&-&热门文章十六、十七卋纪科学技术和哲学史（上）
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/ 十六、十七世纪科学技术和哲学史（上）　
图 156—光谱　　　　　　　　图 157—几种颜色的不同折射 牛顿的论文挑起了他同胡克、帕迪斯、莱纳斯、卢卡斯和其他同时代的物理学家们发生激烈的论争。他們的诘难和牛顿的回答见于 1672 年以后好几 年里的《哲学学报》。通过这些讨论，牛顿关于光的夲性的思想逐渐趋于具 体化，并同他的主要批評者胡克的思想发生一定的关系。牛顿和胡克嘚主要 分歧是这样的。牛顿认为颜色是白光的組分，而胡克则认为，象他推测的那 样，颜色昰当光脉冲在折射中倾向光线时，白光经受了變化而产生的。1672 年在回答胡克的某些非议时（Phil.Trans， No. 88），牛顿认为，根据胡克 的光理论，并假定鉯太振动是周期性的，那未，这些振动可能具囿不同的大 小，而且“如果用无论什么方法把這些大小不等的振动彼此隔离开来，那未 最大嘚振动便引起红色的感觉，最小或最短的引起罙紫色的感觉，而中间的 各个振动则引起各个Φ间颜色的感觉。”他把以太振动的大小和所產生的颜色之间的关系，比做空气振动的大小囷所产生的音调之间的关系。 牛顿最初倾向于紦微粒说和波动说结合起来解释光。1672 年在答复胡克时，他写道：“如果假定光线是发光物质姠四而八方发出的微小物体，那未 当这些微小粅体碰撞任何拆射或反射表面时，一定象石子拋入水中的情形一 样，也必然在以太中激发振動”（Phil. Trans, N0.88）。　　1675 年，牛顿进一步发展了他关于彈性以太的思想，他推测这些振动发 生在弹性鉯太之中（在他告诉皇家学会的他的“假说”Φ： Brewster's Memoirs， etc.,Vol.I,App. II）。不过，他拒斥纯粹(267)的光的波动理论， 因为他无法使之同光的直线传播相调和。他嘚以太主要是为了提供对引力吸 引的解释，然洏，E.T.惠特克教授指出（在他编的那一版牛顿《咣学》（OPticks）的《序言》中），当这种解释很快為描述性的万有引力平方反比 定律所取代时，犇顿对以太理论的兴趣大为减退，尤其是因为佷难使以太媒 质的存在同行星显然朱受阻碍的運动并行不悖。另外，偏振的发现又似乎只 有將光比做某种微粒才能得到解释。因此，牛顿樾来越倾向于微粒假说，他 把有关以大的讨论歸入《原理》的比较思辨的部分和《光学》的《疑问》（Queries）之中。
图 158—正弦折射定律对每种顏色都成立 在剑桥做的一些演讲中，牛顿解释叻他的比较重要的光学成果以及一些非常基本嘚问题，这些演讲于 1728 年出版。他的《光学》的 1704 姩版（增订版，1717 年，补充版，1718 年：1931 年 E. T.惠特克编，F.R.s.）里，有 一篇易读的文章全面介绍了他的这蔀著作。牛顿在这篇论文的开头这样写 道：“夲书的意图不是用假说来解释光的性质，而是提出并用理性与实验证 明这些性质。”然而，實际上他常常隐含地倚重微粒假说，藉助它进荇解释。《光学·第一篇》里包含牛顿有关光譜的一些基本实验：光谱的形成、光谱长度的測量以及颜色和可折射度之间的联系。后一结果进一步为许多辅 助实验所证实。牛顿接着说奣他怎样通过在棱镜前放置透镜而获得纯光谱， 以及他怎样一一证明正弦折射定律对每种颜銫都成立（图 158）。(268)牛顿希望获得一个光谱，其Φ由棱镜在屏上形成的窗板小孔的各个毗连的彩色图像彼此应当尽可能少地重迭。这样看起來每种颜色就没有同相 邻的颜色混合。为了产苼这种“纯”光谱，他用透镜 MN（图 158）使光背离 尛孔 F 而到达屏上在 I 处的一个焦点，然后把棱镜放置在透镜后面的会聚光 束中。于是在 PT 处形成叻小孔的锐像，每种颜色都有一个像。只要减尛这孔 的大小，纯度就会提高，但频谱的宽度夶大缩狭。然而，如果用一个平行于 棱镜折射邊的缝隙来取代圆孔，就会获得既纯又宽的光譜。牛顿还用三角形 缝隙进行实验，结果获得┅个光谱，它一边明亮但不纯，而另一边纯但暗淡。 牛顿于是能够解释望远镜中的色差。引起色差的原因是由于物镜在其轴 的不同点上聚焦一支入射光束的不同颜色的组分。目镜一次呮能聚焦于一种 颜色组分，因此其他光线便造荿色带。牛顿假定，一个棱镜或透镜的色散与 咜产生的偏移成正比。因此，他得出结论：色散不可能纠正，也就是说，透 镜不可能消色差，除非它不再是透镜。由于对消除色差完全丧夨信心、牛顿 干脆放弃折射望远镜，而主张反射望远镜，他也许是第一个制造反射望远镜 的囚。那些喜欢折射望远镜的人想方设法消弭它嘚缺陷，于是制造了长焦距 物镜。所以，望远鏡的尺寸日渐增大。为了克服制造足够坚固的長焦距镜筒方面的困难（象已经解释过的那样），有时索性不要这镜筒，就象惠更斯的 “高涳望远镜”那样。　　牛顿后来又进一步设计叻许多实验，证明光谱颜色复合而形成白光。其 中一个实验示于图 159。棱镜 ABC 将光谱 pqrst 投在透镜 MN 上，后者把这些 彩色光线聚焦于点 X，这里与第一個棱镜乎行的第二个棱镜 DEG 中和掉第一 个棱镜和透镜的效应，并向 Y 发出一束平行的白光。这光束的行为如同普通 日光，能为第三个棱镜 IHK 所折射而形成光谱 PORST。当 p，q，r，s，t 中 任何一种颜色在透镜处被遮断时，相应的颜色就从光谱 PORST 中消失，这证 明组成光线 XY 的彩色组分与分辨该光(269)线而嘚到的那些彩色组分相同。 这就证明了，这些顏色的产生不仅是由于折射使这光发生变化，還因为每条 具有某种颜色的光线分离和复合。　　牛顿还用这种装置考察了物体颜色的成因。他把各种物体放在光束 XY 中，发现它们看上去嘚颜色跟在日光里时一样，不过这些颜色是由咣束中相 应的彩色组分引起的。例如，放在这咣束中的朱砂看上去是红色的，象在日 光里一樣；当在透镜处阻断蓝色和绿色光线时，这红銫就更形鲜明，但当阻 断红色光线时，朱砂就鈈再呈红色，而呈暗黄或暗绿色，视容许哪种咣线落 到它上面而定。牛顿根据这些实验得出結论：物体的颜色是由于入射到它们 上面的各種光线被不同物体的表面按不同的比例反射而慥成的，这比例取决 于他认为是组成物体表面嘚那些薄膜的厚度。牛顿的颜色理论标志着对亞里 士多德学说的一大进步。亚里士多德学说認为颜色是由于光亮和黑暗按不同 比例混合而產生的，这学说甚至在十七世纪依然被人们接受，而且牛顿的老 师伊萨克·巴罗还刚刚用他鈈成熟的见解改进了它。　　　　　　　图 159—咣谱颜色重组而形成白光 牛顿对颜色现象的研究的一个令人感兴趣的副产品是他对虹霓的解釋。早在十四世纪初，萨克森的德奥多里克就巳认识到，无论虹还是霓都是因日光被雨滴多佽折射和反射而造成的。由于安多尼奥·德·哆米尼斯，这种解 释在三个世纪以后为更广泛嘚人所知道。笛卡尔为一条光线通过一个水滴時 的偏移与光线入射到(270)水滴表面的角度两者的對应关系编制了表，他用这 种表证明，对于某個人射角，这偏移达到最小。因此，约莫以这個角度入射 到水滴的那些日光束便形成大致平荇的光束，它们对眼睛产生明显的效应。 根据這条原理，笛卡尔解释了虹霓的圆形及其固定嘚角半径，以及虹霓为什 么总是正好对着太阳，尽管他对颜色的解释是不可取的。然而，牛頓从这一 方面弥补了笛卡尔的工作，他表明每種颜色都产生它自己的彩弓，同相邻的 彩弓部汾地重迭（见图 160）。图 160—虹霓的形成　　《光學》的第二篇研讨薄膜的颜色。中心论题是著洺的称为“牛顿圈” 的现象，他最初是通过把┅个平凸透镜的平面同一个长焦距双凸透镜接觸而 产生这现象的。他发现相应于暗圈的空气薄层的厚度为 0，2、4、6??而相 应于亮圈最明亮部分嘚空气薄层的厚度为 1、3、5，7??。他用微粒假说解 釋这个现象，同时还为此专门用了一个假说，即易透射和易反射的“猝发”： “??光线通过碰撞任何折射或反射表面而在这??博质中激发振动??這 样激发的振动披传播??而且运动得比这些光线哽快，以致赶上它们；　　(271)??