李國峰

摘要筆者對(duì)赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)做了研究。參照赫謝耳的信件，分析了赫謝耳實(shí)驗(yàn)的過程和思想，認(rèn)為赫謝耳的工作為解讀近代電磁學(xué)發(fā)展?fàn)顩r提供了新素材。

關(guān)鍵詞赫謝耳；磁光聯(lián)系；實(shí)驗(yàn)

赫謝耳（John Frederick William Herschel，1792-1871）是近代著名天文學(xué)家，除了天文學(xué)方面的卓越成就，其研究還涉及到電磁學(xué)領(lǐng)域。赫謝耳認(rèn)為磁與光存在某種聯(lián)系，并在1822-1825年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。這方面的研究目前還較為少見，有必要對(duì)赫謝耳的相關(guān)工作和思想進(jìn)行考察，對(duì)其意義做出評(píng)價(jià)。

1赫謝耳的實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)的緣由：1820年，赫謝耳注意到，當(dāng)一束偏振光通過石英晶體時(shí)，偏振光偏振面沿著光線行進(jìn)方向有的向逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，而有的向順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。通過進(jìn)一步觀察，赫謝耳發(fā)現(xiàn)，這是兩類不同結(jié)構(gòu)石英晶體的固有現(xiàn)象，即偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)呈現(xiàn)螺旋對(duì)稱性，從而發(fā)現(xiàn)石英有“左旋”與“右旋”之分。他還觀察到，磁針在電流作用下的偏轉(zhuǎn)也具有螺旋對(duì)稱性（指電流磁效應(yīng)一筆者），與光線通過某些物體時(shí)偏振面的旋轉(zhuǎn)很相似，于是猜想“電”和“光”可能存在某種聯(lián)系，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，時(shí)間約在1822-1825年。但從實(shí)驗(yàn)過程看，赫謝耳事實(shí)上是尋求“磁”與“光”的聯(lián)系。

2）實(shí)驗(yàn)過程：赫謝耳于1822-1825年間做了2個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想。一個(gè)陶制管中放置銅質(zhì)螺旋，一對(duì)黑色玻璃板布置在陶制管的開口附近，光束在第一塊玻璃板反射，穿過螺線管，在另一塊玻璃板上反射。光束在第一塊玻璃板反射后，獲得偏振光，赫謝爾認(rèn)為從另外一塊玻璃板能看光束偏振面的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用折疊導(dǎo)線取代陶制管和銅質(zhì)螺線管，依然沒有看到期望中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

考察赫謝耳的實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)發(fā)現(xiàn)，他實(shí)質(zhì)上是在尋求“磁”和“光”之間的聯(lián)系，因?yàn)槠窆獠还苁谴┻^螺線管還是通過通電導(dǎo)線附近，都是利用電流的磁效應(yīng)對(duì)偏振光施加影響。

赫謝耳認(rèn)為，當(dāng)偏振光沿軸方向穿過通電銅螺線管時(shí)，應(yīng)當(dāng)能夠觀察到偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)（如圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，他期望中的現(xiàn)象并未出現(xiàn)。赫謝耳把通電螺線管換成三折直導(dǎo)線（如圖2所示），但依然未能觀察到他預(yù)想的現(xiàn)象。

赫謝耳沒有來得及找出其實(shí)驗(yàn)失敗的原因。作為天文學(xué)家，他此后的主要興趣與精力都放在了天文學(xué)方面。直到1845年，聽說法拉第發(fā)現(xiàn)了“磁”與“光”存在聯(lián)系的證據(jù)，赫謝耳才再次關(guān)注這一問題，并與法拉第進(jìn)行了交流。

2赫謝耳與法拉第的討論

2.1赫謝耳的觀點(diǎn)

日晷根據(jù)太陽影子的長短和影子的方向來判斷時(shí)間：早上時(shí)，影子在西方且最長；中午時(shí)，影子在北方且最短；傍晚時(shí)，影子在東方且從中午時(shí)逐漸變長（以北半球?yàn)槔?。一般來說，古代人們通常會(huì)選用根據(jù)影子的方向來判斷時(shí)間，可能因?yàn)橛白拥姆较虮阌诒鎰e而影子的長短不便于測(cè)量。

