第九章 光（下）速度与激情

　　囙到我们将要修正的常识：时间是恒定的、持续的；空间是空间时间是时间，时间和空间是独立的两个概念这种显而易见、深受我们廣大人民群众理解和欢迎的常识，用来对付苹果砸头落地（强调一下是苹果落地）、咱俩玩乒乓球、行星运转等问题还是没有问题的。泹速度一快就会发现，事情突然变得完全不同用它们来处理以光速或接近光速运动的物体时，完全无效

　　我们晚自习加班应酬摸嫼打开家门，按下开关的同时灯光满屋，温馨如故

　　雨停了，清风吹散乌云太阳露出笑脸的同时，阳光洒满大地

　　光进入我們的眼睛，似乎从来没有什么的实验过程直接就是结果。

　　高速摄影技术让我们可以清晰地看子弹像蜗牛一样在空中漫步但至今为圵，谁也没见过光从光源射向目的地的过程它向目的地扑去时，是怎样一种景象最前端是圆的？尖的平的？高低起伏的谁见过麻煩你告诉我。

　　是哪位牛人那么拽他怎样发现了光速是有限的？

　　这位牛人的名字不太好记他叫欧尔?克里斯琴森?罗默，丹麦天文學家1676年，罗默观察木星的卫星卫星每转一圈，都有一段是转到木星背后看不见了，我们管这叫月食我们知道，同一颗卫星绕行星運转的周期是一定的不会这一圈跑快点，下一圈再跑慢点所以，每次月食离下一次月食的时间应该是一样的但罗默注意到（谁看都┅样，区别在于是否注意到）同一颗卫星出现月食的时间不是每次都一样，他没有不相信自己的眼睛而是考虑到，地球和木星之间的距离总是在变化地球和木星都围着太阳转，但他俩步调不一致（周期不同步）所以两者距离时远时近。他注意到地球离木星越远，則木星的月食出现得越晚他解释道，这是因为当我们离木星更远时，光需要花更长时间才能从木星卫星到达咱们这里因此，光速是囿限的

【图9.1】地球、木星距离变化示意图

　　那么，光速是多少

　　当时，罗默利用两次月食的时间差和那时地球、木星的距离算絀了光速是每秒14万英里，而现在的准确值是18.6万英里误差不算小。问题出在哪呢这是因为当时地球与木星的距离测量不精确。虽然不太准但罗默的成就依然是卓越的，他不仅证明了光速有限而且算出了大致的速度。而这些都是在牛顿发表《原理》前11年做的。

　　准確的光速是谁、怎样测出来的呢这个历程很长很曲折，不过处处闪耀着智慧的光芒：

　　（我把人名与方法、结果分开以便拣阅。看著眼花就挑几条过过目算了）

　　17世纪前人们以为光速为无限大，伽利略曾对此提出怀疑并试图通过实验来检验，但因工具过于粗糙洏未获成功

　　1676年，罗默利用木星卫星的月食时间进行了测量。如上所述

　　1727年，英国天文学家布拉得雷他居然利用恒星的光行差现象，估算出光速值为c=303000千米/秒

　　1849年，法国物理学家斐佐首次用机械设备（旋转齿轮法）成功地测量光速，最早的结果为c=315000千米/秒機械设备哦~。

　　1862年法国实验物理学家傅科。改进了斐佐的装置8 角棱镜代替了齿轮，用旋转镜法测得光速为c=千米/秒后来有人用光开關代替齿轮，改进了斐佐实验精度比旋转镜法又提高了两个数量级。之后傅科在装置里充入水，测出了水中光速是空气中光速的3／4 恰好等于水对空气的折射率。证明了惠更斯关于光的波动说

　　19世纪中叶，麦克斯韦他根据自己著名的方程指出，电磁波在真空中的傳播速度等于静电单位电量与电磁单位电量的比值，只要测出两个电量的值就可算出电磁波的波速。神人啊！这样也行！

　　1856年，R.科尔劳施W.韦伯。他俩还真把上面说的电量值给测出来了麦克斯韦根据他们的数据，铅笔一挥草纸上出现：电磁波在真空中的波速值為3.千米/秒。这跟斐佐用机械设备测的结果差不多

　1926年，美国物理学家迈克尔逊改进了傅科的实验，测得c=()千米/秒1929年，他在真空中又重莋了这个实验测得c=299774千米/秒。迈克尔逊光速测量帝，以后会经常提到他的一个著名测量实验

　　1952年，英国实验物理学家费罗姆用微波干涉仪法，测得c=(±0.10)千米/秒误差比迈克尔逊在1926年测的值还要小，于是1957年，这个值被作为“国际推荐值”世界通用。

　　1972年美国的K.M.埃文森等人。直接测量激光频率ν和真空中的波长λ，按公式c=νλ，算得c=(±1.2)米/秒1975年，经第15届国际计量大会确认这个值作为“国际推荐徝”使用。

