惊人大发现(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：李楠,金昌海,崔今淑

出版社：延边大学出版社

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惊人大发现试读：

前言

为了普及科学知识，探索科学发展的历程，领略科学丰富多彩的趣味，弘扬科学名家的丰功伟绩，学习科学家不懈的创新精神与无私的奉献精神，培养青少年学科学、爱科学的浓厚兴趣，并密切结合青少年朋友日常的生活与学习特点，我们组织编写了这套《科学知识大课堂》。全书共分为十大部分：

奇妙的发明：介绍科学史上有关物理、化学、生物及其他科技发明的知识；

人类的创举：科学史上最重大的发明创造故事，以及日常生活用品的发明创造经过；

科学的楷模：科学史上最伟大的科学家的故事；

上下而求索：科学家们成长、成才、成功的感人历程，以及科学史上令人震撼的科学悲剧；

惊人大发现：天文、地理、物理、化学、数学、生物发展史上的惊人大发现；

探险的世界：纵横四野，探索异域，海洋探秘，两极之旅，飞天梦想，宝藏之谜，探险名家，带你走进一个神奇的世界；

科技轶闻趣事：趣味故事，机遇故事，荒诞奥秘，偶然故事，一段段众口相传的科学佳话；

趣味科学：趣味发明，趣味化学，趣味物理，趣味数学，趣味生物，趣味天文地理，让你充分领略科学的无穷魅力；

创造新思维：思维创造，智能训练，发明创造技法，引领你走进科学的天堂；

与科学家相约：与课本中熟悉的化学家、物理学家、数学家、天文学家、生物学家、生理学家亲密接触。

作为一套普及科学知识的通俗读物，本书有别于专业的学术论著，侧重于知识性、趣味性、实用性，注重对青少年科技素质的培育、科学兴趣的培养、科学精神的塑造与科学方法的启迪，不求面面俱到，但求言之有物，物有所指，指有所发。

你不必成为一名科学家，但你必须用科学的眼光去对待自然与社会，必须用科学的态度去对待人生，必须用科学家的精神去创造未来！

希望《科学知识大课堂》能为你上好这样一堂课！编者二〇〇五年三月

一　天文大发现

“日心说”的发现

1543年5月的一天，一位白发苍苍的老人奄奄一息地躺在病榻上。他的学生把刚刚出版的凝结着他毕生心血的《天体运行论》送到他的手中，但他已经没有力气翻开这本书，只是用手摸了摸，不久，就与世长辞了。

他没有想到，在他死后，他的这本书在世界上掀起了轩然大波。有人咒骂它是异端邪说，不惜使用暴力禁止它的传播；有人赞美它是科学真理，为了捍卫它献出自己的生命。

这本书的作者，就是伟大的天文学家哥白尼，在《天体运行论》这部不朽的著作中，哥白尼向世界庄严宣布：地球是绕着太阳旋转的！

哥白尼的“日心说”是向封建教会发出的檄文，它第一次把科学从神学的桎梏中解放出来，拉开了近代科学史的帷幕，掀起了人类认识论上的一场伟大革命。

地心说

在哥白尼的那个时代，“地心说”已统治世界一千多年了。那时候，在各个大学中，天文学教授的都是托勒密的“地心说”。“地心说”并不是托勒密的发明。自古以来，人们看到太阳、月亮、星星从东方升起，向西方落下，就开始思索一个问题，到底是天旋还是地转。

公元前三百多年以前，古希腊的哲学家亚里士多德提出，地球是不动的，日月星辰都绕着地球旋转。这种看法与人们的感觉相符，因此被世人所接受。

另一位古希腊哲学家阿利斯塔克提出地球是绕着太阳转的。可惜他的理论没有引起人们的重视。

托勒密是公元2世纪的古希腊天文学家，同时也是一位数学家、地理学家。他集前人之大成，写成了《天文大全》一书，把“地心说”发展为一个完整的体系。

托勒密主张，宇宙是一个有限的球体，地球处于宇宙的中心，岿然不动。月亮、太阳还有其他行星一方面绕着自己的小本轮作匀速圆周运动，另一方面又沿着均轮绕地球作匀速圆周运动。它们距地球的位置依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星，行星之外是恒星天。托勒密建立了一套严密的数学计算方法，可以比较精确地算出行星的位置，预报日食、月食。

托勒密的“地心说”本来是作为一种科学理论提出来的，后来却被教会利用了。

中世纪（公元5世纪到15世纪），欧洲处于最黑暗的封建时代。代表封建主的基督教会统治着欧洲，他们不仅横征暴敛，而且不准人们自由的思想，圣经上怎么说的，人们就得怎么想，谁要是敢于怀疑和反对，就会被宗教法庭处以残酷的刑罚。

教会本来也反对托勒密的地心说，可是后来他们却发现地球处于宇宙中心不动的观点，可以为上帝创世说服务。

圣经中说，上帝创造了宇宙万物，同时又按着自己的形象创造了人，让人来管理地上的万物。因此，上帝自然对人格外恩宠，把人安排在宇宙的中心——地球上。日月星辰的位置也是上帝安排的。地球外边包着九重天，最低的一重天是月亮天，然后是水星天，金星天，太阳在第四层上，接着是火星天、木星天、土星天，第八层天是恒星天，全部恒星像宝石一样镶在这层天界上。在恒星天之上还有最高的一重天——原动天，上帝就居住在这里，统治着整个宇宙。

于是，地心说成了维护教会统治的重要理论支柱，被教会奉为金科玉律，不准人们超越雷池一步，变成了阻碍科学进步的“紧箍咒”。

科学反对神学

15世纪，随着生产技术的发展，资产阶级诞生了。那些新兴的商人们迫切希望开辟新的海上航线，到海外通商贸易，寻找财富。特别是13世纪有个叫马可·波罗的意大利人，他曾从陆路到过中国、印度，在他的游记中，把中国、印度等东方古国描绘成遍地是黄金的宝地，这对那些商人们来说，更是一个巨大的诱惑。

在“黄金梦”的驱动下，一些商人、航海家开始了大规模的航海冒险。葡萄牙人达·伽马绕过非洲好望角，开辟了到达印度的新航线，哥伦布穿过大西洋，发现美洲新大陆，麦哲伦率船队进行环球航行……

航海活动带来了地理大发现，促进了世界贸易，同时也直接推动了天文学的发展。在茫茫的大海中航行，只有参照天空中星星的位置，才能确定船只所在的经纬度。这样，就需要编制精确的航海用的行星运行表。人们发现用托勒密的地心说为指导而编制的天体运行表，误差太大，已满足不了要求了。

资产阶级在用火与剑为自己在经济上、政治上开路的同时，也用笔与舌在思想文化领域与封建势力展开了殊死搏斗。最有名的就是欧洲的文艺复兴运动，它的矛头指向封建势力的精神支柱——宗教与神学，科学与文化广为传播。

在这种情况下，僧侣们已无法用圣经来完全控制人们的思想了。作为基督教基本教义的亚里士多德——托勒密体系也开始受到人们的怀疑。罗马教会枢机主教库萨的尼古拉就认为地球是个行星，不是宇宙的中心。达·芬奇也有太阳不动的想法。意大利天文学家、数学家诺瓦拉指出，托勒密的体系太复杂，不符合数学的和谐。

山雨欲来风满楼，一场天文学的巨大变革已经酝酿成熟，科学反对神学的革命暴风雨就要来临了。

哥白尼创立日心说

尼古拉·哥白尼于1473年诞生在波兰托伦城的一个富商家里。他10岁的时候父亲就去世了，是由在教堂中担任牧师的舅父把他抚养成人的。

哥白尼的少年时代是在教会学校中度过的。18岁时，舅父送他到克拉科夫的亚哥龙大学学医，这所大学是欧洲有名的学术中心，很注重数学和自然科学。哥白尼在那儿对天文学开始发生了浓厚的兴趣，学会了用天文仪器来观测天体。

23岁时，哥白尼来到文艺复兴的中心意大利，先后在波伦亚大学、帕多瓦大学、法拉腊大学学习数学、天文学、医学、哲学。

哥白尼最早也是信奉托勒密的地心说的，但是在实际观测中，他对此越来越感到怀疑了。为什么行星有些日子亮些，似乎离地球近一些，有些日子又暗些，似乎离地球远一些？它们为什么有的日子跑得快一些，有的日子跑得慢一些，和绕着地球转的月亮的情况完全不同呢？

用托勒密的学说计算星座的位置，需要列出那么繁杂的算式。一次，哥白尼的一位朋友计算时竟引入了79个本轮、均轮，结果仍然是破绽百出。哥白尼断定：“托勒密的体系不是忽略了必不可少的细节，就是塞进了毫不相干的东西！”

在意大利，哥白尼深受文艺复兴运动的影响。文艺复兴是由复兴古希腊的文化开始的，因为古希腊以工商业为主的城邦经济及奴隶主民主政治与新兴资产阶级要求相一致，因此，他们掀起了一股研究古代学术的热潮，文艺复兴运动也由此而得名。哥白尼孜孜不倦地阅读了他所能得到的古希腊、古罗马著作，他发现古希腊哲学家中已经有人描述过地球绕太阳运动，这使他受到了极大的启发。

那么，怎么样解释人们感觉不到“地动”而是天在运动呢？哥白尼引用了一位诗人的名言：“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”。当船向前行驶时，坐在船上的人不感到船动，而是看到两旁的景物后退。与这个道理相同，位于地球上的人，感觉不到地球在运动，而是看到日月星辰东升西落。

日心说的思想在哥白尼头脑中形成了：如果把太阳看成是宇宙的中心，地球和其他行星都围绕着太阳旋转，那么就可以构成一个美丽和谐的天文体系了。

光有新思想是不够的，如果没有大量的观测和计算来证明日心说体系，那么这一学说与古希腊学者所提出的地球绕太阳转一样，只能算作是一种哲学推测。

1503年，哥白尼回到了波兰，在波兰的海边的佛劳恩堡担任牧师职务。在他供职的教堂墙垣的西北角有一座小阁楼，哥白尼就在这里建起了一个简易的天文观测台。他亲自动手制做了各种天文仪器，每天不断地观察，不断地计算。在他的《天体运行论》一书中，记载有日食、月食、火星冲日、木星冲日、黄赤交角、春分点的移动等27项观察实例，其中25项是他自己的观测结果。

正是建立在富有想像力的哲学思考、精密的实际观察和严格的数学计算之上，哥白尼的日心说诞生了。

哥白尼认为，太阳屹立在宇宙的中心，行星沿着圆形轨道绕太阳运行，离太阳最近的是水星，依次是金星、地球、火星、木星、土星。地球仅仅是一颗普通的行星，月亮是地球的卫星。在行星轨道以外，是布满恒星的恒星天。地球每天自转一周，造成了天穹的东升西落。

哥白尼深知，他的学说为教会所不容，如果公开发表，不仅他的学说将被扼杀在摇篮中，他本人也将受到教会的迫害。在1506到1512年间，他写了一个日心论的提纲《试论天体运行的假设》，分送给他最亲密的朋友。此后，他开始撰写《天体运行论》这部书，但却一直不敢发表。直到他已69岁时，知道自己的时间已经不多了，在他的朋友的再三敦促之下，才破釜沉舟，决定出版这本书。

罗马一位诗人说过，一部著作必须经过9年才可以发表。哥白尼的《天体运行论》从1506年开始酝酿，到1543年发表，经过了37年！

在《天体运行论》一书的前言中，哥白尼写道：“摆脱错误的思想，寻求真理，是学者应有的责任和权利。我相信我的主张终究会被人们所接受。如果有人曲解圣经，对我的著作进行非难和攻击，我决不理睬，因为我鄙视他们。”《天体运行论》出版之时，正是哥白尼弥留之际。这位伟大的学者虽然去世了，但他的学说却在全世界传播开来。

为真理献身的布鲁诺《天体运行论》发表的初期，教会还以为这不过是一本普通的天文学著作，直到日心说在欧洲广为流传，动摇了基督教教义时，教会才大为震惊，下令禁止这本书。但是，真理是压不住的，越来越多的人接受了日心说。这些人中，有一位热情宣传、勇敢捍卫日心说的斗士，他就是意大利哲学家、天文学家布鲁诺。

布鲁诺出生在意大利那不勒斯附近诺拉镇的一个贫苦家庭，他很小的时候父母便去世了，成为一名孤儿。村中的神甫们周济他长大并让他读书。15岁时，由于家境贫寒，无法再继续上学，他进了修道院，当了一名修士。

他所进的修道院圣多米尼克，有欧洲藏书最多的图书馆。布鲁诺博览群书，熟读了古今哲学家、科学家、戏剧家、诗人的著作。他非常聪颖，记忆力惊人，对书中的警句、精彩章节，可以倒背如流。靠着顽强的自学，布鲁诺获得哲学博士学位，成为当时知识渊博的学者之一。

在修道院生活过多年的布鲁诺，格外了解教会中的种种黑幕，他对僧侣们的贪婪、自私、迷信、虚伪深恶痛绝。他阅读了文艺复兴时代的许多进步书籍，包括揭露教会、主张宗教改革的书籍、哥白尼的《天体运行论》等，这更加激发了他对教会的反抗。

1575年，布鲁诺因抨击宗教，受到教会迫害，不得不逃出意大利。在瑞士，他又因反对新教被加尔文教会抓进监狱。

历经磨难的布鲁诺后来逃离日内瓦，来到法国，受聘在图卢兹大学讲授天文学。正是在这里的短短几年中，他奋笔疾书，写出了著名哲学著作《论原因、本原和统一》、《论无限性、宇宙和诸世界》。

布鲁诺以火一般热情，宣讲哥白尼的学说，坚决反对亚里士多德——托勒密的宇宙体系。不仅如此，他还以天才的哲学思想和勇敢的革命精神发展了哥白尼的学说。

布鲁诺认为，不仅地球不是宇宙的中心，太阳也不是宇宙的中心，宇宙是无限的，没有边界，因而也就不可能有中心。太阳系仅是宇宙中极其微小的一部分。太阳也不是不动的，地球在转动，太阳也在转动，每个“世界”都围绕着另一个“世界”转动。在无限的宇宙中，有无数个“世界”在诞生，也有无数个“世界”在死亡，作为宇宙本身，永恒存在，既无开始，也无终结。

布鲁诺的学说弥补了哥白尼“日心说”的不足，他的许多天才思想，已为今天科学的发展所证明。

哥白尼把地球逐出了宇宙中心，而布鲁诺根本否认了宇宙存在中心，这样就把上帝从宇宙中驱逐出去了，沉重地打击了宗教神学关于“上帝创造世界”、“上帝主宰一切”的谎言。

布鲁诺比哥白尼更大胆和勇敢，他走到哪儿，就在哪儿用他的嘴和笔勇敢地捍卫日心说，无情地痛斥经院哲学和宗教神学，揭露教会的黑暗和虚伪。因此教会把他看作是一个最危险的革命者，对他恨之入骨，非欲置他于死地而后快。

为了免遭屠杀，布鲁诺不得不从一个国家逃到另一个国家，在异国他乡过着飘泊不定的逃亡生活。

1592年，罗马教庭策划了一个恶毒的阴谋，他们收买了一个威尼斯商人。不久，布鲁诺收到了这个商人的一封信，信中甜言蜜语假惺惺地赞扬布鲁诺，并邀请他到威尼斯讲学。

1592年5月23日，布鲁诺乘船回到威尼斯，他刚刚踏上阔别多年的祖国的土地，几个彪形大汉就一拥而上，把布鲁诺绑进了一辆马车。翌年2月，他又被从威尼斯转押到罗马，投入宗教裁判所的监狱。

布鲁诺被关押在监狱中近8年，受尽了严刑拷打。由权威神学家组成的检查小组不断从他的书中找出一些矛盾，企图说服他放弃自己的观点，声称只要他改过自新，就可以保全他的生命。但无论如何威逼利诱，布鲁诺都毫不动摇。

1600年2月8日，宗教裁判所对他作出最后判决：“布鲁诺宣扬异端邪说，亵渎神灵，处以火刑。”

布鲁诺毫不畏惧，他对那些高高在上的宗教法庭的法官们高声嘲笑地说：“你们宣布对我的判词，比我听到判词还要恐惧，还要胆战心惊！”

2月17日，衣衫褴褛，被折磨得瘦弱不堪的布鲁诺被押到了罗马鲜花广场。火刑柱旁堆满了干柴。神甫最后拿出了刻有耶稣受难的十字架让他忏悔，布鲁诺高昂着头，露出蔑视愤懑的目光。“烧死他！烧死他！”教会的刽子手们高喊着。

在熊熊的烈火中，这位欧洲文艺复兴时期卓越的唯物主义哲学家、著名的自然科学家和勇敢的抗逆中世纪天主教黑暗势力的不屈战士，为追求真理，献出了自己宝贵的生命。

布鲁诺牺牲了，然而他为之献身的真理却是无法消灭的。

两次受到审判的伽利略

在为捍卫和发展日心说的斗士中，还有一位就是著名的物理学家、天文学家伽利略。

伽利略1564年生于意大利比萨城的一个没落的贵族家庭，17岁时进入比萨大学医学院，后来，他的兴趣从医学转向了数学和物理学。

伽利略从青年时代就表现出杰出的才华，引起学术界的重视，被人们称作“当代的阿基米德”。

还在医学院读书时，有一次伽利略在教堂作祈祷，发现一盏挂灯在空中来回摆动，他用自己脉搏的跳动来计时，发现挂灯每往返摆动一次，时间都是一样长，这就是著名的摆的等时性原理。

伽利略是经典力学与实验物理学的开创者，他设计了许多实验来研究物体运动的规律。

最有名的就是落体实验。许多人都熟知这个故事。为了证实自由落体定律，1590年，伽利略登上了比萨斜塔作公开表演。他同时丢下两个不同重量的球，结果两个球同时落地。这就证明了，在忽略空气阻力的情况下，不同重量物体以等加速下降，这就是自由落体定律。

不过，据考证，历史上并无其事，这仅仅是一个传说。伽利略的实验是让一个光滑的黄铜球沿一个可以改变倾角的光滑斜面滑下，用一台简陋的水钟测定小球在斜面上下滑的时间。结果发现，不同质量的物体沿相同倾角的斜面运动，加速度相等。当倾角为90°，物体自由下落时，这个结论也成立。这样就推论出自由落体定律。这个定律推翻了亚里士多德提出的物体越重落得越快的说法。

伽利略还发现了惯性定律、合力定律、抛物体运动规律、相对性原理等等。

伽利略在比萨大学任教时就接受了哥白尼的学说，他在1597年写给开普勒的信中，透露了他的这一观点。但是伽利略一直不敢公开发表自己的观点，他不愿意遭到像哥白尼、布鲁诺那样的命运。为寻求真理，他在私下进行了许多观察、实验。

1609年，伽利略从一位朋友来信中得知，一个荷兰商人利用镜片组合可以看见远处的东西。伽利略非常感兴趣，经过反复研究，他制造出了由二组透镜构成的第一架天文望远镜，放大倍数达到32倍。

当伽利略把这架望远镜指向天空时，所看到的景象使他惊喜若狂。他写道：“我惊讶得忘乎所以，感谢上帝，它使我发现了如此壮观和迄今还不知道的奇迹。”伽利略看到了许多过去从未有人看到过的新的天文现象。因此，人们称哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。

