中科院硬核文章 | 超导三部曲:电磁理论的“鸡蛋同源”

admin · 发表于 2019-10-9 17:09

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转发自电子工程专辑，作者：中国科学院物理研究所“罗会仟”

超导(1)：慈母孕物理

“自然最不可理解的地方在于——它竟然是可以被理解的。”——by 阿尔伯特?爱因斯坦。

我们从何而来?

远古的神话世界里，人类是神仙的杰作。那是一个洪荒的世界，天地玄黄之中醒来一个盘古巨人，他用巨斧劈开这片混沌，清气上浮为天，浊气下沉为地。他自己的咆吼化作雷霆，目光变作闪电，身体成了山川河流，我们的世界从此诞生。广袤无垠的天地之间，孕育了一位美丽的女娲元始大神，她用慈祥的母爱，以自己为样板，捏泥甩浆，造出了这个世界最聪慧的生命——人类。女娲娘娘不仅造了人，还彩石补天，维护了人类的生存环境，堪称史上第一位模仿母亲。无独有偶，西方的神话世界里，也类似有地母盖亚孕育了诸神，进而创造了天地间生命万物的传说。尽管神话有点虚无缥缈，母爱却非常容易切身体验到，人们长久以来都执拗地相信神创论。以至于若干年后，当一位叫做达尔文的英国人声称人类是猴子变的时候，人们对此奇谈怪论非常困惑，甚至调戏了这个“达尔文猴子”。

图1：清初萧云从画作《女娲》)(取自中文维基百科)
我们生活在怎样的一个世界?
或许神仙创造了我们，但他们却忘了教我们如何去认识这个世界。人类诞生之初，地球正处于活跃期，风雨雪雾雷电，各种神秘又神奇的力量频繁不穷。人们对自然既心生敬畏，又充满好奇。
怀着一颗好奇心，试图去理解这个世界，这就是科学!物理学作为科学的一部分，萌芽于人类诞生伊始对自然的观察和体验。这颗芽一萌，就是漫长的数千年。因为早期的人类，忙于果腹生存，根本没有时间也不够脑细胞去思考，更不用提文字记录了。
让我们按下时间机器的快进键，到物质条件逐渐丰富起来的古希腊。在这个奴隶制的国度，有一小撮有钱人是能够每天吃饱饭的。所谓“食肉者糜”，某些能吃饱饭的古希腊人并不是没事干，除了逛街泡澡搞艺术外，还有一件很重要的事情——那就是思考。思考人生，思考世间万物，思考呀思考，自然科学史上第一位思想家和哲学家就这么出现了。这位叫泰勒斯的老先生，不仅喜欢自己思考数字、万物和神灵，也喜欢听别人讲某些神奇的事情，更重要的是，他会做笔记。正如孔子的《论语》深深影响中华千余年一样，泰勒斯的思考和观察笔记，造就了古希腊最早的米利都学派，进而催生了苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、阿基米德等杰出人才。

图2：“科学和哲学之祖”泰勒斯(取自中文维基百科)
科学这颗芽，从此萌出土面。
让我们翻一下古希腊泰勒斯祖师爷的笔记本，噢不，笔记布(当年还没发明纸)。约在公元前6世纪的某一天，泰勒斯记载了两个很有意思的现象：一是摩擦后的琥珀吸引轻小物体，二是磁石可以吸铁。这是有史以来人们对自然现象的第一次完整的记载，代表着物理学史上的第一个实验观察记录。也就是说，物理学里最古老的一支，是电磁学。如今地球人都知道，琥珀吸引小细屑是因为摩擦起电，磁石吸铁是因为自发磁化，但磁和电究竟从何而来，却也不甚清楚。难怪在古希腊时代，这能当作奇闻妙事记录在册。
无论是琥珀吸物，还是磁石吸铁，都像极了母亲张开双臂拥抱她深爱的孩子——如果你带着情感试图去理解这俩物理现象的话。春秋战国时代的华夏先贤，显然比同时期的古希腊哲学家要更懂得科普方式和方法的重要性。面对磁石吸铁这个有趣又难以理解的现象，诸子百家的代表人物管仲先生发明了一个新词汇——“慈石”。他在代表作《管子》写道：“山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上有铅者，其下有银，上有丹沙者，其下有金，上有慈石者，其下有铜金，此山之见荣者也。”瞧，咱们自己的祖师爷厉害吧?不仅告诉你怎么找金银铜铁铅矿石，还明确说慈石与铁等矿有关。等等，没写错别字吧?为何是“慈石”?再翻翻其他典籍，你就会发现管老爷子的确没弄错。《山海经?北山经》上道：“西流注于泑泽，期中多慈石。”《鬼谷子》上道：“若慈石之取针。”《吕氏春秋?精通》上道：“慈石召铁，或引之也。”显然，这里说的“慈石召铁”和古希腊人说的磁石吸铁是一码事。说到这里，咱们得扒一扒东汉高诱的解释：“石乃铁之母也。以有慈石，故能引其子;石之不慈也，亦不能引也。”原来石头就是铁的母亲(铁要从矿石中炼出来)，要有慈爱的母亲才能吸引其儿女投入怀抱(慈石召铁)，而没有慈爱的母亲自然就不能吸引她的儿女了。所谓“慈石”就是“慈爱的母亲石”之意，——这正是“磁”这个字的来源。一个简单的物理现象，只用一个形象的词汇来描述，后来演化成一个字，流传了数千年，凭的是借用了神造人传说中的母爱思维。母爱style的科普，就是这么任性!

