美國(guó)科學(xué)技術(shù)史概論5課件

美國(guó)科學(xué)技術(shù)史概論

ABriefHistory

ofAmerican

ScienceandTechnology王大明中國(guó)科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院2015年4月1日北京美國(guó)十九世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展電磁學(xué)發(fā)展背景亨利的電磁學(xué)研究電磁學(xué)的最早應(yīng)用之一：有線電報(bào)和莫爾斯電碼十九世紀(jì)后半期的物理學(xué)三劍客吉布斯、羅蘭、邁克爾遜電磁學(xué)革命從美國(guó)建國(guó)的1789年到十九世紀(jì)中期，正是世界電磁學(xué)飛速發(fā)展的時(shí)期。其要點(diǎn)就是將電和磁聯(lián)系起來(lái)。這個(gè)期間，從咖伐尼——伏打——?dú)W姆——奧斯特——畢奧-薩法爾——安培——法拉第——麥克斯韋——赫茲等，歐洲科學(xué)家完成了一系列奠基性的工作。美國(guó)的約瑟夫·亨利也參與了這場(chǎng)電磁革命的盛會(huì)。而后來(lái)的貝爾、愛(ài)迪生、特斯拉等，將這場(chǎng)盛會(huì)推向高潮，最終迎來(lái)了第二次產(chǎn)業(yè)革命。伽伐尼發(fā)現(xiàn)“神經(jīng)電流”靜電很早就發(fā)現(xiàn)了，但“動(dòng)電”——電流是在十八世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)。意大利生理學(xué)家路易吉·伽伐尼（LuigiGalvani，1737～1798）發(fā)現(xiàn)蛙腿肌肉接觸金屬刀片時(shí)會(huì)發(fā)生痙攣，他其后在論文中認(rèn)為生物中存在著一種所謂“神經(jīng)電流”。伏打發(fā)明“電池”意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打伯爵（C.AlessandroG.A.A.Volta，1745-1827）不贊同伽伐尼的這種觀點(diǎn)。他對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行研究后認(rèn)為這不過(guò)是外部電流的作用，而蛙腿肌肉只是起到了導(dǎo)體的連接作用。伏打電池1800年，伏打?qū)\片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，得到了很強(qiáng)的電流，他稱(chēng)之為電堆；而將鋅片和銅片浸入鹽水或酸溶液中也能得到相同的效果，這后來(lái)被稱(chēng)作伏打電池。伏打電堆和電池的發(fā)明，為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件。歐姆的直流電路研究德國(guó)物理學(xué)家歐姆(GeorgSimonOhm，1787—1845)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，于1827年發(fā)表了其著作《直流電路的數(shù)學(xué)研究》，明確了他經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)所得到的電路分析中電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。即：S=γE式中S表示電流；E表示電動(dòng)力，即導(dǎo)線兩端的電勢(shì)差，γ為導(dǎo)線對(duì)電流的傳導(dǎo)率，其倒數(shù)即為電阻。

歐姆定律歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學(xué)家不能正確理解和評(píng)價(jià)這一發(fā)現(xiàn)，因而遭到懷疑和尖銳的批評(píng)。其研究成果被忽視，經(jīng)濟(jì)極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予他最高榮譽(yù)的科普利金獎(jiǎng)，這才引起德國(guó)科學(xué)界的重視。歐姆的進(jìn)展極大地影響了電流理論和應(yīng)用的發(fā)展，他在《直流電路的數(shù)學(xué)研究》這本書(shū)中首次提出的電學(xué)定律，后來(lái)被命名為歐姆定律。奧斯特發(fā)現(xiàn)電和磁之間的關(guān)系雖然富蘭克林早在1751年，就發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化，但當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)能重視這個(gè)聯(lián)系。直到1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特（ChristianOersted，1777—1851）用實(shí)驗(yàn)證明接通電流的導(dǎo)線能對(duì)附近的磁針產(chǎn)生作用力，并且這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向分布時(shí)，才引起了科學(xué)界的關(guān)注。畢奧—薩伐爾定律在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國(guó)物理學(xué)家讓·巴蒂斯特·畢奧和費(fèi)利克斯·薩伐爾進(jìn)一步詳細(xì)研究了載流直導(dǎo)線對(duì)周?chē)裴樀淖饔昧Γ⒋_定其“磁力大小正比于電流強(qiáng)度，反比于距離，方向垂直于距離連線”。