电磁学与光学的历史及其对近现代物理的影响

谢悦希

摘 要：电、磁、光是生活中常见的三种物理现象。本文梳理了物理学对于这三种现象研究的独立发展与相互统一的科学史过程；总结了该过程中出现的重要的物理事件和人物；文章最后探讨了电、磁、光的物理统一对于近现代物理的两大重要分支（量子力学和相对论）产生的重要影响，旨在为更深入的研究提供思路。

关键词：电磁学；光学；科学史

中图分类号：O31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0239-02

1 引言

电、磁、光是我们生活中非常重要的三个物理现象，早期对于电、磁、光的研究是相互独立的。随着物理学的发展，人类对电、磁、光有了更深入的理解，其发展也逐渐从一开始的独立发展最终走向了统一，对近现代物理的发展产生了重大影响。对这三门学科统一过程的探讨虽有文献[1，2]，但都有各自偏重的方面，且大部分缺少对近现代物理影响的必要探讨。

2 电学、磁学和光学的独立发展

2.1 电学

人类对于电的研究起始于被记录在公元前2750年的古代埃及的文献中的放电的鱼，在随后的几千年里，古代希腊、罗马以及阿拉伯的自然学家和医生也对这种会放电的鱼有相应的描述。另外一方面，当时地中海附近的文化已经知道了有些物质，比如棒状的琥珀可以在与猫的皮毛摩擦后产生吸引轻小物质的性质，哲学家Thales对这一现象进行了一系列的观察，但他错误地认为摩擦造成的原因是琥珀具有磁性。直到1600年，英国科学家William Gilbert才对这个现象给出了正确的解释，并引入了电这个概念。

关于电的本性的探讨在最初的电学科学史上占据了重要的地位，Benjamin Franklin通过风筝实验，证实了闪电也是电（1752年）；随后，Luigi Galvani证明了生物电也是电（1791年）。18世纪电学发展的另一个重要内容是电的产生和储存。Otto Vou Guoricke发明了摩擦起电机，Pieter Van Musschenbroke发明了莱顿瓶储存电荷，Alessandro Volta发明伏打电池，使用的是电化学反应，为科学研究电学现象提供了稳定的电源。电学早期的科学史上的一个高峰是1785年Charles-Augustin de Coulomb通过扭秤实验得到的库仑定律，该定律指出了电荷之间相互作用的定量结果。

2.2 磁学

磁（magnetism）来自于希腊语。古代的人们注意到磁铁矿的碎片可以吸引铁，由此发现了磁。中国历史上对于磁学的最早记载见于鬼谷子一书（公元前4世纪），《吕氏春秋》也对磁石吸铁的效应有记载，11世纪的中国科学家沈括在《梦溪笔谈》里留下利用磁石精确导航的记录。

1600年，英国科学家William Gilbert发表著作探讨了磁现象，并提出地磁的观点。在Gilbert之后，磁学的发展相比起电学显得较为缓慢，一直到电磁统一，磁学才有了快速的发展。

2.3 光学

光学早期的探讨多数限于思辨，缺乏充分的实验证据。1015年前后Ibn Al Haythem（近代光學之父）写成的《光学》7卷，总结了早期希腊学者对光的认识。光学的发展最重要的问题是对于光的本性的认识，于17世纪形成了以Rene Descartes和Isaac Newton为代表的微粒学说和以Robert Hooke和Christiaan Huygens为代表的波动学说。

早期微粒学说一直被人们接受，直到19世纪初，Thomas Young的双狭缝干涉实验表明光遵循波的叠加定律，这是牛顿微粒学说所无法解释的现象。这个结果从实验上证实光的波动学说。Augustin-Jean Fresnel在惠更斯原理上进一步提出了惠更斯-菲涅尔原理，为波动理论提供了一个更加定量的描述，并得到一系列被后续实验证实的预言。这些实验和理论上的发展为波动理论争取到胜利。

