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電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析

發(fā)布時間:2016-02-11 責任編輯:wenwei

【導讀】自從泰勒斯這位科學老祖記錄摩擦起電和磁石吸鐵這兩個物理現(xiàn)象以來,2000多年過去了,人們對電和磁的理解還是極其有限。無論是中國風水先生用羅盤定乾坤,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實驗,都是止步于電和磁極其常見的現(xiàn)象認識和利用。甚至到19世紀初期,許多人依然認為電和磁風馬牛不相及,電是電,磁是磁,電沒法搞出指南針,磁也沒法生成閃電。然而,當真如此?
 
如果仔細思考摩擦起電和磁石吸鐵兩個現(xiàn)象,不難發(fā)現(xiàn)它們有一個共同特征:吸引作用。富蘭克林認為電之間也存在異種電荷相吸,和磁石的南北極相吸其實一樣,所謂陰陽,是為相吸。
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析
  
發(fā)現(xiàn)電和磁之間的小秘密,需要一點點童話般的幻想,加上細致入微的觀察,還有大量的實驗驗證。19世紀的一個丹麥人,他符合上述所有條件。喔,您別想多了,他不是安徒生。確實,我們偉大的童話大王,安徒生先生,創(chuàng)作了《賣火柴的小女孩》、《丑小鴨》、《海的女兒》等著名的童話故事。他還寫了更多不那么出名的童話,《兩兄弟》就是其一,人物原型是他的一位好基友。話說,這位朋友整整比安徒生大了28歲,是他報考哥本哈根大學的主考官,也算是老師了?;蛟S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,一起吟詩作樂,順便聊聊科學[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。某一次物理實驗課,一切似乎都是老樣子,連電路,打開關,講課,斷電,收工。
 
然而不經(jīng)意間,一個小磁針放在了電路旁邊,又是不經(jīng)意間,他注意到開關電一瞬間,小磁針都會擺動幾下。就像童話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,萬分激動的這位仁兄差點摔到講臺下面去。之后,這位40多歲的普通物理教師,在實驗室里愣是樂此不彼地玩了三個月的電路和小磁針,宣布發(fā)現(xiàn)了電和磁的魔法奧妙——運動的電荷可以讓靜止的磁針動起來(圖1)。1820年7月21日,一篇題為《論磁針的電流撞擊實驗》的4頁短論文發(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,同時期的許多物理學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于冷淡,啥作用都不發(fā)生,也無法相互轉(zhuǎn)換。奧斯特的發(fā)現(xiàn),關鍵在于突破思維框架,在運動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)。奧斯特這個名字,后來于1934年被命名為磁場強度的單位,簡寫為Oe,沿用至今。
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析  
 
奧斯特的實驗報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研究,激起了層層漣漪。幾位法國科學家在1822年里相繼做出重要貢獻: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驗結(jié)果。
 
和庫侖一樣,安培也是一個癡迷于物理研究的富二代科學家,從小就在父親的私人圖書館里接受科學的熏陶,從小學、中學、大學到教授,再到法國科學院院士,學術(shù)之路一直順風順水。安培勤于思考各種物理問題,無論何時何地,想起來就根本停不下來。他曾將自己的懷表誤當鵝卵石扔進了塞納河,也曾把街上的馬車當做黑板來推公式。
 
可以想象這樣一個科學癡人,當他得知奧斯特的實驗結(jié)果之后是多么地興奮。安培在第一時間重復了奧斯特的所有實驗,并把結(jié)果總結(jié)成一個非常簡單的規(guī)律——右手螺旋定則[2]?,F(xiàn)在,用你的右手,輕輕握住通電流的導線,拇指沿著電流方向,四根手指的指向就是電流對磁針作用力的方向,沒錯,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“磁鐵”,根據(jù)右手定則可以輕松判定這個電流磁鐵的磁極方向。安培利用螺線管原理發(fā)明了第一個度量電流大小的電流計,成為電學研究的重要法寶之一(圖3)。既然通電導線會有磁作用力出現(xiàn),那么兩根通電導線之間也會存在類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。
 
關于電可生磁的奧秘,安培繼承了奧斯特的童話思維模式,想象磁鐵里面也有一群小電精靈,就像一個個電流小圈圈,形成了一大堆小電流磁針,并且指向一致,如同群飛的鳥兒或海洋里群游的魚兒一樣,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形象的名字,叫做分子電流。
 
要知道,那個時代對微觀世界的認識只到分子層次,關于是否存在原子以及原子內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)屬于超越時代的問題,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驗證明并不存在,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——磁雖然不是來自分子電流,但和材料里的電子運動脫不開關系。為紀念安培的貢獻,后人將電流單位命名為安培,簡寫為A。
 
好了,我們現(xiàn)在知道,電,可生磁。那么,下一個問題自然是:磁,可以生電嗎?
 