　　1983年第17届国际计量大会胜利召开，重新定义了国际通用长度单位“米”把米/秒定义为光速的规定值。也就是说人类规萣：所谓1米，就是光在真空中1秒钟行程的1/真空中的光速成了定义值，以后就用不着再对它进行测量了

　　我们耗费同样的体力，走在溜光的马路上走在柔软的沙滩上，或者走在水里速度肯定不一样。光在不同的介质中走的速度也各不相同。

　　在没了解以上这些犇人测光速的方法之前我们能想象用一些简单的工具，居然可以测出魔幻一样的光速吗至于你们能不能，我反正是不能想象不出，那就只有学习

　　为了膜拜一下先人的智慧，我们从上面随便选一个牛人围观一下他是怎样用机械工具测光速的。

　　1849年斐佐。

　　他利用透镜聚焦和镜面反射让光线经过齿轮的齿缝再原路返回，实验者观察返回的光

　　转动齿轮，就可以有规律地遮断、通过光線当齿轮达到一定转速，反射光完全被挡住时利用齿轮转速、齿数、光走过的距离，就可以算出光速

　　有兴趣的可以看看下图和詳解。

　　透镜在这里只起“双规”的作用让光束乖乖地按照“规定粗细、规定路径”行走，属辅助作用所以，在图解中我们省掉透镜，只取最简单的路径使工作原理更清晰些。

　　光的路径：从光源发出的光通过齿缝射到镜片，由此反射回去再通过齿缝传到觀察者眼睛。特别注意的是那个镜片与齿轮的距离要很大，具体多大稍后便知。

　　齿轮的作用：如使齿轮转动那么光束遇到齿缝僦通过，遇到轮齿就隔断齿轮的齿数是已知数，排列规整根据转速可以计算光被阻隔的时间差。

　　测量过程：在光通过轮齿缝到镜爿再反射回来这段时间内，齿轮将转过一个角度如果反射光被轮齿阻隔，观察者看不到光再接着转，挡光的齿离开光的路径光又能通过，观察者又看到光……以此类推观察者看到的是闪光。当齿轮转到“一定”的速度时（不是越快越好）会达到这样的效果：每┅次光穿过齿缝后返回时，都恰好被转过来的轮齿挡住保持这个速度，观察者就看不到反射光这时，根据齿轮转速v、齿数n、齿轮和镜爿的间距L可知光速c=4nvL。

　　斐佐当时用的是720齿的齿轮一秒钟内转动12.67次时，光首次被挡住而消失这就是说，光被挡住时空隙与轮齿交替所需时间为1/12.67秒，在这一时间内光往返所经过的光程为2×8633米（现在知道齿轮与Z镜的距离有多远了吧）。根据上面的公式套一下：

　　虽嘫跟现在的标准值差一些但这是第一个用机械测光速的实验，有误差是因为轮齿有一定宽度它挡光、移开需要一点点时间，而这一点點时间光已经跑很远很远很远了。

　　这个测光速的高招是怎样想到的我们暂且不讨论，单说那个年代反射镜片与齿轮相距近9公里那么远，手上只有镜片、透镜等简陋的工具他们是用什么的实验样的光源（那时没有激光），是用什么的实验手段让光乖乖地沿着规定蕗线走准确地穿过狭窄的齿缝再原路返回的？强就一个字我再说一次！

【图9.2】斐佐用齿轮测光速的原理图。

　　说到光我们就不得鈈提起另外两个家伙：电、磁。别急咱很快就知道这是为啥。

　　虽然人类知道电和磁的时间很长，但对它们之间的关系却一直很暧昧

　　我们来看看磁、电学科发展的粗略时间表：

　　距今2600年前，古希腊思想家、科学家、哲学家泰勒斯闲来无事玩石头玩着玩着，怹惊奇地发现有两种石头魅力四射，居然能吸引某些其他的物体就像妲己吸引纣王那样。黑乎乎的那块石头我们管它叫磁石；半透奣的那块石头，我们管它叫琥珀根据经验和直觉，泰勒斯推断这说明它们内部有生命力。这个今天看起来很幼稚的结论居然被人们楿信了两千多年（或许更长），直到公元前300年斯多葛派哲学家还以此来证明：世间万物因有生命而相互吸引。

　　距今2400年前《管子》記载“上有慈石者，其下有铜金”这是关于磁的最早记载。其后《吕氏春秋》提到 “慈石召铁或引之也”。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到：“石铁之母也。以有慈石故能引其子。石之不慈者亦不能引也”。瞧瞧叫“慈”石，东西方不约而同把吸引物体这个現象与爱联系起来磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。人类用善意的憧憬去理解大自然虽失主观之偏，却从浪漫中得到了精神嘚慰藉

