美国科学大厦奠基人：世界100位科学家

为美国科学大厦奠基的人[美国]约瑟夫亨利(1797～1878)

在英国皇家研究院的实验室里，几位英国第一流的科学家法拉第、惠斯通、丹聂尔正在进行一次非常有意义的实验，他们试图从一端插在冰里、一端放在火炉上的温差电堆中引出电火花。丹聂尔首先走上前去，拿起与温差电堆连接的两根导线，将导线的两端不停地摩擦，然而导线末端并没有产生火花。惠斯通和法拉第也接着做了实验，结果同样未如人意，于是他们泄气了，认为是电堆产生的电流太小，不足以引起火花。而此时另外一位物理学教授不慌不忙地把一根长导线绕在手指上，形成螺旋状，并在其中插进一根软铁棒，然后把它们连接到电堆的线路中去。当他摩擦两根导线的端部时，明亮的火花产生了。他的成功实验博得了在场人士的赞赏，法拉第兴奋地拍着手说：美国式的实验真了不起!而这位了不起的美国科学家便是约瑟夫亨利。

从戏剧演员到大学教授

约瑟夫亨利(JosephHenry)是美国著名的物理学家。他是移居美国的苏格兰清教徒的后裔，1797年12月17日出生于美国纽约州的奥尔巴尼市，父亲威廉亨利是个穷苦的车夫。亨利小时候就被送到乡下同他的外祖母生活在一起，就读于哥尔韦乡村小学。为减轻家里的负担，他一边学习一边在附近的小商店里干零活儿。10岁时，一次偶然的机会他来到了教堂的藏书室，那里的传奇小说和戏剧脚本使他爱上了文学艺术。于是一到晚上，那家小商店里便会聚集许多人听他津津有味地讲故事，他成了村里公认的有学问的人。14岁时，父亲去世，亨利便回到奥尔巴尼市，为了生活，他中断了学业。不久，他参加了一个由年轻人组成的戏剧表演团体。亨利身材修长，面目清秀，适合扮演许多角色。他在舞台上那绝妙的演技征服了众多观众，很快他便在奥尔巴尼小有名气。有人感慨地说，如果亨利不是对科学产生了兴趣，他一定会成为著名的艺术家。而这段经历使他日后作为实验物理学家所需要的实验技巧和科学领导人所需要的组织、演讲才能得到了良好的锻炼。

18岁那年，亨利第一次接触到了科普读物，那是英格兰的乔治格雷戈里神学博士写的《经验哲学、天文学、化学普通讲义》。引起亨利注意的是书中开头提出的几个问题：你向空中扔一块石头或者射出一支箭，为什么它不沿着直线，也就是你所给与的方向一直向前运动呢?反之，火焰和烟为什么总是向上升，虽然没有使它们沿着那个方向运动的力?当你把蜡烛倒过来的时候为什么它的火焰不落向地板呢?再者，你窥视清澈的井水，看见自己的脸庞和形象，仿佛画在那里，为什么会如此?你被告知这是由于光的反射而形成的，但什么是光的反射呢?这一连串的问题和对它们的回答，使亨利对科学产生了兴趣。一口气读完整本书后，亨利决定辞去他在剧团担任的职务，献身于神圣的科学事业。多年以后，亨利自己也在书中提到这段难忘的经历，他写道：虽然这不是一本深奥的书，但上帝保佑，它对我的一生产生了巨大的影响。那年，它偶然落在我的手上。它把我的思想凝聚在对自然的研究上，使我在读它的时候就决定立刻献身于对科学知识的追求。

1819年，22岁的亨利通过自学作为超龄学生被奥尔巴尼学院破格录取。在那里，他系统地学习了数学、化学、物理学、生物学和解剖学，还自修了许多其他课程。3年后，亨利以优异的成绩从学院毕业。1824年，亨利被接纳为奥尔巴尼学会的会员，同年向学会递交了第一篇论文，题为《蒸汽的化学和机械效能》，虽然其中他并没有什么新的发现，但他的实践装置表演却十分成功，这显示了他作为一个实验物理学家的才能。1826年，亨利被聘为奥尔巴尼学院的数学和物理学教授；1832年，亨利迁居普林斯顿，担任新泽西学院的物理学教授。