這一規(guī)律被稱(chēng)為畢奧-薩伐爾定律。安培的發(fā)現(xiàn)法國(guó)物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培（André-MarieAmpère，1775年—1836年），在奧斯特的發(fā)現(xiàn)僅一周之后（1820年9月）就向法國(guó)科學(xué)院提交了一份更詳細(xì)的論證報(bào)告。他認(rèn)為兩根載流導(dǎo)線存在著相互影響，相同方向的平行電流彼此相吸，相反方向的平行電流彼此相斥；他還認(rèn)為通電的線圈與磁鐵相似；因?yàn)閮蓚€(gè)線圈之間存在著吸引和排斥作用。安培定則安培一方面用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自己的觀點(diǎn)，另一方面，還用數(shù)學(xué)對(duì)上述作用力進(jìn)行了推導(dǎo)。于1827年，將他的電磁現(xiàn)象研究綜合在《電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》一書(shū)中，這是電磁學(xué)史上一部重要的經(jīng)典論著，對(duì)以后的電磁學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。麥克斯韋稱(chēng)安培的工作是“科學(xué)史上最輝煌的成就之一”，后人稱(chēng)安培為“電學(xué)中的牛頓”。法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，當(dāng)時(shí)擔(dān)任著英國(guó)皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任的法拉第（MichaelFaraday，1791-1867）也轉(zhuǎn)向了電磁領(lǐng)域的研究工作。電磁力相互作用法拉第首先從奧斯特的工作中得到啟發(fā)，他認(rèn)為假如反過(guò)來(lái)考慮磁鐵固定，線圈就可能會(huì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這種設(shè)想，1821年，他成功地發(fā)明了一種簡(jiǎn)單的裝置。在裝置內(nèi)，只要有電流通過(guò)線路，線路就會(huì)繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上，這不是發(fā)電機(jī)，而是電動(dòng)機(jī)的雛形。電磁感應(yīng)、場(chǎng)和力線的概念1831法拉第發(fā)現(xiàn)，一塊磁鐵穿過(guò)一個(gè)閉合線路時(shí)，線路內(nèi)就會(huì)有電流產(chǎn)生，此即電磁感應(yīng)效應(yīng)。法拉第還將“場(chǎng)”、“力線”等重要概念引入物理學(xué)，為后來(lái)的許多重大進(jìn)展開(kāi)拓了廣闊的道路，

法拉第的功績(jī)他還引入了諸如正負(fù)極、離子等概念；發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)效應(yīng)，并由此發(fā)明發(fā)電機(jī)；引入“電磁場(chǎng)”和“力線”等重要概念，揭示了電和磁的本質(zhì)。紀(jì)念法拉第的20英鎊紀(jì)念幣接過(guò)富蘭克林的披風(fēng)美國(guó)的物理學(xué)，自富蘭克林在18世紀(jì)中期作為業(yè)余愛(ài)好者所進(jìn)行的電學(xué)研究，猶如一道閃電劃過(guò)北美的天空之后，就進(jìn)入了長(zhǎng)時(shí)間的沉寂。直到19世紀(jì)20-30年代約瑟夫·亨利的出現(xiàn)，才打破了僵局。之后相繼出現(xiàn)的羅蘭、吉布斯和邁克爾遜等人，成為轉(zhuǎn)變美國(guó)物理學(xué)歷史軌跡的重要人物。約瑟夫·亨利美國(guó)物理學(xué)家亨利(JosephHenry,1797-1878年)出生于紐約的奧爾巴尼，是個(gè)出身寒微的平民子弟。他參與了電磁學(xué)革命，并將自己的名字寫(xiě)了上去，成為轉(zhuǎn)變美國(guó)科學(xué)歷史發(fā)展軌跡的第一個(gè)重要人物。被稱(chēng)之為美國(guó)“接過(guò)富蘭克林披風(fēng)的人”。簡(jiǎn)略生平童年僅讀過(guò)小學(xué)和初中，但由于勤奮學(xué)習(xí)，考進(jìn)了奧爾巴尼學(xué)院，在那里他學(xué)習(xí)化學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)，準(zhǔn)備當(dāng)一名醫(yī)生，可是，畢業(yè)以后他卻在奧爾巴尼學(xué)院當(dāng)上了一名自然科學(xué)和數(shù)學(xué)講師。1832年，亨利成為新澤西學(xué)院（即現(xiàn)今的普林斯頓大學(xué)）的自然哲學(xué)教授，一直到1846年離開(kāi)那兒為止。從社長(zhǎng)到院長(zhǎng)自1846至1878年間，他是新成立的史密森學(xué)社的秘書(shū)和第一任社長(zhǎng)。他生前的最后十年，曾任成立不久的美國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)。1878年他在華盛頓特區(qū)逝世。亨利的科學(xué)成就亨利在物理學(xué)方面的主要成就是對(duì)電磁學(xué)的獨(dú)創(chuàng)性研究。