伽利略发现，月球表面并不是光滑无瑕的，像地球一样有高山有峡谷，他还发现太阳上有黑子，也就是说，天体并不像传统的亚里士多德学说所说的那样，比地球更完善和优越。伽利略发现，金星与月亮一样，不时从新月变成满月，这就表明金星是一个黑暗的球体，它是被太阳照亮而发光的，是绕着太阳旋转的。他还发现，木星有4个卫星，它们绕着木星旋转，这也间接证明了地球并不是宇宙惟一的中心。伽利略还观察了银河，发现它是由无数恒星聚集在一起形成的星团。

所有这些发现都证明，哥白尼的学说是正确的，地球与其他行星一样，也是一个普通的天体，在宇宙中并不占有特殊的位置。

伽利略欣喜地宣传他的新发现，一再邀请那些经院哲学家和神学家用望远镜观察天象。他们不但拒绝，而且骂伽利略是骗子，说望远镜是魔鬼的发明，是伽利略用符咒把新星星从天上咒出来的。

有人向罗马法庭告发了伽利略，说他宣传哥白尼的日心说，对圣经进行随心所欲的解释。1616年，宗教法庭传讯伽利略并对他作出审判：禁止哥白尼的日心说，警告伽利略不得再宣传日心说。

由于伽利略是一位著名科学家，而且在宗教界有有权势的朋友，因此教庭对他还算是客气的。

1623年，新的教皇乌尔班八世即位。这位教皇早年对科学感兴趣，是伽利略的朋友。伽利略赶往罗马，希望取消对哥白尼著作的禁令，虽然没有达到目的，但教会同意他写《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，前提是不能损害上帝创造世界的基本信条。

伽利略花了整整9年时间，写成了这本关于天文学总清算的名著。他采用威尼斯市民沙格列陀、新科学家萨尔维阿蒂和亚里士多德学派辛普利邱三人对话的形式，用新颖通俗的文体，无情地批驳和嘲弄了亚里士多德——托勒密体系的各种陈词滥调，有力地论证了地球的自转和围绕着太阳的公转。

这部书出版后，人们争相阅读，在欧洲产生了巨大的影响。

罗马教庭被激怒了，《两种新科学的对话》被禁止销售，并传讯伽利略到罗马受审。这时的伽利略已年近70，正在病中。教庭下令：“就是用铁链锁，也要把他押到罗马来。”

拖着病弱身体的伽利略被押到罗马宗教法庭，10名法官对他进行了审判，罪名是违反教庭的禁令，坚持宣传哥白尼著作中的异端邪说，伽利略被判处有罪和下狱。

在教庭上，伽利略被迫当着众人宣誓，放弃地球绕着太阳转的异端邪说。一个人被迫否定自己多年来追求的真理，这是何等痛苦啊。据说，当伽利略精疲力尽地离开法庭时，还在喃喃自语：“可是，地球还是在运动的啊！”

伽利略后来被幽禁在佛罗伦萨他郊外的别墅中，不许他和亲友来往。伽利略的病越来越重，视力迅速衰退。他没有退却，倾注了自己全部精力，完成了《两种新科学的对话》。这部不朽的名著总结了他一生的研究成就。当这部书出版时，伽利略已双目失明，最后，伽利略死于幽禁中。

日心说的胜利

教会的残酷镇压可以使人们一时沉默不语，但是它改变不了地球绕太阳旋转的事实，也阻止不了人们对真理的追求与认识，日心说冲破了重重阻力，在斗争中不断发展，日臻完善。

与伽利略同时代的德国著名天文学家、数学家开普勒，发现了行星运动三定律，进一步发展了哥白尼的日心说。

开普勒在蒂宾根大学读书时，就开始研究哥白尼学说。由于反对新教，29岁的开普勒被迫离开家乡来到布拉格，在这里他结识了著名的天文学家第谷，这成为他一生命运的转折点。

丹麦天文学家第谷被认为是近代天文学的始祖。他在弗恩岛上建立了福堡天文观测台，在这里进行了20年的天体方位测量。

第谷有惊人的机械操作能力与技巧，设计制造了许多仪器。他对各个行星位置的测量，误差不大于4角分，即0.067度。他收集了丰富的有关恒星和行星方位的数据，编制的恒星表，相当准确，因此被人们誉为“星学之王”。

1599年第谷定居布拉格。1600年，他开始与开普勒合作，共同进行天文研究。可是不幸的是，第二年第谷就去世了。第谷临死前，把毕生观测所得的宝贵资料，全部送给了开普勒。

开普勒不仅是天文学家，还是有很高造诣的数学家。他善于思考，有丰富的想象力。他相信，宇宙是有秩序的，全部行星构成一个整体，并存在统一的定律，可以用数学关系表示出来。

他选择火星为研究对象，因为在第谷的资料中，对火星的观测占有最多篇幅，而且这个行星的运行与哥白尼理论出入很大。

开普勒按照哥白尼体系也即行星轨道是正圆作了多次计算，但结果总是与实际观测数据差8角分。开普勒幼年患天花，损伤了视力，不能亲自进行天文观测，但他相信第谷的测量是非常准确的，自己的计算也没有问题。于是他敏锐地感到行星的轨道为正圆是错误的。正是凭这8角分的差异，开普勒开始了天文学的革新。

经过无数次刻苦计算，尝试了70多种轨道，最后，开普勒终于发现椭圆形轨道与观测值十分吻合，而太阳恰好位于椭圆的一个焦点上，这样，开普勒终于发现了火星的真实轨道。

经过分析归纳，开普勒得到了行星运动第一和第二定律，即每个行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于一个焦点上；行星的运动不是匀速的，连结太阳和行星的直线在相等的时间内扫过的面积相等。又经过十年苦战，开普勒发现了行星运动第三定律：不同行星绕日运行周期的平方，与它们到太阳的平均距离的立方成正比。

开普勒因发现行星运行的规律，被人们称为“天空立法者”。他大大地丰富和发展了哥白尼的学说，用定量的数学方程把太阳系体系表示出来，更确切地反映了行星运动的真实面貌。

在开普勒之后，1687年，伟大的科学家牛顿发现了万有引力定律，为行星绕太阳运动的原因找到了理论根据，那就是行星是受到太阳的引力，才围绕着太阳不停旋转的。

由于伽利略、开普勒、牛顿等人的工作，哥白尼的学说建立在了更加科学的基础上，日渐深入人心，教会的种种阻碍对日心说已无济于事了。

1757年，罗马教庭不得不宣布解除早已名存实亡的对哥白尼《天体运行论》一书的禁令。1882年，罗马教皇又无可奈何宣布承认日心说。

经历了300多年的斗争，日心说终于得到了最后的胜利！

哥白尼的日心说翻开了自然科学发展史上新的一页。正像革命导师恩格斯评价的那样：“从此自然科学开始从神学中解放出来。”过去，自然科学只不过是神学的奴婢，只能用来解释神学。而哥白尼的日心说使自然科学开始走上独立之路。因此，人们把1543年《天体运行论》出版那一年做为近代自然科学史的开端。

哈雷慧星的发现

1682年的一个晴朗的夜晚，星月皎洁，欧洲大地像往日一样平静。突然，天空中出现了一颗奇异的星星，它像一把扫帚，拖着一条长长的尾巴，闪闪发光，在群星灿烂的夜空里，显得格外耀眼。它的出现立刻引起了欧洲大陆的轰动。人们对这位不速之客的到来，议论纷纷。

它就是我们现在所说的彗星。在这以前，16世纪有一位名叫布拉的丹麦天文学家，对彗星进行了非常荒唐的解释，他把彗星当作“妖星”，说成是上帝惩罚人类的预兆。这和中国古代把彗星称为“扫帚星”，其出现是不祥之兆一样。

一连几十个夜晚，这颗彗星总是沿着自己的轨道缓慢运动在浩繁的星空，人们望着这颗“妖星”，心惊肉跳，昼夜恐慌，欧洲大地呈现一片混乱的景象。直到它渐渐远去，消失在星际里，人们才重新安定下来。

然而，在这无数双注视彗星的眼睛里，却有一双蓝色的眼睛毫无惧色。这双眼睛闪烁着智慧之光，流露出一种狂热的、渴望揭开这个幽灵般的星体之谜的感情。它们就是爱德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656～1742，英国天文学家和数学家）的眼睛。

1656年11月8日，哈雷生于伦敦附近哈格斯顿一个富有的商人家庭。他小时候并不是一个聪明的孩子，但是他学习很勤奋，因此在中学读书期间，成绩很出色。老师给他讲解的有关天文知识，介绍的伽利略、布鲁诺为天文学事业而英勇无畏的事迹，引起了哈雷对天文学的极大兴趣。

1673年，哈雷考入牛津大学王后学院，在这所当时世界著名的高等学府里，他学到了许多有关数学和天文学的知识。他大学三年级时，父亲因病去世，哈雷得到了一笔不小的遗产。这年哈雷作出了一个惊人的决定，他决定放弃在牛津大学的学习，而到地球的南半球观测星象。这时的哈雷已经醉心于天文事业。他发现地球的南半球是观测星象的好地方，这对天文学的研究工作将会大有推进。

1676年的一天早晨，21岁的哈雷和两个忠实的青年伙伴搭乘了一条东印度公司的商船，扬帆南下航行了一百多个日夜，终于到达了距离英国一万一千多公里的南大西洋中人烟稀少的圣赫勒拿岛。

岛上的生活十分艰苦，然而哈雷把这一切困难早已置之度外。经过一番努力，终于在1677年的1月，建成了一个小小的天文台，这是人类历史上设在南半球的第一个天文台。哈雷从此开始了他的天文学的研究生涯。

哈雷经过近两年的时间，测编完成了《南天星表》，这是世界上第一个南天星表，包含341颗南天恒星的黄道坐标。1678年，该星表在英国伦敦发表后，名声大震，他也因此被选为皇家学会会员。自此，23岁的哈雷和牛顿在剑桥结为好友。受牛顿影响，哈雷开始以万有引力定律对彗星进行研究。

哈雷编纂了大量彗星的观测记录，并且是第一个全力以赴地从事彗星轨道计算的人。经过几年的努力，哈雷搜集了英国和世界各地历史上关于彗星的观测资料，找到了从1337年到他1698年观测到的24次关于彗星的记载。哈雷对这24颗彗星的轨道做了计算后，发现1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星，轨道十分接近，而且这三颗彗星出现的时间，又恰好都是相隔75年左右。这使哈雷突然产生了一个大胆的设想：难道它们竟是同一颗彗星吗？这个想法使他兴奋不已。但是，他清楚地认识到，要使设想变成科学，必须掌握大量的真实数据。

于是，他又开始查阅更早的历史资料，果然又发现每隔75或76年就有一颗明亮的大彗星出现。看来，这颗彗星的周期回归已经无可怀疑了。接着他又开始对这颗彗星的运行轨道作进一步的计算。

经过几个月的日夜奋战，计算、复核、计算……哈雷得到了令人欢欣鼓舞的结果：这颗彗星在运行轨道上环绕太阳运行的周期与历史上的记载完全相符。他不仅发现彗星的运行轨道，同时又一次雄辩地证明了万有引力定律的正确性，使天文学和物理学都向前推进了关键的一步。哈雷令人信服地指出：这颗彗星是太阳系的一颗行星，受太阳引力的吸引，围绕太阳运行，不过，这个椭圆形的轨道比地球绕太阳运行的轨道大得多。地球绕太阳一周需要一年，它则需时75年左右。

1720年，哈雷担任了格林威治皇家天文台台长，成为皇家天文学家。他正式宣布：“人们在1682年看到的所谓‘妖星’，是颗大彗星，实际上是1607年那颗彗星的回归。这颗彗星将在1758年底或1759年初重新出现在你们的眼前。”

这一庄严的宣告，振撼了整个欧洲大陆。整个英国社会乃至欧洲都产生了强烈的回响。社会上大多数人半信半疑，一些天主教士更是立即跳出来进行冷嘲热讽。但是，许多真正的科学家却极为重视哈雷的预言和论证，肯定了这一天文学研究方面的重大成绩。

哈雷的预言会成为现实吗？人们都拭目以待。

1758年12月25日，圣诞节之夜，这颗彗星没有辜负爱德蒙·哈雷的厚望，果然如期莅临了。人们高声呐喊：“哈雷来了！”

哈雷的预言得到证实使天文学界为之振奋，遗憾的是，哈雷没有等到这一天，他已于1742年1月14日卒于格林威治。人们为了纪念这位科学家的预言，将该彗星定名为“哈雷彗星”。此时，长眠地下达16年之久的爱德蒙·哈雷可以瞑目了。

发现月球的另一面

人造卫星没有上天之前，月亮的另一面对于生活在地球上的人类来说，永远是个谜。这是因为，月亮自转的周期和它绕地球旋转的周期相同，它总是一个半球对着地球，另一个半球永远背向地球。原因何在？第一个解答这个问题的，就是18世纪后期到19世纪初期的大科学家拉格朗日（Joseph Louis Lagrange，1736～1813，意大利数学家、力学家。他在分析和数论的各个领域以及分析力学和天体力学中都有杰出的贡献，其最重要著作《分析力学》是以后这一学科所有研究的基础。

拉格朗日是变分法的开拓者和分析力学的奠基人。1766年，普鲁士王腓特烈大帝写给拉格朗日的信中说：“欧洲最大之希望，欧洲最大的数学家——拉格朗日在我的宫廷之中。”拿破仑曾赞美他是“一座高耸的金字塔”。

拉格朗日1736年1月25日生于意大利的都灵。父亲是陆军骑兵里的一名会计官，后又经商，因经商破产，家庭经济景况日渐衰落。拉格朗日是长子，他有11个弟弟的妹妹。因此，父亲一心想让他学法律，将来当一名大律师，重振家业。然而，拉格朗日对法律毫无兴趣，却偏偏喜爱文学。父亲因而对他大失所望，放弃了对孩子学业上的信心。

拉格朗日并不是一位“数学神童”，恰恰相反，直到17岁的时候他对数学还未发生兴趣，他特别喜欢文学。17岁那年，他偶然读到一篇英国天文学家哈雷撰写的介绍牛顿微积分方面成就的文章——《论分析方法的优点》，使他对牛顿产生了无限崇拜和敬仰，于是下决心做牛顿式的数学家。

在进入都灵皇家炮兵学院学习后，拉格朗日就开始有计划地自学数学。由于他勤奋刻苦，进步很快，尚未毕业就担任了该校的数学教学工作。18岁开始撰写数学论文，19岁竟然已经被正式任命为该校几何学教师。

这一年，拉格朗日开始研究“极大和极小”的问题，采用了纯分析的方法，全面而系统地处理了范围很广的一类问题。1755年8月，他写信把这个方法告诉了著名数学家欧拉，欧拉立即给他回了一封热情洋溢的信，祝贺他取得的巨大成就。就这样通信、讨论，拉格朗日和大数学家欧拉一起开辟了数学的一个新的分支——变分法。

1756年，在欧拉的推荐下，20岁的拉格朗日被提名为柏林科学院的通讯院士，接着又当选为该院的外国院士。

1762年，法国科学院提出“月球天平动”的问题，作为1764年的悬赏题目。要求用万有引力定律解释月球何以自转，以及自转时总是以同一面对着地球，且产生二均差。在这次悬赏征答中，拉格朗日写出一篇出色的论文，成功地解决了这一问题，获得了科学院大奖，得到了巴黎同行的赞扬。一下子，拉格朗日的名字便传遍了法国、德国、意大利，乃至整个欧洲，引起了世人的瞩目。

两年之后，法国科学院又提出了木星四卫星的问题，这是一个比克雷罗、达兰贝尔、欧拉研究过的“三体问题”复杂得多的“六体问题”。所谓“六体问题”就是木星、木星的四个卫星（当时只发现木星有四个卫星）和太阳之间的摄动问题。

这个问题精确的数学计算在当时是相当困难的。拉格朗日面对这一难题，毫不畏惧，经过数个昼夜的艰苦奋斗，最后，他终于用近似解法克服了困难，从而再度获奖。这两次获奖使他赢得了世界性的声誉。

1766年，拉格朗日到柏林科学院工作，1776年接替欧拉担任柏林科学院院长的职务。1787年，拉格朗日离开柏林到了巴黎，先后任巴黎师范学校和巴黎工艺学院教授。

在柏林科学院的20年中，拉格朗日发表了许多的论文，成果丰富，多次获得法国科学院大奖：1772年以论文《论三体问题》获奖；1773年以论文《论月球的长期方程》再次获奖；1779年又以论文《由行星活动的试验来研究彗星的摄动理论》而获得了双倍奖金。

拉格朗日在柏林科学院期间，对代数、数论、微分方程、变分法和力学等方面进行了广泛而深入的研究。他最有价值的贡献之一是在方程论方面。在对前人用来解决四次以下方程的全部方法的基础上，又进行了深入的研究。于是得出了结论：用代数运算解一般n次方程（n＞4）是不能的。虽然对于这一结论他没能给出证明，但它对后来伽罗华建立群论起到了极为重要的作用。最值得一提的是他完成了自牛顿以后最伟大的经典著作《论不定分析》，出版时他已经52岁，整整经历了37个春秋，倾注了他的全部智慧和心血。在这部巨著中，他是利用变分原理，建立了优美而和谐的力学体系。

他在序言中写道：“我们已经有了力学方面的各种专著，但本书的计划是全新的。我曾致力于将这门科学‘力学’，以及解决与它有关问题的技巧，化归为一般性的公式，这些公式的简单推导就给出解决每一个问题所必须的全部方程……在这项工作中找不到圆形。我在其中所阐明的方法，既不要作圆，也不要求几何和力学的推理，而只是一些遵照一致而正确的程序的代数‘分析’运算。喜欢分析的人将高兴地看到力学变为它的一个分支，并将感激我扩大了它的领域。”

确实，拉格朗日把宇宙谱写成由数字和方程组成的有节奏的旋律，把动力学发展到登峰造极的地步，并把固体力学和流体力学这两个分支统一起来。毫不夸张地说，这部巨著奠定了现代力学的整个基础。因此，伟大的科学家哈密顿把它誉为“科学诗篇”。

拉格朗日堪称第一位真正的分析家，他以严谨的科学态度研究每一个问题，精益求精。他的工作对于以后几个世纪中数学所遵循的路线有着深远的影响，也为高斯、阿贝尔等一代数学家的成长提供了丰富的营养。在以后一百多年的时间里，数学里很多重大的发现几乎都与他的研究有关。

1813年4月10日早晨，这位伟大的科学家在巴黎因病逝世，走完了他那光辉灿烂的科学旅程。在科学发展史中拉格朗日是一位“总结了18世纪的数学成果，开辟了19世纪数学研究道路”的科学天才。

天王星的发现

1781年，太阳系的一个新成员，第七大行星——天王星被发现，天文学又向前发展了一大步。天王星的发现，在当时引起了科学界的巨大震动。这颗行星的发现者，竟是一位极普通的乐师——威廉·赫歇耳（Frederick William Herschel，1738～1822，英籍德国天文学家）。

