以太模型對物理學(xué)的發(fā)展影響的研究

1、 以太模型對物理學(xué)的發(fā)展影響的研究 朱宏亮    引言：在每個歷史時期，目睹科學(xué)概念提出的人，盡管他意識到這種科學(xué)概念的局限性和近似的特征，也不能夠以足夠肯定的態(tài)度說出這種局限性是什么。這些人同樣也不能絕對準(zhǔn)確地?cái)喽ó?dāng)時的理論從歷史上將為何種推廣做準(zhǔn)備。因此，對同一時代的人來說明確理論的歷史意義和查明歷史原因是辦不到的。那種不停的變動、追求、探索雖然未能找到答案，然而卻為科學(xué)中新的革命準(zhǔn)備了條件，培育了不停頓、無止境的追求科學(xué)真相的思想，這樣一種古典物理學(xué)的形象比形而上學(xué)觀念所追求的毫無矛盾的田園詩一般的終極解答更接近于歷史的真實(shí)情況。1.1“以太”概念的來源 &

2、#160;   “以太”一詞起源于古希臘，有著充滿天空的物質(zhì)的意思。最初見于一則神話傳說，暗神伊利波斯與夜神妮卡絲結(jié)合，生出個精靈氣旺的宙斯神來，這就是以太。在那個時候的希臘哲人眼里，以太并不是物理概念而是哲學(xué)概念，古希臘的哲學(xué)家們認(rèn)為是組成世界的不可缺的物質(zhì)，以太這個概念一開始就與宇宙的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的構(gòu)成等哲學(xué)命題緊密相連。柏拉圖認(rèn)為宇宙是由水、火、土、氣、以太五種元素組成。亞里士多德認(rèn)為自然界不可能有虛空，天體之間充滿了以太。以太開始具備彌散在整個空間，是一種連續(xù)介質(zhì)，不存在絕對虛空等基本特點(diǎn)，其巨大的外延為后來物理學(xué)家賦予以太不同的物理性質(zhì)提供了廣闊空間。1.2以太在物理學(xué)中的提

3、出      哲學(xué)家把以太呼喚到世界上來時，并沒有引起多大的關(guān)注，正當(dāng)哲學(xué)家準(zhǔn)備把它從世界上抹去時，物理學(xué)家卻把它接了過來。十六世紀(jì)末，吉爾伯特仔細(xì)研究了磁石和磁鐵，發(fā)現(xiàn)了磁傾現(xiàn)象，斷定地球就是一塊大磁鐵。吉爾伯特除了做實(shí)驗(yàn)來論證之外還企圖深入一步揭露磁的本質(zhì)，不過由于他對微觀世界一無所知，只不過由思維方式去大膽想象。他認(rèn)為磁鐵有靈魂，靈魂藏在磁鐵里并由磁鐵發(fā)射出來，并且他認(rèn)為以太一次能非常恰當(dāng)?shù)谋硎具@種磁靈魂。就這樣以太第一次被列入了物理學(xué)。這樣吉爾伯特就順理成章地解釋了地磁傾現(xiàn)象，磁以太包羅著領(lǐng)近的鐵物體，把它拉回自身，推而廣之，地球也包藏著和發(fā)射出

4、重力以太，重力以太也包羅著地球上的物理體，并把它們拉向地，吉爾伯特的這種設(shè)想顯然是受到一種樸素唯物主義哲學(xué)思想的影響。而在十七世紀(jì)，法國科學(xué)家笛卡爾為了解釋物體之間的作用力，特別是萬有引力現(xiàn)象，最先賦予了以太以某種力學(xué)性質(zhì)，他發(fā)表的哲學(xué)原理中引入以太的概念，首先提出“以太”的假說，他認(rèn)為“虛空”是不可能存在的，真空不空，宇宙中存在著一種稀薄的物質(zhì)。他在書中這樣描述：“以太是充滿整個空間的一種物質(zhì)，真空中沒有空氣，但有這種無所不入的以太。”為揭示太陽系的結(jié)構(gòu)，提出“以太旋渦學(xué)說”，他認(rèn)為星體周圍的以太圍繞星體做旋渦式運(yùn)動，它產(chǎn)生的旋渦卷吸著周圍的物體趨向中心，這就是引力的作用。此假設(shè)運(yùn)用類比，雖

5、然可以解釋行星的主要運(yùn)動圓周運(yùn)動，但沒有實(shí)驗(yàn)作支柱。 為了探求光的本質(zhì)，解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象，胡克首先提出了光的波動說，惠更斯做了進(jìn)一步發(fā)展，他認(rèn)為光波的荷載物就是以太。光可以在真空中傳播，真空是由以太組成的，光可以在以太中傳播，光的傳播速度決定于以太的彈性與密度。由此建立了以他的名字命名的次波原理惠更斯原理。就這樣，隨著物理問題的到來，以太就被物理學(xué)家自然的從哲學(xué)家的手中接了過去。從此，以太便猶如一個精靈，棲身在物理學(xué)的世界里，并變化萬千，表現(xiàn)出奇異的性質(zhì)，如：力學(xué)以太、光以太和電磁以太等等。      在長達(dá)幾個世紀(jì)的時間里，以太引發(fā)了

6、一大批物理大師的探索與討論，以太也在討論之中幾經(jīng)起落，從以前的肯定到邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的表面否定再到愛因斯坦的狹義相對論并不排斥以太。自此，以太無可非議的存在于物理學(xué)的上空。伴隨著物理學(xué)的發(fā)展，以太以不同的面貌出現(xiàn)。每種以太模型的建立，都取得了一定的成功，在一定程度上都促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。在物理學(xué)的發(fā)展過程中，以太究竟是如何影響著物理學(xué)的發(fā)展呢？它起了什么樣的作用呢？本文將對此問題作一討論。2.以太在物理學(xué)中的應(yīng)用我們回顧一下物理學(xué)史，只要物理學(xué)的發(fā)展在某個階段受阻而停滯不前時，物理學(xué)家就會引入一個新的物理假設(shè)來幫助自己解決所遇到的困難2.1以太在力學(xué)中    

7、最先將以太引入物理學(xué)并賦予以太一定力學(xué)性質(zhì)的是法國哲學(xué)家，物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家笛卡爾為了解決物體之間相互作用力本質(zhì)的問題，他繼承并發(fā)展了亞里士多德的觀點(diǎn)，在1644發(fā)表的哲學(xué)原理中引入了以太的概念，他首次將天體之間的運(yùn)動歸因于力學(xué)而非當(dāng)時流行的泛靈論，排除了物質(zhì)世界和物體運(yùn)動中“神”的作用，為當(dāng)時的物理學(xué)擺脫宗教的控制近而走上科學(xué)的發(fā)展道路邁出了重要一步，對牛頓的萬有引力的誕生起到了思想啟蒙教育。     牛頓的萬有引力定律和三大力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)，把天上和地上的靜動聯(lián)系起來了，最終建立了經(jīng)典力學(xué)的理論大廈。但是像一切理論一樣，牛頓力學(xué)的建立一開始就孕育了一些矛盾和不足，

8、盡管由于牛頓的顯赫權(quán)威與極高聲譽(yù)使人不去懷疑他得出結(jié)果的真?zhèn)?。其中之一就是萬有引力定律面臨的困難。由于推遲效應(yīng)牛頓第三定律與萬有引力定律發(fā)生了沖突。為了解決這個問題，牛頓做了一個假設(shè)，認(rèn)為萬有引力不同于摩擦力，是一種瞬間的超距作用力，力的傳遞不需要花費(fèi)任何時間。笛卡爾為解釋物體之間的作用力，特別是萬有引力現(xiàn)象，最先賦予以太以某種力學(xué)性質(zhì)。在他看來，物體之間的所有作用力都是通過以太這種中間媒介物質(zhì)來傳遞，不存在任何超距作用。他認(rèn)為，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質(zhì)所充滿。天體可以在其中暢行無阻，以太在不停地劇烈運(yùn)動中，卷起一個又一個的漩渦，太陽就處在一個大漩渦的中心，周圍的漩渦帶動著

