|
|
| 後一頁 前一頁 回目錄 |
科學發展史告訴我們，許多最基本的定律，雖然形式較為簡單，但發現它們所付出的勞動，往往很大。歐姆定律就是典型一例。現在凡是學過算術並有一定電工基礎的人，都能將它運用於電路計算。從這方面說，我們不能不感謝姆（G．S．Ohm，1789－1854）在一個半世紀以前所做的工作。然而，在歐姆宣佈他的發現後，他卻遭到某些黑格爾唯心論者的非難和攻擊。經過十幾年後，他這一偉大發現才開始得到公認。 歐姆定律的發現 1789年3月16日，歐姆出生於南德意志巴伐利亞的愛爾朗根（Erlangen）。1805年5月，歐姆考入愛爾朗根大學，但只讀了三個學期就被父親送到了瑞士農村。他父親認為農村的清新空氣和純樸的社會關係，將會更有利於歐姆潛心學習。在這以後6年中，歐姆一邊自學，一邊擔任中學教師和家庭教師，取得了父親預期的效果。1811年，歐姆再度進入愛爾朗根大學，並於同年10月獲得博士學位。畢業後，他在母校擔任了一年半的無薪助教，這是他直到1849年以前在大學的唯一的一次任教。歐姆考慮到，在德國等級森嚴的師資隊伍中，無薪助教處於最低層，想要登上這個金字塔的頂端是可望而不及的事。於是，他決定暫時離開大學，以便能夠較自由地從事科學研究。1813－1817年間，他在巴姆堡一所中學任教。1819年，他又轉到科隆一所經過改革的耶穌學校當教師。那裡教育風氣之濃，在當時的德國是屈指可數的。他在那裡系統地學習和研究了著名科學家拉普拉斯、泊松、傅立葉和菲涅耳的經典著作，從而為自己今後從事科學研究打下了堅實的理論基礎。 現在一般人傾向認為，德國的科學領先於法國，但在歷史上不都是這種情況。從18世紀末到19世紀初，法國的科學不僅遠遠超過德國，而且躍居世界之冠。德國在當時還比較落後，這種形勢在物理學方面尤為明顯。把持當時德國物理學界的是一批老年持重的物理學家，片面強調定性的實驗，忽視理論概括的作用，他們對於法國人的數學物理方法甚為不滿。孟克（G．W．Muncke，1772－1847）曾經這樣說過：「自從牛頓和笛卡兒時代以來，數學的價值已越來越高。我們不能不看到這種價值已充斥了法國的廣大領域，而且正在向德國襲來。……如果我們誠心誠意地為著促進科學的發展，並且正確而又全面地考慮目前物理學狀態的話，那麼我們一時也不能不想到我們更需要的是觀察和實驗，而不是計算和幾何公式」。 當然，德國也在發生變化*1806年拿破侖在耶拿戰爭中挫敗了普俄聯軍，給了德國以巨大的打擊。代表新興資產階級利益的改革者在奮起改造社會的同時，提出要以法國科學為榜樣，徹底改造德國的科學體制。德國的教育有了羅快的發展，大學引進法國科學經典著作為教本，開辦討論班和研究生班，以培養具有特殊技能的人才。 另外，法國人的武力擊碎了德國的世襲貴族特權，以至1807年10月9日發佈的普魯士皇家敕令不得不擴大公民的權利。在這種情況下，不同背景的青年學生和科學家得以在泛德情感的紐帶中團結起來，衝破少數人的專擅和束縛。進入以往不能進入的禁區。歐姆正是在這種環境中開始了電路的實驗和理論研究，發現了歐姆定律。 1826年，歐姆獲准半年假期，到柏林研究電路去了。 歐姆根據庫侖（C．A．de Coulomb，1736－1806）在1784年發明的扭力秤，設計出一種絲懸磁針電流計，這種儀器不需要被測量的電流通過儀器本身，只需將磁針置於電流的附近，就能根據磁針偏轉角確定電流強度。