威廉·赫歇耳于1738年11月15日生于德国西北部的汉诺威，当时父亲给他取名为弗里德里希·威廉姆（Friedrich Wil⁃helm）。父亲是汉诺威军队的中的一名乐师。由于家庭贫困，他15岁时就被父亲送到军乐队拉手风琴和吹双簧管。然而，残酷的战争来临了。1757年，法军占领汉诺威。他18岁时只身从德国流亡到英格兰，靠演奏手风琴糊口度日。后来他把德国名字改为威廉·赫歇耳。

此时，赫歇耳已经迷恋上了天文学。观察天空需要望远镜，他没有钱买，就自己磨制。1773年，他开始磨制望远镜，先后制出了焦距为2米、3米、6米及12米的望远镜。

有了自己的望远镜，赫歇耳立即把它指向星空。

1774年，赫歇耳不仅制作出世界上最好的反射望远镜，而且第一次使反射望远镜的效能真正超过了当时的折射望远镜。正是这架反射望远镜使他的天文事业进入到科学的研究阶段，进而取得一些重大发现。

在赫歇耳进行“巡天观测”的第七个年头，1781年3月的一个夜晚，晴朗的天空格外寂静，月光下，赫歇耳照例用自制的2.1米焦距反射镜和放大二百多倍的目镜作“巡天观测”。

突然，朦胧的双子星座内出现了一颗绿色的光点，他重新调节了一下焦距，没错，是一颗美丽的绿色的星，还带有草帽似的光环呢！

当时，他无比激动，寂静的夜晚无法抑制他的喉咙：“我发现新的星星了！”嘹亮的声音，响彻天空。

起初，他怀疑这可能是一颗彗星，所以他报导说，自己发现了一颗彗星。然而，他又进行了多次观测，发现这个小圆面像一颗行星那样具有明显的边缘，而不像彗星那样只有模模糊糊的边界。

后来，许多天文学家摆出了各种证据，特别是当计算出它的轨道时，赫歇耳才恍然大悟：“原来自己的确发现了一颗的新的行星，是一颗比土星更远的大行星。”这一重大发现振撼了英国，传遍了全世界。从前，人们一直把土星当作太阳系的边缘，认为太阳只有六颗行星：金星、木星、水星、火星、土星和地球。现在这一传统观念被打破了。

威廉·赫歇耳，这位英籍德国人发现新行星后，当年5月，被英国皇家学会授予科普利勋章，6月被选为英国皇家学会会员。英王乔治三世鉴于威廉·赫歇耳的重大成就，特别奖给他200英镑的年俸，还给他大笔观测费用和设备。从此以后，赫歇耳再也不必为穿衣吃饭发愁了，他把全部的精力都投入了天文学事业。“天王星”的发现，给宗教神权又一次致命的打击，为哥白尼的“日心说”增添了科学证据。这一发现开阔了天文学家的视野，导致了海王星、冥王星的发展，使行星天文学跨进了一个新的历史时期。赫歇耳成为他那个时代最重要、成就最大的天文学家。

1782年，英王乔治三世聘他为宫廷天文学家。同年他从巴斯迁居达奇特，并完全致力于天文学的研究。1786年定居于斯劳。1787年制成一架焦距6米的反射望远镜。1789年又制成一架焦距12米、口径122厘米的大型望远镜（他一生制作望远镜达数百架之多）。他用这些望远镜获得许多重要发现。

1800年，赫歇耳用灵敏温度计研究光谱里各种色光的热作用时，把温度计移到光谱的红光区域外侧，它的温度上升得更高，说明那里有看不见的射线照到温度计上，这种射线后来就叫做红外线。

由于赫歇耳发现了太阳光中的红外辐射，并推测出这种辐射的性质，从而创立了天文学中的一门新学科——彩色光度学，成为人类第一个发现大自然中除可见之光外还存在着其他辐射的光。

1821年，赫歇耳成为英国皇家天文学会第一任会长。次年8月25日在斯劳逝世。

除上述之外，赫歇耳还先后作出三份“双星表”及2500个星云和星云团，发现天王星的两颗卫星和土星的两颗卫星，发现了太阳的空间运动，提出了银河系的形状假说，并用统计恒星数目的方法，证实银河系为扁平状圆盘的假说。他企图测量银河系的大小，但没有成功。虽然他曾错误地认为银河系的深度是“不可测量的”，但他创立了恒星天文学的研究方法。

由于他对恒星及恒星系的研究作出了巨大的贡献，被人们称为“恒星天文学之父”。值得一提的是，他的妹妹C.L.赫歇耳（Caroline Lucretia Herschel，1750～1848）和儿子J.F.赫歇耳（John Frederick William Herschel，1792～1871）也都是英国著名的天文学家。

宇宙大爆炸的发现

宇宙是有限的还是无限的？宇宙是怎样形成的？这些都是人类探索了几千年而且至今仍在探索的问题。

牛顿在1692～1693年给剑桥大学三一学院院长、牧师本得利（1662～1742）的四封信中谈到了他的无限宇宙观：由相互吸引的物质所组成的宇宙是无限的；否则，在此力的作用下所有的物质将会坍缩到有限的宇宙中央，聚集成一个巨大的球体。他抛弃了早年的有限宇宙观。

然而，以牛顿万有引力定律为基础的无限宇宙却遇到了两次强有力的挑战。除了1895年西利格提出的无限宇宙中任一点的引力势及其导数都是不确定的，而出现“引力佯谬”之外，就是著名的“光度佯谬”了。

提出“光度佯谬”的是德国天文学家、数学家奥尔伯斯，他是著名数学家高斯的挚友。他于1826年提出的这个佯谬指出，既然宇宙是无限的，那就分布着无穷多个恒星。这样，宇宙中任何一点将会由于这无穷多恒星的光照而呈现无穷大亮度，考虑到恒星相互遮光后，这一亮度将变为一恒定的有限值，这就是说，夜空也将有一个恒定的均匀亮度，而不是黑的。这一结论显然与事实相悖，于是构成又叫“夜黑佯谬”或“奥尔伯斯佯谬”的悖论。他本人也提出解决这一悖论的一种方案。即星际尘埃遮住了大部分星光。但显然这一方案不能完全解释这一佯谬，无限宇宙在物理上面临不可逾越的困难。

为了解决以上两个悖论，上述西利格和诺意曼于1896年，沙利叶在1908年分别另外提出了解决方案，但却没取得完全的成功。不过，前一方案中实际上引进的宇宙斥力项所代表的解决问题的方法却对其后爱因斯坦相对论宇宙学的建立产生了很大的影响。

事实上，由广义相对论可知，物质使时空弯曲，引力作用以光速传播；加上宇宙有限年龄和目前处于膨胀阶段，以及恒星发光寿命决不是无限均等因素，以上两个佯谬是不难解决的。

宇宙学是从整体上研究宇宙结构和演化的一个天文学分支。如果把前述牛顿等的研究归为“古典宇宙学”的话，则“现代宇宙学”的研究就从爱因斯坦的广义相对论开始了。

爱因斯坦在1915年创立、1916年发表广义相对论后，就用它来考查宇宙结构的问题。结果，他发现这个宇宙是不断膨胀的，宇宙中的物质不断相互远离扩散。这时，他害怕极了，怎么宇宙会越来越大呢？他怀疑自己相对论中一些公式的正确性。为了弥补这一膨胀宇宙模型的“缺陷”，他在前述诺意曼等人引进宇宙斥力项的启发下，也在他的宇宙模型中引进了宇宙斥力。这种斥力只有当物体之间的距离很大时，才变得比引力更大。若宇宙斥力与引力正好互相抵消，就得到一个稳定的平衡宇宙。

爱因斯坦真是会神机妙算的：用相对论得出宇宙不断膨胀的结论是有条件的，因为宇宙项会使物体在距离很大时有大于引力的斥力，而距离小时斥力会小于引力，这时则不会膨胀。这样，既保证了相对论的正确性，又保证了宇宙不会膨胀，这宇宙项真是支能射双雕的宝箭！

于是，“爱因斯坦宇宙”应运而生。1917年他在《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》中提出了他的宇宙模型：“有限无界”（边）的“静态”宇宙。有限无界源于相对论，因为在相对论看来，有物质存在空间必然弯曲，整个宇宙的平均物质密度不为零，那么，它整体上必为封闭体系，所以它“有限无界”，就像二维球面是一个有限但无边界的二维空间一样。“静态”则来自他关于宇宙应是静态的猜想，虽然他相对论的引力场方程只能得到动态解导致膨胀的宇宙，但他“巧妙”的宇宙观却维持了宇宙的“静态”。

不过，神机妙算的爱因斯坦很快就发现，他“巧妙”的宇宙观是弄巧成拙。

原来，就在他提出上述宇宙模型的1917年，荷兰天文学家德西特也根据广义相对论得出“德西特宇宙”，它不断膨胀，但物质平均密度为零，是一个有运动无物质的空虚宇宙。接着在1922年，苏联物理学家、数学家弗里德曼重新用引力场方程进行研究，得出了非静态的宇宙模型。他认为无须使用爱因斯坦那个宇宙项，这样所得到的爱因斯坦方程的解是不定的，即宇宙可能是膨胀的，也可能是收缩或脉动的。当时，爱因斯坦并不相信这一模型，便在德国《物理学期刊》上公开反驳。

但是，爱因斯坦很快就发现了自己的失误。

在20世纪20年代初，美国天文学家斯弗莱测定了41个星系的视向速度，发现除少数以300公里/秒的速度趋近我们外，大多数离开我们有的可达1800公里/秒。1917年的爱因斯坦模型解释不了的星系谱线的这一红移；而同年德西特的模型则预言了这一模型，而且，比利时天文学家勒梅特在1925年、罗伯逊在1928年先后证明，通过适当的变换，德西特的宇宙可以有运动而无物质，而宇宙观则引起恒定的加速膨胀。由此可见，爱因斯坦的模型是错误的。

事情并没有完结。

1927年，勒梅特建立了均匀的各向同性的宇宙；1929年，美国天文家哈勃确定了星系的红移和距离之间的线性关系，这不但证实了德西特距离与红移成正比的预言，还导致英国天文学家爱丁顿（1852～1944）把它与宇宙膨胀论联系起来，认为这是证实了宇宙膨胀论。1932年，勒梅特终于从宇宙膨胀论出发，提出了“宇宙大爆炸”的宇宙演化学说。而这正是德西特、弗里德曼等人的后续工作。“宇宙大爆炸”理论现在有许多观测事实给予支持，因而得到了越来越多的人的广泛承认。

爱因斯坦终于认识到自己的失误：毫无依据地引入宇宙项，并由此错过提出“宇宙大爆炸”这一至今流行的宇宙学理论的机会。对此，他终身懊悔不已，多次说这是他一生中干的“最大蠢事”。由此可见，没有依据（理论或实践依据）的假说在未被实践检验之前是不能成为真理的，如果囿于这靠不住的假说，有时还会错过作出进一步大发现的机会——像爱因斯坦痛失提出“宇宙大爆炸”理论那样。

法国物理学家布罗意曾说，爱因斯坦“这样一个人物的天才和独创性，他能够一眼看穿那疑难重重、错综复杂的迷宫，领悟到新的、简单的想法，使得他能够吐露那些问题的真实意义，并且给那些黑暗的领域突然带来清澈和光明。”看来，任何伟人只要从主观臆想出发，就会产生失误，不再“带来清澈和光明”，爱因斯坦也不例外。总是能一眼看穿迷宫的先知先觉是不存在的。

不过，爱因斯坦对待自己的失误却是坦然的。他曾在同一刊物《物理学期刊》上公开承认对弗里德曼的错误批评，接受弗里德曼的理论。此外，他在建立狭义相对论时，1907年他大学时的老师、德国数学家闵可夫斯基（1864～1909）根据他的理论提出时空的四维形式，他开始也不赞同，认为这是数学家把物理问题复杂化了，但不久他就认识到自己的错误，并最终让四维时空帮他走向广义相对论。知错必改，从不文过饰非，正是这位伟人令人敬佩的优点之一。

二　地理大发现

李四光开创地质力学

李四光（1889～1971），中国地质学家，发现长江流域的第四纪冰川遗迹，并在古生物学上有卓越贡献。1927年撰写中国古生物学专著《中国北部之蜒科》一书，1962年完成《地质力学概论》。他的名字，在中国家喻户晓。现在，大庆、松辽、渤海等大油田已闻名于世，中国石油年产量为1亿几千万吨，是世界上超亿吨的石油生产大国之一。大家都知道中国石油工业的发展是和李四光分不开的，李四光的地质力学为中国油田开发提供了理论依据。

1889年10月26日，李四光出生在湖北省黄岗县回龙山下一个贫寒的家庭里，原名李仲揆。在考取武昌高等小学堂时，改名为李四光。李仲揆改名李四光，这里面还有一段有趣的插曲。1902年，李仲揆十四岁那年他去武昌报考高等小学堂。填表时，误将年龄“十四”填在姓名栏里。急中生智，顺手将“十”字改为“李”字。于是，成了“李四”，这名字太难听，踌躇间他瞥见大厅中央挂着一块写有“光波四表”的匾额，他灵机一动，在“四”字后面又添了一个“光”字，光照中华，倒也不错。从此，他的名字便成了李四光。经过考试，李四光以第一名的成绩考取了武昌第二高等小学堂。学校规定凡是能够考取前5名的学生，就可以免费送到英、美、法、德或日本等国留学。李四光学习非常用功，后来争取到了去日本学习造船业的机会。6年后李四光以优异的成绩，从日本大阪高等工业学校毕业，决心为国家的富强干一番事业。但辛亥革命胜利成果被袁世凯篡夺了，李四光颇为愤慨，于是决定离开中国。他选择了去英国留学，并决定学习地质专业。又是六年的寒窗苦读，1919年，李四光终于取得了地质学硕士学位，他再次踏上了归国之途。

回国后，李四光应北京大学校长蔡元培之邀，出任地质学教授。他把满腔的热情都倾注到了他的事业上。他一面教书，把自己掌握的知识全都毫无保留地传授给他的学生，希望能为我国的地质事业培养出更多的人才；一面又进行科学研究，他的科学知识越来越渊博。回国后的长期教学和野外实习又为他提供了良好的实践机会，使他不断地积累资料，不断地思考和研究问题。

他治学严谨，在科学研究中，始终掌握从现象深入到本质、从结果追溯到原因的治学方法，因此能不断地提出创造性的见解，并敢于向地质学界的传统观点提出挑战。

20世纪20年代初期，李四光根据自己在华北地区的多次地质考察，发现了第四纪冰川的遗迹，于是在1922年发表了《华北晚近冰川作用的遗迹》一文。当时不少中外地质界的权威人士看了这篇文章后，都不屑一顾，他们认为寒冷干燥的气候下，不会有冰川。

李四光却想，人们所以拿干燥的气候反对他，可能是由于冰川遗迹发现得太少，零星片段，没有构成系统而充足的证据，因此无法打破人们已经习惯的观点。所以，要证明自己的观点，必须找到更多的冰川作用的遗迹。

十年过去了，李四光带领他的学生，走遍了太行山、天目山、庐山等地，发现了越来越多的冰川遗迹。1933年11月11日，他在中国地质学会第十次年会上，宣读了《扬子江流域之第四纪冰期》的论文。他满怀信心地宣布：“强有力的事实证明，长江流域在第四纪确有冰川遗迹存在……”

李四光的新发现，震惊了世界，地质界立即掀起了轩然大波。反对中国存在冰川的人还抬出了德国冰川权威李希霍分的断言：“中国南方太暖，而北方太干，第四纪中国无冰川发生。”

面对中外众多学者权威的反对，李四光依然坚持自己的见解，他知道，科学界不相信落后的中国会有人搞出什么真正的名堂来。于是，他胸有成竹地把这些人请来，引领着他们沿着庐山地区的几条谷地仔细查看。沿途到处可见由于冰川活动而形成的漂砾、条痕石、U形谷、冰斗、冰坎等第四纪冰川的遗迹。他一边讲述自己的见解，一边不停地与他们辩论。在强有力的事实面前，李四光终于取得了胜利。

李四光在地质学方面，除了对第四纪冰川问题的研究外，还在古生物学研究上取得了新的进展。通过实地工作，他感到含煤地层的划分是个重要的问题。地层划分不清楚，就不可能推知矿产生成的规律。而要解决这一问题，就必须首先研究保存在地层中的古代生物的演变历史。为此，他采集了不少标本，主要是对石炭二迭纪地层中所含的微生物蜒科化石标本进行研究。

他鉴别出了它们不同科属，判断出了它们进化的阶段。又根据它们在进化阶段上有的比较高级些、有的比较低级些的差别，推断出了含有这些不同种属的化石岩层的时代。然后，根据它们现在的分布情况，去考察煤矿分层的规律。

后来，他写出了一系列蜒科方面的研究论文，创立了蜒科鉴定的十条标准。1927年，他又将这些成果，进行了进一步的整理和研究，写成了《中国北部之蜒科》一书，被中国地质调查所作为古生物学专著出版了。

李四光通过对蜒这种海洋古生物的研究，还发现了另一个重大的问题：在同一地质时代里，华北地区以陆相沉积（历史上没有被海水淹过的陆地）为主，间有海相沉积（历史上地层被海水淹没过的地区）薄层；华南地区则以海相沉积为主，越往南，海相沉积越厚。这说明了在那个时期海退的现象。

为什么在同一地质时代，海浸、海退竟有这么大的差异呢？此后，他立即开始了对这一现象的探索和研究。

他首先否定了当时地质学界流行的一种传统观点：地球表面的海水运动是全球性的，要升都升，要降都降。因为按照这种观点就无法解释在同一地质时代里，北方海退，南方海浸的现象。他再查看地质文献，发现国外也有类似现象。以北半球为例，南方海浸，北方海退，海水由两极涌向赤道；而经过若干时候，又出现相反现象。

1926年，他写出了《地球表面形象变迁之主因》的论文，系统阐述了地球自转速度的变化是引起地球表面形象变迁的主要原因，提出了推动地壳运动的主要力量是在重力控制下地球自转的离心力。他认为：“当地球自转速度加快时，离心力的水平分力就推动海水向赤道方向移动；当地球自转速度减慢时，离心力减少，作用就相反。”

李四光还认为，这种离心力不仅影响海水的运动，而且影响地壳运动，造成地壳的褶皱、沉降和断裂……这种把应用力学引入到地质学中，用力学观点解释和研究地壳构造和地壳运动规律的科学，就是李四光创立的地质力学。

李四光的地质力学理论，为研究地壳运动问题开辟了新的途径，它使地质科学的发展进入一个新的阶段。1948年2月，李四光夫妇赴伦敦参加第十八届国际地质学会。鉴于国内的紧张局势，会议结束后，他没有立即回国。1949年10月，李四光夫妇回到了大陆，受到了周恩来总理的接见。

1953年，他发表了题为《关于地质构造的三种基本概念》的文章，这是他研究地质力学过程中的一篇重要文献。1962年初，李四光完成了《地质力学概论》一书，这是他44年实践经验的总结，是他在地质力学方面的代表作，也是地质力学研究史中的一个里程碑。

地质力学在实际应用方面的最大贡献，是按地质构造来找石油。过去，外国人称中国为“贫油国家”，然而李四光不相信他们荒谬的言论。

中国到底有没有石油？李四光满怀信心地作了肯定的回答。他依据自己独创的地质力学和多年的调查研究，全面系统地阐述了中国寻找石油的广阔前景。

他说：“是否存在油矿，关键不在‘海相’和‘陆相’，而在于有没有生油和储油的条件，在于对地质构造的规律的认识。我国的地质条件很好，地层下含有丰富的石油，仅在新华夏构造体系的沉降带中，就有几个大油库。在我国的松辽平原、华北平原、渤海湾……都具备着生油和储油的条件。我们国家的石油远景很辉煌啊！”

