声音的媒质

自从亚里士多德时代起，或许还要早，人们已经相信空气是传播声音的通常媒质。这个信念在近代之初仍然为人们所普遍接受，虽然有些思想家认为作为这种媒质的仅仅是空气的某些部分，而(288)不是其全部。例如，伽桑狄把这种功能划归特殊的原子，而德勒姆则认为究竟是空气本身，还是某种以太微粒甚或物质微粒传播声音，仍是个悬而未决的问题。梅朗（1719 年）甚至提出，不同音调的声音是由相应弹性的空气微粒分别传播的，否则他无法理解，为什么同一团空气能够同时传递这么多不同音调的声音（Mèm. del’ Acad.de ssciences，1737）。不管怎样，在抽气机发明之前，关于空气传播声音的功能这整个问题只能停留在猜测上面。随着这种仪器问世，才可能进行，并已经进行了实验。

抽气机发明人盖里克自然第一个进行了有关空气和我们对声音的感知这两者之间关系的实验。盖里克在他抽气机的容器里用一根线悬挂一只铃，由一个时钟机构使它敲响。他发现，随着客器中空气被抽去，铃声变得越来越轻。玻义耳、在他以后又有帕潘也都做过类似实验。开始时把容器里空气抽空，这时听不到里面的铃或者哨子发出声音；然后用管子或者通过哨子的孔让空气徐徐进入容器，于是声音就越来越听得清楚了（图 164）。

图 164—空气是声音的媒质

1705 年，豪克斯贝重做了这些实验，并作了有独创性的改进。他把一个里面有空气和一只铃的小球放在另一个大球里面。内球与外部的空气用一根开口的管子连通。两个球之间空间里的空气用抽气机抽空。当把连通管口封住时，铃声几乎听不见；但当管口打开时，铃声就可以清楚地听到。在另一个实验里，他把一个铃放在玻璃瓶里，里面的空气处于大气压。这时在三十码以外也能清晰地听到铃声。当瓶中的空气压缩到两个大气压时，在六十码(289)以外也能清晰地听到铃声。而当瓶中空气压缩到三个大气压时，就是在九十码外也能清晰地听到铃声（Phil. Trans., Vol.XXiVNo. 297）。普利斯特列和佩罗尔后来证明空气以外的其他气体也能作为传播声音的媒质。

最先用实验证明声音通过空气传播的盖里克，还发现声音同样也通过水甚或固体传播。他提出的水是声音媒质的证据并不确凿。他的根据是，能够教会鱼按铃声来进食。这种鱼究竟是为声音还是情景所吸引的问题，至今仍在争论之中。豪克斯贝为声音通过水的传播提供了较好的证据。他用一根绳子把一个内有空气和铃的玻璃瓶放到水下。当铃发声时，可以非常清晰地听到，虽然这声音听起来比平时粗糙刺耳。1748 年，阿德隆提供了更好的证据。他得到潜水员的帮助而断定，各种声音在水下都能听到。直到那时为止，看来还没有人试图确定声音通过水的速度。固体媒质的研究也差不多。诚然，胡克用绷紧的长绳做过一些实验；但他得出了错误的结论：声音通过固体的传播是瞬时的。

（参见边码第 274 页上有关物理学的书。）

第十三章物理学：(290)Ⅳ.磁学和电学前驱

世界各地到处都有天然的磁性氧化物，在希腊语和拉丁语文献里屡屡可以见到有关天然磁石性质的描述。由这些记载显然可见，古代人已经知道磁石具有吸引和排斥铁的东西并把和自己相似的性质传给它们的本领。据说中国人很早就已知道磁石在自由悬置时能指示南北方向这个性质；而直到十二世纪欧洲文献里才开始提到航海罗盘这种新的导航仪器，以前西方显然不知道这个重要的应用。现在还不明白，这种仪器到底是阿拉伯人或欧洲水手从东方引进的，还是独立发现的。十三世纪和以后几世纪的作家们对罗盘针的性质相当感兴趣，他们纷纷猜测它指向大熊星座、北极星、某座神秘的山，如此等等，不一而足。这种仪器早期主要是水罗盘：一个磁化铁体浮在一个盛水容器里的木头上，人们注视铁体所指的方向。有时采用一个磁他的铁浮子。后来出现了有支枢的罗盘针和标度盘，后者是一个轻质的圆盘，装在针的上面，分成三十二个等间隔的“点”，正北方用一个鸢尾标示。这种仪器封闭在有玻璃盖的木碗里，并适当地安装在船上，使之基本上不受船只运动的影响。