9、行星，地球和行星有帶動著他們周圍的小漩渦，石頭落向地球，行星吸引衛(wèi)星，都是以太的漩渦效應(yīng)，這正如河中的浮草卷進(jìn)漩渦一樣。之后牛頓又提出了另一種設(shè)想，他假設(shè)行星之間有以太存在。對于一個天體來說，離這個天體越遠(yuǎn)，以太的壓力就越大。因此，以太壓力就把天體壓向物體，這就是萬有引力的原因。不管是笛卡爾的以太漩渦，還是牛頓的以太壓力，都形象的解釋了萬有引力的原因，盡管他們沒有給出嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推演和實(shí)踐驗(yàn)證，但人們總算不必為了解釋萬有引力的原因而費(fèi)腦筋了。力學(xué)性質(zhì)的以太緩和了矛盾、彌補(bǔ)了不足、使得物理學(xué)可已進(jìn)一步發(fā)展。2.2以太在光學(xué)和電磁學(xué)中     物理學(xué)家把以太從希臘哲人那

10、里借來充當(dāng)了解釋萬有引力的引力媒介。不過十七世紀(jì)的人們還不是那么渴望了解引力本性，對于他們一臺是可有可無的。光學(xué)理論就不是這樣了。由于牛頓的微粒假說與胡可惠更斯的波動假說的爭論。人們急切要去探索光的本性。     人們只認(rèn)識機(jī)械波，而機(jī)械波必須有承載波的介質(zhì)，因此當(dāng)時的波動說認(rèn)為光的承載介質(zhì)就是以太，用以解釋光可以穿過抽出空氣的玻璃管，即光可以在沒有空氣的真空中傳播的事實(shí)，此時以太以承載光波介質(zhì)的光學(xué)領(lǐng)域獲得了新生。由于波動說還可以解釋光有不同顏色的原因是波的振動頻率不同，而微粒說可以解釋光的直線傳播。從而，需要以太的波動說和不需要以太的微粒說，在當(dāng)時關(guān)于光的本性

11、的爭論中處于勢均力敵的狀態(tài)。然而，由于牛頓支持微粒說，隨著牛頓在物理學(xué)界威望的增長，光的微粒說壓倒了波動說，作為波動說的基石以太的理論也隨之處于低潮。1807年，托馬斯楊設(shè)計(jì)了著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，并用波動說完美地進(jìn)行了解釋菲涅耳則采用了光的波動說并成功地解釋了光的偏振這使光的波動說重新占據(jù)上風(fēng)，也使光的承載介質(zhì)以太的地位得到了鞏固。隨著光學(xué)的發(fā)展，對光的性質(zhì)及其規(guī)律的認(rèn)識也逐漸豐富和深化人們慢慢認(rèn)識到光是橫波，且光速達(dá)到了m/s，依據(jù)彈性力學(xué)，承載光波的介質(zhì)以太應(yīng)該是堅(jiān)硬的固體然而，無處不在、堅(jiān)硬的固體以太卻不能阻擋來自遙遠(yuǎn)星球的星光來到地球，這是令人難以置信的這使得作為承載光波的介質(zhì)的以太又

12、一次受到大家的質(zhì)疑。一直到人們認(rèn)識到光的本質(zhì)是電磁波，這一基礎(chǔ)問題才在電磁學(xué)和電動力學(xué)的框架下得以解決。     正當(dāng)人們?yōu)榱岁U述機(jī)械光媒而大費(fèi)腦筋的時候，法拉第發(fā)現(xiàn)了空間具有電和磁的性質(zhì)。和笛卡爾一樣，法拉第不承認(rèn)通電導(dǎo)體對小磁針的超劇作用。但他也不相信吉爾伯特關(guān)于磁石發(fā)射靈魂的說法。他假想在磁極或電荷周圍的空間有一些力線或一些質(zhì)點(diǎn)鏈，這些鏈在離開源后，可以在空間自由進(jìn)行，作用于遠(yuǎn)方的導(dǎo)線或磁體。1865年，精于數(shù)學(xué)的麥克斯韋將法拉第的思想寫成電磁學(xué)方程。它表明變化的電磁場以波動的形式在空間傳播，電磁波的速度只與介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)有關(guān)。就這樣麥克斯韋用筆尖證明了

13、無處不在的以太已經(jīng)在某種意義上和空間本身合為一體。由于電磁波的傳播速度與光速相同，麥克斯韋斷定，光是一種電磁現(xiàn)象，有一種以太就可以傳播光和電磁波，無需臆造好幾種不同的以太。于是力學(xué)性質(zhì)的以太就被電磁性質(zhì)的以太代替了，人們不必再在以太的其妙性質(zhì)上大傷腦筋了。2.3以太參照系      經(jīng)典力學(xué)體系需要一個絕對參照系，長久以來，人們就在尋找它的物理實(shí)在。牛頓在闡明他的幾大運(yùn)動定律時，曾選用了一個“不動”的參照系，即以假想的一顆“不動”的行星作參照系。他堅(jiān)持認(rèn)為，廣大的空間自身就是一個固定的參照系，用它可以確定一切物體的運(yùn)動。顯然，如果找到這種傳光介質(zhì)“以太”

14、，自然就可以將其固定在上面，形成一個固定的參考系。這時，牛頓的全部力學(xué)定律就會嚴(yán)格的正確，但同時牛頓力學(xué)也和以太緊密的聯(lián)系在一起了。     牛頓在科學(xué)史上做出了劃時代的貢獻(xiàn)，他的力學(xué)定律獲得了極大的成功，人們對經(jīng)典力學(xué)的滿意和對牛頓的崇敬是一樣高的。對于以太該是什么，他們大多數(shù)人都是抱著證實(shí)的目的做這一項(xiàng)工作的。物理學(xué)家做了許多完美的假設(shè)；具有固態(tài)性，具有極大的切變模量而彈變模量又很小。物理學(xué)家之所以這樣滿懷信心和希望去積極尋找神秘的以太，主要是因?yàn)橐蕴ｎD的經(jīng)典力學(xué)有非同小可的聯(lián)系。倘若絕對靜止的以太真的存在，那么以太所占據(jù)的空間當(dāng)然可以設(shè)想為靜止不動，從而

15、空間的間隔也是絕對的。有了絕對的空間間隔及絕對時空觀；“絕對的空間就其本性而言，是與外界事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同和不動的。”由絕對空間觀可以導(dǎo)出它的絕對時空觀；“絕對的、真正的、純數(shù)學(xué)的時間，就其本性和自身而言，是永遠(yuǎn)均勻流動的，不依賴于任何事物?！本C上所述，以太可以邏輯的演繹出牛頓的絕對時空觀，而牛頓的全部力學(xué)規(guī)律都是建立在絕對時空觀基礎(chǔ)上的。因此，“以太”的命運(yùn)就同牛頓力學(xué)的命運(yùn)已經(jīng)相互緊密的聯(lián)系在一起了，他們的結(jié)局都是同一的。此時，以太學(xué)說在物理學(xué)不同分支學(xué)科的發(fā)展隨著這些學(xué)科的成熟而開始走向融合統(tǒng)一的道路以太在經(jīng)典物理學(xué)中的核心內(nèi)涵有三：絕對靜止參考系，傳遞相互作用的介質(zhì)，承載電磁波傳播的