1954年，在李四光的亲自主持下，经过地质队员们的艰苦奋战，大庆、大港、胜利、南海等一个又一个大油田相继找到了、开发了。黑色的油龙冲掉了“中国贫油”的帽子，也有力地证实了李四光的科学预见。从此，李四光真的像他的名字寓意那样光照四方了。在李四光地质理论的指导下，地下水找到了，地热找到了，金刚石成矿带找到了……

1971年4月29日，由于动脉瘤突然破裂，抢救无效，李四光的心脏停止了跳动。虽然这位卓越的科学家去世了，但他为了国家的繁荣富强而献身科学的精神，永远鼓舞着后人。

大陆漂移的发现

多少个世纪以来，人们不断探索着地球的奥秘。经过许多地质学家的努力，到了近代，人们终于形成了这样一种观点：地球上沧海桑田的变化主要是由于地壳的升降造成的。地壳以垂直运动为主，海洋盆地和大陆在地球上的位置基本上是不变的。这种观点就叫作“海陆固定论。”

20世纪，德国地球物理学家、气象学家魏格纳提出了大陆漂移学说，向海陆固定论发起了挑战。这个学说经历了20年的争论，20年的沉寂，终于顽强地成长起来，发展为海底扩张学说、板块构造学说。现在，大陆曾经和正在发生大规模水平运动的观念已为人们普遍接受，并成为指导人类认识地球、改造地球的崭新的地球观。

天方夜谭

1910年的一天，年轻的德国气象学家魏格纳卧病在床。他百无聊赖，盯着挂在床对面的一幅世界地图。看着、看着，他忽然发现了一个奇妙的问题：为什么大西洋两边大陆的轮廓线是那样相似？非洲的几内亚湾刚好能填进巴西亚马孙河口突出的大陆；而沿着北美东海岸到特立尼达和多巴哥的凹形地带，恰好能镶进欧洲西海岸到非洲西海岸的凸形大陆；如果把它们并合在一起，正好是一个完整的大陆。世界上怎么会有这么巧合的事呢？难道它们原来就是一整块大陆，后来才分成了几块？这个离奇的念头从此萦绕在魏格纳的脑海中。

第二年秋天，魏格纳偶然翻看一本论文集，忽然，他眼睛一亮，原来论文集中有一篇文章谈到南美洲和非洲的古生物化石非常相似，比如一种叫中龙的爬行动物，既见于巴西东部，又见于非洲西南部。显然中龙不可能插翅飞过大西洋。因此作者推测，巴西和非洲很可能有过陆地的连结。魏格纳兴奋极了，作者的看法正好和自己的想法不谋而合。他兴冲冲地敲开了他的老师柯本教授的房门，把自己的想法原原本本告诉了老师。

柯本教授是德国著名的气象学家，他非常喜爱这个头脑敏捷、勤奋而有进取心的学生，魏格纳不仅是他的得意门生，而且还是他未来的女婿。柯本教授深知这一问题涉及众多领域，要想解决困难重重。他可不愿意让在气象学上大有前途的魏格纳放弃专业，去搞什么大陆飘移。于是，他告诉魏格纳，他的想法并不新鲜，早就有人猜想古代大陆是连在一起的，但是，从来没有任何人能够证明这一点。

的确，早在地理大发现的年代，许多探险家就发现非洲西部的海岸线和南美东部的海岸线正相吻合的事实了。1620年，著名的哲学家培根在他的《新工具》一书中，就曾对这一现象发表过评论，认为这不太可能是一种偶然的巧合。

19世纪，地质学家斯奈德发现欧洲和北美的煤层中的植物化石雷同，他推测在煤层形成的石炭纪时，欧洲和北美是连在一起的，并且绘出了分离前和分离后的地图。

著名的进化论者查理·达尔文的儿子乔治·达尔文则提出了一个有趣的设想，即月球是从地壳上的一部分分离出去的，在月球脱离地球后，地球上的陆地重新调整了位置。

柯本教授本来想以这些例子来说服魏格纳，这么多人都没有搞清这个问题，你就不要再枉费心机耽误了自己的前程。可是没想到，他的这番话，反而大大鼓舞了魏格纳：这更证明了自己的想法不是没有道理的，魏格纳下定决心，一定要解开这个谜。《海陆起源》问世

不怕艰难险阻，富有挑战精神，这是魏格纳的一贯品格。

魏格纳于1880年11月1日生于柏林一个虔诚的天主教家庭中。他的父亲是一名传教士，很希望儿子将来能继承他的事业。但是魏格纳对神学一点儿也不感兴趣，他从小就迷上了探险事业，立志要做一名探险家。

当时，除了南北极之外，探险家们的足迹已遍及世界各地，因此，魏格纳的理想就是到北极去探险。他读了许多有关北极的书籍。为了使自己的身体能适应极地的恶劣气候，他用斯巴达的方式锻炼自己的身体，冬天用冷水浇身，光着身子站在冰天雪地之中，只要有暴风雪，就不放过机会去滑雪，而夏天，在赤日炎炎下，背着砂袋步行几十公里，表现出了非凡的毅力和勇气。

魏格纳先后就读于海德堡、因斯布鲁克和柏林大学，25岁就获得了天文学和气象学博士学位。在柯本教授指导下，魏格纳亲自驾驶特制的气球，飞上3700米的高空，测量温度、气压、风向和风力。1906年，魏格纳以气象学家的身份，参加丹麦探险队，赴格陵兰探险，实现了少年时代的梦想。

现在，魏格纳以极大的热情和毅力投入了这个科学上未知领域的探险。他搜集一切他可以搜集到的资料，对浩繁的地质学、古气候、古生物、大地测量的资料进行整理和对比，从中寻找大陆漂移的证据。

1912年1月6日，在法兰克福地质学会上，魏格纳作了题为“大陆与海洋的起源”的讲演，首次提出了大陆漂移的假设。1915年，他的不朽著作《海陆起源》问世了。在这部著作中，魏格纳系统地论述了大陆漂移的理论，并用大量事实进行了论证。

让我们跟着魏格纳的描述去追寻一下地球的沧桑变迁吧。

那是距今3亿5千万年以前的古生代，地球上只有一块大陆，叫做联合古陆或泛大陆，在它的周围是一望无际的海洋，叫做泛大洋。大陆是由较轻的硅铝质组成的，漂浮在由较重的粘性大的硅镁质组成的大洋壳上。

由于地球由西向东旋转产生的离心力，加上月球潮汐力等的作用，在距今2亿年左右的中生代，大陆就像漂浮在水面上的冰面一样，开始分崩离析，美洲与非洲、欧洲分离，中间形成了大西洋，非洲的一部分脱离了亚洲，诞生了印度洋。到了距今大约二三百万年的第四纪初期，大陆漂移到了今天这样的位置，而现在大陆仍在漂移中。

这并不是魏格纳的凭空幻想，他有大量的事实为依据。

大西洋两边大陆不仅海岸线正相吻合，而且地质构造也是相互对应的，两边的岩石、地层和褶皱构造可以像搭积木一样搭配起来。比如非洲南端从东向西横着一条开普山脉，它的向西部分延伸可以在南美的布宜诺斯艾利斯南部找到，非洲陆地的片麻岩高原与巴西的片麻岩高原遥相对应；在巴西的米纳斯吉拉斯省和南非的奥伦治河以北都发现有白色金刚石矿……

魏格纳曾打过一个比方，如果把一张报纸撕成参差不齐的两半，假如两个半张报纸的边缘能很好地吻合在一起，而且撕破边缘上印刷的文字能连在一起，成为通顺的句子，就可以断定这两个半张报纸原来是同一张报纸。对于大陆来说，地质构造就相当于印刷的文字，它们一一对应，证明了原来的大陆是连在一起的。

古气候的研究也证明了这一点。20世纪初，人们在澳洲、印度、南非和南美都发现了古冰川的遗迹，从冰川作用的规模看，它们应当是极地冰盖。可是，这些地区现在都在赤道附近，因此，人们感到大惑不解。

魏格纳的大陆飘移学说为这个疑难问题找到了合理的解释：这些分散的冰川在联合古陆时代，都聚集在一个不大的地区，而当时这个地区正好是寒冷的极区。随着大陆漂移，它们才逐渐分开，并到了赤道附近。

生物学给出的证据就更多了。例如北美东部与欧洲西部有着同一种珊瑚礁，海滨生物和江河生物也相同；又如有一种园庭蜗牛，只有欧洲西部和北美邻近大西洋的地方才有……

过去，生物学家们也发现了这种相同的地方，但他们用陆桥学说加以解释，即各大陆之间过去有过部分的连结，后来这些陆桥沉没到海底了。

事实上人们从未在海底发现过陆桥的痕迹，而且以那种美国东部才有而西部没有的园庭蜗牛来说，它每秒只能爬行1.5毫米，既然不能从美国东部爬到西部，就更难想象它能爬过横跨大西洋的陆桥了。只有用过去这两个大陆是连在一起的才能作出合理解释。

尽管在魏格纳以前已有人提出过大陆漂移的想法，但只有魏格纳对这一假说作了全面深刻的论述，形成了严密的理论体系，因此，人们公认魏格纳是大陆漂移学说的鼻祖。

吹响现代地学革命的号角《海陆起源》一书一出版，就轰动了整个地学界。短短几年，这部著作被译成英、俄、日、法等多种文字，传遍了全世界。它打破了人们对地球表面海陆起源与分布的传统认识，吹响了现代地学革命的号角。

正因为如此，这个学说一问世，就引起了人们的分外关注和激烈争论。一些学者热情鼓励和支持魏格纳，称赞他的学说“在思想上引起的革命堪与哥白尼时代的天文学相比拟”。但也有许多教授、权威嘲笑魏格纳的学说不过是“玩弄儿童七巧板的发明”，“说得有声有色最轻率的空想”，“给科学带来最大危害的形式主义”，他们称魏格纳是“一个不知天高地厚的狂人，”他的学说是不值一提的“狂想曲”。

人们反对这一学说，固然是由于保守思想作怪，但很重要的一个原因是这个学说还不完善，特别是它不能给出令人信服的大陆漂移的动力。地球物理学有关重力的测量的确证明了，洋底岩石比陆地岩石重得多，但是他们毕竟都是坚硬的石头，根据人们的经验和知识，很难想象大陆壳可以在固体的洋底壳上一漂千里。魏格纳曾设想由于地球的离心力和潮汐力引起大陆漂移，但许多科学家的计算证明，这两种力很小，远不足以使大陆发生漂移。

1928年11月，一个关于大陆漂移的讨论会在美国纽约举行，全世界14位著名的地质学家参加了这次会议。经过激烈的争论，有5人支持大陆漂移学说，2人有保留的支持，7人反对。会议主席只好做了一个折中的结论：“漂移的机制还没有找到，不过对于解释古生物分布之谜来说，大陆漂移说比陆桥说要好。”

纽约会议之后，争论仍在进行，推动了有关大陆漂移机制的研究。英国爱丁大学的地质学家霍姆斯最先提出，大陆漂移的动力可能是地幔物质的对流造成的。

地球是由地壳、地幔、地核三个层次组成的，有一点像一只煮得不太熟的鸡蛋一样，蛋壳好比地壳，蛋白好比地幔，蛋黄好比地核。1926年，地震学家古登堡在研究地震波的传输时，发现地震波传到地下一二百公里深时，速度减慢，这表明这里的物质比较软，具有一定的可塑性。霍姆斯认为大陆就是被驮在这个软流层上漂移的。

荷兰物理学家曼纳兹也提出过类似的看法，可惜他们拿不出充分证据，而且当时漂移论正处于不景气之时，因此，他们的论点没有引起人们的重视。

魏格纳并没有气馁、屈服。1930年，他重新踏上了赴格陵兰的第三次探险之路。他此行的目的，是想重测格陵兰的经度，以便从大地测量学方面获得对大陆漂移的有力证据。

格陵兰岛的天气变幻无常，气候恶劣，巨大的暴风雪呼啸着向他们扑来。他们一行15人，乘着雪橇艰难地跋涉着，每前进一步，都要付出巨大的代价。在险恶的环境下，大多数人失去了勇气，最后只有二人追随魏格纳。11月2日，魏格纳独自一人继续前进，由于过度疲劳，心脏病复发，倒在了皑皑白雪中，再也没有起来。这位才华横溢的科学家在他刚满50岁之际，为科学事业献出了他的宝贵生命。

魏格纳的牺牲，使大陆漂移学说失去了旗手，反对派抓住动力机制及其他一些细节问题大作文章，而支持这一学说的人一时又拿不出更有力的证据，这一学说日渐消沉，最后终于销声匿迹，有很长时间，在大学的教科书和讲义中再也见不到它。

大陆漂移学说的复兴

本世纪50年代，由于古地磁学的发展，沉寂了20多年的大陆漂移学说又复活了。

英国伦敦大学的布莱克特，领导着一个研究小组，对英国三叠纪岩石的剩磁进行了测量。要知道，测量熔岩的剩磁可以判断古代地磁场的强度和方向。这是因为当炽热的岩浆从地底下喷发出来时，由于岩浆温度很高，分子排列的秩序都打乱了，因此它不具有磁性。随着岩浆慢慢冷却和凝固，其中的铁矿物就会按当时地磁场的方向发生磁化，以后，这种磁化方向就被保留在岩石中，再也不受地球磁场变化的影响了，这就是剩磁。

布莱克特得到令人吃惊的结果，三叠纪时英国的地磁场方向与今天相比，磁偏角整整差了35°！这究竟是什么原因呢？一种可能性是地球磁极的方向发生了巨大的变化，但众多的知识告诉他们，地球磁极的位置虽然发生过变化，但总的来说，偏离位置不是很大，与地球的自转轴位置基本是吻合的。剩下的一种可能性就是英格兰从三叠纪以来，沿顺时针方向转了35°，而且向北移动了很大位置。

布莱克特不由得想起来被人们遗忘的大陆漂移学说：“魏格纳是对的，大陆的确曾发生过漂移。”

为了证实这一点，布莱克特又对印度德高高原侏罗纪年代岩石的剩磁进行了测定。结果表明，整个印度半岛从侏罗纪以来，已经向北移动了7000公里，从南半球跑到了北半球。

另一位英国地球物理学家朗科恩领导的小组宣布，他们获得了更为可靠的大陆漂移的古地磁证据。他们测定了欧洲从前寒武纪开始每个地质时期古地磁的北极位置，把它们连接起来，画出了一条磁极游动图；用同样方法，他们又画出了北美的磁极游动线；结果发现，这两条磁极游动线形状相似，经度却相差近30度。如果让美洲大陆移动30°，这两条曲线刚好能重合起来，于是大西洋就会从地图上消失，欧洲和北美正好连成了一个大陆，和魏格纳大陆漂移学说提出的联合古陆的情况完全一致。他们从古地磁的研究中得出了和魏格纳相同的结论。

古地磁研究的新进展使人们再也不能忽视大陆漂移的事实了，大陆漂移学说重新引起了人们的重视。

海底扩张说的提出

大陆为什么会漂移？它是怎样漂移的？这个问题一直未得到令人信服的解答，连魏格纳本人也曾说过：“漂移理论中的牛顿还没有出现。”60年代，随着人们对海底的了解，人们终于找到了全新的答案，这就是海底扩张学说。

海洋，就在人们身旁，可是多少个世纪以来，人们对它的了解，特别是对深海的了解却很少很少。

1872年，英国皇家舰队的“挑战者”号，首次向深海发出了挑战，进行了深水海洋考察。人们发现海底并不是一马平川，有高山还有海沟。但那时他们用的测深仪还很落后，是一个固定在绳子上的测垂，因此对海底的测量还很粗糙。

1925年，德国派出“流星号”考察船，目的是为了寻找黄金，以弥补在第一次世界大战中的损失。结果黄金梦没有实现——从海水中提取黄金成本太高，无利可图。但他们得到了意外的收获，第一次揭示了海底起伏的地形。他们用回声探测法对海深进行了7万多次测量，证明了大西洋底部有一条巨大的海岭，它高出洋底3000米以上，把大西洋分成了两半，这就是大西洋中脊，并对它进行了详细的测绘。

50年代开始，美、英、法、日、苏等国都派出了海洋考察船。他们使用最先进的设备对洋底进行探测，遮盖在大洋上的那层厚厚的深蓝色的帷幕被揭开了，洋底的秘密一个个展示在人们面前。

美国哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所所长尢因是利用地震波探测洋底的先驱，他和希曾首先发现，像大西洋中脊这样的海底山脉不仅大西洋有，北冰洋、印度洋、太平洋都有，他们首尾相接，形成长达64000公里的环球性中央海岭体系，也称大洋中脊。

更令人惊奇的是，他们发现在洋中脊的顶部，有一道宽15～40公里，深1～3公里的裂谷，那里不断有热流在上升，是火山和地震频繁发生的地带。

人们还发现，从洋底取出的岩石标本没有比侏罗纪更老的了，比大陆岩石的年龄年轻得多；洋底沉积岩的厚度也比陆地沉积岩薄得多。这一切表明，洋底的年龄不过几亿年，而陆地的年龄，从人们测定的最古老岩石来看，已有30多亿年了。

为什么洋底耸立着一条世界性的海岭，它的中央有一道像把地壳撕开一样的大裂谷？洋底的年龄为什么会如此年轻？这些问题不能不引起人们的思考。

美国普林斯顿大学地质系主任赫斯，在第二次世界大战时曾担任过海上运输中队的中校，他乘坐舰艇在太平洋水下进行观察，曾发现过一百多座海底平顶山。后来，他又在汤加附近的深海沟见到过一座高出海底8200米的海底山脉，歪立在海沟处，似乎就要沿着海沟的缓坡滑下去一般，这给了他极其深刻的印象。他猜想这些海沟还有洋中脊在地球的动力机制中一定扮演着重要的角色。

60年代初期，赫斯与美国海岸与大地测量局的另一位科学家迪茨几乎是在同时分别提出了崭新的理论——海底扩张学说。

他们认为，地壳运动的动力，主要来自地幔物质的对流，大洋中脊的裂谷是地球上的“弱点”，地球内部的炽热物质——岩浆，在高温高压的作用下，不时冲破这个“弱点”涌出来，冷却凝固后堆积成大洋中脊。由于岩浆不断涌出，于是把洋底从中脊向两侧不断地推开，像一个传送带一样，使海底不断扩张，离中脊越远的海底，年龄就越老。当扩张的海底到达海沟处时，它们便落入万丈深渊，回到地幔中被熔融，重新加入到物质对流中去，海底就这样不断产生、扩张、潜没……始终在不断地更新。像太平洋的洋底全部更新一次大约需要2亿年的时间，而整个洋底更新一次约3～4亿年。这就是为什么大洋底的年龄那样年轻的缘故。大陆同其相邻的洋底一起，被地幔的对流体带动而缓缓移动，于是造成了大陆的漂移。

海底扩张学说刚提出来时，还没有直接证据可以证明它。赫斯在谈到他的假说时曾说：“我的这个设想还要很长时间才能证实，因此与其说它是一篇科学论文，倒不如请大家把它看作是一首地球的诗篇。”

