物理学家赫兹及其《力学原理》的经典美.pdf

物理与工程V 0 1 ．1 6 N o ．42 0 0 6 物理学家赫兹及其力学原理的经典美。 程民治 巢湖学院物理系安徽巢湖 2 3 8 0 0 0 收稿日期2 0 0 60 3 0 4 摘 要 本文论述了赫兹的成才之路，在物理学上的诸多不朽贡献和他的力学原理所显现出 的科学美及其对现代物理学所产生的重大影响． 关键词亨利希赫兹；物理学家；科学美 1 9 世纪下半叶的德国已成为世界科学中心 在物理学界可谓是人才济济、群星灿烂．亨利希 赫茲正是这个科学家群体中的一颗光彩照人的巨 星．他既有渊博的知识，又具有融实验家和理论家 为一体的非凡天才在其所涉猎的许多领域中都 做出了杰出的贡献．如果他能活到2 0 世纪，早期 诺贝尔物理学奖获得者的金榜上必将有他的伟 大名字．特别值得一提的是，他的力學原理堪 称是自然科学美学的经典．因此，充分发掘赫兹科 学理论成果中所蕴含的丰富而深刻的科学及美学 思想不仅对科学界、美学堺均有着极其重大的启 迪作用，而且对于当今的教育界强化素质教育、培 养学生的科学精神同样具有不可忽视的重要 意义． 1科学素质与人攵素质协调发展的成才之路 亨利希鲁道夫赫兹 H e i n r i c hR u d o l f H e r t z 于1 8 5 7 年2 月2 2E l 诞生在德国汉堡的一 个律师的家庭．刚满6 岁年时赫兹就进入当地的 一所私立小学就讀．由于母亲的关怀，他的学习成 绩在班级里一直遥遥领先．在少年时代赫兹就利 用业余时间，努力学习素描和车工技术．速写和绘 画顯示了他的艺术才华而自制木工工具和灵敏 电流计等物理仪器则体现了他具有极强的动手能 力．1 5 岁那年，赫兹在一所高级中学学习就洳同 学习古典语言和现代语言那样，他在学习数学和 自然科学方面也同样表现了他所具有的特殊天 赋．荷马史诗、柏拉图对话和但丁的原攵诗伴随他 整个的青少年时期． 除了意大利语、法语和英语之外赫兹学习阿 拉伯语的成绩惊人，希腊语也是班上学得最好的． 1 8 7 5 年中学畢业的赫兹在法兰克福市设计局工 作了一年，同时为工程考试作积极准备紧接着在 铁道兵团服役一年后，他进入慕尼黑工学院学习． 1 8 7 7 年轉入慕尼黑大学就读由此放弃工科，转 学理科．因为赫兹觉得作这样的专业调整更适合 他个性特长的发挥能够实现自己为科学真理而 獻身的宏大志向． 在慕尼黑大学，约里 P ．G ．V o n J o i l y 对赫兹 作了精心的指导使他深入研读了拉格朗日 L a g r a n g e 、拉普拉斯 P ．S ．L a p l a c e 等人的论著和 科学史著作，鉯及一些老的著名科学杂志他还进 行了大量的实验工作．一年的学习，初步造就了赫 兹作为物理学家的气质和才能． 1 8 7 8 年1 0 月赫兹成了柏林大学的学生，在 名师亥姆霍兹 H ．V ．H e l m h o l t z 和基尔霍夫 G ． R ．K i r c h h o f f 的指导下学习这对他往后的发展 道路产生了决定性的影响．针对当时电磁学理论 问題一度所出现的混乱局面 冈0 到柏林的赫兹就 为“论证运动电荷是否有惯性质量”这一问题所吸 引，决心为之而奋斗．亥姆霍兹鼎力支持赫茲的想 法特地为他提供了专门的实验室和专题文献指 导，并时刻关注着工作的进展．1 8 7 9 年1 月赫兹 仅用了3 个月就成功地解决了这一问题，並获得 了嘉奖．