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第六章十九世纪的物理学
科学时代——数学——不可秤量的流体——单位——原子论——电流—
—化学效应——电流的其他性质——光的波动说——电磁感应——电磁力场
——电磁单位——热与能量不灭——气体运动说——热力学——光谱分析—
—电波——化学作用——溶液理论
科学时代
如果我们有正当的理由把十九世纪看做是科学时代的开始的话，那么，
原因并不仅仅在于，甚至主要不在于，我们对自然的认识在十九世纪中有了
迅速的发展。自有人类以来，人们就在研究自然：原始的生活技术就是对物
性的片段知识的运用，早期的神话与寓言就是根据当时已有的证据创立的世
界和人类起源的理论。但在最近一百年或一百五十年中，人们对于自然的宇
宙的整个观念改变了，因为我们认识到人类与其周围的世界，一样服从相同
的物理定律与过程，不能与世界分开来考虑，而观察、归纳、演绎与实验的
科学方法，不但可应用于纯科学原来的题材，而且在人类思想与行动的各种
不同领域里差不多都可应用。
在以前时代的大发明中，我们看见实际生活的需要推动技术家取得进一
步的成就：那就是说除了偶然发现所带来的发明之外，需要常在发明之先。
但在十九世纪里，我们就看见为了追求纯粹的知识而进行的科学研究，开始
走在实际的应用与发明的前面，并且启发了实际的应用和发明。发明出现之
后，又为科学研究与工业发展开辟了新的领域。例如，法拉第（Faraday）的
电磁实验促成了发电机和其他电磁机器的发明，这些发明又向科学家提出新
问题并给予科学家解决这些问题的新力量。麦克斯韦对于电磁波的数学研
究，五十年后带来了无线电报与无线电话，这些技术又给物理学家提出了一
些新的问题。巴斯德发现发酵、腐朽以及许多疾201 病都是由于微生物的作
用以后，工业、医药与外科方面都取得了极重要的成果。孟德尔（Mendel）
在布吕恩修道院里所进行的豌豆遗传的实验带来了系统的植物栽培以及小麦
和其他谷类的许多改良品种，并且促使人们认识到某些有关动植物某些特性
的遗传的原理。这种知识在今后对人类的福利也许会产生不可计量的影响。
总之，科学过去是躲在经验技术的隐蔽角落辛勤工作，当它走到前面传递而
且高举火炬的时候，科学时代就可以说已经开始了。
本世纪所特有的各种思想有许多在十九世纪开始的时候就已存在了，因
而要划出一个明确的历史界限是不可能的。而且在技术科学的应用上，至今
仍在进行的伟大工业革命，也早已开始了。在1769 年瓦特得到冷凝器原理专
利权的时候，工业革命的主要工具之一蒸汽机已经到了可以应用的阶段。这
是一个实用的发明，后来才应用科学的原理去改进它、发展它。但是，使得
世界社会情况发生革命性变化的另一大发明：电报通信，却是纯粹科学研究
的结果；这种研究的开端可以追溯到1786 年伽伐尼（Gal vani）的工作。反
转过来，为了便利海底电信而发明出来的反射镜电流计，对于纯科学也有很
大的好处。
有些人看来，科学的实际应用，代表它的主要成就。但这些活动对人类
思想的影响虽然很大，却是间接、缓慢和积累的。人类控制物质资源的能力，
逐渐地、显然不可避免地扩大开来，主要是靠了应用科学，因此，在一般人
眼里，应用科学的重要远远超过于纯科学。事实上，在他们看来，科学的胜
利一个接着一个，其结果，显然进展纵然缓慢却是所向无敌的。人类控制自
然的能力的扩展似乎没有止境；人们都毫无理由地认为扩大控制自然的能力
所用的机械原理，足可以解释整个宇宙的秘奥。
在我们要叙述的这一时期里，主要的倾向，是把动力学的实验与数学方
法逐渐推广到物理学的其他学科中去，而且在可能的情形下，并应用到化学
和生物学上去。科学的研究，至少在一时期里，和哲学探讨分了家。在整个
十九世纪里，多数科学家都有意炽地或202 无意识地抱有一种常识性的见
