李國峰

摘要筆者對赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的實驗做了研究。參照赫謝耳的信件，分析了赫謝耳實驗的過程和思想，認為赫謝耳的工作為解讀近代電磁學(xué)發(fā)展狀況提供了新素材。

關(guān)鍵詞赫謝耳；磁光聯(lián)系；實驗

赫謝耳（John Frederick William Herschel，1792-1871）是近代著名天文學(xué)家，除了天文學(xué)方面的卓越成就，其研究還涉及到電磁學(xué)領(lǐng)域。赫謝耳認為磁與光存在某種聯(lián)系，并在1822-1825年進行了實驗探索。這方面的研究目前還較為少見，有必要對赫謝耳的相關(guān)工作和思想進行考察，對其意義做出評價。

1赫謝耳的實驗

1）實驗的緣由：1820年，赫謝耳注意到，當一束偏振光通過石英晶體時，偏振光偏振面沿著光線行進方向有的向逆時針方向偏轉(zhuǎn)，而有的向順時針方向偏轉(zhuǎn)。通過進一步觀察，赫謝耳發(fā)現(xiàn)，這是兩類不同結(jié)構(gòu)石英晶體的固有現(xiàn)象，即偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)呈現(xiàn)螺旋對稱性，從而發(fā)現(xiàn)石英有“左旋”與“右旋”之分。他還觀察到，磁針在電流作用下的偏轉(zhuǎn)也具有螺旋對稱性（指電流磁效應(yīng)一筆者），與光線通過某些物體時偏振面的旋轉(zhuǎn)很相似，于是猜想“電”和“光”可能存在某種聯(lián)系，進而通過實驗進行了驗證，時間約在1822-1825年。但從實驗過程看，赫謝耳事實上是尋求“磁”與“光”的聯(lián)系。

2）實驗過程：赫謝耳于1822-1825年間做了2個實驗驗證自己的猜想。一個陶制管中放置銅質(zhì)螺旋，一對黑色玻璃板布置在陶制管的開口附近，光束在第一塊玻璃板反射，穿過螺線管，在另一塊玻璃板上反射。光束在第一塊玻璃板反射后，獲得偏振光，赫謝爾認為從另外一塊玻璃板能看光束偏振面的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。另一個實驗，用折疊導(dǎo)線取代陶制管和銅質(zhì)螺線管，依然沒有看到期望中的實驗現(xiàn)象。

考察赫謝耳的實驗裝置會發(fā)現(xiàn)，他實質(zhì)上是在尋求“磁”和“光”之間的聯(lián)系，因為偏振光不管是穿過螺線管還是通過通電導(dǎo)線附近，都是利用電流的磁效應(yīng)對偏振光施加影響。

赫謝耳認為，當偏振光沿軸方向穿過通電銅螺線管時，應(yīng)當能夠觀察到偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)（如圖1）。實驗結(jié)果是，他期望中的現(xiàn)象并未出現(xiàn)。赫謝耳把通電螺線管換成三折直導(dǎo)線（如圖2所示），但依然未能觀察到他預(yù)想的現(xiàn)象。

赫謝耳沒有來得及找出其實驗失敗的原因。作為天文學(xué)家，他此后的主要興趣與精力都放在了天文學(xué)方面。直到1845年，聽說法拉第發(fā)現(xiàn)了“磁”與“光”存在聯(lián)系的證據(jù)，赫謝耳才再次關(guān)注這一問題，并與法拉第進行了交流。

2赫謝耳與法拉第的討論

2.1赫謝耳的觀點

日晷根據(jù)太陽影子的長短和影子的方向來判斷時間：早上時，影子在西方且最長；中午時，影子在北方且最短；傍晚時，影子在東方且從中午時逐漸變長（以北半球為例）。一般來說，古代人們通常會選用根據(jù)影子的方向來判斷時間，可能因為影子的方向便于辨別而影子的長短不便于測量。

