歷史 物理

電磁英雄列傳之三:厄斯特

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-10-16
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  • 電磁英雄列傳"到目前為止介紹了一位蓋碉堡的法國工兵中校,一位和藹可親的義大利化學家。接著上場的是...一位來自丹麥的哲學家!雖然他在物理、化學、乃至教育,甚至文學都卓然有成,然而仔細審視他的各項成就,並非隨性為之,而是遵循著一個特定理念而成。所以稱他是哲學家應該是最恰當的吧。他就是發現電流生磁的漢斯‧克海斯提安‧厄斯特(Hans Christian Ørsted)。
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    Hans Christian Ørsted(圖片來源:wikimedia commons)

    他在1777年8月14日出生在Langeland島上的一個小鎮Rudkøbing。這個島到了2010年人口數還是只有13,277人。不過山不在高,有仙則靈。自從出了厄斯特這一家子,Rudkøbing也變得有名了起來。除了漢斯是全歐聞名的科學家之外,他的弟弟安德斯Anders Sandøe Ørsted是當時丹麥首屈一指的法學家,在丹麥邁向立憲君主制的過程中居功厥偉,後來還當上丹麥的首相,而他們的姪子(也叫Anders Sandøe Ørsted)則是著名的植物學家。

    Rudkøbing小鎮裏沒有正式學校,所以厄斯特兄弟只能只能跟著鎮上教育水準較高的長輩學習各樣知識。或者同輩之間彼此切磋。他們就從一位德國假髮師傅學到不少關於德國的事。鎮上還有來自挪威的學生,告訴他們挪威多好多讚。(當時挪威還在丹麥統治下)漢斯從十二歲起常常幫助父親在藥局裏工作,並且廣讀各種相關讀物,因此學會了不少化學。1793年兄弟倆一起到哥本哈根求學。兩人不僅通過考試而且各科還名列前茅,順利地成為哥哈根大學的學生。

    哥本哈根大學是當時丹麥惟一的一所大學,創立於1479年。原本是天主教神學重鎮之一,1531年教會為了防止路德派新教藉此發揮影響力就把大學關了。直到1537年丹麥國王克里斯蒂安三世才將它轉變成新教的神學院。到了1788年已經成為一所完備的大學。雖然漢斯主修醫學、物理而安德斯主攻法律,但是他們多方涉獵。1797年漢斯參加一場探討韻文與散文的分際的徵文大賽,得到首獎,同一年他通過藥學考試取得執照,考官對他熟嫻的實驗技巧大為驚豔。但是對兄弟倆最大的收穫莫過於接觸到康德的批判哲學。阿文開講的讀者們可能還記得介紹里斯本地震時提到的那位年輕普魯士學者。康德後來建構了一個宏偉的哲學體系,純粹理性批判在1781年初版,接著1788年實踐理性批判也出版了,兩年後,判斷力批判也問世了。康德認為人類的知識並不必然反映外在世界,因為人類的知識的格式是由其認知機能(康德稱之為悟性)所規範,而內容則是由感官而來。雖然這樣的說法精彩地反駁了休姆對因果律的攻擊,卻也將人類的知識限縮在感官能接觸到的"現象",但是現象背後呢? 康德稱之為"物自身"(德文das Ding an sich 英文thing-in-itself)。然而由於"物自身"並不引發任何感官經驗,是不可知之物。康德的"先驗哲學"不僅在德語世界引發了一陣風潮,連在哥本哈根的厄斯特兄弟也不例外。

    1799 年,漢斯得到博士學位,論文主題是《大自然形上學的知識架構》。他的論文是發揮康德在1786年寫的一本書Metaphysical Foundations of Natural Science (自然科學的形上基礎)。這裡康德嘗試賦與牛頓建立起來的力學系統一個符合他所提出的先驗原理的架構。較特別的是,康德試著將物質運動的性質完全歸諸於一種"原初"的交互作用,不只有如萬有引力的吸引力,還有排斥力,康德論證地說,如果只有吸引力,那麼物體就無法"充滿"空間,而讓某部份的空間"空蕩蕩"地,但沒有物質的空間被康德認為是不穩定的。今天沒有人會將這種純思辯的論證當作是可接受的自然科學,不過康德並沒有要挑戰牛頓力學的正確性,只是試圖將它放在一個在康德眼中更穩固的形上學基礎上。

