物理学的进化-第7章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


对应的描述带电导体的几行语句。　
热电　
两个物体，起先的温度各不相同，当它们互相接触，过了一段时间后，它们就达到相同的温度。　
若两个物体的热容量不同，则数量相等的热会产生不同的温度变化。　
温度计与任何一个物体相接触，通过水银柱的高度表示出它自己的温度，因而也表示出物体的　
温度。两个绝缘导体，起先的电势各不相同，当它们相互接触，它们很快就达到相同的电势。　
若两个物体的电容量不同，则数量相等的电荷会产生不同的电势变化。　
验电器与任何一个导体相接触，通过金箔的互相分开程度表示出它自己的电势，同时也表示出导体的电势。　　　
　　　　但是这样的比拟不能延伸太远，下面的例子将指出它们的相似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个有负电荷。这两个电荷的电势各不相同，依照习惯，我们认为负电荷的电势比正电荷的电势低。假使把这两个导体接触在一起，或者用导线连接起来，那么根据电流体的理论，它们将显示出不带电荷，因而根本不会有电势的相差。我们必须想象在电势差被平衡的很短的时间内电荷是从一个导体“流”向另外一个导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体（如图27所示），还是负的电流体流向带正电的物体呢？　　　
　　　　事实上，单是根据这里所提到的素材，我们无法判定两者之中哪一种是对的。我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以同时有两个方向的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来决定这个问题的方法，我们只是使它成为常规，在选择上没有什么特定意义。往后的发展得出了能答复这个问题的更深的电理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达是完全没有意义的。这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是从电势较高的导体流向电势较低的导体的。这样，在刚才所说的两个导体中，电是从带正电的导体流向带负电的导体的。这种表述完全是一种习惯上的说法，在这里甚至是完全武断的。所有这些困难，表明热和电之间的比拟是不可能完整无缺的。　
　　　　我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能的。同样，用机械观来描写磁的现象也是可能的。　
磁流体　
　　　　这里我们还是依照上面的同样方式，先叙述几种非常简单的情况，然后去寻找它们的理论解释。　　　
　　　　1．有两根磁棒，一根支在一个架子的中点，它处于水平位置，故能自由转动，另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端相互靠近，那么它们之间会有强烈的吸引，这是经常可以做到的（图28）。如果不互相吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一端去试试。只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引的。磁俸的两端被称为它的极。实验再继续下去，我们把手持磁棒的极沿着另一个磁棒向中点移动过去，此时发现吸引力减小了，而当磁棒极达到那根磁棒的中央时，就根本没有吸引力了。如果磁极继续朝同一方向移过去，那么就会逐渐发生推斥现象，当到达支起的磁棒的另一极时，斥力最大。　
　　　　2．上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个极，我们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单，只要把一根磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁棒的极与另一根磁棒的中央之间是没有力的，但是实际上把一根磁棒折成两段，其结果却是惊人的、出乎意料的。如果我们照上面一节里所描写的实验再来做一次，不过这回是用支起的那根磁棒折成两段，拿其中一段照样支起来做的，结果仍是一样，本来是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的极了。　　　
　　　　应该怎样解释这些事实呢？由于磁的现象也和静电的现象一样有推斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理论。设想有两个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是负的。这里所谓“相等”是指有相同的绝对值，例如＋5和－5就具有相同的绝对值。假定这两个圆球用一种绝缘体如玻璃棒之类连接起来，若画成图，这种装置可以用一根从带负电荷的导体指向带正电荷的导体的一个箭头表示出来（图29）。我们把这整件东西叫做电的偶极子。很明显，这样的两个偶极子的行为和第一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是一根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁棒不是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。