【導(dǎo)讀】自從泰勒斯這位科學(xué)老祖記錄摩擦起電和磁石吸鐵這兩個(gè)物理現(xiàn)象以來(lái)，2000多年過(guò)去了，人們對(duì)電和磁的理解還是極其有限。無(wú)論是中國(guó)風(fēng)水先生用羅盤(pán)定乾坤，還是哥倫布靠指南針航海發(fā)現(xiàn)新大陸，抑或是諾萊特的奇妙人肉電學(xué)實(shí)驗(yàn)，都是止步于電和磁極其常見(jiàn)的現(xiàn)象認(rèn)識(shí)和利用。甚至到19世紀(jì)初期，許多人依然認(rèn)為電和磁風(fēng)馬牛不相及，電是電，磁是磁，電沒(méi)法搞出指南針，磁也沒(méi)法生成閃電。然而，當(dāng)真如此?
如果仔細(xì)思考摩擦起電和磁石吸鐵兩個(gè)現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)它們有一個(gè)共同特征:吸引作用。富蘭克林認(rèn)為電之間也存在異種電荷相吸，和磁石的南北極相吸其實(shí)一樣，所謂陰陽(yáng)，是為相吸。
發(fā)現(xiàn)電和磁之間的小秘密，需要一點(diǎn)點(diǎn)童話(huà)般的幻想，加上細(xì)致入微的觀察，還有大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。19世紀(jì)的一個(gè)丹麥人，他符合上述所有條件。喔，您別想多了，他不是安徒生。確實(shí)，我們偉大的童話(huà)大王，安徒生先生，創(chuàng)作了《賣(mài)火柴的小女孩》、《丑小鴨》、《海的女兒》等著名的童話(huà)故事。他還寫(xiě)了更多不那么出名的童話(huà)，《兩兄弟》就是其一，人物原型是他的一位好基友。話(huà)說(shuō)，這位朋友整整比安徒生大了28歲，是他報(bào)考哥本哈根大學(xué)的主考官，也算是老師了。或許是暗戀老師的小女兒的緣故，安徒生每年圣誕節(jié)都喜歡往老師家里跑，一起吟詩(shī)作樂(lè)，順便聊聊科學(xué)[1]。也許是受到了安徒生這位文藝青年的感染，這位普通的物理系老師依靠他童話(huà)般的想象力，發(fā)現(xiàn)了一件極其不平凡的事情。某一次物理實(shí)驗(yàn)課，一切似乎都是老樣子，連電路，打開(kāi)關(guān)，講課，斷電，收工。
然而不經(jīng)意間，一個(gè)小磁針?lè)旁诹穗娐放赃叄质遣唤?jīng)意間，他注意到開(kāi)關(guān)電一瞬間，小磁針都會(huì)擺動(dòng)幾下。就像童話(huà)世界里用魔法棒隔空操控磁針一樣，電就是那根神奇的法杖，萬(wàn)分激動(dòng)的這位仁兄差點(diǎn)摔到講臺(tái)下面去。之后，這位40多歲的普通物理教師，在實(shí)驗(yàn)室里愣是樂(lè)此不彼地玩了三個(gè)月的電路和小磁針，宣布發(fā)現(xiàn)了電和磁的魔法奧妙——運(yùn)動(dòng)的電荷可以讓靜止的磁針動(dòng)起來(lái)(圖1)。1820年7月21日，一篇題為《論磁針的電流撞擊實(shí)驗(yàn)》的4頁(yè)短論文發(fā)表，署名漢斯·奧斯特，這位安徒生的老師兼好友，一舉成名。
原來(lái)，同時(shí)期的許多物理學(xué)家都在研究靜電和靜磁之間的聯(lián)系，但是靜電和磁針之間總是過(guò)于冷淡，啥作用都不發(fā)生，也無(wú)法相互轉(zhuǎn)換。奧斯特的發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于突破思維框架，在運(yùn)動(dòng)的電荷里尋找和磁的相互作用。電和磁之間的小秘密，終于被人們發(fā)現(xiàn)。奧斯特這個(gè)名字，后來(lái)于1934年被命名為磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為Oe，沿用至今。
奧斯特的實(shí)驗(yàn)報(bào)告猶如投入池塘里的一顆小石子，讓本已歸于平靜的歐洲電磁學(xué)研究，激起了層層漣漪。幾位法國(guó)科學(xué)家在1822年里相繼做出重要貢獻(xiàn)：阿拉戈和蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)繞成螺線管的電線可以讓鐵塊磁化；安培發(fā)現(xiàn)電流之間也存在相互作用；畢奧·薩伐爾發(fā)明了直線電流元理論解釋這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