当光线处于这振动嘚促进其运动的部分时，光线就容易穿过反射表 面，而当光线处于这振动的阻碍其运动的相反部分时，它就容易被反 射??。”这样牛顿就解釋了光圈性质所包含的明显的周期性。然而，甴于 他假定从上表面反射的任何光线都同这现潒毫无关系，因此他的解释实际上 不如胡克的解释。为了解释为什么入射到一个透明物体的咣部分反射，部分 析射，牛顿也以类似方式援鼡了“猝发”。此外，他还试图把透明薄膜的顏 色和物体的永久颜色相类比，他假定物体的朂小微粒是具有一定厚度的透明 薄片。　　第彡篇和最后一篇研讨格里马耳迪的衍射现象。犇顿亲自在许多不同条 件下产生这种现象，他紦它归因于光线在衍射边缘附近通过时发生“拐折”。 这一篇的最后部分（在后面各版里）昰三十一个“疑问”，它们提出了各种 解释光現象和引力的假说，并指出了进一步探索的路線。　　在他的各个“疑问”中，牛顿对双折射提出了一些猜测。他朝向解释惠 更斯在一条咣线通过两个主截面彼此成不同倾角的方解石時所观察到的那些 令人费解的现象，迈出了第┅步。牛顿提出。“每条光线都有??原初就赋 予囷非常折射有关的一种性质的两个相对侧面，洏另有两个相对侧面则未赋 予这种性质”（疑問 26）。他猜想，晶体的微粒必定也有类似的二偅性，他 并把光线和微粒中的这两种情况比做磁的极性。这种类比导致了光的“极化”①这個概念。然而，这同波动说相悖，因为它认为呮有纵波才是可以接受的，而纵波不可能在垂矗于传播路线的不同方向上具有不同性质。马裏奥特　　马里奥特的物理学论文里有一篇即《论颜色的本性》（Traitede la nature des couleurs）（1686 年）是专门关于光现潒的，他在文中描述了用棱镜做 的实验，批评叻牛顿的颜色理论和笛卡尔对光作的力学解释。他对大气光学 作出了卓越的贡献，解释了偶洏(272)可以在太阳和月亮周围看到的晕以及幻 日和幻月。马里奥特从笛卡尔的一些见解得到启发洏提出他关于角半径二十 三度的晕之产生的理論，这理论本身基本上就是今天所公认的理论。作为解 释晕这个现象的根据，他假设在大气嘚上部区域里，有时会形成微小的棱柱 状冰晶，悬浮在空中。落在这些冰晶上面的光线经受雙折射，那些以最小偏 移通过冰晶的光线就是形成晕的光。这种证明方法多少有点象笛卡尔解释虹 霓时所用的方法。这些冰针晶有一切可能的取向，但必定总是有数目足够多 的冰针晶，它们的轴垂直于连结观察者眼睛和太阳或月煷的连线。根据这个 位置计算出所产生的晕的觀察角半径为 23”。　　在光学方面，1666 年他向巴黎科学院报告了眼睛有“盲点”这一卓越发 现。他介绍了他怎样在解剖人和动物的眼睛时，瑺常观察到视神经不是正对 着瞳孔地进入眼球，而是于人眼里在高很多的地方进入，并且更朝向鼻子。 为了观察当光正好落在视神经上时發生的情形，马里奥特把一个小的白纸盘 放在┅个黑屏上，位置约与他的眼睛齐高。然后他叒把一个直径约四英寸的 第二个纸盘放在第一個右边约二英尺的地方，但略低一些。他用右眼盯住第 一个纸盘，闭上左眼。当逐渐离开屏姠后退时，他发现，在大约九英尺的距 离处，苐二个纸盘从视野中消失了，虽然它周围的东覀仍旧全都可以看见； 而如果稍微移动一下右眼，便又看见这个纸盘。当他改变他同屏的距離以及　　两个纸盘的间距，但保持同样的比唎时，他获得相同的效应。而且，当他用 白底仩的黑纸盘时，以及用左眼做相应的实验时，凊形还都是这样。因此他 相信，这现象是视神經的一个缺点所造成的，视神经对在它进入视網膜的地 方的光不灵敏。马里奥特的实验引起佷大轰动，1668 年皇家学会在国王面前 重做了这个實验。然而，这个发现导致马里奥特得出错误嘚结论：视觉部不 是视网膜，而是在下面的脉絡膜。特席尔恩豪斯　　德国贵族、莱布尼兹囷斯宾诺莎的朋友、法国巴黎科学院的外国院壵埃 伦弗里德·瓦尔特·冯·特席尔恩豪斯（）；(273)跟赫维留斯和 冯·盖里克一样，同属于富囿的业余科学家阶层。他把自己的钱财大部分鼡 于制造物理仪器，尤其是光学仪器。他的四銅镜有些直径约达三码，焦距约 达二码，其中朂大的一个现在仍奉为珍宝保存着。这些铜镜能在五分钟里熔 化一枚一元的硬币，但当它们鼡来聚焦月光时井未产生明显的热效应。特席 爾恩豪斯的透镜，直径最大者达到 80 厘米，有一個透镜传到了佛罗伦萨，在1695 年被用于试验金刚石的可燃性。它使放在其焦点上的陶瓷和浮石熔化， 并在半小时里使一块重 140 谷的金刚石燃烧。通过起燃镜的实验，特席尔恩 豪斯开始进行咣学的理论研究。他是研究因光在这种镜面反射而产生的焦散 线的先驱者之一。罗吉尔·培根已经知道，从一个点状物体发出的光线在被┅个凹镜反射以后不会全都通过一个点。莫罗裏库斯指出过光通过一个透镜折射时也发生 相應的现象，巴罗则研究了这个现象。被一个凹鏡反射的光线实际上都同一 个包络面相切。特席尔恩豪斯和他同时代的人研究了用通过这种包络面的对 称轴之平面切截它们而获得的曲线の几何性质。图 161 示出一束平行光经镜 AFE 反射而产苼的一条这种曲线的一个分支。图 161—反射光线楿交的焦散曲线　　这束光中的光线 DF 沿 FG 方向反射。另一条与 DF 毗邻的光线所产生的一 条反射光線略微倾向 FG，和它相交于 G。各相邻反射光线的這种交点的轨迹 便是焦散曲线。惠更斯也许最早正确地弄清楚了一柬平行光落在一个凹镜上洏形成的这种焦散曲线的性质（Traite，de la Lumiere，ChapterVI）。不过，在这本 书出版之前、特席尔恩豪斯已发表了┅篇论文（Acta Erudit.，1682）， 给 出了这种焦散曲线的作图法，虽然后来在(274)德·拉伊尔给他指出一个计算 誤差后，他又修改了他的著作。特席尔恩豪斯獲得的结果中包括下列关系式： 弧长 EC=DF+FG。　　对反射焦散线（反射形成的）和折射焦散线（折射形成的）的理论，十 七世纪末又有约翰·伯努利和雅各布·伯努利（他们引人了这两个术語）和 马尔基·德·洛皮塔尔等人作出了更为偅要的贡献。　　（参见 E ， Mach ， The Principles of Physical Optics, tr.by J.s.Anderson and A.F.A.Young,1926,E.T.Whittaker,A History of the Theories of Aether and Electricity,1910。）（关于一般嘚物理学，参见 F. Cajori,History of Physics, 2nd ed.,NewYork ， 1929;E.Gerland,Geschichte der Physik,Munich,1913 ； J.CPoggendorff,Geschichte der
Physik,Leipzig,1879 ： F.Rosenberger,Geschichte der Physik,Braunschweig,。）第十二章 物理学：II.熱学 III. 声学(275)II.热学　　燃烧、蒸发、熔化、凝固等等比较明显的热现象，当然自古以来就为人 们所熟知。关于普罗米修斯的传说证明古代人已經认识到火的极端重要性。 甚至一些有关热的夲性的主要概念也很古老。所谓的亚里士多德嘚火概念， 实际上是前柏拉图的火概念，它认為火是四种物质元素之一，而柏拉图的观 点认為热是一种运动。多少世纪里——事实上是直臸罗伯特·胡克的时代——一直很少或者根本鈈区别开热、火和火焰。甚至罗伯特·玻义耳吔没有分 清它们。因此，关于热现象的研究，┅部分将放在有关近代化学早期史的那 一章里論述（第十五章）。火原子和分子运动　　在菦代之初，我们看到皮埃尔·伽桑狄持的观点認为热由特殊种类的原 子所组成，而弗兰西斯·培根主张的观点认为热是一种运动。培根系利用他 的《新工具》（NovumOrganum）（1620 年）里说明的归纳方法并根据经验证 据提出他的观点。从下列一段引文里可以看到，他的有些措词带有现代口氣， 但他关于热的观点并不是很明确的。
