1800年3月20日，伏打?qū)懶沤o皇家學(xué)會(huì)主席約瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks），信中介紹了伏打電堆的制造方法，他將幾種金屬和鹽溶液通過合理的方式組合起來制造穩(wěn)恒電壓源。他還沒有意識(shí)到這個(gè)成果會(huì)推開科學(xué)技術(shù)新世界的大門。

伏打電堆

1800年，電流的概念還不為人所知。伏打電堆被發(fā)明后，人們談?wù)摰氖沁B接在伏打電堆上的導(dǎo)線中的“電氣沖突（electrical conflict）”，直到1820年安培才意識(shí)到電流就是電荷的流動(dòng)。大家之所以沒有試圖去建造電流源，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有人能預(yù)見到移動(dòng)電荷可以產(chǎn)生磁性。電動(dòng)力學(xué)的發(fā)現(xiàn)是建立在大量巧合之上的。

故事始于1756年，這一年卡爾達(dá)尼（Leopoldo Marc-Antonio Caldani）發(fā)現(xiàn)青蛙腿在接觸靜電發(fā)生器時(shí)會(huì)劇烈痙攣。1786年9月，伽伏尼（Luigi Aloisio Galvani）做出了令人震驚的發(fā)現(xiàn)：即使沒有靜電發(fā)生器，青蛙腿也可能發(fā)生痙攣。

我們現(xiàn)在可以理解發(fā)生在伽伏尼面前的事：他偶然間讓青蛙腿接觸到兩種不同的金屬。因?yàn)榍嗤芡群袑?dǎo)電液體，伽伏尼制造了第一塊電池，又因?yàn)榍嗤芡壤镉猩窠?jīng)，所以它既可以產(chǎn)生又可以探測(cè)這樣一種新現(xiàn)象。在這里，巧合起到了一定作用。伽伏尼相信他發(fā)現(xiàn)了神秘的“活力（ life-force）”。而伏打則意識(shí)到，發(fā)生這些現(xiàn)象的原因并不是“活力”，而是不同金屬之間的接觸。

從我們現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，即便是偉大的伏打也弄錯(cuò)了。伏打的實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)是“錯(cuò)誤理論也可以引導(dǎo)正確實(shí)驗(yàn)”的典型例子。我們將更仔細(xì)地研究這段歷史。

伏打用于測(cè)量低電壓的靜電計(jì)

1792年之后，伏打研究了不同金屬之間的接觸電壓。1795年，他用可變電容制造了一臺(tái)靈敏的靜電計(jì)。事實(shí)上，他制造了非常復(fù)雜的測(cè)量工具，使得他對(duì)電壓的測(cè)量精度達(dá)到1伏特。1799年，他首次測(cè)量了不同金屬之間的接觸電壓，接觸電壓只有當(dāng)金屬的接觸斷開時(shí)才能被測(cè)量。伏打斷定在不同金屬組成的閉合回路中總接觸電壓為0。這時(shí)他意識(shí)到只用金屬是造不出穩(wěn)恒電源的。

伏打測(cè)量金屬之間的接觸電壓。上方的金屬（銀）通過和下方的金屬（鋅）接觸，獲得靜電荷，并通過靜電計(jì)被探測(cè)到

1799年，伏打開始研究液體和金屬之間的接觸電壓，此時(shí)他同樣是測(cè)量接觸斷開后的發(fā)生的現(xiàn)象。事實(shí)上，他的實(shí)驗(yàn)表明金屬和液體之間的接觸電壓也是0。在這里，伏打的論證存在一個(gè)漏洞，在他的實(shí)驗(yàn)中，有少量的液體覆蓋在金屬表面，因此，他并沒有將液體和金屬分離開，他只是斷開了液體與液體之間的接觸。

伏打測(cè)量金屬和鹽水之間的接觸電壓。接觸被切斷時(shí)，金屬表面仍附有薄薄一層液體，此時(shí)靜電計(jì)探測(cè)不到電荷

之后伏打就發(fā)現(xiàn)了制造穩(wěn)恒電源的方法。他將鋅片和銀片疊在一起，并覆蓋上了一層液體，接下來再疊上一層鋅片和一層銀片。伏打直到1827年去世都認(rèn)為伏打電堆的工作原理時(shí)金屬之間的接觸，和他同時(shí)代的物理學(xué)家大多也都這樣認(rèn)為。直到1836年，拉里夫（de Larive）才找到解釋伏打電堆工作原理的現(xiàn)代理論：當(dāng)金屬電極浸沒在液體中，會(huì)在金屬原子中產(chǎn)生一種趨勢(shì)，使其以離子的形式擴(kuò)散進(jìn)入液體，從而在電極和液體之間產(chǎn)生可測(cè)量的電壓。

