解读天文学家赫谢耳寻求磁光联系的实验-谢耳朵,,你可以更搞笑点,,,哈哈..表情帝-美剧收集 优等小桶吧
李国峰
摘要笔者对赫谢耳寻求磁光联系的实验做了研究。参照赫谢耳的信件，分析了赫谢耳实验的过程和思想，认为赫谢耳的工作为解读近代电磁学发展状况提供了新素材。
关键词赫谢耳；磁光联系；实验
赫谢耳（John Frederick William Herschel，1792-1871）是近代著名天文学家，除了天文学方面的卓越成就，其研究还涉及到电磁学领域。赫谢耳认为磁与光存在某种联系，并在1822-1825年进行了实验探索。这方面的研究目前还较为少见，有必要对赫谢耳的相关工作和思想进行考察，对其意义做出评价。
1赫谢耳的实验
1）实验的缘由：1820年，赫谢耳注意到，当一束偏振光通过石英晶体时，偏振光偏振面沿着光线行进方向有的向逆时针方向偏转，而有的向顺时针方向偏转。通过进一步观察，赫谢耳发现，这是两类不同结构石英晶体的固有现象，即偏振光偏振面的偏转呈现螺旋对称性，从而发现石英有“左旋”与“右旋”之分。他还观察到，磁针在电流作用下的偏转也具有螺旋对称性（指电流磁效应一笔者），与光线通过某些物体时偏振面的旋转很相似，于是猜想“电”和“光”可能存在某种联系，进而通过实验进行了验证，时间约在1822-1825年。但从实验过程看，赫谢耳事实上是寻求“磁”与“光”的联系。
2）实验过程：赫谢耳于1822-1825年间做了2个实验验证自己的猜想。一个陶制管中放置铜质螺旋，一对黑色玻璃板布置在陶制管的开口附近，光束在第一块玻璃板反射，穿过螺线管，在另一块玻璃板上反射。光束在第一块玻璃板反射后，获得偏振光，赫谢尔认为从另外一块玻璃板能看光束偏振面的旋转现象。另一个实验，用折叠导线取代陶制管和铜质螺线管，依然没有看到期望中的实验现象。
考察赫谢耳的实验装置会发现，他实质上是在寻求“磁”和“光”之间的联系，因为偏振光不管是穿过螺线管还是通过通电导线附近，都是利用电流的磁效应对偏振光施加影响。
赫谢耳认为，当偏振光沿轴方向穿过通电铜螺线管时，应当能够观察到偏振光偏振面的偏转（如图1）。实验结果是，他期望中的现象并未出现。赫谢耳把通电螺线管换成三折直导线（如图2所示），但依然未能观察到他预想的现象。
赫谢耳没有来得及找出其实验失败的原因。作为天文学家，他此后的主要兴趣与精力都放在了天文学方面。直到1845年，听说法拉第发现了“磁”与“光”存在联系的证据，赫谢耳才再次关注这一问题，并与法拉第进行了交流。
2赫谢耳与法拉第的讨论
2.1赫谢耳的观点
日晷根据太阳影子的长短和影子的方向来判断时间：早上时，影子在西方且最长；中午时，影子在北方且最短；傍晚时，影子在东方且从中午时逐渐变长（以北半球为例）。一般来说，古代人们通常会选用根据影子的方向来判断时间，可能因为影子的方向便于辨别而影子的长短不便于测量。
赫谢耳于1822-1825間的实验以失败告终。1845年9月13日，法拉第在实验中发现了磁光存在联系的证据，即“磁致旋光”效应。同年11月3日法拉第向皇家学会报告了自己的发现，11月8日“Athenaeum”的每周漫谈专栏做了相关报道，赫谢耳看到此报道后，于11月9日给法拉第写了一封贺信。在这封信中，赫谢耳除了对法拉第的重大发现表示祝贺和探询详情外，还详细介绍了自己早年的实验。赫谢耳在信中说：“有3种类型的螺旋不对称现象，第一种是在石英之类晶体的旋光现象，第二种是当光通过某些固体和液体时发生的光偏振面旋转现象，表示在光线和分子中的螺旋不对称，或者在光线中的能力受到后者中的特性的影响。第三种是直流导线附近小磁针的偏转现象。这三类现象有相似的特点，我认为电流和偏振光之间存在某种联系，光偏振面一定会被磁电偏转”。
从这段叙述可以进一步得知赫谢耳寻求磁光联系较为详细的缘由。赫谢耳把三类螺旋对称性进行了类比，一是有些具有旋光性的晶体，由于结构不同使其旋光能力有左旋与右旋之分；二是具有旋光能力的液体，其分子结构不同旋光性也不同，分为左旋和右旋液体；三是通电导线附近小磁针的转动方向依电流方向不同也有所不同。
赫谢耳通过归纳推理认为，光和电流之间存在相似现象，偏振光偏振面一定会被磁电所偏转，且坚信一定能够被发现。
2.2法拉第的观点