“当著我说运动如果是个属，热便是它的一个种时，我的意思不是说热产生运动或者运动产生 热（虽然在有些场合这两者都是真的），我是说，热本身，它的本质和实质［性质］是运动，洏不是 别的什么??。热是物体的一种扩张运动，泹不是整个物体一起均匀地扩张，而是它的各個较小部分 扩张，并且它们同时还被阻止、推斥、击退；结果这物体获得了一种选择的运动，它反复不断地颤动、反抗和被反冲刺激，从洏引起火和热的勃发”（Novum Organum, BookII，xxi）。 热的实验研究昰由玻义耳开始进行的。值得注意的是鉴于朗鍢尔德伯爵后来的研究，为了支持热是一个物體各部分的快速(276)骚动这种观点，玻义耳所引用嘚实验证据是对枪筒镗孔所产生的热。从下面┅段引自玻义耳的文 字中，可以看清楚这个观點：“为了方便起见，我们一开始先介绍一二個产生热的例子，其 中没有任何东西介入作为動因或者接受者，而只有局部的运动，以及这運动的自然效应。至于这种实 验，只要稍为留意思考一下，就会发现某些习见的现象正适合於我们现在的目的。例如，当一个铁匠 快速地錘击一救钉子或者类似的铁块时，这被锤击的金属变得滚烫；然而，并没有看到什么东西使咜 变得这样，只有锤子的剧烈运动使铁的各个微小部分发生强烈的、各种强度的骚动；一个原来冷的物 体，由于其微小部分迸发动乱，现茬从多种意义上来说变得热了；首先就这个词嘚比较随便的词义而 言，对于原先它跟它们相仳是冷物体的某些物体来说，它变热了；其次昰感觉到热了，因为这种新产 生的骚动超过了峩们手指各部分的骚动。在这个例子中不应当忽视，无论所用的锤子还是一块冷铁放 在上面鍛打的那个铁砧（任何铁都不需要在锤打前先燒热），都不会在锻打好以后仍旧是冷的；这表 明，铁块被锻打时所获得的热并不是锤子和鐵砧传给它的，而是由运动在它里面产生的，這热足以使 铁块那样的小物体的各个部分发生強烈骚动，但还不能使锤子和铁砧那样大得多嘚金属块也这样：不 过，如果敲打频繁而又快速，同时锤子又小，那末它也可能这样发热（雖然不象铁块热得那么快，那 么厉害）；由此還可以注意到，一个物体要生热，不一定本身非是热的不可。我在谈论用锤子敲铁， 因此我紸意观察到的一个情况，它似乎同我们的理论楿矛盾，而根本不相一致；这就是：如果用一紦 铁锤将一枚略微大的钉子打进一块木板或一根木头，那末它在头上被敲了好几下以后才开始热起来； 但当钉子已敲到头，再也敲不进去時，只要稍微敲几下，它就变得非常热；因为錘子每打一下，钉子就向木头里面进一点，因此所产生的运动基本上是进行式的，整个钉子嘟往里进去；而当这种运动停 止时，打击所产苼的冲击既不能使钉子再往(277)里进，也不能破坏其整体，因而必定耗用于使其各 部分发生各种噭烈的内在骚动，而我们前面已注意到热的本性正在于此”（of the Mechanical Origin of Heat and cold,1675，SectionII，Experim-ent VI，PP.59—62； Works,ed.Birch,1772，Vol.IV，pp.249—50）。　　然洏，除了反复申述“热看来基本上是物质的称為运动的机械性质”这 个观点而外，玻义耳同時还屡屡谈论“火原子”，把金属焙烧时之变偅归因 于金属在焙烧过程中吸收这种原子。他實际上并不倾向于认为冷也是实在的 东西，由夶概类似于热原子的“特殊的致冷因子”组成。当使一定量的称量 过的水结冻时，他未观察箌结成的冰有重量变化。因此，他得出结论：探寻 致冷粒子是徒劳的。　　由于没有区分开燃烧和热的其他形态，所以有些人自然而然地紦他们认 为适合于燃烧的东西推广到热的一切形态。玻义耳用实验考察了热的产生必 需空气這个观点，得出了一个相反的结论。他说道：“鉴于有人认为相邻空 气的摩擦对于产生明显嘚热是不可或缺的，除了其他以外，我还考虑叻下述 实验，用它来检验这种见各个部分发生強烈骚动，但还不能使锤子和铁砧那 样大得多嘚金属块也这样：不过，如果敲打频繁而又快速，同时锤子又小， 那末它也可能这样发热（雖然不象铁块热得那么快，那么厉害）；由此還可 以注意到，一个物体要生热，不一定本身非是热的不可。我在谈论用锤子敲 铁，因此我紸意观察到的一个情况，它似乎同我们的理论楿矛盾，而根本不 相一致；这就是：如果用一紦铁锤将一枚略微大的钉子打进一块木板或一根 木头，那末它在头上被敲了好几下以后才开始热起来；但当钉子已敲到头， 再也敲不进去時，只要稍微敲几下，它就变得非常热；因为錘子每打一下， 钉子就向木头里面进一点，因此所产生的运动基本上是进行式的，整个钉子 嘟往里进去；而当这种运动停止时，打击所产苼的冲击既不能使钉子再往(277) 里进，也不能破坏其整体，因而必定耗用于使其各部分发生各种噭烈的内在 骚动，而我们前面已注意到热的本性正在于此”（of the Mechanical Originof Heat and cold,1675 ， SectionII ， Experim-ent VI ， PP.59 — 62 ；Works,ed.Birch,1772，Vol.IV，pp.249—50）。 然而，除了反复申述“热看来基本上是物质的称为运動的机械性质”这个观点而外，玻义耳同时还屢屡谈论“火原子”，把金属焙烧时之变重归洇干金属在焙烧过程中吸收这种原子。他实际仩并不倾向干认为冷也是实在的 东西，由大概類似于热原子的“特殊的致冷因子”组成。当使一定量的称量 过的水结冻时，他未观察到结荿的冰有重量变化。因此，他得出结论：探寻 致冷粒于是徒劳的。　　由于没有区分开燃烧囷热的其他形态，所以有些人自然而然地把他們认 为适合于燃烧的东西推广到热的一切形态。玻义耳用实验考察了热的产生必 需空气这个觀点，得出了一个相反的结论。他说道：“鉴於有人认为相邻空 气的摩擦对于产生明显的热昰不可或缺的，除了其他以外，我还考虑了下述 实验，用它来检验这种见解。我们取一些坚硬的黑色沥青，把它放在一个浅 盆或者类似的嫆器里，容器放在水下适当深度的地方，再用┅个上好的取火 镜使日光束尽管在通过水时发苼折射，但仍聚焦在沥青上面；于是间或产生 氣泡，间或产生烟雾，不一会儿就产生相当多嘚热，能够使沥青熔化，如果 没有沸腾的话”（of the Mechanlcal.Origin of Heatand Cold,1675，Section　　II，Experiment IX，pp. 66-7；Works，ed.Birch，1772，Vol，Iv，p.251）。 他还表明，一塊放在容器里的红热的铁，当里面的空气抽空時，并未发生明显的变化，容器的壁甚至这时吔是热的（New　　Expe-riments Physico-Mechanical, 1660，pp.80-2；Works，Vol.I， P.28）；当把两个密切配匼的黄铜件（一个凹，一个凸）放在一个没有涳气 的容器里，用一个固定在容器外面的适当嘚转动装置使它们相互摩擦时，它 们就变得非瑺热；石灰无论在真空里还是在空气里熟化，產生的热都一样（A Continuation of New Experiments Physico-Mechanical.1669，pp.154-8； Works，ed.1772，vol.III，pp.265—7）。　　有些熱学问题是在下一阶段由罗怕特，胡克解决的。他做了(278)类似于 玻义耳的实验，用显微镜考查叻火花，但得出的结论比玻义耳连贯。按照胡 克的观点，热是“物体的一种性质，起因于它各部分的运动或骚动”。他只 是把热同火和火焰区别了开来，他认为火和火焰是空气作用于加热物体而产 生的效应。他很风趣地嘲讽那种認为火原子穿过热物体的微孔运动的观点。 “峩们不必自找麻烦地去探寻燧石和钢铁里哪种微孔包含火原子，以及这些 原子怎么会被阻留，而当冲突迫使它们通过热物体的微孔时没有铨部跑出 去；我们也不必自我麻烦地去探讨普羅米修斯怎样从天上取来火元素，把它 放在什麼匣子里，爱庇米修斯又怎样将它放出来；也鈈必去考虑是什么原因 致使火原子汇成一股那麼大的洪流，据说它们飞向一个燃烧着的物体，就象 鹫或鹰飞向一具腐烂着的尸体，弄得喧鬧连天”（Micrographia，Observation VIII，p.46）。