    畢業後原本漢斯想要爭取哥本哈根大學一個物理教授的缺,沒有成功。隔年,他得到一筆為期三年的獎學金,可以出國遊學。這對求知若渴的漢斯是個千載難逢的良機。他首先造訪了德國,然後再去法國與荷蘭,結識了不少當時著名的人物。在德國他遇到了與他同年的Johann Wilhelm Ritter。兩人很快成為莫逆之交。Ritter 是一個多才多藝,而且有著許多超越時代想法的奇人。Ritter與漢斯一樣都當過藥局的學徒,所以精通化學,也是個無師自通型的才子。譬如說他在聽到William Herschel發現物體加熱後會放出特定的"光",即紅外線時,他馬上想去找在光譜另外一端有沒有類似的現象,結果他發現氯化銀在陽光下反應得特別快,就算把太陽光中的可見光全擋掉還是一樣,其實這就是所謂紫外線的效用。當時Ritter在耶拿習醫,藉著Ritter 漢斯還接觸到當時在日耳曼方興未艾的新思潮,就是年輕的哲學家謝林(Friedrich Wilhelm Joseph Schelling) 當時提出的自然哲學(Naturphilosophie)。

    謝林的自然哲學是試圖克服康德的"現象-物自身"的二元論而展開的。他認為將認知者(主體)與被認知的對象(客體)正是康德二元論難題的源頭。在謝林眼中,自然如同海浪,自然科學觀察到的自然現象以及科學規律好比海浪的形狀,高度,但是在這些彼此對立的型態下,海浪的本質是不斷湧入的潮水。自然的本質也是像這樣是一股不斷產生對立,統一,再對立,統一的力量。意識產生了主體客體的對立,但是在彼此否定對方後,主體與客體再一次分別了解自己是一體的兩面,這個過程周而復始,讓自然從沉睡中蘇醒。在謝林眼中,物質世界並非只是精密零件組合而成的機械,而是生意盎然如蝴蝶一般破蛹而出,自由飛翔!

    這樣的哲學刺激詩人們賦予世界以生命和精神,給當時以機械論占統治地位的思想界帶來一股新的思潮,受到了浪漫主義詩人們的歡迎。但是也由於缺乏明證和事實的支持,往往被嚴謹的科學家視為邪魔歪道。但是Ritter是少數的例外。自然哲學暗示所有對立的物理現象都應含攝在一個更高更基本的原理知中。這對他意義重大,他隱約察覺到當時最熱門的Galveni的"動物電",伏打的電池,各種的化學反應與其他的物理現象如靜電,靜磁甚至光與熱都相互有所關聯。可惜的是Ritter的實驗手法似乎不夠成熟,所以當他宣稱他發現地球有類似地磁的電偶極以及他曾利用磁鐵成功地將水電解,這一些實驗當時無人能夠複製,今天來看也是子虛烏有,這使得Ritter難以被大學接受,無法求得教職,也使得他失意早逝。但Ritter深信在電與磁的現象之間,必定隱藏著一種關聯。這一個信念深深地影響厄斯特。

    1804年漢斯回到哥本哈根後嘗試申請教職,不過因為他沉迷自然哲學的消息不逕而走,使得他又失望了一次。1806年他終於如願以償,成為哥本哈根大學的物理學教授。由於他非凡的文學與哲學的素養,使得他的授課非常受歡迎,而且他對教育非常熱心。在他的努力指導與推行之下,哥本哈根大學發展出一套完整的物理和化學課程,並且建立了一系列嶄新的實驗室。這段時間他的研究領域也擴展到聲學。但是他面對最大的挑戰是如何將康德的哲學理念與當時日新月異突飛猛進的化學的發展結合起來。康德雖然1804年才以八十高齡過世,可惜晚年的康德身心衰退,已無法回應從伏打以來新興化學的進展。為此1812年漢斯在柏林發表了一篇文章(德文Ansichten der chemischen Naturgesetze 英文Views of chemical laws of nature) 雖然沒有受到科學界的注目,卻詳細闡述他當時的想法。他嘗試用康德吸力與斥力的理論來解釋各種化學反應以及電與磁的現象。甚至光與熱等現象也在他的考察之中。當然當時他還沒有任何實驗的證據,但是如果把八年後他的大發現當做是意外,就實在太不公平了。接下來我們要來談談他的大發現:電流生磁。