然而，没有多久，这个地球诗人的设想就被一个个事实所证实。

50年代末，人们发现一些海底岩石中存在着条带性磁异常，这些条带与洋中脊平行而正负相同。这种神秘的条带是怎样形成的呢？人们不得而知。

1963年，英国剑桥大学两名年青的学者瓦因和马修斯用海底扩张学说解释了条带的成因。古地磁学研究告诉人们，地球的磁场在地质年代中曾发生过多次南北极倒转。这样，从洋中脊裂谷中不断涌出的岩浆，在冷却凝固后保留的剩磁就会像一部忠实的史书，记录下地球磁极的每一次倒转。由于新的洋底以大洋中脊为对称轴不断形成，所以洋底由一系列对洋中脊来说是平行而对称、磁性正负相间的岩带组成。

富有经验的赫斯立即看出这个假说对验证海底扩张学说的重要性。在他的力促下，美国于1965年完成了对北大西洋洋脊的航空磁测，所得到的磁异常条带果然都与洋中脊平行，正负相间且完全对称，证实了瓦因和马修斯的假说。

60年代末，深海钻探的进展又为海底扩张说送来了新的证据。美国格罗玛·挑战者号深海钻探船在世界各大洋进行了广泛的钻探和取样，所得到的大量样品表明，洋底最古老的沉积物年龄不超过1.6亿年，洋底地壳的年龄正好以大洋中脊为对称轴，有规律地增长着。

海底扩张说的另一大证据是转换断层的发现。人们发现大洋中脊被一些断裂带横切并错开一定距离。加拿大多伦多大学的地球物理学家威尔逊独具慧眼，指出这种断层不是由平移的力造成的，而是由海洋中脊向两侧扩张的力造成的。据此，通过中脊轴之间的断裂带上将会有频繁的地震发生，而断裂带的其他部位地震则少得多。人们对地震的研究成果证实了这点。

海底扩张学说很快得到了绝大多数科学家的承认，一时间，有关海底扩张的文章纷至沓来，成为地学界最热闹的话题。

当年，魏格纳遇到的最大困难是无法解释大陆漂移的动力源。海底扩张学说为其提供了新的动力源解释，从而为濒临困境的大陆漂移学说注入了新的活力，同时，它又为板块学说的诞生打下了基础，迎来了“大陆漂移畅想曲”的第三部曲。

板块学说——新的全球构造说

人们发现，在洋中脊、海沟、转换断层地带，地球的活动特别活跃，而在它们中间的地区，地球活动相对少得多，种种迹象表明，地壳并非是铁板一块。

1965年，几位才华不凡的学者在英国剑桥大学聚会。他们有来英国度休假年的加拿大学者威尔逊，来访的美国学者赫斯，以及英国剑桥大学的布拉德、瓦因、马修斯。他们之间展开了热烈的讨论，许多新概念渐渐明朗起来了。

威尔逊在他的转换断层论文中，首先使用了板块这个术语，提出中脊与中脊、中脊与岛弧（海沟）、岛弧与岛弧把地球分成了若干巨大的板块。

但是，板块究竟是如何运动的呢？是三位年轻的学者从理论上解决了这个问题，把海底扩张学说发展为全球构造学说——板块学说。

1967年，英国剑桥大学25岁的年轻学者麦肯齐首先讨论了板块在地球这一球面上的运动情况，用球面几何研究了板块的旋转运动。美国普林斯顿大学的摩根从另一不同途径也得出了相同的结果。而法国地球物理学家勒比雄把板块的旋转运动又推进了一步，他把地球岩石圈分成欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度板块、南极洲板块、太平洋板块六大板块，算出了每个板块的旋转度。他们的工作为板块运动的定量计算提供了基础。

板块学说认为，地球最外层的岩石圈被洋中脊、海沟、转换断层等构造活动带分割成几大块，这就是板块。一个板块可以是大陆地壳，也可以是大洋地壳，或者二者兼有。如勒比雄划分的六大板块中，太平洋板块全是水域，其他板块都是既有海洋，又有陆地。还有人把地球划分成20多个板块。

这些板块漂浮在地幔的软流层上，由于地幔的热对流运动，它们处在不断的运动之中。一般以洋中脊为分界线的板块，彼此相背而行，地壳下呈熔融状态的物质不断从开裂处涌出，冷却凝固成新的地壳，推动老地壳不断向海岭两侧作水平运动，使海底不断扩张更新；还有的板块，彼此间作相对运动，当两个板块相撞挤压时，如果两个板块都是大陆板块，双方前缘被提起，形成崇山峻岭；如果一个是海洋板块，一个是大陆板块，海洋板块将俯冲到相邻板块之下，于是形成了海沟；而当两个板块发生错位时，便形成了水平大断裂，地震和火山的爆发正是板块和板块之间相对运动的结果。

在历史的长河中，随着地球的演化，有的板块会合并，有的会分裂，联合古陆的分裂和迄今所发生的大陆漂移，全都是板块的运动引起的。在地球过去的生命史上，很可能已经发生过几次这样的分合了。

由于板块学说把大陆和大洋放在了同一系统下去考察，发展到全球规模，因此，这一学说又被称为新的全球构造说。

板块学说一问世，就得到了全世界地学界的重视，因为这一学说得到了大量事实的支持。

人们通过测量，直接观测到了板块的运动。一般大洋中脊都深藏在洋底，可是在冰岛，有段大西洋中脊延伸部分露出水面，为人们提供了观测的好场所。1967年，以梅森为首的一批英国科学家在中脊裂谷两边的山缘上分别设置了标杆，用精确的激光测距法测量标杆之间距离的变化，结果发现，几年之中，两缘之间的距离加大了5～8厘米。

美国西部的圣安得烈大断层，是一条从陆地上通过的转换断层，大地测量测出了圣安得烈断层错动的方向，正好符合板块运动的方向。久居这一带的老人，晚年时会发现，断裂带两侧的房子、小丘与他童年时看到的相比，已错移了三四米。

按照板块学说的理论，地震、火山、造山运动多发生在板块的交接处，事实也正是如此。

如历史上有名的1755年里斯本大地震、1908年西西里大地震，都发生在欧亚板块与非洲板块的汇聚处。全球的地震带的分布与板块边界非常一致，据统计，全球地震能量的95%都是在板块边界释放出来的。

火山也是如此。冰岛位于大西洋中脊口，它有一百多座火山，其中27座是活火山。1815年有名的坦博腊火山爆发，就发生在印度板块与白爪畦海沟向北俯冲地带。

造山运动也发生在板块的汇聚处。青藏高原就是印度板块向北漂移，与欧亚板块碰撞的结果。时至今日，印度板块仍以每年4.5厘米的速度向北移动，喜玛拉雅山每年以0.33～1.27厘米的速度上升。

为了证实海底扩张与板块学说，1972年到1974年间，法国和美国科学家分别乘坐“阿基米德号”、“塞纳号”和“阿尔文号”三只深潜器，潜入了3000米深的大西洋底，对大西洋中脊裂谷及转换断层进行考察，这就是有名的法美中部水下研究计划。1978、1979年，他们又深入到东太平洋加拉帕戈斯群岛的海底裂谷考察。他们亲眼看到裂谷底有许多很深的张性裂隙，从裂隙中喷溢出来含有金属矿物质的热泉水，在裂谷底布满喷出不久的新鲜岩浆，它们凝结成各种形状熔岩，有的似林立的烟囱，有的似打破的鸡蛋，有的似人体……他们形容谷底的景象就好像“一个正忙于制造火山和地震的可怕地方”。他们不仅取得了有关海底扩张和板块学说的第一手资料，而且发现，在灼热的喷泉附近，竟然活跃着许多海底生物，为研究生命活动和开发海洋提出了许多新的课题。

板块学说已为人们普遍接受，它不仅指导人们研究地震、火山、造山运动等地质现象，以便控制、减轻地震、火山等灾害；同时，为人们探索矿产资源的形成和蕴藏规律、开发矿产资源提供了帮助。因为无论是在大陆还是洋底，热液矿床主要分布在不同板块的接界处。

板块学说虽然取得了巨大的成功，但还有许多问题没有搞清。如有关板块运动的驱动力，直到今天仍没有得到满意的解决，人们还没有拿到地幔物质对流的直接证据。又如在板块内部是不是还存在着构造运动，为什么在有的板块内部地震活动也十分强烈？……这些问题，是当今全世界的地学家们团结起来、正在致力解决的问题。

三　物理大发现

阿基米德定律的发现

现在人们常听到“尤里卡”一词，20世纪90年代初法国总统密特朗提出过“尤里卡”计划，美国最大的太空计划也称作“尤里卡计划”。“尤里卡”是什么意思呢？“尤里卡”是希腊语的音译，中文意思是“我找到了！”

这样一句普普通通的话被现代高科技用作代称，是因为它和古代希腊一位著名科学家连在一起的。这位伟大的科学家就是阿基米德（Archimedes，约公元前287～前212）。阿基米德是古希腊数学和力学方面最伟大的人物之一，也是真正有创见的古希腊科学家中的最后一个人。他是古希腊物理学家和数学家，静力学和流体静力学的奠基人，是从实验观测推导数学定律的先驱。恩格斯在《自然辩证法》一书中赞誉他是后古典时期才开始的对科学进行精确的和有系统研究的代表人物之一。

约公元前287阿基米德生于西西里岛著名的文化古城叙拉古（今意大利锡拉库萨）。他的父亲是天文学家和数学家。阿基米德11岁时，被父亲按照当时的惯例送到当时的世界文化学术中心亚历山大里亚城王家学校去学习。学习期间阿基米德对数学、力学和天文学发生了浓厚的兴趣。在他学习天文学时，发明了用水力推动的星球仪，并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。为解决用尼罗河水灌溉土地的难题，他发明了圆筒状的螺旋扬水器，后人称之为“阿基米德螺旋”。

公元前240年，他回叙拉古后，受到了国王亥厄洛的赏识，成为国王的顾问，帮助国王解决了生产实践、军事技术和日常生活中的许多实际问题。

阿基米德有一句名言：“给我一个支点，我可以撬起整个地球。”这句话至少有两个值得注意的地方。第一，阿基米德认为地球和月亮星星一样是圆球状的；第二，他从理论上掌握了杠杆原理。其实，阿基米德已经以丰富想像力把杠杆原理运用到实际问题上了。

后来，这话传到了国王的耳朵里。国王为了考验阿基米德的才能，让他把一条刚刚造好的船用简便的方法推下水去。于是阿基米德便设计了一套巨大的杠杆和滑轮机械，借助杠杆原理只要用很小的力量，就可以使很重的物体运动起来。他把一切都做好了以后，将一条绳子的末端交给国王。国王拉了一下绳子，船体竟真的有了轻微的移动。就这样，这条沉重的大船由国王亲自送下了水。全城的人像着魔般观看这一奇迹，国王立即发出告示：“从此以后，无论阿基米德说什么，都要相信他。”

阿基米德的著作很多，如《螺线》、《论抛物线形的求积法》、《论球和圆柱》、《论浮体》、《论平面图形的平衡》、《圆的度量》、《论锥体和球体》、《沙的计算》等。据现在所知，他失传的著作有《天球仪的制造》、《论杠杆》、《支持》、《原理》和《反射光学》等。在他死后过了差不多二千年之后的1670年，英国牛津出版了《阿基米德遗著全集》。经历了这么多世纪而保留下来的阿基米德的著作，就全部收在这部全集中了。阿基米德的著作是古代精确科学所达到的顶峰。无论在数学领域还是在力学领域，他都是伟大的，而且，他也和其他许多杰出的学者一样，在他们令人惊异的漫不经心的时候，会把人类天才的真正伟大的发现和引得他周围所有的人发笑的荒谬滑稽的狂举妄动结合起来。

他沉溺于科学的思索中，以至于完全忘记他是在什么地方，忘记吃饭、睡觉和休息。他在洗澡时，能长时间沉思默想地用手指往自己涂满泥皂（从沼泽底取出的淤泥，古希腊人用作肥皂）的身上画着各种各样的图形，只有强制才能使他摆脱这种入迷的状态。

国王亥厄洛是一个勇敢善战的人。有一次打了胜仗，为了庆祝胜利，他决定要献给神一顶王冠，于是下令找来了一个高明的金匠来制作。国王的会计官给了金匠必需的金子，不久王冠制成了，它玲珑剔透，金光闪闪，国王非常满意。

但是，人们私下传说金匠并没有把全部金子用到王冠上，而是掺进了一部分银子。国王听了，也起了疑心。他把金冠称一下，和交给金匠的金子一样重，颜色也黄澄澄的，看不出掺进了什么。如果为鉴别真假打碎这个精致的王冠，又觉得可惜。于是他决定让阿基米德来检验。

阿基米德接受了这个任务，回到家里左思右想，一直没想出好办法来。他茶不思，饭不想，整天焦躁不安。阿基米德思考问题非常专注，如同着了魔。让他吃饭，他好像丝毫没听见，仍然继续在火盆灰里画他的图形。她妻子须时时看着他，否则他即使在用油擦身时（古希腊贵族中流行的促进卫生和健康的一种方法），也会呆坐着用油在自己的身上画图案而忘记原来要做的事。有一次，他带着满脑子问题在洗澡。澡盆里装满了水，阿基米德慢慢把身子沉了进去。“哗啦——哗啦”，水不断地溢出来。同时，他觉得自己变轻了，入水越深，这种感觉越明显。以前，谁也没有思索过这个现象的意义。现在，阿基米德一心在寻找解决问题的方法，突然间他一下子从澡盆溢水的现象中受到启发。他意识到从盆子里溢出来的水就等于人体进入水中的体积，如果在容器里装满水，取一块和王冠一样重的纯金，把它与王冠同时放入两个充满水的容器里，如果它们溢出来的水一样多，王冠就一定是纯金的，否则就是掺了银。想到这里，阿基米德忘记了自己在洗澡，猛然跳出澡盆，光着身子跑出来，一边大声喊着：“尤里卡！尤里卡！”一边向街上跑，完全不顾赤身裸体、令人难堪的样子，穿过全城，奔向叙拉古王亥厄洛，去把自己的发现告诉他。街上的人们看着他光着身子高喊着跑出来，都以为他疯了。

阿基米德首先测出王冠的重量，然后准备了和王冠一样重的一块纯金和一块纯银，还有一个装满水的容器。阿基米德把纯金块慢慢沉入容器，算出溢出的水量，这些水的体积就是纯金块的体积。再次装满水后，他又把纯银块沉入装满水的容器，于是又得到了纯银块的体积。当然，银块的体积要比金块大。最后，他又把王冠放入装满水的容器，根据溢出的水量测出了王冠的体积。阿基米德把王冠的体积和纯金块与纯银块的体积加以比较，发现王冠的体积比纯金块的体积要大，比纯银块的体积要小，这就证明了王冠不是用纯金制成的，而是用金银混合后制作的。根据测出的结果，他还计算出有多少黄金被换成了白银，终于揭开了王冠之谜。

他对金匠说了自己的测试过程，金匠只好承认了自己的罪行。

其实，阿基米德利用的是流体静力学的最基本原理，但在他那个时代人们根本不懂得“比重”这个概念，更不懂得一个物体浸入液体以后，要利用它排开液体的重量。说阿基米德智慧过人也正是在这里。从此，一个被称作“阿基米德定律”的原理一直写到了今天的每一本物理学教科书中。

阿基米德一生的发明和科学发现非常多，他发现圆柱体积和其内接球体的体积之比（这个比例为3：2）；他还用内接和外切多边形的方法来测量圆周，逐渐增加多边形的边数，使其逐渐与圆周长相接近。这个渐进的方法证明：圆周长与直径之比，大于小于这是数学上相当重要的方法——用有理数逼近无理数，叫做“无穷逼近”。

阿基米德口头上虽然看不起他那些机械发明，称它是几何学上的小玩意儿。但他在机械方面的这些发明给人们带来了相当大的实用价值。大约是他在亚历山大里亚的时候，埃及人请他帮助处理尼罗河河水排灌，他们要他提供一种能使水均衡分配的方法。结果阿基米德发明了一种水螺旋。这种水螺旋大概是一种管子绕成螺旋形，放在水里绕着轴旋转，水便从管中不断流出来。

阿基米德还利用空闲时间造了一些圆球，模仿日月及五大行星（水、火、金、土、木星）的运动，制好后，利用水来带动其旋转。他造得非常准确，可以把日食月食都运转出来。这是世界上最早的天象仪。

阿基米德进入暮年时，新兴起的罗马帝国进攻叙拉古。当时罗马军队已将整个城市包围。看到祖国面临灭亡的危险，阿基米德决心尽自己的全力来拯救祖国。他制造出一种类似现代起重机一样的机械，他用这种机械把罗马的战船抓起来，悬在空中，然后再猛地抛向水面使之沉入海底，或者越过城墙将这些船抓回城里，让叙拉古的士兵把敌人杀死。他还造了一种石弩，把大块石头抛向罗马军队和战船，将敌人砸得叫苦连天。还有一种难以置信的传说是，阿基米德曾让许多人手执凹面镜会聚阳光，烧毁了罗马军队的木制战舰。

阿基米德运用他的机械，差不多只他一个人就将敌人挡在城外。有时连一根绳子抛出城外，也要将罗马人吓得四散奔逃。罗马军队没有办法攻破城池，便改变策略，变强攻为久困长围。叙拉古被围困了整整三年，城中的一切都消耗尽了，没有办法再坚持下去。公元前212年，叙拉古终于向罗马投降了，罗马军队迅即占领了整个西西里岛。当罗马士兵冲进叙拉古的时候，阿基米德还在专心致志地研究他的问题，似乎并没有理会到战争的恐怖，也没有听到罗马士兵进城的喊声。直到一个士兵的脚踏乱了他在地上画的图，阿基米德才抬起头来向着他喊：“喂，你弄坏了我的图，赶快走开！”结果，他的喊声惹恼了那个无知的士兵，阿基米德就这样被杀害了。

牛顿发现万有引力定律

凡是学过物理的人都知道万有引力定律，而且知道这个定律是伟大的科学家牛顿发现的。

那么，牛顿究竟是如何发现万有引力定律的呢？

行星绕着太阳转

1543年，在自然科学史上发生了一件大事，哥白尼发表了他的日心说。哥白尼指出，地球是一颗普通的行星，与其他行星一样，是围绕着太阳旋转的。从此，被宗教神学奉为经典的亚里士多德——托勒密的地心说动摇了。

后来，开普勒又发展了哥白尼的日心说，他发现了行星运动的三定律，指出行星不是绕着太阳做匀速圆周运动的，而是沿着椭圆形轨道运行的。

人们自然会提出这样一个问题：庞大的地球为什么会不知疲倦地绕着太阳旋转呢？

17世纪，伽利略的惯性定律已普遍为人们所接受。伽利略通过实验证明，当物体不受力的时候，将保持静止或匀速直线运动，当受到力的作用时，就会改变速度或运动方向。

于是，人们猜测，一定是有一种力，迫使行星不断地改变方向和速度，使它们不停地绕着太阳旋转。

那时候，人们知道的力除了机械力之外，还有一种是磁力，磁石能够穿越空间把周围的铁屑吸引过来。所以人们首先想到了天体间相互作用的力是磁力。

以研究磁学著称的英国物理学家吉尔伯特提出，太阳和行星之间存在一种类似磁力的引力在起作用，正是这种力使行星绕太阳旋转。他还设想，地球是一个大磁石，地心产生的引力就是这块大磁石作用于周围物体的力。

