惠斯通和他的科技成就

查爾斯·惠斯通（Charle　Wheatstone　1802－1875年）是19世紀(jì)英國(guó)著名的物理學(xué)家，他一生在多個(gè)方面為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，本文對(duì)其取得的主要成就作一討論．

　1802年2月6日，惠斯通出生于英格蘭的洛斯特（Gloucester）附近的一個(gè)樂(lè)器制造商之家．1816年，年僅14歲的惠斯通就到倫敦當(dāng)徒工學(xué)習(xí)樂(lè)器制造，1823年他便在倫敦開(kāi)業(yè)制造樂(lè)器，同時(shí)進(jìn)行聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究．惠斯通沒(méi)有受過(guò)任何正規(guī)的科學(xué)教育，但他善于學(xué)習(xí)、思考和鉆研，通過(guò)自學(xué)邁入了科學(xué)殿堂，早在當(dāng)樂(lè)器制造師期間就取得了顯著的科技成就．受職業(yè)背景的影響，惠斯通早期的科學(xué)研究主要集中在聲學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域，他在這方面不但做出了一些重要發(fā)明，而且寫出了有價(jià)值的科學(xué)論文．當(dāng)他的部分論文被譯成法文和德文后，惠斯通就成為當(dāng)時(shí)科學(xué)界頗有影響的人物之一，因而，1834年他被任命為倫敦國(guó)王學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授^［1］．

　惠斯通在國(guó)王學(xué)院僅講過(guò)很少部分的聲學(xué)課程，由于他經(jīng)常過(guò)份地懷疑自己的說(shuō)話能力而造成了嚴(yán)重的心理障礙，結(jié)果使他無(wú)法從事正常的教學(xué)工作，以致使他不久以后就停止了講課．雖然惠斯通停止了講課，但國(guó)王學(xué)院仍為他保留了許多年的教授職稱．惠斯通一生堅(jiān)持從事科學(xué)研究，取得了顯著的科技成就，同時(shí)也因此而獲得了許多榮譽(yù)．1836年惠斯通當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員；1886年他被封為爵士；1873年他當(dāng)選為法國(guó)巴黎科學(xué)院外藉會(huì)員．在他的一生中，獲得的勛章、獎(jiǎng)?wù)隆�榮譽(yù)等大約40種之多^［2］．惠斯通是一位樂(lè)器制造師，在制造樂(lè)器過(guò)程中，他為了明白音調(diào)和音色的特性，對(duì)聲學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時(shí)進(jìn)行了聲音的傳播、振動(dòng)的演示等一系列研究．他在研究過(guò)程中不僅發(fā)明了樂(lè)器，同時(shí)還用實(shí)驗(yàn)展示聲音振動(dòng)、傳播等現(xiàn)象．早在1821年，惠斯通就公開(kāi)演示了由一根金屬絲傳遞遠(yuǎn)處鋼琴的振動(dòng)使里拉（一種七弦豎琴）發(fā)聲的現(xiàn)象．1827年，他發(fā)明了萬(wàn)聲筒（亦稱聲音萬(wàn)花筒），利用這一裝置能夠直觀地演示不同振動(dòng)模式產(chǎn)生的錯(cuò)綜復(fù)雜的振動(dòng)曲線特征．1832年，惠斯通用一根管子成功地演示了駐波現(xiàn)象．1833年，他還試驗(yàn)在方形平板上演示不同振動(dòng)模式的疊加^［1］．

