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发信人: Rg (RedGardenia), 信区: Physics
标  题: 机械观的衰落（1）
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年12月01日20:29:09 星期天), 站内信件

机械观的衰落（1）

两种电流体——磁流体

两种电流体

　　下面是关于几种简单实验的一个枯燥无味的报告。报告之所
以令人厌烦，不单是因为描写一个实验总不如做实验那样有趣，
同时还因为在未阐明理论之前它的意义还是不明显的。我们的目
的在于供给一个鲜明的例子以表明理论在物理学中的作用。
　　１．把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线
连接在验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个很简单的仪
器，它主要是由悬挂在一根短短的金属棒的头上的两片金箔所组
成的，注意使金属棒只跟非金属，即所谓绝缘体接触。除了验电
器和金属棒之外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块法兰绒。
　　实验进行如下：先察看一下两片金箔是否合在一起，因为这
是它们的正常位置。万一它们没有合拢，那么用手指接触一下金
属棒，让它们合起来。做了这些初步准备以后，用法兰绒用力摩
擦橡皮棒，再使它接触金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡
皮棒移开以后，它们还是分开的（图２３）。
 
　　２．我们再做另外一个实验。它所用的器具和以前一样，开
始实验时金箔仍然要合在一起。这次我们不使橡皮棒接触金属
棒，而只放在金属棒附近，验电器的金箔又重新分开，但是这次
的分开有点不同了，当橡皮棒（它完全没有接触金属）移开后，
金箔不继续分开，而是立即合拢，恢复到原来的位置。
　　３．我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验，假定金属
棒是由两节连接起来的。我们用法兰绒把橡皮棒摩擦过以后，再
把它接近金属棒，同样的现象又产生了——金箔分开了。但是现
在先把金属棒的两节分开，然后才把橡皮棒移开。我们发现，在
这个情况中金箔仍旧分开，而不像在第二个实验中那样恢复原来
的位置（图２４）。
 
　　这些最简单实验很难引起热烈的兴趣。在中世纪，做这些实
验的人也许已经受过非难了，对我们来说，这些实验看来是枯燥
和不合理的。把上面的实验报告读了一次以后，再要重述一遍而
不至条理不清，恐怕都不是容易的事。有了一些理论观念，就可
以帮助我们了解它们的意义。我们甚至可以进一步说，这样的实
验绝不会是偶然做着好玩的，一定预先已经多多少少知道了它们
的意义。
　　现在我们把一个非常简单和朴素的理论的基本观念说出来，
这个理论能说明上面的各种事实。
　　有两种电流体，一种叫作正的（＋），而另一种叫作负的
（－）。它们在过去表述过的意义上跟物质是很相似的，因为它
们的数量既可以增加，也可以减少，而在任一个封闭系统里其总
量是守恒的。但是电的情况跟热、物质或能之间有一个重要的差
别。电的物质有两种。除非作出某些概括，这里就不能应用以前
所作的钱的比拟了。如果物体正的电流体和负的电流体完全相互
抵消，这个物体就是电中性的。一个人若一无所有，可能是因为
他确实一无所有，也可能是因为他放在保险柜里的钱的总数恰恰
等于他负债的总数。我们可以把正负电流体比作是帐簿中的借项
和贷项。
　　这个理论的第二个假定是，同类的两种电流体互相推斥，而
异类的两种电流体互相吸引。这可以用图来表达，如图２５所示。
 
