物理學(xué)史錢長炎安徽師范大學(xué)物理與電信學(xué)院緒論

物理學(xué)史的研究對象及方法關(guān)于物理學(xué)史的分期問題物理學(xué)史與物理教學(xué)第一篇古代物理學(xué)

中國古代物理學(xué)

西方古代及中世紀(jì)的物理學(xué)文藝復(fù)興及其對物理學(xué)發(fā)展的影響第一章中國古代物理學(xué)

中國古代物理學(xué)概述

各時期物理學(xué)的主要成就

中國古代物理學(xué)的特點

一、中國古代物理學(xué)概述

萌芽時期（幾百萬年前——前770年）奠基時期（前771——前221年）形成與發(fā)展時期（前221——960年）鼎盛時期（960年——17世紀(jì)）緩慢發(fā)展時期（明末清初——1949年）二、各時期物理學(xué)的主要成就

史前到夏、商和西周三代的物理學(xué)知識春秋戰(zhàn)國時期的物理學(xué)成就秦漢到隋、唐和五代時期的物理學(xué)成就宋、元和明時期的物理學(xué)成就明代中葉之后傳統(tǒng)物理學(xué)的衰落1史前到夏、商和西周三代的物理學(xué)知識簡單機械的出現(xiàn)青銅器的使用和發(fā)展簡單光學(xué)儀器的制作和應(yīng)用樸素的物質(zhì)觀和物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說2春秋戰(zhàn)國時期的物理學(xué)成就《墨經(jīng)》中的物理知識《考工記》中的物理知識其它物理學(xué)成果《墨經(jīng)》中的物理知識對時間和空間的認(rèn)識（時空觀）對力和運動的認(rèn)識對杠桿原理的探討對光和面鏡成像規(guī)律的研究對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識（物質(zhì)觀）《考工記》中的物理知識關(guān)于慣性的認(rèn)識關(guān)于滾動摩擦的論述聲學(xué)知識熱學(xué)知識其它物理學(xué)成果磁學(xué)知識樂律知識關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的猜想流體力學(xué)知識3秦漢到隋、唐和五代時期的物理學(xué)成就王充及其《論衡》張衡及其物理學(xué)成就其它物理學(xué)成果王充及其《論衡》元氣自然論力學(xué)知識對聲音及其傳播的研究熱學(xué)知識光學(xué)知識對電磁現(xiàn)象的描述張衡及其物理學(xué)成就宇宙觀（渾天說）水運渾天儀候風(fēng)地動儀其它物理學(xué)成果“地動說”的萌芽“被中香爐”漢代“魚洗”浮力原理及其應(yīng)用面鏡成像西漢“透光鏡”對共鳴現(xiàn)象的認(rèn)識對磁的認(rèn)識和應(yīng)用對天體運行的觀測工程建筑中的物理知識4宋元明時期的物理學(xué)成就沈括及其《夢溪筆談》宋應(yīng)星及其《天工開物》趙友欽及其《革象新書》方以智及其《物理小識》其它物理學(xué)成果5明代中葉之后傳統(tǒng)物理學(xué)的衰落耶穌傳教士科技翻譯“西學(xué)東漸”中外交流三、中國古代物理學(xué)的特點

歷史悠久、源遠(yuǎn)流長注重科學(xué)實踐、強調(diào)實用價值偏重整體描述、缺乏深入分析多定性說明、缺乏與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合科學(xué)實驗精神沒有真正樹立抵制外來科學(xué)文化的引入第二章西方古代及中世紀(jì)的物理學(xué)西方古代科學(xué)概述古希臘羅馬時代的物理學(xué)中世紀(jì)的物理科學(xué)思想一、西方古代科學(xué)概述巴比倫和埃及古文明時期的科學(xué)蘇格拉底以前的古希臘自然哲學(xué)雅典的自然哲學(xué)亞歷山大里亞時期的古代科學(xué)羅馬和古代科學(xué)的衰退二、古希臘羅馬時代的物理學(xué)早期希臘時代（公元前八世紀(jì)——前四世紀(jì)）的自然哲學(xué)希臘化時期（公元前四世紀(jì)——前一世紀(jì)）的自然哲學(xué)羅馬時期（公元前一世紀(jì)——公元四世紀(jì)）的自然哲學(xué)三、中世紀(jì)的物理科學(xué)思想西方中世紀(jì)科學(xué)發(fā)展概況阿拉伯學(xué)派及其對物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)中世紀(jì)大學(xué)及亞里士多德思想的影響羅吉爾·培根對物理學(xué)的貢獻(xiàn)第三章文藝復(fù)興及其對物理學(xué)發(fā)展的影響文藝復(fù)興運動達(dá)?芬奇的科學(xué)研究弗蘭西斯?培根的貢獻(xiàn)吉爾伯特的物理學(xué)成就文藝復(fù)興運動“十三世紀(jì)以后，西歐的學(xué)術(shù)發(fā)展有一段停頓時期。黑死病與百年戰(zhàn)爭帶來了經(jīng)濟(jì)與社會紊亂，安定的生活與平靜的研究都不可能，把經(jīng)院哲學(xué)帶到頂峰的心靈活動，好象也有衰竭之勢。”

“人類歷史上有三個學(xué)術(shù)發(fā)展最驚人的時期：即希臘的極盛期、文藝復(fù)興時期與我們這個世紀(jì)。這三個時期都是地理上經(jīng)濟(jì)上發(fā)展的時期，因而也是財富增多及過閑暇生活的機會增多的時期?！薄鞍汛俪蛇@種變化的一切因素與見解聚攏在一起，觀察者仍然覺得在這一切背后，還有一種生氣活潑的精神，這種精神我們只能很不完全地捕捉住。它有力量把其余的因素?fù)胶驮谝黄?，使其突然成為一個整體。這種現(xiàn)代精神以可驚的速度形成，我們還不能充分地解釋其過程?！薄柏敻坏脑黾釉鲞M(jìn)了知識，新知識又轉(zhuǎn)而增加財富。整個這個過程產(chǎn)生累積效果，并且加速度地前進(jìn)，終于形成不可抗拒的文藝復(fù)興的洪流?！边_(dá)?芬奇的科學(xué)研究列奧納多·達(dá)·芬奇（LeonardodaVinci，1452—1519）

列奧納多是一位精力充沛、相當(dāng)有名的律師塞爾·皮埃羅·達(dá)·芬奇（SerPierodaVinci）和一位名叫卡塔玲娜（Catarina）的可愛的農(nóng)家女郎的私生子。他于1452年生于佛羅倫薩利比薩之間的芬奇。他受他父親的教育。他接連在佛羅倫薩、米蘭與羅馬宮庭服務(wù)，1519年死于法國。

他是畫家、雕塑家、工程師、建筑師、物理學(xué)家、生物學(xué)家、哲學(xué)家，而且在每一學(xué)科里他都登峰造極。在世界歷史上可能沒有人有過這樣的紀(jì)錄。

如果說彼特拉克是文藝復(fù)興時代文學(xué)方面的前驅(qū)，列奧納多就是其他部門的開路先鋒。他和許多文藝復(fù)興時代的人不同，既不是經(jīng)院哲學(xué)家，也不是古典作家的盲目信徒。在他看來，對于自然界的觀察與實驗，是科學(xué)的獨一無二的真方法。

第二篇經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生的背景經(jīng)典力學(xué)的建立與發(fā)展經(jīng)典熱學(xué)的建立與發(fā)展經(jīng)典電磁學(xué)的建立與發(fā)展經(jīng)典光學(xué)的建立與發(fā)展第四章經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生的背景近代科學(xué)產(chǎn)生的社會條件宇宙觀和天文學(xué)革命近代科學(xué)研究方法的形成一、近代科學(xué)產(chǎn)生的社會條件資本主義生產(chǎn)的發(fā)展資產(chǎn)階級思想解放運動科學(xué)社團(tuán)的成立和發(fā)展1資本主義生產(chǎn)的發(fā)展資本主義生產(chǎn)方式—技術(shù)革新、商品貿(mào)易—航海、造船業(yè)的發(fā)展資產(chǎn)主義生產(chǎn)的發(fā)展，不僅提供了發(fā)展自然科學(xué)的需要和研究課題，也提供了自然科學(xué)發(fā)展所需要的大量可供觀察的材料和制造實驗儀器的物質(zhì)技術(shù)條件。總之，資本主義生產(chǎn)的發(fā)展為自然科學(xué)的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。2資產(chǎn)階級思想解放運動文藝復(fù)興運動（14—16世紀(jì)）恩格斯說道：“這是一次人類從來沒有經(jīng)歷過的最偉大的、進(jìn)步的變革，是一個需要巨人而產(chǎn)生巨人——在思維能力、熱情和性格方面，在多才多藝和學(xué)識淵博方面的巨大時代”。LeonardodaVinci，1452—15192資產(chǎn)階級思想解放運動宗教改革運動（英國、法國、德國）“在近代歐洲大科學(xué)家中間新教徒所以比天主教徒占優(yōu)勢，除了新教國家里沒有一個宗教法庭這一點之外，可以歸之于三個主要因素：第一，早期新教徒的風(fēng)氣是與科學(xué)態(tài)度相一致的；第二，運用科學(xué)達(dá)到宗教的目的；第三，新教徒的神學(xué)宇宙觀與早期近代科學(xué)的理論相一致”。

3科學(xué)社團(tuán)的創(chuàng)立和發(fā)展意大利佛羅倫薩“西芒托學(xué)院”英國倫敦皇家學(xué)會及其作用法國巴黎科學(xué)院及其影響二、宇宙觀和天文學(xué)革命哥白尼新宇宙體系理論開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展伽利略捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說的斗爭1哥白尼新宇宙體系理論哥白尼生平簡介哥白尼宇宙體系的基本觀點哥白尼“日心說”的偉大意義哥白尼生平簡介哥白尼是一個殷實商人的兒子，他父親在維斯杜拉河托倫城的老漢撒鎮(zhèn)還擔(dān)任過市政官吏。哥白尼在公元1496－1506年間赴意大利求學(xué)，回來后在波羅的海邊的佛勞恩堡擔(dān)任牧師職務(wù)。他在佛勞恩堡三十年中的活動是多方面的，涉及醫(yī)學(xué)、財政、政治和宗教事務(wù)等方面，但是最關(guān)心的好象就是世界的新體系問題。