图3：磁铁矿石与汉字“磁”
中国古人不仅在记事风格上不同于古希腊人，在做事方面也不会过于流于哲学空谈。发现磁石吸铁现象之后，聪慧的中华儿女做出了他们最骄傲的发明之一——指南针。话说“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”，辨认方位对古人来说是首要任务，否则谁也搞不清楚究竟是八卦里的哪一卦。不过，到底是谁第一个用了指南针，考证起来有些困难。一个传说是黄帝用“指南车”穿越迷雾而战胜了蚩尤，这就如秦始皇在阿房宫造磁石门用来“安检”一样，不太靠谱。有记录的关于磁石的应用首见《韩非子》：“先王立司南以端朝夕”，说明最早的指南针雏形应该就是司南。司南啥模样?《论衡》里面介绍道：“司南之杓，投之於地，其柢指南。”也就是说，司南是一个置于铜面的勺形磁石，勺柄指向南方。后来司南被进一步改进成水浮磁针，指南针一名，由此而来。有了指南针这个神器，显然比夜观星象、昼观日影的老式辨识方位的招儿要简单方便的多，妈妈再也不用担心咱迷路啦!指南针的物理原理，还是一个磁字。磁针本身就是一个小磁铁，而地球则是另一个体积庞大的磁体，其磁极就是在南北极附近。尽管地磁场并不强，但它足以让小小的磁针保持和它的磁场方向一致。磁针的一端，就必然总是指向南方或北方了。遗憾的是，老祖宗并没有像西方人一样利用指南针去航海探索世界，而是和八卦地支结合形成了罗盘，至今仍然在风水先生手上常用。汉朝时一个叫栾大的方士，用磁石做的棋子玩出美曰“斗棋”的戏法，还蒙骗汉武帝给封了一个“五利将军”头衔。一个伟大的发明，就这样在一堆小聪明下断送了前途。

图4：司南、指南针和风水罗盘
电和磁现象之所以能最早被人们所认识并记载，其实主要还是因为我们生活的世界中电和磁无处不在的缘故。电闪雷鸣自不待说，看不见、摸不着，但又无所不在的地磁场对我们生活的世界至关重要。地磁场也像大地慈母的怀抱一样，呵护着地球上生命的存在。且不谈有木有另一个地球，就咱这地球以外其实并不十分安全。宇宙中时常有太阳风、脉冲中子星、超新星爆发、甚至是星系碰撞等各种能量爆棚的事情发生，同时会释放出大量高能宇宙射线。这些恐怖的宇宙射线如果直接打到地球上，不止会让太空站、飞船、飞机等仪表失控，也会迅速破坏臭氧层并大大增强地表辐射剂量，这对生活在地表的各种生物都是毁灭性的打击。万幸，我们有无处不在的地磁场，就如一把电磁生命保护伞，地磁场让大部分危险的宇宙射线绕地球而行。部分高能粒子汇聚到地球两极附近，形成了飘忽不定、瞬间变幻、彩色斑斓的美丽极光，似乎是地球母亲派出美丽的欧若拉女神安抚人类：“没事，有我呢，大家都很安全!”
有趣的是，不少生物体内还有“内置指南针”，如鸽子，海豚、金枪鱼、海龟、候鸟、蝴蝶甚至某些小海藻体内都有微小的生物磁体给它们导航。看来飞鸽传书的本领，还是需要天分的。人体内也有微弱的生物磁，利用现代化的心磁图和脑磁图等技术就可以测量出来。常年工作在电脑前或其他强电磁场环境下，人体内分泌系统容易造成紊乱，从而出现心情烦躁和疲劳的现象。据说，要想休息睡个高质量好觉，采用南北向的“睡向”会尽量减少地磁场对人体的干扰。不过磁场影响人体机能的原因非常复杂，尽管《本草纲目》里也有用磁石入药的记载，但磁并不能真的用来治病。戴一些磁项链、磁手镯、磁手表不仅对健康无益，有可能反而导致生物系统失调，得不偿失。至于某些“特异功能”可以认为制造或影响磁场，纯属无稽之谈。

