书城科普读物与科学家相约(科学知识大课堂)
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第16章 与物理学家相约(5)

从1833年起,楞次独立地进行电流热效应的研究。他用铁、铜和银等材料制成的导线进行了电流发热的实验,根据实验结果指出:如果导线的电阻相同,那么通电导线产生的热量同材料无关,而同导体的电阻、所通电流的平方以及通电时间的乘积成正比。这个结果一年前英国物理学家焦耳就已经发现,并用论文形式发表在1841年10月号英国哲学杂志上。虽然楞次的实验结论是1842年10月在向彼得堡科学院的报告中发表的,但他是独立地用不同的方法发现这个定律的,因此后人把这个定律叫做“焦耳-楞次定律”。

另外,楞次对发电机和电动机可逆性,电流在分支电路中的分布等问题也作了认真的研究。楞次还在1864年编写出版了《物理学手册》,这本书对当时俄国物理学界产生了比较大的影响。他还在地磁勘测、自然地理考察方面作出了相当多的成果,曾经编写过大专和中学的地理课本。

楞次晚年的健康越来越不好,因患严重白内障赴意大利医治,却不幸并发脑溢血,于1865年2月10日在罗马逝世,终年61岁。

万能博士亥姆霍兹

能量守恒定律是19世纪的重大科学发现之一。亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,1821~1894)曾为这个定律的建立起过重要作用。他是德国物理学家、生理学家,1821年8月31日诞生于德国柏林附近的波茨坦的一个贫穷的知识分子家庭,父亲是一位哲学和文学教师。

亥姆霍兹幼年体质比较弱,父亲在家里亲自给他进行初级教育,不仅教他许多基础知识,而且还教会他拉丁语、英语、法语。亥姆霍兹小时候算不得聪明,学话也晚,但是有强烈的好奇心,喜欢问东问西。他在父亲的指导下养成了看书的习惯,曾经看过海吉利的《自然哲学》等书。亥姆霍兹对物理学特别爱好,但是父亲劝他学医。1838年他进入柏林的弗里德里奇·威海姆医学院学医。由于医学院师资力量不足,学生们常要到柏林大学听课,他在那里结识了著名生理学家缪勒(1801~1858)和物理学教授马格诺斯(1802~1870)。

亥姆霍兹1843年毕业,应征到普鲁士军队当军医。1848年前往阿尔贝托大学任解剖学助理研究员和非常任生理学教授。1849年他应聘柯尼斯堡大学生理学和普通病理学教授。1858年任海德尔堡大学生理学教授。1871年接替马格诺斯任柏林大学物理学教授。1873年当选为英国伦敦皇家学会的外国会员,被授予柯普利奖章。1882年受封爵位。1887年被任命为新成立的柏林复洛滕堡物理技术学院院长。

亥姆霍兹原来是研究生理学的,在对生理过程和动物热的来源进行分析的时候,发现著名化学家李比希的活力学说有问题。李比希认为活的机体会从一种“活力”取得能量。亥姆霍兹认为,如果生物机体除了从食物发热取得能量外,还可以从某种“活力”得到能量,那么生物机体就成了永动机。说得通俗一点,就是人不吃饭也可以从“活力”中得到能量而活下去。亥姆霍兹认为永动机是不可能实现的。他把自己的观点加以整理,写成《论力的守恒》一文,送到德国《物理学年鉴》,但却,被主编泼根道夫退了回来。

亥姆霍兹坚信自己的观点。1847年7月2日他在柏林物理学会的一次讲演中报告了这篇论文。他全面阐述了能量守恒和转换定律,认为不仅热能和机械能,而且各种形式的能都是等效的。他用12mv2来表示“活力”,也就是现在所说的动能。这篇论文表明,亥姆霍兹是能量守恒定律的创立者之一。

亥姆霍兹对电动力学也很有研究,是正确阐述法拉第和麦克斯韦理论的第一批德国学者之一。他证明了法拉第感应电流之所以存在是由于能量守恒的结果。1871年亥姆霍兹普预言电磁感应的传播速度是每秒31万4千千米。1881年他从法拉第电解定律分析出电的基元可能是粒子。特别值得一提的是,1878年夏季,亥姆霍兹在柏林大学出了一个物理竞赛题目,征求用实验方法验证麦克斯韦电磁理论。在亥姆霍兹的鼓励和指导下,他的学生赫兹经过八九年的探索,终于在1887年成功地作出了电磁波的传播实验。