包括如下主要幾項(xiàng)：制成強(qiáng)電磁鐵、發(fā)明繼電器；比法拉第早一年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象；電報(bào)機(jī)和電動(dòng)機(jī)相關(guān)研究。研制強(qiáng)電磁鐵1825年，英國(guó)科學(xué)家斯特金在一塊馬蹄形軟鐵上涂一層清漆，然后在上面間隔繞18圈裸導(dǎo)線，通電后就成了電磁鐵，能吸起約4kg（9磅）重物。這一實(shí)驗(yàn)引起許多科學(xué)家的極大興趣。亨利知道這些消息后，也著手改進(jìn)電磁鐵。他用絲綢包在裸銅導(dǎo)線上，解決了裸導(dǎo)線繞線圈時(shí)相鄰圈之間容易短路的問(wèn)題，使電磁鐵的線圈匝數(shù)大為增加。制成強(qiáng)電磁鐵1829年3月，他研制了一個(gè)統(tǒng)有400圈導(dǎo)線的電磁鐵。他把電磁鐵上的線圈分成幾組，然后并聯(lián)或串聯(lián)，用不同類(lèi)型的電池組供電等方法研究電磁鐵，以增強(qiáng)磁性。最初制作的電磁鐵能吸起三百公斤鐵，1831年他研制成功一個(gè)體積不大，但卻能吸起約1噸重物的電磁鐵。這算是電磁學(xué)最早的實(shí)際應(yīng)用之一。繼電器在研究電磁鐵時(shí)，他在小電磁鐵附近加一帶彈簧的小鐵片，彈簧的另一端固定，當(dāng)電磁鐵接通電源時(shí)，小鐵片被電磁鐵吸引，切斷電源，鐵片又被彈簧拉回原處，在這過(guò)程中小鐵片來(lái)回動(dòng)作，撞擊電磁鐵發(fā)出“滴嗒嘀嗒”的聲音，這就是最早、最原始的繼電器。這種裝置后來(lái)被用于電報(bào)發(fā)報(bào)。從這個(gè)意義上，也可以說(shuō)亨利發(fā)明了電報(bào)，只是他沒(méi)有申請(qǐng)專(zhuān)利而已。比法拉第早一年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象1830年8月，亨利在電磁鐵兩極中間放置一根繞有導(dǎo)線的條形軟鐵棒，然后把條形鐵棒上的導(dǎo)線接到檢流計(jì)上，形成閉合回路。他觀察到，當(dāng)電磁鐵的導(dǎo)線接通時(shí)，檢流計(jì)指針向一方偏轉(zhuǎn)后回零；當(dāng)導(dǎo)線斷開(kāi)的時(shí)候，指針向另一方偏轉(zhuǎn)后回零。這意味著亨利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且比法拉第的發(fā)現(xiàn)早了一年。但遺憾的是，亨利并沒(méi)有及時(shí)公開(kāi)發(fā)表自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象1831年，當(dāng)亨利對(duì)繞有不同長(zhǎng)度導(dǎo)線的各種電磁鐵的提舉力做比較實(shí)驗(yàn)時(shí)，他意外地發(fā)現(xiàn)，通有電流的線圈在斷路的時(shí)候有電火花產(chǎn)生。第二年八月，亨利對(duì)這種現(xiàn)象又進(jìn)行了研究。1832年他發(fā)表了《在長(zhǎng)螺旋線中的電自感》的論文，宣布發(fā)現(xiàn)了電的自感現(xiàn)象。這個(gè)發(fā)現(xiàn)很快就被歐洲的科學(xué)界所承認(rèn)，之后，還將電感的單位用亨利命名。電報(bào)機(jī)相關(guān)研究1842年，亨利在實(shí)驗(yàn)室里安裝了一個(gè)火花隙裝置，在30多英尺處放一個(gè)線圈來(lái)接收能量，線圈和檢流計(jì)相接，形成回路。當(dāng)火花隙裝置的電火花閃過(guò)時(shí)，與線圈相接的檢流計(jì)指針就發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上表征了無(wú)線電波的傳播和接收。雖然亨利的這個(gè)實(shí)驗(yàn)比后來(lái)赫茲的實(shí)驗(yàn)早了40多年，但是當(dāng)時(shí)的人們，包括亨利自己在內(nèi)，還認(rèn)識(shí)不到這個(gè)實(shí)驗(yàn)及其內(nèi)在含義的重要性。電動(dòng)機(jī)相關(guān)研究亨利曾發(fā)明過(guò)一臺(tái)象蹺蹺板似的原始直流電動(dòng)機(jī)，從某種意義上來(lái)說(shuō)這也許是他在電學(xué)領(lǐng)域中最重要的貢獻(xiàn)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)能帶動(dòng)機(jī)器，在起動(dòng)、停止、安裝、拆卸等方面，都比蒸汽機(jī)來(lái)得方便。電氣革命是第二次工業(yè)革命的核心，而包括電報(bào)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電燈、電話等又是電氣革命的核心。美國(guó)后來(lái)之所以成為第二次工業(yè)革命的主要策源地，與亨利為代表的大批美國(guó)電氣科學(xué)家和發(fā)明家的貢獻(xiàn)是分不開(kāi)的。亨利在事實(shí)上發(fā)明了電報(bào)但沒(méi)申請(qǐng)專(zhuān)利，另一個(gè)美國(guó)發(fā)明家莫爾斯則放棄了其他事情，專(zhuān)門(mén)從事電報(bào)的發(fā)明事業(yè)。美國(guó)提倡純科學(xué)研究的先驅(qū)亨利雖然發(fā)明過(guò)很多實(shí)用的裝置，但他卻是美國(guó)最早開(kāi)始提倡純科學(xué)研究的先驅(qū)者。他曾說(shuō)道：“在美國(guó)，雖然許多人長(zhǎng)于把科學(xué)應(yīng)用于實(shí)際生活，但很少有人為了發(fā)現(xiàn)和發(fā)展新的真理的必要而進(jìn)行辛勤的勞動(dòng)和認(rèn)真的思索?！?/p>