由於磁針偏轉角與電流強度的線性關係，使他能正確地將電流強度作為一個電路參量抽像出來。另外，他又根據塞貝克（T．J．Seebeck，1770－1831）在1822年發現的溫差電效應，設計出一台溫差電池。溫差電池的優點在於，它的電動勢與溫差電偶兩端的溫度的差成正比，而且它不會產生伏打電池所固有的電亟亟化的現象，這就使他能夠將電動勢抽像出來，作為電路的另一個重要參量。歐姆就是這樣在1826年通過實驗總結出了歐姆定律：I=E/(R+r) 其中，I表示電流強度，E表示電動勢，R為電路電阻，r為電池電阻。 1827年，歐姆從熱和電的相似性出發。進行類比，運用傅立葉熱分析理論，從理論上推導出歐姆定律，並引入了歐姆定律的微分形式，從而肯定了他在一年前的實驗結果。他將這項成果總結在《數學推導的伽伐尼電路》（以下簡稱《電路》）一書中。歐姆的這部著作，是19世紀德國的第一部數學物理論著。從德國當量物理學狀況來看，我們把它當作德國物理學的轉折點，不是沒有道理的。 承認歐姆定律的艱難過程 定律的發現是困難的，定律被承認則往往更困難。歐姆定律就是這樣。 當《電路》發表後，歐姆給普魯士教育部長蘇爾茲贈送了一本，並附上一封信，請求蘇爾茲把他安排在大學工作。蘇爾茲是黑格爾唯心論哲學的信徒，他對歐姆的工作毫不經意，結果把歐姆安排在柏林一所軍校還當作最大的恩典。歐姆希望到一所實驗條件較好的大學，以便進一步研究電路，柏林軍校自然不是他所嚮往的地方，不過為了生計，只好惟命是從了。 一個不搞科學研究的人不重視歐姆的發現是不足為奇的。奇怪的是，聖歐姆的責難，首先來自德國物理學界一些有影響的人物。德國物理學家鮑爾（G．F．Pohl，1788－1849）首先發難。他撰文攻擊《電路》，他蠱感人地說：「以虔誠眼光看待世界的人不要去讀這本書，因為它純是不可置信的欺騙，它的唯一目的是要褻瀆自然的尊嚴」。鮑爾這種做法違反了科學家的常理，對歐姆定律採取絕對否定的態度，不但歐姆本人不能接受，就連其他一些物理學家，如埃爾曼（P．Ermann，1764－1851）、斯威格（J．S．C．Schwergger，1779－1857）、普法夫（H．Pfaff，1773－1853）和費希內爾（G．T．Fechner，1801－1887）等人，也覺得言之過分。但由於鮑爾在當時的德國物理學界佔有一隅之地，因此他對歐姆的攻擊引起了一定的後果。歐姆面對鮑爾的無理抨擊怒不可遏地要進行還擊，《文學雜誌》的主編布朗德先生勸他暫時忍氣吞聲，他告訴歐姆，鮑爾是黑格爾主義者，有很強的勢力。這樣才避免了一場風波。 1829年3月20日，歐姆給路德維希一世寫信以求公斷，信中寫道：「……我的科學著作是具有廣泛影響的，它已經受到公眾的注意。我遺憾地說，現在我只遇到唯一的反對者——鮑爾，他的觀點是建立在黑格爾原理的基礎上的」。 可以看出，歐姆已經感受到來自黑格爾哲學的壓力。從歷史上看，一位科學家受到某一哲學體系的壓抑並不多見，而歐姆所感受到的壓力，也並非指來自黑格爾的整個思想體系，而是指這個體系中的唯心論的成分所造成的一些不良影響。國王把歐姆的信交給了巴伐利亞科學院，責令組成一個專門學術委員會來討論歐姆的著作，辨其真偽，作出估價，判斷它在未來科學中的地位。然而，委員會成員的意見不一，他們大多數人缺乏對電學發展的歷史分析，自然難以作出裁決。