歷史 物理

電磁英雄列傳之四:安培

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-10-07
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  • 上一回的電磁英雄列傳提到了丹麥科學家厄斯特發現了電流生磁的現象。但是真正將這個現象成功地用數學公式表達,還是要靠兩位法國數學教授跟一位法國軍醫。他們的人生也反映出大革命前後法國的變化,更精確地說,從啟蒙運動那個理性樂觀的世代轉換到在保守與激進搖擺不定的徬徨世代。而科學也不再是貴族沙龍的茶餘飯後,而變成才智出眾之士的終身志業。就請各位聽阿文娓娓道來。

    首先上場的是安德烈-馬里·安培(André-Marie Ampère)。他於1775年出生於法國的里昂。他的父親Jean-Jacques Ampère不僅家境富裕,而且深受當時啟蒙運動的影響,所以小安培的教育不假他人之手,完全由他父親來主理。據說他的童年讀物正是當時由啟蒙運動的旗手迪德羅(Denis Diderot)所主編的百科全書,而且他是從第一頁按著字母順序一頁一頁讀下去。所以小安培的興趣非常廣泛,對歷史、旅行、詩歌、哲學及自然科學等多方面都有涉獵。
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    André-Marie Ampère (圖片來源:wikimedia commons)

    從十三歲開始,安培迷上了數學。他一開始讀的是數學家d'Alembert 在百科全書撰寫與微積分相關的文章。接著安培開始熟讀數學大師Euler與Bernoulii的著作,據安培自己後來回憶說,他的所有數學知識在18歲的時候就已經基本上完成了。1788年安培弄到一本拉格蘭日寫的解析力學Mécanique analytique,他大為傾倒,甚至一行行地跟著計算。可是大革命的爆發讓安培的人生急轉直下,差點葬送了他的人生。

    安培的父親在1791年接受了政府的任命成為里昂的法官,很不幸地捲進了大革命的政治風暴中,由於曾處死過一名雅各賓黨的成員,結果在恐怖政治的顛峰1793年時,安培的父親被得勢的雅各賓黨徒們送上斷頭台。安培悲痛之餘有十八個月心神恍惚,幾成廢人。幸虧他遇到了一位活潑的少女Julie Carron,他陷了愛河,所以安培重新振作,他們最後於1799年結為連理。為了養家糊口,安培一開始當家庭教師,到了1802年他拿到了Bourg École Centrale的教職,為此不得不與年幼的兒子及生病的妻子分離,單身到Bourg赴任。一年之後在朋友推薦下他搬到里昂。不幸的是1803年七月體弱的Julie溘然長逝。喪妻之痛讓安培頗為悔恨。所以他帶著幼子離開傷心地,搬到巴黎去。他之前寫過一篇關於機率的論文,得到拉普拉斯的賞識,所以即使他沒有正式的學歷,還是得到一個在巴黎綜合理工學院École Polytechnique的講師職位。1806年安培再婚了,但是這次婚姻很不幸福,與新婚妻子感情很快就破裂了。1809年安培升上教授,與Cauchy 一起分擔教授數學分析課程,由於安培用的是傳統直觀的教法而非Cauchy嚴謹的新教法,所以安培大受學生歡迎。1814年他被選為法蘭西科學院成員。這個時期他的研究興趣很廣,主要是化學,尤其是元素的分類。此外他對光學也頗有涉獵,他支持光的波動說,所以與同為波動說支持者的Fresnel成為好友。事實上從1826年起Fresnel就住在安培家,直到他在1827年過世。

    真正讓安培躍上國際舞台的是1820年厄斯特的大發現。九月四日Arago在法蘭西學術院公開展示電流生磁的實驗,這讓安培大吃一驚,一個星期後他在法蘭西學術院展示另一個吃驚的現象: 兩條通電的導線會彼此吸引或排斥,取決於電流的方向。他在十一月六日向法蘭西科學院提出他對電流生磁的論文。論文發表在Annales de Chimie et de Physique。可是就在十月的時候,畢歐與沙伐就向科學院提出了報告。報告的內容整是今天學生為之頭大的畢歐-沙伐定律。畢歐與沙伐是何許人也呢?

    讓-巴蒂斯特·畢歐(Jean-Baptiste Biot) 1774年出生於巴黎,父親是財政部的官員。他在1792年自願從軍,參加了Hondschoote戰役,戰役結束後他因病離開軍隊,回到巴黎後他卻差點被當做逃兵而送審,但是畢歐鴻福齊天,居然有不知名人士出手相救,讓他全身而退。病養好了之後,他先考上École des Ponts et Chausées之後再轉到新成立的École Polytechnique。當時École Polytechnique的創辦人大數學家Gaspard Monge很欣賞畢歐。所以當畢歐因為搞政治被抓去關的時候,還是靠Monge去說項才把畢歐保出來。總算他在1797年終於從École Polytechnique 畢業,而且很快地成為École Centrale de l'Oise at Beauvais的數學教授!畢歐之所以這麼快就當上教授是因為當時法國正在推動教改,特別注重現代數學、物理與化學的教學,由於缺乏適格的老師,畢歐一下子就搶到位子了。畢歐是從École Polytechnique的同學Barnabé Brisson那裡知道Beauvais有缺的。沒多久畢歐還娶了同學的妹妹Gabrielle(當時才十六歲呢)。畢歐教自己的太太物理與數學。而Gabrielle又頗有語言天賦,精通德語。所以當有人請畢歐將德國的科學著作翻成法文時,畢歐讓太太抓刀翻譯,卻掛自己的名,畢歐桑,你算是"美少女工廠"的始祖吧!
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    Jean-Baptiste Biot (圖片來源:wikimedia commons)
     
