《人类科学技术史-214》十六、十七世纪热学、磁学和声学

十六、十七世纪热学、磁学和声学
1.热学 （1）对热现象的研究

近代前期，对热学的研究尚处于起步阶段。

关于热的本质，还存在着不同的看法。弗朗西斯.培根在其1620年出版的《新工具》一书中，认为热是一种运动。而差不多与他同时代的法国学者卡桑狄(1592-1655年）则指出，热是由特殊种类的原子组成的。

这种分歧在一定程度上是对热的传统认识上的差异的延续。柏拉图曾强调热是一种运动，而亚里士多德关于火的概念则认为，火是四种物质元素之一。而在近代初期，人们也还很少明确区分热和火。

然而，用实验方法研究热现象的过程也已开始。如关于热的幅射问题，意大利学者波塔在1589年就已认为，凹镜能够反射热、冷、光和声。他描述了这样一种情况：在镜前放一支点燃的蜡烛，当眼睛位于共轭焦点时，眼睛能感觉到蜡烛发出的热和光；而如果把雪放在蜡烛的位置上，冷也会被反射。

弗朗西斯.培根曾经作过用取火镜来聚焦看不见的热的实验，发热体是被加热的铁、石头或沸水。

到17世纪下半期，玻意耳、胡克、马略特等著名学者把热学研究向前推进了一大步。

（2）温度计

随着对热现象研究的展开，出现了测试温度的仪器。一般认为，近代第一个温度计，是伽利略根据空气受热膨胀的原理制作出来的。伽利略的学生维维安尼认为，伽利略约在1592年就已发明了这种测量冷热程度的仪器。伽利略的朋友卡斯特利，也曾详细地描述了他在1603年目睹的伽利略使用温度计检测冷热程度的演示。这种温度计是一根下端开口、上端为一球泡的细玻璃管。伽利略先将玻璃泡加热，然后将开口的一端浸入水中。随着玻璃泡温度的下降，泡中的空气收缩，玻璃管中的水上升到容器内的水面以上。玻璃管上标有刻度以显示冷热的程度。

这种温度计后来由伽利略的朋友、帕多瓦大学的医学教授圣托里奥加以改进后用于测量人体温度。弗朗西斯.培根在《新工具》中，也描述了一种和伽利略的测温计类似的仪器。这种空气温度计的缺点，是受空气压力变化影响而不很精确，但在17世纪上半期是被广泛采用的。

1632年，法国医生让.莱伊首先提到了液体温度计。他提出，可以把伽利略的测温计倒过来用，即在玻璃泡中装满水，把它放在发烧病人的手中，水受热膨胀而在玻璃管中上升，以此来显示温度的高低。但他很可能没有把玻璃管开口的上端封死，而管子若是开口的，水的蒸发就会影响测量的可靠性。

约在17世纪40-50年代，托斯卡纳大公斐迪南二世实现了液体温度计的一个重大改进。他用染色的酒精代替水作为测温液体，并把玻璃管密封。其刻度是用细小的玻璃珠直接制在玻璃管上的。这种温度计制作时在玻璃泡的大小、玻璃管口径、酒精的量这三者关系上都保持一致，因而它们显示的刻度也都基本一致。

此后，玻意耳、胡克、惠更斯、哈雷、牛顿以及其他不少科学家，都曾为确定温度计的定点而提出过方案。但温度计趋于完善已是18世纪的事了。

2.磁学 （1）吉尔伯特的实验与发现

1558年，中世纪法国学者帕雷格伦纳斯(生卒年不详）写于1269年的《关于磁石的书信》的手稿发表了。帕雷格伦纳斯详细介绍了作为航海仪器的罗盘，描述了磁石的性质，讨论了磁石两极的确定、磁极的相互作用、接触引起的磁化以及磁感应等问题，还推测磁力可以转化为动能。帕雷格伦纳斯的作品问世说明了近代初期人们对磁的现象的兴趣增长，同时也促进了磁学研究。

1600年，近代磁学的奠基人、英国物理学家威廉.吉尔伯特(1544-1603年）所著《论磁石、磁性物体和大磁体地球》一书出版。吉尔伯特曾在剑桥大学学医，1569年获得医学博士学位，后来在伦敦行医，1600年成为伊丽莎白一世女王的御医。但吉尔伯特的主要兴趣和成就不是在医学方面，而集中于磁和电的研究。他的著作总结了自己多年工作的成果，其中包括对自己所做的600多个实验的介绍。

吉尔伯特发现，磁体永远有两个极：北极和南极，在分割磁体时，也永远不会得到只有一个磁极的磁体；同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引；在磁体影响下，铁制物品可以获得磁性；如果在天然磁石两极包上铁，能够使其磁性显著增强。