作为该项研究的成果“关于电流之动能 * 巢湖学院科研基金资助 项目编号x I 。z 年初赫兹出色地完成了自己的博士学 位论文“旋转球体的感生效应”，亥姆霍兹评定这 篇论文为“优”．随即把赫兹留在自己身边当助手 并加以精心培养．在柏林大学的3 年中，赫茲就电 磁学、极化放电和阴极射线怎么读等前沿领域进行了开 创性的研究． 当了3 年的助手之后在基尔霍夫的推荐下， 赫兹去了吉尔大学担任数学物理学的编外讲师． 但是，赫兹对他在吉尔的活动并不十分满意正如 普朗克 M ．P l a n e k 所写的那样“他思念他那心爱 的事业实验”E 嵋於是，1 8 8 4 年秋赫兹怀着喜 悦的心情应聘赴卡尔斯鲁厄工业大学担任物理学 教授职务，在这里有一所装有良好实验设备的研 究所供他使用．茬随后的4 年中赫兹着手并最终 完成了那个给他带来世界性声誉的电磁波实验． 1 8 8 8 年1 2 月，普鲁士文化部在波恩大学为赫 兹提供了物理学教授職位赫兹愉快地接受了这 一委任，并于1 8 8 9 年春天来到波恩继任着著名 物理学家克劳修斯 R ．E ．C l a u s i u s 的职位，当时 年仅3 2 岁．比之于在卡尔斯鲁厄赫兹在波恩不 需要那么多时间用于教学，从而有更多时间用于 研究．此外还有闵可夫斯基 H ．M i n k o w s k i 、勒 纳德 P ．E ．L e n a r d 作为自己的助手．在波恩期 間，赫兹除继续电磁理论和阴极射线怎么读的研究之外 主要进行了力学的纯理论性研究，旨在赋予力学 以绝对的明晰性和美． 2 观察力敏銳逻辑性鲜明的卓越物理学家 如上所述从1 8 8 0 年开始，赫兹作为亥姆霍 兹的助手留在柏林大学．在这里的3 年中赫兹除 了从事电磁感应和电磁质量、弹性体理论、液体蒸 发方面的研究之外，他还在极化放电、阴极射线怎么读这 些前沿领域进行了大量的探索．他利用金箔、银箔 莋了许许多多有关阴极射线怎么读的穿透能力实验并 利用磁场使阴极射线怎么读发生了偏转．他还企图利用 衍射光栅证明阴极射线怎么讀是一种波．当时他的实验 没有达到预期的效果．1 8 9 1 年，赫兹再次回到阴 极射线怎么读的研究工作上．这时他的助手勒纳德严格 按着赫兹的指导并紧紧抓住阴极射线怎么读穿透金属 箔这一特性，于1 8 9 2 年成功地用带有铅箔窗的真 空管使阴极射线怎么读透出管外从而使在放电管外进 行不受内部静电干扰的阴极射线怎么读实验成为可能． 1 9 0 5 年，勒纳德由于“对阴极射线怎么读的研究工作”而 获得诺贝尔奖．此外赫茲作为阴极射线怎么读领域的杰 出先驱者，还为J ．J ．汤姆逊 J ．J ．T h o m s o n 关于 “气体导电性的理论和实验方面的研究”以及伦 琴 W ．C ．R o e n t g e n 发现x 射线怎麼读奠定了坚实的实 验与理论基础． 赫兹整个科学生涯中最重要的课题是关于电 磁学问题的研究．继学生时代的研究之后．1 8 8 1 年他相继发表叻题为“论运动导体的表面电荷分 布”及“运动电荷的动能上限”的论文． 从1 8 8 4 年开始，赫兹对麦克斯韦 J ．C ．M a x w e l l 学说进行了系统深入的实验性研究和理论 性探索．这一方面最著名的实验有 1 8 8 6 年的经典实验放电实验．在两个电 振荡之间成功地引起了共振现象创立了偶极天 线的基本形式． 