分子電流假說

安培的分子電流假說在當時物質結構的知識甚少的情況下無法證實，它帶有相當大的臆測成分；在今天已經(jīng)了解到物質由分子組成，而分子由原子組成，原子中有繞核運動的電子，從現(xiàn)代的觀點來看，“分子電流”是由原子內各電子繞原子核的軌道運動、各電子的自旋運動以及原子核的自旋運動構成的。由此安培的分子電流假說有了實在的內容，已成為認識物質磁性的重要依據(jù)。

按照前面安培對“分子電流假說”的解釋，是難以令人接受的．在這個問題上，安培走在了時代的前頭．因為在當時，人們還不了解原子的結構，因此不能解釋物質內部的分子電流是怎樣形成的．直到1911年，盧瑟福（Enrst Rutherford，1871～1937）通過α粒子散射實驗的分析和計算，提出一切原子都有一個核，電子象行星一樣繞核旋轉”的模型以后，才有了軌道磁矩的概念．1922年斯特恩（OttO Steen1888～1969）和蓋拉赫（W.Grelach）用銀原子成功地做了后來以他們的名子命名的實驗，發(fā)現(xiàn)原子中還存在一種不能用軌道磁矩來說明的磁矩．為了解釋這一問題，烏倫貝克（George Eugene Uhlenbeck，1900～）和高德斯米特（Samnel Abraham Gondsmit，1902～1978）于1925年提出了關于電子具有自旋的假設，成功地解釋了斯特恩──蓋拉赫實驗的結果．今天我們知道，正是原子、分子等微觀粒子內電子的這些運動形成了“分子電流”．但是我們不能用同幾十年后的物理發(fā)展水平來要求安培，否則就過于苛刻了，

“分子電流假說”提出以后，安培雖沒有作進一步的說明，但他對他的這個信念是非常堅定的．他曾啟發(fā)和建議阿拉果用通電螺線管作使其中的鋼針磁化的實驗．在1820年9月25日，阿拉果向法國科學院報告了該實驗的結果．實驗的成功又使安培磁的本質就是電的思想得到加強．1821年，他在回答荷蘭物理學家萬·貝克（Van Beck）的一封信中堅持認為這個假說不僅能夠用于磁現(xiàn)象的解釋，而且可以用于化學化合和化學親和力的解釋．后者卻成了他的學說不能被立即和普遍接受的一個重要原因，因為接受這一學說就意味著接受關于物質結構的一個新的理論．加之當時分子電流模型好象罩著一層薄霧，使人們無法看清楚它．所以“分子電流假說”雖然深刻反映了物體磁性的本質，卻遭到了當時多數(shù)物理學家的拒絕．

在對“分子電流假說”提出異議的物理學家中，最典型的恐怕要數(shù)法拉第了．1822年，他設計了一個實驗：在一根玻璃管上纏以絕緣導線，做成螺線管，水平地半浸于水中．然后在水面漂浮一只長磁針．按照安培的觀點，螺線管的一端相當于磁南極，另一端相當于磁北極，磁針如果是南極指著螺線管的北極，應當會吸向螺線管的北極并停在北極的一端．法拉第指出，這與實驗結果不符．他的實驗是磁針的南極繼續(xù)穿過螺線管，直至接近螺線管的南極．法拉第論證說，如果針是單極的，它就會沿磁感線無休止地運動下去．法拉第認為，和載流螺線管對應的不是實心磁體，而應是圓筒形磁體．

安培反駁說，圓筒形磁體和螺線管并不一樣．按照它的分子電流假說，圓筒形磁體中的電流是一小圈一小圈孤，而螺線管中的電流是沿著大圈的．為了證明筒形磁體中的電流是相互抵消的，他當眾作了一個演示：

把絕緣導線繞成許多圈，做成線圈．在線圈內部放一個用薄銅片做成的圓環(huán)，取一磁體置于圓環(huán)近旁，如果銅環(huán)里有宏觀電流，磁棒就會驅使銅環(huán)偏轉．否則，只可能有分子電流．安培的實驗表明銅環(huán)里只有分子電流．

安培后來用馬蹄形強磁體重復了上述實驗，發(fā)現(xiàn)了銅環(huán)的偏轉．但是他把實驗中所感應出來的宏觀電流試圖也解釋為分子電流作用的結果．安培的這種思想直到1825年給赫謝爾（John Herschel，1793～1871）的信中仍在堅持，他在信中說：“這些現(xiàn)象是由電流或磁體對小電流所產生的．”安培雖然沒有說這些小電流就是分子電流，但是這些電流具有分子電流同樣大小的數(shù)量級．這表明，安培對分子電流的思想是非常堅定的．遺憾的是他把感應電流歸于他的分子電流，不單獨接受感應電流．他以為如果承認了感應電流，則他的分子電流假說理論就無立錐之地了．否則的話，電磁感應現(xiàn)象就有可能提前七、八年被安培而不是法拉第發(fā)現(xiàn)了．

