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1902 年諾貝爾物理獎:你是電、你是光,你們解開電磁的神話—《物理雙月刊》

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

第二屆諾貝爾物理獎於 1902 年頒發。這一年共有兩位得主平均分享物理獎,他們是勞倫茲(Hendrik Lorentz)和塞曼(Pieter Zeeman)。

在 19 世紀之前,電現象和磁現象被認為是兩種不同的現象。在 19 世紀,法拉第(Michael Faraday)和馬克士威 (James Maxwell)成功把電、磁與光三種現象一同解釋。法拉第定律是描述電磁感應的經驗定律、馬克士威方程可以推導出所有電磁現象。實驗物理學家與理論物理學家聯手破解大自然的奧秘。

馬克士威方程不單止包含了所有電磁現象,更導出了一個結論:有一種能夠在真空中傳播的振動,其傳播速度恰好等於光速。然後,赫茲更用實驗證明了電磁波的確存在,電磁與光效應從此結合。

勞倫茲:提出解釋電磁現象的電子論

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洛倫茲。圖/nobelprize.org

然而,究竟電磁波是由什麼產生的?勞倫茲提出,有一種細小的帶電粒子在物質裡面。當這些帶電粒子流動時就會產生電流;當它們來回振動時就會產生一個隨時間改變的電場,根據法拉第定律這就會感應產生相應的磁場。而改變的電場和磁場,正正就是馬克士威方程所預言的電磁波,也解釋了觀察到的光的偏振現象。勞倫茲認為這些細小帶電粒子就是電子。

法拉第當年一直研究磁場對光的影響,他發現了磁場能夠改變光的偏振平面,稱為法拉第效應。可是法拉第生前的最後實驗──研究磁場如何影響發光源──以失敗告終。

塞曼:發現磁場會分裂光譜線

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塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了洛倫茲的電子理論。圖/nobelprize.org

這個任務最後被塞曼完成了。相對於勞倫茲這個理論物理學家塞曼是個實驗物理學家。塞曼發現了在磁場的影響之下,原子光譜發射線會分裂成更多更細緻的光譜線。這個實驗顯示原子之中的確有細緻的結構,驗證了勞倫茲的電子理論。他們二人對於電磁與光現象的貢獻為他們帶來了 1902 年的諾貝爾物理獎。

現在這個磁場分裂光譜線的現象被稱為塞曼效應。塞曼效應被廣泛應用在天文學,天文學家能藉觀察來自遙遠天體的光譜線的塞曼效應,計算出天體的磁場強度。而勞倫茲電子理論,也與我們在之後介紹到愛因斯坦時將會討論的光電效應有密切關係。

在科學裡,當理論和觀察結合時,往往能夠帶來豐碩的成果。在電、磁、光三個現象的統一裡,透過法拉第、馬克士威、洛倫茲與塞曼這些科學巨人,人類得以解開大自然奧秘的一小部分。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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