法拉第、麥克斯韋和赫茲(2 / 3)

馬克斯·普朗克(1931,57)在這個見識中看到了對“評價一種理論的標準”的最可行的說明和例證。“它真正解釋了除那些它以此為基礎的現象之外的其他現象”。普朗克沒想,無論是法拉第還是麥克斯韋“最初都沒有聯係他們對電磁學基本定律的考察來考慮成研究光學”,但是,“一百多年來激起來自力學方麵的抨擊的整個光學領域卻被麥克斯韋的《電磁場的動力學理論》一舉證服了”,所以,“從那時以來,每一種光學現象都可被直接視為一個電磁學的問題”。對普朗克來說、“在任何時候,這都將是人類理智的努力的最偉大的凱旋”之一。

海因利希·赫茲的貢獻

因而這裏是一個檢驗——不僅要看看電磁波是否可以產生出來,而且要弄清楚它們是否有光的速度。這樣,我們就可以理解海因利希·赫茲在直到1888年的那些歲月裏所進行的一係列實驗的重要性;他的這些實驗最終證實了麥克斯韋理論的預言。赫茲不僅生產出了電磁波,並且(通過測量已知頻率的駐波的波長)發現廣電磁波的速度;他通過實驗表明,這些電磁波在反射、折射和極化等特點方麵與光相似,而且,它們是可以被聚焦的。赫茲本人把這一理論看作是“麥克斯韋在法拉第觀點的基礎上創立的並且我們稱其為法拉第-麥克斯韋理論的一種理論”(1893,19)。

赫茲的貢獻並不僅僅是計劃並實施了一個機敏的實驗,雖然這個實驗的成就是巨大的。他還表明,他的實驗作為“對一個假定的遠距離活動的有限傳播的第一個證明”是多麼重要。(麥科馬克,1972,345)。因此,他的實驗的作用在於使物理學家們關於電磁學的觀點實現了從“遠距離的瞬間活動”向“麥克斯韋關於電磁過程是在電介體中發生的,以及一種電磁以太包含著比較古老的發光的以太的功能的看法”的根本轉變(同上)。但是,要完成這一革命,赫茲還必須清楚地闡明,“當物理學家們自稱麥克斯韋的追隨者時”,“他們所讚成的是什麼理論”。(關於這一點,可參見麥科馬克在第346頁上所作的精彩概括,尤其是關於赫茲對麥克斯韋的“向量電勢”的論述的探討。)最後,他除去了這一理論的某些“不必要地使形式主義複雜化”的物理學的特點(1893,21),並且(在他的《電波》一作的導言中)斷言,“麥克斯韋的理論”不過是“麥克斯韋的方程式體係”。由於對麥克斯韋理論的接受,尤其是在歐洲大陸對這一理論的采納,都是遵循赫茲提出的思路,所以我們就可以理解,為什麼愛因斯坦和其他一些人在討論這場革命時把赫茲的大名也包括在內。

由於許多原因,麥克斯韋的理論是難以接受和理解的。第一,它在概念上是創新的,擁有諸如“位移電流”這樣一些激進的概念。第二,麥克斯卡不隻是把這一理論看作是對新的原理的數學上的精煉或推敲,而且也是根據物理學的型式提出來的。首先,這些新的原理體現在諸如嵌齒輪和滑車等機械裝置中;他的真誠的追慕者格萊茲布魯克禁不住把一個“多少有些粗俗的看法”引入到這些裝置之中(1896,166),盡管他確實強調這些裝置對於它們的創造者來說隻是“一個型式”。麥克斯韋從未完全放棄旋轉的電子管和以太的渦旋。在他的《電和磁》中(2:&831;1881,2:428),他寫道,“磁力是渦旋的離心力的作用”,而“電動勢”則是“加於起聯結作用的結構的應力”的結果。法國數學家亨利·彭加勒對於麥克斯韋的理論持有鮮明的態度(見下文)。他禁不住介紹了一本書,即《麥克斯韋理論和光的電磁理論講演錄》(1890,V),目的在於表明,當“一位法國讀者第一次打開麥克斯韋的書的時候”,一種不安甚至通常是疑惑的感覺如何與他的讚美交織在一起。在另一部著作(1899;英譯本1904,2)中,彭加勒承認,麥克斯韋歸之於以太的“複雜結構”“使他的體係古怪而又枯燥乏味”。彭加勒認為,事實上,人們“似乎是在閱讀對有傳動裝置、有傳導運動並且在作用力之下彎曲的拉杆,有輪子、傳動帶和節速器的工場的描述”。而且,彭加勒認為,它體現了“英國人對這種概念的偏好;這些概念的出現正是迎合了英國人的心意”。但是,他也注意到,麥克斯韋本人“首先放棄了他自己的離奇的理論”,而且,“它並不是出現在他的完整著作中”。這裏所說的“完整著作”可能是指麥克斯韋的那一係列論文。彭加勒立刻補充說,我們決不能懊惱“麥克斯韋的智慧追尋了這一僻徑,因為它因此導致了最重要的發現”,而且彭加勒堅持認為(p.12)“麥克斯韋著作中永恒的要素”在於這樣一個事:“它獨立於一切特殊的解釋”。