这个简单的理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满的。在一端应该是吸引，在另一端是推斥，而在中央则两种相等而相反的力互相平衡。但是怎样解释第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾的。由于这个矛盾使我们不得不介绍一种更准确的理论。我们放弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基本磁偶极子组成的，这些基本偶极子再不能折断为孤立的极。在磁棒中有一个统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向（图30）。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，那新的两端又变成新的两极的理由，也知道这个更精细的理论既能解释第一个实验也能解释第二个实验的理由。　　　
　　　　有很多情况，对那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精细的理论。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为在一片普通的铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出真正的效应来。把磁棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分开”的作用，吸引了负的磁流体而推斥了正的磁流体，结果就出现铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒以后，磁流体又多少恢复原来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追想起”外力的命令的程度如何。　
　　　　我们不准备细述这个问题的定量内容。用两根很长的磁棒，我们就可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或推斥的力。假设磁棒很长，棒的另一端影响就可以忽略。引力或斥力与两极间距离的关系怎样呢？库仑实验作出的答案是这样的：这种关系与牛顿的万有引力定律和库仑的静电定律是一样的。　
　　　　我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于用引力和斥力只与不变的粒子之间的距离有关，而且只作用于粒子之间来解释一切现象。　
　　　　这里我们提及一件人人皆知的事情，因为以后我们还要用到它。地球是一个大的磁偶极子。我们一点也不能解释它何以如此。北极接近于地球的负（－）磁极，而南极则接近于地球的正（＋）磁极。这正负的名词，不过是习惯上所规定的，但一旦规定了，便可以使我们决定任何别的场合中的磁极。一根装在竖直轴上的磁针会服从地球磁力的“命令”。磁针的（＋）极指向北极，也就是说，指向地球的（－）磁极。　
　　　　我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但是也不必因此特别自满或喜欢它。如果我们不泄气，我们也应看到这个理论中有些部分确实很不圆满。我们正在发明物质的新的种类：两种电流体和基本磁偶极子。我们开始感到物质实在太多了。　
　　　　力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质。它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。　
第一个严重的困难　
　　　　现在可以谈一谈应用我们的普遍哲学观点所遇到的第一个严重的困难了。后面我们还会看到，这个困难和另一些更严重的困难一起，使我们绝对不再相信一切现象都是可以用机械观来解释的了。　
　　　　自从发明电流以后，作为科学与技术的分支部门的电学才有了惊人的进展。偶然的事件能产生重大的作用，这种例子在科学史上是很少见的，这里我们找到了其中的一个。蛙腿痉挛的故事有各种各样的说法，不管那些细节的真实性如何，伽尔伐尼（Galvani）的偶然发现使得伏打（Volta）在18世纪末发明了所谓伏打电池，这一点总是毫无疑问的。这种电池早已没有什么实用价值了，但是在学校的实验中，或在教科书中，总是一直把它用作最简单的例子来说明电流的来源。　
　　　　它的构造原理是很简单的。拿几个大玻璃杯，里面装水，再加一点点硫酸。每个玻璃杯中有两个金属片，一为铜片，一为锌片，都浸在溶液中。一个玻璃杯中的铜片和下一个玻璃杯中的锌片连接起来，这样就只有第一个杯中的锌片和未一个杯中的铜片没有连接。如果“元件”的数目，即构成电池组的装有金属片的玻璃杯的数目相当多，那么我们用非常灵敏的验电器就可发现第一个杯中的铜片和末一个杯中的锌片之间有电势差。　
　　　　如上所述，我们只是为了可以用仪器很容易地测量电势差，所以介绍了由若干个玻璃杯组成的电池组。但在以后的讨论中，用一个玻璃杯装成的单电池就够了。我们可以证明铜的电势比锌高些，这里所谓“高些”的意思是等于说＋2比较－2要大些。假使把一个导体连接到那个空着的铜片上，另一个导体连接到空着的锌片上，则两个导体上都会有电荷，前一个有正电荷，后一个有负电荷。到此为止，还没有发现有什么了不起的新的现象，我们还可以应用以前关于电势差的观念。我们已经知道两个电势不同的导体用导线连接起来以后，可以使电势差消失，因此电流体是在从一个导体向另一个导体流动的。这种过程与由于热的流动使温度相等的现象是相似的。但是伏打电池中的电流是否也是这样流动的呢？　