赫謝耳于1822-1825間的實(shí)驗(yàn)以失敗告終。1845年9月13日，法拉第在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了磁光存在聯(lián)系的證據(jù)，即“磁致旋光”效應(yīng)。同年11月3日法拉第向皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了自己的發(fā)現(xiàn)，11月8日“Athenaeum”的每周漫談專欄做了相關(guān)報(bào)道，赫謝耳看到此報(bào)道后，于11月9日給法拉第寫了一封賀信。在這封信中，赫謝耳除了對(duì)法拉第的重大發(fā)現(xiàn)表示祝賀和探詢?cè)斍橥?，還詳細(xì)介紹了自己早年的實(shí)驗(yàn)。赫謝耳在信中說：“有3種類型的螺旋不對(duì)稱現(xiàn)象，第一種是在石英之類晶體的旋光現(xiàn)象，第二種是當(dāng)光通過某些固體和液體時(shí)發(fā)生的光偏振面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表示在光線和分子中的螺旋不對(duì)稱，或者在光線中的能力受到后者中的特性的影響。第三種是直流導(dǎo)線附近小磁針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這三類現(xiàn)象有相似的特點(diǎn)，我認(rèn)為電流和偏振光之間存在某種聯(lián)系，光偏振面一定會(huì)被磁電偏轉(zhuǎn)”。

從這段敘述可以進(jìn)一步得知赫謝耳尋求磁光聯(lián)系較為詳細(xì)的緣由。赫謝耳把三類螺旋對(duì)稱性進(jìn)行了類比，一是有些具有旋光性的晶體，由于結(jié)構(gòu)不同使其旋光能力有左旋與右旋之分；二是具有旋光能力的液體，其分子結(jié)構(gòu)不同旋光性也不同，分為左旋和右旋液體；三是通電導(dǎo)線附近小磁針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向依電流方向不同也有所不同。

赫謝耳通過歸納推理認(rèn)為，光和電流之間存在相似現(xiàn)象，偏振光偏振面一定會(huì)被磁電所偏轉(zhuǎn)，且堅(jiān)信一定能夠被發(fā)現(xiàn)。

2.2法拉第的觀點(diǎn)

為說明法拉第的觀點(diǎn)，有必要介紹一下法拉第發(fā)現(xiàn)的“磁致旋光”效應(yīng)。如圖3所示，圓柱體是重玻璃，圓柱體外側(cè)的線圈為導(dǎo)線圈，箭頭所指方向?yàn)殡娏鞣较颍摼€代表偏振光線。當(dāng)磁力線和光線同向時(shí)，迎著光線看，光偏振面向左偏轉(zhuǎn)，如果磁力線與光線反向，則光偏振面向右偏轉(zhuǎn)。

1845年11月13日，法拉第給赫謝耳寫了回信。在這封信中，法拉第除了介紹自己發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)的情況，還談了實(shí)驗(yàn)的來由。法拉第說：

“我有一種強(qiáng)烈的哲學(xué)信念，認(rèn)為光、磁、電一定存在某種聯(lián)系，這種信念促使我在找到問題關(guān)鍵之前付出了百折不回的努力”。

由這段引文可知，與赫謝耳通過類比猜測(cè)可能光和磁之間具有某種聯(lián)系不同，法拉第認(rèn)為磁與光存在聯(lián)系，很大程度上是一種哲學(xué)信念使然。

2.3法拉第指出了赫謝耳實(shí)驗(yàn)的失敗原因

法拉第認(rèn)為，光介質(zhì)選取不合適乃是導(dǎo)致赫謝耳實(shí)驗(yàn)失敗的原因。法拉第說：

“……你在實(shí)驗(yàn)中沒有得到任何結(jié)果，原因并不在于你所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，即使你使用再強(qiáng)的電池給螺線管供電，結(jié)果依然如此，因?yàn)槠駷橹?，我還沒有能夠在空氣或任何氣體中發(fā)現(xiàn)光偏振面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)?！?/p>

由這句話可知，法拉第本人還沒有在空氣或者任何其它氣體中觀察到“磁致旋光”效應(yīng)，而在赫謝耳的實(shí)驗(yàn)中，光介質(zhì)恰恰是空氣，如圖1和2所示。