    畢歐後來自動請纓要幫拉普拉斯的鉅著"天體力學"作校對的工作。一開始拉普拉斯婉拒,但是拗不過畢歐的死纏爛打,最後終於鬆口答應。這可不是件輕鬆的工作,畢歐常常得上巴黎請教拉普拉斯,而拉普拉斯也是傾囊相授,但有時也得花上許多時間,特別是那些一開頭號稱"此乃顯而易見" 'it can easily be seen'.的段落,格外耗時。(眾所皆知,當推理太複雜時,拉普拉斯就會放大絕,來句'it can easily be seen'.) 但是這些功夫顯然花得值得,在拉普拉斯的支持下,1800年畢歐成為Collège de France的數學教授。1803年程為法蘭西科學院院士。雖說是數學教授,畢歐還是廣泛涉獵。1804年,畢歐和Joseph-Louis Gay-Lussac製造了一個熱氣球,上升到了五千米的高度,目的是為了研究地球的大氣層。他還參與過法國測量子午線的工作,也曾在Bordeaux 跟Dunkirk 等地做重力加速度的精密測量來研究地球的形狀。從1812年起,畢歐為了證明光的粒子說,開始研究光的偏振現象。他發現光通過特定的有機溶劑時會有特定的偏振方向,畢歐試圖用這個現象說明光是粒子組成的,不過當然不久人們發現光的波動說也能解釋這個現象。此外畢歐還廣泛地研究過隕石,並且確認流星就是隕石通過大氣層時燃燒的現象。但是他最出名的貢獻還是關於電流生磁的畢歐沙伐定律。沙伐是他的助手,那沙伐又是什麼樣的人呢?

    菲利克斯·沙伐(Félix Savart)比畢歐小十七歲。沙伐的父親,Gérard Savart,是一位事業有成的工程師,並且熱心公益,與鄉親於1748 年在Metz共同創辦了一所工程學校。Félix 有一個大一歲的哥哥Nicolas。父親本以為兩個兒子會繼承父業,往工程的方向發展。沒想到菲利克斯對工程意興索然,覺得毫無挑戰性。在十七歲那年,他不顧父親的反對,毅然決然棄工從醫。1808年,菲利克斯開始在Metz的一所醫院學習醫術。兩年後,結束訓練,他成為拿破崙軍隊裏的軍醫。那時候,正值拿破崙全盛時代,每一場戰爭都是輝煌的勝利,人民沉浸於拿破崙常勝不敗的光環下。但是從1810 年到1814 年,在沙伐服役的那段期間,事情慢慢出現變化。首先是為了讓拿破崙的大哥約瑟當上西班牙王而插手西班牙結果讓法軍陷入了泥沼。之後為了俄羅斯偷偷與英國貿易,破壞"大陸封鎖令",拿破崙軍隊大舉侵犯俄羅斯,陷入焦土政策,全軍覆沒。最後,在萊比錫聯軍與法軍血戰三天,法軍大敗,拿破崙不敗的神話從此破滅,聯軍兵臨城下,拿破崙只好無條件投降,並且宣布退位,被放逐到地中海的一個小島。後來雖然奇蹟式地回到巴黎,展開"百日天下",終究還是在滑鐵盧被聯軍擊潰。菲克利斯的軍醫生涯也只好告終。

     
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    Félix Savart雕像(圖片來源:wikimedia commons)

    退役後,沙伐進入斯特拉斯堡的一所大學繼續學醫,於1816年得到醫學文憑。隔年,他回到Metz,自己開了一所私人診所。諷刺的是,這時候他開始對物理發生興趣。漸漸地,沉迷於研究聲學。他建立了一個設備優良的實驗室,專門研究聲波的物理行為。自然而然地,他的病人也越來越少了。(誰要看一個心不在焉的醫生?玩命呀!) 1819 年,沙伐將診所關閉,去巴黎找在Collège de France擔任教授的畢歐。畢歐覺得沙伐在弦琴樂器的研究成果非常有趣,也很欣賞沙伐的才能,所以他幫沙伐發表了幾篇論文。那時候,畢歐正在研究電學。兩位志同道合的科學家決定在這領域合作。就這麼剛好,沒多久厄斯特的發現就讓他們兩人找到一個絕佳的主題,很快地他們宣布了描寫電流產生磁力的數學公式,就是畢歐沙伐定律。他們的論文Note sur le magnétisme de la pile de Volta很快就出版在Annales de chemie et de physique。

