【導(dǎo)讀】自從泰勒斯這位科學(xué)老祖記錄摩擦起電和磁石吸鐵這兩個物理現(xiàn)象以來，2000多年過去了，人們對電和磁的理解還是極其有限。無論是中國風(fēng)水先生用羅盤定乾坤，還是哥倫布靠指南針航海發(fā)現(xiàn)新大陸，抑或是諾萊特的奇妙人肉電學(xué)實驗，都是止步于電和磁極其常見的現(xiàn)象認識和利用。甚至到19世紀初期，許多人依然認為電和磁風(fēng)馬牛不相及，電是電，磁是磁，電沒法搞出指南針，磁也沒法生成閃電。然而，當(dāng)真如此?
如果仔細思考摩擦起電和磁石吸鐵兩個現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)它們有一個共同特征:吸引作用。富蘭克林認為電之間也存在異種電荷相吸，和磁石的南北極相吸其實一樣，所謂陰陽，是為相吸。
發(fā)現(xiàn)電和磁之間的小秘密，需要一點點童話般的幻想，加上細致入微的觀察，還有大量的實驗驗證。19世紀的一個丹麥人，他符合上述所有條件。喔，您別想多了，他不是安徒生。確實，我們偉大的童話大王，安徒生先生，創(chuàng)作了《賣火柴的小女孩》、《丑小鴨》、《海的女兒》等著名的童話故事。他還寫了更多不那么出名的童話，《兩兄弟》就是其一，人物原型是他的一位好基友。話說，這位朋友整整比安徒生大了28歲，是他報考哥本哈根大學(xué)的主考官，也算是老師了?；蛟S是暗戀老師的小女兒的緣故，安徒生每年圣誕節(jié)都喜歡往老師家里跑，一起吟詩作樂，順便聊聊科學(xué)[1]。也許是受到了安徒生這位文藝青年的感染，這位普通的物理系老師依靠他童話般的想象力，發(fā)現(xiàn)了一件極其不平凡的事情。某一次物理實驗課，一切似乎都是老樣子，連電路，打開關(guān)，講課，斷電，收工。
然而不經(jīng)意間，一個小磁針放在了電路旁邊，又是不經(jīng)意間，他注意到開關(guān)電一瞬間，小磁針都會擺動幾下。就像童話世界里用魔法棒隔空操控磁針一樣，電就是那根神奇的法杖，萬分激動的這位仁兄差點摔到講臺下面去。之后，這位40多歲的普通物理教師，在實驗室里愣是樂此不彼地玩了三個月的電路和小磁針，宣布發(fā)現(xiàn)了電和磁的魔法奧妙——運動的電荷可以讓靜止的磁針動起來(圖1)。1820年7月21日，一篇題為《論磁針的電流撞擊實驗》的4頁短論文發(fā)表，署名漢斯·奧斯特，這位安徒生的老師兼好友，一舉成名。
原來，同時期的許多物理學(xué)家都在研究靜電和靜磁之間的聯(lián)系，但是靜電和磁針之間總是過于冷淡，啥作用都不發(fā)生，也無法相互轉(zhuǎn)換。奧斯特的發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于突破思維框架，在運動的電荷里尋找和磁的相互作用。電和磁之間的小秘密，終于被人們發(fā)現(xiàn)。奧斯特這個名字，后來于1934年被命名為磁場強度的單位，簡寫為Oe，沿用至今。
奧斯特的實驗報告猶如投入池塘里的一顆小石子，讓本已歸于平靜的歐洲電磁學(xué)研究，激起了層層漣漪。幾位法國科學(xué)家在1822年里相繼做出重要貢獻：阿拉戈和蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)繞成螺線管的電線可以讓鐵塊磁化；安培發(fā)現(xiàn)電流之間也存在相互作用；畢奧·薩伐爾發(fā)明了直線電流元理論解釋這些實驗結(jié)果。
和庫侖一樣，安培也是一個癡迷于物理研究的富二代科學(xué)家，從小就在父親的私人圖書館里接受科學(xué)的熏陶，從小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)到教授，再到法國科學(xué)院院士，學(xué)術(shù)之路一直順風(fēng)順?biāo)?。安培勤于思考各種物理問題，無論何時何地，想起來就根本停不下來。他曾將自己的懷表誤當(dāng)鵝卵石扔進了塞納河，也曾把街上的馬車當(dāng)做黑板來推公式。