赫謝耳于1822-1825間的實驗以失敗告終。1845年9月13日，法拉第在實驗中發(fā)現(xiàn)了磁光存在聯(lián)系的證據(jù)，即“磁致旋光”效應(yīng)。同年11月3日法拉第向皇家學(xué)會報告了自己的發(fā)現(xiàn)，11月8日“Athenaeum”的每周漫談專欄做了相關(guān)報道，赫謝耳看到此報道后，于11月9日給法拉第寫了一封賀信。在這封信中，赫謝耳除了對法拉第的重大發(fā)現(xiàn)表示祝賀和探詢詳情外，還詳細介紹了自己早年的實驗。赫謝耳在信中說：“有3種類型的螺旋不對稱現(xiàn)象，第一種是在石英之類晶體的旋光現(xiàn)象，第二種是當光通過某些固體和液體時發(fā)生的光偏振面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表示在光線和分子中的螺旋不對稱，或者在光線中的能力受到后者中的特性的影響。第三種是直流導(dǎo)線附近小磁針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這三類現(xiàn)象有相似的特點，我認為電流和偏振光之間存在某種聯(lián)系，光偏振面一定會被磁電偏轉(zhuǎn)”。

從這段敘述可以進一步得知赫謝耳尋求磁光聯(lián)系較為詳細的緣由。赫謝耳把三類螺旋對稱性進行了類比，一是有些具有旋光性的晶體，由于結(jié)構(gòu)不同使其旋光能力有左旋與右旋之分；二是具有旋光能力的液體，其分子結(jié)構(gòu)不同旋光性也不同，分為左旋和右旋液體；三是通電導(dǎo)線附近小磁針的轉(zhuǎn)動方向依電流方向不同也有所不同。

赫謝耳通過歸納推理認為，光和電流之間存在相似現(xiàn)象，偏振光偏振面一定會被磁電所偏轉(zhuǎn)，且堅信一定能夠被發(fā)現(xiàn)。

2.2法拉第的觀點

為說明法拉第的觀點，有必要介紹一下法拉第發(fā)現(xiàn)的“磁致旋光”效應(yīng)。如圖3所示，圓柱體是重玻璃，圓柱體外側(cè)的線圈為導(dǎo)線圈，箭頭所指方向為電流方向，虛線代表偏振光線。當磁力線和光線同向時，迎著光線看，光偏振面向左偏轉(zhuǎn)，如果磁力線與光線反向，則光偏振面向右偏轉(zhuǎn)。

1845年11月13日，法拉第給赫謝耳寫了回信。在這封信中，法拉第除了介紹自己發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)的情況，還談了實驗的來由。法拉第說：

“我有一種強烈的哲學(xué)信念，認為光、磁、電一定存在某種聯(lián)系，這種信念促使我在找到問題關(guān)鍵之前付出了百折不回的努力”。

由這段引文可知，與赫謝耳通過類比猜測可能光和磁之間具有某種聯(lián)系不同，法拉第認為磁與光存在聯(lián)系，很大程度上是一種哲學(xué)信念使然。

2.3法拉第指出了赫謝耳實驗的失敗原因

法拉第認為，光介質(zhì)選取不合適乃是導(dǎo)致赫謝耳實驗失敗的原因。法拉第說：

“……你在實驗中沒有得到任何結(jié)果，原因并不在于你所使用的實驗設(shè)備，即使你使用再強的電池給螺線管供電，結(jié)果依然如此，因為迄今為止，我還沒有能夠在空氣或任何氣體中發(fā)現(xiàn)光偏振面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。”

由這句話可知，法拉第本人還沒有在空氣或者任何其它氣體中觀察到“磁致旋光”效應(yīng)，而在赫謝耳的實驗中，光介質(zhì)恰恰是空氣，如圖1和2所示。

因此，赫謝耳的研究思路正確，只是由于光介質(zhì)選取不合適才使得他與“磁致旋光”效應(yīng)失之交臂。

2.4赫謝耳與法拉第的分歧endprint

關(guān)于“磁致旋光”效應(yīng)的產(chǎn)生機理，法拉第認為是光線被磁化或者是電力線被顯明。赫謝耳則認為透明體在磁力作用下具有了水晶那樣的plagiedral面，從而具有旋光性。赫謝耳還認為，除了磁力，其他方式也可使透明體產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，例如機械扭力。赫謝耳本人沒有做這個實驗，而是把實驗設(shè)計介紹給了法拉第，由法拉第進行了驗證。

