约瑟夫·亨利

约瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797年12月17日~1878年5月13日），出生于美国纽约，美国物理学家，^[2]史密森学会首任会长，美国国家科学院院长，电流自感现象的发现者，电磁感应的发现者之一。^[5]

亨利出生在美国纽约州奥尔巴尼市一个贫苦家庭，父母都是移居美国的苏格兰清教徒。^[2]1819年，亨利通过自学考取奥尔巴尼学院。1826年，亨利被聘为奥尔巴尼学院的数学和物理学教授，并开展对电磁学的研究。1832年，亨利担任新泽西学院（今普林斯顿大学）物理学教授，并在同年7月发表关于发现电磁感应和电流自感现象的论文，引起美国乃至欧洲科学界的关注。^[6]1846年亨利担任史密森学会首任会长，开始科学领导与组织工作。1868年亨利被推举为美国国家科学院院长，致力于促进美国科学的发展。1878年5月13日，约瑟夫·亨利在华盛顿去世，享年81岁。^[7][3]

亨利在电磁学领域研究成果颇多。他在制作电磁铁的过程中发现电流自感现象，并且独立于迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现电磁感应现象，不过法拉第是第一个发现并发表研究成功的人。^[8]亨利还发明了电门铃的前身和电磁继电器，他在继电器方面的研究是实用电报的基础。^[4]1893年8月在国际电学家会议上，为纪念约瑟夫·亨利在电磁学领域的贡献，正式命名“亨利”（H）为电感的标准单位。^[9]

1797年12月7日，亨利出生在纽约州奥尔巴尼市一个贫穷的工人家庭。父亲威廉·亨利和母亲安·亚历山大是逃避宗教迫害而来到美国的苏格兰清教徒。亨利家境贫困，10岁便开始开始半工半读的生活。14岁时亨利的父亲去世，他不得不中断学业，之后参加了一个戏剧表演团体。^[2]他对戏剧表演十分感兴趣，差点成为一名专业演员。大约18岁时，亨利偶然读到一本名为《实验哲学通俗讲座》的科普读物，激发了他对科学的兴趣。^[10]

1819年，亨利通过自学被奥尔巴尼学院破格录取。他系统地学习数学、化学、物理学、生物学和解剖学，还自修许多其他课程。1824年，亨利被接纳为奥尔巴尼学会的会员，同年他向学会递交第一篇论文《蒸汽的化学和机械效能》，论文没有新的发现，但展示出他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。^[11]

亨利偶然得到一本介绍安培理论的书籍，他决定应用安培的理论改进当时的电磁铁。^[12]他将一组绝缘导线紧紧地绕在软铁棒的整个表面，在1828年制作出第一块性能更强的电磁铁。^[13]1830年，亨利与表妹哈里特·亚历山大结婚。哈里特非常支持亨利的研究，她的参与使亨利的工作进度大大加快。1831年，耶鲁大学请亨利制作一台大磁铁，在妻子的帮助下，亨利成功制作出能提起一吨重物的电磁铁。^[14]

亨利还发现磁力随着线圈匝数增加而增加，但超过一个限度线圈的增加反而使磁力下降。因此在只使用连接到电池的两个电极制作电磁铁时，最好并联缠绕几个线圈，但在使用多个电池的装置时，则只需一个长线圈。后者使电报成为可能。^[15]亨利在制作电磁铁的过程中已发现电磁感应现象，但效果并不明显，亨利准备制作一个更大的电磁铁完成实验。由于时间和材料的限制，直到1832年，亨利才在《美国科学杂志》上发表研究成果，而法拉第在1831年就已经发表电磁感应的发现。^[16]但是亨利在电磁实验中还发现了电流自感现象，成为第一个发现电流自感的人。^[17]