　　最后还必须有一个理论上的假定：物体有两类，电流体可以
在物体中自由运动的一类叫做导体，电流体不能在物体中自由运
动的一类叫做绝缘体。物体的这种分类不能认为是很严格的，理
想导体和理想绝缘体都是永远不能实现的一种假设。金属、地面、
人体都是导体的例子，但是它们的传导程度并不相同。玻璃、橡
皮、磁器之类都是绝缘体。空气只有局部的绝缘作用，这是看见
过上述实验的人都知道的。静电实验的效果不好，通常都归因于
空气的湿度，因为空气的湿度大了，会增加它的导电性。
　　这些理论性假定已经足以解释上面的３个实验了。现在我们
把这３个实验仍按原来的次序，用电流体理论再来讨论一番。
　　１．橡皮棒也和其他物体一样，在正常情况下是电中性的。
它包含正、负两种电流体，数量相等。用法兰绒摩擦它，就把两
种电流体分开了。这完全是一种习惯上的说法，因为这种说法是
应用理论所创造的术语来描述摩擦过程的。橡皮棒被擦以后，有
一种多余的电叫做负电，这个名词当然只不过是相沿成习而已。
假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我们必须把这种多余的电叫做正
电，因为只有这样才不至于跟前面的说法相矛盾。我们把实验继
续做下去。把橡皮棒接触金属导体，于是我们就把电流体传送过
去了。这些电流体在导体内自由地运动，于是它们就分布在包括
金箔在内的整个导体上了。因为负电与负电相互推斥，所以两片
金箔尽量地相互离开，其结果就是我们以前观察到的金箔的分
开。金属要放在玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的导电率
很微弱，就可使电流体一直留在导体上。现在我们懂得在实验开
始以前必须用手指去接触金属棒的道理了，在这个情况下，金
属、人体和地面构成了一个大的导体，因此电流体便分散得极为
稀少，验电器上实际上已经没有什么电流体了。
　　２．第二个实验在开始时是和第一个实验完全一样的。但是
这次橡皮棒不接触金属棒而只是接近它。导体上的两种电流体因
为都可以自由流动，所以被分开了，一种被吸引，而另一种被推
斥。，Ｄ果把橡皮棒移开，它们又重新混在一起，因为不同类的两
种电流体是互相吸引的。
　　３．现在把金属棒先分为两节，然后把橡皮棒移开。在这种
情况下，两种流体不能混在一起了，金箔保留了多余的那一种电
流体，所以继续张开。
　　按照这个简单的理论，上述的所有情况似乎都是能够理解
的。这个理论的作用还不止于此，它不仅使我们能够理解这些现
象，而且还可以使我们理解“静电学”范围内的其他许多现象。
任何一个理论的目的是指导我们理解新的现象。启发我们做新的
实验从而发现新的现象和定律。举一个例子就明白了。设想把第
二个实验加以改变，假使当我把橡皮棒放在金属棒旁边，同时又
用自己的手指接触金属棒，现在会发生什么呢，理论能作出答
案：受橡皮棒推斥的负（－）的电流体现在通过我的身体逃走
了，结果在金属棒上留下的只有一种正（十）的电流体。只有接
近橡皮棒的一个验电器的金箔仍旧分开，做一做真实的实验就能
确认这个预言（图２６）。
 