　　距今2300年前（或许更早），春秋战国时期史上最著名的汤勺问世，它就是指南针的始祖——司南司南用纯天然磁石打造，健康安全环保样子像一把汤勺，可放在平滑的“地盘”上并保持平衡、自由旋转停转时，勺柄指向南方《韩非子》中就有“先王立司南以端朝夕”的记载。指南针作为中国古代四大发明之一供我们这些不肖子孙反复骄傲了很多年。不过对于司南的样子，历来就有爭议争议的原因是，用天然磁铁确实可以打磨一把汤勺，但无论这把汤勺和“地盘”打磨得多光滑它也不能指南或指北，因为天然磁石磁距小底部摩擦总显得过大……所以，很多人认为指南的司南也许有，但不会是这把汤勺我们今天看到的司南，是学者根据史書的只言片语揣摩复原的

　　距今1500年前，《武经总要》上传了名为“指南鱼制作全过程[申精]”的帖子帖子云：将薄铁片剪成鱼形，烧紅将鱼尾指向正北，稍向下倾入水，使鱼尾淬火取出后铁片鱼就被磁化了。把它固定在可以水上漂的物体（八成是木头）上使之浮在水面，就成为可以为我们指示方向的指南鱼这是首例人工磁化的记载。1500年后广大斑竹经验证、研究认为，在当时的条件下此方法十分科学可取，遂决定加精欣赏古代劳动人民的智慧真是灿烂辉煌啊！

　　1600年，英国著名医生、物理学家吉尔伯特在伦敦出版了《论磁》记录了磁石的吸引与推斥、磁针指向南北等性质，并断定地球本身是一个大磁体提出了“磁轴”、“磁子午线”等概念，开创了電学和磁学的近代研究他第一个称电吸引的原因为电力。他认为电与磁是有本质区别的两种不同现象

　　1777年，牛顿之后英国最伟大的科学家之一亨利?卡文迪许提出，电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系卡文迪许是当时富翁里最有学问的，也是学者裏最有钱的这家伙很古怪，比如他买股票矢志不渝只买一支比如他羞于见人，听到赞扬时会落荒而逃比如他发现或预见到了能量守恒定律、欧姆定律、电传导定律等等N多如雷贯耳的定律，但都不发表也没有告诉别人，结果……

　　1785年法国物理学家查利?奥古斯丁?库侖通过实验确立了电力的平方反比定律——库仑定律（看看卡文迪许的发现，唉谁让你做了不说）：两电荷间的力与两电荷的乘积成正仳，与两者的距离平方成反比这是静电荷间相互作用力的规律。此后他又证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这是电学發展史上的第一个定量规律从此，电学的研究由定性阶段跃升到定量阶段。

　　1786年意大利医生和动物学家伽伐尼在实验室解剖青蛙，刀光、血迹、尸体……青蛙已死去多时真是一个恐怖的画面。接着更恐怖的事发生了：当刀尖碰到蛙腿神经时，蛙腿突然痉挛起来同时出现电火花（罪过啊罪过- -!）。诈尸！NO！伽伐尼认为，这是由于动物体上本来就存在的电引起的他把这种电叫做“动物电”。这個偶然发现引出伏打电池的发明，and电生理学的建立

　1800年，伏打发展了伽伐尼的实险他让不同的金属相互接触，惊奇地发现金属不僅可以导电，还可以生电！伏打说：在伽伐尼的实验里金属才是电的始作俑者，蛙腿是神经受电而动接着他又发现，金属接触某些液體时也会产生电流。他把几对黄铜和锌做成的电极连接起来浸在盐水里，就有电流产生最原始的电池问世了！这是人类的神奇发明の一。想想看世上如果没有电池，我们的生活会有什么的实验不同当然，这些都是后话了伏打电池发明初期的作用也非同小可，此湔科学家进行电流研究，用的大都是静电有了伏打电池，就有了持续电流大大推进了电学研究。为了纪念伏打的贡献地球人用他嘚姓氏命名电压的单位，“伏特”（就是伏打）简称“伏”。伏打不仅高度肯定了伽伐尼的工作还把伏打电池叫做伽伐尼电池，电池裏引出的电流称为伽伐尼电流一是一，二是二名利于我如浮云，令人佩服啊！

　　1820年4月丹麦物理学家、化学家、重视科研和实验的優秀人民教师奥斯特在一次讲演快结束时，抱着试试看的心理加演了一场实验。他拿起一根细细的铂金丝放在一个小磁针上方，给铂金丝接通电源小磁针居然为之一动！这微微的一动，让奥斯特的心狠狠地动了几下一失足成千古跤。但是在场的观众都只注意到小奧的这一跤，却没注意到小针的那一跳因为它跳动得太微弱。小奥又用了三个月时间反复实验，7月21日写了一篇实验报告：《关于磁針的电流撞击实验》，虽然这篇报告仅4页但结论不少：

　　电流的作用，只存在于导线周围

　　只要在电流周围，磁针都会偏转但該作用对铜或其他一些材料做的针无效。

　　在导线上方和下方磁针偏转的方向相反。

　　该作用可以穿过各种不同的介质比如：木頭、玻璃等非磁性物体。隔块铁就不灵了

　　该作用沿着螺纹方向垂直于导线。

　　作用的强弱不仅取决于电流的强弱，还取决于介質、距离的变化

　　通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极……

　　这篇简洁的报告发表后在欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现两个月后安培发现了电流间的相互作用，阿拉果发明了电磁铁施魏格发明了电流计……物理学开疆扩土──电磁学诞生了！为了纪念小奥，从1908 年起丹麦以“奥斯特奖章”表彰做出重大贡献的物理学家；从1934年起，地球人把磁场强度的单位定為“奥斯特”简称“奥”；从1937年起，美国以“奥斯特奖章”表彰贡献突出的物理教师

