美國科學(xué)技術(shù)史概論5課件

美國科學(xué)技術(shù)史概論

ABriefHistory

ofAmerican

ScienceandTechnology王大明中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院2015年4月1日北京美國十九世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展電磁學(xué)發(fā)展背景亨利的電磁學(xué)研究電磁學(xué)的最早應(yīng)用之一：有線電報和莫爾斯電碼十九世紀(jì)后半期的物理學(xué)三劍客吉布斯、羅蘭、邁克爾遜電磁學(xué)革命從美國建國的1789年到十九世紀(jì)中期，正是世界電磁學(xué)飛速發(fā)展的時期。其要點就是將電和磁聯(lián)系起來。這個期間，從咖伐尼——伏打——歐姆——奧斯特——畢奧-薩法爾——安培——法拉第——麥克斯韋——赫茲等，歐洲科學(xué)家完成了一系列奠基性的工作。美國的約瑟夫·亨利也參與了這場電磁革命的盛會。而后來的貝爾、愛迪生、特斯拉等，將這場盛會推向高潮，最終迎來了第二次產(chǎn)業(yè)革命。伽伐尼發(fā)現(xiàn)“神經(jīng)電流”靜電很早就發(fā)現(xiàn)了，但“動電”——電流是在十八世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)。意大利生理學(xué)家路易吉·伽伐尼（LuigiGalvani，1737～1798）發(fā)現(xiàn)蛙腿肌肉接觸金屬刀片時會發(fā)生痙攣，他其后在論文中認(rèn)為生物中存在著一種所謂“神經(jīng)電流”。伏打發(fā)明“電池”意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打伯爵（C.AlessandroG.A.A.Volta，1745-1827）不贊同伽伐尼的這種觀點。他對這種現(xiàn)象進(jìn)行研究后認(rèn)為這不過是外部電流的作用，而蛙腿肌肉只是起到了導(dǎo)體的連接作用。伏打電池1800年，伏打?qū)\片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，得到了很強的電流，他稱之為電堆；而將鋅片和銅片浸入鹽水或酸溶液中也能得到相同的效果，這后來被稱作伏打電池。伏打電堆和電池的發(fā)明，為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件。歐姆的直流電路研究德國物理學(xué)家歐姆(GeorgSimonOhm，1787—1845)經(jīng)過長期研究，于1827年發(fā)表了其著作《直流電路的數(shù)學(xué)研究》，明確了他經(jīng)過實驗所得到的電路分析中電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。即：S=γE式中S表示電流；E表示電動力，即導(dǎo)線兩端的電勢差，γ為導(dǎo)線對電流的傳導(dǎo)率，其倒數(shù)即為電阻。

歐姆定律歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學(xué)家不能正確理解和評價這一發(fā)現(xiàn)，因而遭到懷疑和尖銳的批評。其研究成果被忽視，經(jīng)濟(jì)極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國皇家學(xué)會授予他最高榮譽的科普利金獎，這才引起德國科學(xué)界的重視。歐姆的進(jìn)展極大地影響了電流理論和應(yīng)用的發(fā)展，他在《直流電路的數(shù)學(xué)研究》這本書中首次提出的電學(xué)定律，后來被命名為歐姆定律。奧斯特發(fā)現(xiàn)電和磁之間的關(guān)系雖然富蘭克林早在1751年，就發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化，但當(dāng)時人們還沒能重視這個聯(lián)系。直到1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特（ChristianOersted，1777—1851）用實驗證明接通電流的導(dǎo)線能對附近的磁針產(chǎn)生作用力，并且這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向分布時，才引起了科學(xué)界的關(guān)注。