最後，只好徵求哲學家謝林的意見。謝林是德國自然哲學的創始人，與國王保持著通信關係，在科學界頗有影響。但謝林拒絕作出評價，這件事後來竟不了了之。歐姆在給斯威格的一封信上說：「《伽伐尼電路》的誕生已給我帶來巨大的痛苦，我真抱怨它生不逢時，因為深居朝廷的人，學識淺薄，他們不能理解它的母親的真實感情」。 歐姆的電路理論誕生於德國理論物理學產生的前夕。如前所說，德國在19世紀初對法國數學物理方法採取排斥的態度，在老年的實驗物理學家中間這種風氣是盛行的。儘管歐姆定律是建立在實驗和理論的基礎上的，但由於歐姆使用溫差電池和絲懸磁針扭力秤做實驗，這還是最新穎的實驗方法，這就引起其他物理實驗家們的懷疑；更何況歐姆定律的理論部分模仿了法國數學物理學家傅立葉的熱分析方法，歐姆同樣要求電傳導時導線與周圍是完全絕緣的。這種將複雜情況進行理想化以抽像出現的本質的做法是物理學理論研究的一種基本方法，而德國一些實驗物理學家們則認為這在實際中是不可能的。與此相反，德國年青一代物理學家較能接受歐姆的思想。如費希內爾在30歲時發表的《伽伐尼電學和電化學教科書》第三捲上最先引用了歐姆定律，然而這並未引起德國物理學界的注意。費希內爾在他的教本的序言中寫道：「……我已經模仿了歐姆的理論，並用我的實驗進一步證明了它，因此，這個理論的最基本的結論已被事實所肯定。我迫切要推廣這個理論，使它與更多的現象結合。我敢說，唯有這個理論才是第一次給伽伐尼電路的結構輸入了真實的意義」。 在中年物理學家中，斯威格給與歐姆的支持最大。他自始至終給歐姆發表文章提供方便，歐姆的大部分論文發表在他主編的《化學和物理學雜誌》（Schweigger'sJournal fur Chemie and Phy-sik）上。1830年4月21日，斯威格寫信鼓勵歐姆說：「你對《年鑒》的貢獻是最成功的，我希望你繼續經常地把這樣重要的論文發表出來」；「請相信，在烏雲和塵埃後面的真理之光最終會透射出來，並含笑驅散它們」。 歐姆定律在很晚的時候才傳過英吉利海峽，至少在1831年還沒有任何英國人知道這個定律。法拉第（M．Faraday，1791－1867）當時正在研究電磁感應現象。他發現：在相同的感應條件下，導線愈長，感生電流愈小。雖然他已走到歐姆定律的邊沿，卻不知歐姆定律早已發現。可以設想，如果歐姆定律在這以前已經傳進英國的話，必定會大大加速電磁學研究的發展。 最早得知歐姆定律的美國人是富蘭克林的孫子巴赫博士（A．D．Bache）。1836－1838年間巴赫在英國學習時，從英國科學家那裡瞭解到歐姆定律；回國後他又傳授給亨利（J．C．Henry，1797－1878）。在這以前，亨利已經發現了自感現象，但他卻不知道什麼是電流強度，什麼是電壓。他曾把並聯的電池組稱為「量電池」，把串聯的電池組稱為「強度電池」。按照他的意思，「量電池」可以提供更多電量，「強度電池」可以提供更大的電力。如果他知道了歐姆定律，他就會發現所謂「量電池」與單個電池沒有根本區別，它們的電動勢都是一樣的，只不過前者的內阻更小而已；同樣，「強度電池」與單個電池的區別不在於它們的供電能力的強弱，而在於它們的電動勢不同。 黑格爾在1831年去世後，他的唯心主義思想對科學的束縛開始鬆弛了，歐姆本人也覺得在精神上得到了解放。與此同果，高斯（K．F．Gauss，1777－1855）和韋伯（W．