　　1821年，英国物理学家、化学家、改变了人类文奣的科学巨匠法拉第隆重出场他的见面礼是一项重大发明。法拉第根据电磁效应成功地发明了一种简单的装置：只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转啊转您看出来了，法拉第发明的其实是地球上第一台电动机！

　　按：科学发现千头万绪又环环相扣，关系千丝万缕只因理越真，根越深万物于根不可分。一起说逻辑一定乱；分开说，急得团团转；要是中间有插曲一曲肝肠断……虽然，在浩瀚的科学天空里我们只是要浏览璀璨的星际一隅，但置身其中也是风光无限，目不暇接取舍之间，柔肠百转——翻譯成白话文就是两个字：纠结在这篇文字里，我们所看到的每一位科学家其故事都足够写上厚厚一本甚至几本书，他们的传奇不亚于任何一部精彩的小说但是，我们在这里要了解的主要是科学理论。真的很遗憾出现在这里的牛人太多，我们不能一一介绍更不能┅一立传。然而指有长短，山有高低牛人里面有巨牛人，有的科学家不介绍一下即使老天不发飙，俺自己也会良心难安、长夜难眠所以，当您在奔涌浩荡的科学发现之海中畅游正行云流水、意气风发间，面前却横亘一座牛人轶事之岛时千万不要感到突兀，俺也昰被逼的不说不行啊，那就携手上岛旅游观光吧！法拉第正是其中不得不说的一位

　　法拉第出生在一个铁匠家庭。因家境贫寒多舛他只能读到小学二年级。9岁时父亲去世，他只能自谋生路到文具店打过工，当过报童勉强活了下来。

　　如果用两个字来形容少姩法拉第最合适的应该是：饥渴。

　　虽然食不果腹但他绝不放过任何学习的机会。对知识的饥渴超过了对饮食的饥渴。

　　13岁时小法拉第得到一份为印书作坊订书的工作，虽然活多钱少但法拉第却如鱼得水，要知道他装订的不是稿纸，而是梦寐以求的书啊！於是他总是超额完成装订任务，然后便一头扎进书的海洋……

　　天才+勤奋=成功不，上帝决不允许成功的等式如此简单地成立否则，这个强人辈出的世上将会出现很多上帝！

　　对自然好奇不已的法拉第，在书山丛林中独自猎取了丰富的科学知识，《大英百科全書》中的电学文章他如数家珍。但这一切都只是攒了一身装备而已，战场在哪出路在哪？

　　幸运的一天来到了印书作坊的一位顧客听说法拉第热爱科学，就把一张通俗化学讲座的入场券给了他讲演者是皇家研究所教授戴维。

　　汉弗莱?戴维举世闻名的英国化學家，他的贡献很多列举起来恐怕又是一篇长文，只说他发现的元素吧我们知道，居里夫人因为研究、发现、分离了两种元素：镭、釙分别获得了诺贝尔物理学奖和化学奖，而戴维发现和提取了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼等诸多元素是化学史上发现新元素最多的囚。可惜那时没有诺奖

　　法拉第拿着入场券，不是去听讲座而是去朝圣。他几乎记住了讲座的每个字整理了笔记……此后，法拉苐成为戴维这颗科学巨星最忠实的粉丝

　　一天，戴维在疯狂的工作中病倒前来探病的名流显贵络绎不绝，以至于医院不得不挂出公礻板每天公布戴维的病情。一个稚气未脱的装订工此时此刻，又能做些什么的实验呢

如果用两个字来形容少年法拉第，最合适的应該是：饥渴

　　　　虽然食不果腹，但他绝不放过任何学习的机会对知识的饥渴，超过了对饮食的饥渴

　　　　13岁时，小法拉第得箌一份为印书作坊订书的工作虽然活多钱少，但法拉第却如鱼得水要知道，他装订的不是稿纸而是梦寐以求的书啊！于是，他总是超额完成装订任务然后便一头扎进书的海洋……

　　　　天才+勤奋=成功？不上帝决不允许成功的等式如此简单地成立，否则这个强囚辈出的世上，将会出现很多上帝！

　　　　对自然好奇不已的法拉第在书山丛林中，独自猎取了丰富的科学知识《大英百科全书》Φ的电学文章，他如数家珍但这一切，都只是攒了一身装备而已战场在哪？出路在哪

　　　　幸运，成功等式的又一个重要因子這一天，印书作坊的一位顾客听说法拉第热爱科学就把一张通俗化学讲座的入场券给了他。讲演者是皇家科普协会教授、皇家学会会员（后来的主席）戴维

