為美國科學(xué)大廈奠基

1837 年，在英國皇家研究院的實(shí)驗(yàn)室里，法拉第、惠斯通、丹聶爾等科學(xué)家正在進(jìn)行一次非常有意義的實(shí)驗(yàn)，他們試圖從一端插在冰里、一端放在火爐上的溫差電堆中引出電火花。丹聶爾首先走上前去，拿起與溫差電堆連接的兩根導(dǎo)線，將導(dǎo)線的兩端不停地摩擦，然而導(dǎo)線末端并沒有產(chǎn)生電火花。惠斯通和法拉第也接著做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果依然相似。此時(shí)，另外一位物理學(xué)教授不慌不忙地把一根長導(dǎo)線繞在手指上，形成螺旋狀，并在其中插進(jìn)一根鐵棒，并把這個(gè)線圈接到溫差電偶的一根引線上。當(dāng)兩根線頭相碰，頓時(shí)爆出了耀眼的電火花。他的成功實(shí)驗(yàn)博得了在場人士的贊賞，法拉第興奮地拍著手說：“美國式的實(shí)驗(yàn)真了不起!”而這位了不起的美國科學(xué)家便是約瑟夫#8226;亨利。

從演員到科學(xué)家

1797 年12 月17 日，約瑟夫#8226;亨利出生于美國紐約州的奧爾巴尼市，父親是個(gè)窮苦的車夫。在亨利很小的時(shí)候，父親把他送到鄉(xiāng)下同外祖母一起生活，就讀于哥爾韋鄉(xiāng)村小學(xué)。為減輕家里的負(fù)擔(dān)，亨利一邊學(xué)習(xí)一邊在附近的小商店里打雜賺點(diǎn)零錢。10 歲的一天，亨利偶然來到教堂的藏書室，發(fā)現(xiàn)了很多傳奇小說和戲劇腳本，他一下入了迷，愛上了文學(xué)藝術(shù)。于是一到晚上，那家小商店里便會(huì)聚集許多人津津有味地聽亨利講故事，亨利一下子成了村里公認(rèn)的“有學(xué)問”的人。

14 歲那年，父親去世，亨利回到奧爾巴尼市。為了生活，他中斷學(xué)業(yè)，參加了一個(gè)戲劇表演團(tuán)體。亨利面目清秀，身材修長，演技出眾，很快便在奧爾巴尼小有名氣。有人感慨地說，如果亨利不是對科學(xué)產(chǎn)生了興趣，他一定會(huì)成為著名的藝術(shù)家。而這段表演經(jīng)歷，對他日后成為科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)人所需要的才能起到了良好的鍛煉。

18 歲時(shí)，亨利第一次接觸到了科普讀物，一本由英格蘭人喬治#8226;格雷戈里寫的《經(jīng)驗(yàn)哲學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)普通講義》。書中開頭提出的一連串的問題吸引了亨利的目光：“你向空中扔一塊石頭或者射出一支箭，為什么它不沿著直線一直向前運(yùn)動(dòng)呢？……火焰和煙為什么總是向上升，雖然沒有使它們沿著那個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的力？”這些問題和回答讓亨利對科學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)烈興趣。一口氣讀完整本書后，亨利決定辭去他在劇團(tuán)擔(dān)任的職務(wù)，獻(xiàn)身于神圣的科學(xué)事業(yè)。多年以后，亨利在書中提到這段難忘的經(jīng)歷：“雖然這不是一本深?yuàn)W的書，但它對我的一生產(chǎn)生了巨大的影響。……它把我的思想凝聚在對自然的研究上，使我在讀它的時(shí)候就決定立刻獻(xiàn)身于對科學(xué)知識(shí)的追求。”

1819 年，22 歲的亨利通過自學(xué)，考取了奧爾巴尼學(xué)院。此后，他系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等課程。3 年后，亨利以優(yōu)異的成績從學(xué)院畢業(yè)。1826 年，亨利被聘為奧爾巴尼學(xué)院的數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授。1832 年，35 歲的亨利遷居普林斯頓，擔(dān)任新澤西學(xué)院的物理學(xué)教授。

致力電磁學(xué)研究

在安培理論的啟發(fā)下，亨利開始致力于電磁學(xué)方面的研究。亨利改進(jìn)了當(dāng)時(shí)的電磁鐵，將一組線圈緊密地繞在軟鐵棒的整個(gè)表面，一方面，經(jīng)絕緣的導(dǎo)線可以在軟鐵上繞得很密，并可以纏上多層，這樣就增加了線圈的匝數(shù)，磁力也自然增強(qiáng)了。另一方面，導(dǎo)線繞得越密，每一個(gè)電流環(huán)流和軟鐵棒的軸就越接近垂直。按照安培的理論，所有電流環(huán)流產(chǎn)生的磁力方向也就與軟鐵棒的方向趨于一致了。1828 年，亨利用這種方法制作了第一塊電磁鐵。1831 年，亨利為耶魯大學(xué)制作了一臺(tái)大型電磁鐵，這塊電磁鐵能吸持重達(dá)947 千克的鐵塊，在當(dāng)時(shí)是世界紀(jì)錄。應(yīng)該說，改進(jìn)電磁鐵是電磁學(xué)研究能夠取得成功的第一步。

