经典好看的世界近代后期科技史在线阅读-第3部分-破晓小说

出的误差分布规律很相似。　

　　　　他从速度分布律出发，重新计算了分子的平均自由程，导出现在公认的　

公式。还研究了扩散、内摩擦、热传导及不可逆过程。麦克斯韦的这一套理　

论后来得到其它人及他本人不断地修正而完善起来。在此基础上，洛喜密脱　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　？6　

　（1821—1895，奥地利）由平均自由程计算出分子有效直径约为1。18×10　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　19　3　

毫米。分子密度在0℃和1个大气压下为2。7×10/cm。　

　　　　　麦克斯韦的分布律得到玻耳兹曼（奥地利）的理解和支持。1868至1871　

年，他把速度分布律推广到有外力场作用的情况，得到粒子按能量大小分布　

的规律，即玻尔兹曼分布律。　

　　　　　1872年以后，他试图建立起非平衡态的分布函数方程，以描述在任意时　

刻气体分子按速度的分布。这个方程即是玻尔兹曼积分——微分方程。然而　

直到40多年后才求出这一方程对稀薄气体的解。这一方程直到今天仍是研究　

输运过程的基础。　

　　　　在平衡态下，速度的分布规律为什么不会因为分子的碰撞而被破坏呢？　

玻尔兹曼假定必然存在着次数相同的逆碰撞过程，使两种碰撞作用效果恰能　

抵消。从这一点出发，玻尔兹曼引入了函数H，并证明了在平衡态下H取极　

小值，在未达到平衡前，H值随时间持续下降。这就是所谓的H定理，亦称　

玻尔兹曼最小定理。　

　　　　H定理从微观角度说明自然过程的不可逆性，但因此引起一些物理学家　

的诘难。1874年，开尔文首先提出“可逆性佯谬”问题：单个分子遵从牛顿　

定律，因此单个分子的运动是可逆的；而大量分子形成的热力学过程，却服　

从H定理，表现为不可逆性，这两者的矛盾该如何统一？1877年，玻尔兹曼　

对此作了解答，他把熵和系统热力学状态的几率联系在一起，得到二者成正　

比的结论。这就是说H定理和熵增加原理的实质已相应于系统从热力学几率　

小的状态向热力学几率大的状态过渡。熵自发地减小或H函数自发增加的过　

程并非绝对不可能，只是可能性　（几率）很小而已。　

　　　　在整个　19世纪，热力学和分子运动论分别从宏观和微观两方面相互补　

充，推进了人类对自然界中热现象的认识，从而使物理学向更深入的层次发　

展。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4。电磁学理论的发展　

　　　　　1800年发明伏打电堆以后，稳恒电流的研究取得了一系列进展，同年，　

尼科尔（1753—1815年，英国）和卡莱斯卡（1768—1840年，英国）发现了　

电流的化学效应。1805年，德国的李特尔（1776—1810年）发现了电流的热　

效应。4年后戴维　（1778—1829年，英国）发明了弧光灯，继而发现了电阻　

定律。1826年，欧姆（1787—1845，德国）确立了著名的欧姆定律。1847　

年，基尔霍夫　（1824—1887，德国）阐述了二条电路定律，从而发展了欧姆　

定律，并成为后来的网络理论基础。　

　　　　　直到19世纪初大多数人仍旧认为电和磁是毫不相关的两种现象，但是自　

18世纪30年代以来不断有人注意到电和磁之间相互关联的现象，例如富兰　

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克林就曾发现莱顿瓶放电使钢针磁化。奥斯特（1777—1851年，丹麦）受到　