左側(cè)是伏打的理論，伏打認(rèn)為金屬之間的接觸電壓是電池能夠工作的關(guān)鍵。右側(cè)是拉里夫的現(xiàn)代理論

伏打電堆的發(fā)明意味著人們打開了通往電動(dòng)力學(xué)的大門。二十年后，奧斯特（Hans Christian Oersted）做出了突破性進(jìn)展。1820年7月20日，奧斯特發(fā)表了一篇論文，稱電流可以影響小磁針的轉(zhuǎn)動(dòng)——電和磁于是被統(tǒng)一在了一起。直到20世紀(jì)初，愛因斯坦才正確的提出磁場(chǎng)可以看作是經(jīng)過洛倫茲變換后的電場(chǎng)，因此電和磁具有同一性。

回到奧斯特所處的時(shí)代：自從1600年吉爾伯特（William Gilbert）發(fā)表了《論磁》以后，人們一直在尋找電和磁之間的聯(lián)系。吉爾伯特說，和磁性相似，經(jīng)過摩擦的琥珀、蠟、玻璃、硫磺和寶石也會(huì)表現(xiàn)出奇妙的遠(yuǎn)距效應(yīng)，它們都會(huì)因摩擦而帶電。因此，吉爾伯特發(fā)現(xiàn)的這一孤立現(xiàn)象導(dǎo)致了一門新學(xué)科的誕生。他打開了靜電學(xué)的大門。

奧斯特試圖尋找靜電和磁之間的橋梁。他將磁針在伏打電堆的一個(gè)電極附近移動(dòng)，然而完全沒有發(fā)現(xiàn)任何效應(yīng)。1820年，奧斯特在課堂上講述導(dǎo)線中的“電氣沖突”：通過伏打電堆加熱一根導(dǎo)線。偶然擺在桌子上的磁針微微轉(zhuǎn)動(dòng)了一下。這次也一樣，偶然因素在科學(xué)發(fā)展史上起到了重要作用。在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)之后，各種各樣的實(shí)驗(yàn)就可以開展起來了。接下來安培（André-Marie Ampère）又向前走出了一大步。

1820年9月11日-18日，這一周是安培創(chuàng)造力迸發(fā)的一周，他做出了四項(xiàng)極其重要的發(fā)現(xiàn)。安培首次發(fā)現(xiàn)電流就是電荷的流動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)了電流與電流之間的相互作用并且假設(shè)所有的磁性都源于電流，永磁體的磁性來自于此體內(nèi)永恒流動(dòng)的電流，這一論斷直到100年后才被愛因斯坦和德·哈斯（Johannes Wander de Haas）所證明。

愛因斯坦和德·哈斯發(fā)表了《安培分子電流假說的實(shí)驗(yàn)證明》。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期差了2倍，這時(shí)因?yàn)樗麄冎豢紤]了環(huán)形電流而對(duì)自旋的存在一無所知。

安培的第四個(gè)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)技巧，在今天看來已經(jīng)沒有什么特殊之處，以至于很多人不能認(rèn)識(shí)到它的精妙：安培發(fā)明了線圈。從那以后，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域制造強(qiáng)磁場(chǎng)成為可能。

電動(dòng)力學(xué)中下一個(gè)決定性的一步是法拉第（Michael Faraday）走出的。如果電流可以影響磁針的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么磁場(chǎng)一定可以影響電流。1821年9月4日，法拉第制造了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，盡管它轉(zhuǎn)的非常慢。根據(jù)他的妻子的說法，當(dāng)時(shí)他的眼中閃耀著快樂的光芒。

法拉第（1791-1867）

正如奧斯特和安培所說，電流可以產(chǎn)生磁性，那么反過來磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電流嗎。法拉第花費(fèi)了11年來制造這樣一種裝置，并且記錄了詳細(xì)的研究日記。1831年8月29日，這是值得紀(jì)念的一天，他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)變壓器環(huán)形線圈中的電流導(dǎo)通和斷開時(shí)，次級(jí)線圈中就會(huì)誘導(dǎo)出電流，這一切可以被小磁針探測(cè)到。當(dāng)時(shí)對(duì)法拉第來說，這是一種幾乎無法被觀測(cè)的微弱效應(yīng)，但如今已成為技術(shù)上不可或缺的原理。從自行車發(fā)電機(jī)到核電站，我們要做的總是讓線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)起來。

看來，鑒于巧合在實(shí)驗(yàn)中的重大歷史意義，也許我們現(xiàn)在應(yīng)該資助更多的基于巧合的實(shí)驗(yàn)。