NicolasCopernicus，1473－1543哥白尼生平簡介哥白尼寫了一本叫做《短論》的小冊子，闡述他的學(xué)說，這書約于公元1530年起便以手抄本的形式在他的友人中傳閱。知道他學(xué)說的人逐漸多了起來，并吸引了維騰貝格一位數(shù)學(xué)家喬治·萊蒂克斯（GeorgeRheticus，公元1514－1576）的注意。萊蒂克斯和哥白尼一同研究了兩年，并在公元1540年第一次將哥白尼學(xué)說印成書本形式出版。到了公元1543年，哥白尼自己出版了他的主要著作《天體運行》。

哥白尼宇宙體系的基本觀點（1）太陽是宇宙的中心，行星都繞太陽運轉(zhuǎn)。（2）地球同時進(jìn)行三種運動：自轉(zhuǎn)、繞日公轉(zhuǎn)和進(jìn)動。（3）月亮是地球的衛(wèi)星，每月繞地球運行一周。哥白尼宇宙體系的基本觀點（4）行星在太陽系中的排列順序由遠(yuǎn)及近分別是：土星，三十年轉(zhuǎn)一周；木星，十二年轉(zhuǎn)一周；火星，兩年轉(zhuǎn)一周；地球帶著月亮一起，一年轉(zhuǎn)一周；金星，九個月轉(zhuǎn)一周；水星，八十天轉(zhuǎn)一周。所有的恒星在遠(yuǎn)離太陽的一個天球面上靜止不動。哥白尼“日心說”的偉大意義（1）否定了地球的主宰地位，動搖了宗教神學(xué)的理論基礎(chǔ)，使自然科學(xué)擺脫了宗教神學(xué)的羈絆。（2）蘊涵著運動相對性的思想，超越了感覺常識的局限，注重透過現(xiàn)象探求事物的本質(zhì)。哥白尼“日心說”的偉大意義（3）揭示了宇宙結(jié)構(gòu)的簡樸性，啟發(fā)了開普勒的研究，為牛頓引力理論的建立奠定了基礎(chǔ)?！案绨啄峤倘擞眯碌难酃馊ビ^察世界。地球從宇宙的中心降到行星之一的較低地位。這樣一個改變不一定意味著把人類從萬物之靈的高傲地位貶降下來，但卻肯定使人對于那個信念的可靠性發(fā)生懷疑。因此，哥白尼的天文學(xué)不但把經(jīng)院學(xué)派納入自己體系內(nèi)的托勒密的學(xué)說摧毀了，而且還在更重要的方面影響了人們的思想與信仰?！?開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展把行星運動的詳細(xì)情況更精確地記錄下來的第一位天文學(xué)家，要算是哥本哈根的第谷·布拉埃。他并沒有采取哥白尼的全部體系，而認(rèn)為太陽圍繞地球運行，而行星則圍繞太陽運行。他經(jīng)過幾次遷徙，終于定居在布拉格，并得著約翰·刻卜勒參加他的工作，后來就把他的極其珍貴的資料遺留給刻卜勒。

TychoBrahe，1546－16012開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展刻卜勒在宇宙論方面的最早著作《宇宙的神秘》于公元1596年出版，是一部相當(dāng)帶有神秘性質(zhì)的書。他想在哥白尼體系的行星軌道之間尋找一種數(shù)學(xué)的和諧，發(fā)見五種正多面體正好用來形容行星包括月亮軌道之間的天層。

JohnKepler，1571－1630

2開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展到公元1609年他發(fā)現(xiàn)橢圓形完全適合這里的要求，能做出同樣準(zhǔn)確的預(yù)測。行星的運動現(xiàn)在不再是正圓的或均速的了，因為他在公元1609年發(fā)表的關(guān)于行星運動的兩條定律是：（一）每一行星沿一個橢圓軌道環(huán)繞太陽，而太陽則處在橢圓的一個焦點中；（二）從太陽到行星所聯(lián)接的直線在相等時間內(nèi)掃過同等的面積。九年后，他又發(fā)現(xiàn)了第三條定律，即行星繞日一圈時間的平方和行星各自離日的平均距離的立方成正比。2開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展在他于公元1618－1621年間寫的《哥白尼天文學(xué)概要》中，刻卜勒闡述了天文學(xué)的方法，和哥白尼的方法迥然不同?？滩防照f天文學(xué)分五個部分。第一，觀測天象；第二，提出解釋所觀測的表觀運動的假說；第三，宇宙論的物理學(xué)或形而上學(xué)；第四，推算天體過去或未來的方位；第五，有關(guān)儀器制造和使用的機械學(xué)部分。

2開普勒對哥白尼學(xué)說的發(fā)展由于刻卜勒的貢獻(xiàn)，太陽系的空間位形終于澄清了，而且根據(jù)機械力的動力平衡來闡明天界的模式，這扇門是打開了。這是早期近代科學(xué)的偉大成就。

哥白尼拋棄了一個先入之見，即天與地的質(zhì)的差別，獲得了一個簡單得多的體系；刻卜勒把其他許多古希臘先入之見都丟掉，就找到了最簡單的世界體系。在這樣做時，他們?yōu)橐缘厣狭W(xué)說明天體運動開辟了道路。這個發(fā)展，對于古希臘那些主要的學(xué)派，就算他們掌握了一種動力科學(xué)，也無法想象得出，何況他們當(dāng)時并不掌握這門科學(xué)呢。

3伽利略捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說的斗爭伽利略早就是一個哥白尼世界體系的擁護(hù)者。在公元1597年寫信給他的朋友約翰·刻卜勒時，伽利略說他自己“多年以前就已經(jīng)擁護(hù)哥白尼的學(xué)說”，是由于這個學(xué)說說明了“許多現(xiàn)象的原因，而按照人們通常接受的觀點都是無法理解的”。

GalileoGalilei1564—1642

3伽利略捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說的斗爭伽利略的天文發(fā)現(xiàn)多數(shù)都是在十七世紀(jì)第二個十年中發(fā)表的，這些發(fā)現(xiàn)對支持哥白尼的學(xué)說有很大的影響。當(dāng)這種新天文學(xué)的證據(jù)正在興起時，反對新天文學(xué)的人就變得強硬起來，因為已經(jīng)不再能夠斥之為一種無足輕重的意見了。鄰近的教會人士駁斥伽利略的見解是異端，而比薩的經(jīng)院哲學(xué)家則宣稱他的意見是錯誤的，而且是違反亞里士多德的權(quán)威的。

3伽利略捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說的斗爭公元1615年伽利略受到羅馬宗教法庭的傳訊，在法庭上他被迫聲明和哥白尼學(xué)說決裂。地球在地軸上自轉(zhuǎn)并環(huán)繞太陽的定理，被正式宣布為錯誤的，是異端邪說；到了公元1616年，哥白尼的著作被列在禁書目錄里，一直到公元1835年方才取消。

3伽利略捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說的斗爭但伽利略并不放棄自己的見解，因為十六年后他征得佛羅倫薩宗教法官的許可，出版了他的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。這本書一開頭就對亞里士多德關(guān)于天體的組成和性質(zhì)完全不同于地球的學(xué)說，直接開了仗。新星的出現(xiàn)，彗星、太陽黑子和月亮上的山嶺，全被引用來作為反證。伽利略還進(jìn)一步駁斥了那種古代傳流下來的見解，即不變是高貴和完善的標(biāo)志。

三、近代科學(xué)研究方法的形成實驗研究方法的確立數(shù)學(xué)方法的革新理論思維方法的創(chuàng)新第五章經(jīng)典力學(xué)的建立與發(fā)展伽利略對力學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)從伽利略到牛頓之間的力學(xué)發(fā)展牛頓的偉大綜合牛頓力學(xué)的發(fā)展一、伽利略對力學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)《關(guān)于兩大世界體系（托勒密的和哥白尼的）的對話》（1632年出版，簡稱《對話》）《關(guān)于兩種新科學(xué)（力學(xué)和運動的位置）的談話和數(shù)學(xué)證明》（1638年出版，簡稱《談話》）

GalileoGalilei1564—1642

一、伽利略對力學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)對物體運動的定量描述（速度、加速度的定義等）對落體運動規(guī)律的研究慣性定律（原理）的發(fā)現(xiàn)（單擺、理想斜面實驗）對拋體運動的研究一、伽利略對力學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)（1）慣性原理、運動迭加原理和相對性原理是建立力學(xué)理論的基石（2）自由落體、單擺、斜面和拋體等運動的研究奠定了運動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)（3）實驗方法、理想化方法和嚴(yán)格的邏輯與數(shù)學(xué)推理方法開辟了新科學(xué)方法的道路一、伽利略對力學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)愛因斯坦評價說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！倍?、從伽利略到牛頓之間的力學(xué)發(fā)展笛卡兒的運動學(xué)理論惠更斯的力學(xué)研究成果1笛卡兒的運動學(xué)理論機械論宇宙觀（以太渦旋假說）運動產(chǎn)生的原因及其規(guī)律研究關(guān)于運動的三定律及碰撞問題的研究

RenéDescartes，1596－1650

2惠更斯的力學(xué)研究成果碰撞理論研究擺的研究

ChristianHuygens，1629－1695

三、牛頓的偉大綜合牛頓綜合的三條線索牛頓《原理》的主要內(nèi)容牛頓研究方式及其意義

IsaacNewton，1642－1727

1牛頓綜合的三條線索天文學(xué)：哥白尼——第谷——開普勒——伽利略——惠更斯力學(xué)：斯臺文——伽利略——惠更斯光學(xué)：伽利略——開普勒——笛卡兒——惠更斯2牛頓《原理》的主要內(nèi)容力學(xué)概念的定義力學(xué)公理和運動定律中心力物體間的相互吸引流體力學(xué)萬有引力3牛頓研究方式及其意義（1）關(guān)于“質(zhì)量”的定義是機械論物質(zhì)觀的基石。（2）關(guān)于“力”的定義是機械論運動觀的重要特征。（3）“絕對時間”和“絕對空間”是建立力學(xué)理論的依據(jù)。（4）運動方程是機械論運動觀的核心。3牛頓研究方式及其意義（5）天體力學(xué)和地球上物體的力學(xué)理論綜合是對客觀世界的物質(zhì)統(tǒng)一性的有力證明。（6）繼承了數(shù)學(xué)方法和實驗方法的雙重傳統(tǒng)，突出了數(shù)學(xué)方法在研究、描述物理理論方面的重要作用。四、牛頓力學(xué)的發(fā)展基本概念的完善基本原理的形成分析力學(xué)的建立第六章經(jīng)典熱學(xué)的建立與發(fā)展熱現(xiàn)象的早期研究熱力學(xué)理論的建立分子運動論和統(tǒng)計力學(xué)的建立物質(zhì)的狀態(tài)及其性質(zhì)一、熱現(xiàn)象的早期研究蒸汽機的發(fā)明及其意義計溫學(xué)的發(fā)展量熱學(xué)的建立熱本質(zhì)的認(rèn)識

