磁场概念的诞生

罗伯特·诺尔曼大约生于 1550 年。关于他的早年生活和家庭境遇，情况不明，只知道他当过领航员，在海上漂泊了 18～20 年，那时，他可能是住在塞维尔。对于他的了解，主要是通过他的工作。他曾经在巴勒斯那里当过仪器制造工。诺尔曼是一个有经验的领航员，对当时导航仪器和技术的缺点十分清楚。罗盘是当时最重要的导航仪器，诺尔曼的发明创造也就是围绕罗盘的航海应用进行的。人们早已知道，磁针所指示的北极和实际的北极有偏差，

并认为这是一种有规律性的反应，可用来确定经度。但是从多年的海上生活，特别在穆斯科维航线上的商船航行考验中，诺尔曼认识到比例偏差理论是错误的。后来他发现了磁倾角，磁针不仅指向北极，而且还有规律地向下倾斜。他把这种现象称为“下倾”。诺尔曼认为倾斜度可能与测量位置的纬度成比例，可利用这种比例关系设计一种测量仪器。结果他发明了把磁针装在水平转轴 L 沿垂直刻度盘转动的磁倾角测定圆，诺尔曼把关于磁倾角的发现发表在自己的著作《新引力》一书中，该书于 1581 年，由巴拉德在伦敦出版。

有人给诺尔曼献过赞美诗，他的书也就以几行磁石赞美诗开头，其形式是磁石向装饰用的宝石发出挑战：

我虽是磁石但能导航，

你虽是宝石但难过印度洋；你若没有我帮忙，

你的光彩再好，也只能在地下埋藏。

除此外，书中还有其他几节这样的赞美诗。

1590 年出版了从德文翻译成英文的《海员的安全哨兵》，这是一本从欧洲大陆渡海的导航手册，是第一本印有木刻版海岸图的英文书，其开头也有一首诗，评论领航员的辛勤工作：

领航员在桅杆顶上辛勤院望，凝视着指南针指引的前进方向；这不是对世人的不朽教诲？

这下是对发明者的最高奖赏？

诺尔曼曾经在离伦敦不远的拉德克的一所房子住过，他在那里出售过他制造的航海仪。但详细情况无从知道，根据推测，他大约逝世于 1600 年。正是在这一年，吉尔伯特《论磁》一书出版，大大发展了诺尔曼的发明和发现。

在这里要介绍的实验是认识磁场的第一步。但是正如我们的许多研究一样，最有说服力的重要实验也只是一系列发现的一个组成部分，也只是对一组类似现象的多次考察的一次考察。所以，研究计划有可能来自于研究过程中一个意外的小小事件的结果。

诺尔曼生动地叙述了他偶然发现磁倾角的过程。早先他就注意到，即使是他自己精心设计制作的罗盘，其平滑转动的磁针也不单是指向北极，而巨还向下倾，如我们现在所说的还具有磁倾角。这种效应需要在结构上加以补偿，所以他不得不在南端放一些小铁片，消除北端的下倾，以达到平衡。但是除了这种表面现象外，他并没有考虑作进一步的深入研究。然而有一天，当他装配好一套精心制成的磁针和转轴后，他发现磁针倾斜得特别厉害。于是他开始把磁针指北一端切短，他写道：“到最后，我切得太短了，以致于毁坏了我苦心制作的磁针。因此，我生气了，决心全力以赴，研究这种效应。”第一步是要设计一个倾角测量装置，以便能够系统测量这种效应。于是

他把磁针装在水平转动轴上，使其转动，使倾斜效应充分显露出来，并测出

强弱程度。

但是，这种效应是磁化还是磁石的其他作用引起的呢？显然，最大可能是磁针指北一端在磁化时从磁石上吸附了“灰尘或增重物质”。诺尔曼为这个想法，设计了一个简单的实验，把一些铁屑放在天平称盘里，用不带磁性的铅码加以平衡。然后把铁屑磁化，结果很明显，他说：“你将发现，它们并不比磁化前重。至于说，如果磁针北端从磁石上吸附了增重物质，那么南端也一样，也应该从磁石另一端吸附了增重物质，所以这不会是引起倾斜效应的原因。”这里有两个问题要解决。“用什么方法能产生这种效应？”“是哪一极（南极或北极）产生这种效应？”

在诺尔曼之前，人们以为，磁针指向北极是由于有一个“吸力点”存在一端。但是，如果能证明没有吸引力或拉力存在，它吸引磁针的指北一端。但是，如果能证明那么吸力点也就随之不存在。可是磁针明明是指向一点，于是就只好把这一点叫做“吸力点”。人们可以说，这只不过是个名称问题，但名称的选取却带来一定的理论意义。如果这一点是代表吸引力原点，那么就可以预料，吸引磁针的吸引力原点和磁针之间必然存在着相应的作用力；如果这一点代表的是某种介质的结构特性，那么就没有什么吸引力存在。

为了解决这个问题，诺尔曼设计的实验十分别致，饶有情趣（下面会看到，从现代观点看，并没有解决问题），他写道：“现在为了证明吸力点不存在，可以取二英寸多长的一小段铁丝或钢丝，穿上一小块瓶塞用软木。软木大小，估计要能使铁丝或钢丝浮在水面上，也就是要用这块软木把铁丝或钢悬浮在水中。