接过富兰克林的披风

在美国物理学家富兰克林进行了轰动欧洲的电磁方面的研究之后的70年间，电磁学研究在美国几乎无人问津。由于当时电磁学方面的研究并没有任何实质应用的迹象，因而一向注重实用的美国人对此不感兴趣也在情理之中。然而亨利却独具慧眼，他认为抽象科学是技术进步的基础，任何一项重大的技术突破都是以科学的重大发展为前提的。

于是，亨利开始致力于电磁学方面的研究，在安培理论的启发和直接指导下，他改进了当时的电磁铁，即将一组线圈紧密地绕在软铁棒的整个表面，如此一来，绝缘的就是导线本身，而不是被磁化的铁棒。一方面，经绝缘的导线可以在软铁上绕得很密，并可以缠上多层，这样就增加了线圈的匝数，磁力也自然增强了。另一方面，导线绕得越密，每一个电流环流和软铁棒的轴就越接近垂直。按照安培的理论，所有电流环流产生的磁力方向也就与软铁棒的方向趋于一致了。1828年，亨利用这种方法制作了第一块电磁铁。与天然磁铁相比，改进后的电磁铁的电流的磁效应表现得更为充分，能够产生强大的磁力，同时电磁铁能在瞬间改变它的极性，并能根据需要使磁力加大、减少或者消除，演示实验的效果十分令人满意。1831年，亨利为耶鲁大学制作了一台大型电磁铁，由于没有现成的绝缘导线，亨利就用好几个晚上来绕制。最后，用尽了手头所有的丝线和绸布也没有缠绕完，只得扯掉了妻子心爱的裙子，才使最后一段导线绝缘。这块电磁铁能吸持重达947千克的铁块，在当时是世界纪录。应该说，改进电磁铁是电磁学研究能够取得成功的第一步。电磁铁的改进对于电磁感应现象的发现和电磁电报的发明有决定意义，它大大增加了感应电流的强度，使人们有可能觉察到感应电流的存在。法拉第就是在亨利改进的电磁铁的基础上，用绝缘导线制成了有名的感应圈。

关于电磁感应现象的发现，以及人们对法拉第的工作(1831年发现电磁感应现象)的了解已经够多了。亨利也是这一现象的独立发现者，然而人们对他的工作却知之甚少。实际上，亨利比法拉第早一年，也就是在1830年观察到了这一现象，然而由于当时的科学中心在欧洲，亨利无法了解电磁学的最新进展和研究成果，同时由于沉重的教学负担，以及设备不足、材料缺乏等困难，他失去了获得优先发现权的机会。后来，他才在1832年《美国科学杂志》7月号上发表了自己的研究成果电和磁是可以相互转化的：磁是通过电池里的电流的作用在软铁里产生的，通过产生磁的软铁绕在上面的线圈又感应出电流。电流的产生主要是由于磁作用在一种情况下的瞬问产生和在另一种情况下的突然中止。与法拉第的实验相比较，可以说他们是使用了不同的方法，从不同的方面发现了电磁感应现象：法拉第是通过磁铁在线圈中的运动而产生电流，得到的是动生电动势；而亨利则是通过改变线圈的磁感应强度使之产生电流，得到的是感生电动势。从这一意义上说，他们之间并不存在优先权之争。无论是谁最先发现了电磁感应现象，这一发现本身在科学发现史上都是一件大事，也都是电磁学发展史上的里程碑。这一发现使得机械能、热能等各种形式的能量转化为电能成为可能。从而，电磁学也不再只是局限在实验室了，它的实际应用范围也被大大拓展了，这进一步促进了电的大规模工业应用。