图5：太阳风暴与极光的形成(来源：http://discovery.chinabyte.com/137/8863137.shtml)
地磁场来源于地球母亲一颗火热的慈母心，在地球内部靠近地核的地方大量高温熔融的岩浆不断流动，岩浆里含有磁性矿物使得地球整体呈现极化的磁性。地磁场强度实际很弱，平均强度大约只有0.6高斯，而目前一些人造小磁铁的强度可达数千高斯。目前的地球，地磁南极位于地理北极附近，而地磁北极位于地理南极附近，所以指南针“指南”是因为磁针的南极指向了地磁北极。地磁极和地理极并不重合，也就是说地磁轴和地球自转轴之间有一个磁偏角。话说地球母亲的心情也是充满喜怒哀乐的，地磁的南北极和磁偏角并非一成不变，地磁北极每天向北移动40米，它的轨迹大致为一个椭圆形。在地球的历史上，地磁场的南极和北极曾颠来倒去数次，最近的一次磁极变换是在75万年前。指南针也终有一天变成“指北针”——如果它能保存到那个时候的话。地磁极翻转是常见的地质现象，姑且不说人类有生之年能否遇上，某些人热衷于将其和“世界末日”之类的灾难说联系起来，这些臆想不是自我娱乐就是杞人忧天罢了。

图6：地磁场(取自http://www.nasa.gov)
从泰勒斯第一个记录电磁现象开始到今天，两千五百余年过去了，电和磁依然是物理学家感兴趣到头疼的主题之一。尽管人们如今已经知晓，宏观的电磁现象的物理本质是微观的电子运动和相互作用造成的，但是电子在材料内部是如何运动的?它们又为何能够形成如此复杂的电磁现象?电子本身又从何而来的呢?从过去，直到现在，再到未来，这都是人类需要思考的问题。
超导(2)：人间的普罗米修斯5 _% R" | w) B% B+ X, c- W

' V/ c' y* Y& U% o“我使人类不再能预知死亡，我把盲目的希望放在他们心里。此外，我把火也给了他们。”——古希腊埃斯库罗斯《被缚的普罗米修斯》

图1：普罗米修斯盗取天火(blog.sina.com.cn/gmkszz)
据神话传说，泰坦十二神的伊阿佩托斯与海洋女仙克吕墨涅生下了普罗米修斯。这位号称“深谋远虑”的古希腊神仙，估计是一位雕塑艺术家，因为他的杰作就是用黏土做“山寨神仙”——人类。后来智慧女神雅典娜赋予了人类智慧和灵魂，希望他们能和神灵一起共享这个美丽世界。众神之王宙斯显然不喜欢这个创意，他试图压制人类的发展，其中最狠的一招是不给人类火种。普罗米修斯为了呵护他的创作，给人类盗来了天火(图1)。有了火的人类学会用光明驱赶黑暗，用温暖抵御寒冷，渐渐高出其他动物一等。普罗米修斯为自己的行为付出了惨痛的代价——他被愤怒的宙斯狠狠体罚，绑在了高加索山岩上饱受日晒鹰啄之苦，直到勇猛的赫拉克利斯前来解救他。

图2：全球闪电分布 (来自 thunder.msfc.nasa.gov/)
普罗米修斯盗来的“天火”让人类告别茹毛饮血的黑暗时代，人类文明的进程从此大大推进。不过神话终究是神话，从科学事实来看，“天火”究竟是什么呢?我们可以理解为自然界闪电引起的森林大火。闪电是早期地球恶劣环境下最为频发的自然现象之一。那个时候大气里主要是甲烷、氨气、水、氢气等，地表则大部分被原始海洋覆盖，一道接一道的闪电，合成了第一个氨基酸，第一个蛋白质，进而演化出第一个单细胞生命体，生命的征程，从此开始。经过数十亿年漫长岁月的演化，直立行走的类人猿终于出现。解放双手的原始人类，有了更多的选择空间和思考时间。而闪电这个神秘又强大的力量，足以劈开大树引起火灾，好奇的人类也尝试去认识它。从森林火里留取火种，到燧人氏学会钻木取火，人类对火的认识和利用极大地促进了文明的发展。

图3. 汉字“电“与阴阳图
人类诞生千万年后的今天，这个美丽的蓝色星球，依然时时处处都有闪电发生(图2)。闪电是如何来的，它里面含有什么成分，为什么会有如此强大的力量，我们又如何去利用这些力量呢?我们无法考证神话故事里关于宙斯的神杖或电母的法器的传言，但是却可以文字的发明来一窥古人是如何理解电现象的。中国有关电的记载最早见《说文解字》：“电，阴阳激耀也，从雨从申”以及《字汇》：“雷从回，电从申。阴阳以回薄而成雷，以申泄而为电。”古人认为电是阴气和阳气相激在雨中而生，这种说法可能源自于道教的阴阳学说(图3)。西方对电的记载要更早一些，公元前600年左右，科学祖师爷——古希腊哲学家泰勒斯记录了琥珀和毛皮的摩擦可以吸引轻小的绒毛和木屑，这是对摩擦起电现象最早的记录。直到公元17-18世纪，摩擦起电的现象被英国的吉伯“再发现”，为了区分磁石吸铁的现象，他遵照祖师爷泰勒斯的思路，特地用琥珀的希腊字母拼音将该现象命名为“电的”(elec-tric)，这就是英文“electricity”一词的来源。

