[科普中国]-分子电流假说

内容

安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流——分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子成为小磁体，两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作用，形成磁极，就被磁化了。当磁体受到高温或猛烈撞击时会失去磁性，是因为激烈的热运动或震动使分子电流的取向又变的的杂乱无章了。

意义安培的分子电流假说具有十分重要的意义，一方面，它把磁体与磁体、电流与磁体、电流与电流、磁体与电流这种种磁相互作用归结为电流与电流的作用，建立了安培定律，开创了把电和磁联系起来的磁作用理论；另一方面，以分子电流模型取代磁荷模型，从根本上揭示了物质极化与磁化的内在联系，因为分子电流无非是电荷的某种运动。1

发展安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实，它带有相当大的臆测成分；在今天已经了解到物质由分子组成，而分子由原子组成，原子中有绕核运动的电子，从现代的观点来看，“分子电流”是由原子内各电子绕原子核的轨道运动、各电子的自旋运动以及原子核的自旋运动构成的。由此安培的分子电流假说有了实在的内容，已成为认识物质磁性的重要依据。

“分子电流”思想的形成──“三部曲”纵观物理学史书籍和有关论文，对“分子电流”思想和形成过程，虽然或多或少有所论述，但尚缺乏一条明晰的线索．笔者认为，安培“分子电流”思想的形成经历了三次认识飞跃，尽管每次相距时间都不长，但可谓一步一个台阶，或曰“三部曲”．

和其他科学家相比，安培具有一个显著特点，那就是在科学上极其敏感，最能接受他人的成果．这一可贵的素质决定了是安培而不是别人提出“分子电流假说”．

1820年9月初，法国物理学家阿拉果（Framcois4rago，1786～1853）从瑞士带回了丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851）发现电流磁效应的消息，立即在法国科学界引起了巨大的反响．安培对此作出了异乎寻常的反应，他于第二天就重复了奥斯特电流对磁针作用的实验．在实验过程中，安培逐步认识到，磁并不是与电分开的孤立现象，而是电的许多特性的一个方面，他试图从电的角度为已发现的电磁现象作出解释．在一周以后即9月18日他向法国科学院提交了第一篇论文，报告了他重复奥斯特实验的结果，迈出了他形成分子电流思想的第一步，提出：圆形电流有起到磁铁作用的可能性．

接着，安培创造性地发展了实验的内容，研究电流与电流之间的相互作用，这比奥斯特的实验又大大前进了一步9月25日他向法国科学院提交了第二篇论文，阐述了他用实验证明了两个平行直导线，当电流方向相同时相互吸引，当电流方向相反对相互排斥的报告．以后他又用各种曲线形状的载流导线，研究它们之间的相互作用，并于10月9日提交了第三篇论文，迈出了形成分子电流思想的第二步，提出：磁体中存在一种绕磁轴旋转的宏观电流．

安培在他的论文中说：“现在来考虑一个电流和一个磁体的相互作用，及两个磁体的相互作用，我们将会发现，这两种情况将受同样的定律支配．只要设在磁体表面上从一极到另一极画出的直线上的一点都建立了一种在垂直于磁轴的平面内（旋转）的电流．经过对所有事实的思考，我们简直不能再怀疑这种围绕磁轴的电流的存在．”

“这样，不期而遇的结果产生了，即磁现象唯一地由电来决定，而且一个磁体的两个极除了它们相对于构成这个磁体的电流外，没有任何差别，磁南极在这些电流的右边，而磁北极在它们的左边”．

安培是个分子论者，他对他的磁体中存在宏观电流的假设是根据伏打（Alessandro Volta，1745～1827）电堆的原理简单地解释的．他认为伏打电池之所以能产生电流，是因为不同金属接触的结果．类似地，磁体中的铁分子的接触也会产生电流．即把磁体看作是一连串的伏打电堆，它们的电流都环绕磁体的轴作同心圆运动．

菲涅耳（Angustin Jean Fresnel，1788～1827）是安培的好朋友，他了解了安培的论文以后，指出安培的这个假设不能成立，即磁体不可能存在安培所设想的宏观电流，否则，由于宏观电流的存在将使磁体生热，但实际上磁体不可能自行地比周围的环境更热一些．菲涅耳在给安培的一封信中建议，为什么不把假定的宏观电流改为环绕着每一个分子的呢？这样，如果这些分子可以排成行，这些微观的电流将会合成所需要的同心电流．

收到了菲涅耳的信后，安培立即放弃了原来的假定而采取了菲涅耳的建议，于1821年1月前后，迈出了分子电流思想的第三步：提出了著名的“分子电流假说”，从而在经典物理的范畴内深刻地反映了物体磁性的本质．

安培对他的“分子电流假说”的解释是，物体内部每个分子中的以太和两种电流质的分解，会产生环绕分子的圆电流，形成一个个小磁体；当它们在外磁场的作用下呈规则排列时，就使物体呈现了宏观磁性．

由此可见，“分子电流”思想的形成经历了“可能性”、“宏观电流”和“分子电流”三个阶段，这符合人们由浅入深、由表及里、由现象到本质的认知过程．“分子电流假说”由安培提出，也是和他所特有的科学素质分不开的．回顾安培所生活的年代，特别是在奥斯特发现电流的磁效应以后，许多科学家都在从事电与磁的联系方面的研究，如：英国的法拉第（MichaelFaraday，1791～1867）法国的毕奥（Jean BaptisteBiot，1774～1862）和德国的塞贝克（Thomas JohannSeebeck，1770～1831）等等．他们都绝非等闲之辈，倘若安培不是及时地重复和发展奥斯特的实验，倘若安培不是立即接受菲涅耳的建议，即倘若安培不具备在科学上极其敏感，最能接受他人成果的独特素质，也许“分子电流假说”的提出者就要易人了．2