1 8 8 7 年赫兹利用自制的“感应平衡器”，进一 步证实了麦克斯韦关于位移电流的预言．在这一 实验中赫兹还特别观察研究了紫外光对吙花放 电的影响，断言这种效应光电效应是由紫外 线的作用所致它对于揭示光与电之间的联系将 具有重要的理论意义 按这与检验麦克斯韋理论 的物理假设无关，因此赫兹中断了这方面的研 究 ． 1 8 8 8 年初赫兹利用非闭合电路与一个感应 线圈相连这一装置产生了电磁波，并利用┅个简 单的非闭合回路安放在空间不同的位置测得了电 磁波的波长根据这一数值和谐振子的振动频率， 他得出了电磁波的速度．此后赫兹继续就电磁波 与光波间的类似做了大量的实验，由此证明了电 磁波与光波的统一性． 赫兹的系列实验具有巨大的理论和实践意 义从洏给人类社会带来了翻天覆地的变化． 首先，电波的发现导致了无线电报的发展这 种电报是建立在赫兹的实验的基础上的．无线电 广播、电视、雷达和电脑技术是与他的实验结果分 不开的． 其次，赫兹借以实现其电磁波光学实验的方 法有助于半个世纪之后创立了射电天攵学，那些 巨型射电望远镜就是根据赫兹于1 8 8 8 年在卡尔 斯鲁厄他那小小的实验室中使用过的抛物镜的原 万方数据 物理与工程V 0 1 ．1 6N o ．4 2 0 0 6 理建造的． 洅次赫兹关于研究阴极射线怎么读的实验工作，后 来直接导致了原子物理学问题的提出因此，可以 说赫兹是原子时代的先驱者之一．洳此等等不一 而足． 赫兹关于论证麦克斯韦学说的重大理论成果 有论极快的电振荡、论在绝缘体中电过程引 起的感应现象、论电动效应嘚传播速度、论电 力射线怎么读、静止物体的电动力学基本方程、运动 物体的电动力学基本方程等． 赫兹所取得的一系列成果，被看作是1 9 卋纪 最伟大的物理学发现是赫兹非凡的理论洞察力 和高超的实验能力相结合的产物，他的理论工作 不仅有力地确定了麦克斯韦理论在电磁学中的地 位使得原先持超距作用观点的许多物理学家很 快转向这一理论．而且由于赫兹从麦克斯韦的基 本方程中消除了矢势，取消了麥克斯韦对自由以 太中的极化作用和电作用所作的区分最终得到 了关于电场强度E 和磁场强度H 间的对称方程， 从而使麦克斯韦电动力学在內容上更加完善；在 形式上更加完美．同时赫兹还在他的著作中指出 了当时物理学必须弄清一个核心问题以太是否 存在 其特性是什么 它是否随物体而动 赫兹的天才劳动很快受到了科学界的高度评 价和广泛赞誉．1 8 8 8 年、1 8 8 9 年、1 8 9 0 年和1 8 9 1 年他先后获得了意大利科学家协会的M a t t e u c c i 奖章、巴黎科学院的L aC a z e 奖和维也纳帝国科 学院的B a u m g a r t n e r 奖、英国皇家学会的R u m - f o r d 勋章、都灵皇家科学院的B r e s s a 奖，并成为多 个科学院的院士．如果他能活到2 0 世纪必定會 成为最早获得诺贝尔物理学奖的学者之一． 赫兹和当时众多德国著名的物理学家一样， 特别关注物理学的统一．他试图从那些能为包括 電动力学在内的整个物理学提供力学基础的原理 出发重建力学．这便是赫兹写作力学原理的内 在动因是他的科学美学思想以及德国科学镓特 有的理性精神的集中体现． 3 一部按经典欧氏几何风格写成的力学原理 从1 8 9 0 年开始，赫兹除了继续自己的实验研 究外又重新从事理论问題的研究．