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第13章 物理篇(2)

经过10年探索,历经多次失败后,他终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电(或断电)的瞬间,在另一组线圈获得的感生电流,他称之为“伏打电感应”。1831年10月,他完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,他称之为“磁电感应”。经过大量实验后,他终于实现了“磁生电”的夙愿,宣告了电气时代的到来。

法拉第并不满足于现象的发现,还力求探索现象后面隐藏着的本质。他既十分重视实验研究,又格外重视理论思维的作用。为了解释电磁感应现象,他提出“电致紧张态”与“磁力线”等新概念,同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑:“一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体,不要任何一种东西的中间参与,就把作用和力从一个物体传递到另一法拉第个物体,这种说法对我来说,尤其荒谬。”他开始向长期盘踞在物理学阵地的超距说宣战。与此同时,他还向另一种形而上学观点——流体说进行挑战。

1833年,他总结了前人与自己的大量研究成果,证实当时所知摩擦电、伏打电、电磁感应电、温差电和动物电等5种不同来源的电的同一性。一段时间之后,他发现了电解定律,开创了电化学这一新的学科领域。

法拉第将人类文明提高到空前高度,将文明进程提前几十几百年,他创造的大量术语沿用至今。后人选择了法拉作为电容的国际单位,以纪念这位物理学大师。

78.爱做实验的焦耳

18世纪,科学家对热的本质的研究走上了一条弯路,“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑,但一直没有办法解决热和功的关系的问题。最终为解决这一问题指出了道路的人就是——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳。

焦耳从小就很喜爱物理学,他常常自己动手做一些关于电、热之类的实验。有一年放假,焦耳和哥哥一起到郊外旅游。他找了一匹瘸腿的马,由他哥哥牵着,自己悄悄躲在后面,用伏达电池将电流通到马身上,想试一试动物在受到电流刺激后的反应。结果,他想看到的反应出现了,马收到电击后狂跳起来,差一点将哥哥踢伤。

尽管已经出现了危险,但这丝毫没有影响到爱做实验的焦耳的情绪。他和哥哥又划着船来到群山环绕的湖上,焦耳想在这里试一试回声有多大。他们在火枪里塞满了火药,然后扣动扳机。谁知“砰”的一声,从枪口里喷出一条长长的火苗,烧光了焦耳的眉毛,还险些把哥哥吓得掉进湖里。

没过多久,天空浓云密布、电闪雷鸣,刚想上岸躲雨的焦耳发现,每次闪电过后好一会儿才能听见轰隆的雷声,这是怎么回事?焦耳顾不得躲雨,拉着哥哥爬上一个山头,用怀表认真记录下去每次闪电到雷鸣之间相隔的时间。

开学后,焦耳迫不及待地将自己做的实验都告诉了老师,并向老师请教。老师望着勤学好问的焦耳笑了,耐心地为他讲解:“光和声的传播速度是不一样的,光速快而声速慢,所以人们总是想见闪电再听到雷声,而实际上闪电雷鸣是同时发生的。”焦耳听了恍然大悟。

从此,焦耳对学习科学知识更加入迷。长大后,通过不断地学习和认真地观察计算,他发现了热功当量,在热学、电学和热力学方面做出了很多贡献。为了纪念他,热量和做功的单位都是以他的名字命名的。

79.汤姆生征服大西洋

1866年6月,第一条大西洋海底电缆铺设成功,这是人类通讯史上一座新的里程碑。这个工程的成功离不开一个人的贡献——科学家威廉·汤姆生。

1854年,一个叫克拉克的科技人员发现了信号延迟现象,也就是信号通过海底电缆的时候,收报比发报要滞后一定时间。他不能解释这种现象。汤姆生知道这件事情以后,怀着极大的兴趣进行了研究。他意识到这个问题是铺设长距离海底电缆成败的关键。因为电缆越长,信号延迟时间越长,而且衰减和失真(从脉冲波变成钟形波)也就越厉害,甚至会不能正常传递电报。

经过整整一年的系统研究,汤姆生提出了关于海底电缆信号传递衰减的理论,解决了铺设长距离海底电缆的重大理论问题。这使他在还没有肩负铺设大西洋海底电缆重任以前,就已经成了这个工程的奠基人。

