第三十六章/19世纪的电磁学 184们年，麦克斯韦进人爱丁保大学学习数学和物埋学。 1850年，考入 剑桥大学三 学院，主攻数学物理学。1854年大学毕业，数学成绩非常 优秀。1856年麦克斯韦被阿伯丁马里歌尔学院聘为教授，1860年转往 伦教阜家学院，1871年可到母校剑桥大学任实验物埋学教授。据说他 不是一个很好的教师。他的课深奥难懂，往往只有几个特别优秀的学 生才能跟得上。在剑桥期间，他出版了卡文迪许的于稿，从而使世人认 识到这位科学怪人曾取得了多少远远超出其时代的成就。他还亲自创 办了著名的卡文迪许实验室，任实验室主任一直到去世。 麦克斯市的科学成就是多方而的。1857年他曾提出土尿光环的彩 粒构成理论。这个光环从地球上看很像一个圆盘，但麦克斯韦认为，如 果它真是一个固体或流体的结构，那么引力和离心力等作用必定会使 它分崩离析。除非它是一条带状的小天体群，否则不会保持稳定。后来 的观测证明，麦克斯韦的看法是正确的。由于其杰出的数学才能，麦克 斯韦还在新兴的分子运动论领域做出过重要的贡献。这一点将在第二 麦 十九章讲述。这里我们特别叙述他在电磁学理论方面的伟大工作。 26-12 克斯韦 1855年，麦克斯韦写了《论法拉第的力线》一文，第一次试图赋予 法拉第的力线概念以数学形式，从而初步建立了电与磁之间的数学关 系。麦克斯韦的理论表明，电与磁不能孤立地存在，总是不可分离地结 合在一起。这篇论文于次年发表在《英国科学促进会报告集》中，使法 拉第的力线概念由一种直观的想象上升为科学的理论，引起了物理学 界的重视。法拉第读过这篇论文后，大加赞扬。 1862年，麦克斯韦发表了第二篇论文《论物理学的力线》。在这篇 论文中，他提出了自己首创的“位移电流”和“电磁场”等新概念，并在此 基础上给出了电磁场理论的更完整的数学表述。 电磁场中广泛存在的电场与磁场的交相变化， 使麦克斯书意识到 它是 ~种新的波动过程。1864年，他向皇家学会宣读了另一篇著名的 ↑26-13 论文《电磁场的动力学理论》。该文于次年发表在学会的机关刊物《哲 尔姆荷兹 学杂志》上。 文中不仅给出了今天被称为麦克斯韦方程的电磁汤方程， 而且提出了电磁波的概念。他认为，变化的电场必激发磁场，变化的磁 场又激发电，这种变化着电场和磁场共同构成了统一的电磁场。 电磁场以横波的形式在空间中传播，形成所谓电磁波。 麦克斯韦推算出了电磁波的传播速度，发现与光速十分接近。他 本来就猜测光与电磁现象有着内在的联系，在建立了完整的电碰理论 之后，他更明确提出了光的电磁理论。麦克斯书写道：“电磁波的这种 速度与光的速度如此之接近，好像我们有充分理由得出结论说，光本身 126 兹的发射装 二定特作通热挂他射热退产种电暖干犹它是波的形式并按照电 1865年，麦克斯韦得了一场重病，不得不辞去皇家学完的职务世 325
家养病。这以后，他把土要精力放在整理，总结电磁学理论已取得的成 就上而：1873年，他出版了其伟大的著作《电磁通论》，这木书全面总结 了一个世纪以来电磁学所取得的成果，是一部电磁学的百科全书，是 集电磁理论之大成的经典著作： 1879件11月5口，麦克斯韦因长期患病，终于与世长辞，时年仅 48岁。他没能看到他所预言的电磁波真的在实验常里被发观。但是今 天，电磁波已经成了信息时代最基本的物质载体。 126-15 5.电磁波的实验发现：赫兹 燕的电蓝被装置 1878年，德国著名的物理学家赫尔姆荷兹(1821一1894)向他在格 林大学的学生们提出了一个竞赛题月，即用实验方法验证麦克斯韦的 理论。标尔姆荷兹的学生之一赫兹(1857一1894)从那时起就致力于这 个课题的研究。1886年，他在做放电实验时发现近处的线圈也发出火 花：他敏锐地意识到这可能是电磁波在起作用。为了更好地确认这 赫再度布置实验。他设计了一个振荡电路用来在两个金属球之 间周期性地发出电火花，按照麦克斯书理论，在电火花出现时应该有 电磁被发出。然后，赫兹又设计了一个有缺山的金属环状线图，用来检 测电磁波。结果，当振荡电路发出火花时，金属缺口处果然也有较小的 火花出现。这就证明了电磁波的确是存在的，赫兹还进一步在不同的 距离观测检测线图，由电火花的强度的变化大致算出了电磁波的波 长。