电磁学的产生是个「偶然」？_风闻

第一个电池，也就是伏打电堆，是通往电动力学唯一而隐秘的入口。直到亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）发现伏打电堆的20年后，人们才意识到它最关键的作用不是作为恒定的电压源而是作为电流源。这是之前人们没有预料到的，因此之前没有人刻意去制造这样一种装置，它的出现很大程度上源于实验中的好运气和巧合。

1800年3月20日，伏打写信给皇家学会主席约瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks），信中介绍了伏打电堆的制造方法，他将几种金属和盐溶液通过合理的方式组合起来制造稳恒电压源。他还没有意识到这个成果会推开科学技术新世界的大门。

伏打电堆

1800年，电流的概念还不为人所知。伏打电堆被发明后，人们谈论的是连接在伏打电堆上的导线中的“电气冲突（electrical conflict）”，直到1820年安培才意识到电流就是电荷的流动。大家之所以没有试图去建造电流源，是因为当时还没有人能预见到移动电荷可以产生磁性。电动力学的发现是建立在大量巧合之上的。

颤栗的青蛙腿

故事始于1756年，这一年卡尔达尼（Leopoldo Marc-Antonio Caldani）发现青蛙腿在接触静电发生器时会剧烈痉挛。1786年9月，伽伏尼（Luigi Aloisio Galvani）做出了令人震惊的发现：即使没有静电发生器，青蛙腿也可能发生痉挛。

我们现在可以理解发生在伽伏尼面前的事：他偶然间让青蛙腿接触到两种不同的金属。因为青蛙腿含有导电液体，伽伏尼制造了第一块电池，又因为青蛙腿里有神经，所以它既可以产生又可以探测这样一种新现象。在这里，巧合起到了一定作用。伽伏尼相信他发现了神秘的“活力（ life-force）”。而伏打则意识到，发生这些现象的原因并不是“活力”，而是不同金属之间的接触。

从我们现在的观点来看，即便是伟大的伏打也弄错了。伏打的实验和反应是“错误理论也可以引导正确实验”的典型例子。我们将更仔细地研究这段历史。

第一块电池的诞生

伏打用于测量低电压的静电计

1792年之后，伏打研究了不同金属之间的接触电压。1795年，他用可变电容制造了一台灵敏的静电计。事实上，他制造了非常复杂的测量工具，使得他对电压的测量精度达到1伏特。1799年，他首次测量了不同金属之间的接触电压，接触电压只有当金属的接触断开时才能被测量。伏打断定在不同金属组成的闭合回路中总接触电压为0。这时他意识到只用金属是造不出稳恒电源的。

伏打测量金属之间的接触电压。上方的金属（银）通过和下方的金属（锌）接触，获得静电荷，并通过静电计被探测到

1799年，伏打开始研究液体和金属之间的接触电压，此时他同样是测量接触断开后的发生的现象。事实上，他的实验表明金属和液体之间的接触电压也是0。在这里，伏打的论证存在一个漏洞，在他的实验中，有少量的液体覆盖在金属表面，因此，他并没有将液体和金属分离开，他只是断开了液体与液体之间的接触。

伏打测量金属和盐水之间的接触电压。接触被切断时，金属表面仍附有薄薄一层液体，此时静电计探测不到电荷

之后伏打就发现了制造稳恒电源的方法。他将锌片和银片叠在一起，并覆盖上了一层液体，接下来再叠上一层锌片和一层银片。伏打直到1827年去世都认为伏打电堆的工作原理时金属之间的接触，和他同时代的物理学家大多也都这样认为。直到1836年，拉里夫（de Larive）才找到解释伏打电堆工作原理的现代理论：当金属电极浸没在液体中，会在金属原子中产生一种趋势，使其以离子的形式扩散进入液体，从而在电极和液体之间产生可测量的电压。

左侧是伏打的理论，伏打认为金属之间的接触电压是电池能够工作的关键。右侧是拉里夫的现代理论

统一磁与电

伏打电堆的发明意味着人们打开了通往电动力学的大门。二十年后，奥斯特（Hans Christian Oersted）做出了突破性进展。1820年7月20日，奥斯特发表了一篇论文，称电流可以影响小磁针的转动——电和磁于是被统一在了一起。直到20世纪初，爱因斯坦才正确的提出磁场可以看作是经过洛伦兹变换后的电场，因此电和磁具有同一性。

回到奥斯特所处的时代：自从1600年吉尔伯特（William Gilbert）发表了《论磁》以后，人们一直在寻找电和磁之间的联系。吉尔伯特说，和磁性相似，经过摩擦的琥珀、蜡、玻璃、硫磺和宝石也会表现出奇妙的远距效应，它们都会因摩擦而带电。因此，吉尔伯特发现的这一孤立现象导致了一门新学科的诞生。他打开了静电学的大门。

奥斯特试图寻找静电和磁之间的桥梁。他将磁针在伏打电堆的一个电极附近移动，然而完全没有发现任何效应。1820年，奥斯特在课堂上讲述导线中的“电气冲突”：通过伏打电堆加热一根导线。偶然摆在桌子上的磁针微微转动了一下。这次也一样，偶然因素在科学发展史上起到了重要作用。在奥斯特发现了电流的磁效应之后，各种各样的实验就可以开展起来了。接下来安培（André-Marie Ampère）又向前走出了一大步。

1820年9月11日-18日，这一周是安培创造力迸发的一周，他做出了四项极其重要的发现。安培首次发现电流就是电荷的流动。他发现了电流与电流之间的相互作用并且假设所有的磁性都源于电流，永磁体的磁性来自于此体内永恒流动的电流，这一论断直到100年后才被爱因斯坦和德·哈斯（Johannes Wander de Haas）所证明。

爱因斯坦和德·哈斯发表了《安培分子电流假说的实验证明》。他们的实验结果和预期差了2倍，这时因为他们只考虑了环形电流而对自旋的存在一无所知。

安培的第四个发现是一个实验技巧，在今天看来已经没有什么特殊之处，以至于很多人不能认识到它的精妙：安培发明了线圈。从那以后，在科学技术领域制造强磁场成为可能。

电动力学中下一个决定性的一步是法拉第（Michael Faraday）走出的。如果电流可以影响磁针的转动，那么磁场一定可以影响电流。1821年9月4日，法拉第制造了第一台电动机，尽管它转的非常慢。根据他的妻子的说法，当时他的眼中闪耀着快乐的光芒。

法拉第（1791-1867）

正如奥斯特和安培所说，电流可以产生磁性，那么反过来磁场可以产生电流吗。法拉第花费了11年来制造这样一种装置，并且记录了详细的研究日记。1831年8月29日，这是值得纪念的一天，他发现了电磁感应现象，当变压器环形线圈中的电流导通和断开时，次级线圈中就会诱导出电流，这一切可以被小磁针探测到。当时对法拉第来说，这是一种几乎无法被观测的微弱效应，但如今已成为技术上不可或缺的原理。从自行车发电机到核电站，我们要做的总是让线圈在磁场中运动起来。

看来，鉴于巧合在实验中的重大历史意义，也许我们现在应该资助更多的基于巧合的实验。

作者：Piero Cotti 

翻译：Nothing

审校：Dannis

原文链接：

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