，不让金属有一点接触。一根螺旋线上连接有一个电流计，另

一根螺旋线则连接在一套电池组上，这电池组有100　对极版，每版四呎见方，

而且是用双层铜版制造的，充分地充了电。当电路刚接通时，电流计上发生

突然的极微小的效应；当电路忽断的时候，也发生同样的微弱效应。但当伏

特电流不断地通过一根螺旋线时，电流计上没有什么表现，而在另一螺旋线

上也没有类似感应的效应，虽然整个螺旋线的发热以及碳极上的放电，证明

电池组的活动力是很大的。

用120　对极版的电池组来重做这个实验，也未发现有别的效应，但从这

两次实验，我们查明了一个事实：当电路忽通时，电流计指针的微小偏转常

循一个方向，而当电路忽断时，同样的微小偏转则循另一方向。

到现在为止，我用磁石所得的结果，使我相信通过一根导线的电池电流，

实际上在另一寻线上因感应而产生了同样的电流，但它只出现于一瞬间。它

更带有普通来顿瓶的电震产生的电浪的性质，而不象从伏特电池组而来的电

流；所以它能使一根钢针磁化，而很难影响电流计。

①　
The　Times，4February　l929。　


这个预期的结果竟得到了证明。因为用缠绕在玻璃管上的中空的小螺旋
线来代替电流计，又在这个螺旋线里安装一根钢针，再如前把感应线圈和电
池组连结起来，在电路未断以前将钢针取出，我们发现它已经磁化了。

如先通了电，然后再把一根不曾磁化的钢针安放在小螺旋线内，最后再
把电路切断，我们发现钢针的磁化度表面上和以前一样，但是它的两极却与
以前相反。

用现今的灵敏电流计，我们很容易重做法拉第的实验。只须用一个伏特
电池作为原电流，而使原电路与副电路作相对的移动，或用一个永磁铁和一
个与电流计相联的线圈作相对移动，都可以证明有同样的暂时电流的发生。
法拉第电磁感应的发现，为后来工业的大发展奠定了基础。差不多一切实用
上重要的电力机器，都是根据感应电流的原理制成的。

电磁力场

安培发现电磁定律，用数学公式把它表达出来以后，就感到满足，没有
再去探索这种力靠什么机制传播了。但承继他的法拉第，不是数学家，对于
中介空间或电磁力场的物理性质与状态特别感到兴趣。如果把一块纸版放在
磁棒之上，再拿一些铁屑散布在纸版上，这些铁屑将集合成许多线，表明磁
力是沿这些线而起作用的。法拉第想象这样的力线或力管将磁极或电荷连结
起来，真的存在于磁场或电场之中，它们也许是极化了的质点所组成的链。
如果它们象橡皮条那样，处在紧张状态之下，向纵的方向拉长，而向横的方
向压缩，那么它们会在媒质中伸展出去，而将磁极或电荷向一起拉拢，这样
可以解释吸引的现象。不论实际是否这样，用法拉第的力线，来表示绝缘的
媒质或电场中的应力与应变的现象，实在是一个便利的方法。

法拉第又从别的方面研究了电介质的问题。他发现在导体周围的空气为
虫胶或硫一类绝缘体所代替时，导体的静电容量，即在一定电位或电压下它
能负荷的电量，便有增加；这个增加的比例他叫做那个绝缘体的电容率。

法拉第的见解超过了他的时代，而且他用来表达这些见解的术语，也不
是当时所熟习的。三十年后，麦克斯韦将这些见解翻译成数学的公式，并发
展为电磁波的理论时，它们的重要性才被人认识（在英国立刻就被人认识，
在其他国家比较慢）。这样，法拉第就奠定了实用电学的三大部门，即电化
学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚决主张电磁力场具有极大重要性，
这也是现代场物理学理论有关电的方面的历史起点。

电磁单位

我们得感谢两位德国的数学物理学家高斯（1777—1855　年）与韦伯
（w。E。Weber，1804—1891　年），因为他们发明了一套科学的磁与电的单位。
这种单位不是根据和它们同类的量任意制定的，而是根据长度、质量与时间
三种基本单位而制定的。

1839　年，高斯发表了他的《按照距离平方反比而吸引的力的一般理论》
一书。电荷、磁极以及万有引力都适合这个关系。这样，224　就可以给单位
强度的电荷或磁极下这样的定义：同相等的类似电荷或磁极在空气中相距一
单位（1　厘米），而以一单位的力（1　达因）对该电荷或磁极加以排斥的电荷


或磁极。如果用另一介质来代替空气，这个力就按一定的比例减少，他用k
来代表电力，μ代表磁力。k　就是法拉第的电容率，在这里成为介质常数，
μ这个量后来叫做介质的磁导率。在这个基础上高斯建立了一个宏伟的数学
演绎的大厦①。

安培与韦伯由实验证明带电流的线圈，与同大小同形式的磁铁的作用相
同，一个圆圈电流与一个在正交向上磁化的圆盘等效，所以一面是指北极，
另一面是指南极的。这样单位电流可定义为和单位磁力的磁盘等效的电流。
根据这个定义，可以用数学方法导出如下结果：圆圈电流中心的磁场（即作
用于单位磁极的力）等于2πc/r；这里c　是电流的强度，r　是圆圈的半径，这
个算式自然与225　由安培公式所导出的结果相合。所以只要将一颗小磁针悬
挂在一大圆线圈的中心（这种装置就是现今所说的正切电流计），再于电流
通过线圈时，观测磁针的偏转，我们就可以以绝对单位或厘米一克一秒

（C。G。3。）单位去测量电流。常用的电流单位（安培）按规定是上面所说的
单位的十分之一，不过，多年以来为了实际应用与测量便利，一直是根据电
解时析出银的重量来做电流单位的标准，如上面所谈到的。现在又有人提议
重回到理论的定义上去。
热与能量守恒

在十八世纪和十九世纪中，由于蒸汽机的发展，热学成为一门具有非常
重要的实际意义的科学，这反过来引起人们对于热学理论的重新注意。

我们以前说过，按照热质说，热是一种不可秤量的流体。这个学说在启
发和解释测量热量的实验方面起过有益的作用。但作为物理的解释，分子激
动说更合于敏锐的自然哲学家如波义耳和牛顿的口味。1738　年，别尔努利
（Daniel　Bernouilli）指出，如果将气体想象为向四面八方运动的分子，那
末这些分子对盛器的壁的冲击，便可解释气体的压力，这压力又必因气体被
压缩与温度的增高而按比例增加，正如实验所要求的那样。

热质论者解释摩擦生热的现象时，假定摩擦生出的屑末或摩擦后最终态
的主要物质的比热比摩擦以前的初态物质要小一些，因而热是被逼出而表现
于外的。但在1798　年，美国人汤普逊（Benja。min　Thompson　后来在巴伐利
亚成了朗福德伯爵Count　Rumforo）用钻炮膛的实验证明发热的量大致与所
作的功的总量成正比，而与削片的