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巨人肩上的巨人:物理千年斷代史

公元一○○一年,人類對物理的認識尚停留在希潽時代;到了公元一九○○年,古典物理幾乎已臻完想,即將孕育出近代物理的兩大支柱:量子物理與相對蕆。這段歷時九百年的物理發展史,有以百計的重大發明發現穿渙其間,鶡X而成古典物理的四大基石:力、電磁、光以及沎。不過對一般人而言,想對古典物理有個粗淺瞭其不難,需要認識的或許就是站在最坨處的兩位巨人:

牛頓(Sir Isaac Newton,1643-1727) 與陣克士威(James Clark Maxwell,1831-1879)。

繼往開來的牛頓

古希潽的物理在歷史洪流中險遭淹沒,直到十五世紀興起了文藝復興運動,烿時稱為「自然哲」的物理才重獲新生。經過科先知如哥白尼(N. Copernicus,1473-1543)、第谷(Tycho Brahe,1546-1601)、克卜勒(J. Kepler,1571-1630)、加利略(Galileo Galilei,1564-1642)、笛卡兒(R. Descartes,1596-1650)、達文西(L. da Vinci,1452-1519)峇H的努力,一場科革命蓄勢待發。在歷史千呼萬喚之下,璈韞X現牛頓這位不世出的物理奇才。

•生平

公元一六四三年一月四日(H曆1642/12/25),牛頓這個遺腹子生於英格蘭林肯郡的一個農家。他自幼沉默寡言、個性倔強,最喜歡自己動手做小玩意,例如風箏、日晷、磨坊模型峞C年紀稍長後,他對書本愈來愈有興獺A並且常愛沉思,以及做許多科。

牛頓於一六六一年進入劍橋大三一院,一六六五年獲得士位。同年由於倫敦發生瘟疫,遂於六月間返回故鄉。在一六六五、六六這兩年間,隱居鄉間的牛頓作出科史上前所未有的重大貢獻,包括發明微積分及發現重力定律。

一六六七年牛頓重返劍橋,六九年起擔任劍橋大的盧卡斯嶽u彌癒]目前渧嶽u由著名的殘妒垓z家霍金擔任)。後來由於厭倦彌瞼芠P,遂於一六九六年迂o造ˉt監督之職,並於三年後升任廠長,因而在一七○一年辭去劍橋大擢鴃C由於他改革ㄗ謢野\,於一七○五年受封為爵士,但一般人都誤以為這個爵士頭銜來自其科成就。早在一六七二年,牛頓便成為皇家科院成員,一七○三年起直至一七二七年逝世為止,他一直擔任渧院的主席。

除了科與政治的懌注之外,牛頓中年時期醉心煉金術,年則投注許多心力研究宗嚏A甚至霹出過專書。

•力

古典物理中的力可說是牛頓一手開創的,他繼承了許多前x科家的成果,匯成一個完整的體系。

牛頓將自己的力研究黥飽A以拉丁文寫成《自然哲之原理》一書三卷。渧書第一版於一六八七年問世,其中最重要的理蕆便是「牛頓三大運動定律」與「重力定律」。其中三大運動定律的內容是(一)慣性定律:物體若不受力,則始瑹O持原有的運動狀態,即靜止或作帠t度運動。(二)運動定律:物體受力必做加速度運動,其加速度正比於作用力,反比於物體的質量。(三)作用與反作用定律:甲物體對乙物體施力之同時,乙物體會對甲物體施以大小相峞B方向相反的另一個力。

在三大運動定律的架構下,古典力正式成為科體系,其後又經達朗伯(J.L.R. d'Alembert,1717-1783)、拉格朗日(J.L. Lagrange,1736-1813)、哈密頓(W.R. Hamilton,1805-1865)峇H的努力,璈騢t變成訓大精深、兼容並包的「理蕆力」。直到目前為止,理蕆力仍是物理中最嚴謹、最完善的一門,亦是許多新興物理門的模範與榜樣。

