对物质磁性的探索过程

磁究竟是啥东西?它源自何处?这是一个艰苦的认识和探索过程。在漫长的磁学发展历史长河中,每一时期都曾涌现出杰出的代表人物。他们勇于探索,大胆假设,缜密求证,为对物质磁性的认识及应用做出了卓越的贡献。下面就简单说说探索、认识物质磁性的过程。

(1)泰勒斯的错误。在探索磁性本质方面,古希腊的哲学家泰勒斯迈出了第一步。大约在二千五百年前,泰勒斯在发现了摩擦起电现象后,又观察了磁石吸引铁屑现象,他认为这两种现象很相似。在没有任何鉴别和验证仪器的技术条件下,泰勒斯凭着古代哲学家的直觉,想当然地把电和磁两者看成是同一回事儿。认识物质磁性,泰勒斯的第一步“跨”错了。在把先哲奉为神明、真理的年代,泰勒斯的这一错误见解统治着科学界前后长达两千一百多年,在这段时期,谁也不去怀疑电与磁之间会存在着什么区别和联系。

(2)吉伯的见解。16世纪末,英国宫廷医生吉伯对磁产生了很大的兴趣。他用磁针进行了很多实验,并发现地球本身就是一个大磁体,于1600年出版了《论磁石》一书。他指出:吸引轻小物体的电力和吸引铁屑的磁力是两种不同性质的力,磁性物体随时随地都可以吸引铁制物体,而琥珀等物需使劲摩擦后才能吸引轻小物体。这本以实验为基础而写成的著作,是近代对磁进行正式科学研究的开端。通过吉伯的实验观察,人们开始怀疑泰勒斯的电与磁相等同的见解,转而接受吉伯的观点。但是,吉伯将电和磁截然分开、认为两者互不关联的观点,引导后面的科学家孤立地研究磁现象,导致此后三百多年的时间里磁学研究工作进展缓慢。吉伯犹如一个不熟练的引路人,刚刚将人引出死巷,却又无意中把他们推向孤岛。

(3)库仑假设。一根细长磁棒几乎可以无限制地被分割成小磁体,而且被分割的每一小段都成为独立的小磁体。这个事实促使库仑提出了著名的元磁体假说。他提出:在长磁体内部整齐排列了无数个微小的磁体。库仑把它们叫作元磁体。各相邻的元磁体的N极和S极彼此首尾相接,因而各元磁体的磁极所显出的磁性彼此抵消。但是在磁铁棒的两个端头处,由于各小磁体的磁性未被抵消,所以分别显出磁性。库仑进一步解释了许多物体不显磁性的原因。他认为这些物体内部的元磁体排列得杂乱无章,在中央部分、两端的磁性作用彼此抵消了,所以对外界不显磁性作用。库仑的元磁体假说揭示了一些物体的磁化原因,是由于元磁体有规律排列的结果。但是没有说明元磁体为什么会有磁性,以及物质的磁性究竟起源于什么。

(4)奥斯特的发现。奥斯特专心致力于电和磁的研究工作,终于在1820年发现了震惊世界的电流的磁效应。在奥斯特电流的磁效应实验的启示下,科学家纷纷抛弃原先分别对电和磁孤立地进行研究的方法,于是陆续地发现了更多的电、磁之间关系的现象。

(5)安培的贡献。安培思考,电既然能产生磁,那么磁铁或磁性物体所显示的磁性是否也是由电流产生的呢?经过几年的研究,安培在电流磁效应的启示下,在库仑磁元体假说的基础上,于1826年提出了著名的磁性起源假说。安培认为:一切物质的磁性皆起源于电流。库仑提出的构成磁性物质的元磁体就是构成物质的微粒。在每个微粒里都存在着永不停息的环形电流。此环形电流使微粒显出磁性,而且元磁体的两个磁极(N极、S极)就分布在环形电流的两侧。一般物体是不显出磁性的,这是因为物体中的各个物质微粒的环形电流的方向是互不相同的、紊乱的,因而磁性被彼此抵消。但是磁性物体里微粒的环形电流的取向大致是相一致的。因此,在其两端就显示出强磁性。安培的磁性起源假说比库仑的磁元体假说前进了一大步。这一假说揭示了磁现象的电本质,说明了一切物质的磁性皆起源于电流。使人们明白了,磁现象和电现象是既有区别、又有内在联系的。

安培的时代,原子结构的秘密尚未揭开,电子也尚未被发现。安培只提出了磁现象和物质的磁性皆起源于电的学说,他并没有,也不可能解释物质内部微粒的环形电流是怎样形成的。到19世纪和20世纪初,科学家发现了电子和揭开原子结构的秘密后,才证实安培所说的微粒就是构成物质的原子、分子等物质粒子,微粒环形电流就是原子核外的环绕电子,以及原子内部其他粒子运动或旋转所产生的那股电流。

近代物理指出,不仅原子中的电子不停地自旋,原子核也绕着自生的轴不停地转动,它们都会产生磁场。经过两千多年的发现、探索和研究,经过多个科学家的艰苦努力,人们终于明白了物质的磁性起源,为电磁应用领域开拓了广阔的空间。