物理群星
威廉·韦伯 肖像

图:鲁道夫·霍夫曼据哥廷根摄影师佩特里的照片所作石版画,1856(公有领域)

威廉·韦伯

Wilhelm Eduard Weber

1804–1891 · 生于萨克森选侯国维滕贝格 · 德国

电磁学

高斯在哥廷根的搭档,量出了电磁学里那个等于光速的常数

「常数 c 代表这样一个相对速度:两份电荷若以它相对运动并保持下去,彼此就完全不再有任何作用。」

—— 韦伯与科尔劳施,《物理学年鉴》1856 年第 99 卷(据阿西斯的英译转译)

1861 年秋天,麦克斯韦在苏格兰乡下算出了一个数:如果电和磁是某种弹性介质的状态,那么这种介质里横波的速度应该由两个纯电学的量决定。回到伦敦,他去查了两个德国人几年前量出来的结果,代进去,得到每秒 19.3 万英里。菲佐测的光速是每秒 19.5 万英里。

那两个德国人,一个是鲁道夫·科尔劳施,另一个是威廉·韦伯。

韦伯一生大半时间在哥廷根,最有名的身份是高斯的搭档。但他自己留下的东西并不少:一条把静电、电流与感应统一起来的力定律,一整套电学的绝对单位,以及那个后来被证明就是光速的常数。

管风琴与波纹

韦伯 1804 年生在维滕贝格,父亲是大学里的神学教授。1813 年反拿破仑的战事打到这座要塞城市,炮击中他家住的房子起火,一家人只逃出了性命。第二年大学被撤销,全家搬到哈雷。

他最早的物理是和哥哥恩斯特·海因里希·韦伯一起做的。哥哥大他十岁,后来是有名的生理学家;为了让弟弟帮忙做水波与声波的实验,哥哥甚至说动学校让他长期停学。兄弟俩 1825 年出版了《建立在实验上的波动学》。韦伯的博士论文与任教资格论文都是声学,1828 年他在柏林的自然科学家大会上讲管风琴管的音强补偿,洪堡和高斯都在台下。

高斯的搭档

1831 年,哥廷根的物理学教席空出来,主要凭高斯的推荐,二十六岁的韦伯拿到了这个位子。高斯那时正把兴趣转向地磁,两人从一开始就是合作,也是很近的朋友。

他们的仪器分放在两处:一部分在天文台,一部分在韦伯的物理陈列室,两地相距步行约一刻钟。有些测量必须两地同时读数,起初靠跑腿的人传话,麻烦不断。于是 1833 年,两人用导线把两处连起来,靠电流传递信号——这是第一套较大规模的电报装置。按《新德意志传记》的说法,它其实是副产品:两人从 1832 年秋天起就在研究长导线回路里欧姆定律是否成立。

地磁这条线后来做得很大。高斯 1832 年把地磁强度归结为毫米、毫克、秒的「绝对量度」,韦伯负责把这套想法变成仪器与观测。两人组织各地观测站同步记录,从 1837 年起合编六卷《磁学协会观测结果》。

七君子

1837 年,恩斯特·奥古斯特继位为汉诺威国王,随即宣布 1833 年的宪法无效。11 月 18 日,七位哥廷根教授——法学家阿尔布雷希特、历史学家达尔曼与格维努斯、东方学家埃瓦尔德、格林兄弟,以及韦伯——联名声明,他们受对这部宪法的誓言约束,不能宣誓效忠新的安排。12 月 14 日,七人被撤职,其中三人被逐出国境。

韦伯没有被驱逐。靠各地同情者的募捐,他以私人身份在哥廷根又留了五年多,只为离高斯近一些。高斯为恢复他的职位多方奔走,都没有成功;他的教席由利斯廷接替。那几年他连做实验需要的 8000 米绝缘铜线都买不起,只能向柏林科学院借。1843 年复活节,他去了莱比锡——那里有他的两个兄弟。