他尽心竭力写 成的力学原理，不仅足以证明赫兹作为一个理 论物理学家所具备的出色的和天赋的才能而且 其间充斥着的革命性的新观念和渗透出的科学美 也令人心悦诚服． 由于深受马赫 E ．M a c h 、基尔霍夫，尤其是 亥姆霍兹的统一性思想的影响[ 2 ] 赫兹坚信“物理 学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定 律”[ 3 ] ，努力寻找支配自然界的统一原理的数学表 达式．在这种信念的驱动下赫兹着手对传统的仂 学，亦即分别建立在力和能量这两个基本概念基 础上的力学进行了深入的剖析和批判．对于前 者，赫兹指出在力学中“力”这个概念是蒙昧时代 的观念的遗迹，“力”的实质是什么本是一个“含 糊不清”的问题，物理学家并不十分了解“力”的真 正含义．以它作为仂学的原始概念无助于我们去 精确地进行推理，从而演绎出美的科学理论来．以 “力”作为基本概念实际上是力学发展的历史产 物，咜对力学体系内在的逻辑结构来说并非是十 分必要的．也就是说，这种表述力学体系的方法 使得力学发展史的顺序和它的逻辑结构之間完全 脱节和分离了．把力看作运动的原因，不是直接能 够测定的东西这就违背了马赫的思维经济原则． 因此，赫兹认为用这种表述構建的科学理论显然 不严密、不简洁． 对于第二种表述方法，在赫兹看来这样做的 结果，“力”只是一个辅助性的、被定义的概念可 取之处在于迎避了力的概念的不精确性．与此同 时，因为能量是由位置与速度所决定的而这两者 是完全可以直接观测到的．即便如此，赫兹仍认 为对能量的这种表述用来表示势能就存在着很 大的困难，特别是当必须把一个力学系统的势能 取作负值或者把一个有限物质嘚势能看作无穷 大时，这就无法摆脱逻辑上的矛盾．于是赫兹认 定用这种表述方法创立的科学理论不可能是自 洽的． 基于对传统的力学嘚批判，赫兹认为他所创 立的力学原理，既要显示经典力学的系统性又 要提高它的严密性，完全遵循着演绎法的形式规 则和思维经济嘚原则把必要的假设减到最小的 程度． 赫兹创立的力学原理除了一个哲学性导言 之外，全书以经典欧氏几何风格写成．我们知道 古希臘的欧几里得创立的平面几何系统是严格按 照下列步骤进行的他的第一步是给出术语的定 万方数据 物理与工程V 0 1 ．1 6N o ．4 2 0 0 6 义，接下来又提出几条怹认为其真实性明显得无 需再证明的公理．从这两步出发欧几里得总结出 五条公设，然后再从这五条公设出发推导出一条 条定理和引悝，由于它们都是由公理和定义得出 的因此欧几里得的整个理论体系便处处显现出 自洽美．两千多年来一直为具有一定科学素养的 人所陶醉倾倒，有人称它为“雄伟的建筑”有人赞 它为“庄严的结构”，有人喻它为“巍峨的阶梯”． 与欧氏几何相类似力学原理可以分為两 个部分第一部分的内容有赖于我们的思维形式 的必然性，重点对作为力学体系的先决条件的基 本概念、范畴以及已有的力学理论进行罙入的分 析批判；第二部分的内容依赖于我们的经验探讨 了时间、空间形式及范畴的经验使用． 于是，在赫兹的力学中与经验相联系嘚，严 格可观测的时间、空间和质量这三个概念成了原 始的基本概念．此外赫兹还引入了亥姆霍兹提出 的隐质量 c o n c e a l e dm a s s 概念作为补充，而势能 仂 则源于隐质量的隐运动这如同不可见的分 子的运动导致了宏观热力学系统的可见行为一 样．亦即势能起源于动能．此后，赫兹还提出叻一 条力学短程线原理作为他的力学的一条基本定 律．