《人類科學技術史-214》十六、十七世紀熱學、磁學和聲學

十六、十七世紀熱學、磁學和聲學
1.熱學 （1）對熱現象的研究

近代前期，對熱學的研究尚處于起步階段。

關于熱的本質，還存在著不同的看法。弗朗西斯.培根在其1620年出版的《新工具》一書中，認為熱是一種運動。而差不多與他同時代的法國學者卡桑狄(1592-1655年）則指出，熱是由特殊種類的原子組成的。

這種分歧在一定程度上是對熱的傳統認識上的差異的延續。柏拉圖曾強調熱是一種運動，而亞里士多德關于火的概念則認為，火是四種物質元素之一。而在近代初期，人們也還很少明確區分熱和火。

然而，用實驗方法研究熱現象的過程也已開始。如關于熱的幅射問題，意大利學者波塔在1589年就已認為，凹鏡能夠反射熱、冷、光和聲。他描述了這樣一種情況：在鏡前放一支點燃的蠟燭，當眼睛位于共軛焦點時，眼睛能感覺到蠟燭發出的熱和光；而如果把雪放在蠟燭的位置上，冷也會被反射。

弗朗西斯.培根曾經作過用取火鏡來聚焦看不見的熱的實驗，發熱體是被加熱的鐵、石頭或沸水。

到17世紀下半期，玻意耳、胡克、馬略特等著名學者把熱學研究向前推進了一大步。

（2）溫度計

隨著對熱現象研究的展開，出現了測試溫度的儀器。一般認為，近代第一個溫度計，是伽利略根據空氣受熱膨脹的原理制作出來的。伽利略的學生維維安尼認為，伽利略約在1592年就已發明了這種測量冷熱程度的儀器。伽利略的朋友卡斯特利，也曾詳細地描述了他在1603年目睹的伽利略使用溫度計檢測冷熱程度的演示。這種溫度計是一根下端開口、上端為一球泡的細玻璃管。伽利略先將玻璃泡加熱，然后將開口的一端浸入水中。隨著玻璃泡溫度的下降，泡中的空氣收縮，玻璃管中的水上升到容器內的水面以上。玻璃管上標有刻度以顯示冷熱的程度。

這種溫度計后來由伽利略的朋友、帕多瓦大學的醫學教授圣托里奧加以改進后用于測量人體溫度。弗朗西斯.培根在《新工具》中，也描述了一種和伽利略的測溫計類似的儀器。這種空氣溫度計的缺點，是受空氣壓力變化影響而不很精確，但在17世紀上半期是被廣泛采用的。

1632年，法國醫生讓.萊伊首先提到了液體溫度計。他提出，可以把伽利略的測溫計倒過來用，即在玻璃泡中裝滿水，把它放在發燒病人的手中，水受熱膨脹而在玻璃管中上升，以此來顯示溫度的高低。但他很可能沒有把玻璃管開口的上端封死，而管子若是開口的，水的蒸發就會影響測量的可靠性。

約在17世紀40-50年代，托斯卡納大公斐迪南二世實現了液體溫度計的一個重大改進。他用染色的酒精代替水作為測溫液體，并把玻璃管密封。其刻度是用細小的玻璃珠直接制在玻璃管上的。這種溫度計制作時在玻璃泡的大小、玻璃管口徑、酒精的量這三者關系上都保持一致，因而它們顯示的刻度也都基本一致。

此后，玻意耳、胡克、惠更斯、哈雷、牛頓以及其他不少科學家，都曾為確定溫度計的定點而提出過方案。但溫度計趨于完善已是18世紀的事了。

2.磁學 （1）吉爾伯特的實驗與發現

1558年，中世紀法國學者帕雷格倫納斯(生卒年不詳）寫于1269年的《關于磁石的書信》的手稿發表了。帕雷格倫納斯詳細介紹了作為航海儀器的羅盤，描述了磁石的性質，討論了磁石兩極的確定、磁極的相互作用、接觸引起的磁化以及磁感應等問題，還推測磁力可以轉化為動能。帕雷格倫納斯的作品問世說明了近代初期人們對磁的現象的興趣增長，同時也促進了磁學研究。

1600年，近代磁學的奠基人、英國物理學家威廉.吉爾伯特(1544-1603年）所著《論磁石、磁性物體和大磁體地球》一書出版。吉爾伯特曾在劍橋大學學醫，1569年獲得醫學博士學位，后來在倫敦行醫，1600年成為伊麗莎白一世女王的御醫。但吉爾伯特的主要興趣和成就不是在醫學方面，而集中于磁和電的研究。他的著作總結了自己多年工作的成果，其中包括對自己所做的600多個實驗的介紹。

吉爾伯特發現，磁體永遠有兩個極：北極和南極，在分割磁體時，也永遠不會得到只有一個磁極的磁體；同名的磁極相互排斥，異名的磁極相互吸引；在磁體影響下，鐵制物品可以獲得磁性；如果在天然磁石兩極包上鐵，能夠使其磁性顯著增強。