    雖然早在18世紀30年代,就有人描述雷電能使箱中的刀、叉、鋼針等磁化的現象。而富蘭克林在研究避雷針時,用鋼針在萊頓瓶上放電,也發現鋼針變成了磁針。但是沒有人對此做過系統的實驗研究。厄斯特曾推測,電流會生磁,沿著這個思路,他做了許多的實驗,但都失敗了。但他一直繼續嘗試。他曾在通電的導線旁放一根磁針,企圖用通電的導線吸引磁針。儘管導線灼熱了,甚至燒紅發光了,磁針還是毫無動靜。厄斯特也試過把磁針放在充有電荷的萊頓瓶旁,磁針一動也不動。直到1820年4月的一個晚上,厄斯特正在給一些聽眾講解電學,當課快結束時,他在一個伏打電堆的兩極之間接上一根很細的鉑絲,在鉑絲正下方放置一個小磁針,當接通開關時,他居然發現,小磁針向著垂直於導線的方向大幅度地轉過去! 厄斯特為了進一步弄清楚電流對磁針的作用,用了3個月的時間做了60多個實驗。他把磁針放在導線的上方、下方、前面、後面,畫出電流對磁針作用的方向。他還把磁針放在距導線不同的距離,考察電流對磁針作用的強弱;此外他把玻璃、金屬、木頭、石頭、瓦片、松脂、水等物質放在磁針與導線之間,發現沒有影響。整理之後他在七月二十一發表了一篇拉丁文的報告,這個發現引起了整個歐洲物理學家的注意。法國的科學家們很快地就掌握了電流生磁的數學關係,細節就留給下一回的阿文開講了。長年的堅持終於有了回報,厄斯特想必感嘆萬千吧。那一年英國皇家學會的最高榮譽Copley獎章就頒給厄斯特了。
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    電流對磁針的作用(圖片來源:wikimedia commons)

    那麼厄斯特是不是第一個發現電流生電的人呢?其實早在1802年一位義大利法學教授兼業餘的物理愛好者Gian Domenico Romagnosi曾在當地報紙宣布過類似的發現。不過后來學者仔細比較後發現Romagnosi的實驗是把磁針放在伏打堆之中產生偏折,但卻不是電流產生的效應,而是靜電效應。當厄斯特公布他的結果時Romagnosi也沒有任何動作,反倒是Romagnosi死後才有義大利學者出來宣稱Romagnosi才是電流生磁的發現者,這種基於民族主義的爭執就讓我們把它擺到一邊吧。

    厄斯特並沒有因位功成名就而有所懈怠。他於1825年首先分離出鋁元素,雖然英國科學家戴維爵士那時已經造出鋁鐵合金。但是厄斯特是第一個使用還原法將鋁元素從氯化鋁中分離出來。1827年德國化學家Friedrich Wöhler用金屬鉀還原熔融的無水氯化鋁,得到更純的鋁。由於取之不易,當時鋁的價格更甚於黃金。據說法國拿破崙三世曾在一個宴會讓貴賓使用鋁製餐具而讓其他來賓"只"使用金製餐具,鋁的身價可見一斑。

    厄斯特還是第一個使用"假想實驗"Gedankenexperiment這個詞的科學家。假想實驗是指:使用想像力去進行的實驗,所做的都是在現實中無法做到(或現實尚未做到)的實驗。在物理學裏,假想實驗是很有用的理論工具。像馬克斯威爾提出來的馬克斯威爾幽靈與薛丁格提出來的"薛丁格貓"都屬於假想實驗。

    終其一生,厄斯特都勤於寫作,他曾出過詩集Luftskibet,靈感是來自於比利時科學家Étienne-Gaspard Robert搭飛船的體驗。過世前不久他還出了一本散文集叫(丹麥文Ånden i naturen 英文The Soul in Nature)。在書中他闡述他一生所追求的是目標,正是謝林所謂的"物質與精神的合一"。據說當達爾文打開這本書時,驚呼這本書"糟透了"! 由此可以想見在德語世界外,自然哲學還是惡名昭彰。有趣的是厄斯特常提到"物裡"與"美"以及"詩"與"科學"之間的關係。不禁令人想起另一位丹麥的大科學家波爾。當波爾說When it comes to atoms, language can be used only as in poetry. The poet, too, is not nearly so concerned with describing facts as with creating images. (談到原子只能用詩一般語言,詩不是拿來描述事實而是創造意像)以及It is wrong to think that the task of physics is to find out how Nature is. Physics concerns what we say about Nature. (物理的任務不是發現自然為何,而是吾人何以言之)厄斯特一定在天上高喊"阿門"吧!雖然大部分的科學家肯定是大搖其頭。1829年在厄斯特的鼓吹下,丹麥成立了Den Polytekniske Læreanstalt (College of Advanced Technology) 這是丹麥科技大學的前身,而他擔任首任校長一直到1851年他過世。

    電磁學的發展至此,來到了關鍵的一步,下一回法國人又要上場了,欲知詳情,還請下回分解!


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