电子科学发明家-第11部分
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关于电力线和磁力线的思想很感兴趣。汤姆生掌握了数学工具以后，更觉得
电磁学是个大有可为的领域，跃跃欲试。
汤姆生的父亲却一心要儿子竞选教授席位。当时格拉斯哥大学有位德高
望重的物理学教授要退休，父亲非常希望汤姆生能够接替这个职位。按照当
时的传统，必须要对物理学有实践经验的人才有资格。为了达到这个目的，
父亲特意安排汤姆生去巴黎留学，给物理学家雷尼奥 （1810－1878）当研究
生。雷尼奥是搞热力学的，曾经接受法国政府的委托，测定过比热常数。汤
姆生一边听他的课，一边给他当实验助手，在热力学研究上得到不少启发。
但是他当时的主要精力，还是放在电磁学上。他在巴黎只逗留了四个多月，
就写了第一篇很有见地的电学论文，发表在法国的数学杂志上。这家杂志的
主编很赏识这个英国青年，曾经给了他不小的鼓励。汤姆生的论文根据光学
倒影原理，论述了静电感应的电荷分布，这已经是个创见；更不简单的是，
他还提出可以用数学方法来分析法拉第的静电感应现象。他这个闪光的思
想，比麦克斯韦要早十年！
1845年初夏，汤姆生从法国回到剑桥大学，参加了英国科学协会的会
①
议。出席这次会议的都是著名学者，包括法拉第、焦耳（1818－1889）这样
一些世界第一流的大科学家。相比之下，二十一岁的汤姆生不过是个孩子。
但是他不迷信权威，在会上大胆发表自己的见解。
这个英俊的青年有些紧张地站在讲台前，介绍自己对电磁学的研究。他
的脸颊因为兴奋而微微发热，声音也不由自主地提得很高。汤姆生在会上宣
读的论文，是根据自己发表在数学杂志上的那篇文章修改的。当他谈到法拉
第的磁力线可以用数学公式来表示，谈到他发现的光线在两块带不同电荷的
玻璃片之间发生极化现象的时候，会场上发出了一阵热烈的议论。
当汤姆生回到自己座位的时候，旁边一个衣着简朴、态度和蔼的学者转
过脸对他说：“小伙子，你谈得不错啊！”
“先生过奖了！”年轻人有些不好意思。
“我也一直在思考这个问题，”那位学者直率地说。
“请问先生贵姓？”汤姆生很有礼貌地问。
“迈克尔·法拉第。”
想不到同自己谈话的竟是法拉第！汤姆生顿时肃然起敬。法拉第从皮包
里取出自己写的一本电学专著《电学实验研究》递给汤姆生，建议他抽空读
一读。接着，他们的话题又回到论文上。汤姆生向法拉第请教，为什么光束
通过带电介质会发生极化现象。法拉第解释说，这个问题很不简单，他几次
想用《电学实验研究》来验证，都没有取得成功。
“但是我相信，发生电感应现象的时候，介质一定是处在某种特殊状态
中的。”法拉第坚定地说，并且表示要继续研究这个难题。
汤姆生当时很想提出来同法拉第合作。他犹豫了一下，没有把话说出口。
① 焦耳是英国著名物理学家，在热学上有重要贡献。
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法拉第那时已经五十一岁，久病初愈，刚恢复研究工作。他虽然赏识汤姆生
的才能，但是没有想到这个二十一岁的后生是最理想的助手。所以，他们探
索的目标尽管是共同的，特别是汤姆生又精通数学，却没有能够携起手来。
这是很可惜的。
一个月以后，汤姆生在皇家学院重新进行这项实验，可惜法拉第已经离
开了。对他们两个人来说，都失去了一次最宝贵的机会。后来，法拉第始终
没有能够把自己的研究提高到理论的高度；汤姆生的愿望，也要到麦克斯韦
手里才能变成现实。
以后，汤姆生有好几次想把自己对电磁的研究总结成理论性的东西，但
是都失败了。他的主要缺点是不善于吸取别人的长处。他对法拉第虽然很敬
重，却从没有系统地读过《电磁学研究》。对于其他人的著作，他当然就更
少过目了。有人说，他在四十年里没有认真读过一本书，这话虽然有些夸张，
但是也说明了汤姆生的弱点。他在实验中的一些发现，有的确实闪耀着天才
的光芒，有的却是重复了别人早已发现过的事实。