JamesWatt，1736—1819二、熱力學(xué)理論的建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的建立熱力學(xué)第三定律的建立

WilliamThomson，1824－1907

三、分子運動論和統(tǒng)計力學(xué)的建立克勞修斯的熱學(xué)研究麥克斯韋的熱學(xué)工作玻爾茲曼的熱學(xué)研究成果統(tǒng)計系綜和吉布斯的貢獻(xiàn)

RudolphClausius，1822－1888

ClerkMaxwell，1831－1879四、物質(zhì)的狀態(tài)及其性質(zhì)物質(zhì)狀態(tài)的多樣性氣體的性質(zhì)和氣體的液化晶體和晶體點陣液體性質(zhì)的微觀解釋第七章經(jīng)典電磁學(xué)的建立與發(fā)展電磁現(xiàn)象的早期研究經(jīng)典電磁理論研究的開端電磁關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和電磁學(xué)研究的突破性進(jìn)展經(jīng)典電磁場理論的建立與發(fā)展一、電磁現(xiàn)象的早期研究吉爾伯特對電磁現(xiàn)象的研究電荷和電流的獲得及其重要意義電荷相互作用的定量研究1吉爾伯特電磁學(xué)研究成果及意義吉爾伯特（WilliamGilbert，1544～1603)英國物理學(xué)家和自然哲學(xué)家，近代磁學(xué)和電學(xué)的先驅(qū)者。1544年5月24日生于英格蘭的科爾切斯特,1558年入劍橋圣約翰學(xué)院，1561、1564和1569年先后獲得文學(xué)學(xué)士、碩士和醫(yī)學(xué)博士學(xué)位,1573年定居倫敦行醫(yī),1601年被任命為皇家醫(yī)生。終身未婚。1603年12月10日（儒略歷11月30日）在倫敦逝世。吉爾伯特電磁學(xué)研究成果及意義吉爾伯特的主要著作有《論磁性，磁體和巨大地磁體》(1600)和《我們地上世界的新哲學(xué)》（1651，是由他兄弟將其手稿編輯出版的）。前一著作共分6卷,分別講述了磁的歷史和5種磁運動,即天然磁石的吸引力與琥珀的吸引力的區(qū)別；磁針的指極性；地磁場的變化地磁偏角）；地磁傾角；磁致轉(zhuǎn)動及其與地球和天體運動的關(guān)系。后一著作分兩部分，第一部分提出“土”是構(gòu)成世界的唯一元素，否認(rèn)“土”、“水”、“氣”、“火”四元素說,并認(rèn)為“土”有磁性,無磁性的固體是“土”的退化形式，流體是“土”的流出物；第二部分討論了彗星、銀河、云、風(fēng)、虹等問題。吉爾伯特電磁學(xué)研究成果及意義對電與磁進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)它們的本質(zhì)區(qū)別根據(jù)帶電體的共同特性，提出解釋電現(xiàn)象的理論設(shè)計、制作實驗用的驗電器，并進(jìn)行了系列實驗研究2電荷和電流的獲得及其重要意義電荷的獲得萊頓瓶的發(fā)明和“電容”概念的建立富蘭克林的電學(xué)成就電流的產(chǎn)生與研究萊頓瓶的發(fā)明和“電容”概念的建立1745年荷蘭萊頓的P.van穆申布魯克為了避免電在空氣中逐漸消失，尋找到一種保存電的辦法，他所發(fā)明的裝置即被稱為萊頓瓶。這種貯存電的方法稍早也被德國的E.G.von克萊斯特獨立地發(fā)現(xiàn)。萊頓瓶的發(fā)現(xiàn)為電的進(jìn)一步研究提供了條件，它對于電的知識的傳播起了重要的作用。伏打電堆的發(fā)明和持續(xù)電流的獲得18世紀(jì)后期電學(xué)的另一個重要的發(fā)展是意大利物理學(xué)家A.伏打發(fā)明了電池。在這之前，電學(xué)實驗只能用摩擦起電機的萊頓瓶進(jìn)行，而它們只能提供短暫的電流。1780年意大利的解剖學(xué)家L.伽伐尼偶然觀察到在放電火花附近與金屬相接觸的蛙腿發(fā)生抽動。為了找出這一理象的原因，他進(jìn)一步實驗卻意外地發(fā)現(xiàn)若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，則當(dāng)兩種金屬相碰對，蛙腿也會發(fā)生抽動。伽伐尼沒有弄清楚其中的原因，他稱之為“生物電”。1792年,伏打仔細(xì)研究之后,認(rèn)為蛙腿的抽動不過是一種對于電流的靈敏反應(yīng)，電流是兩種不同金屬插在一定的溶液內(nèi)并構(gòu)成回路時產(chǎn)生的，而肌肉提供了這種溶液?；谶@一思想，1799年他制造了第一個能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學(xué)電池，其裝置為一系列按同樣順序疊起來的銀片、鋅片和用鹽水浸泡過的硬紙板組成的柱體,叫做伏打電堆。當(dāng)導(dǎo)線連接兩端的導(dǎo)體時導(dǎo)線中產(chǎn)生持續(xù)電流A.伏打(1745～1827)在演示電堆實驗(1801)3電荷相互作用的定量研究18世紀(jì)后期,開始了電荷相互作用的定量研究1776年，J.普里斯特利根據(jù)他的實驗發(fā)現(xiàn)帶電金屬容器內(nèi)表面沒有電荷，猜測電力與萬有引力有相似的規(guī)律，兩個電荷之間的作用力與它們之間距離的二次方成反比，但他未能予以證明。1769年，J.魯賓孫通過作用在一個小球上電力和重力平衡的實驗，第一次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比?？ㄎ牡鲜布捌潆妼W(xué)實驗卡文迪什英國物理學(xué)家和化學(xué)家。1731年10月10日生于法國尼斯。1749年進(jìn)劍橋的圣彼得學(xué)院求學(xué)，未及畢業(yè)，于1753年去歐洲大陸。不久回倫敦，在他父親（是一位實驗科學(xué)家）的實驗室中從事科學(xué)研究工作。1760年被選為英國皇家學(xué)會會員，他還是法國科學(xué)院的外國院士。1810年2月24日在倫敦逝世。HenryCavendish，1731～1810卡文迪什在物理學(xué)方面較重大的貢獻(xiàn)是1798年所完成的著名實驗，被稱為卡文迪什實驗。在這個實驗中他使用了一臺靈敏度很高的扭秤，其主要部分是一根松木的水平桿，桿中央用一根金屬絲懸吊著。他所用的金屬扭絲是39英寸長的鍍銀銅絲;在長6英尺的松木桿的兩端，各固定一個直徑為2英寸的鉛球擺錘;還用一對直徑為12英寸的固定著的鉛球來吸引這兩個可隨木桿擺動的球?？ㄎ牡鲜哺鶕?jù)所觀察到的扭秤的擺動周期計算出兩個鉛球的引力，然后由計算得到的引力推算出地球的質(zhì)量和密度。他所獲得的地球密度為水密度的5.481倍,僅比現(xiàn)在的數(shù)值(5.517g/cm)略小一點。由這一實驗可推算出引力常數(shù),因此使萬有引力定律不再是一種概念性的陳述，而是一條定量的適用于地面上一切物體的精確定律了。英國物理學(xué)家J.H.坡印廷在《地球》一書中寫道：“……卡文迪什實驗開創(chuàng)了測量弱力的新時代?！笨ㄎ牡鲜策@個實驗所用的方法，構(gòu)思精巧,至今仍可應(yīng)用,并成為精微測定技術(shù)的先河。1773年，H.卡文迪什根據(jù)他實驗中導(dǎo)體球內(nèi)表面檢測不到的電荷數(shù)量推算出電力與距離成反比的方次與2相差最多不超過百分之二他的這一實驗是近精確驗證電力定律的雛形，可是他的這一實驗以及其他重要實驗成果到1879年才由J.C.麥克斯韋整理公諸于世。H.卡文迪什驗證靜電力遵從“平方反比律”的同心球?qū)嶒炑b置(復(fù)制品)CavendishLaboratory

卡文迪什把自己畢生精力獻(xiàn)給了科學(xué)事業(yè)，一生過著儉樸的生活，逝世后留下的大量財產(chǎn)，大部分給了他的侄子G.卡文迪什，后來他的家族在1871年捐贈了一大筆資金給劍橋大學(xué)建立物理實驗室。這個實驗室在1874年建成，為紀(jì)念他而定名為卡文迪什實驗室。它在接連若干任杰出的科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下對近代物理學(xué)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)?？ㄎ牡鲜矊嶒炇壹从鴦虼髮W(xué)的物理學(xué)系?；I建于1871年，是世界上最有聲望的物理學(xué)研究和教育的中心之一;對近100年來物理學(xué)的發(fā)展起過非常出色的作用，前后培養(yǎng)出諾貝爾獎金獲得者共達(dá)26人。主持這個實驗室的歷屆教授是:J.C.麥克斯韋(1871～1879)、瑞利(1879～1884)J.J.湯姆孫(1885～1919)、E.盧瑟福(1919～1937)W.L.布格(1938～1953)N.F.莫脫(1953～1971)、A.B.皮帕德(1971～1978)、A.H.考克(1979～1984)、S.愛德華(1984～)?？ㄎ牡鲜矊嶒炇遥–avendishlaboratory）現(xiàn)址二、經(jīng)典電磁理論研究的開端庫侖及其主要物理學(xué)成就庫侖扭秤實驗及庫侖定律的建立靜電學(xué)數(shù)學(xué)理論的發(fā)展庫侖是法國工程師和物理學(xué)家。1736年6月14日生于昂古萊姆。他的最大貢獻(xiàn)是在研究靜電力和靜磁力方面的成就。庫侖在中學(xué)時期就愛好數(shù)學(xué)和物理，后來在梅濟(jì)耶爾進(jìn)工程學(xué)校，1761年畢業(yè)，入法國兵工團(tuán)任技術(shù)軍官，三年后又被派往加勒比海法屬馬提尼克島擔(dān)任建造波旁要塞的工程師。1772年回國，從此開始科學(xué)研究工作，1781年被選為法國科學(xué)院院士。1806年8月23日在巴黎逝世。CharlesAugustindeCoulomb，1736～1806庫侖先在應(yīng)用力學(xué)，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、梁的斷裂、磚石建筑土力學(xué)、摩擦理論、扭力等方面做了許多工作,他也是測量人在不同工作條件下做的功（人類工程學(xué)）的第一個嘗試者。由于這些卓越成就，他被認(rèn)為18世紀(jì)歐洲偉大工程師之一。1773年法國科學(xué)院懸獎?wù)髑蟾倪M(jìn)船用指南針的方案，庫侖就在此時開始轉(zhuǎn)而研究靜電力和靜磁力。他注意到以往把磁針軸托在細(xì)小支點上不免要受到摩擦力的影響，就改用頭發(fā)絲或蠶絲把它懸掛起來以消除摩擦所引起的誤差。這一改進(jìn)使他獲得了1777年法國科學(xué)院的獎金。他同時還測得作用在細(xì)絲上的扭力與磁針偏轉(zhuǎn)的角度成正比，從而能計算磁力的大小。這就使他提出了一種可以精確測量微小力的扭秤。

