书城科普读物站在巨人肩上-从法拉第谈磁物理学
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第8章 电与磁的联姻

“快走啊,今天是奥斯特教授的实验演示课。去晚了,就会没有座位了。”一位大学生急切地招呼他的同伴。

“现在已经晚了,肯定没有位置了。”另一个大学生插言道。说话之间,从哥本哈根大学物理实验室方向,传来了清脆的上课铃声。三人急忙跑向物理实验室。

当迟到的学生找到了自己的座位,实验助理员乔万尼关上教室的门。讲台后面出现了衣着整洁、表情丰富、一头银发的奥斯特教授。大学生们都十分愿意听奥斯特教授讲课,他也总是热情洋溢的把自己的知识传授给学生。讲台就是舞台。在这个舞台上进行娓娓动听、令人难忘的报告,是奥斯特教授的一种癖好。

“先生们!”他对学生们说道,“自然界的许多规律都是相互联系的,这就同自然现象是相互联系的一样。伟大的自然哲学家谢林告诉我们,注重自然规律之间的联系,是揭开自然界奥秘的钥匙。”

奥斯特教授不愧是一个出色的演说家,他讲课的第一句话就已经引起了大学生们的兴趣。今天的课程是讲解和演示电和热现象的相互联系。精彩的实验演示将更会吸引求知欲强烈的学生。

根据教授的手势,乔万尼接通了伽伐尼电池的电流。在很细的白金导线上,通过的电流把白金导线烧得通红。接通电流的瞬间,奥斯特教授的目光迅速地瞥了一下磁针,磁针悬在靠近白金导线的一条金属线上,看来磁针已经离开刚才实验开始的位置。他看到那条金属丝被烧红,而磁针改变了位置。起初他并不认为这个现象有什么意义,他只是以为磁针的偏离是由于导线的温度影响的结果。

实验在继续,当乔万尼换上较粗的试验导线,接通电流时,他发现磁针重又离开。当乔万尼中断电流时,导线仍然是热的,磁针却又回到了原来出发的位置上。

“这是怎么回事!”奥斯特烦躁不安地陷入困惑。“很可能,这就是我早就断言过的,在电和磁现象之间必然有某种相互间的联系……”他自言自语。

讲课中的瞬间停顿对他来说可不是一件寻常的小事,大学生们正在全神贯注地注视着他呢。奥斯特极力克制住自己的感情,吩咐乔万尼不要动桌子上的任何东西。

奥斯特感到今天的课特别长下课铃声终于响了,他松了一口气。当最后一名学生刚刚离开教室,奥斯特像冲锋一样又回到教室,奔向试验仪器。他一遍又一遍地接通和切断电流,仔细观察着磁针的移动,奥斯特完全沉醉在工作之中,甚至没有觉察夜幕已经垂落,一弯新月已悄然爬上了树梢。他仍未找出问题的答案,他不禁回忆起几件往事。

1681年的夏天,一艘航行在大西洋的商船遭到了雷击,结果造成船上的三只罗盘全部失灵(两只退磁,另外一只指针倒向),商船险些葬身鱼腹。后来,还有一次,意大利的一家五金店被闪电击中,事后发现一些钢刀被磁化了。由于当时连闪电的性质都没有搞清,这些现象谁也解释不了。

19世纪以前,人们基本上把电和磁作为两个独立的互不相关的现象加以研究,电和磁的现象之间有什么联系呢?人们拿不出肯定的答案。奥斯特清楚地记得,他在1812年发表的《关于化学定律的见解》一文中,就提出了电和磁之间存在着联系的问题。但一直苦于拿不出实验证据来,为此他曾长期苦恼。奥斯特从1807年就开始研究电和磁的关系,至此已时历13年之久。

一想到这些,奥斯特喃喃自语地说:“明天,明天还要继续进行试验。”他同时计算着各种试验装置需要多少只伽伐尼电池。这一夜他几乎失眠了。

第二天,为了更好地观察电流对磁针的影响,他和乔万尼用20个伽伐尼电池搞成了个很大的“电流影响磁针的实验装置”。

奥斯特手里拿着一个既能自由悬挂,又易于作平面转动的磁针。磁针处在从北向南的方向上,他将导线安装在磁针下面。接通电源,磁针发生偏转向着与导线不同的一个新方向停下来。关闭电源,磁针就恢复原来的状态。