16、介質(zhì)。盡管當(dāng)時的物理學(xué)家們都認(rèn)為整個物理大廈已建成，只不過這座大廈是以以太為支點(diǎn)而建成的。3.以太概念的衰落     十八世紀(jì)是以太沒落的時期。由于法國笛卡爾主義者拒絕引力的平方反比定律，而使牛頓的追隨者都起來反對笛卡爾哲學(xué)體系，因而連同他倡導(dǎo)的以太論也一同進(jìn)入了反對之列。隨著引力的平方反比定律在天體力學(xué)方面的成功，以及探尋以太的試驗(yàn)并未獲得實(shí)際結(jié)果，使得超劇作用觀點(diǎn)得以流行。光的波動說也被放棄了，微粒說得到廣泛的承認(rèn)。到十八世紀(jì)后期，證實(shí)了電荷之間（以及磁極之間）的作用力同樣是與距離平方成反比。于是電磁以太的概念亦被拋棄，超劇作用的觀點(diǎn)在電學(xué)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。&

17、#160;   十九世紀(jì)，以太獲得復(fù)興和發(fā)展，這首先還是從光學(xué)開始的，主要是托馬斯楊和菲涅爾工作的結(jié)果。楊用光波的干涉解釋了牛頓環(huán)，并在實(shí)驗(yàn)啟示下，于1817年提出了光波為橫波的新觀點(diǎn)，解決了波動說長期不能解釋的偏振現(xiàn)象的困難。菲涅爾用被動說成功解釋了光的衍射現(xiàn)象，他提出的理論方法（現(xiàn)常稱為惠更斯菲涅爾原理）能正確的計(jì)算出衍射圖樣，并能解釋光的直線傳播現(xiàn)象。菲涅爾又進(jìn)一步解釋了光的雙折射，獲得很大成功 。1823年，他根據(jù)楊的橫波學(xué)說和他自己在1818年提出的透明物質(zhì)中以太密度與其折射率二次方成正比的假定，在一定的邊界條件下，推出關(guān)于反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地說明了布儒斯

18、特?cái)?shù)年前從實(shí)驗(yàn)上測得的結(jié)果。菲涅爾關(guān)于以太的一個重要理論工作是導(dǎo)出光在相對于以太參照系運(yùn)動的透明物體中速度公式。1818年他為了解釋阿拉果關(guān)于光折射行為的實(shí)驗(yàn)，在楊的想法基礎(chǔ)上提出；透明物質(zhì)中以太的密度與該物質(zhì)的折射率二次方成正比，他還假定當(dāng)一個物體相對以太參照系運(yùn)動時，其內(nèi)部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動（以太部分曳引假說）。利用菲涅爾的理論，很容易就能得到運(yùn)動物體內(nèi)光的速度。     十九世紀(jì)中期曾進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，以求顯示地球相對以太參照系運(yùn)動所引起的效應(yīng)。并由此測定地球相對以太參照系的速度，但都得到否定的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可從菲涅爾理論得到解釋，根據(jù)

19、菲涅爾運(yùn)動媒質(zhì)中的光速公式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)精度只達(dá)到一定的量級時，地球相對以太參照系的速度在這些實(shí)驗(yàn)中不會表現(xiàn)出來，而當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)都未達(dá)到此精度。在楊和菲涅爾的工作之后，光的波動說就在物理學(xué)中確立了它的地位。隨后，以太在電磁學(xué)中也獲得了地位，這主要是由于法拉第和麥克斯韋的貢獻(xiàn)。在法拉第心目中，作用是逐步傳過去的看法有著十分牢固的地位，他引入了力線來描述磁作用和電作用，在他看來，力線是現(xiàn)實(shí)的存在，空間被力線充滿著，而光和熱可能就是力線的橫振動。他曾經(jīng)提出用力線來代替以太，并認(rèn)為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個點(diǎn)狀中心附近的力線場。他在1851年又寫道：“如果接受光以太的存在，那么它可能是力線的荷載體?！钡ɡ?/p>

20、的觀點(diǎn)并未為當(dāng)時的理論物理學(xué)家們所接受。到十九世紀(jì)六十年代前期，麥克斯韋提出位移電流的概念，并在提出用一組微分方程來描述電磁場的普遍規(guī)律，這組方程以后被稱為麥克斯韋方程組。根據(jù)麥克斯韋方程組，可以推出電磁場的擾動以波的形式傳播，以及電磁波在空氣中的速度為每秒31萬公里，這與當(dāng)時已知的空氣中的光速每秒31萬公里在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是一致的。麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之后寫道：“光就是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒介（指以太）的橫振動”。后來赫茲用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了電磁波的存在。光的電磁理論成功解釋了光波的性質(zhì)，這樣以太不僅在電磁學(xué)中取得了地位，而且電磁以太同光以太也統(tǒng)一了起來。麥克斯韋還設(shè)想用以太的力

21、學(xué)運(yùn)動來解釋電磁現(xiàn)象，他在1855年的論文中，把磁感應(yīng)強(qiáng)度比作以太的速度。后來他接受了湯姆孫（即開爾文）的看法，改成磁場代表轉(zhuǎn)動而電場代表平動。他認(rèn)為，以太擾磁力線轉(zhuǎn)動形成一個個渦元，在相鄰的渦元之間有一層電荷粒子。他并假定，當(dāng)這些粒子偏離它們的平衡位置即有一位移時，就會對渦元內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生一定作用力引起渦元的變形，這就代表靜電現(xiàn)象。關(guān)于電場同位移有某種對應(yīng)，并不是完全新的想法，湯姆孫就曾經(jīng)把電場比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出，當(dāng)絕緣物質(zhì)放在電場中時，其中的電荷將發(fā)生位移。麥克斯韋與法拉第不同之處在于，他認(rèn)為不論有無絕緣物質(zhì)存在，只要有電場就有以太電荷粒子的位移，這就是他所謂的位移電流。

22、對麥克斯韋來說，位移電流是真實(shí)的電流，而現(xiàn)在我們知道，只是其中的一部分（極化電流）才是真實(shí)的電流。在這一時期還曾建立了其他一些以太模型，不過以太論也遇到一些問題。首先，若光波為為橫波，則以太應(yīng)為有彈性的固體媒質(zhì)。那么為何天體運(yùn)動其中會不受阻力呢？有人提出了一種解釋：以太可能是一種像蠟或?yàn)r青一樣的塑性物質(zhì)，對于光那樣快的振動，它具有足夠的彈性像是固體，而對于像天體那樣慢的運(yùn)動則像流體。另外，彈性媒質(zhì)中除橫波外一般還應(yīng)有縱波，但實(shí)驗(yàn)卻表明沒有縱光波，如何消除以太的縱波，以及如何得出推導(dǎo)反射強(qiáng)度公式所需要的邊界條件是各種以太模型長期爭論的難題。為了適應(yīng)光學(xué)的需要，人們對以太假設(shè)一些非常的屬性，如18