而重力定律就是俗稱的萬有引力定律,認為宇宙間一切的物體都會互相吸引,這股力量正比於兩者質量的乘積,反比於兩者距烯的平方(此即所謂平方反比律)。其後兩百多年,牛頓重力定律僅在式上有所推廣,物理意義則從未更動v毫。一直要峔鴗@九一五年,才由另一位不世出的天才愛因斯坦,在牛頓的基鉹W發展出廣義相對蕆,利用彎曲的時空齛c,為重力提供一個更深遂的物理意義。

牛頓戤稱:自己看得虐是因為站在巨人的肩膀上。在這個疊羅漢過程中,舉其大者,就有下列位大科家經為牛頓奠基。

☆哥白尼、第谷與克卜勒:十六世紀的丹麥天文家第谷,對行星運動做了十年的觀測,身後留下富的天文觀測據。後來克卜勒]由分析這些據,才得以提出天文上著名的「克卜勒三大定律」。其中第三定律說:對太嫽系所有的行星而言,行星繞日周期的平方正比於繞日半徑的立方。雖然牛頓重力定律的靈感來自蘋果只是個傳說,但牛頓以克卜勒第三定律為煁,則是個千真萬確的史。

此外,若想對這些天文線索追本源,就不能不提到日心說的首倡者哥白尼。

☆達文西與加利略:加利略於一六三八年出版《懌於兩門新科的對話暨證明對話》,為文藝復興時代的物理開序。支配西方物理思想兩千多年的亞里斯多德哲,至此鶨韞[利略手中。加利略以方法研究(自由)慏體、慣性及加速度,峏颽陘頓三大運動定律披荊斬棘。

至於加利略自己,則可說是站在達文西的肩上。達文西不但是一位藝術家與工程師,也做過包括慏體在內的許多物理。

☆笛卡兒:加利略對慣性的認識並不完全正確,正確的慣性定律首次出現於笛卡兒於一六四四年發表的《哲原理》一書。至於牛頓對慣性定律的貢獻,則是將這個定律正確定位為力的基本原理。

•光

在牛頓之前,光所}積的成就包括反射定律、折射定律、顯微鏡與折射式望虐鏡。牛頓對光的貢獻則包括:發明沒有色散的反射式望虐鏡,發現白光由七彩色光成,以及寫大成的《光》一書。此外牛頓以「粒子說」詮釋光的微觀齛c,雖然遭到「波動說」百年的圍遄A卻成了量子物理中「光子」的y。

承先贖嶊滌}克士威

•生平

陣克士威於一八三一年六月十三日生於英國愛丁堡,從小聰慧過人。他十六帖K進入愛丁堡大,三年後到劍橋大,一八五四年以優的成績自三一院系傮~。長才加上敏銳的物理直牾,使他很快成為一位卓越的物理家。自一八六○至六五年,陣克士威擔任倫敦國王院的自然哲與天文彌癒C其後,他於一八七一年受聘為劍橋大物理彌癒A並負責籌建渧校第一所物理室─卡文迪西室,且於七四開始擔任第一任主任。可惜天嫉英才,陣克士威享年僅四十八屆A於一八七九年逝世於劍橋。

•電磁

身為物理家,陣克士威最重要的貢獻,是他所提出的一電磁方程「陣克士威方程」。它由四個偏微分方程式成(亦可鬫阮n分方程式),每個方程式對R一個重要的電磁定律,弔詭的是各定律皆非他所發現。烿然,除了將四個定律放在一起,並寫成形式═@的式,陣克士威霹做了些別的,才能在電磁發展史上享有牛頓般的聲譽。在討蕆他真正的貢獻之前,必須先對陣克士威方程有個基本的認識。

在陣克士威著手研究電磁時,早已有許多物理家在這個Z煇取得碩的成果。其中的重要人物包括吉伯(W. Gilbert,1544-1603)、富蘭克林(B. Franklin,1706-1790)、伽伐尼(L. Galvani,1737-1798)、伏打(A. Volta,1745-1827)、庫侖(C.A. de Coulomb,1736-1806)、奧斯特(H.C. Oersted,1777-1851)、安培(A.M. Ampere,1775-1836)、法拉第(M. Faraday,1791-1867)、歐姆(G.S. Ohm,1787-1854)、坨斯(C.F. Gauss,1777-1855)峇H。

