法拉第

第三節 開始電磁研究

　　法拉第又投入了緊張的科學研究。當時，他正埋頭進行電和磁的探索，這是世界科學界都在關注的熱點課題。

　　談到法拉第對電磁學的研究，還需對電磁學的發展史作一簡單的回顧，必須提及丹麥科學家奧斯特的發現。

　　在法拉第結婚的前一年，即1820年，奧斯特發現了電流的磁效應，第一次揭示出電和磁的密切聯係。這件事改寫了電學史，也改變了法拉第的研究方向。

　　電和磁猶如一對孿生兄弟，有許多相似之處。古希臘哲學家泰勒斯曾把電和磁錯誤地看做同一回事，認為摩擦琥珀吸引草屑和磁石吸引鐵片，都是因為“有靈魂”。

　　1600年，一位名叫吉爾伯特的英國禦醫糾正了泰勒斯的錯誤，明確指出電和磁是兩種不同的現象。

　　但是自從那時以後，許多人又把電和磁當成互不相關的東西。在人們的心目中，磁是磁，電是電，兩者沒有任何關係。

　　到了18世紀中葉，德國大哲學家康德對世界提出了一種全新的見解。他在1786年出版的《形而上學》一書裏寫道：自然界的作用力，如電、磁、熱、光和化學親和力等，都是引力和斥力在不同條件下的轉化。

　　而在這一年之前，法國學者庫侖經過實驗斷言，電和磁兩者之間沒有關係，也不能相互轉化。

　　康德闡述的是一種思想，庫侖提出的是一個實驗的結論。因而當時絕大多數科學家覺得後者更可信，認為庫侖的觀點是正確的。電和磁究竟是否有聯係呢？

　　科學家說：“兩者不會有關係。”

　　哲學家說：“兩者會有關係。”

　　大自然卻提供了一些神秘的問號。

　　早在17世紀，人們就發現了一些奇怪的現象。1681年7月，一艘航行在大西洋的商船被雷電擊中，結果船上的三個羅盤全部失靈：其中兩個消磁了，另一個指針的南北指向顛倒。

　　還有一次，意大利的一家五金商店遭到閃電衝擊，事後發現被擊毀的盒子裏，有的刀叉被燒熔，有的被磁化了。

　　這些現象說明，閃電既能使鋼失去磁性，又能讓鋼帶上磁性。據說，富蘭克林在一次做萊頓瓶放電實驗時，也曾意外地發現，鋼針被磁化了。

　　如何對這些現象作解釋呢？

　　1820年，一位具有哲學頭腦的化學家解決了這個難題，第一個發現了電磁之間的微妙關係。這位開路先鋒的名字叫奧斯特。

　　奧斯特1777年8月生於丹麥的路克賓，父親是一個製藥匠，家境貧寒。奧斯特12歲即幫父親製藥，因此他對化學著了迷，17歲考入哥本哈根大學，攻讀理化和藥物學，同時對哲學產生極大的興趣，22歲獲哲學博士學位。

　　大學畢業後，奧斯特曾去柏林旅行，結識了不少科學家。1804年，他回到丹麥，在哥本哈根大學任自然哲學教授。

　　奧斯特信仰康德的自然哲學觀，相信自然界的各種力是統一的，光、電、磁、化學親和力等在一定條件下可以互相轉化。其博士論文題目便是《康德哲學思想與自然科學》。

　　在這種哲學思想的指導下，他一直試圖尋找電力與磁力之間的聯係。這是一次大膽而又目的明確的探索，但是道路是曲折的，他做了許多實驗，都未能如願以償。起初，奧斯特用萊頓瓶實驗，沒有發現它有磁效應，後又改用伏打電堆產生的電流做實驗，也失敗了。但他卻沒就此止步，而是勇敢地探索下去。

　　1819年冬季至1820年春天，奧斯特從事了電學與磁學的講課。這幾個月對他來說是十分重要的。

　　奧斯特重新思考多年來一直縈繞在心的那個問題：如何使電流向磁轉化。他想如果電流能產生磁效應，也許這個磁效應的作用是橫向的，而不可能沿著電流的方向。因為不少人沿著這個方向去探索，結果都沒有得出理想的答案。

　　這是一個大膽而聰敏的設想。

　　1820年4月的一天，奧斯特在課堂上抱著試一試的想法，做了一次即興實驗。

　　奧斯特把一根很細的鉑絲連在伏打電槽上，細鉑絲下擱著一個用玻璃罩著的磁針，以往的實驗，磁針與導線是垂直的，這次他特意讓磁針與細鉑絲平行。在許多學生的麵前，奧斯特接通電源，這時他猛然發現，磁針果然擺動了一下！