庫侖1785年論文中的插圖──庫侖扭秤為了用扭秤測量磁力，庫侖還對金屬細(xì)絲(懸絲)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了許多理論和實驗研究，并于1784年提出了細(xì)絲中轉(zhuǎn)矩的正確公式1785～1789年間他用扭秤非常精確地測量了靜電力和靜磁力，并總結(jié)出一條現(xiàn)稱為庫侖定律的著名定律，即靜電或磁的吸引或排斥力都與距離二次方成反比。三、電磁關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和電磁學(xué)研究的突破性進(jìn)展電與磁之間關(guān)系的早期探索電流磁效應(yīng)的偉大發(fā)現(xiàn)安培定律的建立和分子電流假說歐姆定律的建立電流磁效應(yīng)的偉大發(fā)現(xiàn)奧斯特（HansChristianOersted，1777～1851)丹麥物理學(xué)家,電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者。1777年8月14日他生于丹麥魯茲克賓城的一個藥劑師家庭，1794年考入哥本哈根大學(xué)，1799年獲哲學(xué)博士學(xué)位。1801～1803年間，他先后到德國和法國游學(xué)，受到I.康德和F.謝林關(guān)于自然力統(tǒng)一的思想的熏陶。1806年他擔(dān)任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授，1824年倡議成立丹麥自然科學(xué)促進(jìn)會，1829年出任哥本哈根理工學(xué)院院長，直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。奧斯特從事物理學(xué)和化學(xué)許多方面的研究，主要的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。自從18世紀(jì)80年代末C.A.de庫侖根據(jù)電荷可以傳導(dǎo)、磁荷不能傳導(dǎo)的事實進(jìn)一步肯定電和磁是不相同的實體以后，當(dāng)時的物理學(xué)家如A.-M.安培和J.-B.畢奧都認(rèn)為電和磁不會有任何聯(lián)系。奧斯特在康德的哲學(xué)引導(dǎo)下，堅信電力和磁力有著共同的根源。1820年4月他觀察到通電導(dǎo)線擾動磁針的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，從而徹底否定了那種不正確的觀點。論文在7月21日發(fā)表后在歐洲引起了很大反響。奧斯特的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了安培對電磁力的研究(1820～1827)。這方面的研究工作發(fā)展迅速，同年12月就導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了畢奧－薩伐爾定律，并由此導(dǎo)致電與磁關(guān)系的一系列發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用廣泛的電磁鐵的出現(xiàn)。四、經(jīng)典電磁場理論的建立與發(fā)展電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)力線和場概念的形成與發(fā)展麥克斯韋電磁場理論的建立位移電流假說和電磁波的檢驗麥克斯韋之后電磁學(xué)的發(fā)展1法拉第及其物理學(xué)成就法拉第偉大的英國物理學(xué)家、化學(xué)家。法拉第出身貧寒，自學(xué)成才，工作勤奮，熱心科普工作，是實驗大師。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象、法拉第電解定律和磁致旋光效應(yīng)，提出了力線和場的概念，主張自然界的各種力相互有關(guān)，反對超距作用的觀點。J.C.麥克斯韋電磁場理論是在法拉第工作的基礎(chǔ)上建立的。

MichaelFaraday，1791～1867早期科學(xué)工作法拉第的第一篇科學(xué)論文曾發(fā)表于1816年。從1818年起他和J.斯托達(dá)特合作，研究合金鋼，首創(chuàng)了金相分析方法。1820年他用取代反應(yīng)制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流能使其周圍的磁針偏轉(zhuǎn)以后，引起研究電和磁的關(guān)系的熱潮。法拉第研究了這方面的問題,并在1821年9月發(fā)現(xiàn)通電流的導(dǎo)線能繞磁鐵旋轉(zhuǎn)，這是他的第一個重要發(fā)現(xiàn)。1823年，他發(fā)現(xiàn)了氯氣和其他氣體的液化方法。1824年1月,法拉第當(dāng)選為皇家學(xué)會會員,1825年2月任皇家研究所實驗室主任。同年，發(fā)現(xiàn)苯，為芳香族化合物的研究和應(yīng)用開辟了道路；并開始研究光學(xué)玻璃的制造技術(shù)。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和場的概念的誕生從1831年起，法拉第的科學(xué)工作進(jìn)入一個新階段。早在1824年，他就論證過，既然電對磁有作用，那末磁也應(yīng)當(dāng)對電有反作用。經(jīng)過多次實驗,他終于在1831年8月獲得成功。他在一個圓形軟鐵環(huán)兩邊繞上A、B兩組線圈,在A組線圈同伏打電池接通或切斷的瞬間,B組線圈中會感生出電流，法拉第把這叫做“伏打電感應(yīng)”。10月又發(fā)現(xiàn)，磁鐵和導(dǎo)線的閉合回路有相對運動時，回路中會產(chǎn)生感生電流，法拉第稱之為“磁電感應(yīng)”。伏打電感應(yīng)孕育了變壓器的誕生，磁電感應(yīng)預(yù)告了發(fā)電機的出現(xiàn)。這兩類電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為電在未來的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這項工作獲得了皇家學(xué)會的科普利獎?wù)?。法拉第實驗中用過的螺繞環(huán)

法拉第的手稿之一頁受電磁感應(yīng)啟示，法拉第直覺地揣測到磁鐵周圍是一個充滿力線的場，感生電流的產(chǎn)生是由于導(dǎo)體切割力線。1832年3月12日，他在文稿中寫道:“……使我相信，磁的作用是漸進(jìn)的，是需要時間的，”“有理由假設(shè)，電（壓）的感應(yīng)也是以類似的漸進(jìn)方式進(jìn)行的。”這是物理學(xué)史上第一次認(rèn)真地向力的超距作用概念提出的挑戰(zhàn)。2麥克斯韋電磁場理論的建立麥克斯韋是19世紀(jì)偉大的英國物理學(xué)家。1831年6月13日生于愛丁堡。幼時隨父鄉(xiāng)居,在父親的誘導(dǎo)下學(xué)習(xí)科學(xué),不滿10歲就隨父到愛丁堡皇家科學(xué)院聽演講。16歲時入愛丁堡大學(xué),3年后轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)研習(xí)數(shù)學(xué)；1854年以優(yōu)異成績在該校三一學(xué)院數(shù)學(xué)系畢業(yè)后，留校任職兩年。

JamesClerkMaxwell，1831～1879

1856年到蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學(xué)院任自然哲學(xué)教授，兩年后和院長的女兒K.M.杜瓦結(jié)婚。1860年向其母校愛丁堡大學(xué)申請自然哲學(xué)教授職位未成，同年秋季去倫敦任國王學(xué)院的自然哲學(xué)及天文學(xué)教授，并和M.法拉第時有往還，在學(xué)術(shù)上取得了杰出的成就。1865年辭去教職回鄉(xiāng)，專心治學(xué)和著述。1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪什實驗物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建該校的第一所物理學(xué)實驗室──卡文迪什實驗室，1874年建成后擔(dān)任（第一任）主任，1879年11月5日在劍橋逝世。電磁場理論建立“三部曲”（1）麥克斯韋約于1855年開始研究電磁學(xué)。他在那年的12月10日和次年的2月11日,分兩個部分發(fā)表了題為《論法拉第的力線》的論文，文中給出了電流和磁場之間的微分關(guān)系式。這是他利用數(shù)學(xué)工具來表述力線概念的最初嘗試。（2）1861—1862年麥克斯韋發(fā)表了《論物理的力線》一文。他在這篇論文中構(gòu)想了電磁作用的力學(xué)模型，并由此引入了位移電流的概念，對法拉第電磁學(xué)作出了實質(zhì)性的增補。（3）1864年12月8日,麥克斯韋在英國皇家學(xué)會的集會上宣讀了題為《電磁場的動力學(xué)理論》的重要論文，在這篇論文中，他為他的力學(xué)模型，找到了明確的電磁學(xué)依據(jù)，對前人和他自己的工作進(jìn)行了概括，位移電流作為和電荷守恒定律相容的一個前提。在此基礎(chǔ)上提出了聯(lián)系著電荷、電流和電場、磁場的基本微分方程組。這一方程組經(jīng)過后人的整理和改寫，就成了作為經(jīng)典電動力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。3位移電流假說和電磁波的檢驗電磁場的波動方程，是麥克斯韋方程組的數(shù)學(xué)推論。正是通過這樣的理論途徑，麥克斯韋預(yù)見了電磁波的存在，而這種理論預(yù)見后來得到了充分的實驗證實。赫茲實驗發(fā)現(xiàn)電磁波的存在1887年，H.R.赫茲首先用實驗方法證實了電磁波的存在。赫茲在他所著《電波》的序言中寫道，對電磁波現(xiàn)象的了解，不可能單純從理論的推理得到。他還寫到，他的“實驗?zāi)康氖菫榱蓑炞C法拉第、麥克斯韋理論的基本假說，而實驗所得到結(jié)果，則是證實了這一理論的假說”。赫茲用電感和電容充放電的高頻振蕩，成功地產(chǎn)生了電磁波。他的接收器是一個開路的導(dǎo)線回路，其一端是黃銅制的圓頭，另一端是尖細(xì)的銅絲。當(dāng)接收端出現(xiàn)微弱的電火花時，就可知檢測到了從發(fā)射器射來的電磁波。H.R.赫茲(1857～1894)的電磁波實驗裝置(復(fù)制品)赫茲還用放大尺寸的方法模擬各種光學(xué)設(shè)備，以便于將電磁波聚焦，確定其極化方向，使波發(fā)生反射和折射，進(jìn)行干涉、衍射，形成駐波，測量其波長……等等。赫茲的實驗不僅證實了電磁波的存在，而且從實驗方面顯示了光和電磁波的同一性。4麥克斯韋之后電磁學(xué)的發(fā)展亥姆霍茲的電動力學(xué)及其影響赫茲對電磁場理論的研究及其貢獻(xiàn)洛倫茲《電子論》及其歷史作用第八章經(jīng)典光學(xué)的建立與發(fā)展幾何光學(xué)的發(fā)展人們對光的本性的認(rèn)識光譜學(xué)研究成果及其意義一、幾何光學(xué)的發(fā)展折射定律的建立望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的發(fā)明色散的研究1折射定律的建立正確的光的折射律是由萊頓的一位數(shù)學(xué)教授威里布里德·斯涅爾（WillebrodSnell，公元1591－1626）在公元1621年發(fā)現(xiàn)的；斯涅爾發(fā)現(xiàn)對于介于兩介質(zhì)的給定界面說來，入射角的正弦和折射角的正弦總是相互保持同一比例，這個比例就叫做這個界面的折射率。

