1820年,一位具有哲学头脑的物理学家和化学家解决了这个秘密,并首次发现了电磁学之间的微妙关系。这位先驱者的名字叫奥斯特。
电与磁就像孪生兄弟,有很多相似之处。古希腊哲学家泰勒斯曾把电和磁误认为是同一种东西奥斯特发现了电流的磁效应,认为摩擦琥珀吸引草屑、磁铁吸引铁片都是因为“灵魂”。1600年,一位名叫吉尔伯特的英国皇家御医纠正了泰勒斯的错误,明确指出电和磁是两种不同的现象。但此后,很多人把电和磁当成了毫不相干的东西。在人们的观念里,磁就是磁,电就是电,两者之间没有任何关系。
18世纪中叶,德国伟大的哲学家康德提出了一种全新的世界观。康德认为,世界上只有两种基本力,一种是引力,一种是斥力;自然界的其他力,如电、磁、热、光和化学亲和力等网校头条,都是这两种基本力在不同条件下的转化。康德杰出的哲学思想,发表在他1786年出版的《形而上学》一书中。
在这之前一年,法国学者库仑在发现电荷作用定律的同时,用自制的扭秤测量了磁力的大小。结果表明,磁力的计算公式和电荷作用的计算公式十分相似。这种巧合包含着某种偶然性。可惜库仑没有意识到这一点。电荷可以分离,正负电荷可以独立存在;但磁极是不能分离的。一根磁棒无论折成多少段,每段都是一根新的磁棒,都有南北极。库仑因此断言,电和磁之间没有关系,不可能互相转化。
康德阐述的是思想,而库仑提出的是实验的结论,所以当时的科学家大多认为后者更可信,相信库仑的观点是正确的。电和磁之间到底有什么联系呢?
科学家回答说:“不是的。”
哲学家说:“应当。”
大自然给出了一些神秘的问题。早在17世纪,人们就发现了一些奇怪的现象。1681年7月,一艘在大西洋航行的商船被雷击中,结果船上的三个罗盘全部失灵:其中两个消磁了,另一个指针的南北方向也调转了。还有一次,意大利的一家五金店被雷击中,后来人们发现,被毁坏的箱子里的刀叉有的熔化了,有的被磁化了。这些现象说明,雷电既可以使钢消磁,也可以使钢带磁性。据说,富兰克林在做莱顿瓶放电实验时,无意中发现钢针被磁化了。如何解释这些现象呢?
奥斯特的图像(互联网图像)
1820年,一位具有哲学头脑的物理学家和化学家解决了这个秘密,并首次发现了电磁学之间的微妙关系。这位先驱者的名字叫奥斯特。
奥斯特于1777年8月出生于丹麦卢克宾,父亲是家境贫寒的药剂师。奥斯特12岁帮助父亲制药,从此对化学产生了浓厚的兴趣。17岁考入哥本哈根大学,主修物理、化学和药理学。同时,他对哲学产生了浓厚的兴趣,22岁获得哲学博士学位。大学毕业后,奥斯特到柏林旅游,结识了许多科学家。1804年,他回到丹麦,成为哥本哈根大学自然哲学教授。
奥斯特信奉康德的自然哲学,认为自然界一切力都是统一的,光、电、磁、化学亲和力等在一定条件下可以相互转化。他的博士论文题目就是《康德哲学思想与自然科学》。在这种哲学思想的指导下,他一直试图寻找电和磁之间的联系。这是一次雄心勃勃、目的明确的探索,但道路曲折。他做了很多实验,但都未能达到目的。
最初,奥斯特用莱顿瓶做实验,不管瓶中通入多强的电,都没有发现磁效应。那么闪电为何能磁化小刀呢?奥斯特认为一定是因为莱顿瓶中的电是静电,而闪电是动电。于是他用伏打电堆产生的电流做实验。但也失败了。难能可贵的是,奥斯特的探索目标始终很明确,虽然走了不少弯路,却从未动摇。
1800 年,伏特发明电池时,据说一位年轻的化学家曾半开玩笑地预言:下一个划时代的发现将出现在“1819 年又三分之二,或 1820 年”。有趣的是,整整 20 年后,他的预言竟然成真了。
从1819年冬天到1820年春天,奥斯特讲授电磁学。这几个月是他一生中至关重要的几个月。他重新思考了萦绕在心头多年的问题:如何把电流转换成磁?他想:如果电流能产生磁效应,也许这种磁效应的效应是横向的,不可能是顺着电流的方向——因为很多人朝这个方向探索过,都没有得到任何效果。这是一个大胆而精辟的想法。
奥斯特演示电流的磁效应(网络图)
1820年4月的一天,奥斯特抱着试试看的想法,在课堂上做了一个即兴实验。他把一根很细的铂丝接在伏打电池上,在细铂丝下面放了一根用玻璃覆盖的磁针。以前的实验中,磁针都是垂直于导线的,但这次他故意把磁针和细铂丝做成了平行。奥斯特当着众多学生的面,接通了电源,然后他发现,磁针真的摆动起来了!因为他的实验中电流很小,所以磁针的摆动并不明显,在场的学生也没在意,但奥斯特却喜出望外,据说他高兴得跌倒在讲台上。只有奥斯特知道:这是人类第一次有意识地发现电与磁之间的关系!
又经过三个月的深入研究,奥斯特终于发现,在通电导线的周围确实存在一个圆形磁场,这正是他一直在寻找的电流磁效应!
矗立在哥本哈根的Ørsted雕像(网络图片)
1920年7月21日,奥斯特将他的实验成果发表在了刊物上。论文用拉丁文写成,题目是《电流对磁针影响的实验》。这是一篇划时代的论文,薄薄的四页纸,没有任何数学公式和图表,却用简洁精炼的文字向世人宣告:人类首次发现了电与磁的转换关系。电与磁,这两条古老的河流奥斯特发现了电流的磁效应,在奥斯特这里汇聚了!
奥斯特的发现轰动了整个欧洲物理学界。人们原本以为两种现象毫无关联,但实际上却有着如此奇妙的关系。这一发现成为现代电磁学的突破,各国科学家纷纷转向电磁学研究。法拉第后来对奥斯特的发现做出了如此准确的评价:“它突然打开了一扇科学领域的大门,这扇门曾经一片漆黑,但现在却充满了光明。”