23、39年麥克可拉模型和柯西模型。再有，由于對不同光的頻率，其折射率也不同，于是曳引系數(shù)對于不同頻率亦將不同。這樣，每種頻率的光將不得不有自己的以太等等。以太的這些似乎相互矛盾的性質(zhì)實(shí)在是超出了人們的理解能力。十九世紀(jì)九十年代，洛倫茲提出了新的概念，他把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸之于其中同原子相聯(lián)系的電子的效應(yīng)。至于物質(zhì)中的以太，則同真空中的以太在密度和彈性上都并無區(qū)別。他還假定，物體運(yùn)動時并不帶動其中的以太運(yùn)動。但是由于物體中的電子隨物體運(yùn)動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力，以及物體運(yùn)動時其中將出現(xiàn)電介質(zhì)運(yùn)動電流，運(yùn)動物質(zhì)中的電磁波速度與靜止物質(zhì)中的并不相同。在考慮到上述效應(yīng)后，洛倫茲同樣

24、推出了菲涅爾關(guān)于運(yùn)動物質(zhì)中的光速公據(jù)束縛電子的強(qiáng)迫振動，可推出折射率隨頻率的變化。洛倫茲的上述理論被稱為電子論，它獲得了很大成功。十九世紀(jì)末可以說是以太論的極盛時期。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運(yùn)動和變化，這樣它幾乎已退化為某種抽象的標(biāo)志。除了作為電磁波的荷載體和絕對參照系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質(zhì)，這就又為它的衰落創(chuàng)造了條件。由此可見，以太的興衰史構(gòu)成了一部物理學(xué)的發(fā)展史。以太就像一條細(xì)線，牽引著物理學(xué)曲折地向前發(fā)展。4.“以太”做為一個錯誤的模型為什么會長久不衰4.1以太大廈面臨坍塌的危機(jī)     一直以來，有一

25、個問題讓科學(xué)家們大傷腦筋，甚至使一些科學(xué)家處于絕望的境地。那就是物體相對于以太的運(yùn)動，運(yùn)動的物體是不是帶動以太？這個問題與光的測量有緊密的聯(lián)系，麥克斯韋雖然在他的方程中算出了電磁波的速度，至于它是電磁波相對與以太的速度還是相對于觀察者的速度/在方程中一點(diǎn)都看不出來，似乎是避而不答。當(dāng)時許多人對此表示不滿，其實(shí)正是這避而不答中含著極其深刻的辯證法，而他自己一點(diǎn)兒都沒有領(lǐng)悟。不過當(dāng)時人們所說的光速，不言而喻是指光相對于以太的速度，這是很自然的，因?yàn)樗麄儼压忸惐扔诼暎曀偈且钥諝鉃閰⒄障禍y出的，運(yùn)動的物體并不帶動空氣，人相對與空氣是靜止或運(yùn)動，所測得的聲速不同。既然運(yùn)動的物體不帶動以太，所以當(dāng)人相對

26、于以太靜止或運(yùn)動測得的光速應(yīng)該不同。1881年麥克爾遜應(yīng)用干涉儀做了一個觀察地球相對于以太運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)，也就是“以太漂移”的速度。1887年在克利夫蘭的切斯應(yīng)用力學(xué)學(xué)院做的實(shí)驗(yàn)，讓以太的幽靈壽終正寢，由物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷一起完成的，他們用一個光源向兩個方向發(fā)射光束，兩束光被與光源距離相等的兩面鏡子反射回來，其中一束光的方向是沿著設(shè)想的地球相對以太運(yùn)動的方向，另一束的方向與其垂直，邁克爾遜和莫雷期待發(fā)現(xiàn)，在兩個相互垂直的方向上光線的傳播速度會有不同，這差別可能就是由于地球在以太中穿行的運(yùn)動而導(dǎo)致的，比如在地球軌道運(yùn)動方向上傳播的光，會相對以太風(fēng)逆行，這樣，這束光的速度就會比其他方向上的光速慢，

27、分析光的運(yùn)動就知道垂直于以太方向的光束，比沿著以太風(fēng)方向的光束提早被反射回來，兩束光被反射回到光源處的時間差可以計(jì)算出，并與實(shí)驗(yàn)相比較，但是邁克爾遜和莫雷沒有發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)時間差，他們在一年的不同時間重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)，但是不管他們?nèi)绾闻?，還是沒有觀察到時間差別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，地球與以太沒有相對運(yùn)動。1902年屈勞頓和諾貝爾應(yīng)用電容探測地球相對于以太的運(yùn)動，結(jié)果也沒有發(fā)現(xiàn)以太的漂移。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓很多人苦惱不已，特別是1887年著名的邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)以無可爭辯的事實(shí)宣告了以太的不存在，“出乎意料的負(fù)結(jié)果”此事轟動了整個物理界，人們一時陷入了惶恐和危機(jī)中，似乎整個大廈都由于根基的不穩(wěn)定而開始動搖了，許多的

28、科學(xué)家都相應(yīng)的做了一些實(shí)驗(yàn)來證明以太是存在的，但都沒有確切的證據(jù)。4.2以太的隱藏與愛因斯坦相對論   正當(dāng)一大批科學(xué)家為挽救以太而陷入惶恐時，愛因斯坦做出了明智的選擇，他把以太隱藏了起來，拋棄了絕對參照系的干擾，指出光以太的引入是多余的，在作出光速不變公設(shè)后，整個狹義相對論的公理化體系建立起來了。狹義相對論并不是直接從邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)得到的，直接的來源是麥克斯韋洛倫茲的電磁理論，愛因斯坦拋棄了絕對參考系，指出了光以太的引入是多余的，在麥克斯韋洛倫茲理論中采用了關(guān)于在真空中光速保持恒定假設(shè)之后，創(chuàng)立了狹義相對論。相對論的核心是時空概念的變革，那么，狹義相對論對時空的認(rèn)識是怎

29、樣的程度呢？一方面他否定了時空關(guān)系的絕對性，另一方面愛因斯坦說：“狹義相對論的這個剛性四周空間，在某種程度上類似于洛倫茲三圍以太，只不過他是四圍的罷了?！睂τ讵M義相對論而言，下列陳述也是合適的：物理狀態(tài)的描述假設(shè)了空間是原來就已經(jīng)給定的，而且是獨(dú)立存在的，因此，連狹義相對論也沒有消除笛卡爾的“空虛空間”是獨(dú)立存在的或者是先驗(yàn)性存在的這種見解所標(biāo)示的懷疑。經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論都是認(rèn)定空間的存在不依賴于物質(zhì)或場，也就是說狹義相對論也存在不足，而這些不足是廣義相對論解決的。廣義相對論進(jìn)一步否定了時空的絕對獨(dú)立性，把時空和場聯(lián)系在一起，“一無所有的空間即沒有場的空間是不存在。”關(guān)于這一點(diǎn)，愛因斯坦還有

30、一句話說得很好：“笛卡爾認(rèn)為一無所有的空間并不存在的見解與真理相去并不遠(yuǎn)?！比绻麅H從有質(zhì)物體來解釋物理實(shí)在，那么上述觀念看來的確是荒謬的，將場視為物理實(shí)在的表象的這種觀念，再把廣義相對論原理結(jié)合在一起，才能說明笛卡爾觀念的真義所在，：“沒有場的空間是不存在的?！睆V義相對論把唱作為物理實(shí)在，承認(rèn)場的物質(zhì)性，把空間看作場的一種結(jié)構(gòu)性質(zhì)，因而沒賦予物理性質(zhì)。愛因斯坦在他的以太論一文中多次用到“狹義相對論以太”和“廣義相對論以太”這些詞，他斷言“理論物理學(xué)絕不能沒有以太?！彼岩蕴韧冢ㄎ锢恚┛臻g，由此我們可以認(rèn)為，愛因斯坦所謂的理論物理學(xué)不可或缺的那個“以太”或（物理）空間就是量子場論所研究的（物