亨利之后，美國(guó)從事純科學(xué)研究的科學(xué)家才開(kāi)始逐漸多了起來(lái)。亨利于1878年在華盛頓去世，享年80歲。莫爾斯電報(bào)塞繆爾·莫爾斯（SamuelF.B.Morse

1791-1872），19歲畢業(yè)于耶魯大學(xué)美術(shù)專(zhuān)業(yè)。美國(guó)畫(huà)家和發(fā)明家。莫爾斯曾兩度赴歐洲留學(xué)，在肖像畫(huà)和歷史繪畫(huà)方面成了當(dāng)時(shí)公認(rèn)的一流畫(huà)家。1826年至1842年任美國(guó)畫(huà)家協(xié)會(huì)主席。改變?nèi)松暮叫心獱査故窃?832年從法國(guó)返回美國(guó)的旅途中萌生了發(fā)明電報(bào)的念頭。當(dāng)時(shí)莫爾斯已經(jīng)41歲了，在法國(guó)訪問(wèn)了3年，跟歐洲頂尖畫(huà)家學(xué)習(xí)交流后坐輪船返回美國(guó)。輪船在大西洋中航行，為了打破長(zhǎng)途旅行的沉悶氣氛，有個(gè)叫杰克遜的美國(guó)醫(yī)生向旅客們展示了一種叫“電磁鐵”的新器件并講述電磁鐵原理。改行電學(xué)杰克遜的一句話深深地印在了莫爾斯的腦海里。杰克遜說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)證明，不管電線有多長(zhǎng)，電流都可以神速地通過(guò)?！边@句話使莫爾斯產(chǎn)生了一個(gè)遐想：既然電流可以瞬息通過(guò)導(dǎo)線，那能不能用電流來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞呢？莫爾斯為自己的想法興奮不已。已任美國(guó)國(guó)立圖畫(huà)院院長(zhǎng)的莫爾斯從這以后，毅然改行投身于電學(xué)研究領(lǐng)域。拜師求教莫爾斯是個(gè)畫(huà)家，對(duì)于電學(xué)基本外行，要想弄懂電學(xué)原理，遠(yuǎn)非一件容易的事情。但他不恥下問(wèn)，到處學(xué)習(xí)求教，并慢慢開(kāi)始入門(mén)。其中包括拜亨利為師，學(xué)習(xí)如何使用絕緣導(dǎo)線的強(qiáng)力電磁鐵，和繼電器原理。就這樣，到1835年底，他終于用舊材料制成了第一臺(tái)簡(jiǎn)陋的電報(bào)機(jī)。電報(bào)機(jī)原理莫爾斯的電報(bào)機(jī)大致結(jié)構(gòu)是包括一個(gè)發(fā)報(bào)機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，中間用導(dǎo)線連接。發(fā)報(bào)機(jī)是這樣工作：先把凹凸不平的字母版排列起來(lái)，拼成文章，然后讓字母版慢慢持續(xù)地觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，從而使電路或接通或斷開(kāi)，在連接導(dǎo)線中不斷發(fā)出有電或沒(méi)電的信號(hào)；而收?qǐng)?bào)機(jī)的結(jié)構(gòu)則是，當(dāng)從導(dǎo)線傳來(lái)的不連續(xù)電流通過(guò)電磁鐵時(shí)，會(huì)因電磁感應(yīng)而牽動(dòng)一支能活動(dòng)的鉛筆在移動(dòng)的帶子上劃出波狀的線條。將線條譯碼后，便還原成文字信息。原始的莫爾斯電報(bào)機(jī)電報(bào)機(jī)硬件改進(jìn)但莫爾斯的第一臺(tái)電報(bào)機(jī)只能在2-3米的距離內(nèi)有效。這是由于隨著收發(fā)兩方距離的增大，電阻相應(yīng)也會(huì)增加，最后導(dǎo)致電流太小而使接收端的電磁鐵失靈。所以，要想使電報(bào)能投入到實(shí)際應(yīng)用，就必須加以改進(jìn)，增加收發(fā)報(bào)的距離。軟硬件都需要改進(jìn)硬件改進(jìn)工作在亨利的幫助下，通過(guò)增加電池的數(shù)量和改善電磁鐵的質(zhì)量，很快就有了進(jìn)展，增強(qiáng)了信號(hào)電流的強(qiáng)度。所以很快就能將電信號(hào)傳送到更遠(yuǎn)的距離。但莫爾斯又發(fā)現(xiàn)，發(fā)報(bào)端發(fā)出的文字信號(hào)，要想在接受端完全不失真的復(fù)現(xiàn)也是一件不容易做到的事情。所以需要改進(jìn)電信號(hào)的編碼，即改進(jìn)軟件。莫爾斯電碼1836年，莫爾斯終于找到了一種新的方法，他在筆記本上記下了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案：“電流只要停止片刻，就會(huì)出現(xiàn)火花。有火花出現(xiàn)可以看成是一種符號(hào)；沒(méi)有火花出現(xiàn)是另一種符號(hào)；沒(méi)有火花的時(shí)間長(zhǎng)度又是一種符號(hào)。這3種符號(hào)如果組合起來(lái)代表數(shù)字和字母，就可以通過(guò)導(dǎo)線來(lái)傳遞文字了。”據(jù)此，莫爾斯將發(fā)送端原來(lái)直接傳送字母版的方法改為按鍵開(kāi)關(guān)，而接收端仍用原來(lái)的劃線方法。莫爾斯電碼電信號(hào)的狀態(tài)只有兩種：按鍵時(shí)有電流，不按鍵時(shí)無(wú)電流。