這個定律在公元1637年第一次被笛卡兒公諸于世，因為笛卡兒設(shè)想光由微粒形成并且走的是快速直線運動，現(xiàn)在他企圖用這種微粒說來解釋斯涅爾的定律和其他光學(xué)現(xiàn)象。笛卡兒認(rèn)為光的反射只是微粒根據(jù)力學(xué)定律從一個彈性面上彈回來。同樣，光從密介質(zhì)進(jìn)入稀介質(zhì)的折射可以比擬為球穿過一片薄布一樣。球速和布面成直角的分力因布的阻力而減弱了，但是和布平行的分力則照舊不變。

因此球的全部速度將會減弱，而它的軌跡將會向布彎去，就象光從密介質(zhì)通向稀介質(zhì)時彎向界面一樣。這個比喻暗示光在密介質(zhì)中比在稀介質(zhì)中走得快。笛卡兒說，如果我們記著球沿著硬而重的桌子滾動比滾過一塊軟而輕的地毯容易得多，我們對這里的效果就滿可以懂得了。

2望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的發(fā)明早在公元前5～前4世紀(jì),中國古著作《墨經(jīng)》就指出，用凹面鏡可以獲得一個縮小倒立的像和一個放大正立的像，這是人類關(guān)于物體放大或縮小的最早記載。1610年左右，伽利略首創(chuàng)兩級放大的顯微鏡。后來荷蘭A.van列文虎克研制成放大率達(dá)二百多倍、分辨率為1.4m的顯微鏡。1807年H.van代耳最早研制出消色差顯微物鏡。1827年G.B.阿米奇發(fā)明了孔徑角高達(dá)120的三組消色差物鏡,1850年阿米奇又提出浸液物鏡1873年E.阿貝提出顯微鏡二次衍射成像概念，接著阿貝又于1886年研制成功復(fù)消色差顯微物鏡。雖然顯微鏡早在17世紀(jì)初就發(fā)明了，但直到19世紀(jì)中葉才開始獲得應(yīng)用。19世紀(jì)末的40～50年間，理論和技術(shù)急速發(fā)展并接近完善，光學(xué)顯微鏡的物鏡、目鏡及基本結(jié)構(gòu)也已大體確定。近代致力于發(fā)展研究用顯微鏡，以滿足各個領(lǐng)域的需要。伽利略望遠(yuǎn)鏡伽利略制成的望遠(yuǎn)鏡，可以觀察到物體的正像。經(jīng)過改進(jìn)后,其倍率由3逐步增大到33；不但指向星空，還可應(yīng)用于船艦要塞，取得空前豐碩的發(fā)現(xiàn)成果。這種望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡單，而其倍率和分辨本領(lǐng)受球差和色差的限制較大。伽利略的望遠(yuǎn)鏡二、人們對光的本性的認(rèn)識惠更斯與牛頓之爭楊氏雙縫實驗波動光學(xué)的興起楊，T.英國物理學(xué)家、考古學(xué)家、醫(yī)生，光的波動說的奠基人之一。1773年6月13日生于米爾弗頓，1829年5月10日在倫敦逝世。楊自幼天資過人，14歲就通曉拉丁、希臘、法、意、希伯萊、波斯、阿拉伯等多種語言，一生在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、哲學(xué)、語言、考古等廣泛的領(lǐng)域作了大量工作。ThomasYoung，1773～1829楊在行醫(yī)時就開始研究感官的知覺作用，1793年寫了第一篇關(guān)于視覺的論文，發(fā)現(xiàn)了眼睛中晶狀體的聚焦作用，1801年發(fā)現(xiàn)眼睛散光的原因，由此進(jìn)入了光學(xué)的研究領(lǐng)域當(dāng)時I.牛頓的微粒說已經(jīng)統(tǒng)治了100多年，1800年楊在《關(guān)于聲和光的實驗與研究提綱》中，對比聲與光的性質(zhì)，懷疑微粒說的正確性。1801年他讓光通過兩個靠近的針孔投射到屏上，發(fā)現(xiàn)兩束光被散開并重疊，出現(xiàn)了明暗相間的條紋。這就是物理學(xué)上著名的楊氏實驗，后來又把針孔改成縫，后稱楊氏雙縫實驗。他用這個實驗首先引入干涉概念論證了波動說，又利用波動說解釋了牛頓環(huán)的成因和薄膜的彩色。他還第一個測量了7種顏色光的波長。楊氏雙縫干涉實驗示意圖楊對人眼感知顏色的問題作了研究，他提出：只要有3種基本顏色就可以構(gòu)成全部彩色,這就是三原色理論，是現(xiàn)代繪畫、印刷、電視、照像等技術(shù)的基本原理。楊還有一些其他的物理成就，例如首先使用運動物體的能量一詞來代替活力；描述材料彈性的楊氏模量就是以他的姓氏命名的。三、光譜學(xué)研究成果及其意義光譜學(xué)資料的積累氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)里德伯公式第三篇現(xiàn)代物理學(xué)19—20世紀(jì)之交的物理學(xué)發(fā)展相對論的建立與發(fā)展量子力學(xué)的建立與發(fā)展原子核和粒子物理學(xué)的發(fā)展凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展現(xiàn)代場物理學(xué)的發(fā)展生物物理學(xué)的發(fā)展當(dāng)代物理學(xué)在中國的發(fā)展第九章19—20世紀(jì)之交的物理學(xué)發(fā)展歷史概述X射線和電子的發(fā)現(xiàn)“以太漂移”的探索黑體輻射的研究經(jīng)典物理學(xué)的“危機”一、歷史概述19世紀(jì)末，物理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，幾個主要部門——力學(xué)、熱力學(xué)和分子運動論、電磁學(xué)以及光學(xué)，都已經(jīng)建立了完整的理論體系，在應(yīng)用上也取得了巨大成果。這時物理學(xué)家普遍認(rèn)為，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頂，偉大的發(fā)現(xiàn)不會再有了，以后的任務(wù)無非是在細(xì)節(jié)上作些補充和修正，使常數(shù)測得更精確而已。然而，正在這個時候，從實驗上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，打破了沉悶的空氣，把人們的注意力引向更深入、更廣闊的天地，從而揭開了現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕。從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的1895年開始，到1905年愛因斯坦發(fā)表三篇著名論文為止，在這10年左右世紀(jì)之交的年代里，具有重大意義的實驗發(fā)現(xiàn)如下頁表。19—20世紀(jì)之交物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)這一系列的發(fā)現(xiàn)集中在世紀(jì)之交的年代里不是偶然的，是生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。特別是電力工業(yè)的發(fā)展，電氣照明開始廣泛應(yīng)用，促使科學(xué)家研究氣體放電和真空技術(shù)，才有可能發(fā)現(xiàn)陰極射線，從而導(dǎo)致了X射線和電子的發(fā)現(xiàn)，而X射線一旦發(fā)現(xiàn)，立即取得了廣泛應(yīng)用，又掀起了人們研究物理學(xué)的熱潮。所以，隨著X射線的發(fā)現(xiàn)而迅速展開的這一場物理學(xué)革命，有其深刻的社會背景和歷史淵源。本章將分三個方面介紹與物理學(xué)革命關(guān)系最密切的一些實驗發(fā)現(xiàn)。X射線、放射性和電子是世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)。由于電子的發(fā)現(xiàn)直接與陰極射線的研究有關(guān)，我們先講這件事。放射性的發(fā)現(xiàn)打開了核物理學(xué)的大門，因此留到后面再講。二、X射線和電子的發(fā)現(xiàn)電子的發(fā)現(xiàn)X射線的發(fā)現(xiàn)“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1電子的發(fā)現(xiàn)陰極射線是低壓氣體放電過程出現(xiàn)的一種奇特現(xiàn)象。早在1858年就由德國物理學(xué)家普呂克爾（JuliusPlücker，1801—1868）在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時他看到正對陰極的管壁發(fā)出綠色的熒光。1876年，另一位德國物理學(xué)家哥爾茨坦（EügenGoldstein，1850—1930）認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種射線，并命名為陰極射線。他根據(jù)這一射線會引起化學(xué)作用的性質(zhì)，判斷它是類似于紫外線的以太波。這一觀點后來得到了赫茲等人的支持。1871年，英國物理學(xué)家瓦爾利（C.F.Varley，1828—1883）從陰極射線在磁場中受到偏轉(zhuǎn)的事實，提出這一射線是由帶負(fù)電的物質(zhì)微粒組成的設(shè)想。他的主張得到本國人克魯克斯（WilliamCrookes，1832—1919）和舒斯特的贊同。于是在19世紀(jì)的后30年，形成了兩種對立的觀點：德國學(xué)派主張以太說，英國學(xué)派主張帶電微粒說。雙方爭持不下，誰也說服不了誰。為了找到有利于自己觀點的證據(jù)，雙方都做了許多實驗?？唆斂怂棺C實陰極射線不但能傳遞能量，還能傳遞動量。他認(rèn)為陰極射線是由于殘余氣體分子撞到陰極，因而帶上了負(fù)電，又在電場中運動形成“分子流”。以太論者不同意這一說法，用實驗加以駁斥。哥爾茨坦做了一個很精確的光譜實驗。他用一根特制的L形放電管，電極A、B可以互換，輪流充當(dāng)陰極，用光譜儀觀測譜線，如下圖所示。如果陰極射線是分子流，它發(fā)出的光應(yīng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即光的頻率應(yīng)與分子流速度方向有關(guān)。可是，不管是那一端發(fā)出陰極射線，譜線的波長都沒有改變。這就證明了分子流之說站不住腳。以太論者認(rèn)為這是對以太說的一個支持。赫茲和勒納德的實驗研究赫茲和他的學(xué)生勒納德（PhilippLenard，1862—1947）也做了許多實驗來證明自己的以太理論。赫茲做的真空管中電流分布的實驗，“證明”陰極射線的走向與真空管中電流的分布無關(guān)。他還在陰極射線管中加垂直于陰極射線的電場，卻沒有看到陰極射線受到任何偏轉(zhuǎn)。這兩個實驗不成功的原因是因為當(dāng)時不了解低壓狀態(tài)下氣體導(dǎo)電機制的復(fù)雜性。赫茲做的另一實驗則是成功的。1891年，他注意到陰極射線可以象光透過透明物質(zhì)那樣地透過某些金屬薄片。1894年，勒納德發(fā)表了更精細(xì)的結(jié)果。他在陰極射線管的末端嵌上厚僅0.000265厘米的薄鋁箔作為窗口，如下圖所示，發(fā)現(xiàn)從鋁窗口會逸出射線。在空氣中穿越約1厘米的行程。他們認(rèn)為這又是以太說的有力證據(jù)，因為只有波才能穿越實物。佩蘭的實驗研究微粒說者也在積極尋找證據(jù)。1895年法國物理學(xué)家佩蘭（JeanBaptistePerrin，1870—1942）將圓桶電極安裝在陰極射線管中，用靜電計測圓桶接收到的電荷。結(jié)果確是負(fù)電。他支持帶電微粒說，發(fā)表論文表示了自己的觀點。但是他的實驗無法作出判決性的結(jié)論。因為反對者會反駁說：佩蘭測到的不一定就是陰極射線所帶的電荷。佩蘭測陰極射線的電荷(其中B是陽極，C是陰極，F(xiàn)是法拉第圓桶)J.J.湯姆生的系列實驗和重要發(fā)現(xiàn)對陰極射線的本性作出正確答案的是英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室教授J.J.湯姆生（JosephJohnThomson，1856—1940）。