图 165—一种罗盘标度盘

(291)关于天然磁石性质的仔细的实验研究，已知最早的记述见于皮卡德·皮特勒斯·帕雷格伦纳斯 1269 年写的《关于磁石的书信》（Epistola de magnete）的手稿（英文译本：Epistle Concern- ing the Magnet,by Silvanus P.Thompson, London，1902）。帕雷格伦纳斯用一个球形天然磁石进行实验；他确定了两个磁极的位置，它们的磁效能显得特别强，并发现它们明显地表现出朝向北方和南方的倾向。他证明，同极相斥，异极相吸：只要强使两个相同的极合在一起，就可使一块磁石的极性反转；将一块天然磁石打碎，结果就变成两块磁体。他曾把球形磁石对其附近的探针的影响和所认为的天球对罗盘针的影响相类比，这是朝向吉尔伯特的更有价值的类比前进了一步。

十五世纪时已经发现（是什么时候由谁发现的，现在都还不知道），罗盘针一般不指向正北方，而是略向天文子午线倾斜一个角度，这个角度因地而异，间或消失（象哥伦布在他 1492 年航行时所发现的）。十六世纪时，水手们曾在世界各地测量这种磁偏角即罗盘的变化。这些早期的测定大都想必非常粗糙，往往只是沿着罗盘针朝北极星看去，记下偏移而得出结果。吉尔伯特在他的《磁石论》（De magnete）（Ⅳ，12）中叙述了当时几种比较精细的测定这种变化的方法。一种方法所应用的仪器有一根罗盘针给出磁子午线，仪器采取直立样式以投下一道阴影，使得能够根据阴影的长度和方向来确定太阳对于磁子午线的高度和方位角。在太阳于中午前后处于两个同样高度，因而和大地子午线距离相等时，测得两个这样的方位角。于是，这两种情形里的两个方位角之差的一半便给出了罗盘的变化。在另一个更适用于海上的仪器里，测量太阳或者一个已知恒星对磁北的角距离，再将之与根据正北计算出来的距离相比较，这样马上就可以推算出罗盘变化。

这些测量都直接出于实用的动机，因为航海者显然希望知道每个他可能去的地方的这种变化，从而可以考虑到这种变化。不过，他们还希望能够解

决测定海上经度的问题。一直到十八世纪；这个问题始终使航海者感到为难。观察者在地球上的位置通常根据经圈和纬圈来确定；然而，任何其他两个相交的曲线系也都可以(292)用于这个目的。当时以为，磁偏角在地球表面这样地变化，以致通过偏角值相等的点所画的线（等磁偏线）在地图上形成一族与纬圈相交的闭曲线。于是，一般说来，只要测定磁偏角和纬度，一个观察者就能够确定他的位置即两条轨迹（即一条等磁偏线和一条纬圈）的交点，从而也能间接地确定他的经度。起先人们曾希望：等磁偏线将形成一个规则的图形，而少数几次零星的测量是描绘不出它的；并且由这些线可以作出好几个图。但是，十六世纪的地磁勘测表明这种分布是不规则的，吉尔伯特还指出了其原因所在。约在 1620 年，一位米兰的耶稣会教士博里试图把所有已经用一系列曲线给出其变化的那些地点都联起来，从而根据观察画出大西洋和印度洋的等磁偏线（见 A. Kircher, Magnes,1641, p.503）。但是此后不久就发现，甚至这种曲线也不可能永久有用，因为随着时间的流逝，这种变化到处都在缓慢地改变。