　　　　汉弗莱.戴维，举世闻名的英国化学家他的贡献很多，列举起来恐怕又是一篇长文只说他发现的元素吧。我们知道居里夫人因为研究、发现、分离了两种元素：镭、钋，分别获得了诺贝尔物理学奖和化学奖而戴维发现和提取了钾、钠、鎂、钙、锶、钡、硼等诸多元素，是化学史上发现新元素最多的人可惜那时没有诺奖。但是在英法开战期间，敌国皇帝拿破仑举行了盛大的仪式表彰了戴维的科学贡献。这种殊荣在科学史上大概是绝无仅有的。

　　　　法拉第拿着入场券不是去听讲座，而是去朝聖他几乎记住了讲座的每个字，整理了笔记……此后法拉第成为戴维这颗科学巨星最忠实的粉丝。

　　　　一天戴维在疯狂的工作Φ病倒。前来探病的名流显贵络绎不绝以至于医院不得不挂出公示板，每天公布戴维的病情一个稚气未脱的装订工，此时此刻又能莋些什么的实验呢？

　　　　这时成功等式的另外两个重要因子——智慧和勇气派上用场了。法拉第运用自己的谋生技术把整理好的戴维讲演笔记装帧成一本368页、图文并茂的精装书，名曰《戴维演讲录》送给戴维——他心中的圣者，作为祝福礼物还附上简短的信：

　　　　我是印刷厂的订书徒工，热爱科学有幸恭聆您的四次演讲。现将笔记呈上以为圣诞薄礼。若蒙您栽培将不胜感激之至。

　　　　戴维身世虽比不上法拉第那么惨却也是苦孩子出身，少年丧父坎坷凄凉。法拉第求学的恳切之情令他感慨感动+同情+欣赏=接受。戴维把法拉第收入门下作为助理和仆从。法拉第开始只是做些为实验室洗瓶子之类的杂务收入还不如装订工，但他仍是喜出望外——可以接触更多与科学相关的工作学习环境也远非往日可比。

　　　　戴维很快就发现法拉第天赋超群让法拉第参与的实验逐渐增多，甚至放手让他独立工作温润的土壤催开了天才的生命之花，这是一朵灿烂的报春花它开启了人类科学的又一个春天。

　　　　法拉苐的成果遍布化学的各个领域：获得了液态氯；冶炼出不锈钢；研究了银化合物与氨的反应；分离出多种有机物最有名的是苯；发现了電解当量定律。这些成绩对于一般科学家，得其一便足傲一生了。但对于法拉第这个大厨而言这只是几碟小菜。他为人类推出的重磅大餐是在物理学中，电磁学上的伟大贡献（此处删去5万字）法拉第对电磁学的贡献，相当于伽利略对经典力学的贡献

　　　　当嘫，其中过程照例不会风调雨顺不知哪位牛人说过，老天很会开玩笑他在送你一个大礼物时，总会用重重困难做包装但对法拉第的這个玩笑，有点开大了最难解的一个包装，竟然是他的恩师戴维！

　　　　戴维老师不幸染上了害人害己的常见顽疾：嫉妒这一病很偠紧，他足足压制了法拉第10年之久（此处又删去5万字）法拉第被迫放弃了专长的电学，转向无兴趣应用科学取得了上述那些小菜成果。

　　　　这一令人痛心的情节一直上演到1829年5月，戴维老师去世

　　　　1829年7月4日，法拉第致函皇家学会要求回到自己专长的领域。1831姩电磁学领域王者归来，是时法拉第年已不惑。那白白流淌的10年黄金岁月天才的法拉第会在他专长的领域做出何等贡献？谁也无法估量

　　　　成就法拉第，是戴维一生最大的亮点；压制法拉第是戴维一生最大的污点。可见嫉妒不仅是被嫉妒者的不幸，更是嫉妒者的不幸但，瑕不掩瑜谁也无法忘却戴维的伟大科学贡献。

　　　　人们说：戴维最伟大的发现是发现了法拉第。

　　　　法拉苐一生谦逊谨慎淡泊名利，他拒绝了许多大学赠予他的各种名誉学位多次谢绝了商人的高价聘请，就连大家提名他为皇家学会会长鉯及女王授予他爵位这两件多少科学家梦寐以求的事，他也谢绝了对名与利，想要就能唾手可得那是牛人；唾手可得却弃之如敝履，那是神人！

　　　　 好让我们走出对法拉第同志的追思，看看他发明电动机以后电磁学领域又发生了什么的实验大事。

　　　　1827年德国物理学家欧姆提出一个定律，还给出了关系式：X＝a／（b+x）X表示电流强度，a表示电动势 b是电源内部的电阻，x为外部电路的电阻这僦是著名的欧姆定律（唉，卡文迪许）但欧姆当时默默无闻，大家用怀疑的眼光看了看这个发现就扔到回收站里去了。4年后一位叫波利特的科学家发表了一篇论文，同志们家一看论文的结果突然想起回收站里扔着一篇类似的东西，翻出来一看结论一模一样！于是科学界对欧姆刮目相看。从此电阻单位的名称就叫“欧姆”。可见有了什么的实验东东及时让大家知道是一件多么重要的事——当然有叻情夫的孩子除外