图4. 哈利波特与伏地魔的最后一战
尽管人们很早就认识了电和电现象，但长久以来，人们在电的面前只是唯恐避之而不及，更无从谈起对电的利用。威力巨大的闪电不仅奇形怪状，而且颜色各异，就像随时随地都可能出现的鬼魅妖怪，吞噬着人们的恐惧。而日常生活中，因摩擦而起的静电则神秘莫测，或让首饰沾满灰尘，或让绸缎或毛皮刺痛人手。这些奇怪的小电妖常常匆匆出现，又莫名其妙消失。也难怪许多神话或魔幻故事里，电永远代表着神秘的力量，就连哈利波特和伏地魔的决战，也是以一道明亮的闪电横亘在两人之间(图4)。不过，通过长期研究摩擦起电，人们也开始认识到用丝绸摩擦过的玻璃棒和用树脂摩擦过的琥珀带的电似乎不同。1729年英国的格雷和1734年法国的迪费基于大量摩擦起电实验结果，提出了电的双流质假说，认为同种电会相互排斥、异种电则相互吸引，两种流质一旦相遇则会发生中和而不带电。存在两种电的理论和中国古代关于电生于阴阳激耀的说法有着异曲同工之妙，真是科学和哲学殊途同归!

图5. 摩擦起电盘与莱顿瓶
要想进一步认识电的性质，关键是要找到产生电和储存电的办法。虽然摩擦起电是产生的电的一种办法，但是每次发电不能只靠手擦擦——这效率也忒低了。后来一个叫盖吕克的人发明了更加方便的摩擦起电盘，也就是用一个手摇盘子转动摩擦起电(图5)。从此，小电妖再也不能那么轻易七十二变无影踪，而是可以召之即来啦。下一步就是寻找收电妖的“小魔瓶”，这难不倒聪明又善于观察的人类。1745年，荷兰莱顿大学的莫森布鲁克教授在某次电学课上，不小心把一枚带电的小铁钉掉进了玻璃瓶。掉了也就掉了吧，也没啥大不了的事情，待会儿下课再捡起来呗，教授心想。不料，等他课后从玻璃瓶捏出铁钉的时候，手上突有一麻酥酥的感觉。“有电!”教授惊奇道，原来铁钉的电并没有消失，掉进玻璃瓶后一直都在!莫森布鲁克仔细考量了他用的玻璃瓶，经过不断改进，终于发明了降服小电妖的魔瓶——莱顿瓶，这名字是为了纪念它的发明地点莱顿大学而来。银光闪闪的莱顿瓶里外都贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球。小电妖一旦落入莱顿瓶，就像孙悟空进了银角大王的紫金红葫芦里，很难跑出来得瑟了。如今看来，莱顿瓶其实就是一个简单的电容器，电通过金属链导入瓶中后，将被屏蔽保存在瓶中(图5)。

图6. 富兰克林用风筝捕捉“天电”(柯里尔.艾夫斯，彩色版画)
有了莱顿瓶这个收电“神器”，许多科学家都兴奋不已。1746年，英国的科林森小心翼翼地打包了一个莱顿瓶，快递给了遥在美国费城的好朋友——本杰明?富兰克林，同时附上了使用说明书。美国人富兰克林是一个十足的科学爱好者，在数学、物理、工程、音乐等许多方面都有研究，在电学刚刚风靡起来的时代，富兰克林同学最喜欢的礼物莫过于一只莱顿瓶了。当时关于摩擦引起的静电的研究已经非常之多，可以说，人们对“地电”已经十分熟悉。但是对于更加强大的“天电”——闪电，人们还是敬而远之的。不过，这对胆大包天的富兰克林而言，不是问题。1752年的某一天，风雨雷电大作，富兰克林认为在这种天气里就该干点疯狂的事情。他叫来助手把早已准备好的风筝放上了乌云密布的天空，风筝是由铜骨架做成的，风筝线则绑着一根铜线，头上栓了一串他家里的钥匙，放在莱顿瓶里。轰隆隆的雷声，亮闪闪的电，富兰克林等待着奇迹的发生。终于，一道闪电击中了风筝，一股强大的电流顺着铜线传到了莱顿瓶里，富兰克林第一次成功把“天电”抓到地面上来(图6)。富兰克林通过仔细研究抓到的闪电，他最终认为闪电其实和摩擦产生的电没有任何区别，也就是说“天电”和“地电”同属一电。他进一步指出所有的电其实都是电荷造成的，电荷分为正电荷和负电荷两种。电荷其实存在所有的物体当中，只是有的物体正电荷比较多所以带正电，相反有的也就带负电或者不带电，电荷的积累和转移就是摩擦起电等静电现象，而电荷的“流动”则形成了诸如闪电的电现象。原来，电母和宙斯用的法器并不神奇，和人间产生的电完全一样!就像普罗米修斯盗取天火到人间一样，富兰克林就是“人间的普罗米修斯”，勇敢地把天电引到地面，终于揭开闪电的神秘面纱。人们从此意识到电里面蕴含的巨大能量，如何安全地利用这股神奇的力量，成为无数科学家努力的目标。