可以想象這樣一個科學(xué)癡人，當(dāng)他得知奧斯特的實驗結(jié)果之后是多么地興奮。安培在第一時間重復(fù)了奧斯特的所有實驗，并把結(jié)果總結(jié)成一個非常簡單的規(guī)律——右手螺旋定則[2]?，F(xiàn)在，用你的右手，輕輕握住通電流的導(dǎo)線，拇指沿著電流方向，四根手指的指向就是電流對磁針作用力的方向，沒錯，就是環(huán)繞電線的一圈(圖2)。安培把電線繞成螺線管，直接就用電流做成了一個“磁鐵”，根據(jù)右手定則可以輕松判定這個電流磁鐵的磁極方向。安培利用螺線管原理發(fā)明了第一個度量電流大小的電流計，成為電學(xué)研究的重要法寶之一(圖3)。既然通電導(dǎo)線會有磁作用力出現(xiàn)，那么兩根通電導(dǎo)線之間也會存在類似的吸引或排斥作用，為此安培同樣總結(jié)了電流之間的相互作用規(guī)律。
關(guān)于電可生磁的奧秘，安培繼承了奧斯特的童話思維模式，想象磁鐵里面也有一群小電精靈，就像一個個電流小圈圈，形成了一大堆小電流磁針，并且指向一致，如同群飛的鳥兒或海洋里群游的魚兒一樣，集體的力量最終形成了極大的磁作用力。安培給他的小小電精靈取了個形象的名字，叫做分子電流。
要知道，那個時代對微觀世界的認識只到分子層次，關(guān)于是否存在原子以及原子內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)屬于超越時代的問題，能創(chuàng)新地想象分子里面有環(huán)狀電流已經(jīng)十分大膽前衛(wèi)了。雖然分子電流最終被實驗證明并不存在，但是其概念雛形為解釋固體材料里面的磁性起到了拋磚引玉的效果——磁雖然不是來自分子電流，但和材料里的電子運動脫不開關(guān)系。為紀念安培的貢獻，后人將電流單位命名為安培，簡寫為A。
好了，我們現(xiàn)在知道，電，可生磁。那么，下一個問題自然是：磁，可以生電嗎？
答案是肯定的。用實驗事實回答這個問題的第一個人，是英國一位僅有小學(xué)二年級文憑的年輕人。他不是因為太笨而輟學(xué)，而是因為家里實在太窮了——鐵匠老爸想讓兒子早點出去打工，好掙錢養(yǎng)家糊口。可憐的孩子，小小年紀就到倫敦街上去賣報，去文具店站柜臺，還去書店搞裝訂，不為什么，就為混口飯吃不被餓死。幸運的是，科學(xué)與貧富無關(guān)，窮人的孩子同樣可以對科學(xué)感興趣，甚至作出極其重要的科學(xué)貢獻。這位叫做邁克爾·法拉第的孩子，利用他在書店打工的機會，用他僅有的小學(xué)二年級語文水平，博覽群書，特別是《大英百科全書》。
法拉第對科學(xué)非常感興趣，時下最火熱的當(dāng)屬電學(xué)研究，他甚至自己搗鼓起簡單的電學(xué)實驗，還拉著小伙伴們一起討論科學(xué)問題。看書不能滿足他日益增長的好奇心，法拉第從19歲開始頻繁出現(xiàn)在倫敦市里各種科學(xué)講座現(xiàn)場。一位叫做戴維的大科學(xué)家用淵博的知識征服了法拉第，很快他就成為戴維爵士的鐵桿忠實粉絲，精心記錄他的每一次演講，并用他的裝訂技術(shù)做成了一本《戴維講演錄》，寄給了他作為圣誕禮物。戴維顯然被這位渴望科學(xué)知識的窮孩子粉絲感動了，事出湊巧，他在做化學(xué)實驗時不幸把眼睛弄傷了，急需一名助手。法拉第同學(xué)就這樣，從一個倫敦街頭打工仔，變成了皇家研究所的科研助理。
對其他人來講，無非是換個地方打工，混飯吃的還是繼續(xù)混飯吃。然而對于法拉第來說，接觸到真正的科學(xué)就等于插上了夢想的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴維老師訪遍歐洲科學(xué)家們，也從不抱怨老師給的各種化學(xué)研究任務(wù)，在出色地完成一名科研助理工作的同時，他也努力繼續(xù)著電學(xué)和磁學(xué)的實驗。話說19世紀初的電磁學(xué)研究領(lǐng)域大多數(shù)都是些不愁吃穿的富家子弟，法拉第在緊衣縮食的情況下，以一個寒門子弟的身份，用大量的物理實驗證實：磁可生電。
磁是如何生電的？關(guān)鍵還是三個字：動起來。