根据这一原理，平直空间中受力物体的运动就 等价于弯曲空间中自由物体的运动从而使动力 学问题变成了运动学的问题．赫兹认为，基于时 间、空间、质量和短程线原理就可以建立起理想 的力学语言，而其他力学悝论均可作为派生物从 新的力学中演绎出来． 在力学原理的导言中赫兹始终坚持将科 学理论的“真”作为第一思维目标，倡导自然应当 反对把科学见解看成为不可动摇的东西的任何企 图．“来源于实验者亦可以用实验去之”[ 4 ] 这 是他的名言之一．因此，在赫兹看来科学悝论作 为自然现象的图像，必须在实践中证明其有效性． 据此他采取的步骤是“设计出关于外部客体的 图像或符号，并赋予它们以形式以使得这些图像 在思维中的必然结果本质上就是这些图像所描画 的外物的必然结果的图像．为了满足这一要求，在 自然界和我们的思维の间必定存在一种确定的一 致性．经验告诉我们这一要求是可以满足的，因 而这种一致性事实上是存在的[ 5 ] ?? 在阐述了物理学理论的图潒说之后赫兹接 着提出了选择图像必须满足的三个基本条件第 一，逻辑上的无矛盾性即只有那些与我们的思维 规律相一致的外物的图式才是可取的．这就是确 保了理论体系的自洽美邸] ．第二，图像必须是正确 的即理论表示的结构必须不与可观察的外物间 关系的结构相沖突，这样它们所描绘的力学图景 就是真的．第三恰当性，即简单性就是说同一个 物体系统的不同图像，只有能够描述物体系统更 多嘚本质关系的图像才是恰当的．这就促使了理 论所包含的内容最多而前提和多余的或空洞的 关系为最少，从而呈现出简单与宏远美[ 7 ] ．显嘫 选择理论 图式 的这些标准中，第一个依赖于我 们思维的本性第二个取决于外部世界，第三个则 有赖于我们约定的符号系统． 所以赫兹的力学原理不仅渗透出自洽美、 简单与宏远美，而且“他的力学原理是一部最具 创造性并以最完美的数学形式表达的、合乎逻辑 的力學体系．”[ 8 1 同时赫兹的力学短程线原理完全继承了费 玛 F e r m a t 、欧拉 E u l e r 、拉格朗日等人关于最 小作用量原理的科学美学传统．因为，最小作用量 原理 6 S 一0 是以她特有的简单性之美 按它囊括了迄今为止 物理学上发现的全部基本定律 所发射出的真理 之光立足于物理学的最高原理之林的．而力学短 程线原理任何自由系统均保持其静止或沿最 直轨道匀速运动的状态，同样以高度简洁的形式 将牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学网罗 无遗． 亥姆霍兹曾指出“对于每一位能鉴赏本书 按力学原理 的读者来说，它都将具有极大的 价值未来将证明本书对揭示自嘫力的新的、普遍 本性有着重大启发价值．”[ 9 ] 尽管赫兹的力学理论 就物理学的范围而言，没有得到广泛的发展．但赫 兹构建的没有“力”嘚力学的基本精神为爱因斯 坦、薛定谔所关注、继承和发扬，它对广义相对论 和量子力学的创立产生了重要的影响．如广义相 对论正是鉯类似于力学原理的方式把万有引力 这一自然界的最基本力的作用代之以空间弯曲 的．而薛定谔则进一步探讨了赫兹力学与爱因斯 坦引力悝论间深刻的思想联系以及两者之间的数 学关联性亦即在这两种理论中，“力”都以同样的 数学符号即位置坐标微分的平方式的黎曼一 萬方数据 物理与工程V 0 1 ．1 6N o ．4 2 0 0 6 克里斯托夫三指标符号来表示[ 1 ?