1887年11月5日，赫兹给他的老师转尔姆荷兹寄去了论文《论在 绝缘体中电过程引起的感应现象》。1888年1月，赫兹发表了《论动电 效应的传播速度)，证明了电磁波具有与光完全类似的特性，还证明了 26-16 赫 电磁波的传播速度与光速有相同的量级。赫兹的实验发现不仅证明了 麦克斯韦理论的正确，t也为人类利用无线电波开辟了道路。可惜的是 赫兹英年早逝，没能在电磁波的应用技术方面做出他本来完全可能做 出的重大贡献。不久以后，意大利肯年物理学家马可尼就实现了无线 电波通讯。 326
弟二十七章/19世纪的光学 第二十七章 19世纪的光学 光学是一山老的科学，希腊时代欧儿里得，托勒密都对此做出过 献到了17世纪，几何光学基木上得以确立。几何光学关注光线传掘 的几何性及的研究，如光线传播的直线性，光线的反射、折射性质等。由 于制造光学仪器的需要，对光的折射性质的研究比较热门。开普勒曾修 正了托勒密关于人射角与折射角成正比的结论，并指出玻璃的折射角 不会超过42度.荷兰数学家斯混尔(1591一1626)在大量实验的基础上 丁162年得出折射定律：入射角与折射角的余割（正弦的倒数）之比为 常数.笛卡尔在1637年出版的折光学》一书中提出了折射定律的现代 形式，卸人射角与折射角的正弦之比为常数。后来，著名的法国数学家 费尔马运用极值原理推出了光的反射定律和折射定律。 牛顿的分光实验以及牛顿环的发现，使光学由几何光学进人物理 光学。牛顿本人认为光本质上是运动的徽粒，新以他不能正确地解释由 他自已做出的伟大发现.与牛顿同时代的惠更斯主张光是一种波动，由 此展开了近两个世纪的光的本性之争。19世纪的光学以波动说的复兴 为先导，因此有必要先问顾一下微粒说与波动说之争论。 1.波动说与微粒说的对立 近代几何光学的莫基者之一笛卡尔在光的本性方面的看法是不 一贯的。在谈到视觉问题时，他把光线比喻成脉冲波动，否认眼睛在看 东西时有某种物质微粒进人。可是，他在解释光的折射和反射时又运 用物体的碰撞运动来进行比喻。因此他在这个问题上的看法是不明朗 的。 惠更斯最早比较明确地提出了光的被动说。在《论光》(1690)一书 中，他认为光的运动不是物质微粒的运动而是煤质的运动即波动，其理 由是，光线交又穿过而没有任何相互影响。运用波动说，惠更斯很好地 解释了光的反射、折射以及方解石的双折射现象。不过，他的波动说并 不完善。他误认为光像声音一样也是纵波，所以在解释光的干涉、衍射 和偏振现象时遇到困难。 牛顿倾向于微粒说：在《光学》(1704)中，他陈述了波动说的几种不 足：第一，波动说不能很好地解释光的直线传播现象。如果光是一种被 动，它就应该有绕射现象，就像声音可以绕过碍物而传播一样，但我 」并没有观察到光有这种现象。第二，波动说不能令人满意地解释方解 327
苏六在1纪吉夫利字的全百发展 石的双折射现象。第三，波动说依赖于介质的存在，可是没有什么证据 表明.天李中有这样的介质，因为从大体约层行看不出受到介质阳力 的迹象。基于这些理由，牛顿怀疑波动说，而提出光是一种微粒的有 法。不过，牛顿也不完全排斥波动思想。比如，他就提出过光粒子可能 在以太中激起周期性振动。但这些思想被后人有意无意地忘记，牛顿 成了坚持微粒说的一面旗帜。 部分由于惠更斯被动说的不完善性，部分由于牛顿的祟高威望】 微粒说在整个18世纪占据主导地位。但是，在折射问题的解释上，波 动说和微粒说之间出现了一个判决性的实验。微粒说认为，密介质中 的光谏大于疏质中的光速被动草侧认为。案介质中的兴速小平疏 介质中的光速。可是当时，在实验室中测定光遮还不可能，这个判决性 实验也起不了判决性作用。 2.波动说的复兴：托马斯·杨、菲涅尔 9世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文褐 开序的。杨(1773一1829》生于英国的米斯维顿一个宫裕的家庭。据 说他2岁就能读书，4岁已将《圣经》通读两遍，是一位十足的神套。青 年时代，他是一位多才多艺的人，会丨几门外语，能演奏多种乐器。