有電流時(shí)稱(chēng)為傳號(hào)，用數(shù)字“1”表示；無(wú)電流時(shí)叫空號(hào)，用數(shù)字“0”表示。一個(gè)“點(diǎn)”就用“1、0”來(lái)表示，一個(gè)“劃”就用“1、1、1、0”來(lái)表示。莫爾斯電報(bào)將要傳送的字母或數(shù)字用不同排列順序的“點(diǎn)和劃”來(lái)表示，這就是莫爾斯電碼。莫爾斯電碼當(dāng)然，莫爾斯編碼之間還有停頓，所以加起來(lái)，其編碼有五種：點(diǎn)（.）劃（-）點(diǎn)和劃之間的短停頓每個(gè)詞之間中等停頓以及句子之間長(zhǎng)停頓電報(bào)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)1838年1月，莫爾斯進(jìn)行3英里收發(fā)電報(bào)的試驗(yàn)獲得了成功。1840年4月，這項(xiàng)發(fā)明申請(qǐng)到了專(zhuān)利。他試圖說(shuō)服別人投資生產(chǎn)電報(bào)機(jī)，但卻沒(méi)人感興趣。莫爾斯只得到歐洲去活動(dòng)，希望能在歐洲推廣應(yīng)用。然而這時(shí)英國(guó)的惠斯通已經(jīng)發(fā)明了電磁電報(bào)，俄國(guó)的希林也造出了其他樣式的電報(bào)機(jī)大大延長(zhǎng)了通信距離，達(dá)到了可以實(shí)際應(yīng)用的水準(zhǔn)。國(guó)家應(yīng)用新技術(shù)1842年，莫爾斯終于盼來(lái)了大展宏圖的時(shí)機(jī)，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了開(kāi)發(fā)電報(bào)技術(shù)的議案。1843年，美國(guó)國(guó)會(huì)決定拔款3萬(wàn)美元架設(shè)華盛頓和巴爾的摩之間長(zhǎng)距離的電報(bào)線路，全長(zhǎng)64.4千米。第二年長(zhǎng)距離電報(bào)收發(fā)獲得成功。公開(kāi)展示1844年5月24日，是世界電信史上光輝的一頁(yè)。這一天，在美國(guó)國(guó)會(huì)大廳里舉行了一次隆重的電報(bào)機(jī)通信實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。在座無(wú)虛席的國(guó)會(huì)大廈里，莫爾斯躊躇滿(mǎn)志地向應(yīng)邀前來(lái)的科學(xué)家和政府人士介紹了電報(bào)機(jī)的原理。他的演講激起了聽(tīng)眾們的極大興趣，人們都焦急地等侍著“用電線傳遞消息”的奇跡發(fā)生。莫爾斯的第一臺(tái)電報(bào)機(jī)樣品“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”莫爾斯接通電源，用他那激動(dòng)得有些顫抖的雙手，操縱著他傾十余年心血研制成功的電報(bào)機(jī)，向巴爾的摩發(fā)出了人類(lèi)歷史上的第一份電報(bào)：“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”隨著一連串的“嘀嘀嗒嗒”聲的響起，電文通過(guò)電線很快就傳到60多公里外的巴爾的摩，莫爾斯的助手接到了他傳來(lái)的電文，并準(zhǔn)確無(wú)誤地把電文譯了出來(lái)。莫爾斯的電報(bào)終于成功了！電報(bào)風(fēng)靡全球這個(gè)演示在美國(guó)、英國(guó)和歐洲其他國(guó)家都引起了轟動(dòng)。從此，（1844年）5月24日成了國(guó)際公認(rèn)的電報(bào)發(fā)明日。莫爾斯電報(bào)因?yàn)槭褂昧穗妶?bào)編碼，具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，比其他人發(fā)明的電報(bào)優(yōu)越得多。很快，他的電報(bào)風(fēng)靡全球。莫爾斯在1848年籌建了私人股份公司，1850年又籌建了電報(bào)公司，在電報(bào)的發(fā)展和普及方面作出了重大貢獻(xiàn)。偉大的發(fā)明家，渺小的人莫爾斯曾受到亨利的極大幫助，但他從不承認(rèn)，以至于兩人最后對(duì)簿公堂。以亨利勝訴莫爾斯丟臉而告終。南北戰(zhàn)爭(zhēng)中，作為北方人的莫爾斯，卻因是個(gè)種族主義者而支持南方。最后還是以丟臉而告終。最后的棲息地莫爾斯于1872年4月2日在紐約市去世，享年80歲，安葬在紐約布魯克林的綠蔭公墓。1900年第一批入選美國(guó)名人堂。而亨利還是1915年才進(jìn)入了名人堂。純科學(xué)研究的起步美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)之后，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)繁榮，教育的逐步普及，純科學(xué)研究開(kāi)始出現(xiàn)并在水平上不斷提高。標(biāo)志之一，就是出現(xiàn)了一批具有國(guó)際聲望的職業(yè)科學(xué)家。其中最著名的幾位，都是物理學(xué)家，包括吉布斯、羅蘭和邁克爾遜等。分別在熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)、電磁和光學(xué)等領(lǐng)域，做出了杰出貢獻(xiàn)。吉布斯的統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究吉布斯(Josiah

Willard