奥斯特在磁针上、下、侧面、各种不同距离与各种方向上重复做实验。功夫不负苦心人,他成功地发现了电流的磁作用,同时发现了电与磁之间的相互作用。从吉尔伯特时代起,被认为是完全不同的两种现象之间的关系,被奥斯特发现了。

为了稳妥起见,奥斯特以研究工作者正常的怀疑主义态度,试验了多种不同金属材料制成的导线,但磁针的偏转几乎完全一样。直流电对磁针的影响甚至在被金属、玻璃、木材、水、树脂、泥土、石块的隔离时也表现出来。但是,当奥斯特用玻璃、树脂和其他东西制作“磁针”时,这些针却对电流毫无反应。

1820年,奥斯特在《磁针电抗作用实验》中,公布了自己的研究成果。这些成果推动了欧姆、安培和法拉第做出重要的发现,使物理学中出现了一个新的天地——电磁学领域。奥斯特的发现受到当时欧洲科学界的高度重视,伦敦皇家学会和法国科学院分别授予奥斯特荣誉勋章。直到晚年,奥斯特仍然忘记不了他和高斯的友谊。那是他在欧洲大陆一次长途旅行时发生的事情。

正值隆冬,一辆四轮轿式马车夹着寒风驰往德国的哥廷根大学城。跑了整整一天的马车终于停在了一座教授住宅跟前。从门里走出一位神采奕奕的中年人,他跑上前去,一把握住奥斯特的手,说:“您终于来了,您的发现已经叩住了人们的心弦,使我们看到了电磁学的曙光。”

奥斯特仔细地端详着这位欧洲大名鼎鼎的“数学王子”——高斯,他是那样的随和、安详。他的头脑仿佛是一座装着数学定律的仓库,需要什么只要往外拿就行了。

两个人虽初次见面,但像久别重逢的老朋友,立刻热烈地交谈起来。晚饭后,高斯和奥斯特坐在温暖的壁炉旁,畅谈着人生与科学的发展。奥斯特谈起了丹麦的生活,谈起了他从兰格兰岛的家乡走上哥本哈根大学讲台不平凡的经历。

汉斯·克利斯提安·奥斯特,1777年8月14日出生于丹麦鲁德克宾市。爸爸是药房主,这使奥斯特自幼就喜欢学习自然科学、哲学和医学。他22岁成为医学博士。然而,化学实验课成为他最热衷的功课。特别使他感兴趣的是伏打发明的电堆,这使他走上了探索电与磁关系的道路。

高斯望着与自己同龄的奥斯特,兴奋地说:“你的发现将永垂青史,人们将铭记你的功绩。”奥斯特的欧洲长途旅行,听腻了这样的过誉之辞。高斯这样的评价并没有使奥斯特兴奋。但高斯的见地却使他难以忘怀,这是他一直尊敬高斯的重要原因。

“奥斯特先生,你发现了电流对磁针的作用,这是一个划时代的功绩。但你是否想到要用数量关系来定量地表示它们,才能更深入地向前进步。”

“是的,高斯先生,这正是我不敢掉以轻心的原因。认真测量电流与磁针之间的作用,并概括出电磁作用定律,还有待进一步的工作和实验,需要很深的数学,而这是我力所不及的。未来的人们可能会解这一难题。”奥斯特直觉地意识到高斯提出问题的难度。

后来,奥斯特的发现成了近代电磁学的突破口,各国物理学纷纷转向电磁研究。高斯、戴维、安培、法拉第、麦克斯韦,还有一大批人,被吸引到电磁学领域。奥斯特成为吸引力的中心。

在电磁学的历史地位中,如果说法拉第是垦荒者,麦克斯韦是集大成者的话,那么,这些人的启蒙恩师无疑就是汉斯·奥斯特。

奥斯特一生幻想着能用科学发现造福于人类。他生前研究的大都是自然科学的基本理论。他发现的电磁相互联系,为电动机和发电机的发明奠定了基础,还揭开了人类今日片刻不能离开的电磁世界奥秘。电报、电话、雷达、电视、人造卫星,所有这一切都开始于哥本哈根大学物理实验室的那些演讲,和乔万尼接通电流引起磁针偏转的一瞬间。