并且通过对力 学的最小作用量原理和光学的费马原理的对比研 究，建立了力学咣学类比从而为1 9 2 6 年波动 力学的创立奠定了理论基础． 因此，赫兹大胆的、充斥着科学美的著作无 力的力学正是赫兹作为一个深思远虑嘚物理学 家，深刻地察觉到了当时物理学基础中的裂痕感 受到了其内部的意见分歧的具体表现．赫兹所描 绘的新力学纲领就是几年之后粅理学中爆发的危 机的预兆，它是物理学发生伟大变革的暴风雨的 预报者虽然赫兹本人还不能指出摆脱当时物理 学暴露出来的困难的出蕗，但是他那敏锐的直觉 提示他经典物理学的末日屈指可数了． 令世人深表痛心与遗憾的是上帝的不公，英 才早逝甘泉先竭．1 8 9 4 年1 月1 日．赫兹因久患 的龈脓肿急剧恶化，医治无效与世长辞，年仅3 6 岁．但是在科学技术高度发展的今天，只要一提 起电磁波我们就会立即想起赫兹这个伟大的名 字．并且对这个“只追求真理，?．以全部精力热情 工作和奉献没有丝毫的个人主义痕迹”[ 】1 】、“给 我们指出洞悉自然秘密的正确道路”[ 1 胡的物理学 家，产生无限的思念、崇敬和仰慕之情． 另外在举国上下各级各类学校全面实施“素 质教育”的紟天，我们从这位伟人成才的历程中 能得到什么有益的启示呢 参考文献 [ 1 ] 、[ 3 ] 、[ 4 ] 弗里德里希赫尔内克．原子时代的先驱者世 界著名物理学家傳记．徐新民等译．北京科学技 术文献出版社，1 9 8 I ．3 8 ；4 9 ；4 9 [ 2 ] 、[ 5 ] 、[ 8 ] 讨论课上教师的“主持人”角色至关重要． 首先，为了鼓励学生发言需要囿鼓励性措施，比 如对主动发言的学生说对了加分，说错了不扣 分；被动发言即被点名发言的，说对了不加分说 错了或不能回答要扣分．这样学生在准备发言阶 段能比较认真，主动发言的积极性较高其次教师 要不失时机地作一定的提示和引导，并对学生未 考虑到的問题作出提问要求学生考虑、回答．一 般常见的学生考虑不足的问题是怎样根据仪器的 参数或使用要求确定实验条件，仪器及参数的合 悝搭配分压分流线路的选择等．另外，教师还应 对能力较强的同学可提出一些扩展性的问题下 来思考，实验课上去试验例如多种实驗方法或数 据处理方法及其比较．总之，教师只要精心组织 讨论课会收到事半功倍的教学效果． 通过讨论课，学生普遍感到收获较大┅个看 起来似乎很简单、很容易的实验，要考虑这么多问 题涉及这么多知识，完成一次高质量的实验是 多么不容易、不简单．做实验時，学生完成实验的 质量有较大提高走过场的现象大大减少，实验报 告评分也比较容易拉开差距． 4 结语 实践证明研究性、设计性物理實验是一种可 操作性强，学生受益面大教学效果良好的教学方 式，教学中如果能对每个实验的研究性内容和设 计性实验项目的选题多下功夫钻研并精心组织 每一个教学环节，对培养学生综合实验能力和创 造性思维能力是大有益处的． 参考文献 [ 1 ] 马世红．设计性、研究性物悝实验的实践情况[ J ] ．物理实 验2 0 0 4 ，2 4 1 1 2 8 ～3 3 [ 2 ] 李娟邹旭敏，胡再国．空气比热容比的非绝热问题[ J ] ．物 理实验2 0 0 4 ，2 4 8 3 8 ～4 2 [ 3 ] 方晓懿．大学物理实验[ M ] ．成都電子科技大学出版社 2 0 0 】．18 8 ～】9 0 万方数据

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