31、理）真空或（量子）真空，而不是以往以太假說中的那個以太。其實(shí)不論是牛頓力學(xué)還是麥克斯韋洛倫茲的電動力學(xué)，和愛因斯坦的相對論，“以太”都不過是空間的代名詞，只是它們的物理意義和性質(zhì)大有不同。以太這個詞的具體涵義在科學(xué)的發(fā)展中已經(jīng)改變了很多次，從這個角度來看正如愛因斯坦說的“不去談什么以太，而是談?wù)摽臻g的物理性質(zhì)也一樣?！?970年，物理學(xué)家汗柯圖里勃洪完成了一項(xiàng)理論工作，結(jié)果表明：如果承認(rèn)了光速不變原理，那么就完全沒有理由說邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在。由此可以知道，愛因斯坦的相對論挽救了以太，以太在這里進(jìn)行了一次變身。從某種意義上來說，變身后的以太促進(jìn)了愛因斯坦劃時代理論的完成。4.3以太

32、真空在某種程度上可以等同   愛因斯坦在論以太一文中還寄希望于后代能克服認(rèn)為物質(zhì)和場有別這個二元論概念，從而不在視場為獨(dú)立的物理實(shí)在。這實(shí)際上是鼓勵人們?nèi)パ芯繄龅奈⒂^機(jī)制，或者說，去研究空間的物理性質(zhì)。宇宙中是否存在一無所有的真空？答案是否定的?！罢婵詹豢铡?，真空是什么呢？這已成為現(xiàn)代物理學(xué)中研究的一個前沿課題。早在1928年狄拉克就從相對論電子運(yùn)動方程出發(fā)，用負(fù)質(zhì)量態(tài)描述真空，提出真空充滿具有負(fù)能級態(tài)的電子，它們不能被觀察到，如果與足夠的能量，使真空的一個電子從負(fù)能級躍遷到正能態(tài)，將會使真空出現(xiàn)一個空穴電子。狄拉克的這個空穴理論在當(dāng)時沒有多少人相信，至到三年后在

33、安德森的宇宙實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，因此發(fā)現(xiàn)了正電子，人們才佩服狄拉克“真空不空”的驚人的分析。1947年，物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，真空不但充滿物質(zhì)，而且還會受到外界的影響而產(chǎn)生一些效應(yīng)，如真實(shí)電子由于泡利不相容原理對真空的影響造成零點(diǎn)振動等，另外，真空物質(zhì)與外界電荷的電相互作用也將使其正和負(fù)電荷發(fā)生相對位移，即真空極化。這些外界物質(zhì)的影響都給真空物質(zhì)造成了一定的能級移動。蘭姆的微波氫原子光譜實(shí)驗(yàn)和朝永振一郎的計(jì)算都證實(shí)了這些能級的移動。從八十年代開始，相對論重離子碰撞研究為改變與分析真空狀態(tài)提供了可能的實(shí)驗(yàn)手段。我們知道當(dāng)今描述自然界不同相互作用的三種理論是：描述弱相互作用與電磁相互作用的統(tǒng)一模型，描述

34、強(qiáng)相互作用的量子電動力學(xué)和描述萬有引力的廣義相對論，這些理論都有某種對稱性來描述物理世界，然而是不完善的，大部分與這些對稱性相關(guān)的量子數(shù)是不守恒的，它因該對應(yīng)于一個新類型的基本力，即對應(yīng)于對稱性破壞的力。對于這個力，理論物理學(xué)家認(rèn)為它是存在的，但知道的很少?，F(xiàn)代量子場論認(rèn)為真空不是簡單意義下的真空，它并非空無一物，而是量子場的基態(tài)。當(dāng)物質(zhì)所處的基態(tài)物理真空不對稱時整個系統(tǒng)的對稱性就發(fā)生破壞，失去的對稱性能否從具有復(fù)雜對稱性結(jié)構(gòu)的真空中找到呢？至于夸克，物理學(xué)家相信它是真實(shí)存在的物體，而且具有相對低的質(zhì)量（除了頂夸克外），并且他們的相互作用在能量很高時很小，成為自由夸克。然而，把夸克從其他物質(zhì)中

35、分離出來的嘗試都沒有成功?？淇藶槭裁幢唤]在色單態(tài)的強(qiáng)子中呢？有一種可能的解釋是：真空就像無數(shù)正反夸克及膠子對構(gòu)成的凝聚態(tài)，他將夸克束縛于色單態(tài)的強(qiáng)子中，導(dǎo)致禁閉，使人們看不到單個的夸克。這兩個迷向人們顯示，微觀的基本粒子物理與宏觀世界的研究與對真空的研究聯(lián)系在一起了。要研究真空，最好是設(shè)法改變它的狀態(tài)。李振道教授認(rèn)為：真空是不是可以看成是一種物理媒質(zhì)，最好是找到一種辦法，使真空激化。一方面，對稱性破壞機(jī)制是希格斯機(jī)制，真空的激發(fā)也許會導(dǎo)致希格斯一類粒子的發(fā)現(xiàn)，另一方面，一般高能物理實(shí)驗(yàn)手段只能探測很小的空間范圍，很難帶來可觀測的實(shí)驗(yàn)效果，而相對論重粒子碰撞則有可能在較大空間范圍形成高溫，高能

36、量密度。而且當(dāng)兩粒子能量足夠大時，相撞的兩個核內(nèi)的核子在損失了一部分能量后穿過碰撞區(qū)，從而提供了一種改變真空狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)手段。以太和真空這兩大疑難一直困擾著科學(xué)界。為了揭開這兩大疑難的奧秘，科學(xué)家們作出了許多的努力和探索。愛因斯坦曾說過：“沒有以太的虛空是不可以想象的”，他指出，以太不會由可以被觀察到的物質(zhì)組成。一無所有的虛空是物理學(xué)家所不能接受的。因此，今天我們可以從某種意義上說，以太和真空在某種層面上是等價的。5.結(jié)束語     回顧物理學(xué)的發(fā)展， 我們看到以太自出生以來便是具體物質(zhì)這個家族中的一個頑童，對物理學(xué)的過去產(chǎn)生過重要影響，它對我們從一個側(cè)面

37、了解物理學(xué)的發(fā)展史是有益的。此外，近代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一的宇宙微波背景幅射和暗物質(zhì)， 引起的人們對未知物質(zhì)形態(tài)的探索，重新引起人們對以太的反思和審視，真空不空雖已得到證實(shí)，但真空的結(jié)構(gòu)又是什么樣的？物質(zhì)世界是否存在與歷史上以太的概念完全不同的新的以太？近代以太說的有所復(fù)活又引起了人們的關(guān)注。愛因斯坦曾經(jīng)說過“科學(xué)史上經(jīng)常碰到這樣的情況，一些重大問題似乎已經(jīng)得到解決，但是卻又以新的形式出現(xiàn)，這也許就是物理學(xué) 的一個特征。并且，某些基本問題可能會永遠(yuǎn)糾纏著我們?！敝灰?然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說，我們是否可以作出這樣預(yù)期，未來超統(tǒng)一場理論下的“廣義量子”也許是以太的最終歸宿，以太說或許

38、還會在未來帶給我們新的啟迪。整理以太概念的興衰歷史，發(fā)現(xiàn)以太這個名詞幾乎貫穿了整個科學(xué)史，它的每次承認(rèn)與否定，要么使科學(xué)得到了飛速的發(fā)展，要么是科學(xué)停滯不前，在科學(xué)思想上具有非常重大的研究意義。首先，以太學(xué)說主張?zhí)詹皇翘摽眨婵詹⒎钦嬲目?；其次，以太學(xué)說否認(rèn)超距作用，否認(rèn)不可入行。這些觀點(diǎn)即使對現(xiàn)代物理學(xué)而言，仍然是物理思想中的精華。量子場論的發(fā)展表明：真空確實(shí)不是絕對的真空，它是量子場的一種特殊狀態(tài)。它與物質(zhì)粒子之間又相互作用，粒子可以當(dāng)做真空的激發(fā)態(tài)，它有漲落過程、極化效應(yīng)、以及相變機(jī)制等物理屬性。于是，真空再次成為神秘復(fù)雜的背景媒質(zhì)。而以太說，不過是關(guān)于真空的前期理論。從這個意義上說

