物理学的发展过程与特点(5)

　　4.3电磁学（19世纪完成规律体系的建立）
　　
　　电磁学研究的是电磁场的产生及其传播规律。从电磁场产生及在空间传播的角度，所形成的根本规律是麦克斯韦方程组。从有限电路应用角度，其基本规律是欧姆定律和基尔霍夫第一、第二定律。
　　
　　电磁学是19世纪完成规律体系的建立。从历史的发展角度，电磁学理论形成的先后顺序是库伦定律、毕奥-萨伐尔定律、安培定律、法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程组。电路规律形成的先后顺序是欧姆定律、基尔霍夫定律。
　　
　　4.3.1静电与静磁
　　
　　人类有关电磁现象的观测可追溯到公元前585年。希腊哲学家泰勒斯记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体，以及天然矿石吸引磁铁现象。在此后的2000多年中，人们对电磁现象陆续进行观测和总结。1600年英国伊丽莎白女王的御医吉尔伯特系统总结磁现象、1729年英国的格雷发现感应起电方法、1745年荷兰的穆欣布罗克发明莱顿瓶、1747年美国富兰克林研究雷电现象并统一天地电、1766年英国普里斯特利提出电吸引力与距离成反比的设想、1769年苏格兰罗比生进行第一次电力测量、1773英国卡文迪许实验验证普利斯特利预言等众多科学家等对电磁现象进行了观测和实验研究。
　　
　　在1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应实验之前，静电和静磁的研究是彼此独立发展的，认为物质的磁现象和电现象原理是相同的，即电荷产生电场，磁荷产生磁场（磁荷观点）。1785年，法国物理学家库仑通过实验总结出了两个静止点电荷之间的相互作用力规律，即库仑定律。按照磁荷观点，库仑定律同样适合两个静止点磁荷间的相互作用力的规律。但是，在奥斯特的电流磁效应实验之后，磁荷观点被放弃，由法国物理学家安培提出的磁效应的分子环流假说所取代。
　　
　　4.3.2运动的电荷产生的稳恒磁场
　　
　　1800年意大利物理学家伏打发明了伏打电堆，使获得持续、相对稳定的电流成为可能。1820年7月，丹麦物理学家奥斯特通过实验发现电流（运动的电荷）可以对磁铁施加作用力，即电流的磁效应。奥斯特的实验工作首次揭示了电磁现象的内在联系，即，电可以产生磁。这一实验发现从根本上改变了此前人们认为电和磁是彼此无关的认识。
　　
　　电流的磁效应导致静磁学的两个问题，一个是磁场的起源问题，即电流产生的磁场规律，二是磁场的性质问题，即磁场对电流的作用力规律。通过法国的安培、毕奥、萨伐尔、拉普拉斯等人的共同努力圆满地解决了这两个问题。
　　
　　1820年10月，法国的毕奥和萨伐尔公布了载流长直导线对磁针的作用力实验，给出了载流长直导线产生的磁场与电流强度和距离的关系，经过法国数学家拉普拉斯从数学上证明，最终给出了电流产生磁场规律的表达式，即，毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律。教材和文献中经常称为毕奥-萨伐尔定律。
　　
　　1820年12月，法国物理学家安培基于4个巧妙的实验和作用力方向假设公布了他的研究成果，给出了两个电流元之间的相互作用公式，即安培定律，或安培力公式。1892年荷兰物理学家洛伦兹所总结的洛伦兹公式是单个运动电荷在磁场中受力公式的普遍表达式。结合毕奥-萨伐尔的电流产生磁场规律和安培定律，二者联合起来，就给出了电流产生的磁场、以及其他电流在磁场中的受力规律，从而圆满地解决了磁场的起源和磁场的性质两个问题。安培还提出任何磁场都是由分子环流所产生的微观机制，即磁效应的分子环流假说，取代了以往的磁荷观点。
　　
　　4.3.3变化的磁场产生的电场
　　
　　既然电能够产生磁，反过来磁是否也能产生电？英国物理学家法拉第通过圆环实验，于1831年第一次观察到由变化的电流所产生电磁感应现象，给出了法拉第电磁感应定律，并提出了力线，即场的概念。1834年俄国物理学家楞次给出了判断感应电流方向的另外一种简洁的方法，即楞次定律。
　　
　　4.3.4电磁理论大统一
　　
　　英国物理学家麦克斯韦对已有的电磁现象与规律进行了总结，并提出了“位移电流”和“涡旋电场”的假设。在此基础上，1865年麦克斯韦用数学公式将电磁规律表示出来，建立了麦克斯韦方程组，完成了电磁学的统一理论。引入的“位移电流”和“涡旋电场”也从理论上预言了电磁波的存在，并于1888年被德国赫兹实验所证实，麦克斯韦完成了人类科学史上的第二次总结。
　　
