第9章 吉尔伯特与地球磁场

大家知道，人类居住的地球被一个巨大的磁场包围着。地球磁场和我们的生活密切相关。正是因为有了强大的磁场，地球才变得生机勃勃，欣欣向荣。人类很早就发现了磁场，我国四大发明之一的指南针就是根据地球磁场的原理设计的。在古希腊，人们把天然的磁石看作“圣石”，认为磁力十分神秘。直到1600年，才有一位叫威廉·吉尔伯特的英国人系统提出了地磁场理论概念。

吉尔伯特于1544年5月24日出生在英国科尔切斯特市一个大法官家里，年轻时就读于剑桥大学圣约翰学院，攻读医学，获医学博士学位。毕业后，他开始在伦敦开业行医。1581年进入皇家医学院工作，后来当了院长。在英国甚至在欧洲大陆，吉尔伯特是一个有很大成就和声誉的医生。由于他医术高明，1601年应召进宫，任伊丽莎白女王的御医，直到1603年去世。吉尔伯特起初研究过化学，后来花了20年左右的时间，进行了关于电和磁的实验。

当时的人们已经对磁场有了一定的认识，与吉尔伯特同时代的诺尔曼就曾做过大量有关地球磁场的实验。诺尔曼曾经是一个有经验的领航员，当时最重要的导航仪器罗盘就是由他发明的。在多年的航海实践以及做实验的过程中，诺尔曼发现磁针所指示的北极和实际的北极有偏差，而且有下倾现象，另外他还发现磁力不具有重量。

吉尔伯特很善于借鉴前人的经验，并常常用实验来说话。为了验证磁针的偏角和下倾现象，吉尔伯特按照诺尔曼的方法，制成了一个球状磁石，进行了著名的“小地球”实验。它先在“小地球”上用罗盘针和粉笔画出了磁子午线，然后找出“小地球”的南极和北极，并且使用罗盘针在“小地球”上作观察。罗盘针指向了“小地球”的南北极，这种情形与罗盘针在地面上指向南北方向的情形是完全一致的。这个实验证明了诺尔曼所发现的磁针下倾现象的存在。

另外，吉尔伯特还发现表面不规则的磁石球，其磁子午线也是不规则的。由此，吉尔伯特认为罗盘针在地球上和正北方的偏离是由陆地所致，必须从地球内部去寻找地磁的原因。吉尔伯特首先提出磁场是磁化物体作用圈的概念。他认为，组成地壳和上地幔的岩石具有相当强的磁化能力，因此造成地球磁场的是地球物质的磁性，这就是地磁场的铁磁假说。此外，他还发现物体的磁化强度在物体加温到赤热程度时就会消失。吉尔伯特断言：地球的磁极与地理极几乎一致。磁偏角的大小取决于大陆和海洋的位置。海洋是非磁性的，大陆则可能由磁性物质形成。他还认为地球的磁力一直伸到天上，并使宇宙合为一体，引力无非就是磁力。

1600年，吉尔伯特对多年的研究成果进行了总结，写成了名著《论磁石、磁体和大磁铁——地球》一书，对地磁的成因做了理论上的阐述。这是第一部有关地磁的科学著作，书中的很多理论对后来的科学发展产生了巨大的影响。

自吉尔伯特以后，许多科学家继续对磁力进行研究，终于查明了磁力所具有的各种性质。现在看来，吉尔伯特的有些结论还下得过于武断。但是，通过他的努力，地磁学在当时已经向一门独立的学科迈出了坚实的第一步。他关于地磁现象的研究为后来电磁学的产生和发展创造了条件，他也被后人誉为“磁学之父”。为了纪念他，电磁学中磁动势的单位“吉伯”就是以他的名字命名的。

知识链接

吉尔伯特是实验科学研究的开拓者之一，他一生做了许多实验进行科学研究。仅记录在《论磁石、磁体和大磁铁——地球》一书中的实验就多达600多个。因而他的工作被认为是用实验方法探索自然界和从理论上解释自然界相结合的最好范例。