39、，人們?nèi)匀辉诶^續(xù)研究以太學(xué)說，使用以太思想。回顧一下物理學(xué)史，我們就會很有啟發(fā)。在十九世紀(jì)的交替時期，經(jīng)典力學(xué)受到了無情的挑戰(zhàn)。最著名的就是當(dāng)時物理學(xué)存在的兩個疑難問題：（1）“以太飄移”。在1887年麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)表明沒有絕對的慣性系存在。（2）“紫外災(zāi)難”。在1990年普朗克解釋黑體輻射規(guī)律所建立的公式表明波粒二象性的存在?，F(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過一個世紀(jì)的蓬勃發(fā)展后，其輝煌成績有目共睹，但是不可否認(rèn)，它的某些領(lǐng)域仍然存在缺陷。在二十世紀(jì)，粒子物理學(xué)中的兩大疑難又?jǐn)[在了人們的面前：（1）對稱性破壞。目前的所有理論都是基于對稱性基礎(chǔ)上的，但是很多與對稱性有關(guān)的量子數(shù)是不守恒的。（2）夸克禁閉。所有的

40、強(qiáng)子都是由夸克組成的，但是從未有單獨(dú)的夸克可以被人們所看到。今天，當(dāng)我們對這些疑難作再一次回顧時就會發(fā)現(xiàn)，這兩件科學(xué)事件雖然想去多年，但他們卻有著某種聯(lián)系，而這四個疑難中有三個的出現(xiàn)和解決是和一個非常古老又吸引許多人注意的概念“以太”有關(guān)。     綜上所述，以太在物理學(xué)的發(fā)展中具有重要的作用，對物理學(xué)發(fā)展的影響也非常深遠(yuǎn)。以太究竟是什么？今天沒有人能給出明確的答案，因?yàn)樵诓煌臅r期，對以太有不同的理解，但有一點(diǎn)相同，那就是以太是物質(zhì)性的。至始至終，人們都沒有停止對以太的探索?？梢宰鞒鲞M(jìn)一步的猜想，在二十一世紀(jì)，隨著以太的神秘面紗的揭開，我們的物理理論會得到進(jìn)一步

41、的發(fā)展和完善或者孕育出新的理論。電磁學(xué)理論的建立對第二次工業(yè)革命影響的研究     姓名    石龍    學(xué)號   1350801125【正文】1、引言   電磁學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的一門學(xué)科，是物理學(xué)科的一個重要分支電磁運(yùn)動是物質(zhì)的基本運(yùn)動之一，電磁相互作用廣泛的存在于自然界電磁學(xué)的每一次進(jìn)步，都給人類社會的進(jìn)步和發(fā)展帶來了巨大的動力，使得人來經(jīng)過第二次工業(yè)革命后進(jìn)入了電氣時代。    19 世紀(jì)是自然科學(xué)獲得長足發(fā)展的時代，特別是在熱力學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)方

42、面取得了重大的理 論突破。科學(xué)開始與工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合起來，在技術(shù)上取得一系列的新進(jìn)展，并帶動了許多 新興工業(yè)部門的興起。 科學(xué)成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的一個重要因素， 它與技術(shù)的結(jié)合使第二次 工業(yè)革命取得更大成果?？梢哉f是科學(xué)帶動技術(shù)。 1870 年前后,世界科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)了第二次重大突破并運(yùn)用于生產(chǎn) ,從而進(jìn)入了“電 氣 時 代”,這可謂第二次工業(yè)革命。 第二次科學(xué)技術(shù)革命直接來源于科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。 科學(xué)家和研究人員絕大多數(shù)從受過系統(tǒng)的高等教育的大學(xué)生、研究生中產(chǎn)生出來的,少數(shù)自學(xué)成材者也是經(jīng)過刻苦頑強(qiáng)的學(xué)習(xí),系統(tǒng)地掌握了高深的科學(xué)理論和知識的。這標(biāo)志著人類已更加自覺地探求科學(xué),以應(yīng)用于生產(chǎn)、生活和

43、軍事。在第二次科學(xué)技術(shù)革命時,科學(xué)成就應(yīng)用于工業(yè),在三個方面產(chǎn)生了革命性的發(fā)展: 新能源 電 和 石 油的發(fā)現(xiàn)和利 用,新機(jī)器電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)制;為遠(yuǎn)距離提供迅速傳遞信息的通訊工具的發(fā)明。 恩格斯一開始就敏銳地看到電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用具有深遠(yuǎn)社會意義。他指出:“蒸汽機(jī)教我們把熱變成機(jī)械運(yùn)動,而電的利用將為我們開辟一條道路,使一切形式的能熱、機(jī)械運(yùn)動、電、 磁、光互相轉(zhuǎn)化,并在工業(yè)中加以利用”,不僅“生產(chǎn)力將因此得到極大的發(fā)展”,“到最后它終將成為清除城鄉(xiāng)對立的最強(qiáng)有力的杠桿”,“這實(shí)際上是一次巨大的革命”,這就是第 二次科學(xué)技術(shù)革命?？茖W(xué)應(yīng)用于技術(shù),促進(jìn)了工業(yè)革命的發(fā)生和發(fā)展。2、電磁學(xué)理論在第二

44、次工業(yè)革命中的應(yīng)用2.1人類對電磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)和研究   人類對電磁現(xiàn)象的研究可以追溯到很早的年代， 西漢末年 （大概公元 20 年左右） 就有關(guān)于摩擦過的玳瑁吸引細(xì)小的物體的記錄； 東漢時期王充在 論衡·亂龍篇 中有“頓牟綴芥, 磁石引針” 的記載； 公元前 585 年， 希臘哲學(xué)家泰勒斯記載過用木塊摩擦過的琥珀能吸引碎草屑等輕小物體的能力， 其后又有人發(fā)現(xiàn)摩擦過的煤玉也具有吸引輕小物體的能力. 在中國古代的山海經(jīng)管子呂氏春秋韓非子· 有度篇武經(jīng)綱要夢溪筆談 中，對磁體和磁現(xiàn)象做了分析和記錄， 并對指南針的制造和使用作了描述。16 世紀(jì)英國科學(xué)家、 皇家御

45、醫(yī)吉爾伯特， 在他出版的專著論磁性、 磁體和巨大的地球磁體 一書中， 分別講述磁體和磁現(xiàn)象， 講述了 摩擦起電現(xiàn)象和電吸引現(xiàn)。并認(rèn)為地球本身就是一個巨大的磁體，因此磁鐵因?yàn)樘幱诘卮艌鲋卸艿搅肆Φ淖饔? 而摩擦起電的物體雖然也有吸引細(xì)小物體的能力， 但是它們不會受到地磁場的影響，因此他們不是磁力而是電荷之間相互的作用力。自1660年蓋里克發(fā)明摩擦起電機(jī)后，電現(xiàn)象的研究變得可行了。1720年，格雷發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體與絕緣體，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。1733年，杜菲經(jīng)過實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，他分別稱之為松脂電（即負(fù)電）和玻璃電（即正電），并由此總結(jié)出靜電相互作用的基本特征：同性相斥，異性相吸。萊頓瓶的發(fā)明

