七、从事物理学研究

世纪初，在著名的探险家、科学家洪堡（1769—1859）的倡议和引导下，欧洲许多国家掀起了地磁观测的热潮。地磁观测即是用专门仪器测定各地磁场强弱和方向的变化规律及其异常的观测。洪堡是高斯的朋友，1804 年，他从南美探险归来后，成立了“地磁观测协会”，并就任理事长。洪堡想吸引高斯研究地磁学，他将丰富的地磁观测资料带给高斯看，高斯对此十分感兴趣。但是，由于当时高斯正从事天文学研究，因此，没有更多的精力从事地磁学的研究。洪堡并不罢休，1828 年他再次拜访高斯，并且带去了更为丰富的资料。洪堡告诉高斯，现在的问题已经不是资料不足而是如何对资料进行科学的处理。他希望高斯从事地磁学研究。这时，高斯已基本结束了大地测量工作，有充分的时间来做这方面的工作。恰巧，那一年，一个比利时物理学家表示愿意协助高斯做地磁实验，这就促使高斯下决定从事这项工作。不久，高斯即投入了对地磁学的研究。在不到两年的时间里，他解决了怎样在地表任何一点测量地球磁场强度的问题，发明了磁强针，并撰写了《引用绝对单位的地面磁压》一书。

1831 年，德国青年物理学家韦伯（1804—1891）在高斯的推荐下，应聘到哥廷根大学任物理教授。从此，两人紧密合作从事地磁学的理论和实验研究工作。尽管他们两人的年龄相差 27 岁，但却合作得非常出色。韦伯是个实验家，高斯则是以理论见长的科学家，由韦伯通过实验得出的结果，高斯通过理论阐述常常变得更为深刻而又清晰。高斯通过理论分析得出结论：“磁场是从地球实体内产生的。”它不仅定出了磁场成因的范围，而且正确地把人们的注意力引向发生地磁场的地球物理机制的研究。

1833 年，高斯与韦伯在哥廷根天文台内建造起世界上第一座“地磁观测台”，为了避免观测时受钢铁的干扰，地磁台全部用钢来建造。他还组织了“磁学会”，出版了刊物。这一年，高斯还建立了物理绝对测量系统的理论。在这一系统中，他把磁场、磁场强度等都归纳为长度、时间和质量三种基本量。他的《地磁论》和《作用的吸引力和排斥力同距离平方成反比的总定理》两篇名著就是在这时写成的。

《地磁论》列举了高斯和韦伯用新的观测方法获得的大量精确观测数据，记录了地磁场每分钟的变化。高斯认为，地球是一个大磁体，其南北极同地理南北极并不精密吻合，地磁位可按高阶球函数展开。高斯通过这样的计算，求出了地磁极的概略位置。后来，一艘北极考察船到达高斯算出的磁极附近，证实了这一理论的正确。

《作用的吸引力和排斥力同距离平方成反比的总理论》导致了数学物理学这门边缘学科的诞生。高斯在对电粒子和磁极之间引力的研究实验中，证明了在引力场中两物质间存在的引力大小同距离平方成反比。他掌握了位于抽象面中力的规律，从而发展了力学、静电学和流体静力学的原理。他用势论作为基本概念，分析出必要的力都可以从无穷远的质点取得。

高斯与韦伯的合作中，最重要的发明是 1833 年至 1834 年间创制的电磁电报。1821 年，法国物理学家安培（1775—1836）提出了用电磁装置传送信号的意向后，许多人开始研究它。1832 年，俄国科学家帕尔·希林格首先在彼得堡的夏宫和冬宫之间建立电报联系，一年后，高斯和韦伯便发明了电磁电报。高斯与韦伯的电报机比帕尔·希林格的电报机水平要高得多。他们自

己制作了一个电磁感应器，借助它可在两地之间产生较强的电磁脉冲，从而实现两地的通讯联系。收报的一方可用一个磁棒和读数反光镜作为收报机，它和发报机之间用电线连接，就可以看到感应器上显示出来的每一个电流脉冲。

韦伯负责电报机的完善研究。他同哥廷根大学的机械师米歇尔曼一起，安装了一条从城内到天文台内 2 公里的双路电线。途中要通过一些道路和障碍物，铜线常常被来往的车辆和行人破坏，他们改用涂漆的铁丝。为了保护线路，最后他们不得不雇用更夫。通讯工作完成后，发报时按“字母表”的顺序在感应器上不断地发送电流脉冲，收报者则利用磁棒的偏移量来确定发来的字母。第一次发报的电文是：“米歇尔曼，快来！”

电磁电报通讯的成功，使高斯看到了电报技术发展的巨大前景，但是他无力负担巨大的试验费用。对此高斯说：“如果有几千塔勒在我手中，一定可以使电报技术更加完善，届时，俄国沙皇的命令无需经过一站站地中转即可迅速传到奥德萨，甚至更远的基亚希塔。”

现在通常把电报的发明权授予美国的莫尔斯（1791—1872），这是因为莫尔斯在 1837 年设计成功了一台有实用价值的电报机，并首次获得专利。

1844 年，莫尔斯又建立了从华盛顿到巴尔德摩之间的英国第一条电报线路，拟出了专门的电报代码——莫尔斯电码。但就电报发明的时间而言，高斯和韦伯的电报在莫尔斯的电报之前。

为了纪念高斯对磁学理论的重要贡献，物理学界将磁场强度的度量单位定名为“高斯”。

除磁学外，高斯在光学上也作出了成绩。约 1835 年，哥根廷天文台安装一台目镜测微仪。在使用中，高斯发现从仪器中测得的数据与按公式计算所获得的结果总有误差。高斯相信自己的计算没有错，仪器也是完好的，那么问题只能出在用作计算出发点的公式上。经过仔细的研究，高斯终于查明公式没有顾及光学玻璃系统的厚度。后来，高斯对这个问题进行了专门研究，创立了中心光线通过任意光学系统的光程理论。

在毛细管现象和结晶学的理论研究上高斯同样也留下了重要成果。