畢奧—薩伐爾定律在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國物理學(xué)家讓·巴蒂斯特·畢奧和費利克斯·薩伐爾進(jìn)一步詳細(xì)研究了載流直導(dǎo)線對周圍磁針的作用力，并確定其“磁力大小正比于電流強度，反比于距離，方向垂直于距離連線”。這一規(guī)律被稱為畢奧-薩伐爾定律。安培的發(fā)現(xiàn)法國物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培（André-MarieAmpère，1775年—1836年），在奧斯特的發(fā)現(xiàn)僅一周之后（1820年9月）就向法國科學(xué)院提交了一份更詳細(xì)的論證報告。他認(rèn)為兩根載流導(dǎo)線存在著相互影響，相同方向的平行電流彼此相吸，相反方向的平行電流彼此相斥；他還認(rèn)為通電的線圈與磁鐵相似；因為兩個線圈之間存在著吸引和排斥作用。安培定則安培一方面用實驗驗證了自己的觀點，另一方面，還用數(shù)學(xué)對上述作用力進(jìn)行了推導(dǎo)。于1827年，將他的電磁現(xiàn)象研究綜合在《電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》一書中，這是電磁學(xué)史上一部重要的經(jīng)典論著，對以后的電磁學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。麥克斯韋稱安培的工作是“科學(xué)史上最輝煌的成就之一”，后人稱安培為“電學(xué)中的牛頓”。法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，當(dāng)時擔(dān)任著英國皇家研究所實驗室主任的法拉第（MichaelFaraday，1791-1867）也轉(zhuǎn)向了電磁領(lǐng)域的研究工作。電磁力相互作用法拉第首先從奧斯特的工作中得到啟發(fā)，他認(rèn)為假如反過來考慮磁鐵固定，線圈就可能會運動。根據(jù)這種設(shè)想，1821年，他成功地發(fā)明了一種簡單的裝置。在裝置內(nèi)，只要有電流通過線路，線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動。實際上，這不是發(fā)電機，而是電動機的雛形。電磁感應(yīng)、場和力線的概念1831法拉第發(fā)現(xiàn)，一塊磁鐵穿過一個閉合線路時，線路內(nèi)就會有電流產(chǎn)生，此即電磁感應(yīng)效應(yīng)。法拉第還將“場”、“力線”等重要概念引入物理學(xué)，為后來的許多重大進(jìn)展開拓了廣闊的道路，

法拉第的功績他還引入了諸如正負(fù)極、離子等概念；發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)效應(yīng)，并由此發(fā)明發(fā)電機；引入“電磁場”和“力線”等重要概念，揭示了電和磁的本質(zhì)。紀(jì)念法拉第的20英鎊紀(jì)念幣接過富蘭克林的披風(fēng)美國的物理學(xué)，自富蘭克林在18世紀(jì)中期作為業(yè)余愛好者所進(jìn)行的電學(xué)研究，猶如一道閃電劃過北美的天空之后，就進(jìn)入了長時間的沉寂。直到19世紀(jì)20-30年代約瑟夫·亨利的出現(xiàn)，才打破了僵局。之后相繼出現(xiàn)的羅蘭、吉布斯和邁克爾遜等人，成為轉(zhuǎn)變美國物理學(xué)歷史軌跡的重要人物。約瑟夫·亨利美國物理學(xué)家亨利(JosephHenry,1797-1878年)出生于紐約的奧爾巴尼，是個出身寒微的平民子弟。他參與了電磁學(xué)革命，并將自己的名字寫了上去，成為轉(zhuǎn)變美國科學(xué)歷史發(fā)展軌跡的第一個重要人物。被稱之為美國“接過富蘭克林披風(fēng)的人”。簡略生平童年僅讀過小學(xué)和初中，但由于勤奮學(xué)習(xí)，考進(jìn)了奧爾巴尼學(xué)院，在那里他學(xué)習(xí)化學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)，準(zhǔn)備當(dāng)一名醫(yī)生，可是，畢業(yè)以后他卻在奧爾巴尼學(xué)院當(dāng)上了一名自然科學(xué)和數(shù)學(xué)講師。