吉尔伯特最重要的科学贡献，是发现了地球本身是一个巨大的磁体。他的这一结论是从实验中导出的。他用一个球形磁石和一根罗盘用指针做了这个实验，把指针放在球形磁石的表面，按指针所指的方向在球形磁石表面画出一条环形线。然后相继改变指针在球面上的位置，每次都得到一条环形线。

所有的环形线都通过球形磁石上两个相对应的点，这两个点就是磁石的两极。吉尔伯特发现，在移动指针时，它对于球形磁石表面的倾角随着它与两极在距离的变化而变化。这使他联想起磁倾针在地球不同纬度上倾斜度的变化。在此之前，已有人注意到了磁倾角的问题，如德国牧师哈特曼在1544年发现了磁化针对于水平面的倾角；英国学者诺曼在1576年用自己制作的磁倾针在伦敦测量了磁倾角，并得出其值为71°50′。吉尔伯特认为，球形磁石的磁性对应于地球的磁性，即地球就是一个巨大的球形磁体，而他用于实验的球形磁石就是一个微形地球。他还猜想，其他天体，特别是太阳和月亮，也象地球一样具有磁性。这个观点后来被刻卜勒接受和发展了。

吉尔伯特的实验和研究还发展了有关电的知识。在他之前，人们对电的认识基本上停留在古希腊哲学家泰勒斯所描述的琥珀经摩擦会产生电的水平上。吉尔伯特设计制作了一台验电器，由一个尖顶支枢支承一根能够灵活转动的指针。他把钻石、宝石、玻璃、水晶、硫磺、树脂等各种物体摩擦后靠近指针，看指针是否被吸引向这些物体。通过这样的实验，他得出结论：琥珀的性质是许多其他物质共有的。他把这些物质称为"带电体"，而把金属物质列为"非带电体"的主要项目。他当时还不知道，金属这类导电物质在摩擦时产生的电荷会很快失去。

在吉尔伯特之后，对磁和电的现象的研究进展缓慢，很长时间内没有多少新的发现。

（2）其他磁学著作

和吉尔伯特同时代的巴洛(-1650年）是英国索尔兹伯里的副主教，也热衷于对磁的研究。他在1613年出版了《磁的广告》一书，其中最主要的内容，是改进了励磁方法和安装罗盘指针的方法，并区分了铁的磁性质和钢的磁性质。

17世纪上半期，还出现了一些介绍利用磁作为治疗疾病和创伤办法的书，如比利时医生赫尔蒙特(1577-1614年）的《磁学论》、德国耶稣会教士阿撒纳修斯.基歇尔(1601-1680年）的《磁石，或论励磁的方法》等均以此为主题。但基歇尔的书中也提到了一些有意思的实验和见解。他曾用天平来衡量磁石的磁力，还用磁的作用解释了自然界的一些现象，如鸟类的飞行等。

1629年，意大利耶稣会教士卡贝奥也写了一本名为《磁的哲学》的书，其中特别注意到了铁的磁化。

3.声学 （1）伽利略和梅森：振动与音调

近代对声学的研究也始自伽利略。他对摆的振荡定律的发现，引起了他对弦的振动以及和应振动现象的注意。他做了这样一个实验：用一块薄铁片在一块黄铜板上以不同速度来回划动，每当产生一个清晰的律音时，就记下铜板上留下的一条条等距离线痕的数量。划动的速度较快时，获得的律音较高，铜板上留下的线痕数目较多且间距较小；而划动速度较慢时，获得的律音较低，线痕的数量较少而间距较大。通过这样一个简单的实验，伽利略首先指出，振动频率是决定任何发声体所产生的律音音调的主要因素。

法国学者梅森(1588-1648年）也做了很多实验，研究弦的振动。他确定了一个律音的音调与产生该音的给定材料的弦的长度、粗细和张力之间的关系。他对用金、银、铜、黄铜、铁制成的弦作了比较，发现当弦的长度、粗细和张力都相等时，产生的音调和金属的比重成反比。

（2）卡桑狄：声音的速度

关于声音的速度问题，在17世纪上半期引起了学者们的注意。亚里士多德曾认为，在空气中，高音的传播速度比低音快。但卡桑狄(1592-1655)认为，这个结论是不正确的。他做了一个实验，让一门炮和一支枪朝某个方向射击，让一些人在一定的位置上注意射击的闪光和声音。他测量了他们从看到闪光到听到声音之间的时间间隔，然后把从他们到发射地点之间的距离除以这个时间，从而得出了声音的速度。实验和计算结果表明，炮和枪的射击所产生的声音的速度是一样的。由于当时条件的限制，他得出的声音在空气中的速度与实际音速比较高出了不少。而在有关风向是否影响声音速度的问题上，他错误地认为不论风向如何，声音的速度都是一样的。这一看法直到18世纪初才得到纠正。