1832年，亨利在电磁学上的研究使他在美国乃至国际上名声渐起，美国许多高等学校邀请他前去任教，亨利最终选择前往新泽西学院（今普林斯顿大学）担任物理学教授。在接下来的几年里，亨利一直对电磁学进行深入研究。^[18]1835年，亨利向美国哲学会介绍他对电流自感现象的进一步研究成果。他总共设计14个实验，成功定性确定各种形状导体的电感大小。^[19]第二年，亨利还进行了电报闭合实验。他把电报线两个端线分别放在两口井里，使电报线和地球组成闭合回路，他的实验使电磁电报向实用方面迈出一大步。^[20]

亨利的工作赢得新泽西学院的赞赏，新泽西学院为他提供一次欧洲带薪旅行。^[21]亨利于1837年前往欧洲交流访问。法拉第邀请亨利到皇家学院做关于电磁学中数学理论的演讲，并与他进行多次电磁学实验。其中亨利在电流自感方面研究获得法拉第的认可。^[22]

亨利在实验中严重依赖他的研究助理非裔美国人萨姆·帕克 （Sam Parker）。帕克是一名自由黑人，受新泽西学院聘请协助亨利。亨利在1841年写给数学家埃利亚斯·卢米斯（Elias Loomis）的信中描述帕克提供实验材料，解决亨利设备的技术问题。1842年，帕克生病，亨利的实验不得不停止直到他康复。 ^[23]

1846年12月3日，由于亨利的研究和声望，他被推举为史密森学会的第一任会长，一直任职到他去世。亨利于是举家从新泽西学院移居到华盛顿。在他的提议下，史密斯逊研究院一方面资助科学人员，另一方面出版各学科最新定期报告和专题论文。^[24]此外，亨利热衷于提出和推动科学活动。他在1847年提出关于组建气象观测网的合作计划，许多志愿者响应亨利的倡议。到1852年，已有200多人担任观测员，在全国形成一个气象观测网站。亨利建立起世界上第一个电报气象观测系统，后来系统被移交给美国政府，用来建立美国气象局。^[25]

1848年，亨利与他妻子的弟弟史蒂夫·亚历山大合作进行一系列关于太阳黑子相对热辐射能量的实验。他们使用热电堆确定太阳圆盘不同部分的相对温度，并发现太阳黑子比圆盘其他部分温度低。亨利当时得出的结论与后来其他人的观察结果完全符合。^[26]同时，亨利还在华盛顿继续他的电磁学研究。1851年他发表了关于振荡放电和它的感应能远距离传输的论文，他认为电流改变方向，能产生一系列类似于波的起伏运动。亨利的研究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中。^[27]

1861年，美国内战爆发。亨利坚决反对南方分裂活动，支持总统林肯，他组织大批科学家为政府提供技术支持。亨利与林肯经常交流，探讨如何在战争中应用科学技术，在他的建议下，林肯将气球运用在战争中，并取得战果。内战时期，美国海军批准成立一个常设委员会，目的是向海军提出建议以改进航海技术。亨利是其中三个成员之一。^[28]

1861年底和1862年初，亨利在史密森学会主持了一系列关于废奴主义的讲座。演讲者包括白人牧师、政治家和活动家。演说家、前逃亡奴隶弗雷德里克·道格拉斯（Frederick Douglass）被安排为最后一位演讲者。然而，亨利拒绝让他参加，他不允许让有色人种在史密森学会演讲。^[23]

1863年，在南北战争的影响下，美国国家科学院成立，亨利是最初的50个院士之一。美国国会最初并不重视科学发展，科学院经常缺少资金和支持，科研活动难以进行，科学院濒临解体。1866年，亨利当选为美国科学院副院长，1868年他又被院长。亨利上任后开始整顿科学院。他首先取消一大批靠金钱和权势当上院士的人的职位，并且向国会申请经费，用以展开科研活动。科学院的情况逐渐得到改善。^[29]