法国哲学家、物理学家笛卡尔提出了以太说。他认为宇宙间充满了肉眼看不见的以太，在太阳、地球等聚集体周围的以太，围绕着聚集体形成旋涡似的运动，旋涡吸引着四周的物体向旋涡中心运动。

荷兰物理学家惠更斯是笛卡尔以太旋涡说的信奉者。他做过一个实验，在一只盛满水的大碗中搅起一个旋涡，于是，碗内的卵石就被拉到了碗正中的旋涡中心来。

惠更斯在研究摆的运动中，还发现物体沿圆周运动，需要一种向心力，就像我们在绳子一端拴上一个石子，然后拉着它的另一端让石子做圆周运动时，手通过绳子给了石子一个向心力一样，行星绕着太阳运行，也受到一种向心力的作用。惠更斯还推导出了向心力公式。

法国天文学家布里阿德在1645年甚至提出了引力与距离平方成反比的思想。

尽管许多科学家已不同程度地揣测到了万有引力的作用，但是没有一个人对万有引力定律做出精确的科学论证，真正完成这项工作的是牛顿。

天降大任

好像是“老天爷”有意安排似的，就在近代力学的奠基者伽利略1642年去世的这一年，一个继承他的事业，把经典力学推向最高峰的科学家诞生了，他就是牛顿。

牛顿出生在英国林肯郡伍尔索普村一个普通农户家，他的母亲和祖母以几个月前刚去世的他的父亲的名字——伊萨克·牛顿为这个新生的男孩取名。

牛顿从小与那些喜欢打打闹闹的男孩子不大合得来，他喜欢安静地思考问题，爱好发明，手工做得特别好，他制作的风车、风筝、日晷滴漏都十分精巧，因此，大家都称他作“小巧匠”。

中学，牛顿进入离家十多公里的格兰赛姆皇家学校，寄宿在药剂师克拉克家中。当时的药房就像一个小小的化学实验室，牛顿在这里学到了许多化学知识，萌发了对科学的热爱。

14岁时，牛顿的家境每况日下，不得不中途辍学，回家务农。幸亏格兰赛姆的校长和他的舅父都很看重牛顿的天才，认为他应该继续深造，在他们的再三劝说下，牛顿的母亲才让他复学。

1661年，牛顿以减费生的名义考上了著名的剑桥大学的三一学院。所谓减费生就相当于现在的半工半读，靠给学院的教授、研究员打工获得奖学金。

牛顿入学后的第二年，三一学院设立了卢卡斯讲座，专门讲授自然科学知识。这个讲座的第一任教授是皇家学会会员、博学多才的数学家巴罗。牛顿把巴罗看作是对他一生帮助最大的恩师。是他把牛顿引向了近代自然科学，特别是光学和数学。巴罗对他的这个得意门生非常欣赏甚至崇敬，他常说：“我对数学虽略有造诣，但与牛顿相比，只能算个小孩。”后来，巴罗主动把卢卡斯讲座的教授职位让给了牛顿，使刚刚26岁的牛顿成为教授。

1665年到1667年，英国发生了可怕的瘟疫，仅伦敦一地，1665年夏就有3万人死于瘟疫。剑桥大学不得不停课，大家都分散到了人口比较稀少的乡下，牛顿也回到了他的家乡伍尔索普村避难。

在伍尔索普的这两年，是牛顿一生中创造力最旺盛的时期。牛顿自己曾说过，他的许多重大研究的基本思想，都是在这两年中形成的，以后不过是使这些思想加以发展、完善。正是在这两年间，他发现了微积分法、白色光的组成，还有著名的万有引力定律。

苹果落地的启示

据牛顿晚年的密友回忆，牛顿曾多次对他们讲过，是苹果落地引发了他对万有引力的思考。

一天，牛顿坐在一棵苹果树下对引力问题进行思考。突然“扑通”一声，一个苹果从树上落到了他的脚旁。苹果为什么不向上，也不向旁边而总是垂直地落在地面上呢？牛顿陷入了沉思。

苹果落地是重力的结果，也即地球对苹果吸引力的结果。牛顿发现，一个物体的重量不论在地面上还是在高山顶上，都相差不是很大，可见地球引力威力之大。他设想，重力可以延伸到很远很远，穿越太空，到达月球，把月亮往地球上吸引。

那么月亮为什么不会落到地球上呢？牛顿根据抛物体运动，画了一张画，例如有一个人站在一座高山上，用不同速度水平地抛出一个物体，抛出物体的速度越小，物体落地点离山脚越近，速度越大，落地点离山脚越远。当速度大到一定程度时，它就不再落回地面上了，而是绕着地球旋转。月亮的情形就是这样，它以1000米/秒的速度运行，所以不会落在地球上，成了地球的卫星。

牛顿画的这张图使人们不禁想到，假如追溯是谁最早提出人造卫星的设想的话，那么牛顿还可算是老祖宗呢。

牛顿首先选择了地球和月亮的关系开始研究万有引力，因为月球的轨道是圆的，计算起来也比较方便。

牛顿由开普勒的第三定律和圆周运动向心加速度公式，得出了引力大小与行星质量成正比，与它们之间的距离成反比。这就是万有引力定律。

牛顿算出月亮加速度约为0.27厘米/秒2，而苹果落地的重力加速度是980厘米/秒2，约是月球加速度的3600倍，而月球与地球间的距离约为地球半径的60倍，这就证明了，让苹果落地的力和使月球保持在它的轨道上的力，都是地球的重力。

不过，当时牛顿并没有公布他的发现，也许他看到了要真正解决这个问题还有许多难点没有解决，这就为牛顿与胡克对发现万有引力的争论埋下了伏笔。牛顿真正公布万有引力定律，是在十几年以后的1684年。

牛顿和胡克的科学竞赛

在牛顿提出万有引力时，还有一些科学家也产生了和牛顿类似的设想，其中有一位科学家就是胡克。他既是牛顿的朋友，又是论敌，在光的波动说与粒子说上他们二人发生过激烈的争论。

胡克也是一位杰出的科学家，他是胡克定律、细胞的发现者，在天文学、医学、物理学等方面有多项发明和发现。

胡克相信引力和磁力很相似。由于吉尔伯特已用实验证明了磁力随物体距离变化而变化，胡克就想寻找引力随距离变化的规律。他在1662年～1666年曾做过实验，把一物体放入深井测重量，再放到高山顶上测重量，进行比较，由于仪器精度限制，没有获得结果。

1664年，胡克研究了彗星的轨道，指出彗星轨道在靠近太阳时是弯曲的，这是太阳引力造成的。胡克还聪明地看到，物体沿圆形轨道运行有两个分量，一个惯性分量，一个向心分量，惯性分量沿曲线的切线方向作直线运动，向心分量则拉物体偏离直线轨道。1679年，他曾把这种方法介绍给牛顿，并且在给牛顿的信中还提出引力与距离平方成反比。不过这只是定性的想法，没有严格的定量证明。牛顿没有给他回信。

胡克是英国皇家学会会员。英国皇家学会有一个惯例，每星期三下午，学者们常聚集在一家咖啡馆自由交谈。1684年初的一个星期三下午，胡克与年轻的天文学家哈雷及皇家学会创始人之一、圣堡罗教堂和格林威治天文台的设计人、建筑学家雷安聚在一起，探讨着行星的运动。

他们三个人取得一致见解，都认为行星通过一种力被太阳吸引，这种力与行星至太阳距离的平方成反比，他们也都认为开普勒的行星运行三定律是正确的，那么现在的关键是如何根据引力与距离的关系来证明行星运动轨道是椭圆形的。

雷安宣布，谁要是能够给出证明，他就奖励谁。胡克当即表示，他可以给出证明。可是，几个月过去了，胡克却迟迟拿不出证明。

到了8月，哈雷等得不耐烦了。他听说牛顿也在研究这一问题，而牛顿已是当时有名的数学家，于是哈雷便去登门拜访牛顿。

哈雷问牛顿：“假如一个行星受到一个和距离成反比的力的吸引，那它应当是以怎样的曲线运动呢？”牛顿不假思索地回答：“椭圆。”哈雷又惊又喜，他问牛顿：“你是怎么知道的？”牛顿漫不经心地说：“我以前计算过。”哈雷要求看看他的计算。牛顿找了一会儿，没有找着，于是许下诺言：“我再计算一次，然后把结果寄给你。”

1684年11月，牛顿把椭圆轨道计算寄给了哈雷，哈雷立即意识到这份论文的重要意义，他兴冲冲再次来到剑桥大学拜访牛顿。这时牛顿已写出《论物体运动》的小册子，哈雷说服牛顿公布他的研究成果，并以这本小册子为基础，再写一本书。

在哈雷的热情鼓励和敦促下，牛顿开始了他的不朽著作《自然哲学的数学原理》的写作。牛顿陷入极度的冥思苦想之中，连对自己吃了饭没有也记不清楚，有时，衣服只穿了一半就一整天失神地坐在床沿上。他极少离开房间，只有以卢卡斯教授身份讲课时才离开。牛顿只要有一小时不看书就认为是浪费了光阴。他很少在夜里二三点前睡觉，常常在凌晨四五点才上床休息，一天只睡四五个小时。

1686年4月，牛顿完成了《自然哲学的数学原理》第一卷。这本书原定以皇家学会的费用出版，但因未筹措到足够的资金，印刷被推迟了。哈雷决定自己出钱支付印刷费用。

在书付印前，胡克以曾向牛顿提示过平方反比定律为由，向牛顿提出异议。其实他也高度评价牛顿的成就，只是希望在其著作中承认自己的贡献。经过哈雷调停，这场风波才算平息了。

这部奠定了现代物理学基础的经典著作《自然哲学的数学原理》于1687年夏正式出版，它分为三卷。牛顿首先确定了质量、动量、惯性和力的基本概念，在概括和总结前人研究成果的基础上，通过自己的观测和实验，提出了运动三定律：惯性定律、第二运动定律、作用与反作用定律。这三条定律和万有引力定律一起共同构成了宏伟壮丽的力学大厦的主要支柱。

在这部书中，牛顿从数学上论证了万有引力定律，指出在万有引力作用下，物体运动轨迹有3种，当行星最初速度不很大、离太阳不很远时，是椭圆轨道，当最初离太阳很远或速度很大时，就是抛物线轨道或双曲线轨道，这样的物体仅仅在太阳附近出现一次，以后便永远消失了，偶尔到太阳系作客的彗星就是这种轨道。

牛顿还用太阳引力与月球引力解释了地球上的潮汐运动。

在发现万有引力的这场科学竞赛中，牛顿把所有的对手都远远抛在了后边，这是因为他在科学思想与科学方法上比其他人都高出一筹。他有丰富的想像力，从苹果落地联想到月球受重力的影响。他善于将错综复杂的自然现象进行简化，例如在有太阳、行星、卫星组成的太阳系中，引力作用很复杂，牛顿分别考虑日——地、月——地关系，并把天体作为没有体积的质点来计算。他发展了伽利略的实验——数学方法，先建立物理和数学模型，然后进行数学推导，得出结论，再经受实践的考验。同时他掌握有当时最先进的数学方法——他发明的微积分法，别的人或由于思路不对头，或因为数学上的障碍都没有获得成功。

万有引力定律的胜利

在牛顿发现万有引力定律后不久，天文学研究所取得的一个个成就，惊人地证明了万有引力定律的正确性。

在证实万有引力定律方面，哈雷又立了大功。

哈雷是一个对彗星很有研究的天文学家。拖着长长尾巴、出没不定的彗星一向让人感到神秘莫测，人们对它们的了解很少。哈雷注意到1531年、1607年、1682年出现过的三颗彗星轨道基本上是重合的，因此，他大胆猜想，这出现在不同时期的三颗彗星其实是一颗彗星，它的周期大约是76年。哈雷还根据万有引力定律，计算出了这颗彗星的长椭圆轨道，并预言它将在1758年在地球附近出现。哈雷还对另外24颗彗星的轨道进行了计算。

1758年，哈雷预言的这颗彗星没有出现，1759年它果然出现了，整个欧洲为之轰动，万有引力定律经受住了实践的考验。

哈雷本人没有看到这次彗星的出现，他那时已经去世了。为了纪念哈雷对彗星研究作出的贡献，这颗彗星就被命名为哈雷彗星。

海王星的发现是万有引力定律取得的最辉煌的一次胜利。

1781年，英国天文学家赫歇耳发现了天王星。半个多世纪以来的观测表明，天王星的实际轨道与用万有引力计算出来的轨道不大一致，是什么原因呢？难道万有引力定律错了吗？

英国剑桥大学的大学生亚当斯坚信，天王星轨道的不规则性不是万有引力定律失灵，恰恰是其他行星的万有引力引起的。他利用万有引力定律和对天王星的观察资料，反过来推算这颗未知行星的轨道。

亚当斯把他经过两年多艰苦计算的结果寄给了格林威治天文台台长艾利，但艾利不相信“小人物”的工作，把它扔在一旁。

1846年，法国巴黎天文台的青年天文学家勒维烈也应用万有引力定律，独立的计算出这颗新星的位置，他把结果告诉了德国天文台助理员加勒。

加勒按照勒维烈指示的方位，用望远镜寻找，9月23日，果然发现了一颗暗淡的新行星，这就是海王星，其位差不超过一度。

后来，人们又发现海王星的轨道也不规则，用同样的办法，1930年，人们又发现了海王星以外的新行星——冥王星。

天狼伴星的发现是又一生动事例。1834年，贝塞尔观察天狼星时，发现它的运动轨迹是波浪形的，经过他用万有引力定律进行了详细的计算，他预言天狼星旁边应当有一颗天狼伴星，正是这颗星的振动造成天狼星轨道的波浪形。在他死后16年的1862年，美国克拉克把新制成的18英寸望远镜对准天狼星时，果然发现了这颗天狼伴星。

经过天文学上这一系列事实的检验，万有引力定律得到了人们普遍的承认，成为指导人们进行科学研究的有力武器。

测出万有引力的大小

既然任何两个物体间都存在着万有引力，为什么我们走近桌子、房子等物体时，感觉不到这个力呢？原因是这个力实在太小了，以致我们的感觉器官无法感觉出来。牛顿还有许多科学家都设计过许多实验，想测出两个物体间的万有引力，但是都没有成功。

那么，能不能根据万有引力公式计算出这两个物体间的万有引力来呢？也不行，因为当时还没有测出万有引力常数G的值。

这个问题是在牛顿之后一百多年的1798年，由英国物理学家、化学家卡文迪什解决的。

卡文迪什从十几岁起就开始想测出万有引力常数来。有一次，他得知一个叫米歇尔的科学家用一根石英丝吊住一条磁铁，然后用另一块磁铁吸引它，石英磁被扭转了，这样就测出了磁力的大小。

卡文迪什用一根细长棒，两端各安一个小铅球，做成哑铃状的东西，用石英丝把“哑铃”吊起来，然后用两个大铅球靠近这两个小铅球，想测出引力的大小，结果什么也没测出来。

正当他为解决这个问题而苦恼时，他看到几个小孩手拿小镜子来反射太阳光，互相照着玩。镜面偏转一个很小角度，远处光点的位置就会偏转很大角度。

卡文迪什灵机一动，他把一面小镜子固定在石英丝上，让光点反射到一个刻度尺上，这样，只要石英丝有极小的扭动，反射光就会在刻度尺上显示出来。

这次，他再用两个大铅球去靠近两个小铅球，果然成功了，石英丝扭转的角度显示了出来。这就是著名的扭丝实验。他又用其他办法测出了石英丝扭转同一角度所需要的力，轻球与重球之间的万有引力就被测出来了。这个力真小，两个1公斤的铅球在相距10厘米时，它们之间的引力只有十亿分之一公斤。

测出了引力，根据万有引力公式就可以算出万有引力常数了。卡文迪什得到的引力常数G=6.71×10-8达因·厘米2/克2，与现代测定的数据G=6.67×10-8达因·厘米2/克2非常接近。

有了万有引力常数，用万有引力公式就可以算出地球的质量了。因为地球对已知物体的吸引力，就是物体的重力，地球和物体的距离，就是地球的半径，卡文迪什成了第一个称地球重量的人。他称出了我24们脚下的地球重量为5.976×10公斤，也就是大约60万亿亿吨！

站在巨人的肩膀上

牛顿发现了万有引力定律，创立了经典力学体系，在科学史上作出了划时代的贡献。牛顿的名字，被人们看作是近代自然科学的象征。他在数学、光学、热学等研究中也都取得了卓著的成就。这一切与牛顿的天才、勤奋分不开，但不能完全归功于他个人的聪明才智，正像牛顿自己所说的那样：“如果说我看得远，那是因为我站在了巨人的肩上。”

爱因斯坦在评论牛顿时也说过：牛顿之所以成为这样的人物，还有比他的天才更重要的东西，那就是命运使他处在人类理智的历史转折点上。

在力学与天文学方面，由于伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的工作，牛顿才有可能建筑起他宏伟壮丽的力学大厦，他们为他提供了建筑的材料。同样是一个牛顿，对化学进行了长时间的大量研究，却没有取得什么突出成就，这是因为当时这方面的道路还未开辟。牛顿的力学是经历了许多人的研究才得以诞生的，它是集体智慧的结晶，牛顿正是这个人类理智历史转折点上众多科学家的代表。

牛顿在临终之前，总结自己一生所走过的道路时说：“我不知道在世人眼里我是什么样的人，但是在我自己看来，我不过像是在海边玩耍的孩子，为不时拣到一块比较光滑的卵石、一只比较漂亮的贝壳而喜悦，而真理的大海在我面前，一点也没有被发现。”

这当然是牛顿的谦虚之说。但是有一点是确实的，牛顿力学并不是力学的尽头，对万有引力的认识也没有到头。

牛顿自己也承认，他并不清楚引力的本质是什么，产生引力的根源是什么。这就为后代的科学家们留下了一系列有待进一步探索的问题。

20世纪，爱因斯坦发现了相对论，对牛顿力学体系发出了挑战。

爱因斯坦在广义相对论中提出，不存在瞬间超距传递的引力，所谓的引力只不过是时空的一种特性，物体的质量决定了时空的弯曲程度，从而使行星沿着弯曲的空间运行。

广义相对论得到了许多实验的验证。这是不是说牛顿的力学错了，不能用了呢？不是的。在低速运动中，牛顿的力学和相对论并不矛盾，仍是适用的。今天，从机械设计到宇宙飞行，都还是在用牛顿力学体系，只有当速度大到可以和光速相比拟时，才必须抛弃牛顿体系，改用相对论。

迄今为止，人们还没有发现与广义相对论相矛盾的实验，但是，相对论是否就到头了，就没有问题了呢？不是。像广义相对论所预言的引力波，至今人们还未发现，人们还不能最后断定，广义相对论就是引力之谜的谜底。