一条统一的力定律

在莱比锡,韦伯转向电动力学。1846 年,他发表了一篇长文,后来成为七篇《电动力学量度》的第一篇。文章做了两件事。

一是造了一台电动力计,用两个线圈之间的力直接去检验安培的电流相互作用公式,结果符合得很好。

二是提出了一条「电作用的普遍基本定律」。他设想电流是正负两种电荷反向流动,两份电荷之间的力除了库仑的平方反比,还依赖它们相对运动的速度与加速度:

F=ee′r2[1−1c2(drdt)2+2rc2 d2rdt2]F = \frac{e e'}{r^2}\left[1 - \frac{1}{c^2}\left(\frac{dr}{dt}\right)^2 + \frac{2r}{c^2}\,\frac{d^2 r}{dt^2}\right]

电荷静止时,括号里只剩 1,这就是库仑定律;用在两段电流上,推出的是安培力;电流变化或导线移动时,又能推出法拉第的电磁感应。一条式子同时装下了静电、电流与感应。式中的 cc 在 1846 年还是一个未知的常数,韦伯写成 4/a4/a,要十年后才量出来。

这条定律在德国主导了电学理论几十年。它的前提是电荷隔着空间直接作用,这正是法拉第与麦克斯韦的场论要取代的东西;亥姆霍兹也曾质疑它与能量守恒是否相容。

1848 年革命的风向变了,汉诺威方面主动来问韦伯愿不愿回去。朋友里有人劝他别回,最后是对高斯的感情占了上风:1849 年复活节,他回到哥廷根,此后没再离开。

量出那个常数

有了力定律,下一步是给电学建立像高斯地磁那样的绝对单位。问题在于电量有两种量法:静电的办法是看两份电荷相隔一定距离时的推斥力,电磁的办法是看同样多的电荷流过导线时对磁针的作用。两个数之比是一个常数,它恰好就是韦伯力定律里的 cc。

韦伯与科尔劳施用莱顿瓶来量它。先按静电的办法测出瓶里的电荷,再让它通过检流计放电,从磁针被踢开的角度读出同一份电荷的电磁量度。1855 年他们向萨克森科学学会公布了结果,1856 年在《物理学年鉴》发表摘要:

c=439 450×106 毫米每秒c = 439\,450 \times 10^{6}\ \text{毫米每秒}

他们对这个常数的解释完全是力学的:两份电荷若以速度 cc 相互靠近或远离,速度项正好抵消库仑力,彼此就不再作用。1856 年那篇摘要通篇没有提到光。

麦克斯韦的一步

麦克斯韦用的电荷单位与韦伯的差一个 2\sqrt{2}。1862 年初发表的《论物理力线》第三部分里,他引用韦伯与科尔劳施的论文,把数换成自己的记号,得到介质中横波的速度

V=310 740 000 000 毫米每秒V = 310\,740\,000\,000\ \text{毫米每秒}

即每秒 193 088 英里;菲佐测得的光速是每秒 195 647 英里。他在正文里用斜体写道:

根据科尔劳施与韦伯的电磁实验算出的、我们假想介质中横波的速度,与根据菲佐的光学实验算出的光速如此精确地吻合,我们几乎无法回避这个推论:光就是引起电与磁现象的同一种介质的横向波动。

1861 年 10 月他写信告诉法拉第这个结果,特别说明:公式是他在乡下推出来的,那时还没看到韦伯的数。

韦伯这一边也没有停在单位问题上。1857 年,基尔霍夫用韦伯的力定律算出,电信号沿电阻很小的细导线传播的速度就是 c/2c/\sqrt{2},与光速相同;韦伯自己更仔细的电振荡研究拖到 1864 年才发表,得出同样的结论。不过把它读成「光是电磁现象」的,是麦克斯韦。

晚年的哥廷根

回到哥廷根后,韦伯买下城中一座被花园围着的小房子,平时在家构思,实验多留到假期做。高斯 1855 年去世后,他在 1855 至 1864 年间兼管天文台。他看着一代代同事离开:高斯、狄利克雷,还有听过他实验物理课、1866 年早逝的黎曼。