在安培“分子電流假說”建立的過程中，還發(fā)生了安培與畢奧之間的學術論爭．對于這場論爭，物理史學家們各有各的看法，但有一點是一致的，即這場論爭使安培更清楚地看到了把磁簡化為電流的必要性，也使他的“分子電流假說”顯得越發(fā)明朗起來．

德國物理學家塞貝克也曾反對安培的分子電流假說，他認為磁是更為本質的東西，電流則是磁的作用的結果．

直到后來，安培的觀點在19世紀40年代被紐曼（F.E.Neumann，1798～1895）和韋伯（Wilhelm EduardWeber，1804～1891）接受和推廣，并發(fā)展成為他們的電動力學．

“分子電流假說”提出以后，經(jīng)歷了“不太清楚”、“遭到拒絕”到“逐漸明朗”以致成為發(fā)展電動力學的基礎幾個階段，這也告訴我們，科學的發(fā)現(xiàn)，科學理論的提出以及人們對科學成果的接受，不會都是一帆風順的，但有益的學術論爭可以促進科學的發(fā)展．

安培的分子電流假說具有十分重要的意義，一方面，它把磁體與磁體、電流與磁體、電流與電流、磁體與電流這種種磁相互作用歸結為電流與電流的作用，建立了安培定律，開創(chuàng)了把電和磁聯(lián)系起來的磁作用理論；另一方面，以分子電流模型取代磁荷模型，從根本上揭示了物質極化與磁化的內在聯(lián)系，因為分子電流無非是電荷的某種運動。

縱觀物理學史書籍和有關論文，對“分子電流”思想和形成過程，雖然或多或少有所論述，但尚缺乏一條明晰的線索．筆者認為，安培“分子電流”思想的形成經(jīng)歷了三次認識飛躍，盡管每次相距時間都不長，但可謂一步一個臺階，或曰“三部曲”．

和其他科學家相比，安培具有一個顯著特點，那就是在科學上極其敏感，最能接受他人的成果．這一可貴的素質決定了是安培而不是別人提出“分子電流假說”．

1820年9月初，法國物理學家阿拉果（Framcois4rago，1786～1853）從瑞士帶回了丹麥物理學家奧斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851）發(fā)現(xiàn)電流磁效應的消息，立即在法國科學界引起了巨大的反響．安培對此作出了異乎尋常的反應，他于第二天就重復了奧斯特電流對磁針作用的實驗．在實驗過程中，安培逐步認識到，磁并不是與電分開的孤立現(xiàn)象，而是電的許多特性的一個方面，他試圖從電的角度為已發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象作出解釋．在一周以后即9月18日他向法國科學院提交了第一篇論文，報告了他重復奧斯特實驗的結果，邁出了他形成分子電流思想的第一步，提出：圓形電流有起到磁鐵作用的可能性．

接著，安培創(chuàng)造性地發(fā)展了實驗的內容，研究電流與電流之間的相互作用，這比奧斯特的實驗又大大前進了一步9月25日他向法國科學院提交了第二篇論文，闡述了他用實驗證明了兩個平行直導線，當電流方向相同時相互吸引，當電流方向相反對相互排斥的報告．以后他又用各種曲線形狀的載流導線，研究它們之間的相互作用，并于10月9日提交了第三篇論文，邁出了形成分子電流思想的第二步，提出：磁體中存在一種繞磁軸旋轉的宏觀電流．

安培在他的論文中說：“來考慮一個電流和一個磁體的相互作用，及兩個磁體的相互作用，我們將會發(fā)現(xiàn)，這兩種情況將受同樣的定律支配．只要設在磁體表面上從一極到另一極畫出的直線上的一點都建立了一種在垂直于磁軸的平面內（旋轉）的電流．經(jīng)過對所有事實的思考，我們簡直不能再懷疑這種圍繞磁軸的電流的存在．”

“這樣，不期而遇的結果產生了，即磁現(xiàn)象唯一地由電來決定，而且一個磁體的兩個極除了它們相對于構成這個磁體的電流外，沒有任何差別，磁南極在這些電流的右邊，而磁北極在它們的左邊”．