　　惠斯通是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他具有深刻的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和高超的實(shí)驗(yàn)技能，在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域?yàn)槲锢韺W(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)．1834年，惠斯通提出用旅轉(zhuǎn)鏡技術(shù)研究快速運(yùn)動(dòng)的思想并將旋轉(zhuǎn)鏡法應(yīng)用于測(cè)定導(dǎo)線中電的傳播速度．他的實(shí)驗(yàn)裝置是：在一根銅導(dǎo)線上安裝三個(gè)放電火花束，相鄰火花隙之間的距離大約是402米，當(dāng)導(dǎo)線通過(guò)電流時(shí)，相鄰火花隙就依次產(chǎn)生火花放電，用旋轉(zhuǎn)平面鏡技術(shù)觀察相鄰火花隙產(chǎn)生火花的時(shí)間間隔，由它們之間的距離和時(shí)間間隔就會(huì)求得電的傳播速度．通過(guò)精心實(shí)驗(yàn)之后，惠斯通估計(jì)電的傳播速度大于4．02×10^８米／秒，這個(gè)數(shù)值盡管誤差較大，但它必竟是人們利用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量了電的傳播速度．此外這個(gè)實(shí)驗(yàn)最大的意義還在于為人們提供了一種測(cè)量快速運(yùn)動(dòng)的方法，它對(duì)于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)尤其是光速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了深刻影響．1838年，物理學(xué)家阿拉果受到惠斯通實(shí)驗(yàn)思想的啟發(fā)，用旋轉(zhuǎn)鏡的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)比較光在空氣和水中的傳播速度的實(shí)驗(yàn)．1849年，菲索根據(jù)旋轉(zhuǎn)鏡法的思想，設(shè)計(jì)了用旋轉(zhuǎn)齒輪法測(cè)定光速的實(shí)驗(yàn)，首次使人類在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)定了光速^［3］．1850年，傅科根據(jù)旋轉(zhuǎn)鏡法思想，設(shè)計(jì)并完成了比較光在空氣和在水中傳播速度的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果為光的波動(dòng)理論提供了有力支持．人們測(cè)量光速的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都用了旋轉(zhuǎn)鏡方法，其中最著名的邁克爾遜關(guān)于光速測(cè)定的實(shí)驗(yàn)就是基于旋轉(zhuǎn)鏡法的思想設(shè)計(jì)的^［４］．除測(cè)量光速外，旋轉(zhuǎn)鏡法還被應(yīng)用于測(cè)量聲振動(dòng)等．

　　惠斯通在促進(jìn)英國(guó)人承認(rèn)歐姆定律的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用．歐姆定律建立于1826—1827年間，由于當(dāng)時(shí)英國(guó)人沒(méi)有形成電學(xué)中有關(guān)的清晰概念以及對(duì)電學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)^［５］，因而歐姆定律傳入英國(guó)后難以被人們接受．1843年惠斯通公布了他用實(shí)驗(yàn)對(duì)歐姆定律的證明結(jié)果，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，他還發(fā)明了變阻器及惠斯通電橋，借助于變阻器和電橋惠斯通用了一種新的方法測(cè)量電阻和電流，通過(guò)惠斯通的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使英國(guó)人充分認(rèn)識(shí)到了歐姆定律的正確性．

　　惠斯通最重要的工作之一是首次制造了一套實(shí)用的電報(bào)系統(tǒng)．惠斯通早在研究聲學(xué)時(shí)就推測(cè)聲音通過(guò)長(zhǎng)距離傳播的可能性，19世紀(jì)30年代初他就致力于電報(bào)的研究．1837年，惠斯通和庫(kù)克（Ｗ．Ｆ．Ｃｏｏｋｅ）發(fā)明了五針電報(bào)機(jī)并取得他們第一個(gè)電報(bào)專刊，同年，他們又安裝了大約1英里長(zhǎng)的演示線路．在接下來(lái)的歲月中，惠斯通經(jīng)過(guò)研究還發(fā)明了印刷電報(bào)機(jī)和單針電報(bào)機(jī)，進(jìn)行海底電報(bào)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立“惠斯通?庫(kù)克”電報(bào)公司，這些都促進(jìn)了英國(guó)電報(bào)業(yè)的迅速發(fā)展．例如，從1837年到1852年，英國(guó)就已有6400余英里的電報(bào)線路投入使用．
　　做為一名著名物理學(xué)家，惠斯通一生的研究領(lǐng)域涉及面十分廣泛，除以上所述之外，他還對(duì)光學(xué)、聽(tīng)覺(jué)、電錄音裝置、發(fā)電機(jī)等進(jìn)行了一系列研究，并取得成果，如發(fā)明體視鏡、極鐘（一種由陽(yáng)光偏振角確定太陽(yáng)位置的儀器）等．