他 起先在爱丁堡大学学医，后在德国哥廷根大学取得了博士学位，1799 年开始在伦教开办诊新 杨的光学研究始自对视觉器官的研究。他第一个发现，眼球在注 视距离不同的物体时改变形状。1800年，杨发表了《关于光和声的实验 和问题》·文，对延续了一个世纪的微粒说提出异议。他说：“尽管我仰 慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是万无 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。”在文 章的光学部分，杨提出了否定微粒说的几个理血：第一，强光和两光源 -1托马斯· 所发出的光线有同样的速度，这用微粒说不好解释：第二，光线由一种 介质进入另一种介质时，一部分被反射，而为一部分被折射，用微粒说 解释也很牵强。在文章的声学部分，杨依据水波的叠加现象，提出了声 波的叠加理论。他把由叠加造成的声音的加强和减弱称为“干涉”。在 声波干涉中，“拍”现象即叠加造成的声音时断时强的效果，引起了杨 的特别注意。他联想到，如果光是一种波动，也应该有干沙和拍现象， 即两种光波叠加时，应该出现明暗相间的条纹。 1801年，杨向皇家学会宣读了关于薄片额色的论文。文中正式将 干涉原理引人了光学之中，并且用这一原理解释薄片上的色彩和条纹 面的行射。在这篇论文中，杨还系统提出了波动光学的基本原理，提出 了光波长的概念，并给出了测定结果。杨指出，正是由干光波长太短 328
第三十七章/19世纪的光学 以致遇障碍物拐弯能力不大，人们才很雄观察到这类现象 杨的论文在英国学界引起了敌视。当然，他的论文在阐述实验方 面不够明啸。尽管他本人实际上做过十分精确的实验，但山于表述的 问题使读者感到干涉理论只是一些没有实验根据的理论推测。杨没有 气馁，继续进行实验研究，于1803年发表《物理光学的实验和计算》，利 双缝干涉现象进一步做出了解释。在1807年出版的《自然哲学讲义》 中，杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。 1809年，法国物理学家马吕斯(1775一1812)发现了光在双折射时 的偏振现象。众所周知，纵波不可能出现偏振现象，这使杨新近复兴的 波动说遇到了极大的困难。微粒说的信奉者以此对波动说发起攻击， 杨于1811年给马吕斯写信说：“你的实验证明了我所采月的理论的不 足，但是这些实验并没有证明它是错的。”1817年，杨终于发现了摆 脱这个麻烦的途径。他在1月12日给法国物理学家阿拉果的信中说， 光波不是一种纵波，而是一种横波，而偏振完全可以用横波加以解释 几平独立地提出光的波动学说的还有法国物理学家菲涅尔 (1788一1827)。与杨相反，他从小非常迟钝，身体也不好.后来由干刻 苦努力成了一名工程师。由于反对拿破仑，他曾被关进监狱一段时间。 1814年，他对光学开始感兴趣，次年便向科学院提交了第一筒光学论 文。文中仔细地研究了光的衍射现象，并是出了光的干涉原理。菲涅尔 的论文实验证据确凿，很快在法国物理学界获得支持。本来信奉微粒 说的阿拉果，在受命审查非湿尔的论文之后，第一个改信波动说。菲涅 尔与阿拉果一起继续进行实验研究，于1819年证实了杨关于光是一种 横波的主张 非涅尔在毫不了解场的工作的基础上独立地提出了光的波动理 论。令人高兴的是，他与杨之间并未发生优先权之争。当阿拉果将他的 论文介绍给杨时，杨对此进行了高度的评价。由于他们的齐心协力，微 127-2菲湿 粒说一统学界的局面被打破。在波动学说基础上的光学实验大量涌 现，使19世纪在物理光学方面取得了重大的进展。 3.光速的测定：菲索、傅科 1849年，法国物理学家辈素(1819-1896)利用转动齿轮方法，在 实验室中测定了光的速度。数值然不太精确，但毕竞是在实验室里 测定光速的第一次创举。此前的罗伊默和布拉德雷都是以天文观测为 依据测量光速的。 1850年，另-一位法国物理学家傅科(1819一1868)改进了菲索的方 法，用旋转镜方法准确地测定了光速，从而发现密介质（水）中光的传播 速度较小。这就在实验上对微粒说和被动说之争做了一次支持波动说 127-3傅利 像 329