然而有意思的是，在上述的这篇文章中，亨利以大量篇幅描述了他发现电磁感应现象的实验，这却反而使他成了美国人抱怨的对象，他们费隆亨利失去了让美国人出人头地的大好机会。但是，文章最后结尾不引人注意的十几行字却给了亨利莫大的荣誉，成为美国人的一大骄傲。这段文字记载了亨利在电磁实验中发现的电磁自感现象。

通过电流的长导线断开时会产生火花，这是以前从没有人注意到的。1835年，亨利向美国哲学会介绍了关于自感现象的进一步研究成果，他一共设计了14个实验，定性地确定了各种形状导体的电感大小。为了纪念亨利的这一发现，1893年8月在美国芝加哥召开的国际电学家会议上，来自9个国家的26位科学家代表一致通过正式命名Henry为电感的标准单位，亨利(Henry)与法拉第(Fara)、欧姆(Ohm)、安培(Ampere)一样成了世界通用的计量术语。一个美国人的姓氏被用作科学计量上的标准单位，这在美国科学史上还是第一次。

从萨瓦里所进行的莱顿瓶放电实验受到启发，亨利提出振荡放电理论，从而成功地解释了该实验中被磁化的钢针极性不一致的问题，并设计了各种实验以进一步研究电火花的传播和闪电的放电现象。在此基础上，亨利于1851年向美国科学促进会提交了一篇关于振荡放电和它的感应能远距离传输的论文，他认为因为这是电流改变方向的结果，它们在周围空间产生一系列即使与波不一样，也是类，似于波的起伏运动，由此阐明他有关电磁在空问传播的波动性的思想，天才地猜测到了电磁运动的本质，这在电磁场理论尚未确立的当时是难以想象的。亨利这一思想启发了许多后来的研究者，最后被麦克斯韦概括在他的方程组里。

亨利的贡献决不只限于电磁学方面，在物理学的其他许多领域，中也留下了他的足迹，这些基础研究大多与电磁学一样处在当时的最前沿：他对金属扩散现象、磁光现象、辐射热、分子物理学、气象学和地球物理学等方面都进行了卓有成效的研究。亨利在物理学基础研究方面的巨大成就，鼓舞起美国的自信心，改变了欧洲人对美国人的偏见，向全世界显示了美国人的才能。(www.xing528.com)

让科学造福于人类

亨利主张抽象研究和实用研究的协调发展，他认为科学的发展应该并且一定能使人们从中得到更多的实惠，科学研究的一部分价值也体现在其实际应用中。因而，一旦某个学科原理有了应用于实际的可能，他也总是尽力使之成为现实。

亨利采用改进了的电磁铁，发明了自己的第一台振荡电动机，1831年他在《美国科学杂志》上撰文描述了该台电动机的工作原理。这便是所有现代电动机的祖先，今天的转动电动机正是采用了亨利改进的电磁铁。对此，英国电学家焦耳不无感慨地说：我们确实得益于有创造性的美国学者利用电动作用能互换软铁极性的原理而制作的第一台模型发动机。

同时，亨利也是进行电磁电报研究的先驱者，大西洋两岸实用电报机的发明者莫尔斯就曾得到他的直接帮助。亨利利用电磁铁进行传递信息的实验，发明了模型电磁电报机，这种装置将地球作为一根导线，使电磁电报线形成实际的闭合回路；他还发明了继电器，不断加强电信号，使它可以像接力赛跑一样在电报线中传输，解决了信号衰减的问题。

后来，在史密斯逊研究院期间，1847年亨利组织建立了世界上第一个电报气象系统，国家气象局在此基础上建设了全国气象观测系统；作为灯塔研究会的实验委员会主任，亨利还成功地使用猪油代替鲸油作为灯塔的照明材料，到1866年猪油最终取代了鲸油，使用在所有灯塔上，这一改进每年为政府节省了10万美元；1867年亨利还试制了当时世界上最理想的雾信号系统汽笛警报器，这种警报器的声音能传到30公里以外，它的使用大大减少了海上事故的发生。在南北战争期间，亨利作为林肯总统的主要技术顾问，直接促成了气球在战争中的运用。