解，以为科学所揭示的物质、它的性质及其间的关系，就是终极的实在，而
人的身体就是机械结构，也许偶尔为心灵所控制或影响。许多物理学家在考
虑科学的基本概念时，认识到这些意见是便利工作的假设，经不起严格的考
察；但在实验室与实际生活中，人们却没有时间来从哲学的角度表示怀疑。
在牛顿与拉瓦锡所奠定的基础上，物理学与化学建立起一座不断发展与
和谐一致的大厦。这个成就使人们感觉总的路线已经一劳永逸地规划好了，
此后不会再有什么惊人的新发现了，剩下来的工作不过是把科学的度量弄得
更加精密，把几个明显的空隙加以填补罢了。事实上，这就是十九世纪末革
命性发展前夕以前人们的信念。
数学
在十九世纪里，出现了许多数学的新科目。其中我们必须提到数论、形
论与群论，三角学发展成为多重周期的函数理论，以及一般的函数论。综合
与分析的方法创造出一种新的几何学，而许多这样的方法被应用到物理学问
题上去，这可能就是后来引导物理科学大踏步前进的推动力中最大的推动
力。
数学史的细节不在本书范围之内，这里只想谈谈对物理学主要部门具有
特别重要性的几个数学分支的轮廓。
傅立叶（Fourier）在1822 年出版的讨论热传导理论的《热的分析理论》
一书里，证明一个变数的函数，无论是否连续，都可以展开为那个变数的倍
数的正弦级数；这个结果后来被应用到珀松（Poisson）所提出的分析方法上
去。高斯（Gauss）发展了拉格朗日和拉普拉斯的研究成果，并把这种成果应
用到电学上去。他并且建立了量度误差的理论。
拉格朗日列出运动的微分方程式，使动力学得到极大的进步，哈密顿
（William Rowan Hamilton，1805—1865 年）爵士又把这个工作推进了一
步。哈密顿用一个系统中的动量与坐标去表示动能，并发现怎样把拉格朗日
方程式转化为一组一阶微分方程式去决定运动。他还发明了四元数。
萨卡里（Saccheri）。。 在1733 年，洛巴捷夫斯基（Lobatchewski）在1826
年和1840 年，高斯在1831 年和1846 年，波约（Bolyai）在1832 年分别对
欧几里得几何学所依据的一些假定进行了讨论。1854 年，黎曼（Riemann）
促使人们普遍注意到非欧几里得几何学，以后凯利（Cayley）、贝尔特腊米
（Beltranmi）、赫尔姆霍茨（Helmholtz）、克莱因（Klein），怀德海等又
做了不少工作。这些作者都指出，我们可以在数学上讨论非欧几里得空间的
性质，不管这样的空间是否为感官所认识这个问题有怎样的答案。到爱因斯
坦建立了现代的相对性理论的时候，他们的研究才在物理学上变得很重要。
不可秤量的流体
热的强度的概念是从人们的感官知觉而来的，温度计帮助我们去测量
它。阿蒙顿（Amon…tons）利用水银改进了早期的温度计，华伦海特。。。。
（Fahrenheit）、列奥弥尔（Réatumur）与摄尔絮斯（Celsius）各自确立了
标度。热的传播及辐射、对流和传导三者的区别，以及热量的概念，都是后
来的研究课题。虽然最敏锐的自然哲学家，如牛顿、波义耳与卡文迪什等倾
向于认为热是物体质点的颤动，但在还没有同我们的能量观念相当的确定概
念以前，他们的意见是不能发展的。要前进一步就需要把热看做是一种可测
度的量，由一物体传到另一物体时，数量仍然维持不变。在这个观念的指导
下去进行实验，就需要对热的性质给予确定而适合的表述。于是就有一种学
说应运而起。这一学说认为热是微妙的，既不可见而又无重量的流体，在物
体的质点间极其自由地流通。
布莱克（Joseph Black，1728—1799 年）澄清了把热和温度两种概念混
淆起来的看法，分别称之为热的分量与强度。他从蒸馏酒厂得到启发，研究
了冰融为水及水化为汽的状态变化。他发现在这些变化里大量的热被吸收，
而温度却不改变。他说这些热成了“潜热”。他以为热流体或“热质”与冰