1832年，亨利成為新澤西學(xué)院（即現(xiàn)今的普林斯頓大學(xué)）的自然哲學(xué)教授，一直到1846年離開那兒為止。從社長到院長自1846至1878年間，他是新成立的史密森學(xué)社的秘書和第一任社長。他生前的最后十年，曾任成立不久的美國科學(xué)院院長。1878年他在華盛頓特區(qū)逝世。亨利的科學(xué)成就亨利在物理學(xué)方面的主要成就是對電磁學(xué)的獨創(chuàng)性研究。包括如下主要幾項：制成強電磁鐵、發(fā)明繼電器；比法拉第早一年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象；電報機和電動機相關(guān)研究。研制強電磁鐵1825年，英國科學(xué)家斯特金在一塊馬蹄形軟鐵上涂一層清漆，然后在上面間隔繞18圈裸導(dǎo)線，通電后就成了電磁鐵，能吸起約4kg（9磅）重物。這一實驗引起許多科學(xué)家的極大興趣。亨利知道這些消息后，也著手改進(jìn)電磁鐵。他用絲綢包在裸銅導(dǎo)線上，解決了裸導(dǎo)線繞線圈時相鄰圈之間容易短路的問題，使電磁鐵的線圈匝數(shù)大為增加。制成強電磁鐵1829年3月，他研制了一個統(tǒng)有400圈導(dǎo)線的電磁鐵。他把電磁鐵上的線圈分成幾組，然后并聯(lián)或串聯(lián)，用不同類型的電池組供電等方法研究電磁鐵，以增強磁性。最初制作的電磁鐵能吸起三百公斤鐵，1831年他研制成功一個體積不大，但卻能吸起約1噸重物的電磁鐵。這算是電磁學(xué)最早的實際應(yīng)用之一。繼電器在研究電磁鐵時，他在小電磁鐵附近加一帶彈簧的小鐵片，彈簧的另一端固定，當(dāng)電磁鐵接通電源時，小鐵片被電磁鐵吸引，切斷電源，鐵片又被彈簧拉回原處，在這過程中小鐵片來回動作，撞擊電磁鐵發(fā)出“滴嗒嘀嗒”的聲音，這就是最早、最原始的繼電器。這種裝置后來被用于電報發(fā)報。從這個意義上，也可以說亨利發(fā)明了電報，只是他沒有申請專利而已。比法拉第早一年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象1830年8月，亨利在電磁鐵兩極中間放置一根繞有導(dǎo)線的條形軟鐵棒，然后把條形鐵棒上的導(dǎo)線接到檢流計上，形成閉合回路。他觀察到，當(dāng)電磁鐵的導(dǎo)線接通時，檢流計指針向一方偏轉(zhuǎn)后回零；當(dāng)導(dǎo)線斷開的時候，指針向另一方偏轉(zhuǎn)后回零。這意味著亨利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且比法拉第的發(fā)現(xiàn)早了一年。但遺憾的是，亨利并沒有及時公開發(fā)表自己的實驗結(jié)果。發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象1831年，當(dāng)亨利對繞有不同長度導(dǎo)線的各種電磁鐵的提舉力做比較實驗時，他意外地發(fā)現(xiàn)，通有電流的線圈在斷路的時候有電火花產(chǎn)生。第二年八月，亨利對這種現(xiàn)象又進(jìn)行了研究。1832年他發(fā)表了《在長螺旋線中的電自感》的論文，宣布發(fā)現(xiàn)了電的自感現(xiàn)象。這個發(fā)現(xiàn)很快就被歐洲的科學(xué)界所承認(rèn)，之后，還將電感的單位用亨利命名。電報機相關(guān)研究1842年，亨利在實驗室里安裝了一個火花隙裝置，在30多英尺處放一個線圈來接收能量，線圈和檢流計相接，形成回路。當(dāng)火花隙裝置的電火花閃過時，與線圈相接的檢流計指針就發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個實驗實際上表征了無線電波的傳播和接收。雖然亨利的這個實驗比后來赫茲的實驗早了40多年，但是當(dāng)時的人們，包括亨利自己在內(nèi)，還認(rèn)識不到這個實驗及其內(nèi)在含義的重要性。電動機相關(guān)研究亨利曾發(fā)明過一臺象蹺蹺板似的原始直流電動機，從某種意義上來說這也許是他在電學(xué)領(lǐng)域中最重要的貢獻(xiàn)。因為電動機能帶動機器，在起動、停止、安裝、拆卸等方面，都比蒸汽機來得方便。電氣革命是第二次工業(yè)革命的核心，而包括電報機、電動機、電燈、電話等又是電氣革命的核心。美國后來之所以成為第二次工業(yè)革命的主要策源地，與亨利為代表的大批美國電氣科學(xué)家和發(fā)明家的貢獻(xiàn)是分不開的。亨利在事實上發(fā)明了電報但沒申請專利，另一個美國發(fā)明家莫爾斯則放棄了其他事情，專門從事電報的發(fā)明事業(yè)。美國提倡純科學(xué)研究的先驅(qū)亨利雖然發(fā)明過很多實用的裝置，但他卻是美國最早開始提倡純科學(xué)研究的先驅(qū)者。他曾說道：“在美國，雖然許多人長于把科學(xué)應(yīng)用于實際生活，但很少有人為了發(fā)現(xiàn)和發(fā)展新的真理的必要而進(jìn)行辛勤的勞動和認(rèn)真的思索?！?/p>