既然運動的電荷會產(chǎn)生磁作用力，那么運動的磁鐵也會產(chǎn)生電流。法拉第用磁鐵穿過安培發(fā)明的金屬螺線管，發(fā)現(xiàn)磁鐵在進入和離開線圈時會產(chǎn)生電流，也發(fā)現(xiàn)在兩塊磁鐵間運動的金屬棒會產(chǎn)生電壓(圖4)。法拉第把磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，后來美國的亨利研究了感應(yīng)電流的大小與磁強度之間的關(guān)系。俄國的楞次總結(jié)出了電磁感應(yīng)的規(guī)律，也就是楞次定律：感應(yīng)電流的方向與金屬棒和磁鐵相對運動方向相關(guān)。
為了更加形象地理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第創(chuàng)造性地發(fā)明了“磁場”的概念。他認為磁鐵周圍存在一個看不見摸不著的“力場”，就像一根根的磁力線，從磁北極出發(fā)跑到磁南極結(jié)束。讓金屬棒做切割磁力線的運動，就會產(chǎn)生電壓或電流，電流方向由磁力線與金屬的相對運動方向決定。為了證實磁場的存在，法拉第在各種形狀的小磁鐵周圍撒上了細細的鐵屑，清楚地看到了鐵屑的密度分布(圖5)。力場的概念至今仍然是物理學(xué)的最重要理論基礎(chǔ)，沒有之一。法拉第憑借仔細的實驗觀察，非常形象具體地解釋了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
翻開他的實驗記錄本，里面幾乎找不到一個數(shù)學(xué)公式，都是一張張精美的手繪實驗圖表，讓人一目了然。正是如此，法拉第的發(fā)現(xiàn)非常適合公眾演示，他本人也是一個科普達人，組織過無數(shù)次科普講座和演示，并編寫了《蠟燭的故事》，成為科普典范，期待著某一個角落里的某一個孩子能夠走上和他類似的科學(xué)之路。法拉第于1825年接任戴維成為皇家研究所的國家實驗室主任，但是他拒絕了皇家會長的提名，也拒絕了高薪等一切會干擾科研工作的東西[3]。為了紀念法拉第的貢獻，后人把電容的單位命名為法拉第，簡寫為F。
動電生磁，動磁生電。多么妙的領(lǐng)悟！
然而，究竟是先有磁，還是先有電呢？如同一個古老爭論不休的問題，究竟是先有雞，還是先有蛋呢？很多人認為當(dāng)然是先有蛋再有雞，因為原則上雞和鳥類一樣，都是恐龍進化而來，想當(dāng)年恐龍時代，大伙都下蛋，就沒有聽說過什么叫做雞！但是最近英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種蛋白質(zhì)只能在雞的卵巢里產(chǎn)生，這下還是先有雞比較靠譜。也就是說，得先有個叫做“原雞”的動物，下了一個蛋，叫做“雞蛋”(圖6)。那么，有沒所謂的“原磁”或“原電”呢？這才是產(chǎn)生電或磁的根源？
莫慌，莫慌，別凌亂。來自英國劍橋大學(xué)的天才，來告訴你答案。
劍橋大學(xué)三一學(xué)院，偉大的牛頓工作的地方，那里有砸中牛教授的蘋果樹，和萬有引力的智慧，還有許多世界聞名的大科學(xué)家。有一天，數(shù)學(xué)教授霍普金斯去圖書館借一本數(shù)學(xué)專業(yè)書，發(fā)現(xiàn)已被一個剛來的年青人借走了。教授找到借書者，看到他正在筆記本上亂糟糟地摘抄書里面的內(nèi)容，教授對這位年青人敢于讀如此艱深的數(shù)學(xué)書而驚訝，同時善意提醒他記筆記要注意整潔性——這是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的基本要求。年青人透露了他對數(shù)學(xué)的興趣動力，因為他對剛讀過的法拉第《電學(xué)實驗研究》十分感興趣，但苦于找不到合適的數(shù)學(xué)工具來理解其中大量的實驗規(guī)律。
不久，霍普金斯將他收入門下攻讀研究生，同門師兄還有大名鼎鼎的威廉·湯姆孫(開爾文勛爵)和斯托克斯。1854年，年僅23歲的他順利闖過師兄斯托克斯主持的學(xué)位考試，畢業(yè)留校任職。有了強悍的數(shù)學(xué)功底，這位叫做詹姆斯·麥克斯韋的年青人正式開始了電磁學(xué)方面的理論研究。一年后，他用兩個微積分方程描述了法拉第的實驗，并發(fā)表了論文《論法拉第的力線》。