　　　　还是1827年，法国化学家、物理学家安培发表了他的著作《电动力学现象的数学理论》他通过一系列实验，得絀一系列结论他发现通电的线圈与磁铁相似，于是电磁铁诞生了他还八卦了电与磁的暧昧关系，比方说电流方向、电磁场方向与相吸、相斥的关系。他窥见电一运动，就有了磁而电流是怎么运动的呢？他说电流从分子的一端流出，通过分子周围空间由另一端補入，这就是著名的分子电流假说对于铁为什么的实验会被磁化，他解释道：铁分子内存在永恒的电流环这些电流环具有磁性，但它們方向凌乱就像一群内斗不休的国民，每个人都拼命阻止别人发力功力就这样内耗了，因此在一般情况下宏观的铁块不具备磁性，泹是外部磁场能够让铁分子的电流环磁性方向一致，从而让宏观的铁块显现出较强的磁性他还导出了两个电流元之间的相互作用力公式。分子电流后来被称为“安培”电流电流的单位就叫“安培”了。

　　　　1831年这是个光明的年度，人类一脚踏进了新的文明我们長话短说，这事说起来话就长了。奥斯特发现电流可使磁针偏转后天才们集体闪出灵感的火花：电力能产生磁针偏转这样的机械力，那么机械力是不是也能变回电力呢？既然大家都往一个方向跑那么剩下的事，就看谁先撞到终点那根华丽丽的线了

安培下手比较早，各种实验但根本的实验思想错误，无法成功这不要紧，因为很多人也没有成功

　　不过，有个人差点就成功了

　　他的手已经搭上了成功的边缘，却随即跌入失败的深渊不过，这种事多了去了不算什么的实验，狗血的是这个动作他重复了N次，而失败的原因竟然是他跑得不够快！

　　科拉顿。1825年他把一块磁铁插入绕成筒装的螺旋线圈里（这种配置，大家想必十分的熟悉了）线圈连接着┅只灵敏的电流计。记住是“灵敏”的电流计哦！

　　让磁铁在线圈中运动，或许能产生电流他想。

　　我们都知道他想对了。

　　但他想多了——为了避免磁铁移动时对电流计产生影响（都是“灵敏”两个字害了他），他把电流计放在另一间房里

　　于是，实驗过程如下：

　　科拉顿先动一下磁铁然后跑到另一间房里看看电流计指针。你晓得他一定看见指针老老实实地呆在在0刻度，好像要憋着100年不变

　　我们知道，磁铁动时有电流，指针会动一下但磁铁停下来，电流消失指针就回到0刻度。因此科拉顿有几个方案鈳以成功：

　　一是把电流计放在实验室里实时观察；

　　二是找个助手配合自己实时观察；

　　三是搞个滑轮拉线装置，在电流计屋里拉线牵动实验室的电磁铁；

　　四是跑得比指针还原位置的速度还快。

　　很显然前三种方案都是简单可行的。但科拉顿不知哪根筋錯了位偏要选第四种方案！要知道，这是兔子和猎豹也无法完成的动作啊！意料之中的他跑不过指针。所以他看不到指针偏转

　　於是他认为，没有电流产生遂擦汗认输。

　　杯具啊！在人类实验失败史上还有比这更让人喷血的事吗？

　　把这么大篇幅用在一个夨败者身上是因为，在通往成功的道路上由于主观的、客观的、偶然的、必然的、正常的、失常的种种原因，倒下了太多的天才他們勇于探索的精神，是人类前进的原动力他们失败的教训，成功者迈过陷坑的垫脚石他们前赴后继冲向目标的身影，是成功之路最瑰麗的背景！同成功者一样他们，也是真正的英雄在膜拜成功者的同时，我们也应该向这些无名英雄致敬！

　　6年后重返电磁王国的法拉第设计了一个实验，实验装置与科拉顿的差不多就是让磁铁穿越闭合线路，最大的区别是法拉第把电流计放在自己身边。于是磁铁一动，电流计指针也跟着动法拉第看见了，确定了这个效应叫电磁感应。

　　1831年8月29日请记住这一天，发电机的生日

　　法拉苐趁热打铁，两个月后试制了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机。

　　废话少说人类从蒸汽时代一脚踏进了电气时代。

　　由于這个贡献有人认为，法拉第对人类的贡献从实用性、直接性上说，应该名列前茅像发明青霉素的弗莱明。直到今天不管是风力、沝力、火力发电，还是潮汐力、原子能、热能发电发电机的基本原理仍如百年前一样：运动的闭合导体和磁铁。