1846年五月，老汤姆生等候已久的机会终于到来：那位受人尊敬的老教
授去世，他的职位空出来了。当时大学提出三十个有才干的教师做候选人。
汤姆生的父亲梦寐以求的，就是要让儿子坐上教授这把交椅。他一向训诫儿
子要把数学同物理学上的实际问题互相结合起来，对汤姆生一生确实有不小
的影响。父亲主要是为了适应选拔教授的考试的需要，儿子却因此转向了应
用工程的研究。
同年九月十一日，是汤姆生一家的大喜日子。通过一场激烈的竞赛，二
十二岁的汤姆生击败了所有的对手，夺得了第一名。汤姆生的父亲在学校听
到儿子当选为教授的消息，感到平生最大的愿望实现了，欣喜若狂，连帽子
都顾不上戴，就
在真理的边缘
1846年十一月一日，汤姆生正式担任教授的职务。他还是悉心研究电
学，而且很有进展。法拉第那年从剑桥大学回去以后，做了大量实验，研究
光的极化，当年就取得突破。这位实验大师发现：通过玻璃的一束偏振光，
它的振动面在磁场作用下会发生偏转。这就是有名的磁致旋光效应。法拉第
曾经喜悦地写着：“这样一来，磁力和光有相互关系就得到证明了！”消息
传来，汤姆生很受鼓舞。在法拉第实验的启发下，汤姆生进行了反复的研究，
他用数学方法进行分析，对电磁力的性质作了有益的探讨，还试图用数学公
式把电力和磁力统一起来。这确实是一个天才的思想。
汤姆生把研究成果写成了一篇论文。那时，他当教授才半个多月。论文
完成的时间，是1846年十一月二十八日。汤姆生在当天的日记里写下了这样
的话：“上午十点一刻，我终于成功地用‘力的活动影像法’来表示电力、
磁力和电流了。”
实际上，他已经走到了电磁理论的边缘，只要再向前迈进一步，就能够
发现真理。遗憾的是，汤姆生就在这里停步了。他也许朦胧地感觉到了曙光
在前，但是却缺少那种锲而不舍的精神。他在笔记里匆匆地写下这么一行字：
假使我能够把固体对电磁和电流有关系的状态重新做一番更特殊的考
察，我就会超出现在所知道的范围，不过那是以后的事了。可惜他后来再也
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没有做这方面的工作。因此，建立电磁理论的桂冠，就只好让麦克斯韦来戴
了。当然，汤姆生的功绩也不可否认：第一，是他作了开拓性的工作；第二，
是他把自己的思想毫无保留地告诉了麦克斯韦。这是汤姆生很伟大的地方。
汤姆生没有能够把电磁理论的研究进行到底，客观上还有个原因，就是
他没有能够及时得到法拉第的指导。1847年夏天，汤姆生曾经把自己的论文
抄寄给法拉第。他在信里是这样写的：
亲爱的法拉第先生：
以前，我向你提到过一个问题，那就是用解释弹性体中“应
力”分布的方法来解释电力和磁力之间相同的情况。现在我写了
一篇论文，只从数学上论述了电力和磁力相同的地方。还不敢说
这就是关于电力和磁力分布的理论。假如够得上称做理论，它也
只是说明了电力和磁力之间存在着必然的联系，说明了吸铁石或
者有电流通过的导体，都会产生绝对静止的磁性现象。如果这个
理论能够成立，把它同光的波动理论联系起来，就完全可以解释
磁性使光发生极化现象的效应了。
论文随信附上。
信中的精辟见解，在今天看来也是令人惊叹的。因为当时除了法拉第以
外，还没有第二个人把电磁现象和光波联系起来。可惜的是，汤姆生没有得
到法拉第的回信，在关键时刻没有得到宝贵的指导。
正当汤姆生在电磁理论的边缘徘徊的时候，他遇到了焦耳。跟这位大物
理学家结识以后，他的兴趣被引上了另一条道路——热力学的研究。一位英
国传记作家在《汤姆生传》中
饶有风趣地写着：
说来也怪有趣的，汤姆生在年轻的时候就碰到了两个大名鼎
鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来只同其中的一个成了要好
的朋友。
传记里说的“其中的一个”，指的就是焦耳。
汤姆生和焦耳的相遇，是很富有戏剧性的。1845年在剑桥大学举行的英
国科学协会的会议，焦耳也参加了。他在会上还作了关于热功当量的报告。