此外,亥姆霍兹对人眼的光学结构、色觉和乐音的物理性质都很有研究。1856年~1868年,亥姆霍兹完成了《生理学手册》的编著。他是第一位用物理学的方法研究神经系统的学者,1850年他成功地测量出神经脉动的传播速率大约是10倍声速的数量级。

亥姆霍兹是19世纪一位“万能”博士,一身兼任生理学家、物理学家、数学家以及机智的实验家等多种头衔。19世纪末,一位评论家对亥姆霍兹写过这样的话:“他从研究生理学开始,解剖了眼睛的耳朵,探索它们是怎样起作用的,准确构造是怎样的。但是,他发现要研究眼睛和耳朵的作用,就不能不同时研究光和声的本性,这导致他研究物理学。当他开始研究物理学的时候,已经是这个世纪最有成就的生理学家之一,以后他又成了这个世纪最伟大的物理学家之一。可是他又发现,要研究物理学不能不掌握数学,就又研究数学,成为这个世纪最有成就的数学家之一。”

第一个荣获诺贝尔物理学奖的科学家伦琴

伦琴(Wilhelm Conrad Rontgen,1845~1923)是德国著名的物理学家,1845年3月27日诞生于鲁尔河流域伦内普(Lennep)的一个商人家庭。

伦琴三岁那年全家迁往荷兰的阿佩尔多恩,他就在那里上小学和中学。伦琴学习成绩一般,喜欢运动,动手能力强,有点淘气。1865年,伦琴进入瑞士苏黎世工业学院,攻读机械工艺。1868年毕业,获得机械工程学位。伦琴在苏黎世相继受到热力学创始人克劳修斯和著名物理学家孔特(1839~1894)的影响,走上了物理学研究的道路。1869年在孔特的指导下,他写出了第一篇物理学论文《气体的研究》,获得了苏黎世工业学院理学博士学位。1875年以后,他任霍恩海姆农学院物理学教授、斯特拉斯堡大学理论物理学副教授等职。1879年任吉森大学物理学教授。1889年任维尔茨堡大学物理学教授和物理研究所所长,1894年任校长。1896年成为柏林科学院和慕尼黑科学院的通讯院士。同年英国伦敦皇家学院授予他伦福德奖章。1900年美国哥伦比亚大学授予他巴纳德奖章。同年伦琴到慕尼黑大学就任物理学教授和物理研究所所长。

伦琴对物理学的最主要贡献,是发现了X射线,又叫做伦琴射线。

早在1836年,法拉第就发现在稀薄气体中放电会产生美丽的辉光。1876年德国物理学家哥尔德施泰因(1850~1931)正式称这种放电是“阴极射线”。当时欧洲学术界对“阴极射线究竟是什么”的问题展开了长期而激烈的争论,伦琴也卷了进去,进行了系统的研究。1895年11月15日,伦琴准备用克鲁克斯管作荧光实验,为了排除外界对放电的影响和避免管内光线外漏:特地用黑纸板做了一个套子,把放电管套起来。然后他在暗室里接通电源,检查放电管有无漏光。检查完毕,正要切断电源的时候,突然发现一米远的小实验台上有闪光。伦琴立即进行检查,查明这种闪光是从小实验台上一个荧光屏发出来的。他顾不得吃饭,立即重复上述实验,甚至把荧光屏放在两米远的地方还是能观察到闪光。他确信这个现象绝不是阴极射线造成的,因为它只能穿透几厘米厚的空气。他断定存在着一种新的射线。

为了验证自己的想法,年过半百的伦琴依靠他特有的毅力,吃、住在实验室,一连做了七个星期的秘密实验。试验过各种各样的材料,几千页的书,厚厚的玻璃板,二厘米厚的木板,几厘米厚的硬橡胶……这种新射线都能穿透。有一次,当伦琴把手放到放电管和荧光屏之间的时候惊呆了:他在屏上看到自己的手完全变了样,好像是拼凑起的几根黑糊糊的干树枝。当伦琴清醒地知道这干树枝就是手指骨骼的时候,他激动得几乎要跳起来。他立即回家把自己的发现告诉了妻子。据说当时妻子正在生他的气,责怪这么长时间不回家,说他有意编造“发现”骗她。于是伦琴把妻子带到实验室,请她帮忙做个实验。他让妻子把左手放到放电管前面,然后把用纸包好的照相底片放在她的手后面,过了十几分钟,把底片一冲洗,获得了一张手骨的照片——世界上第一张人类活体骨骼的照片。妻子不解地问:“这是怎么回事?”伦琴说:“这是一种穿透力很强的新射线作用的结果。”“这种新射线叫什么名字?”伦琴摇了摇头回答说:“不知道,它是一个未知数,就叫它X射线吧。”