然后把一个酒杯，或汤碗、或茶杯、或其他容器，装满清水，放在平稳而且避风的地方。接着仔细把铁丝上的软木一点一点地削去，直至能使铁丝保持在水面之下 2～3 英寸的位置为止，让铁丝与水面平行，两头不高不低，如同平衡的天平横梁一样。

然后再把铁丝从水中拿出来，不必去掉软木，将其一端接触磁石的南极，另一端接触磁石的北极，接着再重新放入水中，于是你将立刻看到，它自动绕其中心旋转，表现出前面所说的倾斜效应，悬浮在水中，不下沉到水底。按理说，如果存在着吸引力，那么因为水的下部比上部离吸引力原点要近，磁针就应该在吸引力作用下沉到水底。”

这样看来，地球或者说天体并没有从自己的北极散发出吸引力来吸引磁针北端或整个磁针。诺尔曼认为，应该把磁针指北的能力完全归于“磁石及磁石所赋予磁针的特性”。诺尔曼和吉尔伯特都没有想到的另一种假说，即认为存在着吸引力和排斥力，其强弱随着原点的距离变化而变化；磁针为了保持和地球两极发出的吸引力和排斥力的平衡，就不得不指向地球的北极。这种更复杂的力学理论，大约在 250 年以后才发现，并成为安培和法拉第的争论焦点。作为文艺复兴时期的两个磁学学者，诺尔曼和吉尔伯特，幸好没有想到这种磁学理论。

诺尔曼及其稍后的吉尔伯特都应用力场的发现来解释说明地磁问题。力场概念已成为现代物理学关于电、电磁和引力的基本概念。

诺尔曼曾说：“我的意见是，如果能用一种方法看见磁力特性的话，它一定是围绕磁石的一个相当大的球形体，其死点在磁石的中心，这也是这种特性的中心。”

虽然这种意见具有先见之明，但很不全面。诺尔曼把磁场特性仅归属于磁石，而对地球却只字未提。吉尔伯特完成了这一步，他在 1600 年出版的《论磁》一书中，重申诺尔曼实验，证明磁针指北或倾斜都不能用引力来解释（他就是这样认为的），但他指出，只是磁石和磁针具有磁场特性还不够，地球也是一个磁体，也具有磁场，甚至可能是最终磁场。吉尔伯特把磁场特性称为球形特性或磁力球。他从诺尔曼实验得出进一步结论说：“再则，方向也不决定于吸引力，而决定于地球整个力的分布”，是一种球形特性使磁针处于特定的方向。

吉尔伯特用磁石做成地球模型，并利用这种模型表明磁倾角随纬度变化而变化。这种导航思想比诺尔曼导航思想更正确更先进，因为诺尔曼没有用地球磁场来说明问题。

下面就是吉尔伯特在磁场概念诞生时所说的原话：“磁体的球形特性就是磁体的磁力倾泻出磁体，在表面上扩散，隆起成球形。⋯⋯我们不是说这种磁力形式或磁力球存在于空气、水或其他非磁性介质中，⋯⋯磁体通过磁力球影响其他磁体，甚至像固体磁石一样激发其他磁体的磁性。”

还有两步尚待完成，但在以后的 150 年中，比较忽略了磁和电的研究。怎样实现诺尔曼的梦想，让人能看见磁力和磁力球呢？现在任何一个小学生都知道，只要把一些铁屑撒在受磁体作用的纸上，就会立刻看到在磁体上面呈现出球形磁力线。这种方法和对磁力线特性的进一步研究应功于法拉第。诺尔曼和吉尔伯特两人都认为磁场与物质无关。但法拉第却成功地用实

验证明了这样的事实：转动磁铁棒能产生感应电流。这只要磁铁棒转动，而与其相关的磁场不动。因为电流只有在导体与磁力线作相对运动，即我们现在说的“切割”磁力线时，才能产生。所以，即使磁铁棒和其周围存在着另外的磁场，如果二者相对静止，也不会产生感应电流。

同时，法拉第还证明，只是接通或关掉电磁铁，也会产生感应电流。好像是导线通电时，所产生的磁场就传播出来，而关掉电流时，它就收了回去。法拉第通过探测电磁体附近导体产生的感应电流，揭示出这种效应。没有电流，即使有时有电流，在导体中也不会产生感应电流。而每当通电和关电时，导体中就出现感应电流。这些以及其他一些效应使法拉第，也使其他的人深信不疑，磁场是实际存在的。可能只是由于人们的感觉能力限制，使人们不能像感觉土地和水那样直接感觉磁场。

“酒杯”实验充满着实验理论。西奥多里克和亚里斯多德的观察实验，是直接用观察实验结果来证实自己的研究设想；而诺尔曼实验则依靠更复杂

的逻辑，他用实验结果来驳斥原有的引力假说，同时说明新产生的磁场概念。在这个实验中，除了实验科学的实证法或归纳法外，还增加了第二第三方面，即反证法和说明解释法。同时，由于用磁场概念说明的这种效应，还可以用更成熟的引力理论来解释，这就会提醒人们注意，不要以为每个有效的说明就一定是对某一现象的原因的正确认识，不然的话，就有犯错误的危险。