和庫(kù)侖一樣，安培也是一個(gè)癡迷于物理研究的富二代科學(xué)家，從小就在父親的私人圖書(shū)館里接受科學(xué)的熏陶，從小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)到教授，再到法國(guó)科學(xué)院院士，學(xué)術(shù)之路一直順風(fēng)順?biāo)０才嗲谟谒伎几鞣N物理問(wèn)題，無(wú)論何時(shí)何地，想起來(lái)就根本停不下來(lái)。他曾將自己的懷表誤當(dāng)鵝卵石扔進(jìn)了塞納河，也曾把街上的馬車(chē)當(dāng)做黑板來(lái)推公式。
可以想象這樣一個(gè)科學(xué)癡人，當(dāng)他得知奧斯特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后是多么地興奮。安培在第一時(shí)間重復(fù)了奧斯特的所有實(shí)驗(yàn)，并把結(jié)果總結(jié)成一個(gè)非常簡(jiǎn)單的規(guī)律——右手螺旋定則[2]。現(xiàn)在，用你的右手，輕輕握住通電流的導(dǎo)線，拇指沿著電流方向，四根手指的指向就是電流對(duì)磁針作用力的方向，沒(méi)錯(cuò)，就是環(huán)繞電線的一圈(圖2)。安培把電線繞成螺線管，直接就用電流做成了一個(gè)“磁鐵”，根據(jù)右手定則可以輕松判定這個(gè)電流磁鐵的磁極方向。安培利用螺線管原理發(fā)明了第一個(gè)度量電流大小的電流計(jì)，成為電學(xué)研究的重要法寶之一(圖3)。既然通電導(dǎo)線會(huì)有磁作用力出現(xiàn)，那么兩根通電導(dǎo)線之間也會(huì)存在類(lèi)似的吸引或排斥作用，為此安培同樣總結(jié)了電流之間的相互作用規(guī)律。
關(guān)于電可生磁的奧秘，安培繼承了奧斯特的童話(huà)思維模式，想象磁鐵里面也有一群小電精靈，就像一個(gè)個(gè)電流小圈圈，形成了一大堆小電流磁針，并且指向一致，如同群飛的鳥(niǎo)兒或海洋里群游的魚(yú)兒一樣，集體的力量最終形成了極大的磁作用力。安培給他的小小電精靈取了個(gè)形象的名字，叫做分子電流。
要知道，那個(gè)時(shí)代對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)只到分子層次，關(guān)于是否存在原子以及原子內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)屬于超越時(shí)代的問(wèn)題，能創(chuàng)新地想象分子里面有環(huán)狀電流已經(jīng)十分大膽前衛(wèi)了。雖然分子電流最終被實(shí)驗(yàn)證明并不存在，但是其概念雛形為解釋固體材料里面的磁性起到了拋磚引玉的效果——磁雖然不是來(lái)自分子電流，但和材料里的電子運(yùn)動(dòng)脫不開(kāi)關(guān)系。為紀(jì)念安培的貢獻(xiàn)，后人將電流單位命名為安培，簡(jiǎn)寫(xiě)為A。
好了，我們現(xiàn)在知道，電，可生磁。那么，下一個(gè)問(wèn)題自然是：磁，可以生電嗎？
答案是肯定的。用實(shí)驗(yàn)事實(shí)回答這個(gè)問(wèn)題的第一個(gè)人，是英國(guó)一位僅有小學(xué)二年級(jí)文憑的年輕人。他不是因?yàn)樘慷z學(xué)，而是因?yàn)榧依飳?shí)在太窮了——鐵匠老爸想讓兒子早點(diǎn)出去打工，好掙錢(qián)養(yǎng)家糊口。可憐的孩子，小小年紀(jì)就到倫敦街上去賣(mài)報(bào)，去文具店站柜臺(tái)，還去書(shū)店搞裝訂，不為什么，就為混口飯吃不被餓死。幸運(yùn)的是，科學(xué)與貧富無(wú)關(guān)，窮人的孩子同樣可以對(duì)科學(xué)感興趣，甚至作出極其重要的科學(xué)貢獻(xiàn)。這位叫做邁克爾·法拉第的孩子，利用他在書(shū)店打工的機(jī)會(huì)，用他僅有的小學(xué)二年級(jí)語(yǔ)文水平，博覽群書(shū)，特別是《大英百科全書(shū)》。
法拉第對(duì)科學(xué)非常感興趣，時(shí)下最火熱的當(dāng)屬電學(xué)研究，他甚至自己搗鼓起簡(jiǎn)單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，還拉著小伙伴們一起討論科學(xué)問(wèn)題。看書(shū)不能滿(mǎn)足他日益增長(zhǎng)的好奇心，法拉第從19歲開(kāi)始頻繁出現(xiàn)在倫敦市里各種科學(xué)講座現(xiàn)場(chǎng)。一位叫做戴維的大科學(xué)家用淵博的知識(shí)征服了法拉第，很快他就成為戴維爵士的鐵桿忠實(shí)粉絲，精心記錄他的每一次演講，并用他的裝訂技術(shù)做成了一本《戴維講演錄》，寄給了他作為圣誕禮物。戴維顯然被這位渴望科學(xué)知識(shí)的窮孩子粉絲感動(dòng)了，事出湊巧，他在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)不幸把眼睛弄傷了，急需一名助手。法拉第同學(xué)就這樣，從一個(gè)倫敦街頭打工仔，變成了皇家研究所的科研助理。