    雖然安培好像晚了一步,但是安培的手法略勝一籌。他在幾周內就提出了安培定則即右手螺旋定則。隨後在幾個月之內連續發表了3篇論文,並設計了9個著名的實驗,總結了載流迴路中電流元在電磁場中的運動規律,就是大名鼎鼎的安培定律。名列電磁學中最重要的四條定律之一。這也是後來把電流的單位選作"安培"的原因。簡單地說安培找到磁場沿著一條封閉曲線的積分正比於通過該曲線所圍成的截面的電流。安培將他的電磁理論的架構建在"電流"這個基本的概念上。1821年安培進一步提出分子電流假設,認為存在有帶著特定電荷的微小粒子,而它們的運動就造成了電流,引發磁場。所以電與磁都可以用這種粒子的運動來解釋。安培對電磁作用的研究,結束了之前電、磁分離的認識,他的分子電流假說揭示了磁現象的電本質,為此後電磁學的發展打下基礎。當1827年安培出版了他的鉅著(法文Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience英文Memoir on the Mathematical Theory of Electrodynamic Phenomena, Uniquely Deduced from Experience)時,他還創造了電動力學electrodynamics 這個詞。電磁學的總大成者馬克斯威爾就對安培的工作的讚譽有加,稱安培的研究是「科學史上最輝煌的成就之一」。後人甚至稱安培是「電學中的牛頓」。當然了,當時許多人對安培的理論是不信服的,像畢歐就曾寫文章抨擊過安培呢。想一想,電子的發現是十九世紀末的事,對磁性的真正了解更是二十世紀才成熟,只能說安培的洞察力實在令人佩服。安培在1824年被選為Collège de France 的物理部門的主任,待到1828年為止。

    順便一提的是安培也有一個得力的實驗助手Félix Savary。(跟畢歐的助手Félix Savart只差一個字母!順便提一下Félix 是幸運的意思)Félix Savary 是École Polytechnique的畢業生,後來成為École Polytechnique天文學的教授,專長是研究雙星。至於Félix Savart 呢? 他在畢歐的幫忙下,先是在某間私人學校教書,於1827 年,他接替過世的Fresnel被遴選為法國科學院的院士。隔年他接替安培到Collège de France 擔任教授。聲學一直是沙伐的最愛。他發展出一種聲學儀器,沙伐音輪(Savart wheel) 。利用齒輪來控制旋轉的角速度,這音輪可以發出各個不同的特定頻率的聲音。在音樂學中以前用的音程度量單位,沙伐(savart),就是以他命名;雖然真正發明這度量單位的是法國數學家Joseph Sauveur(1653–1716).。現在通常使用「音分cent」來表示兩音之間的距離。一個savart等於3.9863 cent。

    安培算是跟家人緣薄,雖然他的兒子是傑出的語言學者,1830年成為Sorbonne 的歷史與外國文學系的主任,父子關係卻相當不佳,甚至到了互不聞問的地步。安培與第二任妻子生了一個女兒,她在1827年嫁給了一個曾在拿破崙軍隊中當過軍官的人,後來卻因女婿酗酒,婚姻破裂,三年後女兒跑回安培的家,結果女婿卻也跟來了,年邁的安培想必不開心呀。1836年在一次出差到馬賽的旅行中,安培客死異鄉,享年六十一歲,想來他的人生蠻悲苦的。沙伐則是在1841年過世。享年指有五十。至於最年長的畢歐倒是身體硬朗,活了八十八歲! 畢歐只有一個兒子Édouard Constant Biot,既是工程師也是漢學家。可惜他兒子因走不出喪妻之痛而在1850年過世,享年才四十六歲。當時Édouard正在翻譯周禮,但沒有完成就撒手人寰。七十六高齡的畢歐為了完成兒子的遺願,就不辭辛勞,接手兒子的翻譯工作。這是非常艱難的工作,(坦白講,沒有語譯,連阿文我也是讀不懂周禮這本書的,各位看官要試看看嗎?) 特別是冬官"考工記",是中國現存最早的關於手工業技術的國家規範,書中用的是齊國度量衡、齊國地名和齊國方言,一位法國老先生要翻譯這種文獻,簡直是天方夜譚。但是畢歐毅力驚人,為了翻譯考工記他還四方造訪法國的手工業者,向他們請教相關的技術問題。最後畢歐完成了周禮的翻譯,而且因為翻的太好了,時至今日,過了一百多年,還沒有新的譯本問世。除了感嘆老畢歐舐犢情深之外,對畢歐的學術素養只能讚嘆再讚嘆了。

    下一回的電磁英雄傳,我們要繼續到哪一國去呢? 先賣個關子,下回再見囉!


    (1)中文 法文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)MacTutor History of Mathematics archive
    (4)http://www.newadvent.org/cathen/01437c.htm
    (5)http://link.springer.com/article/10.1007/s11191-010-9312-5
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