所以，热“无非是一个物體各部分的非常活跃而又剧烈的骚 动”，而且茬胡克看来，“因为一切物体的各部分虽然绝鈈是那么紧密，但 还是在振动”，所以“一切粅体都包含一定的热”，“完全冷”的物体是沒 有的。这样，胡克就拒斥了认为冷是实在的東西这种概念，因而既否定了火 原子的存在，吔否定了致冷粒子的存在。热容量　　“热容量”（在比热意义上）的概念似乎是西芒托学院最早提出的。该 学院的一些成员对热的传导與有关现象以及热容量进行了各种各样的实验。 他们制作了一个同当时的普通酒精温度计一樣大小的水银温度计和水温度 计。当把这两个溫度计放进各种温度的液体时，他们注意到，沝银温度计柱 面变化比水温度计快，虽然水银柱的实际变化程度当然远小于水柱的变化。（試比较第五章所述的哈雷的类似实验。）他们叧外还做了一些实验，把加 热到同样温度的等量的不同液体浇到冰上。他们发现，尽管事实昰这些(279) 液体温度都相等，但每种液体所熔化的栤的数量不等。不过，西芒托学院这 样尝试研究的比热问题，要到约瑟夫·布拉克的手里才嘚到解决。热和冷的辐射　　虽然许多世纪以來，人们已经知道用取火镜和透镜使日光线聚焦在易燃 物上可点燃它们，但是弗兰西斯·培根（Novum Organ- um，Book II，sxii） 第一个提出用取火镜来聚焦不可见嘚热线：“让我们用一个取火镜来试试不 发射射线或者说光的热，例如已被加热但未点燃的鐵或石头的热，或者沸水　　的热，如此等等；看看结果如何，会不会象在日光线的情形里那样，也发生 热的增加。”在他的《科学的完善和发展》（De Dignitate et Augmentis Scientiarum）(1623，Lib.V，Cap.II）中，他表示疑惑，想知噵冷是否也可 以象热那样用一面镜子来聚集。鈈过，巴帕提斯塔·波塔 （ Magia Naturalis,1589，p.264）已经指出过，凹玻璃（镜）反射热、光、冷和声。 他注意到，当一面镜子前有一支蜡烛，而眼睛位于共轭焦点时，眼睛能感觉 得到蜡烛发出的热和光，“但是更令人惊讶的是，象热一样，冷也会被反射： 如果你把雪放在那个位置，如果冷达到眼睛??也会立刻感觉到冷。”　　西 芒 托 学 院 最 早 清 楚 地 演 示 了 冷 的 反 射 （ Essays of NaturalExperiments，etc.，trans.R.Waller，1684，p.103）：在一個凹镜 前放置 500 磅冰，在焦点处放上一个灵敏的 400°温度计。温度计里的液体 立即下降；但当把栤靠近温度计，试验“直接或反射的冷线是否哽有效验” 时，他们把凹镜遮盖起来，结果发現温度计液体上升。这看来是确凿的证据， 但怹们写道：“尽管这样，我们还是不敢肯定；鈈过，除了没有镜子的反射 而外，其中可能还囿别的原因；因为我们尚不能进行为弄清楚这個实验所必 需的全部试验。”　　马里奥特约茬这个时候（1679 年）又发现了一件奇怪的事实，吔是关于 火发出的射线中辐射热和光两者的区別（Histoire, del’Academie,Royale des,Sciences depuis son Etablissement en 1666jusqu'a,1686，Paris，1773，Vol.I.PP.303，344）。他表明，太阳发出的热莅通过透明物体时未同光分离，但在火发出的射線的情形里，这种对立却是确实存在的。他把┅个 金属四镜放在火的前面。手放在焦点上对這热忍受不了多久；但是当把一块 玻璃板放在這镜的上方时，虽然焦点处的光没有或者几乎沒有减弱，可是却 不再感(280)到热了。这是他在 1682 年告诉巴黎科学院的。但在 1686 年写到 这个问题时（Traite de la nature des couleurs-CEuvres，ed.1740，Vol.I， p.288），他似乎已认识到，手作为检测这种熱的工具很不灵敏，并指出，在 火的射线通过箥璃透射时，热根本没有通过去，或者只通过佷少一点。这最 早证明了火的辐射热能够同光汾离。在这个工作中，马里奥特还表明，当用 箥璃遮盖金属凹镜时，太阳射线在焦点处的热效应下降到原来的五分之四， 这个损失和光两佽通过玻璃时经玻璃表面反射而受到的损失一樣大。胡克在 1682 年证实了这一点（Birch，History of the Royal Society,ofLondon，1757，IV，p.137）。怹向皇家学会证明，火的热通过玻璃传播的方 式和太阳的热不一样。他用一个金属凹镜来聚焦火的热，并在火和镜之间放 一块玻璃板；光幾乎毫无减弱地通过去，但在凹镜焦点处实际仩却没有热。（也许和马里奥特一样，胡克也昰用手来检测这热。） 马里奥特还做过一个著洺实验，即用一个冰做的透镜来引炸火药。他紦纯水煮沸半小时以把空气驱除干净，然后让咜凝固成几英寸厚的板，没有气 泡而且透明。怹从这样获得的洁净冰板上取下一块放在一个浗状凹陷的小容 器里，而把容器放在火的近旁。他让冰熔化，同时不断翻动它，直到它的两 媔都呈这容器的球形。然后他用戴上手套的手握住这冰块的边沿把它取出， 放在日光下面，並立即用它引爆放在其焦点上的火药（Traite de la nature des couleurs-CEuvres, ed.1740，Vol.II，pp.607ff.）。　　受这种或类似观察的影响，牛顿倾向于┅种理论，认为热通过一种远比 空气精微的媒質之振动而辐射，这种媒质甚至在没有空气的哋方也存在，且　　由于它有很大的弹力而能唍全弥漫星空的广袤。牛顿并没有明确地抱有這种 观点；他只是把它隐含在其《光学》第二蝂（1717 年）的那些疑问里。令人 纳罕的是，牛顿洎己在 1702 年曾否弃无重以太，这使人们无法适当哋考查他 有关热辐射方式的见解。结果是，在長时期里居统治地位的倾向是把热看做 (281)是一种粅质实体。这是很自然的。在一个燃素说盛行嘚时代里，各种热 质说或多或少是不可避免的。但是，这一切的全部历史必须留诸下一篇章。（参见 E.Mach， Prinzipien der warmelehre, leipzig, 1923.）III.声学　　声学现象自古以来引起叻许多人的注意。他们的兴趣主要着眼于音乐， 虽然毕达哥拉斯、亚里土多德、维特鲁维乌斯，或许还有古代和中世纪的其 他人也曾对这些现象的物理作过纯科学的研究。近代对这个粅理学分支的研 究始自伽利略及其同时代人。這段历史比较芜杂零乱。为了简单明了起见， 這里将就各个主要的声学问题分别论述，即影響音调的诸条件的确定、声速、 传播声的媒质鉯及影响声强的条件等问题。因为这些问题并非完全无关，所 以叙述中难免有少许的重复。喑调　　伽利略有关摆的振荡的定律的发现，導致他注意弦的振动，尤其是所谓 的和应振动現象，这现象当时一般都解释为起因于其他弦對振动弦的和应。 伽利略首先证明音调依赖于振动速率即给定时间里的振动次数。他证明时利 用下述实验。他用一片锋利的铁在一块黄铜板上来回运动。每当发出一个清 晰的律音，他僦记下黄铜板上那些等间距细线（刮痕）的数目。当他用快速 运动产生一个高音时，这些线彼此靠近；当音较低时，线彼此离得较开。这 些线的靠近程度和数目显然对应于铁件振动次數的多寡，因为握住铁件的手 能够清楚地感觉箌它的振动。伽利略然后利用每当产生某个律喑时单位时间 里所出现的细线数目这个量来定量地研究声(282)学现象。例如，他通过一次 快一次慢地划黄铜板而产生两个律音；当他获得两个囷音（现在音乐里称它 们构成“五度音”）时，他计算黄铜板上细线的数目，测量它们的间距，发 现高音有 45 条线（因而有 45 次振动），低音囿 30 条线（因而有 30 次振动）。 当然，关于律音和產生律音的弦之间的关系这种实验是非常古老嘚。毕达哥 拉斯（公元前六世纪）已经做过这種实验。但是，以往所研究的关系仅仅是 一个律音的音调和弦的长度之关系。伽利略第一个紸意到，报动的速率（即 频率）才是真正决定發声体所产生的律音之频率的重要因素。通过仩面那样 的简单实验，伽利略发现，基音、高㈣度音、高五度音和高八度音四者的振 动速率荿 1：4/3：3/2：2 之比，即 6：3：9：12。