又過了4年，麥克斯韋轉(zhuǎn)到倫敦國王學(xué)院任教，終于有機會前去拜訪他的偶像——邁克爾·法拉第，這位比他大了整整40歲的著名科學(xué)家。一個是實驗高手，一個是理論高手，巔峰對決，頂級交鋒，思維的火花不斷迸發(fā)。法拉第顯然對微積分公式感到一片茫然，他趕緊提醒麥克斯韋，要讓實驗學(xué)家懂你的理論，最好建立一個物理模型。哥倆決定給這個模型取一個高大上的名字，叫做“以太”，源自亞里士多德，指的是天上除了水、火、氣、土之外的另一種神秘東西。麥克斯韋做到了！他在接下來的論文《論物理學(xué)的力線》里，完成了另外兩個描述電磁現(xiàn)象的公式。至此，麥克斯韋的“以太”模型世界里描述電磁理論的方程一共有四個，被稱為“麥克斯韋方程組”，是物理學(xué)里面最優(yōu)美的公式之一(圖7)[4]。
終于，無論是電生磁，還是磁生電，都可以用麥克斯韋方程組來解釋。
這些看不見摸不著的“超距作用”原來就是電場或磁場在作祟。然而事情沒有那么簡單，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，這個方程組可以預(yù)言一種既有電場又有磁場的東西，而且傳播速度是光速！接下來，他在《電磁場動力學(xué)》里用數(shù)學(xué)論證了這種“電磁波”(時稱“位移電流”)的存在。也就是說，電和磁完全可以在一起，而且，我們天天看到的光，其實就是電磁波！這是何等大膽的推斷！原來電和磁本來就可以不分家的，電里可以有磁，磁里也可以有電，他們同屬于電磁相互作用。究竟是先有電還是先有磁的問題，在麥克斯韋方程組里不攻自破，既然倆娃都不分彼此了，那就甭管誰先誰后的問題了。
1873年，麥克斯韋完成《電磁學(xué)通論》一書，宣告電和磁相互作用被統(tǒng)一描述，成為繼牛頓力學(xué)之后的第二個集大成者。一個16歲的德國科學(xué)家赫茲看到了這本書，決心找到麥克斯韋預(yù)言的電磁波。15年后，實驗終于成功，電磁波被證實存在。再往后，馬可尼、愛迪生、特斯拉、倫琴、勞厄等人的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明讓電磁波成為造福人類社會的重要利器(圖8)。
故事遠遠沒有結(jié)束。
盡管電和磁都統(tǒng)一了，但是電畢竟是電，磁畢竟是磁，兩者細究起來還是有區(qū)別。話說，你吃個雞和吃個蛋，味道能一樣么？至于毛雞蛋，味道更那啥不是。一個簡單的問題，關(guān)于電，我們知道有正電荷和負電荷的存在，但是關(guān)于磁，為什么沒有聽說過南磁荷和北磁荷的存在？事實是，我們至今沒有發(fā)現(xiàn)過！一塊條形磁鐵無論你怎么切，每一塊都是有南北極同時存在。仔細看麥克斯韋方程組就會發(fā)現(xiàn)，里面電場是有源的，而磁場是無源的。這……，何解？
1879年，麥克斯韋去世。同年，愛因斯坦出生。麥克斯韋方程里提到的物理模型——“以太”，最終在19世紀末引發(fā)了物理學(xué)的一場革命，愛因斯坦是發(fā)起這場革命的中堅力量。再之后，相對論和量子力學(xué)建立，電磁學(xué)的研究進入到了一個嶄新的時代。又是一個英國的年青人，叫做保羅·狄拉克，建立了一個相對論形式的量子力學(xué)波動方程——狄拉克方程(圖9)[5]。在這個方程里面，不僅存在帶負電的電子(負電子)，也存在帶正電的電子(正電子)，還預(yù)言了只有南極或北極的磁單極子。關(guān)于磁單極子的尋找，至今仍然是一個謎。雖然近幾年科學(xué)家們在一種叫做自旋冰的固體材料里面發(fā)現(xiàn)了類似磁單極子的準粒子(圖10)，但嚴格來說它并非是我們理解的單粒子，只是可以用磁單極子的理論來描述[6]。
隨著對微觀世界認識的不斷深入，人們逐漸了解到，宏觀的電磁現(xiàn)象實際上都來自于材料內(nèi)部微觀電子的排布方式和相互作用模式。而電磁相互作用力，屬于自然界四大基本相互作用力之一。關(guān)于電磁學(xué)的研究，一直在繼續(xù)。
推薦閱讀：
