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第14章

可是,就在门捷列夫发表了他新编的化学元素周期表的3年后,法国化学家布瓦博德明发现了新元素镓,也就是在门捷列夫预言的“类铅”以后,他预言的11种元素一一被人找到。全世界的科学界都被震惊了,几乎所有的外国科学院都来聘请他当院士。

门捷列夫元素周期表,是科学理论研究中运用逻辑思维的成功范例,是科学预见的丰硕成果。他在元素周期表中,不仅预见到19世纪末化学元素的发现,甚至对20世纪发现的放射性元素,以及“二战”后出现的人工元素,也在周期表中预约定位了。不仅如此,门捷列夫的元素周期表还暗示了以氢为原型的元素原子结构的关系。这是20世纪后由于量子力学的发展才了解到它的意义和本质的。

门捷列夫周期表不仅是化学发展史上的里程碑,而且也影响到其他学科,例如元素光谱学,等等。

门捷列夫誉满天下,功盖学界。研究科学史的人却难免要因此为德国化学家迈耶尔叫屈。迈耶尔发表过与门捷列夫内容和观点一致的论文,只可惜比门捷列夫晚了9个月。所以,科学史家认为两人是独立并且几乎在同时发现元素周期律的。人们“先入为主”,把这-功劳都归于门捷列夫一人,这多少有点不够公平。所以,我们在谈起门捷列夫时还要补上一笔,否则总觉得有些太亏待了迈耶尔先生了。

二十七、麦克斯韦是如何从小神童变成大学者的?

上文曾说到法拉第因数学功力不够,未能以数学公式的形式来表达他的电磁理论,只得将他的想法用文字记载下来,存进皇家学院的档案馆中,以期有朝一日,有人能完成他的未竟事业。

法拉第足足等了34年,终于有一个名叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的年轻科学家替他圆了梦。

这位在科学史上能与牛顿、伽利略、法拉第等巨星争辉的物理学大明星麦克斯韦,生于183l午,这正是法拉第发现感应电流的那一年。事情也真凑巧,麦克斯韦去世的那一年,又是爱因斯坦诞生的那一年。爱因斯坦的狭义相对论是在麦克斯韦的电磁场理论基础上提出来的。这跟牛顿生于伽利略死的那一年,而牛顿完成了伽利略开创的力学体系一样,都是科学史上非常巧合的接力关系。仿佛是造物主有意的安排,让科学的发展如“芳林新叶催陈叶,流水前波赴后波”一样后继有人。

麦克斯韦从小就聪颖好学,特别爱提问题。每看到他感到新奇的东西,便向爸爸妈妈问个不停。望着爱动脑筋、爱提问题的儿子,父母的心里有说不出的高兴。可惜在麦克斯韦8岁那年,慈爱的母亲得了肺病,去世了。父亲就又当爹又当妈,与麦克斯韦相依为命。

麦克斯韦的父亲是个工程师,他很有一套发展孩子天性和兴趣爱好的教育方法。他先是看出麦克斯韦很有些数学天赋,便开始教他几何、代数。这孩子也真有灵性,再难的原理、法则,他一学就会;数学题愈做愈难,他却算来得心应于。在学校举办的一次数学、诗歌比赛中,他一人得了两项头奖。15岁那年,中学还未毕业,就写了一篇讨论二次曲线的论文,居然发表在《爱丁堡皇家学会学报》上。中学毕业后,他考入了爱丁堡大学,那年他只有16岁,是班上年纪最小的学生,而旦是全班学习成绩的佼佼者。他还是像孩提时代那样,爱提问题,和老师、同学进行探讨。有一次,他突然举手指出老师在黑板上演算的一个方程有错。从前,那位老师已经不知道多少次在课堂上用这个方程来推导这个公式了,从来也没有人提出质疑。所以,他听了麦克斯韦的话很是生气,便挖苦说:“要是你说得对,我以后就把这个公式称为麦氏公式!”他回家后按麦克斯韦说的一算,果真发现自己错了。第二天,他歉疚地向麦克斯韦认了错。爱丁堡大学的天地太小了,实在不够他驰骋展翅。3年后,他父亲把他送到赫赫有名的剑桥大学。1854年,他以数学甲等第二名的成绩毕业。也就在这一年,他迷上了当时最尖端的电磁学,便一头扎了进去,第二年就发表了论文《论法拉第的力线》。

