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2016-1-15 00:34 科学网 罗会仟博客 （收藏有删减） 超导“小时代”(3)：鸡蛋同源 自泰勒斯记录摩擦起电和磁石吸铁之后的2000多年，人们对电和磁的理解一直止步于对现象的认识和利用。19世纪初，依然有许多人认为，电是电，磁是磁，电没法搞出指南针，磁也没法生成闪电。富兰克林认为电和磁石的南北极相吸一样，存在异种电荷相吸引。
图1：奥斯特和他的实验 汉斯·奥斯特是哥本哈根大学的一位普通物理系老师，在上一次物理实验课时，不经意将一个小磁针放在了电路旁边，又是不经意看到在开关电的一瞬间，小磁针会摆动。原来通电断电可以隔空操控磁针。之后他在实验室里玩了三个月的电路和小磁针，宣布发现了电和磁的魔法奥妙：运动的电荷可以让静止的磁针动起来（图1）。1820年7月21日，一篇题为《论磁针的电流撞击实验》的短论文发表，奥斯特一举成名。当时，许多物理学家都在研究静电和静磁之间的联系，但静电和磁针之间总是冷淡，啥作用都不发生，也无法相互转换。奥斯特的发现关键在于突破思维框架，在运动的电荷里寻找到了电和磁的相互作用。
图2：安培右手螺旋定则 奥斯特的实验报告犹如投河石子激起了层层涟漪。1822年，几位法国科学家相继做出重要贡献：阿拉果和盖·吕萨克发现绕成螺线管的电线可以让铁块磁化；安培发现电流之间也存在相互作用；毕奥·萨伐尔发明了直线电流元理论解释。 安培是一个痴迷于物理研究的科学家，当他得知奥斯特的实验结果之后，第一时间重复了奥斯特的所有实验，并把结果总结成一个非常简单的规律—右手螺旋定则（图2）。安培把电线绕成螺线管，直接用电流做成了一个“磁铁”，根据右手定则，可以轻松判定电流磁铁的磁极方向。安培利用螺线管原理发明了第一个度量电流大小的电流计，成为电学研究的重要法宝之一（图3）。
图3：安培实验用的螺线管和电流计 既然通电导线有磁作用力出现，那么两根通电导线之间也应该存在类似的吸引或排斥作用。安培研究了电流之间的相互作用规律，想象磁铁里面也有一群小电精灵，就像一个个电流小圈圈，形成了一大堆小电流磁针，并且指向一致，集体的力量最终形成了大的磁作用力。安培给小电精灵取了个形象的名字，叫做分子电流。虽然分子电流被后来的实验证明并不存在，但其概念雏形为解释固体材料里面的磁性起到了抛砖引玉的效果。为纪念安培的贡献，后人将电流单位命名为安培（简写为A）。 电可生磁，那磁可以生电吗？答案是肯定的。用实验事实第一个回答这个问题是英国的仅有小学二年级文凭的迈克尔·法拉第。他利用在书店打工的机会，以仅有小学二年级水平博览群书，特别是《大英百科全书》。法拉第从19岁开始频繁出现在伦敦市各种科学讲座现场。一位叫做戴维的大科学家用渊博的知识征服了法拉第，很快他成为戴维爵士的铁杆粉丝。戴维被这位渴望科学知识的穷孩子粉丝所感动，在急需一名助手的时候，法拉第从一个伦敦街头打工仔，变成了皇家研究所的科研助理。对其他人来讲，科研助理无非是换个地方打工混饭吃。然而对于法拉第来说，接触到真正的科学就等于插上了飞翔的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴维老师出访，也从不抱怨老师给的各种化学研究任务。他在出色地完成科研助理工作的同时，努力继续着电学和磁学的实验。19世纪初的电磁学研究领域大都是些不愁吃穿的富家子弟，法拉第在紧衣缩食的情况下，以一个寒门子弟的身份用大量的物理实验证实：磁可生电。