“分子电流假说”提出初期的论争按照前面安培对“分子电流假说”的解释，是难以令人接受的．在这个问题上，安培走在了时代的前头．因为在当时，人们还不了解原子的结构，因此不能解释物质内部的分子电流是怎样形成的．直到1911年，卢瑟福（Enrst Rutherford，1871～1937）通过α粒子散射实验的分析和计算，提出一切原子都有一个核，电子象行星一样绕核旋转”的模型以后，才有了轨道磁矩的概念．1922年斯特恩（OttO Steen1888～1969）和盖拉赫（W.Grelach）用银原子成功地做了后来以他们的名子命名的实验，发现原子中还存在一种不能用轨道磁矩来说明的磁矩．为了解释这一问题，乌伦贝克（George Eugene Uhlenbeck，1900～）和高德斯米特（Samnel Abraham Gondsmit，1902～1978）于1925年提出了关于电子具有自旋的假设，成功地解释了斯特恩──盖拉赫实验的结果．今天我们知道，正是原子、分子等微观粒子内电子的这些运动形成了“分子电流”．但是我们不能用同几十年后的物理发展水平来要求安培，否则就过于苛刻了，

“分子电流假说”提出以后，安培虽没有作进一步的说明，但他对他的这个信念是非常坚定的．他曾启发和建议阿拉果用通电螺线管作使其中的钢针磁化的实验．在1820年9月25日，阿拉果向法国科学院报告了该实验的结果．实验的成功又使安培磁的本质就是电的思想得到加强．1821年，他在回答荷兰物理学家万·贝克（Van Beck）的一封信中坚持认为这个假说不仅能够用于磁现象的解释，而且可以用于化学化合和化学亲和力的解释．后者却成了他的学说不能被立即和普遍接受的一个重要原因，因为接受这一学说就意味着接受关于物质结构的一个新的理论．加之当时分子电流模型好象罩着一层薄雾，使人们无法看清楚它．所以“分子电流假说”虽然深刻反映了物体磁性的本质，却遭到了当时多数物理学家的拒绝．

在对“分子电流假说”提出异议的物理学家中，最典型的恐怕要数法拉第了．1822年，他设计了一个实验：在一根玻璃管上缠以绝缘导线，做成螺线管，水平地半浸于水中．然后在水面漂浮一只长磁针．按照安培的观点，螺线管的一端相当于磁南极，另一端相当于磁北极，磁针如果是南极指着螺线管的北极，应当会吸向螺线管的北极并停在北极的一端．法拉第指出，这与实验结果不符．他的实验是磁针的南极继续穿过螺线管，直至接近螺线管的南极．法拉第论证说，如果针是单极的，它就会沿磁感线无休止地运动下去．法拉第认为，和载流螺线管对应的不是实心磁体，而应是圆筒形磁体．

安培反驳说，圆筒形磁体和螺线管并不一样．按照它的分子电流假说，圆筒形磁体中的电流是一小圈一小圈孤，而螺线管中的电流是沿着大圈的．为了证明筒形磁体中的电流是相互抵消的，他当众作了一个演示：

把绝缘导线绕成许多圈，做成线圈．在线圈内部放一个用薄铜片做成的圆环，取一磁体置于圆环近旁，如果铜环里有宏观电流，磁棒就会驱使铜环偏转．否则，只可能有分子电流．安培的实验表明铜环里只有分子电流．

安培后来用马蹄形强磁体重复了上述实验，发现了铜环的偏转．但是他把实验中所感应出来的宏观电流试图也解释为分子电流作用的结果．安培的这种思想直到1825年给赫谢尔（John Herschel，1793～1871）的信中仍在坚持，他在信中说：“这些现象是由电流或磁体对小电流所产生的．”安培虽然没有说这些小电流就是分子电流，但是这些电流具有分子电流同样大小的数量级．这表明，安培对分子电流的思想是非常坚定的．遗憾的是他把感应电流归于他的分子电流，不单独接受感应电流．他以为如果承认了感应电流，则他的分子电流假说理论就无立锥之地了．否则的话，电磁感应现象就有可能提前七、八年被安培而不是法拉第发现了．

在安培“分子电流假说”建立的过程中，还发生了安培与毕奥之间的学术论争．对于这场论争，物理史学家们各有各的看法，但有一点是一致的，即这场论争使安培更清楚地看到了把磁简化为电流的必要性，也使他的“分子电流假说”显得越发明朗起来．

德国物理学家塞贝克也曾反对安培的分子电流假说，他认为磁是更为本质的东西，电流则是磁的作用的结果．

直到后来，安培的观点在19世纪40年代被纽曼（F.E.Neumann，1798～1895）和韦伯（Wilhelm EduardWeber，1804～1891）接受和推广，并发展成为他们的电动力学．

“分子电流假说”提出以后，经历了“不太清楚”、“遭到拒绝”到“逐渐明朗”以致成为发展电动力学的基础几个阶段，这也告诉我们，科学的发现，科学理论的提出以及人们对科学成果的接受，不会都是一帆风顺的，但有益的学术论争可以促进科学的发展．3