亨利之后，美國從事純科學(xué)研究的科學(xué)家才開始逐漸多了起來。亨利于1878年在華盛頓去世，享年80歲。莫爾斯電報塞繆爾·莫爾斯（SamuelF.B.Morse

1791-1872），19歲畢業(yè)于耶魯大學(xué)美術(shù)專業(yè)。美國畫家和發(fā)明家。莫爾斯曾兩度赴歐洲留學(xué)，在肖像畫和歷史繪畫方面成了當(dāng)時公認(rèn)的一流畫家。1826年至1842年任美國畫家協(xié)會主席。改變?nèi)松暮叫心獱査故窃?832年從法國返回美國的旅途中萌生了發(fā)明電報的念頭。當(dāng)時莫爾斯已經(jīng)41歲了，在法國訪問了3年，跟歐洲頂尖畫家學(xué)習(xí)交流后坐輪船返回美國。輪船在大西洋中航行，為了打破長途旅行的沉悶氣氛，有個叫杰克遜的美國醫(yī)生向旅客們展示了一種叫“電磁鐵”的新器件并講述電磁鐵原理。改行電學(xué)杰克遜的一句話深深地印在了莫爾斯的腦海里。杰克遜說：“實驗證明，不管電線有多長，電流都可以神速地通過?！边@句話使莫爾斯產(chǎn)生了一個遐想：既然電流可以瞬息通過導(dǎo)線，那能不能用電流來進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞呢？莫爾斯為自己的想法興奮不已。已任美國國立圖畫院院長的莫爾斯從這以后，毅然改行投身于電學(xué)研究領(lǐng)域。拜師求教莫爾斯是個畫家，對于電學(xué)基本外行，要想弄懂電學(xué)原理，遠(yuǎn)非一件容易的事情。但他不恥下問，到處學(xué)習(xí)求教，并慢慢開始入門。其中包括拜亨利為師，學(xué)習(xí)如何使用絕緣導(dǎo)線的強力電磁鐵，和繼電器原理。就這樣，到1835年底，他終于用舊材料制成了第一臺簡陋的電報機。電報機原理莫爾斯的電報機大致結(jié)構(gòu)是包括一個發(fā)報機和一個接收機，中間用導(dǎo)線連接。發(fā)報機是這樣工作：先把凹凸不平的字母版排列起來，拼成文章，然后讓字母版慢慢持續(xù)地觸動開關(guān)，從而使電路或接通或斷開，在連接導(dǎo)線中不斷發(fā)出有電或沒電的信號；而收報機的結(jié)構(gòu)則是，當(dāng)從導(dǎo)線傳來的不連續(xù)電流通過電磁鐵時，會因電磁感應(yīng)而牽動一支能活動的鉛筆在移動的帶子上劃出波狀的線條。將線條譯碼后，便還原成文字信息。原始的莫爾斯電報機電報機硬件改進(jìn)但莫爾斯的第一臺電報機只能在2-3米的距離內(nèi)有效。這是由于隨著收發(fā)兩方距離的增大，電阻相應(yīng)也會增加，最后導(dǎo)致電流太小而使接收端的電磁鐵失靈。所以，要想使電報能投入到實際應(yīng)用，就必須加以改進(jìn)，增加收發(fā)報的距離。軟硬件都需要改進(jìn)硬件改進(jìn)工作在亨利的幫助下，通過增加電池的數(shù)量和改善電磁鐵的質(zhì)量，很快就有了進(jìn)展，增強了信號電流的強度。所以很快就能將電信號傳送到更遠(yuǎn)的距離。但莫爾斯又發(fā)現(xiàn)，發(fā)報端發(fā)出的文字信號，要想在接受端完全不失真的復(fù)現(xiàn)也是一件不容易做到的事情。所以需要改進(jìn)電信號的編碼，即改進(jìn)軟件。莫爾斯電碼1836年，莫爾斯終于找到了一種新的方法，他在筆記本上記下了一個新的設(shè)計方案：“電流只要停止片刻，就會出現(xiàn)火花。有火花出現(xiàn)可以看成是一種符號；沒有火花出現(xiàn)是另一種符號；沒有火花的時間長度又是一種符號。這3種符號如果組合起來代表數(shù)字和字母，就可以通過導(dǎo)線來傳遞文字了?！睋?jù)此，莫爾斯將發(fā)送端原來直接傳送字母版的方法改為按鍵開關(guān)，而接收端仍用原來的劃線方法。莫爾斯電碼電信號的狀態(tài)只有兩種：按鍵時有電流，不按鍵時無電流。