Gibbs，1839-1903)，1858年畢業(yè)于耶魯大學(xué)。1873年至1878年，發(fā)表了被稱(chēng)為是“吉布斯熱力學(xué)三部曲”的3篇論文，即“流體熱力學(xué)的圖示法”(1873)、“借助曲面描述熱力學(xué)性質(zhì)的幾何方法”(1873)，以及“非均勻物質(zhì)的平衡”(1876、1878)。1902年發(fā)表了巨著《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》，創(chuàng)立了統(tǒng)計(jì)系綜的方法，建立起經(jīng)典平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的系統(tǒng)理論，對(duì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)給出了適用任何宏觀物體的完整形式。工程博士，留歐三年1863年吉布斯以使用幾何方法進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)的論文在耶魯學(xué)院獲得工程學(xué)博士學(xué)位，這也使他成為美國(guó)的第一個(gè)工程學(xué)博士。隨后留校任拉丁文助教兩年，自然哲學(xué)助教一年。1866年吉布斯前往歐洲留學(xué)，分別在巴黎、柏林、海德堡各學(xué)習(xí)一年，卡爾·魏爾施特拉斯、基爾霍夫、克勞修斯和亥姆霍茲等大師開(kāi)設(shè)的課程讓他受益匪淺。1869年留學(xué)三年的吉布斯回到美國(guó)繼續(xù)任助教，這三年也是他一生中惟一離開(kāi)紐黑文的三年。耶魯大學(xué)的Sloane物理實(shí)驗(yàn)室，吉布斯的辦公室在塔右邊二層。無(wú)薪講師1871年，32歲的吉布斯成為耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)教師，這是全美第一個(gè)該學(xué)科教職。但由于吉布斯還沒(méi)有發(fā)表過(guò)文章，所以在他擔(dān)任這一教職的九年中始終沒(méi)有薪水，靠遺產(chǎn)和專(zhuān)利費(fèi)生活。吉布斯擔(dān)任這一教職直到去世，他終身未婚，始終和妹妹與妹夫住在紐黑文離耶魯大學(xué)不遠(yuǎn)的祖屋里，過(guò)著與世無(wú)爭(zhēng)的生活。但在教學(xué)中，他卻不動(dòng)聲色地最早在美國(guó)工程師教育中引入了基礎(chǔ)理論方面的內(nèi)容。34歲發(fā)表論文1873年，已屆34歲的吉布斯，才發(fā)表平生的第一篇論文，但這是極其重要的論文，即“流體熱力學(xué)的圖示法”，采用圖解法來(lái)研究流體的熱力學(xué)，緊接著發(fā)表了“借助曲面描述熱力學(xué)性質(zhì)的幾何方法”的論文，提出了所謂三維相圖。非平衡態(tài)論文1876年吉布斯在《康涅狄格科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表了奠定化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典之作《論非均相物體的平衡》的第一部分，1878年完成了第二部分。這一長(zhǎng)達(dá)三百余頁(yè)的論文被認(rèn)為是物理化學(xué)史上最重要的論文之一。其中提出了吉布斯自由能，化學(xué)勢(shì)等概念，闡明了化學(xué)平衡、相平衡、表面吸附等現(xiàn)象的本質(zhì)。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)千里馬但由于吉布斯本人的純數(shù)學(xué)推導(dǎo)式的寫(xiě)作風(fēng)格和刊物發(fā)行量太小，美國(guó)輕視純理論研究等原因，這篇文章在美國(guó)沒(méi)有引起任何反響。偶然的機(jī)會(huì)，麥克斯韋看到了吉布斯的文章，立刻對(duì)其思想贊賞不已，不但寫(xiě)信給多位同行推薦，而且吸收到自己的著作《TheoryofHeat》中，甚至還親手作了一個(gè)石膏模型寄給吉布斯。之后，這篇論文（其實(shí)是一部著作）開(kāi)始受到歐洲大陸同行的重視。1892年由奧斯特瓦爾德譯成德文，1899年由勒·沙特列翻譯為法語(yǔ)。麥克斯韋根據(jù)吉布斯理論研究固體狀態(tài)的手稿成為耶魯大學(xué)高薪教授麥克斯韋的推薦對(duì)于改善吉布斯的經(jīng)濟(jì)待遇起了立竿見(jiàn)影的效果。1880年，約翰·霍普金斯大學(xué)以3000美元的高薪邀請(qǐng)吉布斯前往任教。而為挽留吉布斯，耶魯大學(xué)很快開(kāi)始給他發(fā)薪，每年2000美元。吉布斯自己仍愿意留在布魯克海文的耶魯執(zhí)教，直到退休。統(tǒng)計(jì)力學(xué)1880-1884年吉布斯將哈密爾頓的四元數(shù)思想與格拉斯曼的外代數(shù)理論結(jié)合，創(chuàng)立了向量分析。運(yùn)用這個(gè)方法，吉布斯于1889年寫(xiě)成了一部關(guān)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的經(jīng)典教科書(shū)《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》。他使用劉維爾的成果，對(duì)玻爾茲曼提出的系綜概念進(jìn)行了擴(kuò)展，從而將熱力學(xué)建立在統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基礎(chǔ)上。