這個實驗如圖4所示，一塊六角形透明體棱柱，下部固定在一塊板上，上部安裝一個扳手，以便施加機械扭力。偏振光由B-A方向通過透明體，R為一觀測用的尼科耳棱鏡。赫謝耳認為，通過此裝置就能觀察到“旋光”效應(yīng)。

法拉第在1846年1月15日做了這個實驗。結(jié)果表明，施加于透明體的機械扭力不會使偏振光偏轉(zhuǎn)，但是意外地發(fā)現(xiàn)這種方法對偏振光有退偏作用。這個實驗結(jié)果很是出乎謝赫耳和法拉第的意料。

3赫謝耳工作的意義

由于赫謝耳探尋磁與光聯(lián)系的實驗沒有成功，亦沒有公開發(fā)表相關(guān)思想，與法拉第的交流也是在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之后，以致當時影響不大。但赫謝耳的實驗設(shè)計思想及對“磁致旋光”效應(yīng)機理的解讀，于后世了解19世紀電磁學(xué)發(fā)展狀況方面有積極意義。

赫謝耳的實驗裝置與法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)的裝置相比，并無實質(zhì)差別，只是由于光介質(zhì)種類測試不夠多，以致功虧一簣。赫謝耳從歸納類比思想出發(fā)認為磁與光存在聯(lián)系，反映了其思想深受牛頓機械論自然觀影響；但當時這種自然觀已經(jīng)出現(xiàn)諸多衰落跡象，因此赫謝耳實驗的失敗，實驗技巧略遜一籌是外因，自然觀的落后才是內(nèi)因。至于對“磁致旋光”效應(yīng)機理地解讀，按照現(xiàn)代理論解釋，“磁致旋光”的起因乃是，磁場引起光介質(zhì)各向介電張量變化不同所致，這是從微觀領(lǐng)域考慮問題。赫謝耳從光介質(zhì)結(jié)構(gòu)考慮問題本無錯，但由于其思想立足點是機械論自然觀、加之當時技術(shù)手段和理論還沒有能夠深入到微觀領(lǐng)域，因此他不可能對場論背景下的“磁致旋光”效應(yīng)機理做出很好解答。

還有一個問題需要澄清?？āゑR諾洛夫認為赫謝耳在1822-1825年問的實驗對法拉第有很大影響，這一說法幾成定論，導(dǎo)致后人以為赫謝耳的工作與法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)存在傳承關(guān)系。其實不然，在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之前，他們對彼此的研究并不知情。如前文所述，法拉第做出發(fā)現(xiàn)在前，赫謝耳與法拉第的交流在后，如果赫謝耳對法拉第有影響，那么法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)很可能要早于1845年。

4結(jié)論

綜上所述，通過詳細考察赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的工作可以得到如下認識。第一，赫謝耳尋求磁光聯(lián)系的緣起是受晶體、液體使偏振光偏轉(zhuǎn)及通電導(dǎo)線使小磁針偏轉(zhuǎn)具有螺旋對稱的啟發(fā)。第二，赫謝耳的實驗沒有取得成功，除了實驗技巧不夠過硬外，還由于他持有的、當時己開始衰落的機械論自然觀影響。第三，赫謝耳在法拉第發(fā)現(xiàn)“磁致旋光”效應(yīng)之后才與法拉第進行了學(xué)術(shù)交流，以致赫謝耳的實驗和思想沒有產(chǎn)生應(yīng)有的影響。第四，赫謝耳試圖從光介質(zhì)結(jié)構(gòu)解讀“磁致旋光”效應(yīng)的起因，但由于其思想立足點是機械論自然觀，所以不能對這種場論背景下的新現(xiàn)象做出解釋。最后，赫謝耳探尋磁光聯(lián)系的工作盡管以失敗告終，其過程和思想，卻為解讀近代電磁學(xué)發(fā)展狀況提供了新素材。endprint