第六在/9世纪吉典科学的全面发果 博科损 的判决。 傅科在实验物理学生上做的另一创举是发明∫傅科摆，直观地演 示了地球的A转。由于地球的周日自转，单摆的摆动面相对于地面是 转动的。齐曼托学院曾经也发现了这一现象，但没有意识到它正好是 地球自转的证据 4.光谱研究：夫琅和费、基尔霍夫 光的波动说被确立以后，物理光学中最突出的成就是对光谱的研 究。牛顿的棱镜已将太阳光分解成各种不问颜色的光线，他将之解释 成不同光线具有不同的折射举引起的。现在人们又认识到不同的颜色 其实对于光的不同波长，不同波长的光的连续排列构成了所诮光 谱。事实上，所有的自然光都可以通过棱镜展示自己的光谱。18世纪， 有人即已注意到各种化学物质在燃烧时发出的光彼此不同，后来又发 现不同物质所发出的光的光谱各有显著的特征。 1814年，德国物理学家夫琅和费(1787一1826)在测试新制造出的 棱镜时，发现太用光谱中有许多暗线。在此之前，他在灯光光谱中发现 了钠的语线，因此，他也希望在太阳中发现这些特征普线。夫琅和费将 太阳光谱记录下来，并将发现的暗线用字母标出。这些暗线今天被称 为夫琅和费线。后来，他又多次观察月光和行的反射光，发现其光谱 与太阳光谱完全相同，1821年，夫琅和费第一个用光橱（间隔很小的细 丝)作为折射装置，使太阳光形成了一个更精细的光谱。利用光栅，他 试看测定了太阳谱线的波长。夫琅和费的工作当时没有受到重视，当 然他本人也不太明白太知光雷线中暗线的意义。 330
,第二十七意/19世纪的光学 -27一5夫玻 和费的分光仪 (油画) 1859年，德国物理学家基尔霜夫(1824一1887)解释了太阳光谱中 暗线的含义。他发现，每一种单纯的物质有一种特征光诺，光谱里面之 有一条明亮的谐线正好表征该物质。但是，如果在足够强的自然光下观 察这个特征光谱，由于该光谱被同波长的物质所吸收，其明亮的特征谱 线使变成了明显的暗线。因此，太阳光谱中的夫琅和费暗线正好就是各 种物质的特征谱线。基尔霍犬因此断定，太阳中必存在钠，镁、制、锌、镍 等金属元素。 由基尔需尖开创的光谱分析方法，对鉴别化学物质有着巨大的意 义。有许多化学元素，像绝1860)、(1861)、铊(1862)(1863)、综 (1875),都是通过光谱分析而发现的。当天文学家将光谱分析方法应用 于恒星宇宙时，马上就证明了宇宙之间物质构成的统一性。据说，正当 「27-6基尔 基尔霜夫从夫琅和费线中考察太阳里是否有金子时，他的管家不以为 雷夫的分光镜 然地说，“如果不能将太阳上的金子取下来，关心它又有什么用？”后来， 基尔霍夫因为他的伟大发现而被英国授予金质奖章，他将奖章拿给管 家看，说：你看，我不是已经从太阳上取了一点金子下来了吗？ 光谱分析不仅开辟了天体物理学的广阁前景，而且也为深人原子 世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的 在19世纪光学以及光谱学的发展过程中，照相术的发明也值得 提。它极大地丰富了现代人的日常生活情趣。法国发明家涅普斯 (1765一1833)和达盖尔(1789-1851)合作，于1839年造出了第一台实 用照相机，它通过一个透镜在暗室里成像，由一块涂有银盐的铜片固定 127一7照相 像。图像中明亮的部分使银盐变黑，没有起变化的银盐则被硫化钠溶解 术的发明者达盖 掉，于是得到，个不太清晰的永久图像。照柑术一出现就引起了人们的 33
第六谷/19世克典科字的全百发 极大兴趣。物理学家和大文学家则很快将它用于光谱分析，使之成为 天文观测和光学实验中的重要工具。 5.光学与电磁学的统一 波动说的确立使光传播的载体问题变得突出。按照水波和声波的 类比，光被也应有它的传播媒介。人们一般将这种看不见，摸不着的煤 介称为光以太。当杨和菲涅尔发现光是一种横波后，在光以太问题上 温到了困难。对于纵波而言，流体就可以充当煤介，但对横波，其介质 必须十分凝固，富有刚性。可是，这样十分坚固的光以太为何又没有对 体运动产生阴碍呢？ 物理学家们绞尽脑汁，对光以太的机械特征进行各种各样的修正 利补充但总是出现新的问题。这些做法均基于一个前提，即把光看成 一种机械波。麦克斯韦建立电磁统一理论之后，认为光就是一和波长 极短的电磁波，从而在理论上统一了光学与电磁学。光的电磁理论建 立之后，光不再被看成机械波，因而光以太的机械特征问题就不复存 在。但是在经典理论中，电磁波的传播同样需要被称为电磁以太的媒 介。光的传播媒介不序是机械以太，而是电磁以太。电磁以太又是什 么？这个问题留给了19和20世纪之交的物理学家们。 27-8 约1851 年拍摄的实验室 场景，是较早的 片。 332