图7. 百元美钞上的富兰克林
富兰克林的实验着实危险，切勿模仿。后来有人试图重复这个实验，不幸被电击身亡!相比神话里的普罗米修斯，富兰克林的命运要好太多。幸好，伟大的富兰克林没被雷劈，到了1775年-1783年间，他还作为重要角色参与领导了美国独立战争，并在建国之初起草了《独立宣言》，成为美国史上最著名人物之一。打开你手上的百元美钞，你就会发现一个大背头鹰钩鼻老头子在中间，没错，他就是本杰明?富兰克林，一名胆大幸运的科学家和政治家(图7)。富兰克林的实验还给我们一个启示，要躲开上天的“闪电惩罚”可以用一根悬挂在高处的金属来吸引闪电，从而让它不再破坏建筑物，这便是避雷针的原理，于1745年由狄维斯发明。现代社会摩天大楼顶上比比皆是避雷针，有效地躲开了“宙斯之怒”，保证了楼里人的安全(图8)。

图8. 闪电击中夜幕下的埃菲尔铁塔
“人间的普罗米修斯”用风筝“一鸢渡电”开启了电学研究的新篇章，认识到天地电同源之后，人们对电的兴趣也越来越浓厚，玩的花样也越来越多。玩的最high的一次，当属传教士诺莱特。这位神父为了让教众感受神的力量，特地召集了700余名修道士来巴黎的某教堂玩一次史无前例的电学party。大伙儿手拉手围成一个大圈圈，第一个人抓住莱顿瓶，最后一个人抓住其引线，当摩擦起电盘给莱顿瓶充满电之后瞬间放电，几百人几乎在同一瞬间都被电刺痛双手而跳了起来，在场的皇室贵族和围观的路人甲乙丙们看的无不目瞪口呆。玩的最吓人的一次，当属意大利的伽伐尼。这位仁兄喜欢没事拿刀子解剖各种小动物，有一次拿金属刀片正准备对案板上的半截死青蛙来一个“庖丁解蛙”，一刀子下去，蛙腿居然像活着一样抽搐了几下，吓得他以为青蛙起死回生或是借尸还魂。当时关于电的神奇已经传遍大街小巷，伽伐尼于是跟风声称青蛙腿本来就带有“生物电”，金属刀片的接触导致电的传导，引起了蛙腿抽搐。若干年后生物电的假说被一本叫做《弗兰肯斯坦》(又名《科学怪人》)的科幻小说借鉴，描述了一个疯狂科学家用拼凑的尸体和闪电造出一个奇丑无比的怪物，最后导致家破人亡的故事。电学热潮初期玩的最认真的，当属卡文迪许和库仑。两个人一个出生在英国，一个出生在法国，但都有一个共同的特点——是富二代但绝非酒囊饭袋。卡文迪许从另一个科学伟人——牛顿身上学到了实验物理方法，也思考了他提出的万有引力定律，他认为静电力之间也存在类似引力的平方反比定律，并亲自用两个同心金属球壳做了实验。而库仑则利用他精湛的力学工程技能，改进卡文迪许测量引力的扭秤实验，成功精确测量了静电力，证明了卡文迪许关于平方反比定律的猜想。电学里第一个定律——库仑定律，就这样诞生了(图9)。

图9.诺莱特的电击实验(《从法拉第到麦克斯韦》，凡异出版社)，
在富兰克林提出电荷的假说100多年后，1897年，英国物理学家J?J?汤姆孙终于看清了小电妖的面目——电子。汤姆孙在研究阴极射线过程中发现一种带电粒子的存在，并巧妙地用磁场和电场做成的质谱仪测量电子的电荷/质量比值(简称荷质比)，证实了电子是一种独立存在的粒子。1911年，美国的密立根尝试重复汤姆孙的实验，但是发现实验结果存在许多不确定性。为了精确测量电子的电荷量，密立根发明了著名的油滴实验装置，通过监控带电油滴在平行板电容器下落的时间来测定其电量(图10)。就这样，密立根在显微镜下观测了数千个油滴，通过统计数据发现所有油滴带电量都是某一个数值的整数倍。他认为这个单位电荷量就是电子电荷的数值，称之为元电荷。至此，人们才真正理解各种复杂的电学现象实际上就是电子的转移或运动造成的。然而，有关电的魔法故事远远没有结束。尽管人们已经知道电子的质量和电量，但是关于电子的直径以及它是否有内部结构，直到今天仍然是一个待解之谜。

图10. 密立根油滴实验装置
当今社会，人们的生活已经离不开电。各种家用电器，如电灯、电视、电脑、电冰箱、电话、电炉、电吹风、电熨斗、电烤箱、电饭煲等等，已经成为生活必需品。还有各类仪器仪表、工厂的各种机器、各种交通工具、夜晚下的霓虹灯等等几乎都离不开电。如果你还记得，2008年8月8日在北京那个夜晚，北京奥运会开幕式上一幕幕绚烂的灯光秀，那就是电的魅力(图11)。让我们永远铭记，电的发现、研究和利用，彻底改变了这个世界!