象我们将会看到的那样，后来在十六世纪，人们试图用另一个可变的地磁要素来确定经度，这个要素就是磁倾角，即一根自由地悬置于其重心之上的磁化针对水平面的倾角。这个现象似乎是一位德国牧师格奥尔格·哈特曼在 1544 年发现的，不过他的观察不精确，他对这现象的解释也在长时间里一直无人能理解（见 Hel1- mann 的 Neudrucke, No. 10）。因此，只是由于一个杰出的罗盘制造家罗伯特·诺曼的独立发现，这现象才开始广为人们所知。1576 年，诺曼在伦敦用他自己制造的一种磁倾针测量了磁倾角，得出其值为71°50′。诺曼的书《新的吸引》（The newe Attractive）（1581 年）是最早出版的地磁学专著。这本书里有一个见解，即磁倾针所朝向的“它那个点”是在地球里面，可以通过在不同地点观察针的方向来发现它；这些方向将在这个所要找的点上全部相交。关于吸引磁倾针的中心位于地球，而不是天空上或者某座传说中的山上这个重要思想，似乎也是格哈德·麦卡托告诉人们的，这是走向吉尔伯特的综合的重要一步。

科尔切斯特的吉尔伯特(293)

近代磁学和电学科学的发展在很大程度上要归功于当时最伟大的英国实验家威廉·吉尔伯特。吉尔伯特生于 1540 年（按照某些典籍的说法，是 1544

年），从 1573 年起卜居伦敦行医。他当了伊丽莎白女王的御医，在她死的那年（1603 年）死去。

图 166—威廉·吉尔伯特

吉尔伯特把他十七年研究之成果写入他的伟大著作《论磁石、磁体和地球这个大磁石；一种新生理学》（De magnete，magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure;Physiologia No-va）（伦敦，1600 年）（英文译本：On the magnet, Magnetic Bodies Also，and on the Great Magnet the Earth,a New Physiology,by Silva-nus P.Thompson，London，1900）。这部著作主要研究磁学，只有一章论述电学。几乎贯穿全书的特点是，他按照弗兰西斯·培根的教导始终依靠实验结果，这同波塔和其他早期有关这个论题的著作家的习惯做法恰成对照。

图 167—伊丽莎白女王观看吉尔伯特的实验

在他的著作中，吉尔伯特开始先回顾了前人在这方面的工作，驳斥了一些荒诞传说，它们说什么天然磁石具有一些所谓的神奇莫测的性质和医疗效果（例如，一块天然磁石玷污了大蒜就会失去效能，而当侵入山羊血液里时便又恢复效能，等等）。然后他描述了各种天然磁石的存象和外观。他说明了确定磁石磁极的方法，为此用一块大小适中的强力球形磁石和一根短铁丝即一个由放在一支枢上的一根细小罗盘针构成的指向针。这根铁丝即指向针放在球形磁石的表面上，它所指示的方向用粉笔画在磁石上面，这样就画出了一个大圆圈。铁丝然后放在另一个点上，于是又得到一个大圆圈，如此等等。所有这些圆圈可发现都近似地通过磁石上两个正好相对的点：它们就是两个磁极（图 168 中的 A 和 B），而《磁石论》第一篇的主题便是关于它们的性质。虽然书中讨论的许多问题，吉尔伯特的前人都已经知道，但这些问题以前从未用这样清晰的科学语言论述过。

图 168—一块带指向针的球形天然磁石（或微地球）

为了研究分割一块磁体的结(294)果，吉尔伯特取了一块细长的天然磁石AD（图 169），北极在 A，南极在 D，把它切成两等分。当让这两个部分在木容器里悬浮在水上时，他发现虽然 A 和 D 仍保持它们原来的极性，但一个新南极出现在 B，一个新北极出现在 C，因此现在有了两块磁石。在论述这种悬浮磁石的行为时，吉尔伯特指出，地球使磁石定向，但未使它整个地移动（象诺曼已认识到的那样）。为了提高磁石的效力，吉尔伯特用钢帽“武装”它们（图 170）。他发现，一块给定磁石所能负载的最重的铁，这样便从 4 盎司增加到 12 盎司，然而也可以把天然磁石组成链，如图 170 所示。