對(duì)其他人來(lái)講，無(wú)非是換個(gè)地方打工，混飯吃的還是繼續(xù)混飯吃。然而對(duì)于法拉第來(lái)說(shuō)，接觸到真正的科學(xué)就等于插上了夢(mèng)想的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴維老師訪遍歐洲科學(xué)家們，也從不抱怨老師給的各種化學(xué)研究任務(wù)，在出色地完成一名科研助理工作的同時(shí)，他也努力繼續(xù)著電學(xué)和磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)。話(huà)說(shuō)19世紀(jì)初的電磁學(xué)研究領(lǐng)域大多數(shù)都是些不愁吃穿的富家子弟，法拉第在緊衣縮食的情況下，以一個(gè)寒門(mén)子弟的身份，用大量的物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)：磁可生電。
磁是如何生電的？關(guān)鍵還是三個(gè)字：動(dòng)起來(lái)。
既然運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁作用力，那么運(yùn)動(dòng)的磁鐵也會(huì)產(chǎn)生電流。法拉第用磁鐵穿過(guò)安培發(fā)明的金屬螺線管，發(fā)現(xiàn)磁鐵在進(jìn)入和離開(kāi)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，也發(fā)現(xiàn)在兩塊磁鐵間運(yùn)動(dòng)的金屬棒會(huì)產(chǎn)生電壓(圖4)。法拉第把磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，后來(lái)美國(guó)的亨利研究了感應(yīng)電流的大小與磁強(qiáng)度之間的關(guān)系。俄國(guó)的楞次總結(jié)出了電磁感應(yīng)的規(guī)律，也就是楞次定律：感應(yīng)電流的方向與金屬棒和磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)。
為了更加形象地理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第創(chuàng)造性地發(fā)明了“磁場(chǎng)”的概念。他認(rèn)為磁鐵周?chē)嬖谝粋€(gè)看不見(jiàn)摸不著的“力場(chǎng)”，就像一根根的磁力線，從磁北極出發(fā)跑到磁南極結(jié)束。讓金屬棒做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電壓或電流，電流方向由磁力線與金屬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向決定。為了證實(shí)磁場(chǎng)的存在，法拉第在各種形狀的小磁鐵周?chē)錾狭思?xì)細(xì)的鐵屑，清楚地看到了鐵屑的密度分布(圖5)。力場(chǎng)的概念至今仍然是物理學(xué)的最重要理論基礎(chǔ)，沒(méi)有之一。法拉第憑借仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)觀察，非常形象具體地解釋了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
翻開(kāi)他的實(shí)驗(yàn)記錄本，里面幾乎找不到一個(gè)數(shù)學(xué)公式，都是一張張精美的手繪實(shí)驗(yàn)圖表，讓人一目了然。正是如此，法拉第的發(fā)現(xiàn)非常適合公眾演示，他本人也是一個(gè)科普達(dá)人，組織過(guò)無(wú)數(shù)次科普講座和演示，并編寫(xiě)了《蠟燭的故事》，成為科普典范，期待著某一個(gè)角落里的某一個(gè)孩子能夠走上和他類(lèi)似的科學(xué)之路。法拉第于1825年接任戴維成為皇家研究所的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任，但是他拒絕了皇家會(huì)長(zhǎng)的提名，也拒絕了高薪等一切會(huì)干擾科研工作的東西[3]。為了紀(jì)念法拉第的貢獻(xiàn)，后人把電容的單位命名為法拉第，簡(jiǎn)寫(xiě)為F。