但是那次开会，汤姆生没有能够同他结识。焦耳在1841年发现了电流通过导
① ②
体发热的定律 ，1843年又通过实验测定了热功当量 ，为建立能量转换和守
恒定律提供了重要的实验根据，这在物理学上是个了不起的发现。但是，当
时人们抱着成见，还不理解焦耳工作的意义，皇家学会也拒绝发表他的论文。
1847年，在牛津大学召开的英国科学协会的会上，焦耳再次宣讲自己的
理论。这位不屈不挠的实验家，面对怀疑和非难，坚定地声称各种形式的能
都可以定量地互相转化，比如机械能可以定量地转化成热能。当时，著名的
热力学家都认为这种转化是不可能的。汤姆生也出席了这次会议，他起初打
① 1841 年，焦耳发现电流在一段导体中产生的热量，跟电流强度的平方、这一段导体的电阻和通电时间三
者的乘积成正比。1842 年，俄国科学家楞次 （1804－1865）也独立地发现了这个定律，后来就称做“焦耳
…楞次定律”。
② 相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量，焦耳用精密的实验测定并且证实了热功当量是一个常数：
J=427 公斤·米/千卡。
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算等焦耳讲完以后马上站起来反驳，但是，听完讲演就完全明白了焦耳的学
说里包含着真理。会后，他同焦耳亲切地交谈起来，焦耳深深感到是遇见了
知音。当时，焦耳是二十九岁，汤姆生才二十三岁。后来，他们成了莫逆之
交。在焦耳的鼓励下，汤姆生把注意力转到了热力学研究方面。结果，他的
天才在电磁学领域里没有充分显示出来，却在热力学的领域里显示出来了。
第二年，他提出了绝对温标。在热力学的理论上，他也做出了相当大的贡献。
汤姆生还同焦耳合作，发现了著名的汤姆生…焦耳效应（被压缩的气体通过窄
孔，进入大容器以后，就膨胀降温）。这个效应，为近代低温工程奠定了重
要基础。
海底电缆通信理论
汤姆生结识焦耳以后，就把大部分精力放到了热力学的研究上。转眼之
间，几年过去了。在这几年里，他在格拉斯哥大学创建了英国第一所物理实
验室，吸引了不少学生。后来，这所实验室成了他的基地。同时，他的家庭
生活也发生了很大变化。1849年，他父亲患病去世了。这位老教授在世的时
候对儿子要求很严格，亲眼看见爱子成器，临死的时候内心是满意的。老汤
姆生对英国教育也有贡献。在他去世以后，苏格兰的学校仍旧采用他编的教
科书。据说，他编的有些教科书再版了将近一百次。父亲去世三年以后，汤
姆生成了家。妻子体弱多病，汤姆生一直对她体贴入微，细心照料，花了不
少时间。
1853年，二十九岁的汤姆生在热力学研究方面取得了成就以后，才回过
头来再一次对电磁学进行探索性的研究。他用很精确的实验，证明了莱顿瓶
放电具有振荡性质。实际上这是发现电磁波的前兆，真理就在眼前，只不过
汤姆生没有充分意识到这一点罢了。汤姆生还用数学方法推导出电振荡过程
的方程和振荡频率的公式。
同年，他发表了《瞬间电流》这篇论文。这不但是汤姆生一生中最出色
的一篇论文，而且也是电磁学史上光采夺目的篇章。在这篇论文里，他指出
带电体的放电有两种，一种是连续放电，一种是振荡放电。如果是振荡放电，
就会形成这样一种情况：“主要导体最先失去它的电荷，然后得到比起初稍
小而正负相反的电荷，这样循环下去一直到无限，而后达到平衡。”
他还认为，如果放电频率太高 （电火花爆发太快），肉眼不能判断，就
可以用惠斯登的“转镜法”来观测（六年以后，另一位科学家证实了这点）。
但是，汤姆生没有继续研究下去。第二年，他收到剑桥大学年轻的毕业生麦
克斯韦向他求教怎样研究电磁的来信。汤姆生毫无保留地把自己研究的成果
告诉了他。后来，麦克斯韦沿着汤姆生开辟的道路一直走下去，终于完成了
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