惠斯通和他的科技成就

查爾斯·惠斯通（Charle　Wheatstone　1802－1875年）是19世紀英國著名的物理學家，他一生在多個方面為科學技術的發展做出了貢獻，本文對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）附近的一個樂器制造商之家．1816年，年僅14歲的惠斯通就到倫敦當徒工學習樂器制造，1823年他便在倫敦開業制造樂器，同時進行聲振動的實驗研究．惠斯通沒有受過任何正規的科學教育，但他善于學習、思考和鉆研，通過自學邁入了科學殿堂，早在當樂器制造師期間就取得了顯著的科技成就．受職業背景的影響，惠斯通早期的科學研究主要集中在聲學和光學領域，他在這方面不但做出了一些重要發明，而且寫出了有價值的科學論文．當他的部分論文被譯成法文和德文后，惠斯通就成為當時科學界頗有影響的人物之一，因而，1834年他被任命為倫敦國王學院實驗物理學教授^［1］．

　惠斯通在國王學院僅講過很少部分的聲學課程，由于他經常過份地懷疑自己的說話能力而造成了嚴重的心理障礙，結果使他無法從事正常的教學工作，以致使他不久以后就停止了講課．雖然惠斯通停止了講課，但國王學院仍為他保留了許多年的教授職稱．惠斯通一生堅持從事科學研究，取得了顯著的科技成就，同時也因此而獲得了許多榮譽．1836年惠斯通當選為英國皇家學會會員；1886年他被封為爵士；1873年他當選為法國巴黎科學院外藉會員．在他的一生中，獲得的勛章、獎章、榮譽等大約40種之多^［2］．惠斯通是一位樂器制造師，在制造樂器過程中，他為了明白音調和音色的特性，對聲學產生了濃厚的興趣，同時進行了聲音的傳播、振動的演示等一系列研究．他在研究過程中不僅發明了樂器，同時還用實驗展示聲音振動、傳播等現象．早在1821年，惠斯通就公開演示了由一根金屬絲傳遞遠處鋼琴的振動使里拉（一種七弦豎琴）發聲的現象．1827年，他發明了萬聲筒（亦稱聲音萬花筒），利用這一裝置能夠直觀地演示不同振動模式產生的錯綜復雜的振動曲線特征．1832年，惠斯通用一根管子成功地演示了駐波現象．1833年，他還試驗在方形平板上演示不同振動模式的疊加^［1］．

　　惠斯通是一位杰出的實驗物理學家，他具有深刻的實驗設計思想和高超的實驗技能，在實驗領域為物理學的發展做出了重要貢獻．1834年，惠斯通提出用旅轉鏡技術研究快速運動的思想并將旋轉鏡法應用于測定導線中電的傳播速度．他的實驗裝置是：在一根銅導線上安裝三個放電火花束，相鄰火花隙之間的距離大約是402米，當導線通過電流時，相鄰火花隙就依次產生火花放電，用旋轉平面鏡技術觀察相鄰火花隙產生火花的時間間隔，由它們之間的距離和時間間隔就會求得電的傳播速度．通過精心實驗之后，惠斯通估計電的傳播速度大于4．02×10^８米／秒，這個數值盡管誤差較大，但它必竟是人們利用實驗手段測量了電的傳播速度．此外這個實驗最大的意義還在于為人們提供了一種測量快速運動的方法，它對于實驗物理學尤其是光速的測定實驗產生了深刻影響．1838年，物理學家阿拉果受到惠斯通實驗思想的啟發，用旋轉鏡的方法設計了一個比較光在空氣和水中的傳播速度的實驗．1849年，菲索根據旋轉鏡法的思想，設計了用旋轉齒輪法測定光速的實驗，首次使人類在實驗室條件下測定了光速^［3］．1850年，傅科根據旋轉鏡法思想，設計并完成了比較光在空氣和在水中傳播速度的實驗，其結果為光的波動理論提供了有力支持．人們測量光速的大多數實驗都用了旋轉鏡方法，其中最著名的邁克爾遜關于光速測定的實驗就是基于旋轉鏡法的思想設計的^［４］．除測量光速外，旋轉鏡法還被應用于測量聲振動等．

　　惠斯通在促進英國人承認歐姆定律的過程中發揮了重要作用．歐姆定律建立于1826—1827年間，由于當時英國人沒有形成電學中有關的清晰概念以及對電學規律認識的錯誤觀點^［５］，因而歐姆定律傳入英國后難以被人們接受．1843年惠斯通公布了他用實驗對歐姆定律的證明結果，做這個實驗的過程中，他還發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量電阻和電流，通過惠斯通的實驗結果，使英國人充分認識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用的電報系統．惠斯通早在研究聲學時就推測聲音通過長距離傳播的可能性，19世紀30年代初他就致力于電報的研究．1837年，惠斯通和庫克（Ｗ．Ｆ．Ｃｏｏｋｅ）發明了五針電報機并取得他們第一個電報專刊，同年，他們又安裝了大約1英里長的演示線路．在接下來的歲月中，惠斯通經過研究還發明了印刷電報機和單針電報機，進行海底電報實驗，創立“惠斯通?庫克”電報公司，這些都促進了英國電報業的迅速發展．例如，從1837年到1852年，英國就已有6400余英里的電報線路投入使用．
　　做為一名著名物理學家，惠斯通一生的研究領域涉及面十分廣泛，除以上所述之外，他還對光學、聽覺、電錄音裝置、發電機等進行了一系列研究，并取得成果，如發明體視鏡、極鐘（一種由陽光偏振角確定太陽位置的儀器）等．