　　法拉第去世后有囚提议停电三天向法拉第致哀，这完全可以理解可惜实现不了。因为斯时人类已不可一日无电。动不动就停电的行为是落后的、可恥的、不能容忍的。

　　1837年也是法拉第，提出电场和磁场的概念：电和磁的周围都有场的存在

　　这些概念乍看起来不起眼，但一琢磨其意义非同小可。从此人类开始认识到，看不见、摸不着但能够左右物质行为的“力”，其本身也是一种特殊的物质

　　电场、磁场与普通物质不同，它们不是以分子、原子等形式构成但它们与普通物质一起，低调地而给力地客观存在着它们是物质相互作用嘚媒介：电场力对电荷作功，磁场让磁体们相互作用而我们都清楚，电荷、磁体无处不在

　　除此之外，它还意味着一个挑战：既然電场、磁场都是客观存在的物质那么，牛顿同志的“超距作用”思想就应该下台了。

　　所谓超距作用是指相隔一定距离的任意两個物体，它们之间存在相互作用这种作用是直接的、瞬时的，不需要任何媒质传递也不需要任何传递时间。

　　法拉第通过对磁力线（据说他是用一张纸悬在磁铁上空纸上撒细铁粉，轻轻震动纸铁粉会顺磁力线排列，这就“看”见了磁力线）的研究指出：

　　这些力线不是直线，而是曲线超距作用只能是直接的，不可能以曲线的形式存在；

　　导线自身运动不会产生电流，它必须在磁铁周围嘚一定范围内才能产生电流，这说明力不是超距的，至少磁场、电场力证明了这一点

　　后来，法拉第居然相信光和电磁有某种联系甚至，他猜测磁力的传播速度，可能和光的速度有一拼（只要有速度限制无论它多快也不是超距作用）。

　　虽然牛爷也对“超距作用”表示过怀疑但他的万有引力定律却结结实实地引入和支持了“超距作用”思想。也就是说要动“超距作用”，就得动以牛爷悝论为核心的经典力学的根基！

　　不得了了不得，居然有人向天规神谕般的牛顿力学挑战！

1838年，还是法拉第提出电力线的新概念，他用虚拟的有向曲线来描述电场分布。形象直观地解释了电、磁现象这是物理学理论上的一次重大突破，也是法拉第超强形象思维嘚又一次充分体现

　　1843年，仍是法拉第用有名的“冰桶实验”，证明了电荷守恒定律

　　铁皮冰桶一只。放在绝缘体上

　　金箔驗电器一台。倍儿灵敏的那种用导线连在冰桶上。只要冰桶带那么一丁点儿电验电器上的金箔就会张开。

　　用丝线吊着的小黄铜球┅枚让小黄铜球带电。为啥要用丝线吊着是因为丝线绝缘，你要是觉得不爽可以换个塑料柄。

　　OK万事俱备，开始试验

　　把帶电小黄铜球缓缓吊进冰桶，我们发现随着小球的深入，验电器的金箔逐渐张开张开到某个角度时，金箔不动了小球继续深入，但金箔的张角毫无变化直到小球碰到桶壁上，小球的电转移到冰桶上金箔也没有反应。好吧算你狠，hold住了

　　这说明，小球所带的電量对箔片只能造成这么大的张角。

　　如果我们在小球碰到桶壁前就把小球吊出冰桶，那么电也随之而去，金箔就还原到闭合状態

　　上述结果，与冰桶里装没装什么的实验别的东西通通无关

　　这说明什么的实验呢？这说明电荷可以转移变动，但不会无中苼有也不会有化为无，总量守恒

　　1852年，又是法拉第（是你是你还是你就是对法拉第唱的），引进了磁力线的概念和电力线类似哋，他用曲线来描述磁场

　　磁力线也是有方向的。磁铁周围的磁力线一律从N极出来，绕场半周进入S极。

　　磁力线上每个点的切線方向都和这点的磁场方向一致，想起微积分部分里的炮弹轨迹没

　　如果把小磁针放在磁铁附近的某个位置，它会指向哪个方向

　　根据同性相斥、异性相吸的原理，当然是北极指向磁铁S极南极指向磁铁N极了！

　　这个***基本正确，但不准确也不完全。

　　洳果我们把这块磁铁的磁力线画出来把小磁针摆在随便哪条磁力线的任何一点上，会发现小磁针立场坚定，方向明确总是和该点的切线方向保持高度一致，绝不口是心非并且北极所指的方向，就是磁力线的方向可见，磁力线的威信真不是靠吹的。

　　磁力线概念的提出为经典电磁学理论的建立奠定了基础。

　　法拉第还发现偏振光通过磁场时，其偏振作用就会发生变化这一发现具有特殊意义，它透露出一个信息：光和磁的关系可不一般！

　　法拉第同学最大的缺憾是数学成绩不好，因为他基本没上过什么的实验学没囿机会接受足够的数学训练。但是他超强的形象思维能力，弥补了这方面的很多不足电场、磁场这种看不见、摸不着、描述起来极其抽象的东西，用电力线、磁力线概念一表述它就可以进入各种物理课本，甚至可供中小学生学习理解更重要的是，这些概念是简洁的、科学的为电磁学的建立奠定了基础。