图 169—一块细长天然磁石分成两半

当位于和球形天然磁石两极等距离的一个大圆圈（磁赤道）上的任何一点时，指向针的针与磁石表面平行，而当位于两极时，它与表面垂直。而且，当相对磁石移动这针时，吉尔伯特发现它对表面的倾角随其离两极的距离而变化，使人想起磁倾针处于地球不同纬度时的行为（见图 171）。这导致他把地球想象为一个巨大的球形磁石，而他的实验中的球形磁石便是它的缩样

（因此称为 ter-rella〔微地球〕即微型地球）。根据针在 terrella 的极附近的行为，吉尔伯特得出结论：地球北端的磁倾角比伦敦大。后来赫德森在美洲北极地区探险航行时证实了这个猜测。事实上，赫德森在 1608 年发现，甚至在北纬 75°，磁倾针也已经几乎取垂直位置。这个结果同吉尔伯特的思想不完全一致，他认为磁极和地极是重合的，但后来的地磁勘查证实了这(295) 个结果。

图 171—小磁石对微地球的反应

地球和微地球的类比导致吉尔伯特（在第四篇里）对磁偏现象即罗盘的变化作了错误的解释。当使用一个形状不均匀的 terrel-la 时，他发现指向针的方向会受其表面凹凸的影响。因此他猜测，虽然地球的磁极和地极相重合，但罗盘由于所在处的地球表面不规则而发生变化，它的针偏向陆块而偏离海盆，因为水是没有磁性的。他还认为，地球不同地区组成的差异（例如

蕴藏磁性铁矿）也对针发生干扰作用。这种解释导致吉尔伯特猜想，在地球上任何一个地方，这种变化都始终保持不变，除非发生重大的地理变化；他根据水手、主要是葡萄牙水手的记录，粗略地勘查了当时已知的世界各地的罗盘变化。这些不充足的数据倾向于证实他的假设，然而当后来获得了更充分的资料时，这假设就被推翻了。同时，他的工作破除了那种认为罗盘变化仅仅同经度有关的观念。

接着在关于磁倾现象的第五篇里，吉尔伯特详细地研究了磁倾角这个量怎样随 terrella 的磁纬变化，给出了根据对磁倾角的观察来确定纬度的法则，介绍了经过改进的磁倾针。

吉尔伯特猜想，正象一块磁石的磁力能通过包围它的一种气氛而扩散一样，可以认为地球的磁效能也扩展到周围空间。“磁的效能从一个磁体出发向四面八方涌进周围”（Ⅱ，7）。他自然地产(296)生了这样的想法：象地球一样，天体（尤其是太阳和月球）也有磁性。后来刻卜勒接受了这个观念，并按照对行星运动的解释加以发展。在最后一篇（第六篇）里，吉尔伯特作了支持哥白尼太阳系假设的论证。他根据目的论的理由证明地球运动是合理的，并相当含糊地将之归因于地磁的效能。“为了不致以各种方式消灭，不陷于混乱状态，地球凭借地磁的原动力而转动”（Ⅵ，4）。第六篇这个部分的格调基本上属于繁琐哲学。

把吉尔伯特关于磁的本性的理论同他关于电吸引的起因的见解相对比地进行考查，也许最合适不过了。

迄止吉尔伯特的时代，关于电现象（它的实用性不如磁现象直接）的知识几乎一直停留在古典作家所描述的不多几个事实上；磁效应和电效应一直严重混淆不清。已经知道的是，琥珀、也许还有一二种其他物质经过摩擦便获得了吸引轻物体的能力。博物学家已经知道亚里士多德所描述的电鯆，电鯆用它施放的电冲击把捕食的动物击昏。水手已经知道“圣埃尔莫火”①，当然闪电也是人们所熟悉的，而且是迷信崇拜的对象。这几种电的表现，直到十八世纪人们才明确地认识到属于同类现象。然而，吉尔伯特已经开始表明，琥珀的性质是许多其他物质所共有的，并着手建立关于摩擦电的科学。他的书的有一章（Ⅱ，2）里，吉尔伯特叙述了他有关电吸引的实验。他

