電磁學與光學的歷史及其對近現代物理的影響

謝悅希

摘 要：電、磁、光是生活中常見的三種物理現象。本文梳理了物理學對于這三種現象研究的獨立發展與相互統一的科學史過程；總結了該過程中出現的重要的物理事件和人物；文章最后探討了電、磁、光的物理統一對于近現代物理的兩大重要分支（量子力學和相對論）產生的重要影響，旨在為更深入的研究提供思路。

關鍵詞：電磁學；光學；科學史

中圖分類號：O31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0239-02

1 引言

電、磁、光是我們生活中非常重要的三個物理現象，早期對于電、磁、光的研究是相互獨立的。隨著物理學的發展，人類對電、磁、光有了更深入的理解，其發展也逐漸從一開始的獨立發展最終走向了統一，對近現代物理的發展產生了重大影響。對這三門學科統一過程的探討雖有文獻[1，2]，但都有各自偏重的方面，且大部分缺少對近現代物理影響的必要探討。

2 電學、磁學和光學的獨立發展

2.1 電學

人類對于電的研究起始于被記錄在公元前2750年的古代埃及的文獻中的放電的魚，在隨后的幾千年里，古代希臘、羅馬以及阿拉伯的自然學家和醫生也對這種會放電的魚有相應的描述。另外一方面，當時地中海附近的文化已經知道了有些物質，比如棒狀的琥珀可以在與貓的皮毛摩擦后產生吸引輕小物質的性質，哲學家Thales對這一現象進行了一系列的觀察，但他錯誤地認為摩擦造成的原因是琥珀具有磁性。直到1600年，英國科學家William Gilbert才對這個現象給出了正確的解釋，并引入了電這個概念。

關于電的本性的探討在最初的電學科學史上占據了重要的地位，Benjamin Franklin通過風箏實驗，證實了閃電也是電（1752年）；隨后，Luigi Galvani證明了生物電也是電（1791年）。18世紀電學發展的另一個重要內容是電的產生和儲存。Otto Vou Guoricke發明了摩擦起電機，Pieter Van Musschenbroke發明了萊頓瓶儲存電荷，Alessandro Volta發明伏打電池，使用的是電化學反應，為科學研究電學現象提供了穩定的電源。電學早期的科學史上的一個高峰是1785年Charles-Augustin de Coulomb通過扭秤實驗得到的庫侖定律，該定律指出了電荷之間相互作用的定量結果。

2.2 磁學

磁（magnetism）來自于希臘語。古代的人們注意到磁鐵礦的碎片可以吸引鐵，由此發現了磁。中國歷史上對于磁學的最早記載見于鬼谷子一書（公元前4世紀），《呂氏春秋》也對磁石吸鐵的效應有記載，11世紀的中國科學家沈括在《夢溪筆談》里留下利用磁石精確導航的記錄。

1600年，英國科學家William Gilbert發表著作探討了磁現象，并提出地磁的觀點。在Gilbert之后，磁學的發展相比起電學顯得較為緩慢，一直到電磁統一，磁學才有了快速的發展。

2.3 光學

光學早期的探討多數限于思辨，缺乏充分的實驗證據。1015年前后Ibn Al Haythem（近代光學之父）寫成的《光學》7卷，總結了早期希臘學者對光的認識。光學的發展最重要的問題是對于光的本性的認識，于17世紀形成了以Rene Descartes和Isaac Newton為代表的微粒學說和以Robert Hooke和Christiaan Huygens為代表的波動學說。

早期微粒學說一直被人們接受，直到19世紀初，Thomas Young的雙狹縫干涉實驗表明光遵循波的疊加定律，這是牛頓微粒學說所無法解釋的現象。這個結果從實驗上證實光的波動學說。Augustin-Jean Fresnel在惠更斯原理上進一步提出了惠更斯-菲涅爾原理，為波動理論提供了一個更加定量的描述，并得到一系列被后續實驗證實的預言。這些實驗和理論上的發展為波動理論爭取到勝利。