答案是肯定的。用實驗事實回答這個問題的第一個人,是英國一位僅有小學二年級文憑的年輕人。他不是因為太笨而輟學,而是因為家里實在太窮了——鐵匠老爸想讓兒子早點出去打工,好掙錢養(yǎng)家糊口??蓱z的孩子,小小年紀就到倫敦街上去賣報,去文具店站柜臺,還去書店搞裝訂,不為什么,就為混口飯吃不被餓死。幸運的是,科學與貧富無關,窮人的孩子同樣可以對科學感興趣,甚至作出極其重要的科學貢獻。這位叫做邁克爾·法拉第的孩子,利用他在書店打工的機會,用他僅有的小學二年級語文水平,博覽群書,特別是《大英百科全書》。
 
法拉第對科學非常感興趣,時下最火熱的當屬電學研究,他甚至自己搗鼓起簡單的電學實驗,還拉著小伙伴們一起討論科學問題??磿荒軡M足他日益增長的好奇心,法拉第從19歲開始頻繁出現(xiàn)在倫敦市里各種科學講座現(xiàn)場。一位叫做戴維的大科學家用淵博的知識征服了法拉第,很快他就成為戴維爵士的鐵桿忠實粉絲,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知識的窮孩子粉絲感動了,事出湊巧,他在做化學實驗時不幸把眼睛弄傷了,急需一名助手。法拉第同學就這樣,從一個倫敦街頭打工仔,變成了皇家研究所的科研助理。
 
對其他人來講,無非是換個地方打工,混飯吃的還是繼續(xù)混飯吃。然而對于法拉第來說,接觸到真正的科學就等于插上了夢想的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴維老師訪遍歐洲科學家們,也從不抱怨老師給的各種化學研究任務,在出色地完成一名科研助理工作的同時,他也努力繼續(xù)著電學和磁學的實驗。話說19世紀初的電磁學研究領域大多數(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,以一個寒門子弟的身份,用大量的物理實驗證實:磁可生電。
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析  
 
磁是如何生電的?關鍵還是三個字:動起來。
 
既然運動的電荷會產(chǎn)生磁作用力,那么運動的磁鐵也會產(chǎn)生電流。法拉第用磁鐵穿過安培發(fā)明的金屬螺線管,發(fā)現(xiàn)磁鐵在進入和離開線圈時會產(chǎn)生電流,也發(fā)現(xiàn)在兩塊磁鐵間運動的金屬棒會產(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,后來美國的亨利研究了感應電流的大小與磁強度之間的關系。俄國的楞次總結(jié)出了電磁感應的規(guī)律,也就是楞次定律:感應電流的方向與金屬棒和磁鐵相對運動方向相關。
 
為了更加形象地理解電磁感應現(xiàn)象,法拉第創(chuàng)造性地發(fā)明了“磁場”的概念。他認為磁鐵周圍存在一個看不見摸不著的“力場”,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動,就會產(chǎn)生電壓或電流,電流方向由磁力線與金屬的相對運動方向決定。為了證實磁場的存在,法拉第在各種形狀的小磁鐵周圍撒上了細細的鐵屑,清楚地看到了鐵屑的密度分布(圖5)。力場的概念至今仍然是物理學的最重要理論基礎,沒有之一。法拉第憑借仔細的實驗觀察,非常形象具體地解釋了電磁感應現(xiàn)象。
 
翻開他的實驗記錄本,里面幾乎找不到一個數(shù)學公式,都是一張張精美的手繪實驗圖表,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,他本人也是一個科普達人,組織過無數(shù)次科普講座和演示,并編寫了《蠟燭的故事》,成為科普典范,期待著某一個角落里的某一個孩子能夠走上和他類似的科學之路。法拉第于1825年接任戴維成為皇家研究所的國家實驗室主任,但是他拒絕了皇家會長的提名,也拒絕了高薪等一切會干擾科研工作的東西[3]。為了紀念法拉第的貢獻,后人把電容的單位命名為法拉第,簡寫為F。
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析 
 
動電生磁,動磁生電。多么妙的領悟!
 
然而,究竟是先有磁,還是先有電呢?如同一個古老爭論不休的問題,究竟是先有雞,還是先有蛋呢?很多人認為當然是先有蛋再有雞,因為原則上雞和鳥類一樣,都是恐龍進化而來,想當年恐龍時代,大伙都下蛋,就沒有聽說過什么叫做雞!但是最近英國科學家發(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,得先有個叫做“原雞”的動物,下了一個蛋,叫做“雞蛋”(圖6)。那么,有沒所謂的“原磁”或“原電”呢?這才是產(chǎn)生電或磁的根源?
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析 
 