有電流時稱為傳號，用數(shù)字“1”表示；無電流時叫空號，用數(shù)字“0”表示。一個“點”就用“1、0”來表示，一個“劃”就用“1、1、1、0”來表示。莫爾斯電報將要傳送的字母或數(shù)字用不同排列順序的“點和劃”來表示，這就是莫爾斯電碼。莫爾斯電碼當(dāng)然，莫爾斯編碼之間還有停頓，所以加起來，其編碼有五種：點（.）劃（-）點和劃之間的短停頓每個詞之間中等停頓以及句子之間長停頓電報機競爭1838年1月，莫爾斯進(jìn)行3英里收發(fā)電報的試驗獲得了成功。1840年4月，這項發(fā)明申請到了專利。他試圖說服別人投資生產(chǎn)電報機，但卻沒人感興趣。莫爾斯只得到歐洲去活動，希望能在歐洲推廣應(yīng)用。然而這時英國的惠斯通已經(jīng)發(fā)明了電磁電報，俄國的希林也造出了其他樣式的電報機大大延長了通信距離，達(dá)到了可以實際應(yīng)用的水準(zhǔn)。國家應(yīng)用新技術(shù)1842年，莫爾斯終于盼來了大展宏圖的時機，美國國會通過了開發(fā)電報技術(shù)的議案。1843年，美國國會決定拔款3萬美元架設(shè)華盛頓和巴爾的摩之間長距離的電報線路，全長64.4千米。第二年長距離電報收發(fā)獲得成功。公開展示1844年5月24日，是世界電信史上光輝的一頁。這一天，在美國國會大廳里舉行了一次隆重的電報機通信實驗活動。在座無虛席的國會大廈里，莫爾斯躊躇滿志地向應(yīng)邀前來的科學(xué)家和政府人士介紹了電報機的原理。他的演講激起了聽眾們的極大興趣，人們都焦急地等侍著“用電線傳遞消息”的奇跡發(fā)生。莫爾斯的第一臺電報機樣品“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”莫爾斯接通電源，用他那激動得有些顫抖的雙手，操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機，向巴爾的摩發(fā)出了人類歷史上的第一份電報：“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”隨著一連串的“嘀嘀嗒嗒”聲的響起，電文通過電線很快就傳到60多公里外的巴爾的摩，莫爾斯的助手接到了他傳來的電文，并準(zhǔn)確無誤地把電文譯了出來。莫爾斯的電報終于成功了！電報風(fēng)靡全球這個演示在美國、英國和歐洲其他國家都引起了轟動。從此，（1844年）5月24日成了國際公認(rèn)的電報發(fā)明日。莫爾斯電報因為使用了電報編碼，具有簡單、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)實用的特點，比其他人發(fā)明的電報優(yōu)越得多。很快，他的電報風(fēng)靡全球。莫爾斯在1848年籌建了私人股份公司，1850年又籌建了電報公司，在電報的發(fā)展和普及方面作出了重大貢獻(xiàn)。偉大的發(fā)明家，渺小的人莫爾斯曾受到亨利的極大幫助，但他從不承認(rèn)，以至于兩人最后對簿公堂。以亨利勝訴莫爾斯丟臉而告終。南北戰(zhàn)爭中，作為北方人的莫爾斯，卻因是個種族主義者而支持南方。最后還是以丟臉而告終。最后的棲息地莫爾斯于1872年4月2日在紐約市去世，享年80歲，安葬在紐約布魯克林的綠蔭公墓。1900年第一批入選美國名人堂。而亨利還是1915年才進(jìn)入了名人堂。純科學(xué)研究的起步美國內(nèi)戰(zhàn)之后，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)繁榮，教育的逐步普及，純科學(xué)研究開始出現(xiàn)并在水平上不斷提高。標(biāo)志之一，就是出現(xiàn)了一批具有國際聲望的職業(yè)科學(xué)家。其中最著名的幾位，都是物理學(xué)家，包括吉布斯、羅蘭和邁克爾遜等。分別在熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)、電磁和光學(xué)等領(lǐng)域，做出了杰出貢獻(xiàn)。吉布斯的統(tǒng)計力學(xué)研究吉布斯(Josiah

Willard