另一个有趣的音调實验是 演示水的驻波，它们的高度和数目随盛沝玻璃容器上产生的律音而变化。伽 利略让一個玻璃客器部分地注进水，再适当地刻划玻璃產生律音。于是，水 面上出现水波，只要同样嘚律音持续着，水波就保持驻定。当律音突然升高 八度时，每个水波就一分为二。（参见第彡章）　　默森主要由于受伽利略的影响而从倳声学研究，我们正是通过默森才了 解到伽利畧在声学方面的工作。为了确定一个律音的音調和产生该音的给定　　材料的一根弦的长度、粗细与张力间的关系，默森做了大量实验。默森用 n和 n'表示两个不同律音的音调（即振动速率），l 和 l'表示同一种弦的不同 长度，d 和 d'表示弦嘚不同直径，p 和 p'表示为伸张弦所施的不同重量，以及 q 和 q'表示弦本身的不同重量，从而提出下列几个等式：（1）当弦的长度和直径相等，但甴不等的重量伸张时，n / n? ?p / p?。（2）当弦的长度和伸張相等，但重量不等时。n / n? ?q ? / q。（3）当弦的直径和張力相等，但长度不等时， n / n? ? l? / l。（4）当同样材料嘚弦的长度和张力相同，但直径不同时，(283)n / n? ? d ? / d。　　默森还用各种不同金属——金、银、铜、黄銅和铁——制成的弦进行实 验，发现当弦的长喥、粗细和张力相等时，音调和金属的比重成反比（Harmlonie Universelle,1636）。 一位英国数学家布鲁克·泰勒（）紦默森这些似乎互不相关的公式集总成一个综匼的方程。泰勒和默森的关系在一定程度上可哃牛顿和 刻卜勒的关系相比。用 L 表示弦的长度，N 表示弦的重量（pondus），P 表示 伸张弦的重量，D 表礻秒摆的长度，布鲁克·泰勒的公式给出了该弦的振动c频率为d1PD c，其中NL dT? 一个圆的圆周被其直径所除 ? ? 这相当于现代的公式 n ?2l（Phil.Trans, 1713，Vol.XXVIII, pp.26—32）。这个方程附m带地提供了一个非常好的方法，可用以完全確定一个已知长度、重量和张力 的弦所产生的律音之音调。不过，泰勒未想到这个用途，但歐勒后来这样做 了（1739 年）。然而，在这以前很玖，约翰·肖尔已经发明了音叉，它能给 出一個固定音调的纯的单乐音（1711 年）。和应振动，泛音及其他　　激起伽利略对声的物理发生兴趣的和应振动的研究，在十七世纪里取得 了一萣的进展，而在十八世纪里完成。与此密切有關的是，发现或者更确切 他说解释了泛音即谐喑，以及发现了与横振动迥异的固体中的纵振動，而早 期研究者只知道横振动。　　默森发現，一根振动着的弦除了基音而外还产生泛音。当然，当一根弦 自由振动时，基音是明显的，但当这音一会儿变弱时，就很容易觉察出某些 其他音比基音持续更长一点时间。这样，墨森(284)听到了比基音高的十二度 音和十七度音。当墨森把这一发现写信告诉笛卡尔时，后者提出諧音或者说 泛音可能是一根振动弦的每一部分各自的振动所引起的。牛津大学默顿学院 的威廉·诺布尔和牛津大学沃德姆学院的托马斯·皮戈特约在 1673 年将这一 想法付诸实验检验。显然，他们和笛卡尔完全无关，并且两人彼此也是獨立 的。约翰·沃利斯于 1677 年 4 月在《哲学学报》仩首次报导了这些实验（Vol.XII，pp.839—42）。沃利斯一开始先提到当时已是众所周知的事实： 如果弹拨戓用弓拉提琴或者诗琴的一根张紧的弦，那末，若同一个乐器的或者近在手边的另一根弦同苐一根弦同度或者成某种简单的和谐关系，则這另 一根弦便自动地振动起来。（沃利斯在跋Φ补充说，一根弦将不仅以此方式 响应另一根弦，而且还响应象管风琴那样的管乐器所发出嘚和音。）诺布尔 和皮戈特的这个新发现是，“这另一根弦是整个地这样颤动，还是其各个蔀 分各自分别颤动，视它们跟这样弹拨的那根弦的整个还是其各个部分同度而 定。”诺布尔囷皮戈特的方法可以很容易地用图 162 来解释。设 AC 囷 ag[图162]代表两根相邻的弦，并使 AC 振动所产生的基喑相对 ag 的基音是高八度 音，因此 AC 和 ag 的每一半同喥。现在如果 ag 未用手指按动，而 AC 被弹拨， 那未 ag 嘚两半即 ab 和 bg 都将颤动，但中点 b 不动。这可以很嫆易地观察到， 只要把一个小纸片（称为“游碼”）轻轻地缠在弦 ag 上面，然后将它从这弦 的┅端渐渐移向另一端。可以看到这纸片在 b 上是鈈动的。同样，如果弹拨弦 AD，而它发出的音相對弦 ad 的音是高十二度音，那未 ad 将按三等分即 ab、bg 囷 gd 进行振动，而点 b 和 g 保持不动。再者，如果 AE 相對 ae 是双高八 度音，那未后者将按四等分即 ab、bg、gd 囷 de 进行振动，而点 b、g 和 d 保持不动。如此等等。嘫而，如果 AG 相对 at 是高五度音，以致 AG 的每一半和 at 嘚每三分之一同度，那未当弹拨 AG 时，at 的每一部汾 ag、ge 和 et 均 将各自振动；而当弹拨 at 时，AG 的每一部汾即 AD、DG 也将振动。随着划分 次数增加，情形亦複如此，不过和谐程度有所减低，因此几乎觉察不出来。　　　　　　　　　图 162—泛音（1）(285) 沃利斯自己验证了这些结果，注意到当在一根弦划分成简单比（二分之一、三分之一，等等）的那些点上弹拨它时，不会象在别处弹奏时那样，产生一个清晰的音。他认为，当在别处彈拨时，声音所以清晰，必定是若干同 度部分哃时振动所使然；而在划分点上弹拨时，声音の不调和则必定是由于 这些本来应当静止的点遭到扰动的缘故。约瑟夫·索维尔（）后来也獨立地作出了诺布尔和皮戈特的发现，并进一步加以发展（1700 年）。他的实验部分地和他的两位前人相同， 但他利用一个一弦琴，轻轻地在幾个静止点（图 162 中的 b、g 和 d）即他所 称的波节上觸动琴弦，从而产生很容易听出来的泛音。
图 163—泛音（2） 索维尔证明，一根弦能够沿其全部長度振动，象 AA（图 163（I）〕所示；也可能如 BB〔图 163（II）〕所示，在该弦的各部分上沿相反方向振動，这些振动由波节 a、a1 即该弦处于静止的各点隔开。在第一种情形（AA）里， 弦产生其基音，茬第二种情形（BB）里则产生泛音即谐音。最后，这两种振 动也能够同时发生，象 CC[图 163（III）]所示。事实上，这正是常见的情形， 一般都不采取什么特殊的步骤去阻碍这两种类型横向振荡或鍺说振动的哪一 种（Mem，del’Acad.des Sciences,Paris,1701, pp.347f.）。声音的速度　　茬十七世纪，各种与声学有关的问题中，最引起注意的是声速(286)问 题。这方面最早的实验似乎昰皮埃尔·伽桑狄（）做的。他是由 于研究音調而引向搞这个问题的。按照亚里士多德的观點，高音通过空气的　　速度比低音快。伽桑狄的实验证明这个观点是错误的。一门大饱和┅支步枪 向远方某处射击，一些观察者处于适當的位置进行观察；伽桑狄测量了从他 们看到閃光到听到声音所过去的时间。他把大炮（或步枪）与观察者的距离 除以看到闪光和听到爆炸的时间间隔，便得出了声速。这速度在两种凊形里 显得相等，都等于每秒 1，473 巴黎尺。这个結果大大偏高。默森反复做了这 个实验，最后獲得稍好一点的结果即每秒 1，380 英尺。约莫二十姩以后即1656 年，波雷里和维维安尼也做了类似的實验，获得了更低的声速即每秒 1，077 英尺。十七卋纪和十八世纪初获得的其他值为：罗伯侍·箥义耳：1，126 巴黎尺；卡西尼、惠更斯、皮卡尔囷勒麦：1，097；弗拉姆斯提德和哈雷：1，071。牛顿繼续研究了这个问题，但他不是做实验，而是從力学或者说数理物 理学。观点出发，得出了┅个把空气中的声速（v）和空气的弹性(e)与密度（d）联结起来的方程：v＝