院士、會(huì)士和獎(jiǎng)勵(lì)HewaselectedtotheNationalAcademyofSciencesin1879.Receivedthe1880RumfordPrizefromtheAmericanAcademyofArtsandSciencesforhisworkonchemicalthermodynamics.HewasgrantedhonorarydoctoratesbyPrincetonUniversity.HebecameahonorarymemberoftheLondonMathematicalSocietyin1892andasaforeignmemberoftheRoyalSocietyin1897.HewaselectedascorrespondingmemberofthePrussianandFrenchAcademiesofScience.獎(jiǎng)?wù)?、郵票1901年吉布斯獲得當(dāng)時(shí)由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)頒發(fā)的國(guó)際科學(xué)界最高獎(jiǎng)柯普利獎(jiǎng)?wù)隆?005年5月4日美國(guó)發(fā)行“美國(guó)科學(xué)家”系列紀(jì)念郵票，包括吉布斯、馮·諾伊曼、巴巴拉·麥克林托克和理查德·費(fèi)曼等。母校雕像、實(shí)驗(yàn)室命名今日耶魯大學(xué)科學(xué)山上以吉布斯名字命名的實(shí)驗(yàn)室耶魯大學(xué)吉布斯實(shí)驗(yàn)室入口處的吉布斯銅雕像紐黑文公墓的吉布斯墓羅蘭，大力提倡純科學(xué)研究的人HenryA.Rowland，(1848-1901）1876年約翰·霍普金斯大學(xué)建立，

27歲的羅蘭成為該校的第一位物理學(xué)教授1882年創(chuàng)制用于光譜分析的衍射光柵——羅蘭球面光柵美國(guó)物理學(xué)會(huì)的創(chuàng)始人和第一屆理事長(zhǎng)

羅蘭出生的時(shí)代背景羅蘭出生的1848年，在歐洲歷史上是個(gè)動(dòng)蕩的和革命的年代。歐洲的意大利、德意志、奧地利、匈牙利、波西米亞（捷克）和法國(guó)等地相繼發(fā)生反抗舊專(zhuān)制王朝的革命。這些革命中，雖然只有法國(guó)的二月革命成功的推翻了復(fù)辟的波朝王朝，其他的革命最后都以失敗告終，但還是使得自由、平等、民主等新興資產(chǎn)階級(jí)的觀念深入人心，使歐洲的面貌為之一變。馬克思主義誕生馬克思和恩格斯合著的《共產(chǎn)黨宣言》也在這一年的二月出版。宣揚(yáng)階級(jí)斗爭(zhēng)，主張暴力推翻資產(chǎn)階級(jí)統(tǒng)治。1895五年，恩格斯在《〈法蘭西階級(jí)斗爭(zhēng)〉導(dǎo)言》中對(duì)馬克思主義的整個(gè)理論體系進(jìn)行了最后的反思和修正：“歷史表明我們也曾經(jīng)錯(cuò)了，我們當(dāng)時(shí)所持的觀點(diǎn)只是一個(gè)幻想。歷史做的還要更多……一八四八年的斗爭(zhēng)方法今天在一切方面都已經(jīng)陳舊了……工人開(kāi)始參加各邦議會(huì)、市鎮(zhèn)委員會(huì)以及工商仲裁法庭的選舉……人們也開(kāi)始愈益了解到對(duì)舊策略必須加以修改了。德國(guó)所作出的利用選舉權(quán)奪取我們所能奪得的一切陣地的榜樣，到處都有人模仿；無(wú)準(zhǔn)備的攻擊，到處都退到次要地位上去了。”（《馬克思恩格斯全集》第二十二卷）美國(guó)人開(kāi)始西部大開(kāi)發(fā)在歐洲人大革命的時(shí)代，與歐洲相對(duì)的大西洋彼岸，因?yàn)樵谖鞑康募永Ｄ醽喼莅l(fā)現(xiàn)金礦所引發(fā)的淘金熱吸引了大批人涌向西部，掀起了西部大開(kāi)發(fā)的浪潮。其中包括未來(lái)的美國(guó)鐵路大王之一、科利斯·波特·亨廷頓，他在這年從紐約出發(fā)來(lái)到加利福尼亞，并在西部先后碰到了馬克·霍普金斯、利蘭·斯坦福和查爾斯·克羅克等人。他們四人最后組建了美國(guó)中央太平洋鐵路公司，并修筑起橫貫北美大陸東西海岸的第一條大鐵路，表征了美國(guó)由疆域擴(kuò)張進(jìn)入了一個(gè)西部大開(kāi)發(fā)和工業(yè)大發(fā)展的年代，由此也拉開(kāi)了其工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)起飛的序幕。美國(guó)科學(xué)發(fā)展軌跡的改變1839年，美國(guó)歷史上第一個(gè)理論物理學(xué)家威拉德·吉布斯出生；1846年，美國(guó)政府第一次接受私人捐助而建立了全美國(guó)第一個(gè)科學(xué)機(jī)構(gòu)——史密森學(xué)社；1848年，羅蘭出生；1852年，美國(guó)未來(lái)的第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜出生。這些都是美國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷史軌跡發(fā)生改變的隱喻和象征。早期的鐵磁性研究羅蘭1870年畢業(yè)于美國(guó)最早的工業(yè)技術(shù)學(xué)校倫塞勒技術(shù)學(xué)院（RensselaerPolytechnicInstitute），之后在學(xué)院擔(dān)任物理學(xué)助教。開(kāi)始潛心研究鐵磁性方面的課題。發(fā)現(xiàn)了鐵磁體在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)的一些特性。但當(dāng)他把自己的研究心得寫(xiě)成報(bào)告投遞給《美國(guó)科學(xué)雜志》（AmericanJournalofScience）時(shí)，卻遭到了拒絕。