Gibbs，1839-1903)，1858年畢業(yè)于耶魯大學(xué)。1873年至1878年，發(fā)表了被稱為是“吉布斯熱力學(xué)三部曲”的3篇論文，即“流體熱力學(xué)的圖示法”(1873)、“借助曲面描述熱力學(xué)性質(zhì)的幾何方法”(1873)，以及“非均勻物質(zhì)的平衡”(1876、1878)。1902年發(fā)表了巨著《統(tǒng)計力學(xué)的基本原理》，創(chuàng)立了統(tǒng)計系綜的方法，建立起經(jīng)典平衡態(tài)統(tǒng)計力學(xué)的系統(tǒng)理論，對統(tǒng)計力學(xué)給出了適用任何宏觀物體的完整形式。工程博士，留歐三年1863年吉布斯以使用幾何方法進(jìn)行齒輪設(shè)計的論文在耶魯學(xué)院獲得工程學(xué)博士學(xué)位，這也使他成為美國的第一個工程學(xué)博士。隨后留校任拉丁文助教兩年，自然哲學(xué)助教一年。1866年吉布斯前往歐洲留學(xué)，分別在巴黎、柏林、海德堡各學(xué)習(xí)一年，卡爾·魏爾施特拉斯、基爾霍夫、克勞修斯和亥姆霍茲等大師開設(shè)的課程讓他受益匪淺。1869年留學(xué)三年的吉布斯回到美國繼續(xù)任助教，這三年也是他一生中惟一離開紐黑文的三年。耶魯大學(xué)的Sloane物理實驗室，吉布斯的辦公室在塔右邊二層。無薪講師1871年，32歲的吉布斯成為耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)教師，這是全美第一個該學(xué)科教職。但由于吉布斯還沒有發(fā)表過文章，所以在他擔(dān)任這一教職的九年中始終沒有薪水，靠遺產(chǎn)和專利費生活。吉布斯擔(dān)任這一教職直到去世，他終身未婚，始終和妹妹與妹夫住在紐黑文離耶魯大學(xué)不遠(yuǎn)的祖屋里，過著與世無爭的生活。但在教學(xué)中，他卻不動聲色地最早在美國工程師教育中引入了基礎(chǔ)理論方面的內(nèi)容。34歲發(fā)表論文1873年，已屆34歲的吉布斯，才發(fā)表平生的第一篇論文，但這是極其重要的論文，即“流體熱力學(xué)的圖示法”，采用圖解法來研究流體的熱力學(xué)，緊接著發(fā)表了“借助曲面描述熱力學(xué)性質(zhì)的幾何方法”的論文，提出了所謂三維相圖。非平衡態(tài)論文1876年吉布斯在《康涅狄格科學(xué)院學(xué)報》上發(fā)表了奠定化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典之作《論非均相物體的平衡》的第一部分，1878年完成了第二部分。這一長達(dá)三百余頁的論文被認(rèn)為是物理化學(xué)史上最重要的論文之一。其中提出了吉布斯自由能，化學(xué)勢等概念，闡明了化學(xué)平衡、相平衡、表面吸附等現(xiàn)象的本質(zhì)。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)千里馬但由于吉布斯本人的純數(shù)學(xué)推導(dǎo)式的寫作風(fēng)格和刊物發(fā)行量太小，美國輕視純理論研究等原因，這篇文章在美國沒有引起任何反響。偶然的機會，麥克斯韋看到了吉布斯的文章，立刻對其思想贊賞不已，不但寫信給多位同行推薦，而且吸收到自己的著作《TheoryofHeat》中，甚至還親手作了一個石膏模型寄給吉布斯。之后，這篇論文（其實是一部著作）開始受到歐洲大陸同行的重視。1892年由奧斯特瓦爾德譯成德文，1899年由勒·沙特列翻譯為法語。麥克斯韋根據(jù)吉布斯理論研究固體狀態(tài)的手稿成為耶魯大學(xué)高薪教授麥克斯韋的推薦對于改善吉布斯的經(jīng)濟(jì)待遇起了立竿見影的效果。1880年，約翰·霍普金斯大學(xué)以3000美元的高薪邀請吉布斯前往任教。而為挽留吉布斯，耶魯大學(xué)很快開始給他發(fā)薪，每年2000美元。吉布斯自己仍愿意留在布魯克海文的耶魯執(zhí)教，直到退休。統(tǒng)計力學(xué)1880-1884年吉布斯將哈密爾頓的四元數(shù)思想與格拉斯曼的外代數(shù)理論結(jié)合，創(chuàng)立了向量分析。運用這個方法，吉布斯于1889年寫成了一部關(guān)于統(tǒng)計力學(xué)的經(jīng)典教科書《統(tǒng)計力學(xué)的基本原理》。他使用劉維爾的成果，對玻爾茲曼提出的系綜概念進(jìn)行了擴展，從而將熱力學(xué)建立在統(tǒng)計力學(xué)的基礎(chǔ)上。