當(dāng)時(shí)，人們對法拉第1831 年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的了解比較多，但對亨利的工作卻知之甚少。其實(shí)，亨利也是這一現(xiàn)象的獨(dú)立發(fā)現(xiàn)者，他比法拉第早一年，也就是在1830 年觀察到了這一現(xiàn)象，然而由于種種原因，他失去了獲得優(yōu)先發(fā)現(xiàn)權(quán)的機(jī)會(huì)。后來，他才在1832 年發(fā)表了自己的研究成果——電和磁是可以相互轉(zhuǎn)化的：磁是通過電池里的電流的作用在軟鐵里產(chǎn)生的，通過產(chǎn)生磁的軟鐵繞在上面的線圈又感應(yīng)出電流。

法拉第和亨利使用了不同的實(shí)驗(yàn)方法，從不同的方面發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：法拉第是通過磁鐵在線圈中的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流，得到的是動(dòng)生電動(dòng)勢；而亨利則是通過改變線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度使之產(chǎn)生電流，得到的是感生電動(dòng)勢。從這一意義上說，他們之間并不存在優(yōu)先權(quán)之爭。無論是誰最先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都是電磁學(xué)發(fā)展史上的里程碑。這一發(fā)現(xiàn)使得機(jī)械能、熱能等各種形式的能量轉(zhuǎn)化為電能成為可能。

亨利最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象。1827 年他用紗包銅線在一鐵芯上繞了兩層，然后在銅線中通電，發(fā)現(xiàn)僅重3 千克的鐵芯竟然吸起了300 千克重的鐵塊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般天然磁鐵的吸引力。電轉(zhuǎn)變?yōu)榇女a(chǎn)生如此大的力量，立即深深地吸引了享利繼續(xù)對這些電磁現(xiàn)象進(jìn)行探討。1832 年，他在研制有更強(qiáng)大吸引力的電磁鐵時(shí)發(fā)現(xiàn)，繞有鐵芯的通電線圈在斷開電路時(shí)有電火花產(chǎn)生，這就是自感現(xiàn)象。他反復(fù)試驗(yàn)，搞清楚了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的規(guī)律，于1835 年又發(fā)表了解釋自感現(xiàn)象的論文。

1835 年，亨利向美國哲學(xué)會(huì)介紹了關(guān)于自感現(xiàn)象的進(jìn)一步研究成果，他一共設(shè)計(jì)了14 個(gè)實(shí)驗(yàn)，定性地確定了各種形狀導(dǎo)體的電感大小。為了紀(jì)念亨利的這一發(fā)現(xiàn)，人們用“Henry”作為電感單位地名稱。

1842 年，亨利在實(shí)驗(yàn)室里安裝了一個(gè)火花隙裝置，在近10 米遠(yuǎn)處放了一個(gè)線圈來接收能量，線圈和檢流計(jì)相接，形成回路。當(dāng)火花隙閃過電火花的時(shí)候，和線圈相接的檢流計(jì)就發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這個(gè)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了無線電波傳播的實(shí)驗(yàn)雖然比赫茲的實(shí)驗(yàn)早了40 多年，但當(dāng)時(shí)他并未意識(shí)到這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的重大意義。

1851 年，亨利向美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)提交了一篇關(guān)于振蕩放電和它的感應(yīng)能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)恼撐模U明了有關(guān)電磁在空間傳播的波動(dòng)性的思想，天才地猜測到了電磁運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，這在電磁場理論尚未確立的當(dāng)時(shí)是難以想象的。亨利這一思想啟發(fā)了許多后來的研究者，最后被麥克斯韋概括在他的方程組里。

把理論應(yīng)用到生活中

亨利認(rèn)為科學(xué)的發(fā)展應(yīng)該并且一定能使人們從中得到更多的實(shí)惠，科學(xué)研究的一部分價(jià)值也體現(xiàn)在其實(shí)際應(yīng)用中。因而，亨利積極地發(fā)明各種裝置，讓科學(xué)原理應(yīng)用于實(shí)際生活中。