得到麥克斯韋的贊賞在美國(guó)沒(méi)有人認(rèn)識(shí)羅蘭成果的意義，但他不死心，將報(bào)告郵寄給英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋，當(dāng)時(shí)正值麥克斯韋發(fā)表了一系列電動(dòng)力學(xué)論文，并最后出版其劃時(shí)代巨著《電磁通論》而創(chuàng)立其電磁理論的重要關(guān)頭。但因?yàn)樵摾碚撛跀?shù)學(xué)上太復(fù)雜、太難懂，一般人難以理解，所以麥克斯韋理論還沒(méi)有得到科學(xué)界普遍的認(rèn)可。而羅蘭的實(shí)驗(yàn)與麥克斯韋的理論大有關(guān)系，所以立刻得到了麥克斯韋的贊賞，并推薦給英國(guó)的《哲學(xué)雜志》發(fā)表。1876年，當(dāng)約翰·霍普金斯大學(xué)建立之時(shí)，經(jīng)過(guò)麥克斯韋的推薦，年僅28歲、沒(méi)有歐洲留學(xué)經(jīng)歷的羅蘭，受聘擔(dān)任了該大學(xué)第一個(gè)物理學(xué)教授。羅蘭的科學(xué)研究羅蘭主要是個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)大量有價(jià)值的研究工作。例如確定歐姆值、荷質(zhì)比、熱功當(dāng)量，第一個(gè)證明了水的熱容隨溫度的變化，等等。羅蘭最重要的工作，是在1882年前后創(chuàng)制的用于光譜分析的衍射光柵及利用這種裝置所進(jìn)行的太陽(yáng)光譜測(cè)量。羅蘭的科學(xué)教育工作作為教師，他建議并指導(dǎo)自己的學(xué)生愛(ài)德溫·霍爾（EdwinHall）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終導(dǎo)致了霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。從1873年到1890年，美國(guó)大約有20名學(xué)物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生從國(guó)內(nèi)獲得了博士學(xué)位，其中大多數(shù)是從吉布斯任教的耶魯大學(xué)和羅蘭任教的霍普金斯大學(xué)獲得的。提倡純科學(xué)羅蘭是繼亨利之后又一個(gè)大力提倡基礎(chǔ)科學(xué)，或用他的話說(shuō)“抽象科學(xué)”（Abstractscience）或“純科學(xué)”（Pourscience）研究的人。1883年，作為國(guó)家科學(xué)院院士和提倡純科學(xué)研究的代表性人物，亨利·羅蘭在其就任美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)負(fù)責(zé)物理學(xué)方面的副主席的演講中說(shuō)道：

“在這個(gè)國(guó)家，為了創(chuàng)建物理科學(xué)所必定要做的事情，不光是電報(bào)、電燈或其他諸如此類(lèi)的冠以科學(xué)之名的用具。譬如新發(fā)明了一道美味佳肴的廚師，在某種程度上也是為世界造福，但我們決不會(huì)將他作為化學(xué)家而尊敬。”2008年，我國(guó)《科技導(dǎo)報(bào)》全文翻譯發(fā)表了羅蘭1883年在美國(guó)科技促進(jìn)會(huì)上的講話“為純科學(xué)呼吁”“物理學(xué)家的最高目標(biāo)”作為美國(guó)物理學(xué)會(huì)的發(fā)起人之一和第一任會(huì)長(zhǎng)的羅蘭，在逝世前不久的1899年，在美國(guó)物理學(xué)會(huì)成立儀式上，發(fā)表了題為“物理學(xué)家的最高目標(biāo)”演講，為美國(guó)物理學(xué)樹(shù)立高標(biāo)準(zhǔn)做出了最后的努力?！拔锢韺W(xué)家的最高目標(biāo)”“為了鼓勵(lì)科學(xué)的成長(zhǎng)，我們能夠做到的最好事情，就是把所有對(duì)它有興趣的都人集合到一起，討論它的問(wèn)題，評(píng)價(jià)彼此的工作。最要緊的就是要提供一種方法，通過(guò)它使得科學(xué)中優(yōu)秀的內(nèi)容能夠被世界所了解?！薄拔覀儑?guó)家的很多人才都在追求所謂的應(yīng)用科學(xué)過(guò)程中浪費(fèi)掉了……但是你們的出現(xiàn)表明這種情況不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去?！眲?chuàng)建美國(guó)物理學(xué)會(huì)1899年，當(dāng)美國(guó)物理學(xué)會(huì)成立時(shí)只有36名成員，而在它成立100周年的1999年時(shí)，其成員已經(jīng)超過(guò)40000人。在這個(gè)發(fā)展壯大的過(guò)程中，亨利·奧古斯特·羅蘭這個(gè)名字已被深深地刻在了美國(guó)科學(xué)史的里程碑上。榮譽(yù)羅蘭在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域贏得他那個(gè)時(shí)代所能獲得幾乎所有的榮譽(yù)：1880年獲得約翰·霍普金斯大學(xué)的榮譽(yù)博士學(xué)位，并在1883年和1896年分別獲得耶魯大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的榮譽(yù)博士。1881年被推選為美國(guó)科學(xué)院的院