　　由於他實驗的電流很小，磁針的擺動並不十分的明顯，在場的學生並沒有注意到這一現象，然而奧斯特卻大喜過望。

　　據說奧斯特當時高興得竟然在講台上摔了一跤。隻有奧斯特知道，這是人類第一次有意識地發現了電和磁的關係！

　　又經過三個月的深入研究，奧斯特終於搞清楚了在通電導線的周圍，的確存在一個環形磁場，這正是他一直在尋找的電流的磁效應。

　　1820年7月21日，奧斯特在一家刊物上公布了自己的實驗結果，論文題目是《關於磁針上的電流衝擊的實驗》。

　　這是一篇劃時代的論文，薄薄四頁，沒有任何數學公式，也沒有示意圖，但它以簡潔和精練的文字向全世界宣告：人類第一次找到了電和磁的轉換關係。

　　電和磁，這兩條古老的河流在奧斯特這裏匯合了！

　　奧斯特的發現轟動了全歐洲的物理學界。人們本來以為毫無關聯的兩種現象，竟有如此奇妙的關係。

　　這個發現成了近代電磁學的突破口，各國科學家紛紛轉向電磁研究。法拉第後來對奧斯特的發現作了如此精辟的評價：“它猛然打開了一個科學領域的大門，那裏過去是一片漆黑的，如今充滿了光明。”

　　全世界科學家的視線都集中到這裏來了。他們奮蹄揚鞭，躍躍欲試，法國的一批科學精英衝在最前麵。

　　奧斯特的發現是7月21日公布的，9月11日，一位從瑞士旅行回國的法國科學院院士阿拉哥把這一信息帶回了巴黎。

　　阿拉哥在法國科學院的例會上，興奮地介紹了奧斯特的最新發現，在座的院士們大為驚奇。

　　法國科學院的院士們一直為庫侖的傳統觀點所束縛，確信電和磁沒有什麽聯係。殊不知庫侖的結論是在靜電、靜磁的條件下得出的，隻具有局部真理的性質。一旦電荷流動起來，奇跡就發生了！

　　安培也曾經十分讚成庫侖的觀點。但他思想活躍，頭腦敏銳，十分善於接受他人的研究成果。

　　在例會上聽到奧斯特的發現後，安培立即改變了自己往昔的固執看法，第一個意識到這一驚人的發現，為科學家們提出了激動人心的新課題。

　　安培想，既然磁體和磁體之間有作用力，磁體和電流之間也有作用力，那麽電流和電流之間是否也會相互作用呢？

　　這是一個極富想象力的推測，安培決定立即進行實驗。

　　正當大多數的科學家們還沉浸在對奧斯特發現的驚歎之中，安培已在實驗室中緊張地做起實驗來。

　　僅僅在奧斯特的發現傳到法國的兩星期之後，也即9月25日，安培向法國科學院報告了自己的新發現：當兩根平行導線通上同向電流時，相互吸引，電流方向相反時，相互排斥。

　　安培的發現是繼奧斯特之後有關電磁現象的第二個重大發現，這充分證明了電流確實具有磁性，電現象和磁現象之間存在著不可分割的聯係！

　　繼安培之後，法國其他一線科學家們也紛紛上陣，向這一新領域發起了衝鋒。即在安培公布平行電流的同一天，阿拉哥宣讀了題為《關於鋼和鐵在電流作用下被磁化的實驗》的論文。

　　10月，比奧和薩伐爾用數學公式概括了奧斯特效應中電流和由它引起的磁場之間的定量關係，此公式被命名為比奧—薩伐爾定律。

　　戴維敏銳地意識到奧斯特的新發現包含著不可估量的價值。這位一向站在科學前沿的闖將興奮得再也坐不住了，他把法拉第找來，一起研究。29歲的法拉第同樣被這個重大發現所吸引。師生兩人懷著極大的興趣重複了奧斯特的實驗。果然，南北指向的磁針在通電導線下麵會轉成東西方向。

　　電和磁存在微妙的關係已是不容置疑的了，法拉第久久地思索著：這是什麽原因呢？

　　許多科學家也都在思索著同一個問題，因電流和磁之間的作用力，跟當時已經知道的任何一種力，如萬有引力、靜電力、磁力都不同，這些力皆表現為推或拉，而新發現的力卻是一種轉動的作用。

　　這其中的奧秘是什麽？其背後是否有更深層的內容呢？無論是奧斯特本人、安培、戴維，還是別的電學家，一時都無法解開這個謎。

　　法拉第完全懂得這一發現具有不可估量的意義，他決心沿著奧斯特打開的缺口，作進一步的探索。