Weber，1804－1891）在哥延根大學樹立的科學風氣，逐步向德國各地傳播開來，這就為接受歐姆定律創造了有利條件。截至1940年，已有不少實驗家證明了歐姆定律，並把它運用到自己的研究工作中去。不過，歐姆的聲譽首先還是在英國樹起的。1841年，倫敦皇家學會（RSL）授與歐姆最高科學獎----科普勒獎章（Copley Medal）；1843年惠斯通（C．Wheatstone）在貝克利亞講演中詳細闡述了歐姆定律，給與歐姆極高的評價。這樣就引起了德國政府和科學界對歐姆的關注。埃爾曼和多佛（H．W．Dove，1803－1879）等人竭盡全力地要把歐姆推薦到德國物理學界的最高位置。1845年2月9日，海爾曼（Hermann）寫信給巴伐利亞科學院數理學部秘書長，建議選舉歐姆為正式院士。經過這些熱心的科學家的反覆努力，歐姆終於當選為巴伐利亞科學院院士；1849年11月23日，他被調到慕尼黑主持科學院物理學術委員會的工作。並擔任慕尼黑大學物理學教授，他的最高願望總算實現了。1852年10月1日，他又開始擔任慕尼黑大學物理學講座。兩年後，他在慕尼黑去世，終年65歲。 為了紀念歐姆在電學上的貢獻，1881年在巴黎召開的第一屆國際電氣工程師會議上，決定以「歐姆」命名電阻的實用單位。從此，歐姆成了舉世公認的科學家。 從歐姆的遭遇所想到的 歐姆定律被推遲承認，除上述社會和思想方面的原因外，還有學術權威和傳統觀念等方面的問題。一個人的成敗，一個正確理論能否及時得到承認，在一定的時候，取決於一些學術權威的態度。這些人在科學界大都影響很大，若他們對一個新理論或新發現不能作出準確和公正的評價，則將產生極大的妨礙。鮑爾對歐姆理論的態度很能說明這個問題。儘管歐姆定律最終還是被公認了，但這種形勢來得太遲。以致當歐姆進入慕尼黑大學主持物理學講座時，他已經60歲了。如果歐姆早十年進入了嚮往的地方，也許他會做出更大的貢獻。實際上，自從歐姆定律發現後，歐姆因得不到理想的工作條件而未能做出新的成績。這種損失不論對於個人還是對於人類，都是無法估量的。 其次，一個新的理論或新發現能否得到及時承認，與它誕生於什麼樣的國度有很大的關係。試設想，如果歐姆定律產生於英國或法國的話，情況可能會好一些。它或許會促使法拉第更早地發現電磁感應定律，並使它變成數學的形式（法拉第電磁感應定律直到1845年才由德國物理學家諾埃曼總結成數學公式）；或許會使法國物理學家安培（A．M．Ampere，1775－1836）創立的電動力學更賦有色彩。然而，它恰恰誕生於物理學十分落後的德國。當時德國人還熱衷於伽伐尼電的性質這樣一個古老的問題。由於這個問題，又提出了電的同一性問題。歐姆是用溫差電池做實驗的，歐姆定律是否適用於其他電（如摩擦電、化學電、電磁感應電等）的情況，尚待證明。直到1833年法拉第實驗證明了電的同一性後，局面才好轉起來。即便如此，新問題還不時出現。例如，後來有人認為歐姆定律不能適用於電解質電路。1868年，德國物理學家柯爾勞施（F．W．G．Kohlrausch）用交流電的方法克服了電解質溶液使電亟亟化的現象，證明歐姆定律同樣能用於電解質電路，這時德國物理學界才算心悅誠服地接受了歐姆定律。歷史表明，一個新定律被公認往往需要付出很大的代價，在科學較為落後的國家，情況就更不例外了。 ------------------ 亦凡公益圖書館掃校 |
後一頁 前一頁 回目錄 |
|
|