据说,法拉第读到这篇论文时已是一位63岁的老人了。他读了以后大喜过望,因为这篇文章实在写得太好了,把法拉第想说又说不明白的意思,表达得清清楚楚。文章将法拉第充满力线的场比作一种流体场,这就可以借助流体力学的成果来进行解释;文章又把力线概括为一个矢量微分方程,这可以借数学方法来描述,这样的表达真是尽善尽美。法拉第很想见见这位作者,可是法拉第怎么打听都没人知道麦克斯韦是何许人。因为麦克斯韦在当时实在是一个名不见经传的毛头小伙子。悠悠岁月,4年过去了,这时法拉第已经是年过七旬的老人了。这4年来,老人一直没有忘记那个名叫麦克斯韦的后生,当他正为自己在有生之年无缘与这个他最“知心”的人见上一面而遗憾万分时,奇迹竟然出现了。一对年轻夫妇登门来拜访这位科坛前辈。法拉第万万没有料到那男的竟是他日日思念,比他小整整40岁的麦克斯韦先生。

在这4年中,麦克斯韦经历了丧父的变故,后来又与他任教的马锐斯凯尔学院院长的千金小姐结了婚。马锐斯凯尔学院又并归另一所学院,麦克斯韦想跳槽到母校爱丁堡大学,结果没有成功。几经周折,麦克斯韦就带着爱妻来伦敦投靠皇家学院。这时,他在空气力学等物理学的新领域已经取得了两项重要成果,自然也没有忘怀他情有独钟的电磁学,所以特地抽空来拜访法拉第这位电磁领域的开山鼻祖。

法拉第向来访的这位年轻人介绍了自己这些年的研究成果。他在实验中证明,电流和电场不一样,前者能使导线发热,能电解水,能激发出磁场,后者虽也具有电流的某些性质,但不很明显,那么电场能不能激发磁场呢?法拉第实验了多少年还是没有找到他们的联系。就这样,法拉第又给他的继承人留下了一道难题。

麦克斯韦一头钻进了这场科学的攻坚战里,整整5年工夫,他终于创立了电磁理论。他发表了一组被称为麦克斯韦方程的描述电磁场运动规律的方程,证明变化的磁场可以产生电场,变化的电场又可以产生磁场。磁场电场→磁场→电场,这两个场的作用不断运动着,这就是运动着的电磁波。

在这5年中,他先后发表了《物理的力线》和《电磁场的动力学理论》两篇具有划时代意义的论文,奠定了电磁学的理论基础。法拉第老人读到论文以后,带着满足,安然地离开了人世。

麦克斯韦在他的第三篇论文发表后,就回到乡下老家去了。他闭门谢客,一心一意投入到全面阐述他的理论的一部鸿篇巨着的写作中。这样,又整整过了8年。1873年,他写成了《电磁学》一书。如果说牛顿筑起一座经典力学的大厦,那么麦克斯韦则盖起了一座经典电磁学的高楼。物理学经过186年的艰难攀登,又跃上了一个新的高峰。

1871年,麦克斯韦被剑桥大学盛情邀请去当物理学教授。1874年,他建立世界上有名的以英国贵族、化学家卡文迪许的名字命名的卡文迪许实验室。这个实验室后来经过汤姆生和卢瑟福的努力,成为世界上最有权威的实验物理中心,先后培养出26名诺贝尔奖获得者。这是麦克斯韦除了他自身在科学上的建树外,对人类的又一伟大贡献。