亨利在1870年的科学院年会上主持修改了国家科学院章程，规定只有以开创性研究著称的人才能当选为国家科学院院士，他还在会议上确定科学院今后的工作方向。亨利的一系列措施成功使科学院摆脱了危机。^[29]在这之后，亨利一直从事科学领导与组织工作，致力于推动美国科学的发展。^[7]

1873年，亨利打算辞去职务专心进行科学研究，但学院成员签署的一封信阻止了他的辞职。^[30]1877年，亨利在一天早晨醒来发现右手局部有点麻痹，经过诊断发现自己患上肾脏疾病。之后亨利的身体状况迅速恶化，他生命的最后几个月已经停止工作。^[31]1878年4月，他再次表示，如果他的健康状况在接下来的六个月内没有改善，他会考虑辞职。^[30]

1878年5月13日，约瑟夫·亨利在华盛顿去世，被安葬在华盛顿特区西北部乔治敦区的橡树山公墓。美国政府5月16日在众议院举办了追悼亨利的仪式，总统、副总统、内阁成员、史密森学会的董事和各种科学团体的代表参加这次仪式。^[31]

1828年，亨利用纱包铜线在一铁芯上绕两层，然后在铜线中通电，发现仅重3公斤的铁芯竟然吸起300公斤重的铁块，远远超过一般天然磁铁的吸引力。电转变为磁产生如此大的力量，立即吸引他继续对电磁现象进行探讨。1829年，亨利对英国发明家威廉·斯特金发明的电磁铁进行改进，他把导线用丝绸裹起来代替史特京的裸线，使导线互相绝缘，并且在铁块外缠绕好几层，使电磁铁的吸引作用大大增强。后来他制作一个体积不大的电磁铁，能吸起一吨重的铁块。电磁铁的改进对电磁感应现象的发现和电磁电报的发明有决定意义，它大大增强感应电流的强度，使人们有机会发现感应电流的存在。^[12][15]

1830年8月，亨利在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒，然后把条形铁棒上的导线接到检流计上，形成闭合回路。他观察到，当电磁铁的导线接通的时候，检流计指针向一方偏转后回到零；当导线断开的时候，指针向另一方偏转后回到零。亨利发现电磁感应现象比法拉第的发现还早一年。但是，当时世界科学的中心在欧洲，而且亨利工作繁忙，缺少合适的实验条件和时间，没有及时发表实验成果，因此，发现电磁感应现象的功劳就归属于及时发表成果的法拉第。直到1832年，亨利才发表关于电磁感应现象发现的论文。^[16][32]

1832年，亨利发表《在长螺旋线中的电自感》，发现电流的自感现象。他对绕有不同长度导线的各种电磁铁的提举力做比较实验。他意外发现，通有电流的线圈在短路的时候有电火花产生。1835年，亨利向美国哲学会介绍关于自感现象的进一步研究成果。他总共设计14个实验，定性地确定了各种形状导体的电感大小。^[19]

1842年，亨利在实验室里安装一个火花隙装置，在30多英尺处放一个线圈来接收能量，线圈和检流计相接，形成回路。当火花隙装置的电火花闪过的时候，和线圈相接的检流计指针就发生偏转。1851年，在此基础上亨利发表了一篇关于振荡放电和它的感应能远距离传输的论文，他认为电流改变方向，能产生一系列类似于波的起伏运动，由此阐明他有关电磁在空间传播的波动性的思想。亨利的实验成功猜测到电磁运动的本质，但是当时的人们包括亨利自己在内，还认识不到实验的重要性。^[27]

亨利发明的电继器影响了电报的发展。电报的发明者莫尔斯和惠斯通都采用亨利发明的继电器。亨利把电磁铁改换成使用绝缘导线的强力电磁铁，用继电器把每个备有电池的电路串联起来，把文字信号中继转发出去，每当信号衰减到一定程度就被中途的继电器加强，继电器增加了信息传递的距离，成为以后实用电磁电报重要的结构。^[20]