動(dòng)電生磁，動(dòng)磁生電。多么妙的領(lǐng)悟！
然而，究竟是先有磁，還是先有電呢？如同一個(gè)古老爭(zhēng)論不休的問(wèn)題，究竟是先有雞，還是先有蛋呢？很多人認(rèn)為當(dāng)然是先有蛋再有雞，因?yàn)樵瓌t上雞和鳥(niǎo)類(lèi)一樣，都是恐龍進(jìn)化而來(lái)，想當(dāng)年恐龍時(shí)代，大伙都下蛋，就沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)什么叫做雞！但是最近英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種蛋白質(zhì)只能在雞的卵巢里產(chǎn)生，這下還是先有雞比較靠譜。也就是說(shuō)，得先有個(gè)叫做“原雞”的動(dòng)物，下了一個(gè)蛋，叫做“雞蛋”(圖6)。那么，有沒(méi)所謂的“原磁”或“原電”呢？這才是產(chǎn)生電或磁的根源？
莫慌，莫慌，別凌亂。來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)的天才，來(lái)告訴你答案。
劍橋大學(xué)三一學(xué)院，偉大的牛頓工作的地方，那里有砸中牛教授的蘋(píng)果樹(shù)，和萬(wàn)有引力的智慧，還有許多世界聞名的大科學(xué)家。有一天，數(shù)學(xué)教授霍普金斯去圖書(shū)館借一本數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)書(shū)，發(fā)現(xiàn)已被一個(gè)剛來(lái)的年青人借走了。教授找到借書(shū)者，看到他正在筆記本上亂糟糟地摘抄書(shū)里面的內(nèi)容，教授對(duì)這位年青人敢于讀如此艱深的數(shù)學(xué)書(shū)而驚訝，同時(shí)善意提醒他記筆記要注意整潔性——這是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的基本要求。年青人透露了他對(duì)數(shù)學(xué)的興趣動(dòng)力，因?yàn)樗麑?duì)剛讀過(guò)的法拉第《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》十分感興趣，但苦于找不到合適的數(shù)學(xué)工具來(lái)理解其中大量的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。
不久，霍普金斯將他收入門(mén)下攻讀研究生，同門(mén)師兄還有大名鼎鼎的威廉·湯姆孫(開(kāi)爾文勛爵)和斯托克斯。1854年，年僅23歲的他順利闖過(guò)師兄斯托克斯主持的學(xué)位考試，畢業(yè)留校任職。有了強(qiáng)悍的數(shù)學(xué)功底，這位叫做詹姆斯·麥克斯韋的年青人正式開(kāi)始了電磁學(xué)方面的理論研究。一年后，他用兩個(gè)微積分方程描述了法拉第的實(shí)驗(yàn)，并發(fā)表了論文《論法拉第的力線》。
又過(guò)了4年，麥克斯韋轉(zhuǎn)到倫敦國(guó)王學(xué)院任教，終于有機(jī)會(huì)前去拜訪他的偶像——邁克爾·法拉第，這位比他大了整整40歲的著名科學(xué)家。一個(gè)是實(shí)驗(yàn)高手，一個(gè)是理論高手，巔峰對(duì)決，頂級(jí)交鋒，思維的火花不斷迸發(fā)。法拉第顯然對(duì)微積分公式感到一片茫然，他趕緊提醒麥克斯韋，要讓實(shí)驗(yàn)學(xué)家懂你的理論，最好建立一個(gè)物理模型。哥倆決定給這個(gè)模型取一個(gè)高大上的名字，叫做“以太”，源自亞里士多德，指的是天上除了水、火、氣、土之外的另一種神秘東西。麥克斯韋做到了！他在接下來(lái)的論文《論物理學(xué)的力線》里，完成了另外兩個(gè)描述電磁現(xiàn)象的公式。至此，麥克斯韋的“以太”模型世界里描述電磁理論的方程一共有四個(gè)，被稱(chēng)為“麥克斯韋方程組”，是物理學(xué)里面最優(yōu)美的公式之一(圖7)[4]。
終于，無(wú)論是電生磁，還是磁生電，都可以用麥克斯韋方程組來(lái)解釋。
