陈晨星
一次科学演示中的伟大发现 精选
2020-12-30 09:58
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回望科学发展史时,一种简单肤浅的视角是把几个主要人物的功绩突出放大,又忽视了同期的科学群体中其他科学家的贡献,如同远眺风景只见高峰而对绵延其下宏伟的山脉却视而不见。譬如,经典电磁学理论的建立与完善至少直接涉及几十位著名或不太知名的科学家共同探索努力的结果,但常常被后人赞颂的是那可数的几位,甚至好事者还煞有介事地为“好汉们”排座次就难免有些幼稚简单了。当然,这种以点代面的简化也不失为一种权宜之法,它令头绪万端、纷纭芜杂的科学探索历程便于爬梳与串联,因此在各类科学教科书与科普读物中较常采用。

眼看2020年的日历即将翻过,今天带大家重访的依然是一座山峰,两百年前,一位丹麦的自然哲学家做出的发现开启了一个全新的纪元。他就是汉斯·克里斯蒂安·奥斯特Hans Christian Ørsted (1777 - 1851)。

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今年刚好是这一伟大发现200周年,仅以此短文聊表纪念。    

时间先回到1819年的冬天,从这个冬天到来年的春季,哥本哈根的奥斯特教授为丹麦已经有着较高的自然哲学基础的学者们开设系列公开课程。重点讲授伽伐尼电、伏打电堆、磁现象等当时的前沿科学。奥斯特善于演讲,他的课堂也不单调乏味,总是有不少新奇的实验来辅助演示。

在1820年四月的一个晚上,奥斯特教授又有一次课。他本来是准备演示用电池装置给一根细铂丝供电,为听众演示铂丝发热的过程。这个实验实际是他在几年前考虑电与磁相互联系时设计的一个实验。尽管当时欧洲学术主流认为电现象和磁现象是两种互不相干的现象,其中以法国著名的发现静电荷作用定律的库仑为代表。而奥斯特从青年时期开始深受康德、谢林等人哲学思想影响,认同各种自然力的统一。他的博士论文就是关于康德哲学思想的研究。1803年他曾经这样说:“我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散罗列,而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”

因此,在他多年来思考电、磁现象的联系时,他就曾设想:如果上述实验细铂丝会发热呈暗红色,再找一根更细的换上就有可能发光,甚至在周围还可能有磁性出现。(尽管现在看起来这个想法是有错误和漏洞的)。因此,也许是灵光乍现,这个早已在头脑中盘旋的方案忽然跳了出来,演讲中意犹未尽的奥斯特决定在这次讲座结束前不妨在听众面前一试:他把用玻璃盒罩住的小磁针放在了铂丝下方的不远处,然后接通了铂丝与电源之间的连接,突然,磁针动了一下,他连忙反转电流方向……

就在这一瞬间,历史凝固了。如同拉普拉斯曾不无伤感的表示,永远不会有第二个牛顿,因为世界只有一个。同样,首次发现电流的磁效应的实验对于人类来说也只能有一次,永恒的第一次!

……就在奥斯特再次接通的一瞬间,磁针又晃动了一下,不知他的心脏是否在那一刻停止片刻抑或又狂跳不息。有资料说,他兴奋得甚至摔了一跤。他最终还是抑制住了内心的激动,并没有对听众解释这个难以觉察的实验现象。也许他一下明白了之前许多失败的实验的问题,他一直试图把磁针放在电流的直线上或延长线方向,而电流对磁针的力居然是横向的!

之后的三个月,奥斯特不断探索,不仅重复相关实验,又研究了许多电流与磁针的相互作用实验。在1820年7月21日他公开发表了《关于电流对磁针作用的实验》小册子,这个用拉丁文写就的仅有四页的论文或说实验报告如实记录了他的发现。他进一步发现电流会在其周围产生圆形磁场,磁铁对悬挂的电流有力的作用,还指出电流与磁针之间的作用与之间存在其他的物质无关,这些物质包括:玻璃、木头、石头、陶器等等。奥斯特把自己的小册子寄给了几十位当时欧洲主要的研究电、磁现象的科学家包括法国的库仑、阿拉果、安培、毕奥、萨伐尔,英国的戴维、沃拉斯顿等人。

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法国科学界反响极其热烈,仅一个多月后,安培就跟进研究,发表首篇论文,之后又发表多篇论文,其中的安培定则给出了电流磁效应的便捷的判断方法,直导线相互作用力、分子电流假说也相继问世。正如法拉第赞叹道:“这个发现猛然打开了科学中一个黑暗领域的大门”。


    当然,也有人不以为然,认为奥斯特的发现是个幸运的“偶然”。再后来对这一伟大发现的分析与定位竟引起物理学史上不同观点的交锋。大致可分成偶然幸运派和哲学引领派,这是后话。

    到底还是法国著名生物学家巴斯德一语中的,他曾在一次演讲中谈及奥斯特的发现并留下了被后人不断引用的名言:“机遇从来只偏爱那些有准备的头脑。”


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