倫福德提出“熱是一種運動形式”
熱質說支持著18世紀後期的熱學,但它有一個弱點,即人們不能肯定熱質是否也和其他物質一樣具有質量。致力於推翻熱的物質說的第一個物理學家是本傑明·湯姆遜(Benjamin Thomp—son Rumford),即倫福德伯爵。1753年他出生於美國馬薩諸塞州的北沃本恩。1790年被巴伐利亞選帝候封為倫福德伯爵。1814年在法國逝世。
1798年,倫福德在慕尼黑一家兵工廠監督大炮鑽孔工作。一個偶然的機會,他發現被加工的黃銅炮身在短時間內得到了相當多的熱量,而被刀具刮削下來的金屬屑的溫度更高,超過了水的沸點。按照熱質說,這些發出來的熱量來自物質內部包含的熱質。可是從青銅中跑出來的熱質太多了,全部加起來甚至可以把它本身熔化,這顯然是熱質說無法說明的。為了尋求熱的來源和對它的本質做出解釋,他做了一係列的測定實驗。他將金屬柱和鑽削裝置全部浸在水中,用一個鈍鑽頭與炮筒摩擦生熱,使一定量的水的溫度升高。結果在1小時內使水的溫度升到107,到了15小時水溫升到142,到了25小時,就使水沸騰了。倫福德對銅屑的比熱作了精確的測定,結果發現銅屑的比熱與一般炮筒的比熱沒有什麼區別。他從摩擦產生的熱顯然是取之不盡的事實推斷出熱不是物質,而是來自物質的運動的理論。1798年1月25日,他向皇家學會作了報告,結論是:摩擦產生的熱是無窮無盡的,與外部絕熱的物體不可能無窮無盡地提供熱物質,熱隻能認為是一種運動形式。
倫福德的報告引起了巨大反響,無疑是對熱質說的一個沉重打擊。但由於他的測量有明顯誤差,沒有測量實驗中熱量的損失,也沒有提出一個建設性的學說來取代熱質說,他的願望沒有實現。直到19世紀40年代末,由於能量守恒定律的確立,熱動說才獲得了最後的勝利。直到今天,人們才形成正確概念:熱是大量分子的無規則運動。
塞曼提出塞曼效應
塞曼(Pieter Zeeman)是荷蘭著名的實驗物理學家、“塞曼效應”的發現者,1865年5月25日出生於荷蘭澤蘭省斯科威島的小村莊宗內邁爾—名路德教教長的家裏。
1896年8月,塞曼在用半徑為10英寸(1英寸=254厘米)的凹形羅蘭光柵觀察強磁場中鈉火焰的光譜時,發現在垂直於磁場方向黃色D線變寬。10月,他在平行於磁場方向同樣觀察到這種現象,另外,吸收光譜的情況與此類似。爾後塞曼使用了比鈉D線更細的由鎘產生的深綠譜線,加大了磁場(由幾千高斯到幾萬高斯),提高了探測的精度,證實光譜線不是單純地增寬,而是如洛倫茲所預言的分裂為兩條或三條分線,且各分線是偏振的。這種光源在強磁場中譜線分裂成二、三條偏振化分線的現象,稱為“塞曼效應”。
“塞曼效應”是探索原子內部精細結構和各組成部分性質的有用工具。利用它可算出電子的磁矩,可算出原子的角動量從而確定原子的能級。它對泡利不相容原理的提出和電子自旋的發現均起過重大作用。它與量子力學原理完全符合,成為量子力學的重要實驗證明。它為研究電子順磁共振現象和原子核性質(核能態、核磁矩等)提供了一種有效的手段。“塞曼效應”還可用來測量等離子體的磁場,並可將它與用磁探針法測得的結果相比較。在天文學中,應用它來測量太陽和其他恒星表麵的磁場。
為表彰塞曼和他的老師——經典電子論的創立者——洛倫茲在研究磁場對光的效應領域所做出的卓越貢獻,瑞典皇家科學院給他們頒發了1902年諾貝爾物理學獎。
非歐幾何誕生
1826年2月12日,非歐幾何誕生。
自歐幾裏德(Euclid)的《幾何原本》誕生以後,《幾何原本》中的第五公設就引起了人們的廣泛注意。人們發現這一公設並不是那麼簡單、自明,於是便出現了試圖證明這一公設的嚐試,導致了長時間不能解決的難題——“第五公設”問題。
在試證這一公設的過程中,許多數學家設法正麵找出證明的根據,但都以失敗而告終。之後又出現了反證法的嚐試,這一嚐試具有極其深刻的意義,但由於這些數學家沒有突破對時空觀的限製,從而沒有獲得非歐幾何的發明權。
19世紀20~30年代,俄國年輕的數學家羅巴切夫斯基(1792~1856)在前人工作基礎上提出了與眾不同的觀點。他認為第五公設與其他幾何公理相互獨立,除歐幾裏德幾何外,還有另外的幾何係統存在。於是,羅巴切夫斯基把第五公設的相反命題同其他公理放在一起,構成一個新的幾何公理係統,由此邏輯地推出非歐幾何。
事實上,匈牙利數學家波爾約(JBolyai)和德國數學家高斯(CFGauss)都獨立地發現了非歐幾何。波爾約因為在發表其研究成果後得不到任何人的支持而放棄研究數學,高斯則害怕愚人的喊叫而終生不敢公開這一結果。唯有羅巴切夫斯基始終堅持自己的觀點,並決然發表自己的成果,體現出一往無前追求真理的勇氣。
非歐幾何的產生,引起了數學觀念的革命性變化,導致了自然科學與哲學中重大原則的變革,是數學發展史上的一座裏程碑。