他從1890年起，就帶領(lǐng)自己的學(xué)生研究陰極射線?？唆斂怂购褪嫠固氐乃枷雽λ苡杏绊?。他認(rèn)為帶電微粒說更符合實際，決心用實驗進(jìn)行周密考察，找出確鑿證據(jù)。為此，他進(jìn)行了以下幾方面的實驗：（1）直接測陰極射線攜帶的電荷。J.J.湯姆生將佩蘭實驗作了一些改進(jìn)。他把聯(lián)到靜電計的電荷接受器（法拉第圓桶）安裝在真空管的一側(cè)，如下圖所示。平時沒有電荷進(jìn)入接收器。用磁場使射線偏折，當(dāng)磁場達(dá)到某一值時，接收器接收到的電荷猛增，說明電荷確是來自陰極射線。J.J.湯姆生測陰極射線所帶電荷的實驗裝置（2）使陰極射線受靜電偏轉(zhuǎn)。J.J.湯姆生重復(fù)了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)實驗，起初也得不到任何偏轉(zhuǎn)。后來經(jīng)仔細(xì)觀察，注意到在剛加上電壓的瞬間，射束輕微地擺動了一下。他馬上領(lǐng)悟到，這是由于殘余氣體分子在電場的作用下發(fā)生了電離，正負(fù)離子把電極上射線所帶電荷的實驗裝置的電壓抵消掉了。顯然這是由于真空度不夠高的原因。于是，他在實驗室技師的協(xié)助下努力改善真空條件，并且減小極間電壓，終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。這樣，J.J.湯姆生就獲得了駁斥以太說的重要證據(jù)。（3）用不同方法測陰極射線的荷質(zhì)比。一種方法是在下圖的管子兩側(cè)各加一通電線圈，以產(chǎn)生垂直于電場方向的磁場。然后根據(jù)電場和磁場分別造成的偏轉(zhuǎn)，計算出陰極射線的荷質(zhì)比e/m與微粒運動的速度。J.J.湯姆生靜電偏轉(zhuǎn)管實驗示意圖另一種方法是測量陽極的溫升，因為陰極射線撞擊到陽極，會引起陽極的溫度升高。J.J.湯姆生把熱電偶接到陽極，測量它的溫度變化。根據(jù)溫升和陽極的熱容量可以計算粒子的動能，再從陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)的曲率半徑，推算出陰極射線的荷質(zhì)比與速度。兩種不同的方法得到的結(jié)果相近，荷質(zhì)比都是e/m≈10<11庫侖/千克。（4）證明電子存在的普遍性。J.J.湯姆生還用不同的陰極和不同的氣體做實驗，結(jié)果荷質(zhì)比也都是同一數(shù)量級，證明各種條件下得到的都是同樣的帶電粒子流，與電極材料無關(guān)，與氣體成分也無關(guān)。1897年4月30日，J.J.湯姆生向英國皇家研究所報告了自己的工作，隨即又以《論陰極射線》為題發(fā)表論文，其中寫道：“陰極射線的載荷子比起電解的氫離子，m/e值小得多。m/e小的原因可能是m小，也可能是e大，或兩者兼而有之。我想，陰極射線的載荷子要比普通分子小。這可從勒納德的結(jié)果看出。”這里指的就是勒納德的薄窗實驗，只有把陰極射線的載荷子看成比普通分子小得多，才能解釋陰極射線透過薄鋁片的事實。接著，J.J.湯姆生和他的學(xué)生們用幾種方法直接測到了陰極射線載荷子所帶的電量，證明的確跟氫離子的帶電量相同。1899年，J.J.湯姆生采用斯坦尼（G.T.Stoney，1826—1911）的“電子”一詞來表示他的“載荷子”?！半娮印痹撬固鼓嵩?891年用于表示電的自然單位的。就這樣電子被發(fā)現(xiàn)了。但是J.J.湯姆生并不到此止步，他進(jìn)一步又研究了許多新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，以證明電子存在的普遍性。光電效應(yīng)是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的，但時隔十幾年，光電流的本質(zhì)仍未搞清。1899年，J.J.湯姆生用磁場偏轉(zhuǎn)法測光電流的荷質(zhì)比。得到的結(jié)果與陰極射線相近，證明光電流也是由電子組成的。熱電發(fā)射效應(yīng)是1884年愛迪生（ThomasEdison，1847—1931）發(fā)現(xiàn)的，所以也稱愛迪生效應(yīng)。愛迪生當(dāng)時正在研究白熾燈泡，發(fā)現(xiàn)燈泡里的白熾碳絲加熱后有負(fù)電逸出（如下圖所示）。1899年，J.J.湯姆生同樣用磁場截止法測其荷質(zhì)比，證明這一負(fù)電荷也是電子。熱電發(fā)射效應(yīng)實驗示意圖(金屬板上接收到負(fù)電荷)β射線是盧瑟福（ErnestRutherford，1871—1937）在1898年發(fā)現(xiàn)的，不久，貝克勒爾（HenriBecquer-el，1852—1908）用磁場和電場偏轉(zhuǎn)法測得β射線的荷質(zhì)比和速度，證明β射線是高速電子流。J.J.湯姆生掌握了大量的實驗事實，果斷地作出判斷：不論是陰極射線、β射線還是光電流，都是電子組成的；不論是由于強電場的電離、正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受灼熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射，都發(fā)射出同樣的帶電粒子——電子。這種帶電粒子比原子小千倍，可見，電子是原子的組成部分，是物質(zhì)的更基本的單元。這是一個非常重要的結(jié)論。原子不可分的傳統(tǒng)觀念徹底破滅了。2X射線的發(fā)現(xiàn)十九世紀(jì)末，陰極射線研究是物理學(xué)的熱門課題。許多物理實驗室都致力于這個方面。在德國的維爾茨堡大學(xué)，倫琴教授也對這個問題感興趣。他是一位治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、造詣很深的實驗物理學(xué)家。WilhelmConradRoentgen,1845—19232X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，他又到實驗室工作，一個偶然事件吸引了他的注意。當(dāng)時，房間一片漆黑，放電管用黑紙包嚴(yán)。他突然發(fā)現(xiàn)在不超過一米遠(yuǎn)的小桌上有一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發(fā)出閃光。他很奇怪，就移遠(yuǎn)熒光屏繼續(xù)試驗。2X射線的發(fā)現(xiàn)只見熒光屏的閃光，仍隨放電過程的節(jié)拍斷續(xù)出現(xiàn)。他取來各種不同的物品，包括書本、木板、鋁片等等，放在放電管和熒光屏之間，發(fā)現(xiàn)不同的物品效果很不一樣。有的擋不住，有的起阻檔作用。顯然從放電管發(fā)出了一種穿透力很強的射線。為了確證這一新射線的存在，并且盡可能了解它的特性，倫琴用了6個星期深入地研究這一現(xiàn)象。2X射線的發(fā)現(xiàn)1895年底，他以通信方式將這一發(fā)現(xiàn)公之于眾。由于這一射線有強大的穿透力，能夠透過人體顯示骨骼和薄金屬中的缺陷，在醫(yī)療上和金屬檢測上有重大的應(yīng)用價值，因此引起了人們的極大興趣。一個月內(nèi)許多國家都競相開展類似的試驗并廣泛用之于醫(yī)療診斷。一股熱潮席卷歐美，盛況空前。2X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴在他的論文中把這一新射線稱為X射線，因為他當(dāng)時確實無法確定這一新射線的本質(zhì)。直到1912年，他的同胞勞厄（MaxvonLaue，1879—1960）才從晶體衍射的新發(fā)現(xiàn)判定X射線是頻率極高的電磁波。隨后，莫塞萊（H.G.J.Moseley）證實它是由于原子中內(nèi)層電子躍遷所發(fā)出的輻射。2X射線的發(fā)現(xiàn)X射線在人們研究陰極射線的過程中被發(fā)現(xiàn)是有其必然性的。因為正是高速電子打到靶子上，才有可能激發(fā)出這種高頻輻射。所以，即使不是倫琴，也一定還會有別人可能作出這一發(fā)現(xiàn)。然而，倫琴之所以能抓住這一機遇，又是和他一貫的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)、客觀的科學(xué)態(tài)度分不開的。所以，他作出這一發(fā)現(xiàn)也有其必然性。我們來介紹幾則事例，可由此看出倫琴比他人高明的地方。2X射線的發(fā)現(xiàn)1880年，那位主張以太說的哥爾茨坦在研究陰極射線時就注意到陰極射線管壁上會發(fā)出一種特殊的輻射，使管內(nèi)的熒光屏發(fā)光。當(dāng)時他正在為陰極射線是以太的波動這個錯誤論點辯護(hù)。他認(rèn)為這個現(xiàn)象正好說明了他的觀點，沒有想到要進(jìn)一步追查根源，于是就錯過了發(fā)現(xiàn)X射線的機會。2X射線的發(fā)現(xiàn)1895年以前許多人都知道照相底片不要存放在陰極射線裝置旁邊，否則有可能變黑。例如，英國牛津有一位物理學(xué)家叫斯密士（F．Smith），他發(fā)現(xiàn)保存在盒中的底片變黑了，這個盒子就擱在克魯克斯型放電管附近，他只叫助手以后把底片放到別處保存，沒有認(rèn)真追究原因。2X射線的發(fā)現(xiàn)1887年，早于倫琴發(fā)現(xiàn)X射線8年，克魯克斯也曾發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象。他把變黑的底片退還廠家，認(rèn)為是底片質(zhì)量有問題。1890年2月22日，美國賓夕法尼亞大學(xué)的古茨彼德（A.W.Goodspeed）也有過同樣的遭遇，甚至還拍攝到了物體的X光照片，但他沒有介意，隨手把底片扔到廢片堆里，被他遺忘了。6年后，得知倫琴宣布發(fā)現(xiàn)X射線，古茨彼德才想起這件事，重新加以研究。2X射線的發(fā)現(xiàn)1894年，J.J.湯姆生在測陰極射線的速度時，也作了觀察到X射線的記錄。他當(dāng)時沒有功夫?qū)ｉT研究這一現(xiàn)象，只在論文中提了一筆，說看到了放電管幾英尺遠(yuǎn)處的玻璃管上也發(fā)出熒光。勒納德是研究陰極射線的權(quán)威學(xué)者之一。他在研究不同物質(zhì)對陰極射線的吸收時，肯定也遇到了X射線。他后來在1906年獲諾貝爾物理獎的演說詞中說：“我曾做過好幾次觀測。當(dāng)時解釋不了，準(zhǔn)備留待以后研究。不幸沒有及時開始?！?X射線的發(fā)現(xiàn)不過，即使勒納德及時研究，也難于作出正確結(jié)論，因為直到倫琴宣布X射線的發(fā)現(xiàn)以后，他還堅持認(rèn)為X射線不過是速度無限大的一種陰極射線，把兩者混淆在一起。而倫琴則明確加以區(qū)分，認(rèn)為X射線是本質(zhì)上與陰極射線不同的一種新射線。把發(fā)現(xiàn)X射線的榮譽歸于倫琴，并授予諾貝爾首屆物理獎，倫琴是當(dāng)之無愧的。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)在研究陰極射線并測量其荷質(zhì)比時，人們遇到了一個奇特現(xiàn)象，電子的質(zhì)量會隨速度的增加而增加，這一事實為愛因斯坦狹義相對論提供了重要依據(jù)。不過，中間也有不少曲折。1878年羅蘭用實驗演示了運動電荷產(chǎn)生磁場的事實，促使人們開始研究運動帶電體的問題。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1881年，J.J.湯姆生首先提出，既然帶電體運動要比不帶電體需要外界作更多的功，帶電體的動能就要比不帶電體大，換言之，帶電體應(yīng)具有更大的質(zhì)量。后來，人們用“電磁質(zhì)量”來代表這一部分增加的質(zhì)量。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)J.J.湯姆生用麥克斯韋電磁理論計算半徑為a的導(dǎo)體球，設(shè)其所帶電荷為e，運動速度為v，則電磁質(zhì)量為：

