電動力學的誕生 & 力戰群雄的安培

<電動力學的誕生>

電動力學在字典上的定義,是移動的電荷與電場跟磁場的交互作用。但是這短短的一句話,卻有足足一百年複雜且精彩的發展過程。發現光就是電磁波,是十九世紀最大的科學成就之一,而電動力學解釋了光如何在介質中傳播,與物質產生交互作用。本講次為聽眾介紹電動力學在歷史上的重大發展。

講師|中原大學物理系暨研究所教授高崇文
整理撰文|高英哲

十六世紀末的物理學家吉爾伯特 (William Gilbert) ,是第一個對電學與磁學提出系統性闡述的人。他不但發明了可檢驗帶電物體互相吸引能力的驗電器,還出版了《論磁石》這本物理學史上第一部磁學專書。十七世紀的物理學家,陸續發現了電荷的傳導性以及兩極性;十八世紀則有庫侖透過扭秤實驗,直接測量兩個點電荷之間的電力,發現電力大小與距離平方成反比的關係。

受惠於伏打電池能夠提供實驗所需的穩定電流,靜電學以及靜磁學在十九世紀初,有很多相當重要的發展。厄斯特在 1820 年發表論文〈關於電流對磁針影響的實驗〉,這篇僅僅四頁的論文,敘述了通電導線會使磁針偏轉的現象,電動力學這個研究領域於焉誕生。安培得知這個實驗之後,立刻進行電流與電流之間的相互作用實驗,將結果歸納為安培力定律;緊接著畢歐 (Jean-Baptiste Biot) 與沙伐 (Félix Savart) 也透過實驗,確立了磁作用力與電流強度成正比,與導線跟磁極距離成反比的關係,後來稱為必歐-沙伐定律。安培以電流產生電的觀點解釋磁的本質,畢歐跟沙伐卻認為磁針是被電流磁化的電線所影響,雙方對於電磁的解釋有出入,使得安培在接下來好幾年內設計了許多實驗,據以駁斥對方的看法。

電磁學的發展自此一日千里。法拉第在 1821 年用實驗證實,封閉線圈內的磁場產生變化時,導線上會感應產生電流,這就是著名的法拉第電磁感應定律。高斯在 1835 年提出靜電場的高斯定律,韋伯藉由測量,提出電流強度與電磁力的絕對單位。馬克斯威爾在 1864 年的論文〈電磁場的動力學理論〉中,提出電場和磁場以波的形式,以光速在空間中傳播,這個論點在 1887 年由赫茲做實驗,證實了電磁波的存在。最後是羅倫茲提出所謂的羅倫茲力,描述電磁場帶電粒子所感受到的作用力。

在牛頓力學中,時間與空間互不相干,然而在相對論中,描寫物理現象最自然的架構是四維時空,這正是十九世紀研究電磁現象近百年所得到的結論。除此之外,電動力學在量子物理的發展中,也扮演了很重要的角色。普朗克的量子論解決了黑體輻射的問題,波爾的原子模型則解釋了電子繞著原子核轉,其電磁波輻射會損失能量,造成原子毀滅的現象。物理學家後來提出的量子電動力學,是第一套完全符合狹義相對論以及量子力學的理論,也是目前解釋光與物質交互作用最精確的科學理論,把弱交互作用跟電磁力統合在單一理論之下,為萬有理論邁出了一大步。

 

<力戰群雄的安培>

「電動力學」這個字,是由安培率先提出的,但他在提出被譽為電動力學基本公式的安培定律時,卻飽受當時多位科學界大腕的反對與批評。他如何堅持自己獨特的科學哲學觀,最終在馬克士威方程式裡,讓自己青史留名?

講師|臺灣大學物理學系教授 蔣正偉
整理撰文|高英哲

自小就被譽為「百科全書式神童」的安培,在讀書時專攻數學與分析力學,又研讀自然歷史、學習各國語言、涉獵文學,這種博學家式的學習,培養他對自然界進行系統化觀察的能力。雖然中間曾經因為法國大革命造成的家庭變故受到嚴重打擊,不過終究還是振作起來,娶妻生子,繼續研究工作,並且受到拉普拉斯的賞識提拔,陸續發表了一些數學研究論文。

安培後來逐漸對數學失去興趣,轉而研究化學與形上學。他在康德的著作中找到屬於自己的科學哲學靈感,認為現象之間通常有關係,透過研究這些關係,就可以了解不可見的本體之間的相互作用。他以這樣的科學哲學,從元素的原子量去推導原子的晶體結構,開啟了未來晶體化學的研究領域,並且提出等溫等壓等體積的不同氣體,必定包含相同摩爾數的分子的假說。

厄斯特在 1820 年發現電磁效應,為安培的人生帶來轉捩點。安培在聽聞厄斯特的發現後,立刻著手進行實驗,從 1820 年 9 月開始,以驚人的進度設計了一連串實驗,並提出電流會產生磁力,磁鐵中也必有電流的理論,導出電磁交互作用的公式。他認為厄斯特錯誤地認為是導線周圍環繞的電荷,在推動磁鐵的磁極,未能令人信服地解釋兩條載流導線之間的交互作用。

安培的說法在當時頗受電磁學家的批評,除了安培是這個領域的新手,聲望未著以外,他在匆忙間寫成讓人很難看懂的論文,使用的數學複雜難解,設計出富有創意卻難以重複的實驗,都使得他站在主流的對立面。厄斯特本人就一直認為磁力是磁性粒子的分佈所致,比歐與沙伐也認為一切都可以簡化為純粹磁的現象,從未接受過安培對於厄斯特實驗的分子電流解釋,認為那是一種不必要的複雜概念。

安培也不甘示弱,他反對比歐與沙伐所提出磁性流體的存在,認為他們的導線磁化說存在著定性錯誤,無法解釋兩條載流導線之間的交互作用。他用實驗證實光是用純粹磁效應,無法解釋法拉第發現的電磁感應現象;但就連法拉第本人,對於安培所提出電流是由電荷運動引起的想法,同樣抱持著懷疑態度。法拉第寫信給安培,話說得很客氣,說他需要等到更多確鑿的證據出爐,但是說穿了就是他並不相信安培的推論。

安培假設微小電流元之間的基本力,與距離平方成反比,這個「安培定律」最後由馬克士威寫入他的方程式裡。馬克士威對於安培定律大為推崇,他說雖然有無窮多的微分方程式可以表達同樣的現象,但倘若要接受牛頓的作用與反作用力,適用於無限小的電流元素,那麼就只有安培的公式是合用的。他說安培公式不但在形式上完美,而且準確性無懈可擊,作為電動力學的基本公式當之無愧。安培在世之時始終被視為電磁學界的異端,然而時間終究證明了他獨特的洞見價值,還給他一個名符其實的公道。

 

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