结合而成水，成为“准化合物”，热质再与水化合而成汽。他的量度说明，
融解一定量的冰为水所需的热量与把同量的水加热到华氏140°所需的热量
相等，但真正的数字是华氏143°。他还低估了汽化的潜热，把967°F 误为
810°。但这种测量要十分精确是很难的。布莱克又创立了比热的理论来解释
为什么使不同物质发生相同的温度变化所需的热量是不同的，后来他的学生
伊尔文（Irvine）详细地测定了一些物质的比热。这样他就创立了热量测定
的方法，即量热术。热质说或热的流体说一直引导科学前进，到1840 至1850
年间，赫尔姆霍茨与焦耳才证明热功等价，确立了热是运动的一种方式的观
念。
另一类似的流体说，或者说敌对的两流体说，引导了电的现象的研究者
前进。要解释由于摩擦而带电的两个物体为什么彼此相引或相斥，可以假定
电是与热相似的一种物质，是一种可加减的量。但在电的早期历史中，我们
清楚地认识到有两种不同而且相反的电。玻璃与丝摩擦所生的电，可被硬橡
胶与毛皮摩擦所生的电中和。为了解释这些结果，流体说假设有两种性质相
反的流体或者有一种流体，它在比常量多或少时，就引起带电的状态。我们
现在还在使用正电、负电等适合于单流质说的许多术语，虽然我们已经知道
电不是连续的流体而是微粒的结构，这是我们在后面要说明的。当人们用起
电机产生出比较大量的电，再贮蓄在来顿瓶（一个内外都贴上锡箔的玻璃瓶）
一类电容器中的时候，就给实验带来很大方便。格雷（Stephen Gray，1729
年）、杜费伊（du Fay，1733 年）与普利斯特列（Priestley，1767 年）首
先分清了导电体与绝缘体，这两术语则是德扎古利埃（Desaguliers，1740
年）所定出的。人们一注意到电瓶放电的火花与声响，也就马上认识到它们
与雷电相似，因而也就疑心这两种现象性质一样。怎样才能证明两者性质相
同呢？怎样才能使天上的雷公服从物理学定律呢？富兰克林（BenjaminFranklin，1706—1790 年）对这个问题似乎入了迷。他留下的许多信札里都
描绘了不少来顿瓶放电的实验，并提到天电有熔化金属、撕破物质等效应。
在带电体尖端的放电作用的启发下，达利巴德（d’Alibard）与其他法
国人产生了把闪电传导下来的念头。1752 年，他们在马里地方装置了一根高
40 呎的铁竿，要“决定带有闪电的云是否带电的问题”。当电云在竿上经过
时，竿下端即发生火花。这个实验在其他国家也重复做过，而且完全成功—
—事实上，圣彼得堡的里曼（Rtehmann）教授竟因为在屋上装置铁竿引导雷
电而当场被击毙！同时富兰克林则用风筝安全地进行了同样的实验。
在风筝主杆的顶端装上一根很尖的铁丝，约比风筝的木架高出一呎余。
在麻绳的下端与手接近之处系上一根丝带，丝带与麻绳连接之处可系一把钥
匙。当雷雨要来的时候，把风筝放出，执绳的人必须站在门或窗内，或在什
么遮蔽下，免使丝带潮湿；同时须注意不让麻绳碰到门或窗的格子。雷云一
经过风筝的上空，尖的铁丝就可从雷云吸引电火，使风筝和整根麻绳带电，
麻绳另一端的纤维都向四周张开，若将手指接近，就会被其吸引。当风筝与
麻绳都被雨湿，而能自由传导电火时。你若将手指接近，便会看见大量的电由
钥匙流出。从这把钥匙那里可以给小瓶蓄电；由此得来的电火可使酒精燃烧，
并用来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的；
这样就完全证明这种电的物质和天空的闪电是同样的。
十八世纪时，人们进行了许多次加热于电气石等矿石与晶体而生电的实
验，而且电鳗一类电鱼能给人以麻痹性打击的现象，也再度引起人们的注意。
有人考察了它们的电器官，弄清它们给予人的打击的确是由于电的现象所
致。
电力和磁力的研究开始于十八世纪末年。米歇尔和法国军事工程师库仑
（Coulomb）先后在1750 年左右和1784 年发明了