46、使得電現(xiàn)象的研究更加深入。富蘭克林發(fā)現(xiàn)了尖端放電，發(fā)明了避雷針，研究了雷電現(xiàn)象，并從萊頓瓶的研究中，提出了電荷守恒原理。后來康頓在1734年用電流體假說解釋了靜電感應(yīng)現(xiàn)象。至此，靜電力基本特性、電荷守恒和靜電感應(yīng)這三條靜電學(xué)基本原理已經(jīng)建立。1785年，庫侖利用扭秤試驗(yàn)總結(jié)出：真空中兩個靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與它們的電荷量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫侖定律不斷經(jīng)受著實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，目前已經(jīng)成為精確的實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一。1820年4月，奧斯特在作有關(guān)電和磁的演講時，嘗試將磁針放在導(dǎo)線的側(cè)面，正當(dāng)他接通電源時，發(fā)現(xiàn)磁針輕微地晃動了一下，他立即意識到這正是他多年盼

47、望的效應(yīng)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，奧斯特終于查明電流的磁效應(yīng)沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向。1820年起，電磁熱席卷歐洲，法拉第相信自然力的統(tǒng)一性，認(rèn)為“磁生電”是必然存在的。從1824年到1828年，法拉第多次進(jìn)行電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。1831年8月29日，法拉第終于取得突破性進(jìn)展。這次他是用一個軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈A和B，法拉第對各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)作了總結(jié)，將產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況分為5類：變化中的電流，變化中的磁場，運(yùn)動的穩(wěn)恒電流，運(yùn)動中的磁鐵，運(yùn)動中的導(dǎo)線。法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1833年楞次用楞次定則來說明感應(yīng)電流的方向。1845年紐曼以定律的形式提出電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。1865年麥克斯韋發(fā)

48、表了關(guān)于電磁場理論的第三篇論文電磁場的動力學(xué)理論，全面地論述了電磁場理論。對麥克斯韋的功績，愛因斯坦作了很高的評價，他在紀(jì)念麥克斯韋逝世100周年的文集中寫道：“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)的最偉大的變革是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作所引起的?！薄斑@樣一次偉大的變革是同法拉第、麥克斯韋和赫茲的名字永遠(yuǎn)連在一起的。這次革命的最大部分出自麥克斯韋”。洛倫茲在1892年發(fā)表了麥克斯韋電磁學(xué)理論及其對運(yùn)動物體的應(yīng)用，在對麥克斯韋電磁場理論修訂的基礎(chǔ)上提出了著名的經(jīng)典電子論。他將電磁波（包括可見光）經(jīng)過物質(zhì)時呈現(xiàn)的各種宏觀電磁現(xiàn)象，都?xì)w結(jié)為電磁波與物質(zhì)中在準(zhǔn)彈性力作用下電

49、子的相互作用的結(jié)果。從這一簡單的假設(shè)出發(fā)，洛倫茲成功地解釋了物質(zhì)中一系列的電磁現(xiàn)象，以及物質(zhì)在電磁場中運(yùn)動的一些效應(yīng)。洛倫茲的電子論為塞曼效應(yīng)提供了理論依據(jù)和科學(xué)解釋。在洛倫茲的電子論中，電子的運(yùn)動是一切電磁場的根源?？茖W(xué)理論研究在 19 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)上,在科學(xué)理論上出現(xiàn)了新的偉大成就,那就是在牛頓力學(xué)之后,發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律以及電磁科學(xué)。這是第二次科學(xué)技術(shù)革命的理論基 礎(chǔ)。在 1 9 世紀(jì),有好幾位科學(xué)家,幾乎同時而又各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化規(guī)律。其中英國物理學(xué)家焦耳在奠定這一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)并用實(shí)驗(yàn)來測定熱功當(dāng)量等方面所作的貢獻(xiàn)尤其明顯。1840 年,2

50、2歲的焦耳經(jīng)過多次通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電能可以轉(zhuǎn)化 為熱能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他寫成了 電流析熱的論文。他的發(fā)現(xiàn)幾乎與英國物理學(xué)家楞次同時獲得,故把這一科學(xué)成果稱為焦耳楞次定律。焦耳進(jìn)一步研究了各種運(yùn)動形式之間的 能量守恒和轉(zhuǎn)換的關(guān)系。1843年,他宣布:自然界的能是不能毀滅的,那里消耗了機(jī)械能,總能得到相當(dāng)?shù)臒?熱只是能的一種形式。這一論點(diǎn)沖破了傳統(tǒng)的“熱質(zhì)說”的機(jī)械唯物論觀 點(diǎn),轟動了科學(xué)界。 恩格斯指出:自然界的各種能, “都是普遍運(yùn)動的各種表現(xiàn)形式,這些運(yùn)動形式按照一定的度量關(guān)系由一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N,因此,當(dāng)一種形式的量消矢時,就有另一種形式的一定的量代之出現(xiàn),因此,自然界中的一切運(yùn)

51、動都可以歸結(jié)為一種形式向另一種形式 不斷轉(zhuǎn)化的過程?！庇膫ゴ蟮奈锢韺W(xué)家麥克斯韋是和牛頓、 愛因斯坦同樣偉大的物理學(xué)家和思想家之一，1855 年，他完成了他第一篇重要論文論法拉第的力線， 1862 年發(fā)表了第二篇論文論物理的力線 。1864年 1 月 8 日，麥克斯韋向皇家學(xué)會宣讀了他關(guān)于電磁場的第三篇重要論文電磁場的動力學(xué)理論，并正式發(fā)表于 1865 年，在他自稱是電磁統(tǒng)一理論的論文中，包含了概括了 20 個變量的 20 個方程，經(jīng)過后人進(jìn)一步整理和綜合， 成為以他的名字命名的概括所有電磁現(xiàn)象的方程組麥克斯韋方程組. 他推論變化的電場激發(fā)磁場，變化的磁場激發(fā)電場， 電場磁場相互交替， 在真

52、空中傳播，而且導(dǎo)出電磁波在真空中傳播的速度與光速一致， 他由此預(yù)言了電磁波的存在和光也是電磁波。 麥克斯韋的電磁理論提出后，由于光波波長極短，無法測量而在很長的一段時間內(nèi)并沒有被所有的人接受， 一直到他的推論和預(yù)言被德國的物理學(xué)家赫茲 1888 年的電容放電和檢測實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 赫茲受到他的老師的亥姆霍茲的鼓勵，從1878 年開始用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證麥克斯韋理論，雖經(jīng)多年努力仍沒有找到途徑。 1886 年 10 月，赫茲在做電路放電實(shí)驗(yàn)過時，偶然發(fā)現(xiàn)旁邊的一個兩端間有空隙的開路線圈也發(fā)出火花。他立刻想到這可能是電磁共振，沿著這個思路，他隨后在一年中做了一系列的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了發(fā)射電磁波的赫茲振子和接收電磁

53、波的共振探測器，由此證實(shí)了電磁波的存在，還測出其速度與光速相同，與光一樣具有反射、折射、 干涉、 偏振等性質(zhì)。赫茲的實(shí)驗(yàn)很好的證實(shí)了麥克斯韋理論， 開創(chuàng)了無線電技術(shù)的新時代， 經(jīng)歷了 80 年才從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)至麥克斯韋理論的建立，到赫茲實(shí)驗(yàn)的證實(shí)經(jīng)歷了將近一個世紀(jì)， 電磁學(xué)的大廈終于巍然屹立于由必然王國通向自由王國的征途之上。 麥克斯韋理論說明電磁相互作用是媒遞作用， 由電磁場來傳遞； 它的傳遞速度是有限的光速， 不是作用。電磁場是物質(zhì)的一種形態(tài)并具有能量，電磁波是電磁場的運(yùn)動，在這過程中電磁場的能量向前的傳遞。超距作用認(rèn)為傳遞相互作用不需要時間的說法是不對的， 但它是人類認(rèn)識電磁現(xiàn)象的一個