此外，约瑟夫·亨利曾造出一台电磁电动机，成为现代所有电动机的祖先。电动机能带动机器，在起动、停止、安装、拆卸等方面，都比蒸汽机来得方便。今天，电动机已成为电气时代的标志。^[33]

英国物理学家贝尔纳曾评价亨利：“约瑟夫·亨利的例子是最悲催的事例之一，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。”^[7]

美国科学史家莱因戈尔德曾评价亨利：“虽然亨利的这些主张为亨利同时代的大多数人费解，但是直到现在，美国科学家还在暗暗地仿效他的主张，大力支持纯研究。”^[36]

英国物理学家弗莱明评价约亨利：“在杰出的研究中，法拉第和亨利的名字应当排在前面。亨利的“科学著作”很值得研究，我们不仅从中看到这位发现者所作的清晰解释，而且看到了他持有和提出的深奥而又有独到之处的见解。它们表明亨利早就达到了只是最近才产生影响的科学发现的水平。”^[36]

亨利家境贫困，为生计不得不中断学业，在钟表铺当学徒。一天他读到一本1808年伦敦出版的《格利戈里关于实验科学、天文学和化学的演讲集》，这是一本自然哲学的著作，第一页上写道：“你向空中扔一块石头或者射出一支箭，为什么它不是朝你给予的方向一直向前飞去？”这一下就把他迷住了。读完这本书，亨利立即决定要献身于科学事业^[10]，他通过刻苦自学被奥尔巴尼学院录取。但由于家庭困难，他半工半读才完成学业。^[37]一直持续到亨利被聘为奥尔巴尼学院数学和物理学教授，他的贫困生活才结束。^[38]

亨利虽然是一位科学家，但他同时又信仰基督教。基督教所宣扬的神创说和朴素的道德观影响着他的一生。亨利对上帝的存在深信不疑，他认为自然规律通过“神”的意志起作用，从而产生自然现象。在亨利50多年的科学生涯中，他的信仰始终没有改变，直到去世前几天，他仍和朋友讨论关于“上帝”的问题。^[39]

亨利奖章专门颁发给为史密森学会做出贡献的人，通常根据董事会决议而颁发。该奖章是由费城美国造币厂雕刻师威廉·巴伯 （William Barber）和他的儿子查尔斯·E·巴伯 （Charles E. Barber）于1878年为纪念亨利而设计的。该肖像可能是基于克拉克·米尔斯 （Clark Mills）的亨利半身像，背面的拉丁铭文取自《贺拉斯颂歌》第 24 首。上面写着：“Incorrupta fides nudaque veritas，Quando ullum inveniet parem？”（忠诚何时才能不动摇，坦诚的真理何时才能找到与他匹敌的人？）。该奖项颁发给个人，以表彰他们对史密森学会的声誉和发展做出的杰出服务、成就或贡献。亨利奖章和史密森奖章具有相似的目的，但是，史密森奖章在全球范围内承认对历史、艺术、科学、教育等的贡献，而亨利奖章只承认对机构的贡献。^[42]

亨利在1832年发表了题为《在长螺旋线中的电自感》的论文，把通电线圈断路时电流增大的现象叫做自感，成为第一个发现电流自感现象的人。为纪念他，在1889年的第二届国际电学家大会上，决定采用“亨利（H）”作为电感单位的标准单位。^[9]

亨利1832 年来到普林斯顿大学任教，一直在这居住直到前往华盛顿。亨利家族的五代人都曾住在这座房子里，家族几代人收集和使用过物品和家具仍保留在旧居中，旧居对外开放参观。1965 年这座房子被宣布为国家历史地标。^[43]

约瑟夫·亨利纪念碑，又称约瑟夫·亨利纪念馆，是一座户外青铜雕塑，描绘的是史密森学会首任会长约瑟夫·亨利。雕像座落在华盛顿特区的史密森尼学会大楼前。雕像于1883 年（亨利去世几年后）落成。^[44]