图11. 2008北京奥运会开幕式上绚烂的灯光秀
超导(3)：电磁理论的鸡蛋同源
自从泰勒斯这位科学老祖记录摩擦起电和磁石吸铁这两个物理现象以来，2000多年过去了，人们对电和磁的理解还是极其有限。无论是中国风水先生用罗盘定乾坤，还是哥伦布靠指南针航海发现新大陆，抑或是诺莱特的奇妙人肉电学实验，都是止步于电和磁极其常见的现象认识和利用。甚至到19世纪初期，许多人依然认为电和磁风马牛不相及，电是电，磁是磁，电没法搞出指南针，磁也没法生成闪电。然而，当真如此?
如果仔细思考摩擦起电和磁石吸铁两个现象，不难发现它们有一个共同特征：吸引作用。富兰克林认为电之间也存在异种电荷相吸，和磁石的南北极相吸其实一样，所谓阴阳，是为相吸。

发现电和磁之间的小秘密，需要一点点童话般的幻想，加上细致入微的观察，还有大量的实验验证。19世纪的一个丹麦人，他符合上述所有条件。喔，您别想多了，他不是安徒生。确实，我们伟大的童话大王，安徒生先生，创作了《卖火柴的小女孩》、《丑小鸭》、《海的女儿》等着名的童话故事。他还写了更多不那么出名的童话，《两兄弟》就是其一，人物原型是他的一位好基友。话说，这位朋友整整比安徒生大了28岁，是他报考哥本哈根大学的主考官，也算是老师了。或许是暗恋老师的小女儿的缘故，安徒生每年圣诞节都喜欢往老师家里跑，一起吟诗作乐，顺便聊聊科学[1]。也许是受到了安徒生这位文艺青年的感染，这位普通的物理系老师依靠他童话般的想象力，发现了一件极其不平凡的事情。某一次物理实验课，一切似乎都是老样子，连电路，打开关，讲课，断电，收工。然而不经意间，一个小磁针放在了电路旁边，又是不经意间，他注意到开关电一瞬间，小磁针都会摆动几下。就像童话世界里用魔法棒隔空操控磁针一样，电就是那根神奇的法杖，万分激动的这位仁兄差点摔到讲台下面去。之后，这位40多岁的普通物理教师，在实验室里愣是乐此不彼地玩了三个月的电路和小磁针，宣布发现了电和磁的魔法奥妙——运动的电荷可以让静止的磁针动起来(图1)。1820年7月21日，一篇题为《论磁针的电流撞击实验》的4页短论文发表，署名汉斯·奥斯特，这位安徒生的老师兼好友，一举成名。
原来，同时期的许多物理学家都在研究静电和静磁之间的联系，但是静电和磁针之间总是过于冷淡，啥作用都不发生，也无法相互转换。奥斯特的发现，关键在于突破思维框架，在运动的电荷里寻找和磁的相互作用。电和磁之间的小秘密，终于被人们发现。奥斯特这个名字，后来于1934年被命名为磁场强度的单位，简写为Oe，沿用至今。

奥斯特的实验报告犹如投入池塘里的一颗小石子，让本已归于平静的欧洲电磁学研究，激起了层层涟漪。几位法国科学家在1822年里相继做出重要贡献：阿拉戈和盖·吕萨克发现绕成螺线管的电线可以让铁块磁化;安培发现电流之间也存在相互作用;毕奥·萨伐尔发明了直线电流元理论解释这些实验结果。
和库仑一样，安培也是一个痴迷于物理研究的富二代科学家，从小就在父亲的私人图书馆里接受科学的熏陶，从小学、中学、大学到教授，再到法国科学院院士，学术之路一直顺风顺水。安培勤于思考各种物理问题，无论何时何地，想起来就根本停不下来。他曾将自己的怀表误当鹅卵石扔进了塞纳河，也曾把街上的马车当做黑板来推公式。可以想象这样一个科学痴人，当他得知奥斯特的实验结果之后是多么地兴奋。安培在第一时间重复了奥斯特的所有实验，并把结果总结成一个非常简单的规律——右手螺旋定则[2]。现在，用你的右手，轻轻握住通电流的导线，拇指沿着电流方向，四根手指的指向就是电流对磁针作用力的方向，没错，就是环绕电线的一圈(图2)。安培把电线绕成螺线管，直接就用电流做成了一个“磁铁”，根据右手定则可以轻松判定这个电流磁铁的磁极方向。安培利用螺线管原理发明了第一个度量电流大小的电流计，成为电学研究的重要法宝之一(图3)。既然通电导线会有磁作用力出现，那么两根通电导线之间也会存在类似的吸引或排斥作用，为此安培同样总结了电流之间的相互作用规律。关于电可生磁的奥秘，安培继承了奥斯特的童话思维模式，想象磁铁里面也有一群小电精灵，就像一个个电流小圈圈，形成了一大堆小电流磁针，并且指向一致，如同群飞的鸟儿或海洋里群游的鱼儿一样，集体的力量最终形成了极大的磁作用力。安培给他的小小电精灵取了个形象的名字，叫做分子电流。要知道，那个时代对微观世界的认识只到分子层次，关于是否存在原子以及原子内部是否有结构属于超越时代的问题，能创新地想象分子里面有环状电流已经十分大胆前卫了。虽然分子电流最终被实验证明并不存在，但是其概念雏形为解释固体材料里面的磁性起到了抛砖引玉的效果——磁虽然不是来自分子电流，但和材料里的电子运动脱不开关系。为纪念安培的贡献，后人将电流单位命名为安培，简写为A。
好了，我们现在知道，电，可生磁。那么，下一个问题自然是：磁，可以生电吗?答案是肯定的。用实验事实回答这个问题的第一个人，是英国一位仅有小学二年级文凭的年轻人。他不是因为太笨而辍学，而是因为家里实在太穷了——铁匠老爸想让儿子早点出去打工，好挣钱养家糊口。可怜的孩子，小小年纪就到伦敦街上去卖报，去文具店站柜台，还去书店搞装订，不为什么，就为混口饭吃不被饿死。幸运的是，科学与贫富无关，穷人的孩子同样可以对科学感兴趣，甚至作出极其重要的科学贡献。这位叫做迈克尔·法拉第的孩子，利用他在书店打工的机会，用他仅有的小学二年级语文水平，博览群书，特别是《大英百科全书》。法拉第对科学非常感兴趣，时下最火热的当属电学研究，他甚至自己捣鼓起简单的电学实验，还拉着小伙伴们一起讨论科学问题。看书不能满足他日益增长的好奇心，法拉第从19岁开始频繁出现在伦敦市里各种科学讲座现场。一位叫做戴维的大科学家用渊博的知识征服了法拉第，很快他就成为戴维爵士的铁杆忠实粉丝，精心记录他的每一次演讲，并用他的装订技术做成了一本《戴维讲演录》，寄给了他作为圣诞礼物。戴维显然被这位渴望科学知识的穷孩子粉丝感动了，事出凑巧，他在做化学实验时不幸把眼睛弄伤了，急需一名助手。法拉第同学就这样，从一个伦敦街头打工仔，变成了皇家研究所的科研助理。对其他人来讲，无非是换个地方打工，混饭吃的还是继续混饭吃。然而对于法拉第来说，接触到真正的科学就等于插上了梦想的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴维老师访遍欧洲科学家们，也从不抱怨老师给的各种化学研究任务，在出色地完成一名科研助理工作的同时，他也努力继续着电学和磁学的实验。话说19世纪初的电磁学研究领域大多数都是些不愁吃穿的富家子弟，法拉第在紧衣缩食的情况下，以一个寒门子弟的身份，用大量的物理实验证实：磁可生电。