　　这个理论自然很简陋，而且不能满足现代物理学的观点，可
是它却是说明任何一种物理学理论的特色的一个很好的例子。
　　科学没有永恒的理论，一个理论所预言的事件常常被实验所
推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个
时期以后，它就很快地衰落。上面讲过的热的物质说的盛衰便是
许多例子中的一个。还有其他更深刻更重要的例子，以后还会讨
论到。科学上的重大进步几乎都是由于旧理论遇到了危机，通过
尽力寻找解决困难的方法而产生的。我们必须检查旧的观念和旧
的理论，虽然它们是过时了，然而只有先检查它们，才能了解新
观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和新理论的正确程度。
　　本书开端处，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况、然
后用纯粹的思维去寻找正确答案的侦探家。至少在一个论点上，
这个比喻是很不恰当的，无论在现实生活中或在侦探小说里面，
必定先知道有人犯罪，然后侦探才去检查信件、指纹、子弹、枪
支等，他至少是知道发生了一件暗杀案子。科学家就不是这样。
我们很容易想象有些人对于电一无所知，因为所有的古人对于它
都没有一点知识，但也生活得很快乐。假使你把金属棒、金箔、
瓶子、硬橡皮棒、法兰绒，总之是要做那３个实验所必需的东西
都交给这样一个人。他即使是一个很有文化的人，他也许会用瓶
子盛酒，把法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做我们上面所
描述的实验。对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁
杀了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦察它。此
外，他不但要解释一个案子，而且所有跟它有关的已经发生或可
能发生的现象他都要解释。
　　在引用电流体的概念时，我们知道这里是受到机械观影响
的，因为机械观是要用物质和作用于物质之间简单的力来解释一
切事物的。要知道机械观能否用来描写电的现象，我们必须考察
下面的一个问题。有两个圆球，都有电荷，就是说都带有某种多
余的电流体。我们知道这两个圆球或者会互相吸引，或者会互相
推斥。但是力只与距离有关吗？倘若确实如此，具体的关系又是
怎样的呢？最简单的猜测是这种力跟距离的关系正如万有引力与
距离的关系一样，例如距离增加到３倍，它的强度便减为原来的
1/9。库仑（Coulomb）所做的实验证明这个定律是确实可靠的。
在牛顿发现万有引力定律之后100年，库仑发现电的力与距离之
间的关系和万有引力与距离之间的关系一样。但是牛顿定律与库
仑定律之间有两个巨大的区别：万有引力是永远存在的，而电的
力只是在物体带电时才有；万有引力只是吸引，而电力则既可以
是吸引也可以是推斥。
　　现在产生了同样的一个问题，这个问题在前面谈热的现象时
已考察过。电流体是有重力还是没有重力的物质呢？换句话说，
一块金属在它电中性时和带有电荷时其重力是否一样呢？我们把
它称一下，发现这两个重力完全没有差别，由此我们可以断定电
流体也是没有重力的一族物质中的一种。
　　电的理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避
免严格的定义，改用已经熟悉的概念来比拟。我们记得要了解热的
现象，区别热和温度是极为重要的。同样，这里区别电势和电荷
也是很重要的。这两个新概念的区别用比拟的方法便可以弄明白：
　　　　　　　　  电势——温度
　　　　　　　　  电荷——热
　　两个导体，例如两个大小不同的圆球，可以有相同的电荷，
就是说，多余的电流体相同，但是两者的电势就不同，也就是
说，小圆球上的电势较高，大圆球上的电势较低。在小圆球上电
流体的密度较大，也就更受到压缩。因此密度愈大则互相推斥的
力愈大，小圆球上的电荷逃去的趋势要比大圆球上的大。电荷要
从导体逃去的趋势就是直接测量电势的标准。为了清楚他说明电
荷与电势的差别，我们必须列出几行描述受热物体行为的语句，
以及和这些语句相对应的描述带电导体的几行语句。

热 电 　　两个物体，起先的温度
各不相同，当它们互相接触，
过了一段时间后，它们就达
到相同的温度。
　　若两个物体的热容量不
同，则数量相等的热会产生
不同的温度变化。
　　温度计与任何一个物体
相接触，通过水银柱的高度
表示出它自己的温度，因而
也表示出物体的温度。 　　两个绝缘导体，起先的
电势各不相同，当它们互相
接触，它们很快就达到相同
的电势。
　　若两个物体的电容量不
同，则数量相等的电荷会产
生不同的电势变化。
　　验电器与任何一个导体
相接触，通过金箔的相互分
开程度表示出它自己的电势，
同时也表现出导体的电势。
 

　　但是这样的比拟不能延伸太远，下面的例子将指出它们的相
似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从
热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的
导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个
有负电荷。这两个电荷的电势各不相同，依照习惯，我们认为负
电荷的电势比正电荷的电势低。假使把这两个导体接触在一起，
或者用导线连接起来，那么根据电流体的理论，它们将显示出
不带电荷，因而根本不会有电势的相差。我们必须想象在电势
差被平衡的很短的时间内电荷是从一个导体“流”向另外一个
导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体（如
图２７所示），还是负的电流体流向带正电的物体呢？
 
　　事实上，单是根据这里所提到的素材，我们无法判定两者之
中哪一种是对的。我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以
同时有两个方向的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来
决定这个问题的方法，我们只是使它成为常规，在选择上没有
什么特定意义。往后的发展得出了能答复这个问题的更深的电
理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达是完全没有意义
的。这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是从电势较
高的导体流向电势较低的导体的。这样，在刚才所说的两个导
体中，电是从带正电的导体流向带负电的导体的。这种表述完
全是一种习惯上的说法，在这里甚至是完全武断的。所有这些
困难，表明热和电之间的比拟是不可能完整无缺的。
　　我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能
的。同样，用机械观来描写磁的现象也是可能的。