安培是個分子論者，他對他的磁體中存在宏觀電流的假設是根據(jù)伏打（Alessandro Volta，1745～1827）電堆的原理簡單地解釋的．他認為伏打電池之所以能產生電流，是因為不同金屬接觸的結果．類似地，磁體中的鐵分子的接觸也會產生電流．即把磁體看作是一連串的伏打電堆，它們的電流都環(huán)繞磁體的軸作同心圓運動．

菲涅耳（Angustin Jean Fresnel，1788～1827）是安培的好朋友，他了解了安培的論文以后，指出安培的這個假設不能成立，即磁體不可能存在安培所設想的宏觀電流，否則，由于宏觀電流的存在將使磁體生熱，但實際上磁體不可能自行地比周圍的環(huán)境更熱一些．菲涅耳在給安培的一封信中建議，為什么不把假定的宏觀電流改為環(huán)繞著每一個分子的呢？這樣，如果這些分子可以排成行，這些微觀的電流將會合成所需要的同心電流．

收到了菲涅耳的信后，安培立即放棄了原來的假定而采取了菲涅耳的建議，于1821年1月前后，邁出了分子電流思想的第三步：提出了著名的“分子電流假說”，從而在經(jīng)典物理的范疇內深刻地反映了物體磁性的本質．

安培對他的“分子電流假說”的解釋是，物體內部每個分子中的以太和兩種電流質的分解，會產生環(huán)繞分子的圓電流，形成一個個小磁體；當它們在外磁場的作用下呈規(guī)則排列時，就使物體呈現(xiàn)了宏觀磁性．

由此可見，“分子電流”思想的形成經(jīng)歷了“可能性”、“宏觀電流”和“分子電流”三個階段，這符合人們由淺入深、由表及里、由現(xiàn)象到本質的認知過程．“分子電流假說”由安培提出，也是和他所特有的科學素質分不開的．回顧安培所生活的年代，特別是在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應以后，許多科學家都在從事電與磁的聯(lián)系方面的研究，如：英國的法拉第（MichaelFaraday，1791～1867）法國的畢奧（Jean BaptisteBiot，1774～1862）和德國的塞貝克（Thomas JohannSeebeck，1770～1831）等等．他們都絕非等閑之輩，倘若安培不是及時地重復和發(fā)展奧斯特的實驗，倘若安培不是立即接受菲涅耳的建議，即倘若安培不具備在科學上極其敏感，最能接受他人成果的獨特素質，也許“分子電流假說”的提出者就要易人了．

按照前面安培對“分子電流假說”的解釋，是難以令人接受的．在這個問題上，安培走在了時代的前頭．因為在當時，人們還不了解原子的結構，因此不能解釋物質內部的分子電流是怎樣形成的．直到1911年，盧瑟福（Enrst Rutherford，1871～1937）通過α粒子散射實驗的分析和計算，提出一切原子都有一個核，電子象行星一樣繞核旋轉”的模型以后，才有了軌道磁矩的概念．1922年斯特恩（OttO Steen1888～1969）和蓋拉赫（W.Grelach）用銀原子成功地做了后來以他們的名子命名的實驗，發(fā)現(xiàn)原子中還存在一種不能用軌道磁矩來說明的磁矩．為了解釋這一問題，烏倫貝克（George Eugene Uhlenbeck，1900～）和高德斯米特（Samnel Abraham Gondsmit，1902～1978）于1925年提出了關于電子具有自旋的假設，成功地解釋了斯特恩──蓋拉赫實驗的結果．今天我們知道，正是原子、分子等微觀粒子內電子的這些運動形成了“分子電流”．但是我們不能用同幾十年后的物理發(fā)展水平來要求安培，否則就過于苛刻了，

“分子電流假說”提出以后，安培雖沒有作進一步的說明，但他對他的這個信念是非常堅定的．他曾啟發(fā)和建議阿拉果用通電螺線管作使其中的鋼針磁化的實驗．在1820年9月25日，阿拉果向法國科學院報告了該實驗的結果．實驗的成功又使安培磁的本質就是電的思想得到加強．1821年，他在回答荷蘭物理學家萬·貝克（Van Beck）的一封信中堅持認為這個假說不僅能夠用于磁現(xiàn)象的解釋，而且可以用于化學化合和化學親和力的解釋．后者卻成了他的學說不能被立即和普遍接受的一個重要原因，因為接受這一學說就意味著接受關于物質結構的一個新的理論．加之當時分子電流模型好象罩著一層薄霧，使人們無法看清楚它．所以“分子電流假說”雖然深刻反映了物體磁性的本質，卻遭到了當時多數(shù)物理學家的拒絕．

