《人類科學技術(shù)史-214》十六、十七世紀熱學、磁學和聲學

十六、十七世紀熱學、磁學和聲學
1.熱學 （1）對熱現(xiàn)象的研究

近代前期，對熱學的研究尚處于起步階段。

關(guān)于熱的本質(zhì)，還存在著不同的看法。弗朗西斯.培根在其1620年出版的《新工具》一書中，認為熱是一種運動。而差不多與他同時代的法國學者卡桑狄(1592-1655年）則指出，熱是由特殊種類的原子組成的。

這種分歧在一定程度上是對熱的傳統(tǒng)認識上的差異的延續(xù)。柏拉圖曾強調(diào)熱是一種運動，而亞里士多德關(guān)于火的概念則認為，火是四種物質(zhì)元素之一。而在近代初期，人們也還很少明確區(qū)分熱和火。

然而，用實驗方法研究熱現(xiàn)象的過程也已開始。如關(guān)于熱的幅射問題，意大利學者波塔在1589年就已認為，凹鏡能夠反射熱、冷、光和聲。他描述了這樣一種情況：在鏡前放一支點燃的蠟燭，當眼睛位于共軛焦點時，眼睛能感覺到蠟燭發(fā)出的熱和光；而如果把雪放在蠟燭的位置上，冷也會被反射。

弗朗西斯.培根曾經(jīng)作過用取火鏡來聚焦看不見的熱的實驗，發(fā)熱體是被加熱的鐵、石頭或沸水。

到17世紀下半期，玻意耳、胡克、馬略特等著名學者把熱學研究向前推進了一大步。

（2）溫度計

隨著對熱現(xiàn)象研究的展開，出現(xiàn)了測試溫度的儀器。一般認為，近代第一個溫度計，是伽利略根據(jù)空氣受熱膨脹的原理制作出來的。伽利略的學生維維安尼認為，伽利略約在1592年就已發(fā)明了這種測量冷熱程度的儀器。伽利略的朋友卡斯特利，也曾詳細地描述了他在1603年目睹的伽利略使用溫度計檢測冷熱程度的演示。這種溫度計是一根下端開口、上端為一球泡的細玻璃管。伽利略先將玻璃泡加熱，然后將開口的一端浸入水中。隨著玻璃泡溫度的下降，泡中的空氣收縮，玻璃管中的水上升到容器內(nèi)的水面以上。玻璃管上標有刻度以顯示冷熱的程度。

這種溫度計后來由伽利略的朋友、帕多瓦大學的醫(yī)學教授圣托里奧加以改進后用于測量人體溫度。弗朗西斯.培根在《新工具》中，也描述了一種和伽利略的測溫計類似的儀器。這種空氣溫度計的缺點，是受空氣壓力變化影響而不很精確，但在17世紀上半期是被廣泛采用的。

1632年，法國醫(yī)生讓.萊伊首先提到了液體溫度計。他提出，可以把伽利略的測溫計倒過來用，即在玻璃泡中裝滿水，把它放在發(fā)燒病人的手中，水受熱膨脹而在玻璃管中上升，以此來顯示溫度的高低。但他很可能沒有把玻璃管開口的上端封死，而管子若是開口的，水的蒸發(fā)就會影響測量的可靠性。

約在17世紀40-50年代，托斯卡納大公斐迪南二世實現(xiàn)了液體溫度計的一個重大改進。他用染色的酒精代替水作為測溫液體，并把玻璃管密封。其刻度是用細小的玻璃珠直接制在玻璃管上的。這種溫度計制作時在玻璃泡的大小、玻璃管口徑、酒精的量這三者關(guān)系上都保持一致，因而它們顯示的刻度也都基本一致。

此后，玻意耳、胡克、惠更斯、哈雷、牛頓以及其他不少科學家，都曾為確定溫度計的定點而提出過方案。但溫度計趨于完善已是18世紀的事了。

2.磁學 （1）吉爾伯特的實驗與發(fā)現(xiàn)

1558年，中世紀法國學者帕雷格倫納斯(生卒年不詳）寫于1269年的《關(guān)于磁石的書信》的手稿發(fā)表了。帕雷格倫納斯詳細介紹了作為航海儀器的羅盤，描述了磁石的性質(zhì)，討論了磁石兩極的確定、磁極的相互作用、接觸引起的磁化以及磁感應等問題，還推測磁力可以轉(zhuǎn)化為動能。帕雷格倫納斯的作品問世說明了近代初期人們對磁的現(xiàn)象的興趣增長，同時也促進了磁學研究。

1600年，近代磁學的奠基人、英國物理學家威廉.吉爾伯特(1544-1603年）所著《論磁石、磁性物體和大磁體地球》一書出版。吉爾伯特曾在劍橋大學學醫(yī)，1569年獲得醫(yī)學博士學位，后來在倫敦行醫(yī)，1600年成為伊麗莎白一世女王的御醫(yī)。但吉爾伯特的主要興趣和成就不是在醫(yī)學方面，而集中于磁和電的研究。他的著作總結(jié)了自己多年工作的成果，其中包括對自己所做的600多個實驗的介紹。

吉爾伯特發(fā)現(xiàn)，磁體永遠有兩個極：北極和南極，在分割磁體時，也永遠不會得到只有一個磁極的磁體；同名的磁極相互排斥，異名的磁極相互吸引；在磁體影響下，鐵制物品可以獲得磁性；如果在天然磁石兩極包上鐵，能夠使其磁性顯著增強。