人类对引力的认识还远未穷尽，还有许多问题等待着今天的和未来的科学家们去探索。

发现燃烧的秘密

因为有了火，在万物不断进化的竞争中，人类终于脱颖而出成了自然界的精灵。然而物质为什么会产生燃烧？火到底是什么？这些疑问始终在人们头脑中萦回缠绕。

一直到了18世纪下半叶，法国塞纳河畔的一位化学家终于揭开了火的神秘面纱，建立了科学的燃烧理论。他就是安图瓦·拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743～1794），法国化学家，1774年发现氧气，1783年揭示“水是氢和氧的化合物”，其一生为推翻支配化学发展长达百年之久的燃素说努力，为现代化学奠定了基础，被称为“近代化学之父”。

1743年8月26日，拉瓦锡生于巴黎。11岁进入当时巴黎的名牌学校——马札兰学校，受到了良好的启蒙教育。少年的拉瓦锡爱上了自然科学，在校时一直热心钻研自然科学问题，并逐渐加深了这方面的兴趣。1763年获法学学士学位，并取得律师开业证书。21岁时转向自然科学研究，他拜法国著名科学家为师，刻苦学习了数学、天文学、地质矿物学、植物学和化学等，打下了深厚的基础。

拉瓦锡起初从事地质学研究，后来，他又转而学习化学。从一开始，拉瓦锡就以精细缜密、一丝不苟的态度，吃苦耐劳、勤于思考的精神对待科学研究。这些性格上的优秀品质使他攻破了许多科学难关，为他成为出色的科学大师奠定了基础。

18世纪中叶，法国城镇的市政建设还是相当落后的，城市街道的照明主要采用燃油灯。每天傍晚需要一个人拿着长杆去点燃，第二天清晨再由人去熄灭，既麻烦又不经济。昏暗的街灯常常使飞奔的马车与行人相撞，频繁发生交通事故。1765年，法国科学院以巨额奖金征集一种使街灯既明亮又经济的设计方案。

拉瓦锡通过大量实验，提交了自己的设计方案。虽然没有获得奖金，但他的设计方案构思精巧，论证清晰合理，因而被特别授予优秀设计方案的金质奖章。隆重的颁奖仪式和激动人心的科学研究成绩，使拉瓦锡坚定了终生从事科学探索的信念。

这一年，他当选为巴黎科学院候补院士。

他最早的化学论文是对石膏的研究，发表在1768年《巴黎科学院院报》上。他指出，石膏是硫酸和石灰形成的化合物，加热时会放出水蒸气。

1775年，拉瓦锡出任皇家火药局局长，火药局里有一个相当好的实验室，拉瓦锡的大量研究工作都是在这个实验室里完成的。

拉瓦锡从事的科学研究是以研究街灯的形式开始的，这使拉瓦锡接触到了燃烧及其现象问题。

早在拉瓦锡之前的一百多年，人们已经提出了一种关于燃烧的理论，认为燃烧是“火素”放出的过程。当燃烧时火焰是向上飞腾离去的，其中夹杂的许多火星就是火素，也叫做“燃素”。许多物质如木材、纸张、煤炭和油类中都含有大量燃素，一旦燃烧就集中释放形式猛烈的火焰。事后剩余的灰烬远远少于可燃物燃烧之前的重量，这就是燃素放出的结果。

当时人们把这种观点叫做“燃素说”。它统治化学界长达一百多年之久。然而，社会生产技术和科学研究的日益深入，使燃素说暴露出许多破绽，例如燃烧木材和煤炭之类的东西，重量呈减少的状态；燃烧锡或铅等金属非但重量没有减少，反而出现增重现象。这就迫使人们重新审视燃烧理论。

拉瓦锡详尽搜集了前人关于燃烧的研究成果，加以认真地审视和分析，经过长时间的研究，拉瓦锡发现了以前人们忽视的一个问题：加热燃烧金属增重的原因是吸收了空气所致。

接着拉瓦锡在三四年的时间内，连续进行了大量的关于燃烧和气体方面的实验。他用金属锡、铅和水银作实验，再用非金属硫磺、磷作实验，还用有机物作实验。他逐渐把注意力集中在空气中有某种助燃气体能够与金属结合使其增重上，这究竟是什么样的物质呢？他在努力探索着。

1774年4月，拉瓦锡发表了论文，用实验论证了金属能与空气中的某种物质相结合的事实。但他始终苦于找不到将它分离出来的方法。

拉瓦锡家境富有，比科学界的多数同事的状况优越得多。妻子玛丽乐善好施，拉瓦锡也毫不吝啬，因此，拉瓦锡家成了法国甚至欧洲著名的“科学沙龙”，法国的科学家愿意到这里聚会畅谈，外国科学友人也乐于来这里造访逗留。

1774年10月，在拉瓦锡家的“科学沙龙”上，英国化学家J.普利斯特里介绍了自己做的一个实验。原来，普利斯特里用口径很大的聚光火镜加热汞灰（即氧化汞）时，搜集到一种助燃作用极强的气体，他将这种气体取名叫“脱燃素空气”。这种气体使蜡烛燃烧得更明亮，还能帮助呼吸。这就是我们现在说的氧气。但是普利斯特里一直坚信燃素说，所以他虽然发现氧气却没有揭开燃烧的奥秘。

拉瓦锡重复了普利斯特利的实验，得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说，所以他认为这种气体是一种元素。难能可贵的是，拉瓦锡又用制得的气体逆向重新和汞作用，结果又生成了汞灰。现在，拉瓦锡全明白了。燃烧就是可燃物通过水分解得到两种气体，再将这两种气体燃烧又得到水。

实验使他弄清了空气是由氧气和氮气组成的原理。火的产生就是可燃性物质与空气中氧元素相结合的结果。从此，确立了科学的燃烧理论，推翻了燃素说的错误。1777年，拉瓦锡正式把这种气体命名为oxygene（中译名“氧”），含义是“酸的元素”。同年，拉瓦锡向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》，阐明了燃烧作用的氧化学说，要点为：

①燃烧时放出光和热；

②只有在氧存在时，物质才会燃烧；

③空气是由两种成分组成的，物质在空气中燃烧时，吸收了空气中的氧，因此重量增加，物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量；

④一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰，它们是金属的氧化物。

他还通过精确的定量实验，证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态，但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。

虽然在今天看来，拉瓦锡的一些结论是错误的，比如：他认为凡是含有氧的化合物都是酸性化合物，例如硫酸、硝酸都含有氧，由此推断盐酸也含有氧，只是结合得牢固，因此不能从盐酸中分出氧——但是，他的实践仍然是革命性的。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，揭开了燃烧的奥秘，他创立了燃烧理论，为人类作出了巨大贡献，使化学开始蓬勃地发展起来。许多科学家盛赞拉瓦锡为“近代化学之父”，将拉瓦锡伟大的化学实践视为推翻“燃素说”的一场“化学革命”。

1794年5月8日，作为近代化学奠基人之一的拉瓦锡于巴黎去世。

电磁感应现象的发现

我们的日常生活离不开电，从电灯、电话、电报到收音机、电视机，从工厂中轰鸣的机器到农田中的抽水机，从军事上用的雷达到科研教学用的电子计算机，处处都要用到电，没有电，就没有现代文明社会。

那么，电是怎样被发现的？人类又是怎样学会利用电的呢？

初识静电

人类最早看到的电便是天空中的雷鸣闪电了。不过雷电究竟是什么，古人并不清楚。在我国有“雷公电母”的传说，在西方则有“上帝之火”之说，雷电被蒙上了一层神秘的色彩。

人类最早获得的电是摩擦产生的静电。公元前6世纪，古希腊人在佩戴首饰时就发现，用布或皮毛摩擦过的琥珀，能吸附灰尘、线头等轻小物体。

我国古代人民也早就发现了摩擦起电现象。汉代著名学者王充在“论衡”一书中有“顿牟掇芥”的记载，“顿牟”即琥珀，“掇芥”就是拾起轻小的物体。

第一个比较系统地对电和磁进行研究的是16世纪英国科学家、曾担任过英国女王宫廷医生的吉尔伯特。吉尔伯特发现，地球本身是一个巨大的磁体，并用一个大磁石模拟地球做过著名的“小地球实验”。他还发现，不仅琥珀可以吸引轻小物体，玻璃、硫磺、树脂、水晶、宝石等经过摩擦，也都能吸引轻小物体，并发明了可以检验物体是否带电的验电器。是他第一个应用“电”这个词。英语的“电”就是从希腊语“琥珀”一词派生出来的。

17世纪，德国马德堡市市长、物理学家格里凯制造出了一种能够摩擦起电的机器，它是用布摩擦一个可以连续转动的硫磺球，这样就可以得到大量的电荷了。后来，人们又制造出各种各样的静电起电器。

但是，那时候，人们好不容易起得的电，在空气中要不了多久就逐渐消失了。每次用电都要重新用起电器起电，很不方便。能不能把这些电保存起来呢？

一个叫马森布洛克的荷兰物理学家真的把电装到玻璃瓶里贮存起来了。

1745年，马森布洛克做了一个实验，在一个盛有水的玻璃瓶上塞上一个软木塞，软木塞上插了一枚铁钉，用铜丝把铁钉和起电器连接起来。

马森布洛克让他的助手拿着玻璃瓶，自己使劲摇动起电器，他的助手不小心用手碰到了铁钉，猛然遭到一阵强烈打击，不由得大喊起来。

马森布洛克和他的助手掉换了位置，用手去摸铁钉，果然他的手臂和身体像遭到雷击一样，有一种无法形容的恐怖感觉。这说明电荷被存到瓶子中了，人接触到瓶子，因此受到电击。马森布洛克是荷兰莱顿大学的教授，这个能贮电的瓶子就得名莱顿瓶。

莱顿瓶实际上就是一个电容器。后来，莱顿瓶经过改进，里边不再装水，而是在玻璃瓶内外贴上锡箔，用起来就更方便了。

有了莱顿瓶，人们可以方便地进行各种电学实验，因此，它很快就传开了。魔术师们也因此增添了一个新节目，他们带着起电器和莱顿瓶到处周游，为人们做触电麻酥酥感觉的表演。

揭开雷电之谜

许多科学家都注意到了，莱顿瓶放电时，会产生电火花和劈啪声，与天空中的雷鸣闪电很相似。那么，摩擦起电得到的电与天上的雷电是不是一样的电呢？

在美国费城，有一个科学家叫富兰克林，他也在思考这个问题。有一次，他的夫人丽达不小心碰到了莱顿瓶，突然闪出一团电火，随着一声轰响，丽达被击倒在地，经过抢救才脱险。这件事给了富兰克林深刻的印象，他决心要把天上的雷电“捉”下来，看看它们和莱顿瓶的电是不是一样。

1752年7月的一个雷雨天，46岁的富兰克林带着他的儿子，把一个用绸子做的大风筝放到了天空。这个风筝的顶部安了一根尖细的铁丝，牵引风筝的麻绳末端拴了一个铜钥匙，钥匙塞入莱顿瓶中间。

风筝和麻绳被雨水淋湿，变成导电的了。当带着雷电的云来到风筝上面时，尖细的铁丝立即从云中吸取电，绳子松散的纤维向四周竖了起来，在富兰克林的手指和钥匙间发出蓝白色的小火花，他感到一阵麻，闪电被引到莱顿瓶中了。

富兰克林发现，天电和普通电一样可以使莱顿瓶充电，一样可以点燃酒精和进行其他电学实验，也就是说，天上的电和地上的电性质是完全一样的。“上帝之火”的迷信被击垮了。

不过，这个实验实在是太危险了。俄国科学家利赫曼曾设计了一个装有金属尖杆的检雷器，想测出云中有没有电，结果一阵雷电下来，将他当场击毙。为研究科学，利赫曼献出了宝贵的生命。

根据对雷电的实验和尖端放电的原理，富兰克林发明了避雷针，使千千万万的房屋建筑免遭雷击。避雷针很快在全世界普及开了。

可笑的是，英王乔治三世因为富兰克林是美国独立战争中的风云人物，下令要把尖端避雷针改成球形的。幸亏英国皇家学会的科学家拒绝了他这一愚蠢的命令。“动物电”引出的发明

摩擦起的电和贮存在莱顿瓶中的电，当放电时，瞬间就消失了，不能形成持续的电流，我们把这种电叫做静电。静电的作用远不如动电，事实上，我们今天所用的电，绝大多数都是可以在导线中流动的持续电流。只有在发现这种电流之后，人类对电的运用才有了突飞猛进的发展。

那么，电流是怎样被发现的呢？

1786年，在意大利有一位解剖学家叫伽伐尼，正在做解剖青蛙的实验。他把一只刚刚解剖完的青蛙腿用铜钩子挂在一个铁架子上，无意中使蛙腿碰到了铁架子，蛙腿竟奇怪地抽搐了几下。

细心的伽伐尼没有放过这个偶然的发现。他找来一根铁筷子，把蛙腿和铁架子连接起来，蛙腿上的肌肉同样也发生了强烈的抽搐，就像他过去曾经做过的用莱顿瓶或起电器给青蛙腿通电的情况一样。显然，蛙腿是受到电的刺激而抽搐的。那么电又是从哪里来的呢？

伽伐尼选择不同时间、不同条件进行实验。他发现，无论是在晴天还是雷雨天，在室外还是封闭的屋子里，重复这个实验，蛙腿都会收缩。因此，他认为这个电不可能是外来电，而是动物本身所有的。两种不同的金属与之接触，就把这种电激发出来了。他把这种电叫“动物电”。

伽伐尼的“动物电”观点得到了许多人的支持。因为人们早就知道，海洋中有一些鱼，像电鳗、电鲶等都能放电，人们自然联想到，别的动物体内也可能贮存这种电。

但也有一些科学家不同意伽伐尼的观点，其中有一位就是意大利物理学家伏打。

伏打认为，引起蛙腿抽动的是来自铜钩和铁架两种不同金属接触产生的电流。他把两种不同的金属导线连接起来，用它们的两端去接触青蛙，蛙腿就会抽动。他还用它们的两端去接触自己的舌头，立即感到有电的刺激，他把这种电叫金属电。

为了论证自己的看法，伏打又做了大量实验。他花了整整3年时间，把各种金属搭配成一对一对进行实验，编制出了各种金属材料接触生电的序列，其次序是锌、锡、铅、铜、铁、铂、银、金……这就是著名的伏打序列，只要按这个序列将前边的金属与后边的金属搭配起来，前者就带正电，后者就带负电。

伏打还发现，形成电流的另一个必要条件是必须把金属放在导电的溶液中去，在青蛙实验中，蛙腿就起到了溶液的作用。

根据这个原理，1800年，伏打把数十个圆形的银片、锌片以及用食盐水浸泡过的厚纸片按银片、纸片、锌片、纸片的顺序不断叠起来，制成了伏打电堆，当把电堆的两端用金属导线连接起来时，电路中立刻出现了持续的电流。

伏打电堆的发明，使人类第一次获得了持续的稳定的电流，从此电学又进入了一个新的迅速发展的阶段。

那么，伽伐尼提出的动物电对不对呢？伏打的异议促使伽伐尼进行了更严密的实验。他不用铜钩、铁架，而是剥出蛙腿的一条神经，一头绑在另一条腿上，一条与脊椎接触，结果蛙腿仍会抽搐。实践证明，动物会产生电流的结论是正确的，生物体内确实存在生物电。

想不到一个青蛙腿的实验，引出了生物电和伏打电池两项重大的发现和发明。

电能转化为磁

人们不仅早就发现了电现象，而且也早就发现了磁现象。但是长期以来，人们一直没有把电和磁联系起来，就连对电和磁分别很有研究的吉尔伯特也认为，电和磁是两种截然不同的现象。

19世纪初，随着对电学的深入研究，电和磁的关系开始引起了人们的注意。法国物理学家阿拉果曾记载过，一场雷电使船上的指南针方向改变了；富兰克林曾发现，莱顿瓶中的电可以使铁针磁化。在矢志搞清电和磁的联系的科学家中，有一位就是丹麦物理学家奥斯特。

奥斯特深受德国哲学家康德、谢林自然哲学的影响，相信光、电、磁等各种自然力具有统一性。还在1807年他在哥本哈根大学担任物理、化学教授时，就已开始着手研究电和磁之间的联系。

根据电流通过直径小的导线会发热的现象，奥斯特推测，通电的导线直径进一步缩小，便会发光，再缩小就会产生磁效应，他做了许多实验，但一直没有发现电能够转化为磁。

失败并没有使奥斯特灰心。他分析，以往人们都是在电流方向上寻找电流的磁效应，莫非电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向的力？他的脑海中闪出一个问号。

1820年4月的一天，奥斯特在给学员们作电学演示实验。他在一个伽伐尼电池的两极间安了一根铂丝，铂丝的下方有一枚小磁针。当他把电路接通的时候，突然发现小磁针微微地抖动，转到了与铂丝垂直的位置上。奥斯特一下愣住了，简直不敢相信自己的眼睛，多少年来梦寐以求的现象终于出现了！

此后三个月，奥斯特一连做了60多个实验，他把磁针放在导线的上下左右，改变导线中电流的方向，观察电流对磁针作用的方向；把磁针放在离导线不同的距离上，看电流对磁针作用的大小；在导线与磁针之间放上玻璃、金属、石头、木块、水等，考察它们对这一作用的影响……

1820年7月21日，奥斯特发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，向科学界宣布了电流的磁效应。他指出，当电流通过导线时，在导线周围会产生像磁铁那样的磁力；这个电流产生的磁力不是沿着电流方向而是沿着垂直于导线的方向传播的。

奥斯特的发现看来似乎是偶然的，但正如巴斯德所说：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”

奥斯特的发现轰动了整个学术界，许多科学家纷纷投入了对电与磁的研究，其中最快做出反应并取得重要成就的就是法国物理学家安培。

安培在得知这一消息后，第二天就重复了奥斯特的实验。7天后，向法国科学院提交了他的第一篇论文，提出了圆形电流产生磁性的可能性，并发现了磁针转动方向与电流方向的关系服从右手定则。

安培发展了奥斯特的实验，不仅研究了电流对磁体的作用，还研究了电流对电流的作用。他发现两条平行的通电导线，当电流方向相同时互相吸引，当电流方向相反时互相排斥。

为了解释奥斯特效应，安培把磁的本质简化为电流，创立了分子电流假说。他提出在原子、分子内部，存在一种叫分子电流的环形电流，正是分子电流的存在，使每一个物质微粒都成为小磁体。在没有磁化的物体内部，所有分子电流的方向是杂乱无章的，它们形成的小磁体也杂乱无章地排列，因此对外不显示磁性。磁化的时候，在外磁场的作用下，每个分子电流产生的磁场方向变得相同，对外就显示出磁的作用。安培把电磁现象上升到一个新的理论高度。

奥斯特的发现拉开了现代电磁学的序幕。2000多年来一直被人们认为毫不相干的电与磁，原来是互相联系的；过去，人们一直以为两个物体之间相互作用的力的方向，在两个物体的连线上，无论万有引力定律还是库仑定律都是如此，而现在电磁作用力却不是这样。由此引发了物理学上的一场革命，导致了场论的诞生。而第一个提出电磁场概念的，就是被人们称作电学之父的法拉第。

磁能生电

法拉第是著名的化学家、物理学家。他于1791年诞生在英国伦敦郊区的一个铁匠家庭。由于家庭贫困，法拉第只上过两年小学，12岁时就到一个书商兼订书匠的家里当学徒。这使他有机会接触到许多书籍。