1895年12月28日,伦琴用《一种新的射线——初步报告》这个题目,向维尔茨堡物理学医学协会作了报告,宣布他发现了X射线,阐述这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。这一发现立即引起了强烈的反响。1896年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出X射线照片;1月5日维也纳《新闻报》抢先作了报道;1月6日伦敦《每日纪事》向全世界发布消息,宣告发现X射线。这些宣传,轰动了当时国际学术界,论文《初步报告》在三个月之内就印刷了五次,立即被译成英、法、意、俄等国文字。一月中旬,伦琴应召到柏林皇宫,当着威廉皇帝和王公、大臣们的面作了演示。X射线作为世纪之交的三大发现之一,引起了学术界极大的研究热情,据统计,只是1896年一年,世界各国发表的有关论文就有一千多篇,有关的小册子达50种。

1896年3月,伦琴又发表了第二篇论文《一种新的射线(续篇)》。一年以后,发表了第三篇论文《关于X射线性质的进一步观察》,深入探讨了X射线的性质。伦琴的发现很快应用于医学、工业以及科学研究等方面。据说消息传到美国的第四天,美国人就用X射线发现了留在伤员腿里的子弹。

伦琴因为发现X射线,于1901年12月10日荣获诺贝尔物理学奖,成为世界上第一个获得诺贝尔奖的物理学家。伦琴对科学抱着老老实实的态度,为人谦虚,据说他把诺贝尔奖金全部捐献给维尔兹堡大学。

伦琴因患肠癌,于1923年2月10日去世,终年78岁。为了永久纪念这位伟大的物理学家,德国人民在柏林市的波茨坦桥上竖立起伦琴的青铜塑像。国际学术界还作出决定,用“伦琴”来命名X或γ射线的照射量单位。

被命名为频率单位的科学家赫兹

赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857~1894)是德国著名的物理学家,1857年2月22日诞生于德国汉堡的一个律师家庭。

赫兹从小受到父亲广博知识的熏陶,还喜欢动手制作木工,也喜欢画图。在中学上学的时候,他就一心想当工程师。1875年中学毕业后,在莱茵河畔的法兰克福设计局工作了一年,1876年春天去德累斯顿高等技术学院学工程学,秋天应召去柏林的铁道兵团服役。1877年退役,进慕尼黑工业学院学工程学,1878年转入柏林大学。在亥姆霍兹和基尔霍尔(1824~1887)名下学习。不久,亥姆霍兹发现了赫兹的才能,收他到自己的实验室当见习生。1879年赫兹在物理竞赛中成绩出众,荣获金质奖章;年底他完成了博士论文《论旋转体中的感应》,第二年获博士学位,当了亥姆霍兹的助手。1883年任基尔大学理论物理学副教授。1885年任卡尔斯鲁高等工业学院物理学教授。1889年接替克劳修斯任波恩大学理论物理学教授,同年当选为柏林科学院通讯院士。1890年被选为俄国莫斯科协会名誉会员。

赫兹在物理学上最主要的成就是用实验成功地证明了电磁波的存在,并且完善了麦克斯韦的电磁场理论。

1886年10月,赫兹在卡尔斯鲁高等工业学院的物理实验室用放电线圈做火花放电实验,偶然发现和放电线圈靠得很近的另一个开口的绝缘线圈中有电火花跳过。赫兹十分敏感,立即想起七年前未完成的物理竞赛题目,那是亥姆霍兹提出的一个用实验检验麦克斯韦理论正确性的难题。他向自己提出了一个新的任务:用实验检验是否存在麦克斯韦所预言的电磁波。从1886年10月25日起,赫兹开始有计划地进行实验。12月2日,他在感应圈的两根电极上各接一根0.305米长的铜棒,每根铜棒的一头接边长0.407米的正方形锌板。另一头接黄铜小球,两个黄铜小球互相对着,组成发生器。另外,赫兹用一根硬质铜导线弯成圆弧形,两端各接一个可以调节距离的黄铜小球,组成检波器。发生器和检波器相距10米。发生器通电后,赫兹在检波器的两个铜球间隙看到了电火花,实验成功了!这时候,赫兹的心激动得像电火花一样在欢快地跳跃。因为他的实验证明,发生器确实发出了电磁波,并且被检波器接收到了。