莫慌,莫慌,別凌亂。來自英國劍橋大學的天才,來告訴你答案。
 
劍橋大學三一學院,偉大的牛頓工作的地方,那里有砸中牛教授的蘋果樹,和萬有引力的智慧,還有許多世界聞名的大科學家。有一天,數(shù)學教授霍普金斯去圖書館借一本數(shù)學專業(yè)書,發(fā)現(xiàn)已被一個剛來的年青人借走了。教授找到借書者,看到他正在筆記本上亂糟糟地摘抄書里面的內(nèi)容,教授對這位年青人敢于讀如此艱深的數(shù)學書而驚訝,同時善意提醒他記筆記要注意整潔性——這是學習數(shù)學的基本要求。年青人透露了他對數(shù)學的興趣動力,因為他對剛讀過的法拉第《電學實驗研究》十分感興趣,但苦于找不到合適的數(shù)學工具來理解其中大量的實驗規(guī)律。
 
不久,霍普金斯將他收入門下攻讀研究生,同門師兄還有大名鼎鼎的威廉·湯姆孫(開爾文勛爵)和斯托克斯。1854年,年僅23歲的他順利闖過師兄斯托克斯主持的學位考試,畢業(yè)留校任職。有了強悍的數(shù)學功底,這位叫做詹姆斯·麥克斯韋的年青人正式開始了電磁學方面的理論研究。一年后,他用兩個微積分方程描述了法拉第的實驗,并發(fā)表了論文《論法拉第的力線》。
 
又過了4年,麥克斯韋轉(zhuǎn)到倫敦國王學院任教,終于有機會前去拜訪他的偶像——邁克爾·法拉第,這位比他大了整整40歲的著名科學家。一個是實驗高手,一個是理論高手,巔峰對決,頂級交鋒,思維的火花不斷迸發(fā)。法拉第顯然對微積分公式感到一片茫然,他趕緊提醒麥克斯韋,要讓實驗學家懂你的理論,最好建立一個物理模型。哥倆決定給這個模型取一個高大上的名字,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!他在接下來的論文《論物理學的力線》里,完成了另外兩個描述電磁現(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,被稱為“麥克斯韋方程組”,是物理學里面最優(yōu)美的公式之一(圖7)[4]。
 
終于,無論是電生磁,還是磁生電,都可以用麥克斯韋方程組來解釋。
 
這些看不見摸不著的“超距作用”原來就是電場或磁場在作祟。然而事情沒有那么簡單,麥克斯韋發(fā)現(xiàn),這個方程組可以預言一種既有電場又有磁場的東西,而且傳播速度是光速!接下來,他在《電磁場動力學》里用數(shù)學論證了這種“電磁波”(時稱“位移電流”)的存在。也就是說,電和磁完全可以在一起,而且,我們天天看到的光,其實就是電磁波!這是何等大膽的推斷!原來電和磁本來就可以不分家的,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,那就甭管誰先誰后的問題了。
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析 
 
1873年,麥克斯韋完成《電磁學通論》一書,宣告電和磁相互作用被統(tǒng)一描述,成為繼牛頓力學之后的第二個集大成者。一個16歲的德國科學家赫茲看到了這本書,決心找到麥克斯韋預言的電磁波。15年后,實驗終于成功,電磁波被證實存在。再往后,馬可尼、愛迪生、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社會的重要利器(圖8)。
 
故事遠遠沒有結(jié)束。
 
盡管電和磁都統(tǒng)一了,但是電畢竟是電,磁畢竟是磁,兩者細究起來還是有區(qū)別。話說,你吃個雞和吃個蛋,味道能一樣么?至于毛雞蛋,味道更那啥不是。一個簡單的問題,關于電,我們知道有正電荷和負電荷的存在,但是關于磁,為什么沒有聽說過南磁荷和北磁荷的存在?事實是,我們至今沒有發(fā)現(xiàn)過!一塊條形磁鐵無論你怎么切,每一塊都是有南北極同時存在。仔細看麥克斯韋方程組就會發(fā)現(xiàn),里面電場是有源的,而磁場是無源的。這……,何解?
 
電磁理論的“雞生蛋,蛋生雞”原理解析  
 
1879年,麥克斯韋去世。同年,愛因斯坦出生。麥克斯韋方程里提到的物理模型——“以太”,最終在19世紀末引發(fā)了物理學的一場革命,愛因斯坦是發(fā)起這場革命的中堅力量。再之后,相對論和量子力學建立,電磁學的研究進入到了一個嶄新的時代。又是一個英國的年青人,叫做保羅·狄拉克,建立了一個相對論形式的量子力學波動方程——狄拉克方程(圖9)[5]。在這個方程里面,不僅存在帶負電的電子(負電子),也存在帶正電的電子(正電子),還預言了只有南極或北極的磁單極子。關于磁單極子的尋找,至今仍然是一個謎。雖然近幾年科學家們在一種叫做自旋冰的固體材料里面發(fā)現(xiàn)了類似磁單極子的準粒子(圖10),但嚴格來說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描述[6]。
 
隨著對微觀世界認識的不斷深入,人們逐漸了解到,宏觀的電磁現(xiàn)象實際上都來自于材料內(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。關于電磁學的研究,一直在繼續(xù)。



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