　　德国物理学家欧姆受傅里叶热传导理论研究结果的启发进行电路规律的研究。在1827年发表的《电路的数学研究》中给出了电流、电压和电阻三者之间的关系，即欧姆定律。这是电路的最基本规律。1845年，德国物理学家基尔霍夫提出了用于分析和计算较为复杂电路的基础规律，即基尔霍夫电路定律，包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。
　　
　　4.4光学（18至20世纪初完成规律体系的建立）
　　
　　光学是研究光的传播及光与物质相互作用规律的科学。所形成的基本理论包括几何光学、波动光学（物理光学），以及进一步发展的量子光学、激光物理、非线性光学、信息光学等等。
　　
　　光学是18至20世纪初完成规律体系的建立的。从历史的发展角度，光学理论形成的先后顺序是几何光学、波动光学、量子光学等近代光学。
　　
　　4.4.1几何光学
　　
　　几何光学的早期研究可以追溯到古代。我国战国时期墨翟及弟子所着《墨经》有对光的直线传播、反射等的描述记载。在此后的两千多年的岁月中，人们不断观察和总结光现象与规律。光学的系统研究始于17世纪。1611年，德国物理学家开普勒发现了全反射现象。1621年，1630年分别由荷兰物理学家斯涅尔和法笛卡尔将折射现象的观察结果总结为折射定律。1657年，法国物理学家费马提出了最小时间原理，并以此从理论上证明了反射定律和折射定律。1676年丹麦天文学家罗默根据木星卫蚀的推迟得到光速有限的结论。至此，以光的粒子性为基础的几何光学的基本知识体系建立完成。与此同时，英国物理学家牛顿对光的反射、折射、绕射和色散现象也进行了系统研究。
　　
　　4.4.2波动光学
　　
　　光的本质问题一直是物理学界长久以来探讨的问题。17世纪，出现了很多显示光的波动特性的报告。例如，1665年意大利物理学家格里马第提出的光的衍射现象，1667年英国物理学家胡克研究的薄膜干涉彩色现象，1669年丹麦的巴塞林纳斯发现光通过冰洲石的双折射现象，牛顿本人也做了着名的“牛顿环”实验等等。以牛顿为代表的科学家认为光是一种粒子，即光的微粒说。光的微粒说可以在一定程度上解释几何光学现象，但却无法解释光的衍射、干涉和双折射等现象。英国物理学家胡克、荷兰物理学家惠更斯是主张光的波动说的代表。1687年惠更斯提出了子波原理，即惠更斯原理。利用惠更斯原理不但可以解释此前几何光学所能解释的现象，还可以解释光的衍射现象。但由于惠更斯的波动说原理的不完善，以及牛顿在17世纪的巨大影响，使得在18世纪末之前，光的微粒说占据主导地位。 1801年英国物理学家托马斯·杨成功地实现了光的双缝干涉实验，在实验上验证了光的波动说。1816年，法国物理学家菲涅尔在惠更斯的子波思想基础上，提出了惠更斯-菲涅尔原理，成功解释了衍射现象，建立了波动光学的理论基础。至此，光的波动说逐渐被人们认可，并占据了主导地位。
　　
　　4.4.3量子光学
　　
　　1865年，麦克斯韦方程组的建立又将光和电磁现象统一起来，使人们对光的本质的认识又向前迈出了一大步。19世纪末至20世纪初，光学的研究深入到光与物质相互作用的微观机制中。光的电磁学波动理论在解释光和物质相互作用时的某些现象时遇到困难。例如，黑体辐射中的能量按照波长的分布问题，1887年德国物理学家赫兹发现的光电效应问题。为此，人们重新研究光的属性。1900年，德国物理学家普朗克提出辐射的能量量子化假说。这一假说圆满地解决了自1859年以来人们一直探讨的黑体辐射问题。1905年，德国爱因斯坦依据能量量子化假说，提出光能量的量子化假说，即光量子，简称光子。光量子假说成功地解释了1888年的光电效应问题，并被1923年的康普顿效应以及后来的其他实验所验证。
　　
　　随着20世纪中叶量子力学的发展和完善，将物质量子化，光作为经典电磁波，所形成的理论为半经典量子光学，将物质和光均做量子化处理，所形成的理论为全量化光学。视不同的条件，采取相应的半经典量子光学或全量化光学理论处理光与物质相互作用问题。随着人们对物质材料认识的加深，进一形成了激光物理、非线性光学、信息光学等等。
　　
　　4.4.4光的波粒二象性
　　
　　至此，人们一方面通过干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的粒子性。但此时的粒子性较早期几何光学的粒子性的概念是有所区别的，即光不但可以看成是粒子的传播，同时粒子的能量还是量子化的。为了将光的波动性和粒子性的两个完全不同的概念联系起来，1924年法国物理学家德布罗意提出物质波假说，即每一物质的粒子都和一定的波相联系。1926年德国犹太裔物理学家玻恩赋予物质波的概率解释，从而建立了物质波粒二象性的物理图像。1927年的戴维孙和革末的电子束衍射实验证实了德布罗意物质波的假说。