麦克斯韦的电磁理论,证实了电磁过程是在空间以一定速度(相当光速)传播的,从而彻底否定了当时人们认为不可动摇的超距作用理论。他的理论还预言了电磁波的存在,预言电磁波的速度等于光速,而光其实也是一种特殊的电磁波。这样,光学、电学和磁学就成为一个统一的理论体系。因此,他的理论无疑是19世纪科学史上一座巍峨的丰碑。但是,他的理论太超前了,超越了当时人们的认识水准,所以不仅曲高和寡,而且反对他的人铺天盖地。1879年,曾经夺去他母亲生命的肺病又无情地夺去了这个年仅48岁的科学伟人的生命,麦克斯韦带着“唯我独醒”的孤独和惆怅离开了人世。

“真理往往在少数人手中。”直到十多年后,赫兹证实了电磁波的存在,世人才更进一步地认识到这位科学先知的伟大。

二十八、电话史上的第一句话是:“喂,您好”吗?

在被称为信息时代的当今,电话是最重要的通讯工具。而电话,是跟一个名叫贝尔的美国人联系在一起的。

贝尔于1847年生于爱丁堡,医学院毕业后跟父亲一起教了两年的聋哑儿童,后来便成了波士顿大学的发声生理教授。除了教聋哑人外,他还致力于声学研究和电光传声研究。那时,正是莫尔斯发明电报不久,电报成了当时人们最感兴趣的新潮玩意儿,贝尔也跟许多人一样,对电报着了迷。

1873年的一天,贝尔与助手沃特森正在试验一种新型电报机。在这种电报机上可以互不干扰地同时拍发几份不同的电报。他们两人分开在两个房间。偶然间,他发现当电路接通或断开时,螺旋线圈就会发生轻微的噪声,于是他产生了一个念头:空气使薄膜振动而能发出声音,那么,如果用电使薄膜振动,人的声音不就可以凭电流传送出去了吗?而在另一端,安装一个同样的装置用电流让铁片振动起来,不就可以发出声音了吗?

贝尔按照这一设想,与沃特森立即动手试验起来。他们在波士顿近郊租了几间房子,作为实验室和卧室,夜以继日地干开了。电话机是一种新的通信工具,没有什么实物或书籍可以参考,只能反复试验,从失败中积累经验。真是“书到用时方恨少”,在试验过程中,贝尔深深感到自己知识有限。于是,他千里迢迢专程来到华盛顿,前往最负盛名的斯密索尼安研究所,向素不相识的老科学家、所长瑟夫·亨利请教。

年过七旬的亨利十分热情地接待了这个胸怀壮志的年轻人。接着,贝尔便向亨利提出了自己的设想。

亨利鼓励他好好干下去,并且告诫他,一方面要认真钻研有关的电学知识,另一方面要尽量吸取别人的经验和教训。

亨利的鼓励使贝尔信心十足。春去冬来,贝尔和沃特森在简陋的实验室里足足研究了3个年头。他们虽然制作了不少模型,但都失败了。问题出在哪里呢?他俩在苦苦思索着。一天晚上,贝尔抬头愣愣地望着满天繁星,心里在苦苦地琢磨着。突然,远处隐隐约约传来一阵“叮叮咚咚”的吉他声。琴声在夜空中荡漾着,仿佛是一股欢乐的山泉在淙淙地歌唱。贝尔听着听着,突然跳起身来,嘴里嚷着:“我想出办法来了!我想出办法来了!”