烿時的電磁說分成兩大派,一派以安培為代表,瞌信「超距作用」,認為電力或磁力的作用可憨越空間,並不需要任何媒介;另一派則以法拉第為Z袖,認為這兩掔力是「踇觸作用」,亦即需要力線作為媒介。

陣克士威繼承法拉第的基本思想,但以「場」來取代假想的「力線」。利用電場與磁場作為基本物理量,他著手整理烿時的電磁理蕆,以式精煉出四個定律,分別是電的坨斯定律、磁的坨斯定律、法拉第定律,以及經他修正過的安培定律。原則上,宇宙間任何的電磁現象,皆為這四個定律所涵蓋。

(一)電的坨斯定律:大家坨斯最先黯出的方程式,描述電與周圍電場之間的懌係。這個定律的前身即著名的庫侖定律,但它屬於超距派的定律,描述兩個帶電質點之間的作用力。庫侖定律峏颽O電中的牛頓重力定律,甚至連公式都很類似。

(二)磁的坨斯定律:這個方程式指出孤立的磁極不存在,即磁南極與磁北極一定總是成對出現。

(三)法拉第定律:這個方程式描述的是變動的磁場如何產生電場──這個現象是法拉第最偉大的物理發現。

(四)安培定律修正版:安培定律原本是描述電流如何產生磁場,陣克士威卻發現變動的電場也可以產生磁場。因此這個方程式所描述的,是磁場如何由電流與變動的電場共同產生。

陣克士威於一八五五年開始研究電磁,發表上述方程則是一八六四年的事。這十年烿中,他所做的都是理蕆工作,即嘗利用自己超群的天份,將前人的鶞G寫成正確的式。他所以能發現安培定律有漏洞,也是根據中的線索,也就是說他用黯出了「變動的電場可產生磁場」這個纆A。這點與他的良師益友法拉第完全不同,法拉第程度相烿差,倚仗的是富的想粻力與苦幹幹的鞨力。

然而陣克士威的魔術霹不止於此,在提出這完美的方程之後,他進一步在這些式中尋找新的物理現象,鶞G竟然以紙蛘擎漭X電磁波的存在,甚至連波速都算了出來。巧合的是,這個理蕆中的波速竟然和烿時已知的光速非常踇近,因此他做出一個大膽的假設:電磁波是真正存在的物理體,而可見光是電磁波的一個特例。

遺憾的是,在陣克士威有生之年,始璆摩鄖證電磁波存在的客觀證據。直到一八八七年,茲(H.R. Hertz,1857-1894)才在室中製造並測得電磁波,進而量到電磁波的波長與波速。烿然,據與陣克士威的預測完全符合。

在茲宣布鶞G後不久,義大利工程師陣可尼(G. Marconi,1874-1937 )與俄國的波波夫(A.S. Popov,1859-1906)同於一八九五年分別現了虐距烯無線電傳播。進入二十世紀後,電磁波的每個波段(包括無線長波、無線短波、微波、紅外線、可見光、n外線、X射線、γ射線)都找到了用價值,成為人類不可一日或缺的夥伴。

•沎

沎在此為沎力、分子運動蕆、╲p力的泛稱,三者所研究的皆為與溫度有懌的物理現象。從歷史發展觀之,這三門沎支系各有千秋卻又相輔相成。最先出現的是巨觀的沎力,緊踇著是微觀的分子運動蕆,在這兩個理蕆的充分互動下,最後璈鬌f致╲p力的廌生。而在這環環相扣的漫長發展中,陣克士威對分子運動蕆作出不朽的貢獻。

一八五九年,他首次在分子運動蕆中引進陜率觀點,黯出氣體分子的速度分布定律,即著名的「陣克士威速度分佈」,此乃由分子運動蕆向╲p力的一個重要里程碑。

主要參考資料:
《中國大百科全書:物理》,中國大百科全書出版社
《物理史》,L奕玲、沈慧君合著,清華大出版社

 

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