3 電學、磁學和光學的相互統一

電磁統一的道路上，康德的哲學觀產生了重要的影響，康德的哲學使得人們相信眾多的物理現象有著統一的根源。丹麥物理學家Hans Christian Oersted接受了這一觀點，并為實驗上實現電流的磁效應奮斗了20多年。1820年Oersted公布了實驗結果：電流可以產生磁場，為電磁統一開啟第一步。

Andre-Marie Ampere針對Oersted的實驗提出了判斷電流周圍磁場方向的安培定則以及磁體產生磁性的分子電流假設，通過設計的四個示零實驗結合數學技巧得到了電流之間相互作用力的安培定律。Jean-Baptiste Biot和Felix Savart兩人做了一系列實驗，經過Pierre-Simon Laplace的數學理論幫助，于1822年提出了畢奧-薩伐爾定律，給出了載流導線產生的磁場表達式。

Oersted發現電流的磁效應之后，人們一直致力于實現磁生電。1831年，Michael Faraday發表了電磁感應的實驗現象。Faraday所發現的結果可以總結為磁通量變化產生感應電動勢，這一現象的數學表達式由Franz E.Neumann和Wilhelm E.Weber共同提出。

自法拉第的實驗之后，電磁在實驗上的統一已經完成，理論上的統一處理呼之欲出。James Clerk Maxwell于1865年提出了麥克斯韋方程組，并于1873年出版了《電磁學通論》。至此，電磁學的理論和實驗上的統一全部完成。同時Maxwell從麥克斯韋方程組出發推導出電磁波的存在，計算得到電磁波的傳播速度，確認其和光速之間的等量關系，大膽預言了光是電磁波。Heinrich Rudolf Hertz于1887年利用十分簡陋的實驗條件設計實驗產生并觀察到了電磁波，1888年他將實驗成果發表。至此，人們確信麥克斯韋方程組這一真理，并接受了光是電磁波的觀點，電學、磁學和光學至此統一。

4 后續影響

電磁光統一之后，對于電磁現象和光學現象，人們的認識有了質的飛躍。麥克斯韋方程組既是對已有工作的總結，也提出了新的問題，包含著新的原理。

第一個問題就是，麥克斯韋方程組的參考系問題，早期人們假想了“以太”的存在，認為電磁波是在“以太”中傳播，Albert A.Michelson、Edward W.Morley的干涉實驗就是為了證明“以太”的存在而設計的，但1881年和1887年兩次的實驗結果表明，“以太”沒有被探測到。1905年Albert Einstein建議放棄“以太”的概念，發展出來一套狹義相對論的理論體系。這一理論是對時空的全新理解，并在之后的物理學發展過程中對包括牛頓力學和麥克斯韋電磁理論在內的幾乎所有物理領域都產生了不可磨滅的影響[3]。

第二個問題是關于光的本性的問題，光是電磁波雖然已經被認識到，但對于黑體輻射以及光電效應，麥克斯韋的電磁理論并不能給出很好的解釋，這導致了光量子的概念以及量子力學的早期發展。1900年，Max Planck提出“光量子”的能量上的概念解釋了黑體輻射；1905年，Albert Einstein將“光量子”的概念推廣為“光子”，完美解釋了光電效應；1923年，Arthur Compton從實驗上發現了康普頓效應，為“光子”的概念提供了實驗上的證據。關于光的波粒二象性從理論上和實驗上均已確立，隨著量子論的發展，終于形成了描述光和電磁現象的量子理論，也即量子電動力學。這是現代物理學處理電磁相互作用的基石，也為強相互作用和弱相互作用的理論提供了一套合適的方法。

5 結語

本文回顧了電學、磁學和光學在科學史上的獨立發展和相互統一的歷程。在這一段歷史中，我們可以感受到物理學各個分支之間的聯系，感受到近現代物理是前人嘔心瀝血經歷長達幾百年探索的結晶。厘清這一歷史過程，對于物理學未來的發展有著啟明的作用。

參考文獻

[1]李林，單長吉，徐楠，潘夢鵠.電磁學發展歷史概述[J].吉林省教育學院學報（學科版）， 2011，27（02）：136-137.

[2]馬明祥.光學的發展歷史概述[J].大眾科技，2007，（05）：82-83.

[3]張元仲.從牛頓力學到狹義相對論[J].力學與實踐，2005，（04）：1-6+13.