图4：法拉第与电磁感应现象 磁生电的关键是“动起来”。既然运动的电荷能产生磁作用力，那么运动的磁铁也应该产生电流。法拉第用磁铁穿过安培发明的金属螺线管，发现磁铁在进入和离开线圈时会产生电流，也发现在两块磁铁间运动的金属棒会产生电压（图4）。法拉第把磁产生电的现象叫做电磁感应。后来，美国的亨利研究了感应电流的大小与磁强度之间的关系；俄国的楞次总结出了电磁感应的楞次定律：感应电流的方向与金属棒和磁铁相对运动方向相关。为了形象地理解电磁感应现象，法拉第提出了“磁场”概念。他认为磁铁周围存在一个看不见摸不着的“力场”，就像一根根的磁力线，从磁北极出发跑到磁南极结束。让金属棒做切割磁力线的运动，就会产生电压或电流，电流方向由磁力线与金属的相对运动方向决定。为了证实磁场的存在，法拉第在各种形状的小磁铁周围撒上了细细的铁屑，清楚看到了铁屑的密度分布（图5）。力场的概念至今仍然是物理学的最重要理论基础。法拉第的实验记录里几乎找不到一个数学公式，都是一张张精美的手绘实验图表，让人一目了然。。
图5：法拉第手绘的磁力线图 然而，究竟是先有磁还是先有电，是一个如同“鸡蛋”的问题。很多人认为鸡是鸡恐龙进化而来，当然是先有蛋再有鸡。最近，英国科学家发现有一种蛋白质只能在鸡的卵巢里产生，看来还是先有鸡比较靠谱。于是就有个“原鸡”了，下了蛋叫做“鸡蛋”。那么，有无所谓的“原磁”或“原电”呢？ 终于，无论是电生磁，还是磁生电，都可以用麦克斯韦方程组来解释。这些看不见摸不着的“超距作用”原来就是电场或磁场在作祟。然而事情没有那么简单，麦克斯韦发现，这个方程组可以预言一种既有电场又有磁场的东西，而且传播速度是光速！接下来，他在《电磁场动力学》里用数学方法论证了这种“电磁波”（时称“位移电流”）的存在。究竟是先有电还是先有磁的问题，在麦克斯韦方程组里不攻自破，既然俩娃都不分彼此了，那就甭管谁先谁后的问题了。 1873年，麦克斯韦完成《电磁学通论》一书，宣告电和磁相互作用被统一描述，成为继牛顿力学之后的第二个集大成者。16岁的德国科学家赫兹决心找到麦克斯韦预言的电磁波。15年后，实验终于得到成功，电磁波被证实存在。 尽管电和磁都统一了，但是电毕竟是电，磁毕竟是磁，两者细究起来还是有区别。电有正电荷和负电荷的存在，而磁为什么没有南磁荷和北磁荷？一块条形磁铁无论你怎么切，每一块都是有南北极同时存在。如果从麦克斯韦方程组看，电场是有源的，而磁场却是无源的。 1879年，麦克斯韦去世。同年爱因斯坦出生。麦克斯韦方程里提到的物理模型—“以太”，最终在19世纪末引发了物理学的一场革命。之后相对论和量子力学诞生，电磁学的研究进入到了一个崭新的时代。英国保罗·狄拉克建立了一个相对论形式的量子力学波动方程（狄拉克方程）。在这个方程里面，不仅存在带负电的电子（负电子），也存在带正电的电子（正电子），还预言了有南极或北极的磁单极子。关于磁单极子的寻找，至今仍然是一个谜。近几年在一种叫做自旋冰的固体材料里面发现了类似磁单极子的准粒子，但严格来说它并非是我们理解的单粒子，只是可以用磁单极子的理论来描述。 现在人们逐渐了解到，电磁现象实际上都来自于材料内部微观电子的排布方式和相互作用模式，而电磁相互作用力属于自然界四大基本相互作用力之一。 |
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