27.今非昔比的电磁理论
电磁理论是由麦克斯韦建立的关于电磁现象的基本理论。18世纪以后，人类对电现象和磁现象的认识逐步加深，并总结出了一些基本规律。1785年法国物理学家库仓通过扭秤实验测定了两个静止电荷间相互作用的规律，确立了库仓定律。这是电学中发现的第一个定量的规律。1808年，意大利物理学家伏打发明了电池组（即伏打电堆），为电学研究的广泛开展创造了条件。1819年，丹麦物理学家、化学家奥斯特从实验中发现，通有电流的导线可使其附近的磁针发生偏转，即电流具有磁效应。该实验使人类第一次认识到电和磁这两种现象之间的联系。法国物理学家安培于1820年发现，不仅电流与磁针，而且电流与电流之间也有相互作用。1831年英国物理学家法拉第通过十年的实验，终于发现：变化的磁场可以在导体中产生感应电流，并确定了电磁感应定律。他还第一次改变了自牛顿以来认为力可以通过空间超距作用的观点，引入了“场”的概念。
1873年，英国物理学家、经典电磁理论的创立人麦克斯韦出版了《电磁学通论》一书。他用严谨、简单的一组数学公式，即麦克斯韦方程组，系统地概括了19世纪中叶前后有关电磁现象的研究成果，揭示了电磁现象的本质和规律，为整个经典电磁理论奠定了牢固的科学基础。按照该理论，不仅传导电流产生磁场，而且空间电场变化也会产生磁场。另外，变化的磁场不仅能在导体中感应出电流，而且能在空间内产生电场。因此，电磁过程的实质是电场与磁场的相互转化。在这种转化过程中，变化的电场产生磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，从而使一个变化的场或称扰动可以形成由近及远，以有限速度传播的过程，这种过程表现出波动的特性，被称为电磁波。麦克斯韦还证明，光也是一种电磁波，从而把电、磁、光统一起来，实现了经典物理学继牛顿之后在理论上的又一次综合。
1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，并证明它具有光的一切性质：折射、反射、干涉、衍射、偏振，以及按光速传播等，使经典电磁理论不仅从理论上而且从实验中得到确立。
28.光芒万丈的第一台电站
世界上最早的电站指的是1882年爱迪生等人建立的直流电站。19世纪前期，关于电流磁效应和电磁感应定律的发现，为发电机的发明和制造提供了科学的基本原理。19世纪中叶，生产的需要使发电机的研制得到了迅速的发展。最初的发电机都使用永久磁铁，它们无法产生强大而稳定的电流，实用价值不大。1866年，德国电工学家、实业家西门子（1816~1892）发明并制成现代发电机的雏形——自激式发电机，即用其本身发出的电能的一部分去为其电磁铁励磁的发电机。1867年，他还发表了题为《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》的论文，阐明了自激式发电机原理，使建造大容量电机、获取强大电力成为可能。西门子电机和瓦特蒸汽机的出现，几乎具有同样的重要意义。1881年，美国发明家爱迪生（1847~1937）制成的发电机在巴黎博览会上展出，该机被命名为“巨象”，可为一千五百只十六烛光的灯泡供电。1882年1月24日，爱迪生电气照明公司的约翰逊在伦敦所建装有三台“巨象”机、可同时为三千个灯泡提供用电的第一台发电站开始发电。同年9月4日纽约珍珠街的“中央发电站”也投产运行。在该电站中，爱迪生又发展了“三线输电法”，即：一条为100V，一条为-100V，一条为中性的三线连结的直流输电法。同时，爱迪生还许多工厂、商店以及轮船建造了上百个小型发电站，从而开始了电力照明的时代。
29.言不尽意的量子论
量子论是探索微观粒子运动所遵从的量子规律的初步理论，是量子力学的先驱。19世纪末，钢铁工业的发展迫切要求对热辐射问题深入研究。根据经典物理学推导出的热辐射定律，在长波部分与实验曲线比较一致，但在短波（紫外）部分却相差极大，而且物体发射的辐射能量在辐射波长趋于零时，从理论上得出的数据要趋于无穷大，而实验结果却趋于零。这表明经典物理学对这一基本问题的解释是失败的。这一事实曾被称为是“紫外灾难”、19世纪末物理学天空的两朵“乌云”之一。