尽管亨利一生发明了许多东西，可他从未将这些拿去申请专利，总是无偿地把自己的发明创造奉献给社会。亨利认为：具有高尚科学精神的人，他们所追求的并不是由于科学发现的实际应用而带来的经济报酬允许一个人独享科学带来的好处是和科学的尊严不相容的。他所追求的也不是名望，因为在科学上博得的名声只是一种鞭策，它可以使自己更加自觉地为科学作出贡献。亨利所需要的惟一报答就是发现新真理的快乐。

为了美国科学事业的腾飞

亨利所生活的时代，科学的中心在欧洲，美国还处在建国初期，主要依靠移植欧洲现有的技术，以及借助欧洲人发现的科学原理开发新技术来发展经济。同时，美国的科学界也普遍存在着重视技术发明而忽视基础理论科学研究的倾向。大量的优秀人才涌向技术领域，使得本来就落后的基础理论研究更难以振兴。亨利开始担任科学领导工作后，便一直致力于促进实用技术发明与基础科学理论的协调发展。

1846年，亨利出任史密斯逊研究院的第一任院长。他主张将研究院董事会收益的大部分用于支持开创性的研究，在资助的为数众多的基础研究项目中，最突出的是人类学研究。设立专门的资金来为研究者出版那些含有最新发现、最新见解，但销量较少、普通出版商不愿出版、论文作者又无力出版的科学论著。到亨利逝世，该研究院共出版了21卷大4开本的《史密斯逊研究院的贡献》，其中包括100多篇不可能由当时的任何出版机构出版的重要论文。研究院还设立了国际交流部，旨在与国外的科学机构交流科学情报，让全世界都能及时地知道美国人的科学成就，也让美国人能尽快地了解世界科学的最前沿。

另外，该研究院还定期举办学术演讲活动，邀请许多国内外著名的科学家和学者参加演讲，英国著名学者丁铎尔和赫胥黎都曾登上讲台，这些演讲活动很快扩展到美国几乎每一个稍具规模的城市，它活跃了美国人的思想，开扩了美国人的眼界，加速了科学信息的传播，在一定程度上改变了美国公众的爱好。1868年，亨利被推举为美国国家科学院院长。此时，科学院已濒临垮台，亨利上任后，取消了那些仅有金钱和地位而没什么科学才能的院士的资格，吸收了大批进行开创性研究的科学家进入科学院，从而刺激了全国的科学研究工作，使科学院摆脱危机，真正成为全国的科学中心。今天，美国国家科学院集中了众多世界第一流的科学家，全世界的诺贝尔科学奖获得者有一半以上是美国人，这些人有3／4以上在获奖前就是该院院士。同时，亨利还帮助组建了许多全国性的科学学会，并在不少学会里担任职务指导具体工作。19世纪末，美国的科学组织网基本形成。

英国的著名学者贝尔纳认为：约瑟夫亨利的例子是最悲惨的事例之一，他的才能不在法拉第之下，而他却在史密斯逊研究所虚度了大半生。然而，贝尔纳的这段评论未免有失偏颇。亨利的确失去了某些个人的荣誉，但他却赢得了整个美国科学的繁荣。

综观约瑟夫亨利的一生，他的科学生涯可以分为两个时期：前一时期，即他在奥尔巴尼学院(1826～1832)和新泽西学院即普林斯顿(1832～1846)期间，主要进行科学研究和教育领域的工作，在这一时期，他主要开拓了电磁学方面的基础理论研究和技术发明。而后一时期，在华盛顿(1846～1878)期间，他的主要精力就转向了科学领导和组织工作。可以说，亨利的科学成就是巨大的，但当时的科学中心毕竟是在欧洲，他并未能影响整个科学的发展进程，然而他所从事的科学组织工作却改变了整个美国的科学研究现状，为20世纪世界科学中心从欧洲向美国的转移准备了良好的条件。