在對“分子電流假說”提出異議的物理學家中，最典型的恐怕要數(shù)法拉第了．1822年，他設計了一個實驗：在一根玻璃管上纏以絕緣導線，做成螺線管，水平地半浸于水中．然后在水面漂浮一只長磁針．按照安培的觀點，螺線管的一端相當于磁南極，另一端相當于磁北極，磁針如果是南極指著螺線管的北極，應當會吸向螺線管的北極并停在北極的一端．法拉第指出，這與實驗結果不符．他的實驗是磁針的南極繼續(xù)穿過螺線管，直至接近螺線管的南極．法拉第論證說，如果針是單極的，它就會沿磁感線無休止地運動下去．法拉第認為，和載流螺線管對應的不是實心磁體，而應是圓筒形磁體．

安培反駁說，圓筒形磁體和螺線管并不一樣．按照它的分子電流假說，圓筒形磁體中的電流是一小圈一小圈孤，而螺線管中的電流是沿著大圈的．為了證明筒形磁體中的電流是相互抵消的，他當眾作了一個演示：

把絕緣導線繞成許多圈，做成線圈．在線圈內部放一個用薄銅片做成的圓環(huán)，取一磁體置于圓環(huán)近旁，如果銅環(huán)里有宏觀電流，磁棒就會驅使銅環(huán)偏轉．否則，只可能有分子電流．安培的實驗表明銅環(huán)里只有分子電流．

安培后來用馬蹄形強磁體重復了上述實驗，發(fā)現(xiàn)了銅環(huán)的偏轉．但是他把實驗中所感應出來的宏觀電流試圖也解釋為分子電流作用的結果．安培的這種思想直到1825年給赫謝爾（John Herschel，1793～1871）的信中仍在堅持，他在信中說：“這些現(xiàn)象是由電流或磁體對小電流所產生的．”安培雖然沒有說這些小電流就是分子電流，但是這些電流具有分子電流同樣大小的數(shù)量級．這表明，安培對分子電流的思想是非常堅定的．遺憾的是他把感應電流歸于他的分子電流，不單獨接受感應電流．他以為如果承認了感應電流，則他的分子電流假說理論就無立錐之地了．否則的話，電磁感應現(xiàn)象就有可能提前七、八年被安培而不是法拉第發(fā)現(xiàn)了．

在安培“分子電流假說”建立的過程中，還發(fā)生了安培與畢奧之間的學術論爭．對于這場論爭，物理史學家們各有各的看法，但有一點是一致的，即這場論爭使安培更清楚地看到了把磁簡化為電流的必要性，也使他的“分子電流假說”顯得越發(fā)明朗起來．

德國物理學家塞貝克也曾反對安培的分子電流假說，他認為磁是更為本質的東西，電流則是磁的作用的結果．

直到后來，安培的觀點在19世紀40年代被紐曼（F.E.Neumann，1798～1895）和韋伯（Wilhelm EduardWeber，1804～1891）接受和推廣，并發(fā)展成為他們的電動力學．

“分子電流假說”提出以后，經(jīng)歷了“不太清楚”、“遭到拒絕”到“逐漸明朗”以致成為發(fā)展電動力學的基礎幾個階段，這也告訴我們，科學的發(fā)現(xiàn)，科學理論的提出以及人們對科學成果的接受，不會都是一帆風順的，但有益的學術論爭可以促進科學的發(fā)展．

磁鐵和電流都能產生磁場，磁鐵的磁場和電流的磁場是否有相同的起源呢？電流是電荷的運動產生的，所以電流的磁場應該是由于電荷的運動產生的．那么，磁鐵的磁場是否也是由電荷的運動產生的呢？我們知道，通電螺線管外部的磁場與條形磁鐵的磁場很相似．法國學者安培由此受到啟發(fā)，提出了著名的分子電流的假說．他認為，在原子、分子等物質微粒內部，存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個物質微粒都成為微小的磁體，它的兩側相當于兩個磁極.

安培的假說能夠解釋一些磁現(xiàn)象．一根鐵棒，在未被磁化的時候，內部各分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁場互相抵消，對外界不顯磁性．當鐵棒受到外界磁場的作用時，各分子電流的取向變得大致相同，鐵棒被磁化，兩端對外界顯示出較強的磁作用，形成磁極．磁體受到高溫或猛烈的敲擊會失去磁性．這是因為在激烈的熱運動或機械振動的影響下，分子電流的取向又變得雜亂了.

在安培所處的時代，人們對物質內部為什么會有分子電流還不清楚．直到20世紀初，才知道分子電流是由原子內部電子的運動形成的．安培分子電流的假說，揭示了磁鐵磁性的起源，它使我們認識到：磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產生的．