贝尔心想,吉他靠着共鸣才发出响亮的声音,我为什么不把共鸣的原理用到电话上去呢?于是,贝尔立即动手设计了一个类似共鸣箱作用的助音箱草图,照着草图,他和沃特森连夜赶制起来。一直干到天亮,总算把它做成了。接着他俩又继续改装机器。一连忙了两天两夜,终于制作出一个从外形看来跟今天的电话机模样相似的东西。

他们在两个房间中连接了电线,又分别安装了新制成的机器。他们的设计是:在一端的送话器前发话,声音通过金属振动板振动线圈产生电流,电流沿电线送到另一端听话器的线圈,线圈产生磁力吸动振动板,振动板振动空气而发声。

于是,他们一个在一头发话,另一个在另-头收听。可是声音总是从墙壁或过道上传过来,从来也不是按照他们的设想是从电线上通过发声器传出来的。他俩毫不气馁,不断地改进他们的装置,一次又一次地实验。他们的邻居也很耐心,允许他们把电线拉过自己的房间,而且长期地忍受着他们无休止的喊话而毫无怨言。

1875年6月2日,他们又一次改进了装置,又开始新的通话试验了。贝尔将门窗关上,沃特森在另一间房子里也紧闭门窗,将受话器紧贴耳边。突然,他听到受话器里发出弱如蚊子叫的声音,声音渐渐响起来:“沃特森先生,快来帮帮我!”原来贝尔在摆弄机器时不小心打翻了硫酸瓶子,硫酸溅到他腿上,他感到-阵剧烈的疼痛,情不自禁地向他的朋友求助。这是电话史上的第一句话。沃特森听了欣喜若狂,高声喊着:“我听到了!我听到了!”他边喊边冲出屋子,向贝尔的房间奔去。贝尔和沃特森紧紧地拥抱在一起,庆祝世界上第一部电话的诞生。

这以后,他们又对电话作了改进,声音愈来愈清晰了。1876年2月14日,贝尔到专利局申请电话专利时,遇到另一个人在他之后也来申请专利。

这个人发明的电话和贝尔的电话大同小异,也是使用极薄的振动板。所不同的是,声音通过振动板的振动,传送到一根插在液体里的铁棒,由于振动,铁棒上下移动,使液体产生电流变化而将声音送到对方。可惜因为他比贝尔晚了几个小时,专利局没有批准他的申请。如果他早贝尔几小时,在科技史上名垂千古的也许就不是贝尔的名字了。自然,在美国波士顿法院路109号的顶楼门口,现在也不会钉上这么一块写着:“1875年6月2日,电话在这里诞生”的铜牌了。

贝尔虽然取得了专利,但这只是电话成功的一半。因为当时电话并没有引起社会的重视。虽然,在电话问世的几个月后,贝尔带着电话参加了为纪念美国独立100周年而在费城举办的博览会,曾一度引起轰动。前来参观的巴西皇帝佩德罗二世的电话又无人过问了。贝尔和沃特森并不气馁,他们到处奔波,惊异不已,他放下电话机,大声叫道:“它在说话呢!”但是,时过境迁,博览会一过,利用一切机会宣传电话。终于在1880年得到一位有远见的名叫休顿的富翁的资助,成立了贝尔电话公司,大规模的电话工业开始了。经过25年的发展,到1905年,美国每50个人中就有一个人装上了电话机。贝尔也成了名满天下的大实业家。

电话发明成功的消息传到了爱迪生的耳朵里,他仔细研究了贝尔的发明,很快就发现这项新发明的关键性缺陷在于送话器质量不高。

毕竟是行家里手。大发明家爱迪生经过一番实验,成功研究了新型的炭粒送话器,它以炭粒代替原先的炭棒,结果杂音大大减少,而且又使电话的外观更加漂亮。

贝尔不是一个电学专家,也不是工程师。但他立志要发明电话,结果能先于众多具有专门知识和技能的科学家而发明成功电话。

贝尔的成功靠的是奋斗,是矢志不渝和百折不挠的毅力。

“失败是成功之母。”贝尔又一次向人们证实了这一科学史上无数史实所证明了的真理。

二十九、爱迪生是“抄袭”了贝尔的电话后才发明了留声机吗?二十九、爱迪生是“抄袭”

了贝尔的电话后才发明了留声机吗?在希腊神话中有一个名叫普罗米修斯的天神,他因为为人类从天庭劫得天火,给人间带来光明,因而触怒了天帝宙斯,被绑在高加索山,受尽煎熬。

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