吉爾伯特最重要的科學貢獻，是發現了地球本身是一個巨大的磁體。他的這一結論是從實驗中導出的。他用一個球形磁石和一根羅盤用指針做了這個實驗，把指針放在球形磁石的表面，按指針所指的方向在球形磁石表面畫出一條環形線。然后相繼改變指針在球面上的位置，每次都得到一條環形線。

所有的環形線都通過球形磁石上兩個相對應的點，這兩個點就是磁石的兩極。吉爾伯特發現，在移動指針時，它對于球形磁石表面的傾角隨著它與兩極在距離的變化而變化。這使他聯想起磁傾針在地球不同緯度上傾斜度的變化。在此之前，已有人注意到了磁傾角的問題，如德國牧師哈特曼在1544年發現了磁化針對于水平面的傾角；英國學者諾曼在1576年用自己制作的磁傾針在倫敦測量了磁傾角，并得出其值為71°50′。吉爾伯特認為，球形磁石的磁性對應于地球的磁性，即地球就是一個巨大的球形磁體，而他用于實驗的球形磁石就是一個微形地球。他還猜想，其他天體，特別是太陽和月亮，也象地球一樣具有磁性。這個觀點后來被刻卜勒接受和發展了。

吉爾伯特的實驗和研究還發展了有關電的知識。在他之前，人們對電的認識基本上停留在古希臘哲學家泰勒斯所描述的琥珀經摩擦會產生電的水平上。吉爾伯特設計制作了一臺驗電器，由一個尖頂支樞支承一根能夠靈活轉動的指針。他把鉆石、寶石、玻璃、水晶、硫磺、樹脂等各種物體摩擦后靠近指針，看指針是否被吸引向這些物體。通過這樣的實驗，他得出結論：琥珀的性質是許多其他物質共有的。他把這些物質稱為"帶電體"，而把金屬物質列為"非帶電體"的主要項目。他當時還不知道，金屬這類導電物質在摩擦時產生的電荷會很快失去。

在吉爾伯特之后，對磁和電的現象的研究進展緩慢，很長時間內沒有多少新的發現。

（2）其他磁學著作

和吉爾伯特同時代的巴洛(-1650年）是英國索爾茲伯里的副主教，也熱衷于對磁的研究。他在1613年出版了《磁的廣告》一書，其中最主要的內容，是改進了勵磁方法和安裝羅盤指針的方法，并區分了鐵的磁性質和鋼的磁性質。

17世紀上半期，還出現了一些介紹利用磁作為治療疾病和創傷辦法的書，如比利時醫生赫爾蒙特(1577-1614年）的《磁學論》、德國耶穌會教士阿撒納修斯.基歇爾(1601-1680年）的《磁石，或論勵磁的方法》等均以此為主題。但基歇爾的書中也提到了一些有意思的實驗和見解。他曾用天平來衡量磁石的磁力，還用磁的作用解釋了自然界的一些現象，如鳥類的飛行等。

1629年，意大利耶穌會教士卡貝奧也寫了一本名為《磁的哲學》的書，其中特別注意到了鐵的磁化。

3.聲學 （1）伽利略和梅森：振動與音調

近代對聲學的研究也始自伽利略。他對擺的振蕩定律的發現，引起了他對弦的振動以及和應振動現象的注意。他做了這樣一個實驗：用一塊薄鐵片在一塊黃銅板上以不同速度來回劃動，每當產生一個清晰的律音時，就記下銅板上留下的一條條等距離線痕的數量。劃動的速度較快時，獲得的律音較高，銅板上留下的線痕數目較多且間距較??；而劃動速度較慢時，獲得的律音較低，線痕的數量較少而間距較大。通過這樣一個簡單的實驗，伽利略首先指出，振動頻率是決定任何發聲體所產生的律音音調的主要因素。

法國學者梅森(1588-1648年）也做了很多實驗，研究弦的振動。他確定了一個律音的音調與產生該音的給定材料的弦的長度、粗細和張力之間的關系。他對用金、銀、銅、黃銅、鐵制成的弦作了比較，發現當弦的長度、粗細和張力都相等時，產生的音調和金屬的比重成反比。

（2）卡桑狄：聲音的速度

關于聲音的速度問題，在17世紀上半期引起了學者們的注意。亞里士多德曾認為，在空氣中，高音的傳播速度比低音快。但卡桑狄(1592-1655)認為，這個結論是不正確的。他做了一個實驗，讓一門炮和一支槍朝某個方向射擊，讓一些人在一定的位置上注意射擊的閃光和聲音。他測量了他們從看到閃光到聽到聲音之間的時間間隔，然后把從他們到發射地點之間的距離除以這個時間，從而得出了聲音的速度。實驗和計算結果表明，炮和槍的射擊所產生的聲音的速度是一樣的。由于當時條件的限制，他得出的聲音在空氣中的速度與實際音速比較高出了不少。而在有關風向是否影響聲音速度的問題上，他錯誤地認為不論風向如何，聲音的速度都是一樣的。這一看法直到18世紀初才得到糾正。