其中μ為磁導(dǎo)率。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1889年，亥維賽（OliverHeaviside）改進(jìn)了湯姆生的計算，并推導(dǎo)出當(dāng)運動帶電體的速度接近光速c時，物體能量可達(dá)無窮大，條件是電荷集中在帶電球體的赤道線上。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1897年，舍耳（Searle）假設(shè)電子相當(dāng)于一無限薄的帶電球殼，計算其電磁質(zhì)量為：

其中β≡v/c.3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)這時，電子已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電子已被認(rèn)為是物質(zhì)的最小組成部分。人們開始注意在實驗中研究電磁質(zhì)量問題。1901年考夫曼（WaltherKaufmann，1871—1947）用β射線做實驗，證實電子的質(zhì)荷比確隨速度的增大而增大。第一次觀測到了電磁質(zhì)量。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1903年，阿伯拉罕（M.Abraham）用經(jīng)典電磁理論系統(tǒng)地研究了電磁質(zhì)量問題，導(dǎo)出了電磁質(zhì)量隨速度變化的關(guān)系：

式中m<0為電子的靜止質(zhì)量。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1904年，洛侖茲把收縮假設(shè)用于電子，推出如下關(guān)系：

這個關(guān)系也可以從愛因斯坦的狹義相對論推導(dǎo)出來，所以叫洛侖茲-愛因斯坦公式。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)然而，考夫曼的進(jìn)一步實驗卻傾向于經(jīng)典理論，他宣稱：“量度結(jié)果與洛侖茲-愛因斯坦的基本假設(shè)不相容。”對此，愛因斯坦在1907年寫道：“阿伯拉罕……的電子運動理論所給出的曲線顯然比相對論得出的曲線更符合于觀測結(jié)果。3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)但是，在我看來，那些理論在頗大程度上是由于偶然碰巧與實驗結(jié)果相符。因為它們關(guān)于運動電子質(zhì)量的基本假設(shè)不是從總結(jié)了大量現(xiàn)象的理論體系得出來的?！惫?，不久后，好幾個地方做了新的實驗，證明愛因斯坦的結(jié)果符合實際。就這樣，從經(jīng)典物理學(xué)提出的電磁質(zhì)量問題，反而成了相對論的重要證據(jù)。三、“以太漂移”的探索光行差的觀測以太觀念的興起菲涅耳提出部分曳引假說斐索的流水實驗麥克斯韋的建議邁克耳孫的干涉儀實驗邁克耳孫-莫雷實驗洛奇的轉(zhuǎn)盤實驗收縮假說的提出收縮假說的實驗驗證1光行差的觀測“以太漂移”問題是從光行差的觀測開始提出的。1725—1728年，英國天文學(xué)家布拉德雷（JamesBradley，1693—1762）對恒星的方位作了一系列的精確測量，把恒星一年四季的位置折算到天頂，發(fā)現(xiàn)都呈圓形軌跡。他百思不得其解。據(jù)說，由于有一次偶然他注意到所乘的船改變航向時，船上的旗幟飄向不同的方向，才領(lǐng)悟到這一現(xiàn)象是因為地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)所致。他寫道：“假想CA是一條光線，垂直地落到直線BD上，如果眼睛（指觀察者）靜止于A點，那么不管光的傳播需要時間還是只需瞬間，物體必然出現(xiàn)在AC方向上。但是，如果眼睛（觀察者）從B向A運動，而光的傳播又需要時間，光的速度與眼睛（觀察者）的速度比等于CA與BA之比，則當(dāng)眼睛（觀察者）從B運動到A時，光從C傳播到了A……”布拉德雷解釋光行差示意圖若用α表示∠ACB，v表示觀察者的速度，則tgα=v/c這一關(guān)系完全適用于天體的光行差現(xiàn)象，布拉德雷測到的α角為（40.5/2）“≈20”，代入上式，得：