　　　　伏打在他的实验报告中曾说过，金属片的作用和导体一样：　
　　　　……微弱地带电，它们不断地作用，或者说在每一次放电之后，又立刻有新的电荷。总而言之，它所供给的电荷是无穷尽的，或者说，会发生一种永远不断的电流体的作用或冲动。　
　　　　这个实验的结果是令人惊异的，因为用导线把两个带电导体连接起来，电势差就会消失，而铜片和锌片之间的电势差是不会消失的。电势差既然维持不变，那么根据电流体的理论，便有电流体不断从较高的势位（钢片）流向较低的势位（锌片）。我们姑且不放弃电流体理论，可假定有一种经常的力，使电势差不断再生，因而引起电流体的流动。但是从能的观点看来，整个现象是令人惊奇的。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，假使导线比较纤细，甚至会被熔化。由此可知，在导线中产生了热能。但是这整个伏打电池组构成一个孤立的系统，因为没有能从外部加进来。假使我们不愿放弃能量守恒定律，便必须找出能的转换发生在什么地方，热是由哪种能转换出来的。我们很容易理解，在电池中产生着很复杂的化学变化过程，在这个过程中溶液及浸在其中的铜片和锌片都是起作用的。从能的观点看来，转换的程序是这样的：化学能——流动的电流体即所谓电流的能——热。一个伏打电池组不能永远使用下去，化学变化和电的流动经过一个相当时期以后，便会使电池组失掉效用。　
　　　　有一个实验，它把应用机械观的巨大困难揭露出来了。这个实验初听起来是很奇怪的，它是奥斯特（Oersted）约在120年前所做的，他这样写道：　
　　　　这些实验似乎已表明，我们可以用一个伽尔伐尼装置使磁针移动自己的位置，但是只有在伽尔伐尼电路闭合时才有这种现象，而不是在电路断开时。几年以前某些非常有名的物理学家仍想在电路断开时使磁针移动位置，但毫无结果。　
　　　　假设我们有一个伏打电池组和一根金属导线，如果把导线连接在铜片上，而不连接在锌片上，便会发生势差，但是却不会有电流。假设把导线弯成一个圈，在它的中央放上一根磁针，导线和磁针都在同一平面上。在导线不接触锌片时，不会有什么现象发生。没有任何力在作用，所存在的势差对磁针的位置不会产生任何影响。我们简直不懂为什么奥斯特所说的那些“极有名的物理学家”会去期待这种感应的到来。　　　
　　　　现在让我们把导线连接在锌片上，奇怪的现象立刻发生，磁针离开了它原来的位置。假使把书的平面代表圈的平面，则磁针的两极中有一个极正指向读者（图31）。这个效应表明，有一种垂直于圈平面的力作用在磁极上。在实验的事实面前，我们不可避免地会作出结论，认为力作用的方向是垂直的。　
　　　　这个实验之所以重要，第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象，即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要，磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力，不是在沿连接金属线和针的直线上，也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上，力是与这些直线垂直的。按照机械观，我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型，而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。我们记得那些服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁力都是沿着连接于相互吸引或相互推斥的物体的一条直线而作用的。　　　
　　　　在差不多60年以前，罗兰（Rowland）做了一个很精巧的实验，把这种困难显示得更厉害了。我们把实验的技术细节丢开不谈，只叙述实验的大意。设想一个小的带电圆球（图32），再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动，在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的，惟一不同的是他不用通常的电流，而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同，磁针受一个垂直的力的影响而发生偏转现象。　
　　　　现在我们使带电体运动得更快些，这样，作用于磁极的力增大了，磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。可是我们还能够持保守态度，仍旧在旧的观念范围内找寻解答。　
　　　　当一个理论在很顺利地发展时，突然会发生一些出乎意料的阻碍，这种困难在科学上常常发生。有时把旧的观念加以简单推广似乎是一个解决困难的好办法，至少暂时解决困难是可以的。例如在现在这个例子中，似乎把过去的观点推广，而在基本粒子之间引入一些更加普遍的力就够了。可是那旧理论往往已无法弥补，而困难终于使它垮台，于是新的理论随之兴起。在这里，不是单单一个小小磁针的行为把表面上很稳固、很成功的机械论打倒了。从一个完全不同的观点上来了另一个更有力的攻击，但这是另一个故事，我们以后再谈吧！　
光的速度　
　　　　在伽利略的《两种新科学》一书中，我们可以听一