1855年,汤姆生发表了信号传输理论的论文。他在文章中系统地分析了海底电缆信号的衰减原因,并且指出,由于海水是导体,包着绝缘层的海底电缆同海水组成了一个电容器,这就使信号传递有个充放电的过渡过程。如果增大铜线截面面积来减小电阻,加厚绝缘层来减小分布电容,而且使用小电流,就能够使信号的延滞降低到最小限度。这个理论成了后来设计海底电缆通信工程的重要理论根据。

1856年,大西洋海底电缆公司正式成立。苏格兰的股东选聘汤姆生当董事,汤姆生高兴地同意了,他希望将自己的理论拿到实际中去应用,在第一条大西洋海底电缆的工程中显示威力。

1866年4月,历经种种艰难险阻,工作人员在第四次沉放大西洋海底电缆时,终于大获成功,全部工程整整进行了10年。

80.爱提问题的麦克斯韦

在科学史上,一些重大的理论,常常要靠许多人的前赴后继、不辞劳苦的努力,才能创立起来。19世纪,导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创立,就是这样的。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始,经过法拉第的奠基,到理论的完成,前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人,是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

麦克斯韦从小喜欢思考问题,很受父母宠爱。他跟着父母出去玩,一张小嘴总要不停地提出各种各样的问题。从路边的桑树、脚下的石块,到行人的穿着表情,都成了他发问的内容。有些幼稚可笑的问题,常常把过路人也逗乐了。

一次,他们看见路旁停着一辆空马车,两岁的麦克斯韦突然问父亲:“爸爸,你看那辆马车为什么不走呢?”父亲随口回答:“它在休息。”“它为什么要休息呢?”“可能是累了。”父亲敷衍地说。“不,”麦克斯韦纠正说:“它是肚子痛!”“不是肚子痛,是累了。”“不是累了,是肚子痛!”儿子一口咬定。父亲忍不住笑了起来。

后来,麦克斯韦稍大一点,提的问题更有意思了,比如“树木为什么向天上长”、“蚂蚁会不会说话”。有一天,麦克斯韦的姨妈给他带来一篮苹果。麦克斯韦缠住她问:“苹果为什么是红的?”姨妈被这个突然的问题难住了,一时不知道怎样回答才好。为了摆脱窘境,她就让麦克斯韦去吹肥皂泡,谁知道个主意更糟了。肥皂泡在阳光下呈现出美丽的五颜六色,使麦克斯韦又惊又喜,他向姨妈提出了更多关于颜色的问题。

父亲见儿子对科学感兴趣,非常高兴,就经常带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。父亲是皇家学会的活跃分子,麦克斯韦经常跟随其出入科学界,受到不少熏陶,这为他成为一位著名的科学家奠定了良好的基础。

81.伦琴发明可穿透人体的X射线

“X射线”就是“伦琴射线”,现代医学用它来透视人体,或对人体摄影,借以显示骨骼或内脏的结构,找出异常现象,便于治疗。

在没有发现“伦琴射线”之前,医生治疗总是靠向一问、听一听、看一看、摸一摸等办法。但有许多病因生在内脏里,是摸不到也看不见的。当然,也就很难有的放矢地进行治疗了。自从“伦琴射线”发现后,医生就增长了一双能透视人体的“眼睛”,这在医学上确是个了不起的跃进。这种宝贵的射线是谁发现的呢?是德国著名的物理学家威廉·康拉德·伦琴。

1895年的一天,当伦琴用阴极射线放电管做试验时,偶然在放电管附近放了一包密封在黑纸里的、未曾曝光的照相底片。后来,当他把底片显影时,发觉它已经跑光了。如果是一个漫不经心的人,他就会说:“这次跑光了,下次小心些就可以了!”可伦琴不是这样,他有一个探根溯源的认真习惯。他没有放过这一线索,继续试验。

他惊异地发现,即使用一张硬纸板将密封的照相底片挡住,依然会跑光。他断定阴极射线放电管不知怎样发出一种能穿透像卡片纸之类物质的强力辐射。他反复实验,发现这种异样的射线能够透过人的衣服、皮肉、骨骼。他给这种射线取名叫“X射线”,也就是未知的射线。这种射线的性质和光波相似。后来,人们为了纪念伦琴的伟大贡献,又称“X射线”为“伦琴射线”。