院士、會士和獎勵HewaselectedtotheNationalAcademyofSciencesin1879.Receivedthe1880RumfordPrizefromtheAmericanAcademyofArtsandSciencesforhisworkonchemicalthermodynamics.HewasgrantedhonorarydoctoratesbyPrincetonUniversity.HebecameahonorarymemberoftheLondonMathematicalSocietyin1892andasaforeignmemberoftheRoyalSocietyin1897.HewaselectedascorrespondingmemberofthePrussianandFrenchAcademiesofScience.獎?wù)?、郵票1901年吉布斯獲得當(dāng)時由英國皇家學(xué)會頒發(fā)的國際科學(xué)界最高獎柯普利獎?wù)隆?005年5月4日美國發(fā)行“美國科學(xué)家”系列紀(jì)念郵票，包括吉布斯、馮·諾伊曼、巴巴拉·麥克林托克和理查德·費曼等。母校雕像、實驗室命名今日耶魯大學(xué)科學(xué)山上以吉布斯名字命名的實驗室耶魯大學(xué)吉布斯實驗室入口處的吉布斯銅雕像紐黑文公墓的吉布斯墓羅蘭，大力提倡純科學(xué)研究的人HenryA.Rowland，(1848-1901）1876年約翰·霍普金斯大學(xué)建立，

27歲的羅蘭成為該校的第一位物理學(xué)教授1882年創(chuàng)制用于光譜分析的衍射光柵——羅蘭球面光柵美國物理學(xué)會的創(chuàng)始人和第一屆理事長

羅蘭出生的時代背景羅蘭出生的1848年，在歐洲歷史上是個動蕩的和革命的年代。歐洲的意大利、德意志、奧地利、匈牙利、波西米亞（捷克）和法國等地相繼發(fā)生反抗舊專制王朝的革命。這些革命中，雖然只有法國的二月革命成功的推翻了復(fù)辟的波朝王朝，其他的革命最后都以失敗告終，但還是使得自由、平等、民主等新興資產(chǎn)階級的觀念深入人心，使歐洲的面貌為之一變。馬克思主義誕生馬克思和恩格斯合著的《共產(chǎn)黨宣言》也在這一年的二月出版。宣揚階級斗爭，主張暴力推翻資產(chǎn)階級統(tǒng)治。1895五年，恩格斯在《〈法蘭西階級斗爭〉導(dǎo)言》中對馬克思主義的整個理論體系進(jìn)行了最后的反思和修正：“歷史表明我們也曾經(jīng)錯了，我們當(dāng)時所持的觀點只是一個幻想。歷史做的還要更多……一八四八年的斗爭方法今天在一切方面都已經(jīng)陳舊了……工人開始參加各邦議會、市鎮(zhèn)委員會以及工商仲裁法庭的選舉……人們也開始愈益了解到對舊策略必須加以修改了。德國所作出的利用選舉權(quán)奪取我們所能奪得的一切陣地的榜樣，到處都有人模仿；無準(zhǔn)備的攻擊，到處都退到次要地位上去了?！保ā恶R克思恩格斯全集》第二十二卷）美國人開始西部大開發(fā)在歐洲人大革命的時代，與歐洲相對的大西洋彼岸，因為在西部的加利福尼亞州發(fā)現(xiàn)金礦所引發(fā)的淘金熱吸引了大批人涌向西部，掀起了西部大開發(fā)的浪潮。其中包括未來的美國鐵路大王之一、科利斯·波特·亨廷頓，他在這年從紐約出發(fā)來到加利福尼亞，并在西部先后碰到了馬克·霍普金斯、利蘭·斯坦福和查爾斯·克羅克等人。他們四人最后組建了美國中央太平洋鐵路公司，并修筑起橫貫北美大陸東西海岸的第一條大鐵路，表征了美國由疆域擴張進(jìn)入了一個西部大開發(fā)和工業(yè)大發(fā)展的年代，由此也拉開了其工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)起飛的序幕。美國科學(xué)發(fā)展軌跡的改變1839年，美國歷史上第一個理論物理學(xué)家威拉德·吉布斯出生；1846年，美國政府第一次接受私人捐助而建立了全美國第一個科學(xué)機構(gòu)——史密森學(xué)社；1848年，羅蘭出生；1852年，美國未來的第一個諾貝爾獎獲得者阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜出生。這些都是美國科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷史軌跡發(fā)生改變的隱喻和象征。早期的鐵磁性研究羅蘭1870年畢業(yè)于美國最早的工業(yè)技術(shù)學(xué)校倫塞勒技術(shù)學(xué)院（RensselaerPolytechnicInstitute），之后在學(xué)院擔(dān)任物理學(xué)助教。開始潛心研究鐵磁性方面的課題。發(fā)現(xiàn)了鐵磁體在磁場中被磁化時的一些特性。