电磁理论
最后再举一个例子,这个例子将足以说明多种现象是如何融入牛顿科学体系的。对与电和磁相关现象的研究,至少从古希腊时期就已经出现了。然而,我们对这些现象的理解最为引人注目的进展则是出现在18和19世纪。
在18世纪中期,本杰明·富兰克林(1706—1790)证明了闪电是一种电学现象,同时还证明了电学现象和磁现象之间存在一系列有趣的联系。然后,在18世纪晚期和19世纪初期,研究人员,包括查尔斯·库仑(1736—1806)和迈克尔·法拉第(1791—1867),当然还有其他很多人,让我们对电和磁的认识发生了重要飞跃。举个例子,库伦发现磁和电的斥力和引力遵循平方反比的规律,也就是说两个物体之间的电引力/斥力或磁引力/斥力与两个物体之间距离的平方成反比。
值得注意的是,库伦定律平方反比的性质与牛顿重力概念的平方反比性质相当类似。回忆一下,根据牛顿对重力的描述,两个物体之间重力吸引作用的大小与两个物体间距离的平方成反比。库伦定律也是如此,因此,库伦定律与牛顿世界观的本质精神非常一致。更概括地说,请注意此时研究电磁现象的方法出现了变化。在人类大多数历史中,至少追溯到古希腊时期,对电磁现象都是进行定性描述。然而,此时这些现象开始被认为是遵循精确的数学规律,从本质上说与牛顿世界观的方法是一致的。
在19世纪上半叶,法拉第发现了电现象和磁现象之间更多的联系。到目前为止,从实际生活的角度来看,法拉第最有影响力的发现是磁场可以通过感应产生电流。这个原理至今仍然是发电的基本原理,也就是说,在我们每天使用的电力中,实际上有很大一部分都来源于法拉第的发现。
尽管这可能是法拉第对实际生活最有影响力的发现,但是从理论角度来看,法拉第最具影响力的观点是“电力、磁力和光可能是同一个根本源头的不同侧面”(尽管这个观点其实也很快就广泛应用于实际生活了)。法拉第的这个观点,也就是电力、磁力和光从某个意义上来说是同一个根本现象的不同方面,很快得到了发展,成了由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831—1879)在19世纪中期提出的电磁理论。法拉第的发现主要是定性描述,但是麦克斯韦则发现了光、电力和磁力现象背后的基本数学方程式。这些方程式通常被称为“麦克斯韦方程式”,它们将光、电力和磁力现象统一了起来,被广泛认为是这一时期最重要的发现。
再强调一下,以上对有关电力、磁力和光的部分关键研究发展的概述是非常简短且有所选择的。但是,请再次注意一下其中大致相同的模式:在这段时期,这些领域都出现了超乎寻常的发展,许多现象过去都曾经被认为是独特的,而且要用定性的方法进行研究,此时却逐渐统一了起来,而且都可以用牛顿科学体系中的基础数学定量方法来进行研究。
概括评述
尽管我们只是具体研究了三个科学领域,但也应该已经足以让我们体会到在1700~1900年间,科学的诸多领域是如何被纳入牛顿科学体系中的。值得注意的是,这一时期长达200年,其间许多不同的科学领域都出现了令人印象深刻的成果和发现。总的来说,到了1900年,科学的多个分支都在快速发展。牛顿科学体系内具有普遍性的方法被证明极为富有成效。到了大约1900年,有一种感觉是我们已经几乎完全了解了自然,只剩下几个相当无足轻重的问题还有待解决。接下来,让我们对其中几个问题进行一下探讨。