這些看不見(jiàn)摸不著的“超距作用”原來(lái)就是電場(chǎng)或磁場(chǎng)在作祟。然而事情沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，這個(gè)方程組可以預(yù)言一種既有電場(chǎng)又有磁場(chǎng)的東西，而且傳播速度是光速！接下來(lái)，他在《電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)》里用數(shù)學(xué)論證了這種“電磁波”(時(shí)稱(chēng)“位移電流”)的存在。也就是說(shuō)，電和磁完全可以在一起，而且，我們天天看到的光，其實(shí)就是電磁波！這是何等大膽的推斷！原來(lái)電和磁本來(lái)就可以不分家的，電里可以有磁，磁里也可以有電，他們同屬于電磁相互作用。究竟是先有電還是先有磁的問(wèn)題，在麥克斯韋方程組里不攻自破，既然倆娃都不分彼此了，那就甭管誰(shuí)先誰(shuí)后的問(wèn)題了。
1873年，麥克斯韋完成《電磁學(xué)通論》一書(shū)，宣告電和磁相互作用被統(tǒng)一描述，成為繼牛頓力學(xué)之后的第二個(gè)集大成者。一個(gè)16歲的德國(guó)科學(xué)家赫茲看到了這本書(shū)，決心找到麥克斯韋預(yù)言的電磁波。15年后，實(shí)驗(yàn)終于成功，電磁波被證實(shí)存在。再往后，馬可尼、愛(ài)迪生、特斯拉、倫琴、勞厄等人的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明讓電磁波成為造福人類(lèi)社會(huì)的重要利器(圖8)。
故事遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。
盡管電和磁都統(tǒng)一了，但是電畢竟是電，磁畢竟是磁，兩者細(xì)究起來(lái)還是有區(qū)別。話(huà)說(shuō)，你吃個(gè)雞和吃個(gè)蛋，味道能一樣么？至于毛雞蛋，味道更那啥不是。一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，關(guān)于電，我們知道有正電荷和負(fù)電荷的存在，但是關(guān)于磁，為什么沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)南磁荷和北磁荷的存在？事實(shí)是，我們至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)！一塊條形磁鐵無(wú)論你怎么切，每一塊都是有南北極同時(shí)存在。仔細(xì)看麥克斯韋方程組就會(huì)發(fā)現(xiàn)，里面電場(chǎng)是有源的，而磁場(chǎng)是無(wú)源的。這……，何解？
1879年，麥克斯韋去世。同年，愛(ài)因斯坦出生。麥克斯韋方程里提到的物理模型——“以太”，最終在19世紀(jì)末引發(fā)了物理學(xué)的一場(chǎng)革命，愛(ài)因斯坦是發(fā)起這場(chǎng)革命的中堅(jiān)力量。再之后，相對(duì)論和量子力學(xué)建立，電磁學(xué)的研究進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的時(shí)代。又是一個(gè)英國(guó)的年青人，叫做保羅·狄拉克，建立了一個(gè)相對(duì)論形式的量子力學(xué)波動(dòng)方程——狄拉克方程(圖9)[5]。在這個(gè)方程里面，不僅存在帶負(fù)電的電子(負(fù)電子)，也存在帶正電的電子(正電子)，還預(yù)言了只有南極或北極的磁單極子。關(guān)于磁單極子的尋找，至今仍然是一個(gè)謎。雖然近幾年科學(xué)家們?cè)谝环N叫做自旋冰的固體材料里面發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似磁單極子的準(zhǔn)粒子(圖10)，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它并非是我們理解的單粒子，只是可以用磁單極子的理論來(lái)描述[6]。
隨著對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們逐漸了解到，宏觀的電磁現(xiàn)象實(shí)際上都來(lái)自于材料內(nèi)部微觀電子的排布方式和相互作用模式。而電磁相互作用力，屬于自然界四大基本相互作用力之一。關(guān)于電磁學(xué)的研究，一直在繼續(xù)。
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