第二十八章/热力学与能量定律的建立 第二十八章热力学与能量 定律的建立 热力学第一定律和热力学第二定律的发现，是19世纪物理科学 最伟大的成就之 能量守恒定律深刻地显示了物质世界的普遍联 系，能量耗散定律则深刻地显示了物质世界的普遍发展。这两大定律 植根于古典科学，但其有效性远远超出了古典和学的适用范围。它们 甚至不仅是对经验事实的概括，而且成了科学理解的基本出发点。 1.热之唯动说：伦福德伯爵、戴维 热质说支配着18世纪后期的热学。它能成功地解释热量守恒定 律，还能解释与比热和潜热概念相关的实验事实。但它也有一个弱点】 即人们不能肯定热质是否也像所有其他物质一样拥有质量。18世纪快 要结束的时候， 一个美国出生的英国物理学家对热质说提出了挑战。 他就是本杰明·汤姆逊，后人常称他为伦福德伯爵。 汤姆逊(1753-1814)生于美国的马萨诸塞州的北沃本思，他有 段传奇的冒险经历。他从小没受过什么教育，13岁时在一家小店当学 徒，因自制焰火而发生爆炸，本人险些丧命。独立战争爆发时，他站在 英国王室一边，反对美国独立。战争以美国人民的胜利告终后，汤姆 在美国呆不下去了，只好背井离乡，随英军来到英国。在英国没呆多 久，汤姆孙就黛到没劲，又干183年去了德国，在巴伊利亚洗帝是毛 下任要职。1790年，这位选帝候准备封他为伯爵，请他自己定封号。汤 姆逊选择了他妻子的出生地关国新罕布什尔州的伦福德作为封号，从 28一1伦福德 此人们就叫他伦福德伯爵。 1798年，伦福德在慕尼黑一家兵工厂监督大炮镗孔工作。一个偶 然的机会，他发现，被加工的黄制炮身在短时间内得到了相当多的热 量，而被刀具刮削下来的金属屑的温度更高，超过了水的沸点。这个现 象显然不是伦福德最先发现的，但他却是最先将之与热质说联系起来 考察的人。按照热质说，这些生发出来的热量米自物质内部包含的热 质，可是，从青铜中跑出来的热质太多了，全部加起来甚至可以将它本 身培化。这就说明这么多的热量并不像热质说所设想的那样以热质的 形式由它自身包含着。热质说是成问题的。伦福德进一步的观察还发 现，如果刀具很饨，不能切削出屑末，按照热质说，它就不会有热量流 出，可事实上它依然有大量的热量流出，而且看起来，只要不停地钻 333
第六粹/19世纪古典科学的全瓦发展 热量就可以源源不绝地流出来。这个现象是热质说无论如何也不能解 释的。 1799年，伦福德回到英国并创办了皇家学院。 摩生热的实验促 使他得出了热是一种运动的结论。他在《哲学学报》上发表文章说：“任 何绝热物体或物体系统所能无限提供的东西，不可能是一种物质。据 我看米，要想对这些实验中的既能激发又能传布热的东西，形成明确 的概念，即使不是绝无可能，也是极其困难的事情，除非那东西就是运 伦福德的看法引起了正在新创办的呈家学院任教的戴潍 (178一1829)的兴趣。这位未来的大化学家当时还只有21岁，但已表 现出杰出的实验才能。他精心设计了一个更有说服力的实验米证实伦 福德的观，点。在一个绝热装置里，他让两块冰相互摩擦，结果两块冰都 融化了。虽然有些科学史家认为戴维的实验实际上是不成功的，因为 28-2 伦福 冰实际上是因为装置漏热才融化的，但当时的人们确实认可了他的实 德伯简 验，并认为该实验是对伦福德实验的进一步深化。 保守地说，伦福德和戴维的实验只是指出了热质说的闪难，并没 有证明热质是不存在的。此外，他们也没有提出一套新的建设性的学 说来取代热质说，去解释那些热质说可以很好解释的热现象。因此，热 质说还延线了相当长的一段时间 光和热的类比总容易使人们相信 如果光是一种物质微粒，热肯定也是一种物质。从这个意义上讲，光的 被动说的确立右曲干热质说的消亡。当然，只有等到能量守恒定律的 出现，才使热之唯动说真正取代热质说。 2.热力学的建立：卡诺 19世纪初，蒸汽机在生产中起着越来越大的作用。但是，将热转变 为机酸运动的理论研究一直未形成，工程师们如瓦特主要凭经验摸索 并改进机器。第一次从理论上说明热机运行过程、建立热力学原理的 是法国工程师卡诺(1796 -1832) 卡诺生于名门世家。其父在法国大革命以及拿破仑时期是政界要 人，也是一位芽名的数学家、些卡诺曾任政府陆生部长，成功地组织了 对欧洲列强来犯的抗击，被誉为“胜利的组织者 。卡诺的弟弟也是 位著名的政治家，其侄儿后来成了法兰西第三共和国的，总统。卡诺本 人毕业于巴黎综合技术学校，受过良好的数学教育和工程技术训练。 1814年，他成了一位军事工程师。1828年，由于拿破仑的倒台，卡诺的 父亲菠流放，他本人也被迫退役 1824年，卡诺出板了生前发表的惟一一本著作（关于火的动力的 思考》。在这本书中，卡诺提出了他的理想热机理论，奠定了热力学的 284卡 理论基础。当时生产技术中出现的比较紫迫的问题，主要是如何提高 334