康德哲学思想的影响，深信自然界各种现象相互转化，相互关联，他认为只　

要找到适合的条件就有可能发现电转化为磁的现象。1820年4月，他在课堂　

上偶然发现了通电导线使磁针偏转的现象。他欣喜万分，连续做了60多个实　

验，证实在磁针和导线之间放置各种金属或非金属材料都不妨碍电流对磁针　

的偏转作用。　

　　　　　奥斯特的发现震动了整个欧洲的科学界，正如法拉弟所说，它“猛然打　

开了科学中一个黑暗的大门”。是年9月，法国科学院院士安培（1775—1836　

年，法国）听到这个消息后立即重复了这个实验。一周后他向法国科学院报　

告了初步的研究成果，提出圆形电流可能产生磁场，而磁铁类似于通电线圈；　

他还发现了安培右手定则，据此解释了地磁场的成因，认为是由于地球上有　

从东向西流动的电流造成的。又过了一周，他报告了关于圆形电流相互作用　

的现象。10月初，他发现二条通电导线相互作用，当电流同向时相互吸引，　

电流异向时相互排斥。12月初，他报告了一个重要的研究成果，利用一组精　

巧的实验和巧妙的数学方法，推导出了两个电流元之间的作用力公式，即著　

名的安培定律。这一定律揭示出磁现象可能只是电特性的一种表现。从这一　

思想出发他于次年元月提出了著名的分子电流假设。他认为天然磁体中的每　

一个分子都存在圆形的电流，使分子类似一个小磁体。当分子磁体顺向排列　

物体就显示磁性。　

　　　　　安培努力把电磁学纳入牛顿力学的框架，他把电流的相互作用叫做电动　

力，把1820至1827年间提出的理论叫电动力学，把磁学归为其中一个分支。　

由于他的杰出贡献，后来麦克斯韦称他做“电学中的牛顿”。　

　　　　　1821年，《哲学杂志》的主编向当时任皇家研究院实验室主任的法拉弟　

　（1791—1867年，英国）约稿，请他综述电磁学发展概况。这一工作促使法　

拉弟转向电磁学的研究，最终导致电磁感应现象的伟大发现。　

　　　　　是年9月，他在重复奥斯特的实验时想到电流可能使磁体做连续的转　

动。到年底他发明了这样一种装置，他把一根一端可绕轴转动的磁针放在水　

银中，当电流通过水银时，磁针就连续地转动起来。这实质是第一台电动机。　

　　　　从1821年至1822年，受静电感应和静磁感应的启发，安培和菲涅耳等　

人都致力于探索用磁感应出电的途径，但没有成功。法拉弟在1822年的日记　

中写道“从普通的磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流感　

应现象。”他苦干了10年，直到1831年8月才获得突破。他用一个外径6　

时的软铁圆环，其上各绕两个线圈，当其中一个线圈在通电或断电的瞬间，　

在另一个中就感应出电流来，使放在附近的磁针偏转。后来他用磁棒插入空　

心线圈中也得到了感生电流，这使他领悟到“作用不是持久的，而纯属瞬时　

的推或拉。”是年12月，他表演了一个实验，他把铜盘装在水平的轴上，使　

铜盘转动时其边缘通过一个碲形磁铁，当盘转动起来，所产生的感生电流由　

轴上引出，通过电线再回到铜盘边缘，这实质上是第一台发电机，一位在场　

的夫人讥笑地问“您的发明有什么用？”法拉弟回答：“夫人，新生的婴儿　

又有什么用呢？”11月，法拉弟在一篇论文中总结了五大类产生感生电流的　

情况，并把这一现象定名叫“电磁感应”。　

　　　　　1851年，他对电流的磁感应定律作了较完善的表述：“形成电流的力量　

正比于切割的磁力线数”。　

　　　　　与法拉弟同时进行有关电磁感应研究的还有亨利　（1799—1878年，美　

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国），他在1832年发表论文，叙述了在听到法拉弟的工作之前和以后的研究　