为说明法拉第的观点，有必要介绍一下法拉第发现的“磁致旋光”效应。如图3所示，圆柱体是重玻璃，圆柱体外侧的线圈为导线圈，箭头所指方向为电流方向，虚线代表偏振光线。当磁力线和光线同向时，迎着光线看，光偏振面向左偏转，如果磁力线与光线反向，则光偏振面向右偏转。
1845年11月13日，法拉第给赫谢耳写了回信。在这封信中，法拉第除了介绍自己发现“磁致旋光”效应的情况，还谈了实验的来由。法拉第说：
“我有一种强烈的哲学信念，认为光、磁、电一定存在某种联系，这种信念促使我在找到问题关键之前付出了百折不回的努力”。
由这段引文可知，与赫谢耳通过类比猜测可能光和磁之间具有某种联系不同，法拉第认为磁与光存在联系，很大程度上是一种哲学信念使然。
2.3法拉第指出了赫谢耳实验的失败原因
法拉第认为，光介质选取不合适乃是导致赫谢耳实验失败的原因。法拉第说：
“……你在实验中没有得到任何结果，原因并不在于你所使用的实验设备，即使你使用再强的电池给螺线管供电，结果依然如此，因为迄今为止，我还没有能够在空气或任何气体中发现光偏振面旋转效应。”
由这句话可知，法拉第本人还没有在空气或者任何其它气体中观察到“磁致旋光”效应，而在赫谢耳的实验中，光介质恰恰是空气，如图1和2所示。
因此，赫谢耳的研究思路正确，只是由于光介质选取不合适才使得他与“磁致旋光”效应失之交臂。
2.4赫谢耳与法拉第的分歧endprint
关于“磁致旋光”效应的产生机理，法拉第认为是光线被磁化或者是电力线被显明。赫谢耳则认为透明体在磁力作用下具有了水晶那样的plagiedral面，从而具有旋光性。赫谢耳还认为，除了磁力，其他方式也可使透明体产生旋光现象，例如机械扭力。赫谢耳本人没有做这个实验，而是把实验设计介绍给了法拉第，由法拉第进行了验证。
这个实验如图4所示，一块六角形透明体棱柱，下部固定在一塊板上，上部安装一个扳手，以便施加机械扭力。偏振光由B-A方向通过透明体，R为一观测用的尼科耳棱镜。赫谢耳认为，通过此装置就能观察到“旋光”效应。
法拉第在1846年1月15日做了这个实验。结果表明，施加于透明体的机械扭力不会使偏振光偏转，但是意外地发现这种方法对偏振光有退偏作用。这个实验结果很是出乎谢赫耳和法拉第的意料。
3赫谢耳工作的意义
由于赫谢耳探寻磁与光联系的实验没有成功，亦没有公开发表相关思想，与法拉第的交流也是在法拉第发现“磁致旋光”效应之后，以致当时影响不大。但赫谢耳的实验设计思想及对“磁致旋光”效应机理的解读，于后世了解19世纪电磁学发展状况方面有积极意义。
赫谢耳的实验装置与法拉第发现“磁致旋光”效应的装置相比，并无实质差别，只是由于光介质种类测试不够多，以致功亏一篑。赫谢耳从归纳类比思想出发认为磁与光存在联系，反映了其思想深受牛顿机械论自然观影响；但当时这种自然观已经出现诸多衰落迹象，因此赫谢耳实验的失败，实验技巧略逊一筹是外因，自然观的落后才是内因。至于对“磁致旋光”效应机理地解读，按照现代理论解释，“磁致旋光”的起因乃是，磁场引起光介质各向介电张量变化不同所致，这是从微观领域考虑问题。赫谢耳从光介质结构考虑问题本无错，但由于其思想立足点是机械论自然观、加之当时技术手段和理论还没有能够深入到微观领域，因此他不可能对场论背景下的“磁致旋光”效应机理做出很好解答。
还有一个问题需要澄清。卡·马诺洛夫认为赫谢耳在1822-1825年问的实验对法拉第有很大影响，这一说法几成定论，导致后人以为赫谢耳的工作与法拉第发现“磁致旋光”效应存在传承关系。其实不然，在法拉第发现“磁致旋光”效应之前，他们对彼此的研究并不知情。如前文所述，法拉第做出发现在前，赫谢耳与法拉第的交流在后，如果赫谢耳对法拉第有影响，那么法拉第发现“磁致旋光”效应很可能要早于1845年。
4结论
综上所述，通过详细考察赫谢耳寻求磁光联系的工作可以得到如下认识。第一，赫谢耳寻求磁光联系的缘起是受晶体、液体使偏振光偏转及通电导线使小磁针偏转具有螺旋对称的启发。第二，赫谢耳的实验没有取得成功，除了实验技巧不够过硬外，还由于他持有的、当时己开始衰落的机械论自然观影响。第三，赫谢耳在法拉第发现“磁致旋光”效应之后才与法拉第进行了学术交流，以致赫谢耳的实验和思想没有产生应有的影响。第四，赫谢耳试图从光介质结构解读“磁致旋光”效应的起因，但由于其思想立足点是机械论自然观，所以不能对这种场论背景下的新现象做出解释。最后，赫谢耳探寻磁光联系的工作尽管以失败告终，其过程和思想，却为解读近代电磁学发展状况提供了新素材。endprint