3 电学、磁学和光学的相互统一

电磁统一的道路上，康德的哲学观产生了重要的影响，康德的哲学使得人们相信众多的物理现象有着统一的根源。丹麦物理学家Hans Christian Oersted接受了这一观点，并为实验上实现电流的磁效应奋斗了20多年。1820年Oersted公布了实验结果：电流可以产生磁场，为电磁统一开启第一步。

Andre-Marie Ampere针对Oersted的实验提出了判断电流周围磁场方向的安培定则以及磁体产生磁性的分子电流假设，通过设计的四个示零实验结合数学技巧得到了电流之间相互作用力的安培定律。Jean-Baptiste Biot和Felix Savart两人做了一系列实验，经过Pierre-Simon Laplace的数学理论帮助，于1822年提出了毕奥-萨伐尔定律，给出了载流导线产生的磁场表达式。

Oersted发现电流的磁效应之后，人们一直致力于实现磁生电。1831年，Michael Faraday发表了电磁感应的实验现象。Faraday所发现的结果可以总结为磁通量变化产生感应电动势，这一现象的数学表达式由Franz E.Neumann和Wilhelm E.Weber共同提出。

自法拉第的实验之后，电磁在实验上的统一已经完成，理论上的统一处理呼之欲出。James Clerk Maxwell于1865年提出了麦克斯韦方程组，并于1873年出版了《电磁学通论》。至此，电磁学的理论和实验上的统一全部完成。同时Maxwell从麦克斯韦方程组出发推导出电磁波的存在，计算得到电磁波的传播速度，确认其和光速之间的等量关系，大胆预言了光是电磁波。Heinrich Rudolf Hertz于1887年利用十分简陋的实验条件设计实验产生并观察到了电磁波，1888年他将实验成果发表。至此，人们确信麦克斯韦方程组这一真理，并接受了光是电磁波的观点，电学、磁学和光学至此统一。

4 后续影响

电磁光统一之后，对于电磁现象和光学现象，人们的认识有了质的飞跃。麦克斯韦方程组既是对已有工作的总结，也提出了新的问题，包含着新的原理。

第一个问题就是，麦克斯韦方程组的参考系问题，早期人们假想了“以太”的存在，认为电磁波是在“以太”中传播，Albert A.Michelson、Edward W.Morley的干涉实验就是为了证明“以太”的存在而设计的，但1881年和1887年两次的实验结果表明，“以太”没有被探测到。1905年Albert Einstein建议放弃“以太”的概念，发展出来一套狭义相对论的理论体系。这一理论是对时空的全新理解，并在之后的物理学发展过程中对包括牛顿力学和麦克斯韦电磁理论在内的几乎所有物理领域都产生了不可磨灭的影响[3]。

第二个问题是关于光的本性的问题，光是电磁波虽然已经被认识到，但对于黑体辐射以及光电效应，麦克斯韦的电磁理论并不能给出很好的解释，这导致了光量子的概念以及量子力学的早期发展。1900年，Max Planck提出“光量子”的能量上的概念解释了黑体辐射；1905年，Albert Einstein将“光量子”的概念推广为“光子”，完美解释了光电效应；1923年，Arthur Compton从实验上发现了康普顿效应，为“光子”的概念提供了实验上的证据。关于光的波粒二象性从理论上和实验上均已确立，随着量子论的发展，终于形成了描述光和电磁现象的量子理论，也即量子电动力学。这是现代物理学处理电磁相互作用的基石，也为强相互作用和弱相互作用的理论提供了一套合适的方法。

5 结语

本文回顾了电学、磁学和光学在科学史上的独立发展和相互统一的历程。在这一段历史中，我们可以感受到物理学各个分支之间的联系，感受到近现代物理是前人呕心沥血经历长达几百年探索的结晶。厘清这一历史过程，对于物理学未来的发展有着启明的作用。

参考文献

[1]李林，单长吉，徐楠，潘梦鹄.电磁学发展历史概述[J].吉林省教育学院学报（学科版）， 2011，27（02）：136-137.

[2]馬明祥.光学的发展历史概述[J].大众科技，2007，（05）：82-83.

[3]张元仲.从牛顿力学到狭义相对论[J].力学与实践，2005，（04）：1-6+13.