下班后，当同伴们纷纷离开工场回家时，法拉第却舍不得离去，坐在窗前如饥似渴地读书。他最喜爱的是自然科学书籍，那里边告诉他许多他从来不知道的有趣知识。法拉第还省吃俭用，用自己一点微薄的工钱，买药品做化学实验。

当时伦敦经常举办科学演讲会，一个先令一张的入场券对法拉第来说相当昂贵，但法拉第仍想方设法去听讲。他认真做笔记，并把笔记誊清，配上插图，作为自己的教科书。

有一次，他有机会听了著名的化学家戴维的演讲，这使他更加向往献身科学事业了。他给戴维写了一封信，并附上了他整理好的听讲记录。这个勤奋好学的年轻人深深打动了戴维，终于，他成了戴维实验室的助手。

靠勤奋与才华，法拉第很快在科坛上崭露头角。他帮助戴维完成了矿井安全灯的发明，发现了氯、二氧化硫硫酸、氨等气体的液化，发现了苯。

奥斯特发现电流的磁效应传到英国后，1821年，英国的一家有名望的杂志《哲学年鉴》邀请戴维写一篇文章，评述电磁学一年来的发展。戴维把这项任务交给了法拉第。

在收集资料的过程中，激发起法拉第对电磁现象研究的巨大热情。他敏锐地意识到奥斯特发现的重要性，法拉第这样评价说：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”法拉第同奥斯特一样，受到谢林哲学的影响，深信电、磁、光、热是相互联系的。现在，奥斯特证明了电能生磁，摆在眼前的拦路大山就是如何用实验证明磁能生电了。1821年，法拉第在日记中记下了他的光辉思想：“磁能转化为电”，并开始了这方面的艰难探索。

开始，法拉第也像当时许多投入这一研究的科学家一样，简单地认为用强磁场靠近的导线，导线中就会产生电流，或者在一根导线中通入强大的电流，靠近导线中就会产生稳定的电流。但是，这些实验全都以毫无结果而告终。

历经10年的失败、试验、再失败、再试验，1831年8月29日，法拉第终于取得了突破性的进展。他在一个圆形的铁棒上绕了两个线圈，一个线圈接电源，一个线圈的下方平行地放了一个小磁针。当接通电源的一瞬间，他发现小磁针摆动了一下又回到原来的位置，断开电源时，小磁针又摆动了一下。

法拉第抓住这个一瞬间出现的现象穷追不舍。小磁针的摆动说明另一个线圈也出现电流了，但是它们只在电源接通、断开的瞬间才有，这又是为什么呢？法拉第终于明白了，在电源接通或断开的瞬间，电流是变化的，它们产生的磁场也是变化的，也就是说，只有变化的磁场才能产生感应电流，问题的关键在于变化！

法拉第十分激动，他又设计了几十个实验，结果证明了，只要穿过闭合回路中的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电流，这就是著名的电磁感应定律。

磁能够生电，法拉第10年前写在日记上的预言实现了。电磁感应的发现，为发电机的发明奠定了理论基础。现代发电机就是根据这一原理工作的。法拉第本人根据电磁感应现象，制造出世界上第一台直流发电机。那是在一个U形磁铁的南北极之间，插入一个可以旋转的圆形铜盘，导线的一端缠绕在铜盘的轴心上，另一端用电刷与铜盘边缘相接触。当铜盘旋转时，在铜盘与导线组成的回路中就产生了电流。尽管这个发电机非常简陋，发出的电还不及现在的玩具发电机，但它第一次把机械能转化成了电能，为人类打开了电气化的大门。

为了证实用各种不同方法产生的电在本质上都是一样的，法拉第仔细研究了电解液中的化学现象。1834年总结出了法拉第电解定律。

他还探索了电磁和光的关系，历经多次失败，百折不挠，终于在1845年观察到了磁使偏振光旋转的现象，磁力越强，偏转角度越大，这就是有名的磁光效应。法拉第在人类历史上第一次证实了磁对光的作用，播下了电、磁、光统一的种子。

法拉第的另一重大贡献，则是创立了场论，引入了电场和磁场的概念。

在牛顿的经典力学中，两个物体之间的作用力如万有引力的传递既不需要媒介，也不需要时间，也就是说是超距离作用的，并且遵从与距离的平方成反比的关系，就连在库仑定律中，静电荷之间的作用也是这样的。

法拉第在大量电磁实验的基础上，提出了完全不同的崭新概念。他认为带电体、磁体周围会产生电场或磁场，电作用或磁作用是通过电场或磁场来传递的，而不是超距作用。法拉第还以惊人的想像力，引入磁力线、电力线来表示场的强弱变化。他曾做过一个实验，在一张纸上撒上一些铁粉，纸的下边放上一个磁棒，当他轻轻抖动纸片时，铁粉就集合成了许多线，清楚地呈现出磁场的力线。

与法拉第同时探索电磁感应现象的科学家还有不少。美国物理学家亨利也独立地发现了电磁感应现象。1827年，他用一个纱包铜线在一个铁芯上绕了两层，然后通电。结果铁芯中仅3公斤的铁片居然能吸引300公斤的物体。他以此为开端，发现了自感现象。

不过，无论从研究的规模、深入的程度、取得的成果来看，没有哪一个科学家比得上法拉第。因此人们把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第，并把电磁感应定律称为法拉第电磁感应定律。

法拉第取得了如此伟大的成就，但他从不计较名誉、地位，更不看重钱财。他拒绝了许多制造商的高薪聘请，谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇准备授予他的爵位，终身在皇家学院实验室从事科学研究。

爱因斯坦曾高度评价法拉第，说他在电学中的地位就相当于伽利略在力学中的地位，法拉第奠定了电磁学的实验基础。

电磁波的预言

正像许多新思想、新理论刚刚诞生之时不为人们所理解一样，法拉第提出的场的概念也迟迟不为人们所接受。特别是由于法拉第没有受过系统的正规教育，数学水平不够高，因此他对电磁场的研究，只能停留在对力线的描述上，不能把它变成精确的定量的理论。

是一位年轻的物理学家把法拉第萌发的新思想用精确的数学形式表示出来，并把它发展成为完整的电磁场理论，他就是麦克斯韦。

麦克斯韦也是英国人，诞生在1831年，比法拉第晚出世40年。他的父亲是一个律师，但主要兴趣却是制作各种机械和研究科学问题。他父亲对科学的爱好对麦克斯韦产生了很大的影响。麦克斯韦从小喜爱数学，14岁时就在爱丁堡皇家学会发表了画椭圆曲线的论文，16岁考入爱丁堡大学学习物理，19岁时转入剑桥大学。他因设计著名的色陀螺而轰动科学界，获得皇家学会奖章，24岁就成为大学教授。

早在剑桥大学求学时，麦克斯韦就被法拉第的崭新观念所吸引，并立志要把它用数学形式表达出来。

1856年，25岁的麦克斯韦写出了《论法拉第的力线》的论文，引入一种新的矢量函数来描述电磁场，法拉第看到后大加赞扬。

1860年，麦克斯韦登门拜访了年近七旬的法拉第，他们一见如故，谈得十分投机。麦克斯韦崇敬地请法拉第指出他论文的缺点，法拉第非常诚恳地说：“你不应该停留在用数学来解释我的观点，而应该突破它。”麦克斯韦受到极大的鼓舞。

当时在电磁学领域已经建立了四大定律，它们是库仑定律、高斯定律、法拉第定律、安培定律。麦克斯韦深入研究了法拉第提出的场，以此为起点，综合各家之长，终于提出了著名的麦克斯韦方程组，它由四个方程式组成，几乎包括了已有的全部电磁学的规律，其构思深刻奥妙，表达简洁明了，以致后人赞誉它是“神仙写出来的”。

在这里麦克斯韦发展了法拉第的电磁感应定律。他指出电磁感应的本质是变化的磁场产生电场，不论周围有无闭合回路存在。同时他也发展了电流的磁效应，指出不仅电流能够产生磁场，任何变化的电场都要在周围空间产生磁场。

这样，麦克斯韦就为我们勾画出一幅完美的图像：变化的电场在它周围产生变化的磁场，变化的磁场又在周围产生变化的电场，变化的电场再产生变化的磁场……如此不断交替产生，就构成了统一的电磁场。而一圈圈变化的电场和磁场向四周不断传播出去，就形成了电磁波。

麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且计算出电磁波在真空中8的传播速度是3×10米/秒，与光的速度相同，从而进一步预言了光也是电磁波，是一种可以引起人们视觉的电磁波。

青出于蓝而胜于蓝。麦克斯韦站在巨人肩上，终于建成了电磁理论的宏伟大厦。正像牛顿继哥白尼、伽利略、开普勒等人之后，创立了经典力学，完成了物理学的第一次革命，麦克斯韦继承库仑、欧姆、安培和法拉第之后，创立了经典电磁学理论，完成了物理学上的第二次革命。

麦克斯韦在天文学、气体分子运动理论、热力学方面也都作出了卓越的贡献。

捕捉电磁波

尽管麦克斯韦用严密的数学论证了电磁波的存在，但是在人们心目中电磁波却是那样神秘莫测，既不像水波可以看得见，又不像声波可以听得见。那么，怎么才能证明电磁波真的存在，麦克斯韦的理论是正确的呢？

麦克斯韦生前没有看到他的理论被证实，他积劳成疾，48岁就患癌症去世了。在麦克斯韦去世后的1887年，一个德国青年物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。

1878年，21岁的赫兹来到柏林大学攻读电学。他的导师亥姆霍兹是最早支持麦克斯韦的少数几个杰出科学家之一。亥姆霍兹建议柏林科学院悬赏征求证实电磁波的实验，同时鼓励他的学生赫兹去解决这个问题。

赫兹也为麦克斯韦的理论所吸引，他欣然接受了导师的建议，从此几十年如一日，孜孜不倦地投入到寻找电磁波的研究中。

要证明电磁波的存在，首先就要能够产生电磁波。很长一段时间，赫兹苦于找不到产生迅速变化的电磁场的办法。有一天，赫兹在实验室工作，他发现当把一个两端间留有很小间隙的弯成长方形的铜线接到感应线圈上做放电实验时，在间隙部位出现了一个来回迅速跳跃的小火花。赫兹立即意识到，这个跳动的小火花不正是可以产生变化的电场和磁场吗？

那么又怎样接收电磁波呢？他百思不得其解。当他从各种设想又回到麦克斯韦的电磁理论时，突然顿悟，电磁波既然向四面八方传播，那么在它传播的空间的导线中不是应当产生电流吗？观察导线中有无电流应当是很容易的事情。

赫兹开始实验了，他的装置很简单，两块锌板，每块锌板上连着一根端上装着铜球的铜棒，两个铜球离得很近，两根铜棒分别与高压感应线圈的两个电极相连，这就是他的电磁波发生器。在离发生器10米远的地方放着电磁波探测器，那是一个弯成环状、两端装有铜球的铜棒，两个铜球间的距离可以用螺旋调节。

赫兹把门窗遮盖得严严实实，不让光线射进来，当他合上电源开关时，发射器的两个铜球间闪出耀眼的火花，发出劈劈啪啪的响声。但这不是赫兹要观察的目标。他紧张地调节着探测器的螺丝，让两个铜球越靠越近，突然，两个铜球的空隙间也跳跃着微弱的电火花，电磁波被捉住了。

赫兹还进行了其他实验，证明了电磁波和光波一样，可以发生反射、折射，并且测出电磁波的速度和光速一样。

1888年，赫兹在柏林科学院大厅向云集在那里的各国科学家发表了演说，明确指出光是一种电磁现象，并介绍了他的实验，顿时整个大厅里发出一片惊讶和赞叹声。

在赫兹的实验之后，再也没有人怀疑电磁波的存在了。正像爱因斯坦说的：“在现代物理学家看来，电磁波正像他坐的椅子一样实在。”麦克斯韦的电磁理论从此为人们所接受。

赫兹所创造的电磁波发射器和探测器，也就是后来无线电发射器和接收器的开端，他的实验拉开了人们运用无线电的序幕。

电气时代的到来

随着法拉第发现电磁感应现象、麦克斯韦完成电磁理论，新的技术、新的发明不断涌现。1832年，法国皮克西制成第一台旋转式交流发电机。1844年，美国莫尔斯发明有线电报。1860年，意大利巴奇诺奇发明直流电动机。1867年，德国西门子制成自激式直流发电机。1872年，德国阿尔特纳设计出第一台高效率直流发电机。1876年，英国贝尔和美国爱迪生发明电话。1879年，爱迪生和英国斯旺发明电灯。1895年，意大利马克尼和俄国波波夫发明无线电报……

电力作为一种新能源登上了人类生活舞台，它为工业生产提供了方便、价廉、强大的新动力，带动了一系列新兴的产业的诞生，创造了比蒸汽时代大得多的生产力。电力不仅被用作工业动力，而且用于照明、通讯及人类生活的各个领域，它极大地改变了人类社会的面貌，推动了人类文明的进步。

蒸汽机的发明使人类进入蒸汽时代，而电的利用使人类社会又跃入了一个崭新的时代——电气时代。

电磁理论的发现

英国剑桥大学的世界知名数学家霍普金斯教授连续几天来都感到很烦躁：接连几次到图书馆去借数学期刊和专著，都被人借走了。这些书刊很艰深，学生是不会借的。问过同事，也都说没有借。最后问到图书管理员，才知道被一名叫做詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879，伟大的英国物理学家，建立了电磁理论，将光、电、磁现象统一起来）的学生借走了。

霍普金斯由烦闷转为惊异，他要去见见这个学生。来到学生宿舍，科学家特有的直觉使霍普金斯对这位学生产生了浓厚的兴趣，他正埋头于作业，笔记本摊了一桌子，教授想借而没有借到的书刊展开在桌子上。“小伙子，这些书不好啃呢，小心啃掉牙齿。”教授风趣地说。经过这次交谈，教授和学生成了忘年交。麦克斯韦的非凡才能引起了教授的重视。

1831年6月13日，詹姆斯·麦克斯韦生于苏格兰古都爱丁堡。幼时随父乡居，在父亲的诱导下学习科学，不满10岁就随父到爱丁堡皇家科学院听演讲。9岁那年，母亲不幸得了重病，扔下小麦克斯韦撒手归西。从此以后，小麦克斯韦和父亲相依为命，度过了艰难困苦的少年时代。他自幼对数学、物理学产生了浓厚兴趣，尤其喜欢钻研数学。当麦克斯韦还不满15岁时，他写的一篇数学论文就发表在《爱丁堡皇家学会会报》上，并且获得了行家们的好评。这是一门数学和物理学相互交叉渗透的学科，运用数学理论来解决物理方面的问题。

麦克斯韦16岁时进入爱丁堡大学，3年后转入剑桥大学投师霍普金斯教授门下研习数学。霍普金斯教授是剑桥的著名科学家，他学识渊博，功底深厚，培养过不少世界知名的学者、科学家，在科学技术上有多方面成就的威廉·汤姆逊（即著名的开氏温标的创始人开尔文勋爵）和著名数学家斯托克等人，都出自霍普金斯教授的门下。霍普金斯教授对麦克斯韦要求极其严格，对他进行了系统的训练。俗话说，名师出高徒。麦克斯韦的学习和科学研究进步很快，仅仅3年时间就掌握了当时欧洲所有先进的数学物理方法。

1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系，留校任职两年。一次，他阅读了法拉第的《电学的实际研究》一书，读着读着就被书中的奥秘给迷住了。它记录了法拉第一生从事电磁学研究的全部实验结果，其中也包含了法拉第深邃的思考。

麦克斯韦受到这位电磁学先驱的深刻启示，日夜刻苦研读法拉第的著作，通过与法拉第著作的思想交流，麦克斯韦悟出了电磁力线思想的宝贵价值，同时也看到了法拉第定性表述电磁现象方面的弱点。初出茅庐的青年数学家麦克斯韦决心用数学定量表述来弥补这一缺陷。

1855年，24岁的麦克斯韦发表了学术论文《论法拉第的“力线”》。这是麦克斯韦第一篇关于电磁学理论方面的论文，麦克斯韦向电磁学理论的纵深领域挺进。

这年秋季，因公来到伦敦的麦克斯韦特意前来拜访法拉第，这是一次历史性的会见。年轻的物理学家恭敬地递上名片，连同他4年前发表的学术论文交给了仆人。过了一会儿，法拉第满脸笑容地走了出来。这时，这位电磁学实验大师已年届70岁，两鬓斑白，智慧的眼睛闪着和善的目光。虽然宾主二人年龄相差40多岁，在性情、爱好、志趣、特长等方面也迥然各异，但是在探索自然科学之谜上，他们却产生了共鸣。

法拉第和麦克斯韦一见如故，很快就亲切热烈地交谈起来。这对奇妙的一老一少，彼此堪称天造地设、相得益彰。法拉第快活、和蔼，麦克斯韦严肃、机智。老师待人如一团温暖的火，学生处事像一把锋利的剑。麦克斯韦说话不善辞令，但一针见血；法拉第演讲娓娓动听，却主题鲜明。一个不很懂数学，另一个则应付自如。

1856年，麦克斯韦到苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授，两年后和院长的女儿K.M.杜瓦结婚。1860年向其母校爱丁堡大学申请自然哲学教授职位未成，同年秋季去伦敦任国王学院的自然哲学及天文学教授，并和M.法拉第时有往来。

麦克斯韦最大的功绩是建立了电磁理论，将光、电、磁现象统一起来。1864年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为《电磁场的动力学理论》的重要论文，在这篇论文中，他为他的力学模型，找到了明确的电磁学依据，对前人和他自己的工作进行了概括，位移电流作为和电荷守恒定律相容的一个前提。在此基础上提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组。他用一组方程表示电磁场的连续性，另一组方程表示电磁场变化及其相互影响，使电磁学以优美的数学形式表达出来。这一方程组经过后人的整理和改写，成为经典电动力学主要基础。

正是通过这样的数学推论，麦克斯韦预见了电磁波的存在：电磁场的变化以波的形式在空间传播。他还运用方程组推算出电磁波的速度和光速大体相同。

按照麦克斯韦的理论，电磁波在真空中的传播速度，是仅仅通过电磁学的测量就能确定下来的一个恒量。测量的结果表明这一恒量和真空中的光速十分接近。在这种量值符合性的启发下，麦克斯韦提出了光的电磁理论，即认为光是频率介于某一范围之内的电磁波。这是光的波动学说的一种新形式，它避免了旧的光学理论中一些根本性的困难，而且在很大范围内得到了实验的证实。因此，尽管新理论也还有它自己的困难，但是这种理论的提出却被认为是人类在认识光的本性方面的一大进步。正是在这样的意义上，人们才说麦克斯韦把光学和电磁学“统一”起来了。这一发展被认为是在19世纪科学史上最伟大的综合之一。

1865年他辞职回乡，专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物理学实验室——卡文迪许实验室，1874年建成后担任第一任主任。1873年，麦克斯韦出版了集电磁学大成的划时代著作《电磁学通论》，全面总结19世纪中叶以前对电磁学的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相媲美的里程碑式的不朽名著。

由于这部著作一般人读不懂，而且十几年间一直没有人证实电磁波的存在，所以许多物理学家怀疑麦氏的理论。

1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥逝世。他的功绩生前未受重视，直到1888年，即他逝世九年以后，物理学家赫兹通过一系列实验证

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