1900年12月14日，德国物理学家普朗克向德国物理学会报告了他的假说。他提出，要使理论与实验相一致，物体在发射和吸收辐射时，其能量不可以连续改变，而必定以一定数值的整数倍跳跃式变化，即在发射和吸收辐射过程中，能量不是无限可分，而是有一最小的能量单元。普朗克将此最小能量单元称为“能量子”或“量子“，其数值与辐射频率钟成正比，等于砌。其中h为普适常数，称为作用量子或普朗克常数（h=6.626x103焦耳/秒）。量子论打破了过去的所谓连续性是一切自然过程的基本性质的概念，标志着20世纪科学观念巨大变革的开始。
第一个坚持量子观点，认识到量子论重要性的是爱因斯坦。他在1905年指出，不仅在辐射的发射和吸收过程，而且在空间的传播过程中，能量也是不连续的，是以光量子的形式运动着的。他成功地解释了光电现象，使人类首先认识到光子具有“波粒二象性”，为对一切微观粒子具有波粒二象性的认识奠定了基础。量子论的最重要应用是对原子结构的研究。1913年，玻尔用它较为成功地解释了氢原子，使量子论得到了进一步的发展。量子论虽与能量可以无限细分、连续改变的经典观念严重对立，但它仍然是以经典物理学的规律为基础，附加了一些反映微观运动量子特性条件的半经典理论。按照它推导出的结果在定量方面往往与实验不能相符，加之它自身还包含着很大矛盾，因此在解释许多实验时也遇到了‘严重困难，从而导致了一门崭新的学科——量子力学的诞生。量子论现在已被量子力学所代替。但由于量子论的直观性强，所以它的一些方法还常被用来解释某些例如复杂光谱等现象。为了区分二者，习惯上常把普朗克等人所建立的量子论称之为旧量子论。
30.曲高和寡的爱因斯坦相对论
相对论是关于物质运动与时间、空间关系的理论，为现代物理学的理论基础之一，由爱因斯坦（1879~1955）于20世纪初，在总结实验事实，即不同惯性参考系内和不同方向上，真空中光速都相同的基础上，为解释此事实与经典时空观之间的尖锐矛盾而建立和发展的一种新的时空观和可与光速相比拟的高速物体的运动规律。它对整个科学的发展起了重大作用。它可分为两部分。
①狭义相对论，为爱因斯坦1905年创立。其基本原理为：
1.相对性原理即物理规律在任何惯性系中都相同，不存在任何特殊的惯性系；
2.光速不变原理，即在任何惯性系中，光速C都相同。因这部分涉及相互作匀速直线运动的参考系即惯性系，故称狭义相对论。由以上原理出发可得出与经典观念完全不同的重要结论：
（1）两件事情的发生，其先后，或是否“同时”，在不同参考系的观察者看来，并不相同；
（2）运动物体在运动方向上的长度要比静止时缩短。运动的时钟，要比静止的时钟慢；
（3）物体质量M随其运动速度秽增大而增大，其关系为：式中M。为物体静止质量，C为光速；
（4）任何物体的速度不能超过光速C；
（5）物体的能量E与质量M之间满足质能关系式：E=MC2。
根据狭义相对论，时间、空间和质量随物体匀速运动而改变。它们失去了绝对性，成为相对性的量，而且时间和空间也不再彼此独立：空间变短，其时间变长。又，当物体运动速度比光速小得多的时候，它们的变化很小，可以忽略不计，相对论公式可简化为牛顿力学公式。因此相对论包括了经典力学所得到的结论。它已广泛应用于原子能、高能物理和基本粒子物理的研究领域。
②广义相对论。为爱因斯坦1916年创立。其基本原理：
1.广义相对性原量，即物理定律在一切参考系中成立；
2.等价原理，即某一加速运动系中的惯性力与在一个小体积范围内的万有引力是等效的。由此可以得出：
（1）水星轨道近日点的运动规律，此规律已为天文观测证实；（2）光线在穿过强引力场后弯曲，日全食的观测结果已证实了这一结论；（3）强引力场中发射出的光谱向红端移动，即“红移”等。广义相对论已成为现代宇宙学中的重要理论。但是，仍有许多问题尚待解决。