成果。同年，他发表了自感现象的研究论文。1833年，物理学家楞茨（1804　

—1863年，俄国）提出判断感生电流方向的方法，现在称之为楞茨定律。　

　　　　　从18世纪末到19世纪初，一些著名的学者如法国的库仑、安培等人倾　

向于用超距观点研究电磁现象。然而法拉弟却继承了笛卡尔的近距作用观　

念，思索着电荷之间的相互作用是借助于什么传递的。1837年，他发现电容　

器中加入介质，电容器能容纳更多的电荷。与此类似，在线圈中放入铁芯，　

从而增强了电磁铁的磁性。这些事实使法拉弟深信电力与磁力是通过中间的　

某种介质传递的。他设想这是一种由电和磁激发的物质，它像以太那样连续　

分布在空间中，在带电体和磁体的周围，传递着电力和磁力。他想象这种连　

续分布的物质应与流体场相似，是由力线或力管组成，它们连结着相反的电　

荷和相反的磁极。这样他创造了电力线和磁力线的新概念。法拉弟把力线看　

作是一种实际存在，并用细铁屑显示出磁场的力线。他指出力线的图形实际　

上描述了电场和磁场，力线的疏密表征磁场与电场强度的变化，力线上任一　

点切线方向就是该点场强的方向等等。　

　　　　　法拉弟关于力线和场的概念，对传统的质点概念是一大突破，它不仅对　

电磁学的发展且对整个物理学都有着深远的影响。自此超距观念日渐衰败，　

近距观念不断发展和完善。　

　　　　　电磁学在19世纪得到了显著的发展，逐渐构成了完善的体系。已经确立　

了库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉弟定律；提出了场和力线的概念。　

在理论上，1828年格林　（1793—1841）年，英国）提出了势的概念，对电磁　

学的数学理论作出重大贡献；1845年诺依曼（1798—1895年）借助于势的理　

论，导出了电磁感应定律的数学形式。1846年韦伯　（1804—1891年，德国）　

指出，两个电荷之间的作用力不仅取决于它们之间的距离，而且还与它们的　

相对速度和相对加速度有关。1847年至1853年，w·汤姆逊（开尔文）提出　

了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，导出了H=μB以及磁能密度　

和载流导线的磁能公式。这一切为麦克斯韦电磁场理论的创立准备了必要的　

条件。　

　　　　　英国物理学家麦克斯韦在学生时代就研读了法拉弟的著作，后来受W·汤　

姆逊的启发决心深入研究“力线”、“力管”和“场”，他说：“主要是抱　

着给这些观念提供数学方法基础的希望”。1855年，他发表了第一篇研究电　

磁场理论的论文。他用稳定流体的涡流线与电磁场的力线对比，用数学中的　

矢量运算来描述力线在空间各点的连续变化。在论文末尾，提出了6条定律，　

这些为他后来的研究开拓了道路。但是电磁场毕竟不是流体的运动，它有自　

身特有的性质，因此，类比方法带来的缺陷是不可避免的。麦克斯韦认识到　

这一点，开始从物理的角度重新考察电和磁的力线。　

　　　　　1861年，麦克斯韦在对感应电动势作深入分析时，意识到变化的磁场会　

在空间激发出“涡旋电场”。这一年的年底他提出了另一个十分重要的假定，　

即“位移电流”的概念。这两条假定成为麦克斯韦创造新理论的核心和基石。　

　　　　　1862年麦克斯韦发表了《论物理的力线》，在这篇论文中他引进一种媒　

质的力学模型，即电磁以太模型。他假定在以太中存在以力线为轴可绕轴旋　

转的以太管，管子转动的速度代表力强，沿轴的方向代表力强的方向。以太　

管旋转的离心作用产生了横向压力，在纵向同时存在收缩，因此横向表现为　

排斥，纵向表现为引力。这一假说体现了清晰的近距作用思想。　

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　　　　　电磁以太模型可以解释电荷或磁极间的相互作用，也可以说明电场变化　

与磁场变化的关系，同样还可以说明电流的磁效应，但它不是电磁现象的本　

质，而仅是一种辅助性质的假设。随后这个模型就被抛弃了。　

　　　　　关于“位移电流”，麦克斯韦指出它是出现在有变化电场存在时的介质　

中，其大小与电场随时间的变化率成正比。这样在有介质的条件下位移电流　

和传导电流就构成了连续的全电流，在全电流的周围产生磁场。并由此得到：　

交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场的结论。　

　　　　　1864年，麦克斯韦在皇家学会宣读了著名的论文《电磁场的动力理论》。　

这时他抛弃了以太管的假设而转向“场”的观点。他说：“我之所以把我提　

出的这个学说叫做电磁场的学说，是因为它与带电体或磁体周围的空间有　

关，这个学说也可以叫做场的动力理论，因为它假定在这个空间中存在着一　

种物质在运动，由此而产生了可观察到的各种电磁现象。”　

　　　　　为了定量地描写电磁现象，他列出了含有20个变量的20个方程式，几　

乎包含了当时电磁理论的一切成果。由此推出了电场强度和磁感应强度的波　

动方程，这表明变化的电场和磁场将以横波的方式传播，二者相互垂直。麦　

克斯韦认为“根据我们的新理论，能量存在于电磁场中，存在于带电体和磁　

体的周围空间和这些物体的内部”。他计算出电磁波的能流密度公式并定义　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　

　为坡印适矢量。他求出电磁波传播速度为v　=　　　　　　　　　，μ和ε分别是介质的　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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1853年，法国）仔细地研究了光的偏振现象。1816年前后，他们发现两束偏　

振光当它们的偏振面平行时可以发生干涉，当它们的偏振面互相垂直时不能　

发生干涉。1817年，托玛斯·杨也领悟到如果放弃光的纵波理论而改为横波　

理论，就可以解释光的双折射现象。其时菲涅耳已产生这一思想，他立即发　

表研究报告，用光的横波理论解释光的干涉定律、偏振面转动理论、反射与　

折射理论。一般认为这些工作是光的横向振动理论的最终证明。但是这一理　

论并不能解释光的横向振动是如何产生的，因为按照�

《世界近代后期科技史》

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世界近代后期科技史- 第3部分