自己做了个指向针或者说验电器，是一根三四个手指长的指针，中心由一个尖顶的支枢支承，能自由转动。他一一取过待研究的物质，摩擦以后放到指向针旁边，注意后者的近端是否被吸引向该物质。他发现，除琥珀以外的许多其他物质也都使指针偏转，而且在大多数情形里也吸引各种其他物体。这些吸引物质或者说“带电体”包括宝石（例如钻石和蓝宝石）、玻璃、硫磺、晶石、水晶、树脂等等以及某些液体。金属是引人注目的例外，被吉尔伯特列为“非带电体”表中的主要项目。吉尔伯特注意到，他的实验在天气干燥时最为成功。他认为，物质有无吸引力，视其成分以水性(297)的还是泥土性的为主而定；但是我们现在知道，当用吉尔伯特的方法来考察时，例如金属那样的导电物质必定给出否定的结果，因为当把金属握在手里加以摩擦时，它们必定很快失去电荷，就象激励一样迅速。吉尔伯特的指向针决不会被绝缘，也不会被充电，因此他没能发现电排斥现象。

吉尔伯特第一次明确地区分开了电的吸引和磁的吸引；他从分别起作用的动因上加以区别，虽然这种区别显得有点含糊和玄虚。“电的运动由于质料而变强，而磁的运动主要来源于形式⋯⋯。电的运动是质料聚集的运动；

磁的运动是倾向和谐和的运动。地球这个球体由于电而聚集成浑然一体。地球这个球体由于磁而沿一定方向转动”（Ⅱ，2）。因此，电把一个物体的微粒集结在一起，而磁使物体有确定的形状，倾向于围绕一个有一定取向的轴旋转。

吉尔伯特是按照传统方式来构想他对电和磁的吸引的解释的。他假想，琥珀和其他带电体在被激励时都发散出精致的 efflu-via［磁素］，后者把邻近的任何轻物体同该被激励的物质联结起来，构成一个由两者组成的物体，结果这两个物体便作为一个整体的两部分而相向运动。“一切电吸引都借一种居间液体进行”（或者流体）。按照吉尔伯特的意见，在决定重物向地心降落中，空气也起类似的作用。十八世纪的物理学家们保留了这种认为effluvia 是电效应载体的观念，并将之发展成一种科学理论。这些物理学家尤其着意研究摩擦电的问题。另一方面，吉尔伯特并不试图对磁现象作物理解释，而把磁比做一种灵魂。他认为，天然磁石连同作为一个整体的地球和天体，被赋予了生命（Ⅴ，12）。磁石不发射 effluvia，也不彼此侵犯，但自然地相向运动。

这种解释使吉尔伯特在某种程度上能够克服已经摆在他面前的那个困难，即怎么解释彼此被空虚空间隔开的那些物体间的相互作用。在这个问题上，刻卜勒后来又步吉尔伯特的后尘。然而，缺乏明晰的理论概念这一点并未损害实验结果的价值。通过这些实验结果，我们从吉尔伯特获益非浅。

巴洛(298)

威廉·巴洛（卒于 1625 年）和吉尔伯特同时代，但比较年轻，是索尔兹伯里的副主教。巴洛花了很大精力研究滋学，著有《磁的广告》Magneticall Advertisements）（伦敦，1613，1616，1618 年）一书。他改进了励磁方法和悬置罗盘指针的方法，还区分开了铁的磁性质和钢的磁性质。巴洛和吉尔伯特有书信往还，但就他们的发现而言，两人的关系不太明显。

从 1600 年到十九世纪初年，磁和电的科学沿各自的路线发展；我们将首先考察有关磁学的知识和理论的增长。