吉爾伯特最重要的科學貢獻，是發(fā)現(xiàn)了地球本身是一個巨大的磁體。他的這一結(jié)論是從實驗中導出的。他用一個球形磁石和一根羅盤用指針做了這個實驗，把指針放在球形磁石的表面，按指針所指的方向在球形磁石表面畫出一條環(huán)形線。然后相繼改變指針在球面上的位置，每次都得到一條環(huán)形線。

所有的環(huán)形線都通過球形磁石上兩個相對應的點，這兩個點就是磁石的兩極。吉爾伯特發(fā)現(xiàn)，在移動指針時，它對于球形磁石表面的傾角隨著它與兩極在距離的變化而變化。這使他聯(lián)想起磁傾針在地球不同緯度上傾斜度的變化。在此之前，已有人注意到了磁傾角的問題，如德國牧師哈特曼在1544年發(fā)現(xiàn)了磁化針對于水平面的傾角；英國學者諾曼在1576年用自己制作的磁傾針在倫敦測量了磁傾角，并得出其值為71°50′。吉爾伯特認為，球形磁石的磁性對應于地球的磁性，即地球就是一個巨大的球形磁體，而他用于實驗的球形磁石就是一個微形地球。他還猜想，其他天體，特別是太陽和月亮，也象地球一樣具有磁性。這個觀點后來被刻卜勒接受和發(fā)展了。

吉爾伯特的實驗和研究還發(fā)展了有關(guān)電的知識。在他之前，人們對電的認識基本上停留在古希臘哲學家泰勒斯所描述的琥珀經(jīng)摩擦會產(chǎn)生電的水平上。吉爾伯特設(shè)計制作了一臺驗電器，由一個尖頂支樞支承一根能夠靈活轉(zhuǎn)動的指針。他把鉆石、寶石、玻璃、水晶、硫磺、樹脂等各種物體摩擦后靠近指針，看指針是否被吸引向這些物體。通過這樣的實驗，他得出結(jié)論：琥珀的性質(zhì)是許多其他物質(zhì)共有的。他把這些物質(zhì)稱為"帶電體"，而把金屬物質(zhì)列為"非帶電體"的主要項目。他當時還不知道，金屬這類導電物質(zhì)在摩擦時產(chǎn)生的電荷會很快失去。

在吉爾伯特之后，對磁和電的現(xiàn)象的研究進展緩慢，很長時間內(nèi)沒有多少新的發(fā)現(xiàn)。

（2）其他磁學著作

和吉爾伯特同時代的巴洛(-1650年）是英國索爾茲伯里的副主教，也熱衷于對磁的研究。他在1613年出版了《磁的廣告》一書，其中最主要的內(nèi)容，是改進了勵磁方法和安裝羅盤指針的方法，并區(qū)分了鐵的磁性質(zhì)和鋼的磁性質(zhì)。

17世紀上半期，還出現(xiàn)了一些介紹利用磁作為治療疾病和創(chuàng)傷辦法的書，如比利時醫(yī)生赫爾蒙特(1577-1614年）的《磁學論》、德國耶穌會教士阿撒納修斯.基歇爾(1601-1680年）的《磁石，或論勵磁的方法》等均以此為主題。但基歇爾的書中也提到了一些有意思的實驗和見解。他曾用天平來衡量磁石的磁力，還用磁的作用解釋了自然界的一些現(xiàn)象，如鳥類的飛行等。

1629年，意大利耶穌會教士卡貝奧也寫了一本名為《磁的哲學》的書，其中特別注意到了鐵的磁化。

3.聲學 （1）伽利略和梅森：振動與音調(diào)

近代對聲學的研究也始自伽利略。他對擺的振蕩定律的發(fā)現(xiàn)，引起了他對弦的振動以及和應振動現(xiàn)象的注意。他做了這樣一個實驗：用一塊薄鐵片在一塊黃銅板上以不同速度來回劃動，每當產(chǎn)生一個清晰的律音時，就記下銅板上留下的一條條等距離線痕的數(shù)量。劃動的速度較快時，獲得的律音較高，銅板上留下的線痕數(shù)目較多且間距較小；而劃動速度較慢時，獲得的律音較低，線痕的數(shù)量較少而間距較大。通過這樣一個簡單的實驗，伽利略首先指出，振動頻率是決定任何發(fā)聲體所產(chǎn)生的律音音調(diào)的主要因素。

法國學者梅森(1588-1648年）也做了很多實驗，研究弦的振動。他確定了一個律音的音調(diào)與產(chǎn)生該音的給定材料的弦的長度、粗細和張力之間的關(guān)系。他對用金、銀、銅、黃銅、鐵制成的弦作了比較，發(fā)現(xiàn)當弦的長度、粗細和張力都相等時，產(chǎn)生的音調(diào)和金屬的比重成反比。

（2）卡桑狄：聲音的速度

關(guān)于聲音的速度問題，在17世紀上半期引起了學者們的注意。亞里士多德曾認為，在空氣中，高音的傳播速度比低音快。但卡桑狄(1592-1655)認為，這個結(jié)論是不正確的。他做了一個實驗，讓一門炮和一支槍朝某個方向射擊，讓一些人在一定的位置上注意射擊的閃光和聲音。他測量了他們從看到閃光到聽到聲音之間的時間間隔，然后把從他們到發(fā)射地點之間的距離除以這個時間，從而得出了聲音的速度。實驗和計算結(jié)果表明，炮和槍的射擊所產(chǎn)生的聲音的速度是一樣的。由于當時條件的限制，他得出的聲音在空氣中的速度與實際音速比較高出了不少。而在有關(guān)風向是否影響聲音速度的問題上，他錯誤地認為不論風向如何，聲音的速度都是一樣的。這一看法直到18世紀初才得到糾正。