磁是如何生电的?关键还是三个字：动起来。
既然运动的电荷会产生磁作用力，那么运动的磁铁也会产生电流。法拉第用磁铁穿过安培发明的金属螺线管，发现磁铁在进入和离开线圈时会产生电流，也发现在两块磁铁间运动的金属棒会产生电压(图4)。法拉第把磁产生电的现象叫做电磁感应，后来美国的亨利研究了感应电流的大小与磁强度之间的关系。俄国的楞次总结出了电磁感应的规律，也就是楞次定律：感应电流的方向与金属棒和磁铁相对运动方向相关。为了更加形象地理解电磁感应现象，法拉第创造性地发明了“磁场”的概念。他认为磁铁周围存在一个看不见摸不着的“力场”，就像一根根的磁力线，从磁北极出发跑到磁南极结束。让金属棒做切割磁力线的运动，就会产生电压或电流，电流方向由磁力线与金属的相对运动方向决定。为了证实磁场的存在，法拉第在各种形状的小磁铁周围撒上了细细的铁屑，清楚地看到了铁屑的密度分布(图5)。力场的概念至今仍然是物理学的最重要理论基础，没有之一。法拉第凭借仔细的实验观察，非常形象具体地解释了电磁感应现象。翻开他的实验记录本，里面几乎找不到一个数学公式，都是一张张精美的手绘实验图表，让人一目了然。正是如此，法拉第的发现非常适合公众演示，他本人也是一个科普达人，组织过无数次科普讲座和演示，并编写了《蜡烛的故事》，成为科普典范，期待着某一个角落里的某一个孩子能够走上和他类似的科学之路。法拉第于1825年接任戴维成为皇家研究所的国家实验室主任，但是他拒绝了皇家会长的提名，也拒绝了高薪等一切会干扰科研工作的东西。为了纪念法拉第的贡献，后人把电容的单位命名为法拉第，简写为F。

动电生磁，动磁生电。多么妙的领悟!
然而，究竟是先有磁，还是先有电呢?如同一个古老争论不休的问题，究竟是先有鸡，还是先有蛋呢?很多人认为当然是先有蛋再有鸡，因为原则上鸡和鸟类一样，都是恐龙进化而来，想当年恐龙时代，大伙都下蛋，就没有听说过什么叫做鸡!但是最近英国科学家发现有一种蛋白质只能在鸡的卵巢里产生，这下还是先有鸡比较靠谱。也就是说，得先有个叫做“原鸡”的动物，下了一个蛋，叫做“鸡蛋”(图6)。那么，有没所谓的“原磁”或“原电”呢?这才是产生电或磁的根源?