c=v/α=3.1×1010

厘米/秒=3.1×105千米/秒，其中v=30千米/秒。這是光速的最早的數(shù)值。2以太觀念的興起以太觀念的提出可以追溯到古希臘時代。亞里士多德認(rèn)為天體間一定充滿有某種媒質(zhì)。笛卡兒1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為“虛空”是不可能存在的，整個宇宙充滿著一種特殊的易動物體——以太。由于太陽周圍以太出現(xiàn)旋渦，才造成行星圍繞太陽的運動。1678年惠更斯把光振動類比于聲振動，看成是以太中的彈性脈沖。但是后來由于光的微粒說占了上風(fēng)，以太理論受到壓抑。牛頓就認(rèn)為不需要以太。他主張超距作用，傾向于微粒說。1800年以后，由于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學(xué)說重新抬頭。在波動說的支持者看來，光既然是一種波，就一定要有一種載體。光能通過萬籟俱寂的虛空，證明在虛空中充滿這種載體，這就是以太。他們把以太看成是無所不在、絕對靜止、極其稀薄的剛性“物質(zhì)”。例如：1804年托馬斯·楊寫道：“光以太充滿所有物質(zhì)之中，很少受到或不受阻力，就像風(fēng)從一小叢林中穿過一樣”。但是，直到19世紀(jì)還沒有一個實驗?zāi)苤苯幼C明以太的實際存在。布拉德雷的觀測和阿拉果實驗之間的不協(xié)調(diào)開始揭示了以太理論的隱患。3菲涅耳提出部分曳引假說對于阿拉果的人眼選擇光速的假設(shè)，菲涅耳認(rèn)為很難令人信服。他在1918年給阿拉果寫信，指出這種解釋不可取。為了使兩個實驗的結(jié)果能夠協(xié)調(diào)，他提出了部分曳引假說，即在透明物體中，以太可以部分地被這一物體拖曳。他再假設(shè)透明物體的折射率決定以太的密度，令ρ與ρ<1分別表示真空中和透明物體中以太的密度，假設(shè)這些密度與折射率的平方成正比，則：其中c為真空中的光速，c<1為透明物體中的光速，n為透明物體的折射率。菲涅耳進(jìn)一步假設(shè)，真空中的以太是絕對靜止的，透明物體運動時，物體只能帶動多于真空的那一部分以太。所以，設(shè)透明物體相對于以太的速度為v，則以太重心的移動速度為：如果透明物體運動速度v與光的傳播方向一致，則在透明物體中，光的絕對速度等于：如n=1，則k=0，以太完全不受拖曳。這一結(jié)果既解釋了光行差現(xiàn)象，又解釋了阿拉果的實驗。1846年，英國物理學(xué)家斯托克斯（GeorgeGabrielStokes，1819—1903）對菲涅耳的假設(shè)表示異議，他認(rèn)為把以太分成不動和可動的兩部分不如假設(shè)物體能夠完全拖曳以太，在物體表面附近有一速度逐漸減慢的區(qū)域，在空間中以太完全靜止。他進(jìn)一步假設(shè)物體以速度v運動，在運動過程中密度為ρ的以太從前方進(jìn)入物體，立即壓縮成ρ<1，然后從后方放出。于是就有質(zhì)量為ρv的以太穿過單位面積，相當(dāng)于以太有一曳引系數(shù)為-ρv/ρ<1，所以光相對于物體的速度為：運動物體中光的絕對速度則為：與菲涅耳的結(jié)論一致，同樣也可解釋阿拉果的實驗。斯托克斯這一完全曳引假說似乎比菲涅耳部分曳引假說更合理些，但是由于不久就有實驗支持了菲涅耳，所以斯托克斯的假說不大受人重視。4斐索的流水實驗1851年斐索在流水中比較光速的實驗證明了菲涅耳公式。實驗原理如下圖所示。兩束光從光源S發(fā)出，經(jīng)半透射的鍍銀面G反射后，分別通過狹縫S<1和S<2進(jìn)入水管，一束順?biāo)鞣较?，一束逆水流方向，均?jīng)反射鏡M反射，在S＇處會合發(fā)生干涉。觀察干涉條紋，可以檢定由于受流水曳引形成的光程差。斐索流水實驗示意圖設(shè)光在水中的行程為2l，水流速度為v，以太被水流曳引，得到kv的速度，則兩束光到達(dá)S＇的時間會有差別，計算如下：條紋移動斐索的數(shù)據(jù)為：光的波長λ=5.26×10-7米（黃光），l=1.487米，水的n=1.33，v=7.059米／秒，觀察到條紋平均移動δ=0.23條。5麥克斯韋的建議直到1879年還沒有一個實驗?zāi)軠y出上述漂移速度。麥克斯韋很關(guān)心這件事，他在為《大英百科全書》撰寫的《以太》條目中寫道：“如果可以在地面上從光由一站到另一站所經(jīng)時間測到光速，那么我們就可以比較相反方向所測速度，來確定以太相對于地球的速度。然而實際上地面測光速的各種方法都取決于兩站之間的往返行程所增加的時間，以太的相對速度等于地球軌道速度，由此增加的時間僅占整個傳播時間的億分之一，所以的確難以觀察。”麥克斯韋建議用羅邁的方法從天體的運動觀測這一效應(yīng)。1879年3月19日，他寫信給美國航海歷書局的托德（D.P.Todd），詢問地球圍繞太陽運行于不同部位時，觀測到的木星衛(wèi)蝕有沒有足夠的精度來確定地球的絕對運動。信中又一次提到，“地面上測量光速的方法，光沿同樣的路徑返回，所以地球相對于以太的速度對雙程時間的影響取決于地球速度與光速之比的平方（v/c）<2，這個量太小，實難以測出?！边@封信被邁克耳孫讀到了。這時他正在托德所在的美國航海歷書局工作，協(xié)助這個局的局長紐科姆（SimonNewcomb，1835—1909）進(jìn)行光速測定。麥克斯韋的信件激勵他設(shè)計出了一種新的干涉系統(tǒng)，用兩束相干的彼此垂直的光比較光速的差異，從而對以太漂移速度進(jìn)行檢測。靈敏度達(dá)到了麥克斯韋要求的量級：億分之一。6邁克耳孫的干涉儀實驗邁克耳孫當(dāng)時是美國安那波利斯（Annapolis）海軍學(xué)院的一名物理教師，擅長光學(xué)測量。1879年靠紐科姆的幫助，赴歐洲學(xué)習(xí)。1880年，他在柏林大學(xué)的赫姆霍茲實驗室，利用德國光學(xué)儀器生產(chǎn)發(fā)達(dá)的優(yōu)越條件，創(chuàng)造性地進(jìn)行了干涉儀實驗。AlbertAbrahamMichelson，1852—1931下圖是邁克耳孫最初的干涉儀裝置。開始他在柏林大學(xué)做實驗，因震動干擾太大，無法進(jìn)行觀測，于是改到波茨坦天文臺的第一臺邁克耳孫干涉儀地下室，實驗在1881年4月完成?？墒牵龊踹~克耳孫的意料，他看到的條紋移動遠(yuǎn)比預(yù)期值小，而且所得結(jié)果與地球運動沒有固定的位相關(guān)系。于是邁克耳孫大膽地作出結(jié)論：“結(jié)果只能解釋為干涉條紋沒有位移。可見，靜止以太的假設(shè)是不對的?！钡谝慌_邁克耳孫干涉儀7邁克耳孫-莫雷實驗邁克耳孫1881年在波茨坦做的實驗遭到人們的懷疑，他自己也覺得不滿意。只是由于著名物理學(xué)家瑞利（LordRayleigh，1842—1919）和開爾文的鼓勵與催促，他才下決心跟莫雷（EdwardWilliamsMorley，1838—1923）合作，進(jìn)一步改進(jìn)干涉儀實驗。1886年開始，他們在美國克利夫蘭州的阿德爾伯特（Adel-bert）學(xué)院繼續(xù)實驗。為了提高儀器的穩(wěn)定性和靈敏度，他們把光學(xué)系統(tǒng)安裝在大石板上，如下圖所示。石板浮在水銀槽上，可以自由旋轉(zhuǎn)，改變方位。邁克耳孫-莫雷實驗裝置圖光路經(jīng)多次反射，光程延長至11米，如右圖所示。他們滿懷信心，認(rèn)為這一次一定有把握測出以太漂移速度。邁克耳孫-莫雷實驗光路圖然而，實驗的結(jié)果依然如故。他們一共觀測了4天，得到的曲線比預(yù)期值小得多。他們寫道：“觀測結(jié)果用曲線表示如下圖所示。上面是中午觀測的曲線，下面是傍晚觀測的曲線。虛線代表理論位移的八分之一。從圖形可以肯定：即使由于地球與光以太之間的相對運動會使條紋產(chǎn)生任何位移，這位移不可能大于條紋間距的0.01?！边~克耳孫-莫雷實驗原理示意圖邁克耳孫和莫雷所得到的實驗曲線但根據(jù)理論推算，條紋位移最大應(yīng)為0.4個條紋間距。這使他們非常失望，原來還打算在不同季節(jié)進(jìn)行觀測，這個想法也取消了。1907年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國芝加哥大學(xué)的邁克耳孫，以表彰他對光學(xué)精密儀器及用之于光譜學(xué)與計量學(xué)研究所作的貢獻(xiàn)。8洛奇的轉(zhuǎn)盤實驗邁克耳孫和莫雷的實驗結(jié)果發(fā)表后，科學(xué)界大為震驚。這個零結(jié)果對菲涅耳部分曳引假說是一個致命打擊。邁克耳孫和莫雷傾向于斯托克斯的完全曳引假說，但是從斯托克斯的完全曳引假說出發(fā)，必然會引出一個結(jié)論，即在運動物體表面有一速度梯度的區(qū)域。如果靠得很近，總可以察覺出這一效應(yīng)。于是英國物理學(xué)家洛奇（OliverJosephLodge，1851—1940）在1892年做了一個鋼盤轉(zhuǎn)動實驗，以試驗以太的漂移。他把兩塊靠得很近（相距僅1英寸）的大鋼鋸圓盤（直徑為3英尺）平行地安裝在電機的軸上，高速地旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速可達(dá)4000轉(zhuǎn)/分）。一束光線經(jīng)半鍍銀面分成相干的兩路，分別沿相反方向，繞四方框架在鋼盤之間走三圈，再會合于望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生干涉條紋（如下圖所示）。洛奇鋼盤實驗實驗原理示意圖如果鋼盤能帶動其附近的以太旋轉(zhuǎn)，則兩路光線的時間差會造成干涉條紋的移動。但是，不論鋼盤轉(zhuǎn)速如何，鋼盤正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)造成的條紋移動都是微不足道的。洛奇寫道：“以太被轉(zhuǎn)盤攜帶的速度不大于轉(zhuǎn)盤的1/800”。洛奇的鋼盤實驗雖然沒有邁克耳孫-莫雷實驗的影響大，但是它的結(jié)果導(dǎo)致人們對斯托克斯的完全曳引假說也失去了信心，迫使人們接受費茲杰惹在1889年和洛侖茲（HendrikAntoonLorentz，1853—1928）在1892年分別提出的收縮假說。這個收縮假說在推動物理學(xué)的革命方面曾經(jīng)起過承前啟后的歷史作用。9收縮假說的提出費茲杰惹是愛爾蘭物理學(xué)家，他是麥克斯韋理論的積極支持者，也很關(guān)心從以太漂移實驗對以太進(jìn)行的各種探討，所以當(dāng)邁克耳孫-莫雷實驗的零結(jié)果發(fā)表后，他立即進(jìn)行了周密的思考。1889年，他向英國《科學(xué)》雜志投寄信件，寫道：“我很有興趣地讀到了邁克耳孫和莫雷先生極其精密的實驗結(jié)果，這個實驗是要判定地球是如何帶動以太的，其結(jié)果看來跟其它證明了空氣中以太只在不大程度上被帶動的實驗（按：指斐索流水實驗或霍克實驗）相反。我建議，唯一可能協(xié)調(diào)這種對立的假說就是要假設(shè)物體的長度會發(fā)生改變，其改變量跟穿過以太的速度與光速之比的平方成正比?！比欢?，由于《科學(xué)》雜志不久就?？?，這封信雖然發(fā)表但卻鮮為人知，連費茲杰惹本人也不知道這封信是否問世。兩年后，費茲杰惹去世，只是由于他的學(xué)生特勞頓（F.T.Trouton