但當(dāng)他把自己的研究心得寫成報告投遞給《美國科學(xué)雜志》（AmericanJournalofScience）時，卻遭到了拒絕。得到麥克斯韋的贊賞在美國沒有人認(rèn)識羅蘭成果的意義，但他不死心，將報告郵寄給英國物理學(xué)家麥克斯韋，當(dāng)時正值麥克斯韋發(fā)表了一系列電動力學(xué)論文，并最后出版其劃時代巨著《電磁通論》而創(chuàng)立其電磁理論的重要關(guān)頭。但因為該理論在數(shù)學(xué)上太復(fù)雜、太難懂，一般人難以理解，所以麥克斯韋理論還沒有得到科學(xué)界普遍的認(rèn)可。而羅蘭的實驗與麥克斯韋的理論大有關(guān)系，所以立刻得到了麥克斯韋的贊賞，并推薦給英國的《哲學(xué)雜志》發(fā)表。1876年，當(dāng)約翰·霍普金斯大學(xué)建立之時，經(jīng)過麥克斯韋的推薦，年僅28歲、沒有歐洲留學(xué)經(jīng)歷的羅蘭，受聘擔(dān)任了該大學(xué)第一個物理學(xué)教授。羅蘭的科學(xué)研究羅蘭主要是個實驗物理學(xué)家，在物理學(xué)的各個領(lǐng)域進(jìn)行過大量有價值的研究工作。例如確定歐姆值、荷質(zhì)比、熱功當(dāng)量，第一個證明了水的熱容隨溫度的變化，等等。羅蘭最重要的工作，是在1882年前后創(chuàng)制的用于光譜分析的衍射光柵及利用這種裝置所進(jìn)行的太陽光譜測量。羅蘭的科學(xué)教育工作作為教師，他建議并指導(dǎo)自己的學(xué)生愛德溫·霍爾（EdwinHall）進(jìn)行實驗，最終導(dǎo)致了霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。從1873年到1890年，美國大約有20名學(xué)物理專業(yè)的學(xué)生從國內(nèi)獲得了博士學(xué)位，其中大多數(shù)是從吉布斯任教的耶魯大學(xué)和羅蘭任教的霍普金斯大學(xué)獲得的。提倡純科學(xué)羅蘭是繼亨利之后又一個大力提倡基礎(chǔ)科學(xué)，或用他的話說“抽象科學(xué)”（Abstractscience）或“純科學(xué)”（Pourscience）研究的人。1883年，作為國家科學(xué)院院士和提倡純科學(xué)研究的代表性人物，亨利·羅蘭在其就任美國科學(xué)促進(jìn)會負(fù)責(zé)物理學(xué)方面的副主席的演講中說道：

“在這個國家，為了創(chuàng)建物理科學(xué)所必定要做的事情，不光是電報、電燈或其他諸如此類的冠以科學(xué)之名的用具。譬如新發(fā)明了一道美味佳肴的廚師，在某種程度上也是為世界造福，但我們決不會將他作為化學(xué)家而尊敬?！?008年，我國《科技導(dǎo)報》全文翻譯發(fā)表了羅蘭1883年在美國科技促進(jìn)會上的講話“為純科學(xué)呼吁”“物理學(xué)家的最高目標(biāo)”作為美國物理學(xué)會的發(fā)起人之一和第一任會長的羅蘭，在逝世前不久的1899年，在美國物理學(xué)會成立儀式上，發(fā)表了題為“物理學(xué)家的最高目標(biāo)”演講，為美國物理學(xué)樹立高標(biāo)準(zhǔn)做出了最后的努力?！拔锢韺W(xué)家的最高目標(biāo)”“為了鼓勵科學(xué)的成長，我們能夠做到的最好事情，就是把所有對它有興趣的都人集合到一起，討論它的問題，評價彼此的工作。最要緊的就是要提供一種方法，通過它使得科學(xué)中優(yōu)秀的內(nèi)容能夠被世界所了解?！薄拔覀儑业暮芏嗳瞬哦荚谧非笏^的應(yīng)用科學(xué)過程中浪費掉了……但是你們的出現(xiàn)表明這種情況不會永遠(yuǎn)持續(xù)下去?！眲?chuàng)建美國物理學(xué)會1899年，當(dāng)美國物理學(xué)會成立時只有36名成員，而在它成立100周年的1999年時，其成員已經(jīng)超過40000人。在這個發(fā)展壯大的過程中，亨利·奧古斯特·羅蘭這個名字已被深深地刻在了美國科學(xué)史的里程碑上。榮譽羅蘭在專業(yè)領(lǐng)域贏得他那個時代所能獲得幾乎所有的榮譽：1880年獲得約翰·霍普金斯大學(xué)的榮譽博士學(xué)位，并在1883年和1896年分別獲得耶魯大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的榮譽博士。1881年被推選為美國科學(xué)院的院