亨利采用改進(jìn)了的電磁鐵，發(fā)明了自己的第一臺(tái)振蕩電動(dòng)機(jī)，這便是現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)的祖先，今天的轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正是采用了亨利改進(jìn)的電磁鐵。英國電學(xué)家焦耳曾感慨地說：“我們確實(shí)得益于有創(chuàng)造性的美國學(xué)者利用電動(dòng)作用能互換軟鐵極性的原理而制作的第一臺(tái)模型發(fā)動(dòng)機(jī)。”

同時(shí)，亨利也是進(jìn)行電磁電報(bào)研究的先驅(qū)者，大西洋兩岸實(shí)用電報(bào)機(jī)的發(fā)明者莫爾斯就曾得到他的直接幫助。亨利利用電磁鐵進(jìn)行傳遞信息的實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了模型電磁電報(bào)機(jī)，這種裝置將地球作為一根導(dǎo)線，使電磁電報(bào)線形成實(shí)際的閉合回路；他還發(fā)明了繼電器，不斷加強(qiáng)電信號(hào)，使它可以像接力賽跑一樣在電報(bào)線中傳輸，解決了信號(hào)衰減的問題。

1847 年，亨利組織建立了世界上第一個(gè)電報(bào)氣象系統(tǒng)，國家氣象局在此基礎(chǔ)上建設(shè)了全國氣象觀測系統(tǒng)；1867 年，亨利試制了當(dāng)時(shí)世界上最理想的霧信號(hào)系統(tǒng)——汽笛警報(bào)器，這種警報(bào)器的聲音能傳到30 千米以外，它的使用大大減少了海上事故的發(fā)生；在南北戰(zhàn)爭期間，亨利作為林肯總統(tǒng)的主要技術(shù)顧問，直接促成了氣球在戰(zhàn)爭中的運(yùn)用。

盡管亨利一生發(fā)明了許多東西，可他從未將這些拿去申請專利，總是無償?shù)匕炎约旱陌l(fā)明創(chuàng)造奉獻(xiàn)給社會(huì)。亨利所需要的惟一報(bào)答就是“發(fā)現(xiàn)新真理的快樂”。

為了美國科學(xué)的騰飛

亨利所生活的時(shí)代，美國處在建國初期，科學(xué)中心在歐洲。美國主要依靠移植歐洲的技術(shù)，借助歐洲人發(fā)現(xiàn)的科學(xué)原理開發(fā)新技術(shù)來發(fā)展經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，美國的科學(xué)界也普遍存在著重視技術(shù)發(fā)明而忽視基礎(chǔ)理論科學(xué)研究的傾向。

1846 年，亨利出任史密斯遜研究院的第一任院長，此后一直致力于促進(jìn)實(shí)用技術(shù)發(fā)明與基礎(chǔ)科學(xué)理論的協(xié)調(diào)發(fā)展。他主張將研究院董事會(huì)收益的大部分用于支持開創(chuàng)性的研究，在資助的為數(shù)眾多的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目中，最突出的是人類學(xué)研究。他設(shè)立專門的資金來為研究者出版那些含有最新發(fā)現(xiàn)、最新見解，但銷量較少、普通出版商不愿出版、論文作者又無力出版的科學(xué)論著。

研究院還設(shè)立了國際交流部，旨在與國外的科學(xué)機(jī)構(gòu)交流科學(xué)情報(bào)，讓全世界都能及時(shí)地知道美國人的科學(xué)成就，也讓美國人能盡快地了解世界科學(xué)發(fā)展的最前沿。另外，該研究院還定期舉辦學(xué)術(shù)演講活動(dòng)，邀請國內(nèi)外著名科學(xué)家和學(xué)者來演講。這些演講活動(dòng)快速擴(kuò)展到美國的很多城市，活躍了美國人的思想，開擴(kuò)了美國人的眼界，在一定程度上改變了美國公眾的愛好。

1868 年，亨利被推舉為美國國家科學(xué)院院長。亨利上任后，吸收了大批從事開創(chuàng)性研究的科學(xué)家進(jìn)入科學(xué)院，刺激了全國的科學(xué)研究工作，使科學(xué)院成為全國的科學(xué)中心。今天，美國國家科學(xué)院集中了眾多世界第一流的科學(xué)家，全世界的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)獲得者有一半以上是美國人，這些人有3／4 以上在獲獎(jiǎng)前就是該院院士。同時(shí)，亨利還幫助組建了許多全國性的科學(xué)學(xué)會(huì)，并在不少學(xué)會(huì)里擔(dān)任職務(wù)指導(dǎo)具體工作。19 世紀(jì)末，美國的科學(xué)組織網(wǎng)基本形成。

亨利所從事的科學(xué)組織工作改變了整個(gè)美國的科學(xué)研究現(xiàn)狀，為20 世紀(jì)世界科學(xué)中心從歐洲向美國的轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備了良好的條件。亨利是當(dāng)之無愧的美國科學(xué)大廈的奠基人。