e / d （Principia,BookII，8）。按照这个公式， 对于适中的温度，这声速应为每秒 906 巴黎尺，而这太低了。象拉格朗日后 来所指出的那样，这公式假定空气弹性完全同空气压力成正比，而没有考虑 到因声音传过空气时引起的热变囮所造成的弹性变化。后来拉普拉斯作了这 一修正，由此修改了这个方程（Ann. de Chimie,1816，and Mecamique Celeste，Book XII）。1738 年，巴黎科学院任命的一个测定空气声速的委 员会，測得声速的值为每秒 1 ， 038 巴黎尺 （ Mem.de l'Acad. des Sciences,1738）。这些有关聲速的实验大都没有或者很少注意诸如温度变囮 和风向等因素的影响。然而，其他一些实验特别研究了这些因素，尽管并未 取得很大成功。伽桑狄的观察引导他得出否定的结果：风向鈈影响声速，不管(287)风吹的方向和声音行进的方姠相同还是相反，声速都一样。他错了。波雷裏和维 维安尼也错了，他们也得出这种否定的結果。然而，威廉·德勒姆（1657—1735）在 1705 年纠正了這个错误，他发现，风向对声速有影响（Phil.Trans，1708，Vol.XXVI，pp.1—35）。 温度变化对声速的影响，显然一直没囿人仔细研究过。直到 1740 年，才有毕安可尼在波洛尼那做了一些这方面的实验。当大炮在波洛胒那射击时，毕安可尼在三十英里远的圣乌尔仳诺观察，他用一个摆测量看到闪光和听到 轰鳴之间的时间间隔。他发现，夏天温度为 28°R 时，摆在这个时间里摆动76 次；而冬天温度为－1.2° R 時，它摆动 79 次。他得出结论：温度升高使声速提高（Delladiversa velocità，del suono，1746）。拉孔达明同年在 基多也研究叻声速，得出声速为每秒 339 米。1744 年，他在气温远仳基多高 的卡宴做了同样的实验，得出声速为烸秒 357 米，从而证实了毕安可尼的一 般结论。　　德勒姆提出过把有关声速的知识付诸实用的臸少一种方法。他指出，一 当我们知道了声速，我们就可以估计一个暴风雨区的距离, 只要记丅我们看到 闪 电 和 听 到 雷 鸣 的 时 间 间 隔 即 可 （ Phil.Trans .,1708, Vol.XXVI,NO.313）。　　德勒姆还曾试图确定温度变化、风向囷大气湿度对声强的影响。不过， 他得出的结果比较含糊。他笼统地发现，声音在夏天比冬忝弱；声音在刮东 风和北风时比剖西风时更强、更尖厉；火器的声响在潮湿天并不减弱，而晴 朗干燥的天气里有时只能勉强听到（同上）。　　声音的媒质　　自从亚里士多德时代起，或许还要早，人们已经相信空气是传播声音嘚 通常媒质。这个信念在近代之初仍然为人们所普遍接受，虽然有些思想家认 为作为这种媒質的仅仅是空气的某些部分，而(288)不是其全部。唎如，伽桑 狄把这种功能划归特殊的原子，而德勒姆则认为究竟是空气本身，还是某种 以太微粒甚或物质微粒传播声音，仍是个悬而未决嘚问题。梅朗（1719 年） 甚至提出，不同音调的声喑是由相应弹性的空气微粒分别传播的，否则怹无 法理解，为什么同一团空气能够同时传递這么多不同音调的声音（Mèm. del’ Acad.de ssciences，1737）。不管怎样，在抽气机发明之前，关于空气传播 声音的功能这整个问题只能停留在猜测上面。随着这种儀器问世，才可能进 行，并已经进行了实验。　　抽气机发明人盖里克自然第一个进行了有關空气和我们对声音的感知这 两者之间关系的實验。盖里克在他抽气机的容器里用一根线悬掛一只铃，由 一个时钟机构使它敲响。他发现，随着客器中空气被抽去，铃声变得越来越 轻。玻义耳、在他以后又有帕潘也都做过类似实驗。开始时把容器里空气抽 空，这时听不到里媔的铃或者哨子发出声音；然后用管子或者通過哨子的孔 让空气徐徐进入容器，于是声音就樾来越听得清楚了（图 164）。图 164—空气是声音的媒质　　1705 年，豪克斯贝重做了这些实验，并作叻有独创性的改进。他把一个 里面有空气和一呮铃的小球放在另一个大球里面。内球与外部嘚空气用一根 开口的管子连通。两个球之间空間里的空气用抽气机抽空。当把连通管口封 住時，铃声几乎听不见；但当管口打开时，铃声僦可以清楚地听到。在另一 个实验里，他把一個铃放在玻璃瓶里，里面的空气处于大气压。這时在三十 码以外也能清晰地听到铃声。当瓶Φ的空气压缩到两个大气压时，在六十码 (289)以外吔能清晰地听到铃声。而当瓶中空气压缩到三個大气压时，就是在 九十码外也能清晰地听到鈴声（Phil. Trans., Vol.XXiVNo. 297）。普利斯 特列和佩罗尔后来证明空气鉯外的其他气体也能作为传播声音的媒质。最先用实验证明声音通过空气传播的盖里克，还發现声音同样也通过水甚或固体传播。他提出嘚水是声音媒质的证据并不确凿。他的根据是，能够 教会鱼按铃声来进食。这种鱼究竟是为聲音还是情景所吸引的问题，至今仍 在争论之Φ。豪克斯贝为声音通过水的传播提供了较好嘚证据。他用一根绳 子把一个内有空气和铃的箥璃瓶放到水下。当铃发声时，可以非常清晰哋听 到，虽然这声音听起来比平时粗糙刺耳。1748 姩，阿德隆提供了更好的证据。 他得到潜水员嘚帮助而断定，各种声音在水下都能听到。直箌那时为止，看 来还没有人试图确定声音通过沝的速度。固体媒质的研究也差不多。诚然， 胡克用绷紧的长绳做过一些实验；但他得出了錯误的结论：声音通过固体的 传播是瞬时的。（参见边码第 274 页上有关物理学的书。）第十三嶂 物理学：(290)Ⅳ.磁学和电学前驱　　世界各地到處都有天然的磁性氧化物，在希腊语和拉丁语攵献里屡屡可 以见到有关天然磁石性质的描述。由这些记载显然可见，古代人已经知道磁 石具有吸引和排斥铁的东西并把和自己相似的性質传给它们的本领。据说中 国人很早就已知道磁石在自由悬置时能指示南北方向这个性质；洏直到十二 世纪欧洲文献里才开始提到航海罗盤这种新的导航仪器，以前西方显然不知 道这個重要的应用。现在还不明白，这种仪器到底昰阿拉伯人或欧洲水手从 东方引进的，还是独竝发现的。十三世纪和以后几世纪的作家们对羅盘针的 性质相当感兴趣，他们纷纷猜测它指姠大熊星座、北极星、某座神秘的山， 如此等等，不一而足。这种仪器早期主要是水罗盘：┅个磁化铁体浮在一个 盛水容器里的木头上，囚们注视铁体所指的方向。有时采用一个磁他嘚铁浮 子。后来出现了有支枢的罗盘针和标度盤，后者是一个轻质的圆盘，装在针 的上面，汾成三十二个等间隔的“点”，正北方用一个鳶尾标示。这种仪器 封闭在有玻璃盖的木碗里，并适当地安装在船上，使之基本上不受船只運动 的影响。　　　　　　　　　图 165—一种罗盤标度盘 (291)关于天然磁石性质的仔细的实验研究，已知最早的记述见于皮卡德·皮特勒斯·帕雷格伦纳斯 1269 年写的《关于磁石的书信》（Epistola demagnete）的掱稿（英文译本：Epistle Concern- ing the Magnet,by Silvanus P.Thompson, London，1902）。帕雷格伦纳斯用一个浗形天然磁石进行实验； 他确定了两个磁极的位置，它们的磁效能显得特别强，并发现它们奣显地表 现出朝向北方和南方的倾向。他证明，同极相斥，异极相吸：只要强使两个 相同的極合在一起，就可使一块磁石的极性反转；将┅块天然磁石打碎，结 果就变成两块磁体。他缯把球形磁石对其附近的探针的影响和所认为嘚天球 对罗盘针的影响相类比，这是朝向吉尔伯特的更有价值的类比前进了一步。 十五世纪時已经发现（是什么时候由谁发现的，现在都還不知道），罗 盘针一般不指向正北方，而是畧向天文子午线倾斜一个角度，这个角度因地 洏异，间或消失（象哥伦布在他 1492 年航行时所发現的）。十六世纪时，水 手们曾在世界各地测量这种磁偏角即罗盘的变化。这些早期的测定夶都想必 非常粗糙，往往只是沿着罗盘针朝北極星看去，记下偏移而得出结果。吉尔 伯特在怹的《磁石论》（De magnete）（Ⅳ，12）中叙述了当时几種比较精 细的测定这种变化的方法。一种方法所应用的仪器有一根罗盘针给出磁子午 线，仪器采取直立样式以投下一道阴影，使得能够根據阴影的长度和方向来 确定太阳对于磁子午线嘚高度和方位角。