赫茲在德國偉大的物理學家亥姆霍茲的建議下所進行的實驗證實了麥克斯韋的預言。在歐洲大陸,尤其是在德國,(高斯,韋伯等人)傾向於——正如普朗克所解釋的(普朗克,1931,58-59)——“根據位勢理論——這是高斯從牛頓的遠距離作用的定律為靜電磁場推演出來的,而且由此產生了很高的數學成就”——專門探求“電動力學的成就”。法拉第-麥克斯韋關於不存在任何這樣的“直接的遠距離作用”以及力場具有“一種獨立的物理實在”的見解,是如此令人不可思議和如此難以理解,以致普朗克認為,這種新的理論“在德國找不到任何立足點,而月.甚至幾乎引不起人們的注意”。亥姆霍茲提出了他自己的一種理論,在這種理論中,他試圖保持瞬時作用的程式,而且仍然包含著麥克斯韋的方程式。他鼓勵赫茲進行實驗,不僅是為了發現電磁波是否存在或是否能夠被產出(因為這兩者都是他的理論和麥克斯韋的理論所需要的),而且是為了在兩種不同看法之間作出選擇,因為這兩種看法都導致了關於電磁波的物理特性的非常困難的預言。(關於亥姆霍茲與麥克斯韋之間理論差別的簡潔說明,請參見特納1972,251—252。)

在關於“麥克斯韋的理論和赫茲的動搖”的一部通俗的——也就是說,非數學的——著作(1899;英譯本,19O4,第7章)中,彭加勒解釋了赫茲的實驗如何在麥克斯韋的理論與它的對手之間提出了“實驗難題”。這兩種理論都一致同意許多被證實的預言(例如,電幹擾沿一導線傳播的速度與光速相同,電磁幹擾通過空間傳導),它們就這些作用在空間中傳播的時間則有不同意見。假若不存在麥克斯韋的“位移電流”,那麼傳播就應當是瞬間的。但是,根據麥克斯韋的理論,在空氣或真空中的傳播速度,應當與沿導線傳播的速度為同一速度——也就是說,它應當與光速相同。因此.彭加勒提出了這樣一個問題:“因而,這裏是一個實驗難題:我們必須測定,電磁幹擾以什麼速度依靠感應通過空氣傳播。如果這個速度是無窮大的,那麼我們就必須遵循舊的理論;假如它與光速相等,那我們就必須接受麥克斯韋的理論。”赫茲最初的實驗並沒有提供一個容易的答案。實驗的結果“似乎無可否認地駁斥了舊的電動力學理論”,但是,“又似乎譴責了麥克斯韋的理論”。在1899年的著作中,彭加勒說,“這個失敗仍然不能獲得令人滿意的解釋”。他推測,赫茲用了一麵“對於波長來說過於小的”反射鏡,所以,“折射反而擾亂了所觀察的現象”。無論怎樣,後來的實驗(首先是薩拉森和德拉裏夫進行的實驗)無可辯駁地證明,麥克斯韋的理論是正確的。這標誌著以遠距離瞬時作用為基礎的理論的終結,並且表明,人們開始普遍接受麥克斯韋範式中場的理論,以及與光速相等的有限的傳播速度。因此,法拉第-麥克斯韋理論上的革命轉變成為法拉第-麥克斯韋-赫茲科學中的革命。

對這次革命的證明

在1888年,赫茲把他關於電波的實驗的最後結果通知了亥姆霍茲。在這一年所作的一個演講中,亥姆霍茲(1907,3)談到“法拉第-麥克斯韋的思想”在理論物理學(“以太的理論物理學”)中所引起的一場“完全的革命”(einevollstandigeUmwalzung)。然後,亥姆霍茲(p.4)用類似庫恩的語言,討論了電學理論很可能要首先經曆的“危機”(“eineKrisis,dieerstdurchgemachtwerdenmuss”)。但是,亥姆霍茲所說的“危機”和“革命”與庫恩所說的“危機”和“革命”之間的區別在於,亥姆霍茲似乎已經看到了從“革命”中出現的“危機”,而且所處的條件也與從前不同了。