莫慌，莫慌，别凌乱。来自英国剑桥大学的天才，来告诉你答案。
剑桥大学三一学院，伟大的牛顿工作的地方，那里有砸中牛教授的苹果树，和万有引力的智慧，还有许多世界闻名的大科学家。有一天，数学教授霍普金斯去图书馆借一本数学专业书，发现已被一个刚来的年青人借走了。教授找到借书者，看到他正在笔记本上乱糟糟地摘抄书里面的内容，教授对这位年青人敢于读如此艰深的数学书而惊讶，同时善意提醒他记笔记要注意整洁性——这是学习数学的基本要求。年青人透露了他对数学的兴趣动力，因为他对刚读过的法拉第《电学实验研究》十分感兴趣，但苦于找不到合适的数学工具来理解其中大量的实验规律。不久，霍普金斯将他收入门下攻读研究生，同门师兄还有大名鼎鼎的威廉·汤姆孙(开尔文勋爵)和斯托克斯。1854年，年仅23岁的他顺利闯过师兄斯托克斯主持的学位考试，毕业留校任职。有了强悍的数学功底，这位叫做詹姆斯·麦克斯韦的年青人正式开始了电磁学方面的理论研究。一年后，他用两个微积分方程描述了法拉第的实验，并发表了论文《论法拉第的力线》。又过了4年，麦克斯韦转到伦敦国王学院任教，终于有机会前去拜访他的偶像——迈克尔·法拉第，这位比他大了整整40岁的着名科学家。一个是实验高手，一个是理论高手，巅峰对决，顶级交锋，思维的火花不断迸发。法拉第显然对微积分公式感到一片茫然，他赶紧提醒麦克斯韦，要让实验学家懂你的理论，最好建立一个物理模型。哥俩决定给这个模型取一个高大上的名字，叫做“以太”，源自亚里士多德，指的是天上除了水、火、气、土之外的另一种神秘东西。麦克斯韦做到了!他在接下来的论文《论物理学的力线》里，完成了另外两个描述电磁现象的公式。至此，麦克斯韦的“以太”模型世界里描述电磁理论的方程一共有四个，被称为“麦克斯韦方程组”，是物理学里面最优美的公式之一(图7)。终于，无论是电生磁，还是磁生电，都可以用麦克斯韦方程组来解释。
这些看不见摸不着的“超距作用”原来就是电场或磁场在作祟。然而事情没有那么简单，麦克斯韦发现，这个方程组可以预言一种既有电场又有磁场的东西，而且传播速度是光速!接下来，他在《电磁场动力学》里用数学论证了这种“电磁波”(时称“位移电流”)的存在。也就是说，电和磁完全可以在一起，而且，我们天天看到的光，其实就是电磁波!这是何等大胆的推断!原来电和磁本来就可以不分家的，电里可以有磁，磁里也可以有电，他们同属于电磁相互作用。究竟是先有电还是先有磁的问题，在麦克斯韦方程组里不攻自破，既然俩娃都不分彼此了，那就甭管谁先谁后的问题了。

1873年，麦克斯韦完成《电磁学通论》一书，宣告电和磁相互作用被统一描述，成为继牛顿力学之后的第二个集大成者。一个16岁的德国科学家赫兹看到了这本书，决心找到麦克斯韦预言的电磁波。15年后，实验终于成功，电磁波被证实存在。再往后，马可尼、爱迪生、特斯拉、伦琴、劳厄等人的发现和发明让电磁波成为造福人类社会的重要利器(图8)。
故事远远没有结束。
尽管电和磁都统一了，但是电毕竟是电，磁毕竟是磁，两者细究起来还是有区别。话说，你吃个鸡和吃个蛋，味道能一样么?至于毛鸡蛋，味道更那啥不是。一个简单的问题，关于电，我们知道有正电荷和负电荷的存在，但是关于磁，为什么没有听说过南磁荷和北磁荷的存在?事实是，我们至今没有发现过!一块条形磁铁无论你怎么切，每一块都是有南北极同时存在。仔细看麦克斯韦方程组就会发现，里面电场是有源的，而磁场是无源的。这……，何解?

1879年，麦克斯韦去世。同年，爱因斯坦出生。麦克斯韦方程里提到的物理模型——“以太”，最终在19世纪末引发了物理学的一场革命，爱因斯坦是发起这场革命的中坚力量。再之后，相对论和量子力学建立，电磁学的研究进入到了一个崭新的时代。又是一个英国的年青人，叫做保罗·狄拉克，建立了一个相对论形式的量子力学波动方程——狄拉克方程(图9)[5]。在这个方程里面，不仅存在带负电的电子(负电子)，也存在带正电的电子(正电子)，还预言了只有南极或北极的磁单极子。关于磁单极子的寻找，至今仍然是一个谜。虽然近几年科学家们在一种叫做自旋冰的固体材料里面发现了类似磁单极子的准粒子(图10)，但严格来说它并非是我们理解的单粒子，只是可以用磁单极子的理论来描述。
随着对微观世界认识的不断深入，人们逐渐了解到，宏观的电磁现象实际上都来自于材料内部微观电子的排布方式和相互作用模式。而电磁相互作用力，属于自然界四大基本相互作用力之一。关于电磁学的研究，一直在继续。

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[电源] 中科院硬核文章 | 超导三部曲:电磁理论的“鸡蛋同源”

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