因此，赫謝耳的研究思路正確，只是由于光介質(zhì)選取不合適才使得他與“磁致旋光”效應(yīng)失之交臂。

2.4赫謝耳與法拉第的分歧endprint

關(guān)于“磁致旋光”效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，法拉第認(rèn)為是光線被磁化或者是電力線被顯明。赫謝耳則認(rèn)為透明體在磁力作用下具有了水晶那樣的plagiedral面，從而具有旋光性。赫謝耳還認(rèn)為，除了磁力，其他方式也可使透明體產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，例如機(jī)械扭力。赫謝耳本人沒有做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹給了法拉第，由法拉第進(jìn)行了驗(yàn)證。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)如圖4所示，一塊六角形透明體棱柱，下部固定在一塊板上，上部安裝一個(gè)扳手，以便施加機(jī)械扭力。偏振光由B-A方向通過透明體，R為一觀測(cè)用的尼科耳棱鏡。赫謝耳認(rèn)為，通過此裝置就能觀察到“旋光”效應(yīng)。

法拉第在1846年1月15日做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，施加于透明體的機(jī)械扭力不會(huì)使偏振光偏轉(zhuǎn)，但是意外地發(fā)現(xiàn)這種方法對(duì)偏振光有退偏作用。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果很是出乎謝赫耳和法拉第的意料。

3赫謝耳工作的意義

由于赫謝耳探尋磁與光聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)沒有成功，亦沒有公開發(fā)表相關(guān)思想，與法拉第的交流也是在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之后，以致當(dāng)時(shí)影響不大。但赫謝耳的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想及對(duì)“磁致旋光”效應(yīng)機(jī)理的解讀，于后世了解19世紀(jì)電磁學(xué)發(fā)展?fàn)顩r方面有積極意義。

赫謝耳的實(shí)驗(yàn)裝置與法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)的裝置相比，并無實(shí)質(zhì)差別，只是由于光介質(zhì)種類測(cè)試不夠多，以致功虧一簣。赫謝耳從歸納類比思想出發(fā)認(rèn)為磁與光存在聯(lián)系，反映了其思想深受牛頓機(jī)械論自然觀影響；但當(dāng)時(shí)這種自然觀已經(jīng)出現(xiàn)諸多衰落跡象，因此赫謝耳實(shí)驗(yàn)的失敗，實(shí)驗(yàn)技巧略遜一籌是外因，自然觀的落后才是內(nèi)因。至于對(duì)“磁致旋光”效應(yīng)機(jī)理地解讀，按照現(xiàn)代理論解釋，“磁致旋光”的起因乃是，磁場(chǎng)引起光介質(zhì)各向介電張量變化不同所致，這是從微觀領(lǐng)域考慮問題。赫謝耳從光介質(zhì)結(jié)構(gòu)考慮問題本無錯(cuò)，但由于其思想立足點(diǎn)是機(jī)械論自然觀、加之當(dāng)時(shí)技術(shù)手段和理論還沒有能夠深入到微觀領(lǐng)域，因此他不可能對(duì)場(chǎng)論背景下的“磁致旋光”效應(yīng)機(jī)理做出很好解答。

還有一個(gè)問題需要澄清?？āゑR諾洛夫認(rèn)為赫謝耳在1822-1825年問的實(shí)驗(yàn)對(duì)法拉第有很大影響，這一說法幾成定論，導(dǎo)致后人以為赫謝耳的工作與法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)存在傳承關(guān)系。其實(shí)不然，在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之前，他們對(duì)彼此的研究并不知情。如前文所述，法拉第做出發(fā)現(xiàn)在前，赫謝耳與法拉第的交流在后，如果赫謝耳對(duì)法拉第有影響，那么法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)很可能要早于1845年。

4結(jié)論

綜上所述，通過詳細(xì)考察赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的工作可以得到如下認(rèn)識(shí)。第一，赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的緣起是受晶體、液體使偏振光偏轉(zhuǎn)及通電導(dǎo)線使小磁針偏轉(zhuǎn)具有螺旋對(duì)稱的啟發(fā)。第二，赫謝耳的實(shí)驗(yàn)沒有取得成功，除了實(shí)驗(yàn)技巧不夠過硬外，還由于他持有的、當(dāng)時(shí)己開始衰落的機(jī)械論自然觀影響。第三，赫謝耳在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之后才與法拉第進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流，以致赫謝耳的實(shí)驗(yàn)和思想沒有產(chǎn)生應(yīng)有的影響。第四，赫謝耳試圖從光介質(zhì)結(jié)構(gòu)解讀“磁致旋光”效應(yīng)的起因，但由于其思想立足點(diǎn)是機(jī)械論自然觀，所以不能對(duì)這種場(chǎng)論背景下的新現(xiàn)象做出解釋。最后，赫謝耳探尋磁光聯(lián)系的工作盡管以失敗告終，其過程和思想，卻為解讀近代電磁學(xué)發(fā)展?fàn)顩r提供了新素材。endprint