82.第一架留声机的问世

汽车大王福特曾经说过:“美国所以是世界上最繁荣的国家,这是由于美国有一个爱迪生。”爱迪生是美国的骄傲,在美国举行的多次选举最伟大的人物的民意测验中,爱迪生都毫无悬念地位居第一。

爱迪生一生有两千多项发明,从他第一项发明——自动定时发报机诞生,到他去世,几乎每12天就有一项新发明问世。这些发明为人类的文明和进步做出了巨大贡献。

爱迪生勤于思考,他的实验室中贴着一条雷诺爵士的语录“人总要千方百计地逃避真正艰苦的思考”,在这条语录之后,他加上自己的一句话“不下决心培养思考习惯的人,便失去了生活中的最大乐趣”。

有一次,他在试验发明电话的时候,发现传话器里的膜板随着说话的声音引起震动,他觉得很奇怪,便想进一步探讨振幅有多大。可是,他的耳朵曾因受伤听觉失灵,他就用触觉来代替。

他找了一根短针,一头竖在膜板上,一头用手指轻轻按着,再对准膜板一讲话,手指头便觉得短针在颤动。讲话的声音高,颤动就快,声音低,颤动就慢。他接连试了好几次,结果都是如此。这引起了他的深思,猛然间,他想到,既然说话的声音能使短针颤动,那么,反过来,这种颤动也一定能发出原来的说话声音。想到这里,他觉得心头一亮,一项新的发明开始孕育了:为什么不可以设计一种机器,将有保存价值的声音贮存起来,什么时候想听,再把它放出来不就行了吗?经过许多次的试验,爱迪生制成了世界上第一架留声机。

83.霍尔大胆质疑

大科学家伽利略曾经否定古代大学者亚里士多德关于物体降落的速率和该物的重量成正比关系的理论,为此,他在比萨斜塔做了自由落体的实验。与之相似的是,美国物理学家霍尔同样怀疑电磁学权威麦克斯韦关于某一电磁现象的论断,并因此作了艰苦的探索和实验,最后发现了“霍尔效应”。

霍尔大学毕业后,在美国北部的缅因当了两年中学教师,于1877年考入霍普金斯的研究生院,跟罗兰教授攻读物理。在罗兰开设的课程中,麦克斯韦的《电磁学》被指定为教科书。当霍尔读这本书时,对麦克斯韦的一段论述感到奇怪,并产生了怀疑。

麦克斯韦在《电磁学》中写道:“在导线中流动的电流本身完全不受附近磁铁或其他电流的影响……”霍尔觉得这个论述似乎和普通的物理知识相矛盾。不久,他又读了瑞典物理学家埃德隆德教授的一篇文章,文中写道:“电流受磁铁的作用,恰如载流导线受磁铁的作用一样。”霍尔发现这两个学术权威的论点不一致,相信哪一位呢?他去请教罗兰教授。

罗兰教授也怀疑过麦克斯韦论断的正确性,他曾经匆忙地做过一个实验,想检验究竟谁是谁非,但没成功。英国的一位物理学家也读过麦克斯韦《电磁学》中的这段话,并想做个实验确定一下,但一想麦克斯韦是全世界知名的电磁权威,说的话不会有错,就放弃了实验的想法。

既不迷信权威,又有探索精神的霍尔决心解开这个科学之谜。他在罗兰教授的支持鼓励下,经过多次实验,经受多次失败,但他仍然楔而不舍。在对样品、仪器和实验装置进行反复改进后,他终于获得了实验的成功。

霍尔发现通过金箔条的电流在磁场里产生一个电势,其方向与电流和磁场垂直,这个效应就是“霍尔效应”。当时,霍尔将此发现公布于世仅仅20几岁,新闻界将霍尔的成功誉为“过去50年中电学方面最重要的发现”。

84.赫兹开创电子技术新纪元

德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹对电磁学的贡献很大,并在1888年首先证实了无线电波的存在。因此,频率的国际单位制单位——赫兹以他的名字命名。

赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹的鼓励,研究麦克斯韦电磁理论。当时,德国物理界深信韦伯的“电力与磁力可瞬时传送”的理论。因此,赫兹决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦的理论,谁的正确。依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器。

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