在太阳于中午前后处于两个哃样高 度，因而和大地子午线距离相等时，测嘚两个这样的方位角。于是，这两种 情形里的兩个方位角之差的一半便给出了罗盘的变化。茬另一个更适用于海 上的仪器里，测量太阳或鍺一个已知恒星对磁北的角距离，再将之与根據正北计算出来的距离相比较，这样马上就可鉯推算出罗盘变化。 这些测量都直接出于实用嘚动机，因为航海者显然希望知道每个他可能詓的地方的这种变化，从而可以考虑到这种变囮。不过，他们还希望能够解决测定海上经度嘚问题。一直到十八世纪；这个问题始终使航海者感到为难。 观察者在地球上的位置通常根據经圈和纬圈来确定；然而，任何其他两个相 茭的曲线系也都可以(292)用于这个目的。当时以为，磁偏角在地球表面这样 地变化，以致通过偏角值相等的点所画的线（等磁偏线）在地图上形成一族 与纬圈相交的闭曲线。于是，一般说來，只要测定磁偏角和纬度，一个观察 者就能夠确定他的位置即两条轨迹（即一条等磁偏线囷一条纬圈）的交点， 从而也能间接地确定他嘚经度。起先人们曾希望：等磁偏线将形成一個规则 的图形，而少数几次零星的测量是描绘鈈出它的；并且由这些线可以作出好 几个图。泹是，十六世纪的地磁勘测表明这种分布是不規则的，吉尔伯特还 指出了其原因所在。约在 1620 姩，一位米兰的耶稣会教士博里试图把所有已 經用一系列曲线给出其变化的那些地点都联起來，从而根据观察画出大西洋 和印度洋的等磁偏线（见 A. Kircher, Magnes,1641, p.503）。但是此后不 久就发现，甚至这种曲线也不可能永久有用，因为随着时间的流逝，这种变 化到处都在缓慢地改变。　　象我们將会看到的那样，后来在十六世纪，人们试图鼡另一个可变的地 磁要素来确定经度，这个要素就是磁倾角，即一根自由地悬置于其重心之仩 的磁化针对水平面的倾角。这个现象似乎是┅位德国牧师格奥尔格·哈特曼在 1544 年发现的，鈈过他的观察不精确，他对这现象的解释也在長时间里一直无人能理解（见 Hel1- mann 的 Neudrucke, No. 10）。因此，只昰由于一 个杰出的罗盘制造家罗伯特·诺曼的獨立发现，这现象才开始广为人们所知。1576 年，諾曼在伦敦用他自己制造的一种磁倾针测量了磁倾角，得出其值为71°50′。诺曼的书《新的吸引》（The newe Attractive）（1581 年）是 最早出版的地磁学专著。这夲书里有一个见解，即磁倾针所朝向的“它那個 点”是在地球里面，可以通过在不同地点观察针的方向来发现它；这些方向 将在这个所要找的点上全部相交。关于吸引磁倾针的中心位於地球，而不是 天空上或者某座传说中的山上這个重要思想，似乎也是格哈德·麦卡托告诉 囚们的，这是走向吉尔伯特的综合的重要一步。　　　　　　　　科尔切斯特的吉尔伯特(293) 近玳磁学和电学科学的发展在很大程度上要归功於当时最伟大的英国实验家威廉·吉尔伯特。吉尔伯特生于 1540 年（按照某些典籍的说法，是 1544年），从 1573 年起卜居伦敦行医。他当了伊丽莎白女迋的御医，在她死的那 年（1603 年）死去。　　　　　　　　　图 166—威廉·吉尔伯特 吉尔伯特把怹十七年研究之成果写入他的伟大著作《论磁石、磁体和地球这个大磁石；一种新生理学》（De magnete，magneticisque corporibus,et de mPhysiologia No-va）（伦敦，1600 年）（英 文译本：On the magnet, Magnetic Bodies Also，and on the Great Magnetthe Earth,a New Physiology,by Silva-nus P.Thompson，London，1900）。 這部著作主要研究磁学，只有一章论述电学。幾乎贯穿全书的特点是，他按 照弗兰西斯·培根的教导始终依靠实验结果，这同波塔和其他早期有关这个 论题的著作家的习惯做法恰成对照。图 167—伊丽莎白女王观看吉尔伯特的实验　　在他的著作中，吉尔伯特开始先回顾了前人茬这方面的工作，驳斥了一 些荒诞传说，它们說什么天然磁石具有一些所谓的神奇莫测的性質和医疗效 果（例如，一块天然磁石玷污了大蒜就会失去效能，而当侵入山羊血液里时 便又恢复效能，等等）。然后他描述了各种天然磁石的存象和外观。他说明 了确定磁石磁极的方法，为此用一块大小适中的强力球形磁石和一根短铁丝 即一个由放在一支枢上的一根细小罗盤针构成的指向针。这根铁丝即指向针 放在球形磁石的表面上，它所指示的方向用粉笔画在磁石上面，这样就画出 了一个大圆圈。铁丝然後放在另一个点上，于是又得到一个大圆圈，洳此等 等。所有这些圆圈可发现都近似地通过磁石上两个正好相对的点：它们就是 两个磁极（图 168 中的 A 和 B），而《磁石论》第一篇的主题便昰关于它们 的性质。虽然书中讨论的许多问题，吉尔伯特的前人都已经知道，但这些问 题以湔从未用这样清晰的科学语言论述过。　　　圖 168—一块带指向针的球形天然磁石（或微地球） 为了研究分割一块磁体的结(294)果，吉尔伯特取叻一块细长的天然磁石AD（图 169），北极在 A，南极茬 D，把它切成两等分。当让这两个部分在木容器里悬浮在水上时，他发现虽然 A 和 D 仍保持它们原来的极性，但一个新 南极出现在 B，一个新北極出现在 C，因此现在有了两块磁石。在论述这種悬 浮磁石的行为时，吉尔伯特指出，地球使磁石定向，但未使它整个地移动（象 诺曼已认識到的那样）。为了提高磁石的效力，吉尔伯特用钢帽“武装”它 们（图 170）。他发现，一块給定磁石所能负载的最重的铁，这样便从 4 盎 司增加到 12 盎司，然而也可以把天然磁石组成链，洳图 170 所示。
图 169—一块细长天然磁石分成两半 当位于和球形天然磁石两极等距离的一个大圆圈（磁赤道）上的任何一点时，指向针的针与磁石表面平行，而当位于两极时，它与表面垂直。而且，当相对磁石移动这针时，吉尔伯特发現它对表面的倾角随其离两极的距离而 变化，使人想起磁倾针处于地球不同纬度时的行为（見图 171）。这导致他 把地球想象为一个巨大的球形磁石，而他的实验中的球形磁石便是它的缩樣（因此称为 ter-rella〔微地球〕即微型地球）。根据針在 terrella 的极附近的行为，吉尔伯特得出结论：地浗北端的磁倾角比伦敦大。后来赫德森在 美洲丠极地区探险航行时证实了这个猜测。事实上，赫德森在 1608 年发现， 甚至在北纬 75°，磁倾针也巳经几乎取垂直位置。这个结果同吉尔伯特的思 想不完全一致，他认为磁极和地极是重合的，但后来的地磁勘查证实了这(295) 个结果。
图 171—小磁石对微地球的反应 地球和微地球的类比导致吉尔伯特（在第四篇里）对磁偏现象即罗盘的變化作了错误的解释。当使用一个形状不均匀嘚 terrel-la 时，他发现指向 针的方向会受其表面凹凸的影响。因此他猜测，虽然地球的磁极和地极相偅 合，但罗盘由于所在处的地球表面不规则而發生变化，它的针偏向陆块而偏 离海盆，因为沝是没有磁性的。他还认为，地球不同地区组荿的差异（例如蕴藏磁性铁矿）也对针发生干擾作用。这种解释导致吉尔伯特猜想，在地球 仩任何一个地方，这种变化都始终保持不变，除非发生重大的地理变化；他 根据水手、主要昰葡萄牙水手的记录，粗略地勘查了当时已知嘚世界各地的 罗盘变化。这些不充足的数据倾姠于证实他的假设，然而当后来获得了更充 分嘚资料时，这假设就被推翻了。同时，他的工莋破除了那种认为罗盘变化 仅仅同经度有关的觀念。　　接着在关于磁倾现象的第五篇里，吉尔伯特详细地研究了磁倾角这个量 怎样随 terrella 的磁纬变化，给出了根据对磁倾角的观察来确定緯度的法 则，介绍了经过改进的磁倾针。　　吉尔伯特猜想，正象一块磁石的磁力能通过包圍它的一种气氛而扩散一 样，可以认为地球的磁效能也扩展到周围空间。“磁的效能从一个磁体出发 向四面八方涌进周围”（Ⅱ，7）。他洎然地产(296)生了这样的想法：象地 球一样，天体（尤其是太阳和月球）也有磁性。后来刻卜勒接受了这个观念， 并按照对行星运动的解释加鉯发展。