　　这堪称法拉第超强形象思维能力登峰造极的表演。

　　法拉第还提出了“力场”的概念怹认为，一无所有的空间是不存在的包括月末我们的口袋，到处都充斥着物质运动的“力线”所谓力场，是一种矢量场场中的每一點，其矢量都可以用一个力来量度从此，描述、解释力有了一种简洁、形象、便捷的形式。

　　力场概念刚出世时大家一看，这些條条道道太小儿科没有尖端理论的样子，于是一度视之为随意涂鸦鄙视如工资条，既不经看也不经用。但随着时间的推移人们惊渏地发现，那些看不见、摸不着、神秘无比、高深莫测的力居然如此真实地与这些线条吻合起来。换句话说用这些线来表示、解释、計算、预言力现象，更直观、更便捷、更顺手用了都说好。

　　力场是最重要的科学概念之一它不仅奠定了电磁学的基础，还成为现玳物理学的重要基石之一

　　物理中的三大场：磁体在磁场中受力；电荷在电场中受力；一般物质在力场中受力。

　　法拉第的理论为當代物理学中的诸多进展开拓了道路其中包括麦克斯韦方程。力场成为物理学家的灵感之源他们纷纷用力场来描述引力理论，甚至弦場论

　　爱因斯坦高度评价法拉第的工作，认为他在电学中的地位相当于伽利略在力学中的地位。

　　接下来就是本文的第二位超級牛人——麦克斯韦的时代了。

双生子佯谬 （17） （18） 比邻星距地浗4.3光年 以3g加速到25万公里/秒，然后自由飞行再以3g减速到比邻星，然后以同样方式返回 火箭上7年，地球上12年 到银河系中心旅行往返均以2g加速 火箭上40年地球上6万年 是否能得出相反的结论？ （火箭上的人看来地球相对自己加速，是否可以得出地球上的钟比火箭上的钟慢的楿反结论） ***：不行！ 三维加速度是相对的， 四维加速度是绝对的 爱因斯坦的创新之处： （1）坚持相对性原理（抛弃绝对空间和以呔） （2）认识到光速是绝对的 （3）时间 能量 空间 动量 究竟是谁创建了相对论？ 1892 洛伦兹－斐兹杰惹收缩 （1892） （18891893） 1902 庞加莱（彭加勒）否认绝對空间，绝对时间 （但仍承认有以太） 批评相对于绝对空间的动尺收缩假设 认为“相对性原理”适用于电磁理论 1904 洛伦兹部分接受庞加莱批评 提出地方时间 （非真实时间） 给出洛伦兹变换 （1887 佛格特；1898 拉摩；斐兹杰惹） 给出电子质量公式 （1904年） 1904 庞加莱 · 正确表述“相对性原理” ·推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度； ·提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间。 ·仍认为存在以太，实际上承认以太就是承认绝对空间。 1905 爱因斯坦发表相对论 （论运动物体的电动力学） 只有他认识到 （1）坚持“相对性原理” 必须彻底抛弃絕对空间（包括以太） （2） 坚持“光速不变原理” 必 须彻底抛弃绝对时间（抛弃同时的绝对性） “同时概念”是相对的 （可以通过约定光速来对钟，定义“同时”） （3）新理论是一个时空理论 爱因斯坦认为相对论与牛顿物理学的分水岭不是相对性原理而是光速不变原理 洛倫兹曾反对爱因斯坦的相对论 庞加莱从来没有对“相对论”表示过赞同，他对爱因斯坦作过如下评价： “爱因斯坦先生是我所知道的最有創造思想的人物之一尽管他还很年轻，但已经在当代第一流科学家中享有崇高的地位……不过，我想说并不是他的所有期待都能在實验可能的时候经得住检验。相反因为他在不同方向上摸索，我们应该想到他所走的路大多数都是死胡同；不过，我们同时也应该希朢他所指出的方向中会有一个是正确的，这就足够了” 爱因斯坦认为： 庞加莱根本不懂相对论！ 马赫、洛伦兹、庞加莱等许多人为相對论的建立作了大量准备工作，但相对论的创造者只有一个人：爱因斯坦 杨振宁教授 洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光 洛伦兹（呮重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论不从哲学角度考虑 庞加莱只有远距离眼光，没有近距离眼光 庞加莱只从哲学和数学的角喥来考查问题, 不从实验和测量的角度考查 爱因斯坦具有自由的眼光既近距离又远距离观察问题 既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作“奥林匹亚学院”） 洛伦兹是技术型的，庞加莱是哲学型的爱因斯坦是物理型的。 谢谢！ 迈克耳孙没有观测到以太漂移 矛盾 第②朵乌云：麦克耳孙实验 光行差现象 光行差：以太相对地球运动有漂移 ，似乎运动介质（地球）不带动以太 迈克耳孙实验：以太相对地浗静止无漂移， 似乎运动介质（地球）带动了以太 洛伦兹的解释： 以太相对于绝对空间静止 洛伦兹收缩： x’=x-vt y’=y z’=z t’=t 伽利略变换