電磁學的產生是個「偶然」？_風聞

第一個電池，也就是伏打電堆，是通往電動力學唯一而隱秘的入口。直到亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）發現伏打電堆的20年後，人們才意識到它最關鍵的作用不是作為恆定的電壓源而是作為電流源。這是之前人們沒有預料到的，因此之前沒有人刻意去製造這樣一種裝置，它的出現很大程度上源於實驗中的好運氣和巧合。

1800年3月20日，伏打寫信給皇家學會主席約瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks），信中介紹了伏打電堆的製造方法，他將幾種金屬和鹽溶液通過合理的方式組合起來製造穩恆電壓源。他還沒有意識到這個成果會推開科學技術新世界的大門。

伏打電堆

1800年，電流的概念還不為人所知。伏打電堆被髮明後，人們談論的是連接在伏打電堆上的導線中的“電氣衝突（electrical conflict）”，直到1820年安培才意識到電流就是電荷的流動。大家之所以沒有試圖去建造電流源，是因為當時還沒有人能預見到移動電荷可以產生磁性。電動力學的發現是建立在大量巧合之上的。

顫慄的青蛙腿

故事始於1756年，這一年卡爾達尼（Leopoldo Marc-Antonio Caldani）發現青蛙腿在接觸靜電發生器時會劇烈痙攣。1786年9月，伽伏尼（Luigi Aloisio Galvani）做出了令人震驚的發現：即使沒有靜電發生器，青蛙腿也可能發生痙攣。

我們現在可以理解發生在伽伏尼面前的事：他偶然間讓青蛙腿接觸到兩種不同的金屬。因為青蛙腿含有導電液體，伽伏尼製造了第一塊電池，又因為青蛙腿裏有神經，所以它既可以產生又可以探測這樣一種新現象。在這裏，巧合起到了一定作用。伽伏尼相信他發現了神秘的“活力（ life-force）”。而伏打則意識到，發生這些現象的原因並不是“活力”，而是不同金屬之間的接觸。

從我們現在的觀點來看，即便是偉大的伏打也弄錯了。伏打的實驗和反應是“錯誤理論也可以引導正確實驗”的典型例子。我們將更仔細地研究這段歷史。

第一塊電池的誕生

伏打用於測量低電壓的靜電計

1792年之後，伏打研究了不同金屬之間的接觸電壓。1795年，他用可變電容製造了一台靈敏的靜電計。事實上，他製造了非常複雜的測量工具，使得他對電壓的測量精度達到1伏特。1799年，他首次測量了不同金屬之間的接觸電壓，接觸電壓只有當金屬的接觸斷開時才能被測量。伏打斷定在不同金屬組成的閉合迴路中總接觸電壓為0。這時他意識到只用金屬是造不出穩恆電源的。

伏打測量金屬之間的接觸電壓。上方的金屬（銀）通過和下方的金屬（鋅）接觸，獲得靜電荷，並通過靜電計被探測到

1799年，伏打開始研究液體和金屬之間的接觸電壓，此時他同樣是測量接觸斷開後的發生的現象。事實上，他的實驗表明金屬和液體之間的接觸電壓也是0。在這裏，伏打的論證存在一個漏洞，在他的實驗中，有少量的液體覆蓋在金屬表面，因此，他並沒有將液體和金屬分離開，他只是斷開了液體與液體之間的接觸。

伏打測量金屬和鹽水之間的接觸電壓。接觸被切斷時，金屬表面仍附有薄薄一層液體，此時靜電計探測不到電荷

之後伏打就發現了製造穩恆電源的方法。他將鋅片和銀片疊在一起，並覆蓋上了一層液體，接下來再疊上一層鋅片和一層銀片。伏打直到1827年去世都認為伏打電堆的工作原理時金屬之間的接觸，和他同時代的物理學家大多也都這樣認為。直到1836年，拉里夫（de Larive）才找到解釋伏打電堆工作原理的現代理論：當金屬電極浸沒在液體中，會在金屬原子中產生一種趨勢，使其以離子的形式擴散進入液體，從而在電極和液體之間產生可測量的電壓。

左側是伏打的理論，伏打認為金屬之間的接觸電壓是電池能夠工作的關鍵。右側是拉里夫的現代理論

統一磁與電

伏打電堆的發明意味着人們打開了通往電動力學的大門。二十年後，奧斯特（Hans Christian Oersted）做出了突破性進展。1820年7月20日，奧斯特發表了一篇論文，稱電流可以影響小磁針的轉動——電和磁於是被統一在了一起。直到20世紀初，愛因斯坦才正確的提出磁場可以看作是經過洛倫茲變換後的電場，因此電和磁具有同一性。

回到奧斯特所處的時代：自從1600年吉爾伯特（William Gilbert）發表了《論磁》以後，人們一直在尋找電和磁之間的聯繫。吉爾伯特説，和磁性相似，經過摩擦的琥珀、蠟、玻璃、硫磺和寶石也會表現出奇妙的遠距效應，它們都會因摩擦而帶電。因此，吉爾伯特發現的這一孤立現象導致了一門新學科的誕生。他打開了靜電學的大門。

奧斯特試圖尋找靜電和磁之間的橋樑。他將磁針在伏打電堆的一個電極附近移動，然而完全沒有發現任何效應。1820年，奧斯特在課堂上講述導線中的“電氣衝突”：通過伏打電堆加熱一根導線。偶然擺在桌子上的磁針微微轉動了一下。這次也一樣，偶然因素在科學發展史上起到了重要作用。在奧斯特發現了電流的磁效應之後，各種各樣的實驗就可以開展起來了。接下來安培（André-Marie Ampère）又向前走出了一大步。

1820年9月11日-18日，這一週是安培創造力迸發的一週，他做出了四項極其重要的發現。安培首次發現電流就是電荷的流動。他發現了電流與電流之間的相互作用並且假設所有的磁性都源於電流，永磁體的磁性來自於此體內永恆流動的電流，這一論斷直到100年後才被愛因斯坦和德·哈斯（Johannes Wander de Haas）所證明。

愛因斯坦和德·哈斯發表了《安培分子電流假説的實驗證明》。他們的實驗結果和預期差了2倍，這時因為他們只考慮了環形電流而對自旋的存在一無所知。

安培的第四個發現是一個實驗技巧，在今天看來已經沒有什麼特殊之處，以至於很多人不能認識到它的精妙：安培發明了線圈。從那以後，在科學技術領域製造強磁場成為可能。

電動力學中下一個決定性的一步是法拉第（Michael Faraday）走出的。如果電流可以影響磁針的轉動，那麼磁場一定可以影響電流。1821年9月4日，法拉第製造了第一台電動機，儘管它轉的非常慢。根據他的妻子的説法，當時他的眼中閃耀着快樂的光芒。

法拉第（1791-1867）

正如奧斯特和安培所説，電流可以產生磁性，那麼反過來磁場可以產生電流嗎。法拉第花費了11年來製造這樣一種裝置，並且記錄了詳細的研究日記。1831年8月29日，這是值得紀念的一天，他發現了電磁感應現象，當變壓器環形線圈中的電流導通和斷開時，次級線圈中就會誘導出電流，這一切可以被小磁針探測到。當時對法拉第來説，這是一種幾乎無法被觀測的微弱效應，但如今已成為技術上不可或缺的原理。從自行車發電機到核電站，我們要做的總是讓線圈在磁場中運動起來。

看來，鑑於巧合在實驗中的重大歷史意義，也許我們現在應該資助更多的基於巧合的實驗。

作者：Piero Cotti 

翻譯：Nothing

審校：Dannis

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0921452694002898