他不喜欢排场。1876 年博士五十周年,他为了躲开官方庆祝跑去了卡尔斯巴德;1886 年六十周年时躲不掉了,受封「阁下」头衔的枢密顾问。1891 年 6 月 23 日他在哥廷根去世,终身未婚。哥廷根皇家科学学会随后把他的著作编成六卷出版。

刻在单位里的名字

1935 年,国际电工委员会为米-千克-秒制的磁通量单位定名为「韦伯」,后来它进入国际单位制:一匝线圈里的磁通量若在 1 秒内均匀降到零、感应出 1 伏电动势,这份磁通量就是 1 韦伯。

1899 年,哥廷根城里立起了哈策尔雕塑的高斯—韦伯纪念像,两人至今还在一起。

代表方程

韦伯力定律

F=ee′r2[1−1c2(drdt)2+2rc2 d2rdt2]F = \frac{e e'}{r^2}\left[1 - \frac{1}{c^2}\left(\frac{dr}{dt}\right)^2 + \frac{2r}{c^2}\,\frac{d^2 r}{dt^2}\right]

两份电荷之间的力,除了库仑的平方反比,还取决于它们相互靠近或远离的速度与加速度。静止时退回库仑定律,用在电流上又能推出安培力与法拉第的感应。式中的 cc 是韦伯自己的常数,约为光速的 2\sqrt{2} 倍。

韦伯—科尔劳施的测量值

c=439 450×106 mm/sc = 439\,450 \times 10^{6}\ \mathrm{mm/s}

用莱顿瓶放电,把同一份电荷分别按静电的办法与按电磁的办法各量一次,两个读数之比就是这个常数。它的量纲是速度,数值约为每秒 44 万公里。

麦克斯韦的换算

V=c2≈310 740 km/sV = \frac{c}{\sqrt{2}} \approx 310\,740\ \mathrm{km/s}

1862 年麦克斯韦把韦伯的数换成自己的记号,算出他假想的介质里横波的速度是每秒约 31.07 万公里;菲佐测得的光速是每秒约 31.49 万公里。

磁通量的单位

E=−dΦdt,1 Wb=1 V⋅s\mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt}, \qquad 1\ \mathrm{Wb} = 1\ \mathrm{V \cdot s}

穿过一匝线圈的磁通量若在 1 秒内均匀降到零、在线圈里感应出 1 伏电动势,这份磁通量就是 1 韦伯。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.Jürgen Teichmann「Weber, Wilhelm Eduard」,《新德意志传记》第 27 卷第 471–472 页(2020);Robert Knott「Weber, Wilhelm」,《德意志人物总传》第 41 卷第 358–361 页(1896)
  2. 2.W. Weber《电动力学量度:论电作用的一条普遍基本定律》(1846),收入《韦伯著作集》第 3 卷第 25–214 页(1893)
  3. 3.W. Weber & R. Kohlrausch「Ueber die Elektricitätsmenge, welche bei galvanischen Strömen durch den Querschnitt der Kette fliesst」,Annalen der Physik 99, 10–25(1856)
  4. 4.R. Kohlrausch & W. Weber《电动力学量度:特别是把电流强度的测量归结为力学量度》,萨克森王家科学学会论文集第 3 卷第 221–290 页(1857),收入《韦伯著作集》第 3 卷
  5. 5.J. C. Maxwell「On Physical Lines of Force, Part III」,Philosophical Magazine 23, 12–24(1862),引文见第 22 页
  6. 6.麦克斯韦 1861 年 10 月 19 日致法拉第的信,见 P. M. Harman 编《麦克斯韦科学书信与论文集》第 1 卷第 683–689 页(1990)
  7. 7.G. Kirchhoff「Ueber die Bewegung der Elektricität in Drähten」,Annalen der Physik 100, 193–217(1857)
  8. 8.A. K. T. Assis「On the First Electromagnetic Measurement of the Velocity of Light by Wilhelm Weber and Rudolf Kohlrausch」,收入 Bevilacqua & Giannetto 编《Volta and the History of Electricity》第 267–286 页(2003),附 1856 年论文英译