磁流体

　　这里我们还是依照上面的同样方式，先叙述几种非常简单
的情况，然后去寻找它们的理论解释。
　　１．有两根磁棒，一根支在一个架子的中点，它处于水平位
置，故能自由转动，另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端相
互靠近，那么它们之间会有强烈的吸引，这是经常可以做到的（
图２８）。如果不互相吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一
 
端去试试。只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引的。磁棒
的两端被称为它的极。实验再继续下去，我们把手持磁棒的极沿
着另一个磁棒向中点移动过去，此时发现吸引力减小了，而当磁
棒极达到那根磁棒的中央时，就根本没有吸引力了。如果磁极继
续朝同一方向移过去，那么就会逐渐发生推斥现象，当到达支起
的磁棒的另二极时，斥力最大。
　　２．上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个
极，我们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单，
只要把一根磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁
棒的极与另一根磁棒的中央之间是没有力的，但是实际上把一根
磁棒折成两段，其结果却是惊人的。出乎意料的。如果我们照上
面一节里所描写的实验再来做一次，不过这回是用支起的那根磁
棒折成两段，拿其中一段照样支起来做的，结果仍是一样，本来
是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的极了。
　　应该怎样解释这些事实呢？由于磁的现象也和静电的现象一
样有推斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理
论。设想有两个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是
负的。这里所谓“相等”是指有相同的绝对值，例如＋５和一５
就具有相同的绝对值。假定这两个圆球用一种绝缘体如玻璃棒之
类连接起来，若画成图，这种装置可以用一根从带负电荷的导体
指向带正电荷的导体的一个箭头表示出来（图29）。我们把这整
 
件东西叫做电的偶极子。很明显，这样的两个偶极子的行为和第
一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是一
根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁
棒不是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。
这个简单的理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满
的。在一端应该是吸引，在另一端是推斥，而在中央则两种相等
而相反的力互相平衡。但是怎样解释第二个实验呢？把电偶极子
的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照
理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾
的。由于这个矛盾使我们不得不介绍一种更准确的理论。我们放
弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基本磁偶极子组
成的，这些基本偶极子再不能折断为孤立的极。在磁棒中有一个
统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向（图
30）。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，那新的
两端又变成新的两极的理由，也知道这个更精细的理论既能解释
第一个实验也能解释第二个实验的理由。
 
　　有很多情况，对那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精
细的理论。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为
在一片普通的铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出
真正的效应来。把磁棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分
开”的作用，吸引了负的磁流体而推斥了正的磁流体，结果就出
现铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒以后，磁流体又多少恢复原
来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追想起”外力的命令的程
度如何。
　　我们不准备细述这个问题的定量内容。用两根很长的磁棒，
我们就可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或推斥的力。假
设磁棒很长，棒的另一端影响就可以忽略。引力或斥力与两极间
距离的关系怎样呢？库仑实验作出的答案是这样的：这种关系与
牛顿的万有引力定律和库仑的静电定律是一样的。
　　我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于
用引力和斥力只与不变的粒子之间的距离有关，而且只作用于粒
子之间来解释一切现象。
　　这里我们提及一件人人皆知的事情，因为以后我们还要用到
它。地球是一个大的磁偶极子。我们一点也不能解释它何以如
此。北极接近于地球的负（－）磁极，而南极则接近于地球的正
（＋）磁极。这正负的名词，不过是习惯上所规定的，但一旦规
定了，便可以使我们决定任何别的场合中的磁极。一根装在竖直
轴上的磁针会服从地球磁力的“命令”。磁针的(＋)极指向北极，
也就是说，指向地球的（－）磁极。
　　我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但
是也不必因此特别自满或喜欢它。如果我们不泄气，我们也应看
到这个理论中有些部分确实很不圆满。我们正在发明物质的新的
种类：两种电流体和基本磁偶极子。我们开始感到物质实在大多
了。
　　力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的
方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代
价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质。它们都是颇为牵
强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。


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公元2002.10.25日，Rg在梦中见到了God
Rg:       我亲爱的主啊，我什么时候才能找到我的另一半？
God:       !@#$%^&*()_+|.......
Rg:        请告诉我实话吧，我可以承受的！
God哭了：  我...我...可能...等不到那一天了！

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