物理群星
汉斯·克里斯蒂安·奥斯特 肖像

图:佚名,约 1830 / 苏黎世联邦理工图书馆(公有领域)

汉斯·克里斯蒂安·奥斯特

Hans Christian Ørsted

1777–1851 · 生于丹麦鲁兹克宾 · 丹麦

电磁学

一节课上,指南针在通电导线旁边动了一下——电与磁的第一次握手

「电的冲突并非局限于导线之中,它同时在导线周围的空间里发生作用。」

—— 《关于电流对磁针作用的实验》(哥本哈根,1820),据拉丁文原文意译

1820 年之前,电和磁是两回事。

它们表面上有点像——都有两极、都有吸引与排斥、都遵循平方反比律。但一切实验都表明两者互不相干:磁铁不吸引带电体,摩擦过的琥珀也不影响指南针。库仑本人明确断言,电与磁属于两种不同的流体,不可能相互转化。

一个康德信徒的执念

奥斯特 1799 年的博士论文写的是康德的自然哲学,不是实验物理。他从那里带走一个信念:自然界形形色色的力,根子上该是同一种东西。

这个信念在今天听来近乎玄学,在当年也不被同行当回事——库仑早就断言电与磁是两种互不相干的流体。但它决定了奥斯特此后二十年一直往哪个方向看。1806 年他做了哥本哈根大学的物理学教授;1800 年问世的伏打电堆,则给了他一样前人没有的东西:持续不断的电流。

一节课上的意外

1820 年 4 月的一天,他在课堂上演示电堆的加热效应,桌上恰好搁着一支指南针。接通电路的一瞬,磁针动了一下。

偏转很小。在场学生后来回忆,当时几乎没人当回事。当回事的是他。

此后三个月,他把这个实验一遍遍重做,逐一排掉气流、热,以及任何别的解释。最让他自己费解的是磁针转的方向——不朝着导线,也不背着导线,而是横过来。他手上没有一种现成的力是这个样子的:引力、静电力、磁极之间的力,全都沿着两个物体的连线作用。写论文时他只好造一个说法:「电的冲突在导线周围的空间中回旋」。

四页纸寄往全欧洲

1820 年 7 月 21 日,他把结论写成四页拉丁文,自费印刷,一份份寄给全欧洲的同行。

九月初消息传到巴黎,一周之内安培就给出了电流之间的作用定律;同月毕奥与萨伐尔量出了导线周围磁场的分布;第二年法拉第做出了让导线绕磁铁持续旋转的装置。一位四十三岁的丹麦教授,因为四页拉丁文成了整个欧洲物理学界的话题。

他自己没有沿这条路算下去——接下来要用的数学是安培他们的强项。奥斯特把精力转到了别处。

铝,与「思想实验」

奥斯特还做过两件常被提起的事。

1825 年他第一次分离出金属铝。当时铝极难提炼,价格高于黄金——1855 年巴黎博览会上铝锭与王冠珠宝一同展出,拿破仑三世用铝餐具招待最尊贵的客人,其余人用金的。华盛顿纪念碑的顶端 1884 年装了一个铝制尖顶,那是当时能拿出的最贵重的金属。二十年后电解法出现,铝的价格崩塌成今天的易拉罐。

他还是「思想实验」这个词(Gedankenexperiment)最早的使用者之一,后来被爱因斯坦用成了标志性的方法。

1829 年他创办了哥本哈根理工学院并出任首任院长,那所学校就是今天的丹麦技术大学。

1851 年奥斯特去世,据记载葬礼有约二十万人参加,几乎是当时哥本哈根的全部人口。国际单位制中磁场强度的单位曾以他命名。

代表方程

电流产生的磁场

B∝Ir,B⊥I\mathbf{B} \propto \frac{I}{r},\quad \mathbf{B} \perp \mathbf{I}

磁针不指向导线,也不背离导线,而是垂直于两者构成的平面。这种「横着的」作用力在当时闻所未闻——已知的力全都沿着两个物体的连线。

首次制得金属铝

AlCl3+3K→Al+3KCl\mathrm{AlCl_3} + 3\mathrm{K} \rightarrow \mathrm{Al} + 3\mathrm{KCl}

1825 年奥斯特第一次分离出金属铝。当时它比黄金还贵,拿破仑三世用铝餐具招待最尊贵的客人。

伟大发现

也出现在

这些发现页把他列为关键人物。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.奥斯特《关于电流对磁针作用的实验》(哥本哈根,1820)——史密森学会数字化本,全文可读
  2. 2.安培《仅由实验推出的电动力学现象数学理论回忆录》(巴黎,1827)
  3. 3.法拉第《电学实验研究·第一辑》,《皇家学会哲学汇刊》第 122 卷(1832)