54、中間階段，對電磁學(xué)的研究起到了很重要的作用， 在靜電學(xué)、靜磁學(xué)以及緩慢變化的電磁場問題中，用這種觀點(diǎn)分析仍然是對的。人類對自然界的認(rèn)識不斷的發(fā)展和完善，總結(jié)出的規(guī)律具有相對性，只有在人的認(rèn)知范圍不斷擴(kuò)大和認(rèn)識深度不斷加深的之后，人們才能越來越全面正確的掌握自然科學(xué)的規(guī)律和本質(zhì)。 麥克斯韋的理論也是如此，這個理論在解釋特殊介質(zhì)的電磁性質(zhì)及光學(xué)色散現(xiàn)象時也遇到了困難。 正是這些新困難和新問題的出現(xiàn)， 才引起了人們更深入的分析研究。1892 年后， 荷蘭的物理學(xué)家洛倫茲發(fā)表了一系列的論文，提出了電子論， 把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中的電子電流效應(yīng)，將麥克斯韋的電磁理論應(yīng)用到微觀領(lǐng)域，從而部分地克服了

55、以上的困難。 1905 年， 愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論證明了麥克斯韋方程組滿足洛倫茲變換， 而且在任何慣性系中都有相同的形式。可以通過洛倫茲變換得到電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系式，即電磁場區(qū)分為電場和磁場完全并不是絕對的， 而取決與參考系的選擇。愛因斯坦的狹義相對論實(shí)現(xiàn)了電場和磁場以及電力和磁力的統(tǒng)一，使經(jīng)典電磁理論更加完善。2.2第二次工業(yè)革命中科學(xué)和技術(shù)的結(jié)合第二次工業(yè)革命期間，自然科學(xué)的新發(fā)展開始同工業(yè)生產(chǎn)緊密地結(jié)合起來，科學(xué)在推動在推動生產(chǎn)力發(fā)展發(fā)面發(fā)揮更為重要的作用，它與技術(shù)的結(jié)合使第二次工業(yè)革命取得了巨大的成果。尤其是：電力的廣泛使用、內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)制、新通訊手段的發(fā)明和石油化學(xué)工業(yè)的建立

56、。第二次工業(yè)革命期間，幾乎所有的工業(yè)部門都受到科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的影響，許多技術(shù)成果在被發(fā)明之前，其原理已經(jīng)在理論上被闡明。如電氣技術(shù)的發(fā)展完全依賴于電學(xué)的發(fā)新能展。第二次工業(yè)革命以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點(diǎn)。從19世紀(jì)六七十年代開始，出現(xiàn)了一系列電氣發(fā)明。德國人西門子制成發(fā)電機(jī)，比利時人格拉姆發(fā)明電動機(jī)，電力開始用于帶動機(jī)器，成為補(bǔ)充和取代蒸汽動力的源。電力工業(yè)和電器制造業(yè)迅速發(fā)展起來。人類跨入了電氣時代。以下為第二次工業(yè)革命中主要的技術(shù)創(chuàng)造。類別年代發(fā)明家發(fā)明特點(diǎn)補(bǔ)充電力1866馮·西門子自勵電磁式發(fā)電機(jī)自勵磁原理 直流發(fā)電機(jī)1870格拉姆格拉姆行電磁式發(fā)電機(jī)環(huán)形電樞連續(xù)電流發(fā)電

57、機(jī)1872阿爾特涅克圓柱形電樞技術(shù)優(yōu)越更多的繞組被利用1878懷爾德環(huán)形繞組發(fā)電機(jī)梭式電樞為雙繞組 交流發(fā)電機(jī)1881梅里唐永磁式交流發(fā)電機(jī)采用分布式繞組，使輸出波形大大改變。1884費(fèi)郎蒂單相交流發(fā)電機(jī)進(jìn)一步改進(jìn)了轉(zhuǎn)子繞組1886莫迪莫迪交流發(fā)電機(jī)輸出單向脈動電流1820阿拉戈電磁鐵將磁轉(zhuǎn)變成電 1832皮可西永磁發(fā)電機(jī)法拉第原理  照明和通訊1840德拉魯鉑燈絲白熾燈照明方式的改進(jìn)與發(fā)展弧光燈1847斯泰特金屬燈絲燈1853斯泰特碳弧光燈1858迪博斯克弧光燈1878斯旺碳燈絲熾熱燈白熾燈絲燈1881?？怂篃霟岚l(fā)光燈1882愛迪生碳燈絲燈1839庫克

58、直讀指示盤式電報(bào)機(jī) 電報(bào)1904弗萊二極管 1845布雷特印字電報(bào)機(jī) 1838戴維化學(xué)電報(bào)機(jī) 1861賴特電話機(jī) 電話1895盧瑟福無線電波的金屬粉末檢波器麥克斯韋電磁理論無線電報(bào)     內(nèi)燃機(jī)1860勒努瓦勒努瓦燃?xì)鈾C(jī) 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)1878奧托臥式燃?xì)鈾C(jī)四沖程循環(huán) 1873布雷頓布雷頓發(fā)動機(jī)兩個氣缸燃油發(fā)動機(jī)1886登特燃油發(fā)動機(jī)奧托循環(huán)1892狄塞爾發(fā)動機(jī)燃油一接觸到壓縮空氣就自動點(diǎn)燃柴油發(fā)動機(jī)1889戴姆勒V型雙缸汽油機(jī) 汽油發(fā)動機(jī)1899布里耶對置活塞式發(fā)動

59、機(jī)立式雙缸1897蘭徹斯特蘭徹斯特發(fā)動機(jī)臥式對置汽缸 交通1893查爾斯汽車四馬力汽油發(fā)動機(jī) 1908福特敞篷游覽車四輪T型 1900齊柏林飛艇  1903萊特飛機(jī)12引擎馬力 路上交通工具逐漸以汽車為主；飛機(jī)開創(chuàng)了水陸之外的空運(yùn)時代。新能源的大規(guī)模應(yīng)用、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明、通訊工具的發(fā)明、化工業(yè)的迅猛發(fā)展對第二次工業(yè)革命產(chǎn)生了決定性的作用，人類開始通過科學(xué)研究來獲得純粹的科學(xué)知識，然乎又反過來促進(jìn)理論。3、延伸至當(dāng)今社會中電磁學(xué)理論對社會的影響   在18世紀(jì)中葉至19世紀(jì)中葉蒸汽動力占據(jù)主要地位的同時，當(dāng)時的科學(xué)工作者加快了對電的研究。18世紀(jì)后期意大利物理學(xué)家伏達(dá)發(fā)明了電池；19世紀(jì)初丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，隨后安培定律、歐姆定律相繼被發(fā)現(xiàn)。1821年英國物理學(xué)家法拉第制成了第一臺發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這是十九世紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)之一，開創(chuàng)了人類電氣時代的新紀(jì)元。無論是電工技術(shù)還是電氣工業(yè)，完全是在電磁理論建立之后，人們自覺地運(yùn)用理論指導(dǎo)實(shí)踐做出了各種發(fā)明和發(fā)現(xiàn)。麥克斯韋在總結(jié)法拉第等人研究成果的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性的提出了系統(tǒng)的