奥斯特的偶然发现

奥斯特的偶然发现

1799年，意大利科学家伏打发明伏打电堆，为获得持续的恒定电流提供了可能性。而稳恒电流的获得，使那个时代的科学家充分研究了电流的各种效应及其规律，同时也给电磁学的发展开辟了新的研究领域。在这方面，以奥斯特为开端，终于使电的研究从神秘王国进入了实用的阶段。

丹麦哥本哈根大学物理系教授奥斯特（H．C．Oersted）1820年正在给学校高年级学生演讲，演讲中穿插有实验表演。当他把一根通电导线放在磁针上方，且与磁针平行时，突然他看到磁针发生了偏转，并在垂直于导线的方向停下来。听众无动于衷，而奥斯特却激动万分。课后，他顾不得离开教室，就立即动手核对他的这个发现。起初，他怀疑磁针的转动也许是因为电流使导线变热而产生的空气流所引起的。因此，他把一块硬纸板放在导线和磁针之间以阻挡气流，磁针仍然发生了偏转。然后，他把伏打电堆旋转了180°，使导线中的电流向相反的方向流动，结果磁针也向相反的方向转动。这就使他完全弄明白了，磁针和电流之间是有相互作用的，磁针的指向与电流的流动方向有关。他把有关这个发现的所有事实和观察结果都写了下来。三个月后，他采用较大的伏打电堆加粗了所用导线截面，进行了60多次各种不同的实验。不仅发现磁针的摆动与其说是由电池的电压决定的；不如说是由金属板表面的电量决定的；而且也发现了由磁针的摆动幅度就能测出电流的大小；发现了磁铁同样也可以使自由悬挂的伽伐尼电流偏转。

1820年7月，奥斯特把自己的发现印成了小册子，小册子的题目是《电流对磁针作用的实验》。在文章中他说：“在自由悬挂着的磁针上，由北向南流动的伽伐尼电，把磁针的北端推向东，而在相同的方向上在磁针下面流过的伽伐尼电，把磁针的北端推向西”。他把这本小册子广为散发，寄给了所有的科学家团体和物理学杂志，想以这个举动来强调这一发现的重要性。果然，奥斯特的发现在当时的欧洲成了轰动一时的新闻，引起了人们强烈的兴趣。对于这个在今天任何一个摆弄过干电池和指南针的小学生都可以做成的简单实验，为什么引起了巨大的反响呢？这是因为，自吉尔伯特时代以来，科学家一直在孤立地研究电和磁，认为电和磁是独立无关，原则上不相同的。虽然人们从“电有正负”、“磁有南北”，及电的作用力和磁的作用力的数学形式的相似性推测过电磁之间可能具有某种联系，但科学家一直没有成功地用实验来证明这种关系。这就使得电和磁独立无关的思想占了上风。现在，这原则上不相同的两组现象之间居然发现了联系，而且这种联系又是如此直接和密切，彻底打破了过去传统的观念，使人耳目为之一新。其次，发展到那时为止的物理学还只知道一种中心力，这种力只作用在一条直线上，和距离的平方成反比。而且具有对称性（吸力、斥力）。万有引力、电的作用力、磁相互作用力都是这样的中心力。奥斯特的实验证明了物体相互作用还有一种旋转力存在。这种力既不沿直线作用，又不具有对称性，也不一定遵循平方反比定律。第三，物理学家从奥斯特的理论中看到了制造一种灵敏而又方便的电流指示器的可能性，看到了电在实际中应用的可能性。以后安培和法拉第的不朽发明正是从这里得到了启发。最后，从哲学上来看，这个发现是与自牛顿以来一直占统治地位的形而上学立场相矛盾的。这是科学发展势必要抛弃旧的形而上学立场的第一个信号。

过去人们常把奥斯特的发现看做纯偶然事件，这是不公允的。从发现的方式看，它的确带有偶然性。但这只是形式，发现的偶然性只在发现的方式上说才是正确的。若从实质上看，任何偶然性的发现背后都有一段研究和思考的过程，奥斯特的偶然发现也是如此。从研究背景看，在奥斯特之前，人们已涉及到这个问题，如在文学作品中就有电火花使钢针磁化、闪电使指南针退磁的记载。1751年富兰克林曾发现过用莱顿瓶中的电荷可以使钢针磁化或退磁。终因当时条件不具备，他的研究无法进行下去。在阿尔吉里关于伽伐尼主义的论文中（1804年）提到过蒙日用伏打电堆使钢针磁化，也提到过罗曼阿热观察到在伏打电堆的作用下磁针的偏转。1805年赫彻特（Hachette）和狄梭麦斯（Desormes）曾企图解决电磁之间的关系之谜。这些作为知识积累，无疑会给后来的研究者提供一种知识背景，有助于他们确立研究的方向和起点。但在这一接力探讨过程中，只有奥斯特获得了成功，说明奥斯特具有与众不同的条件。事实上，奥斯特早就接受了德国谢林和黑格尔思辨哲学的影响，他相信所有自然力的一致性，相信现象之间的普遍联系。正是在这一思想的影响下，他才想去探讨电和磁之间的联系。到1807年奥斯特就向自己提出了必须探讨电流与磁针关系的设想。在他研究电流的功用时，发现导体一通上电流就热起来而发光，电流是一种化学力，也可以转化为电解力。这加深了他对力的转化的理解。而且电有正负，磁有南北，电与磁的吸斥作用是如此相似，以至在1813年奥斯特在他题为《关于化学力和电力等的等同性》的文章中说：“人们总想比较一下电力和磁力……应该试一试，看看电在其最隐蔽的活动场合中，是否对磁有什么作用”。他向自己提出了“必须实验它”的任务。就在1820年7月21日去给学生上课的路上，奥斯特产生了一个念头：静电对磁石毫无影响，但如果用一根导线把伏打电池的两极连结来，让电荷在其中运动，事情也许会有所不同。所以，当他用一根白金丝把伏打电堆的两极联起来实现了使磁针偏转时，奥斯特的激动表情就可以理解了。这个结果是对他十多年努力的最好回答，也是当时整个科学发展的必然产物。

奥斯特的偶然发现说明，偶然和意外只对有准备的头脑才起作用。正如拉格朗日在类似的情况下说到牛顿时一样，“这种意外只降临到那些有资格得到它的人头上”。这种资格就是丰富的知识，丰富的想象力，敏锐的判断力及长时间的不断思考。