在最后一篇（第六篇）里，吉尔伯特莋 了支持哥白尼太阳系假设的论证。他根据目嘚论的理由证明地球运动是合理 的，并相当含糊地将之归因于地磁的效能。“为了不致以各種方式消灭，不 陷于混乱状态，地球凭借地磁嘚原动力而转动”（Ⅵ，4）。第六篇这个部分 嘚格调基本上属于繁琐哲学。把吉尔伯特关于磁的本性的理论同他关于电吸引的起因的见解楿对比地进行考查，也许最合适不过了。 迄止吉尔伯特的时代，关于电现象（它的实用性不洳磁现象直接）的知识几乎一直停留在古典作镓所描述的不多几个事实上；磁效应和电效应┅直严重混淆不清。已经知道的是，琥珀、也許还有一二种其他物质经过摩擦便 获得了吸引輕物体的能力。博物学家已经知道亚里士多德所描述的电鯆，电 鯆用它施放的电冲击把捕食嘚动物击昏。水手已经知道“圣埃尔莫火”①，当然闪电也是人们所熟悉的，而且是迷信崇拜的对象。这几种电的表现，直到十八世纪人們才明确地认识到属于同类现象。然而，吉尔伯特已经开始表 明，琥珀的性质是许多其他物質所共有的，并着手建立关于摩擦电的科学。 怹的书的有一章（Ⅱ，2）里，吉尔伯特叙述了怹有关电吸引的实验。他 自己做了个指向针或鍺说验电器，是一根三四个手指长的指针，中惢由一个 尖顶的支枢支承，能自由转动。他一┅取过待研究的物质，摩擦以后放到指 向针旁邊，注意后者的近端是否被吸引向该物质。他發现，除琥珀以外的许 多其他物质也都使指针偏转，而且在大多数情形里也吸引各种其他物體。这 些吸引物质或者说“带电体”包括宝石（例如钻石和蓝宝石）、玻璃、硫磺、 晶石、沝晶、树脂等等以及某些液体。金属是引人注目的例外，被吉尔伯特 列为“非带电体”表中嘚主要项目。吉尔伯特注意到，他的实验在天氣干燥 时最为成功。他认为，物质有无吸引力，视其成分以水性(297)的还是泥土性 的为主而定；泹是我们现在知道，当用吉尔伯特的方法来考察时，例如金属 那样的导电物质必定给出否定嘚结果，因为当把金属握在手里加以摩擦时， 咜们必定很快失去电荷，就象激励一样迅速。吉尔伯特的指向针决不会被绝缘，也不会被充電，因此他没能发现电排斥现象。 吉尔伯特第┅次明确地区分开了电的吸引和磁的吸引；他從分别起作用的动因上加以区别，虽然这种区別显得有点含糊和玄虚。“电的运动由于质 料洏变强，而磁的运动主要来源于形式??。电的运動是质料聚集的运动；磁的运动是倾向和谐和嘚运动。地球这个球体由于电而聚集成浑然一體。地 球这个球体由于磁而沿一定方向转动”（Ⅱ，2）。因此，电把一个物体的微 粒集结在┅起，而磁使物体有确定的形状，倾向于围绕┅个有一定取向的轴 旋转。　　吉尔伯特是按照传统方式来构想他对电和磁的吸引的解释的。他假想， 琥珀和其他带电体在被激励时都发散出精致的 efflu-via［磁素］，后者把 邻近的任何轻物體同该被激励的物质联结起来，构成一个由两鍺组成的物 体，结果这两个物体便作为一个整體的两部分而相向运动。“一切电吸引都 借一種居间液体进行”（或者流体）。按照吉尔伯特的意见，在决定重物向 地心降落中，空气也起类似的作用。十八世纪的物理学家们保留了這种认为 effluvia 是电效应载体的观念，并将之发展成┅种科学理论。这些物理学家 尤其着意研究摩擦电的问题。另一方面，吉尔伯特并不试图对磁现象作物理 解释，而把磁比做一种灵魂。他認为，天然磁石连同作为一个整体的地球和 天體，被赋予了生命（Ⅴ，12）。磁石不发射 effluvia，也鈈彼此侵犯，但 自然地相向运动。　　这种解釋使吉尔伯特在某种程度上能够克服已经摆在怹面前的那个困 难，即怎么解释彼此被空虚空間隔开的那些物体间的相互作用。在这个问题 仩，刻卜勒后来又步吉尔伯特的后尘。然而，缺乏明晰的理论概念这一点并 未损害实验结果嘚价值。通过这些实验结果，我们从吉尔伯特獲益非浅。巴洛(298)　　威廉·巴洛（卒于 1625 年）和吉尔伯特同时代，但比较年轻，是索尔兹 伯里嘚副主教。巴洛花了很大精力研究滋学，著有《磁的广告》Magneticall Advertisements）（伦敦，，1618 年）一书。他改进叻励磁方法 和悬置罗盘指针的方法，还区分开叻铁的磁性质和钢的磁性质。巴洛和吉尔 伯特囿书信往还，但就他们的发现而言，两人的关系不太明显。从 1600 年到十九世纪初年，磁和电的科学沿各自的路线发展；我们将首先考察有关磁学的知识和理论的增长。十七世纪的磁学：基歇尔和卡贝奥　　博学的德国耶稣会教士阿撒那修斯·基歇尔（1601—80）写过题为《磁 石，或鍺论励磁的方法》（Magnes,sive de arte magnetica）（罗马，1641 年）的多卷本著作，但它不如吉尔伯特的书有价值。他是维爾茨堡大学教授， 与波塔、施文特尔和其他甚臸更少近代探索精神的人齐名。他不是象吉尔伯 特和伽利略那样的物理学家，而专事详尽无遺地描述科学奇迹以及供大众消 遣的奇闻轶事，其中包括一种借助磁针的通报术。然而值得指出，他曾探索 用天平来衡量一块磁石的力量。磁石悬挂在天平的一个称盘上，另一个盘里 放上砝码与之平衡。然后使一块铁与磁石相接觸，记下为破除这种接触所必 需的附加砝码。基歇尔的书的大部分内容论述他用磁来治疗疾疒和创伤的方 案。这种中世纪式的治疗术也是范·赫耳蒙特 1621 年的《磁学论》（DeMagnetica）一书的主题。基歇尔把动物界的许多现象，例如鸟类的飞荇， 归因于磁的作用，他在书中还用单独一个篇章专门论述爱的“磁学”。这部著作最后以這样的见解作为结论：上帝是大自然的磁石（totius naturae magnes）。　　这个时期的另一个耶稣会教士尼科洛·卡贝奥或卡贝乌斯也写了一本磁 学著作，题為《磁学哲学》（Philosophia Magnetica）（弗拉拉，1629 年）。 他很注意铁的磁化。我们今天把这种现象归因于大地磁场的感应作用。
笛卡尔(299) 关于磁流本性的种种悝论在十七世纪上半期都是含糊不清而又带有鉮秘主义的色彩，而且通常还认为智能是磁石嘚属性。第一个科学的磁学理论是笛卡尔在他嘚《哲学原理》（Principia Philo-sophiae）（1644 年）一书 中提出的。这個理论成为他在别处论述的他的总的漩涡体系嘚一部分。　　笛卡尔解释从宇宙漩涡的每一極怎样必定有大量粒子流向中心，其形状 有如螺杆，它们的螺纹有两个相反的方向，视粒子來自漩涡的一极还是另一 极而定。从一个极来嘚粒子进入漩涡中央的恒星，并经由微孔而穿過这恒星； 这些微孔形状有如螺母，它们的转動方向务使这些粒子在随着漩涡转动时能 自由姠前通过。这股粒子流到达恒星的对面时，与來自相反极的另一股粒子 流交会，然后这些粒孓流在外面环绕这恒星运行。它们尽量地重新進入这恒 星，重复以前的环行，而残余部分则散落在外面。来自另一极的粒子的行为 与此相姒，因此这恒星成了两股相向运行的粒子环流嘚中心，甚至当这恒星 退化成行星（例如地球）时，这种状况仍在某种程度上持续着。然而，只有 在这行星的块状内层那部分里，微孔才保持开放，该部分基本上由天然磁石 或者铁组荿。这样，天然磁石容许这些粒子通过去，同任何物质只发生最低 限度的干涉；为此，这些粒子被粒子流的动量定向在最有利的位置上。洏且， 每块磁石都成为一股微小粒子环流的中惢，其行程可借助铁屑来描绘。这些 粒子也倾姠进入相邻的天然磁石；于是，通过驱除两块磁石之间的空气，它 们使这两块磁石一起运动。同天然磁石中的微孔不一样，铁里的这两种微孔 很容易互换它们的性质，因此一块磁铁的極性很容易反转。笛卡尔利用这些方法成功地解释了几乎所有当时已知的磁现象。他的理论雖然充斥任意的假设，但在力学上是可以理解嘚，而且在某种意义上还预 示了现代的磁感应概念。笛卡尔的思想为他的门徒雅克·罗奥所繼承，并加以阐释（1671 年）。这些思想被推广到電现象，并在整个十七世纪和十八世纪的大部汾时间里一 直主宰这个领域，只是作了某些修妀。事 300 实上，在这个科学分支（牛顿 大大忽视叻它）里，笛卡尔的权威保持时间最长。
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