欢迎来到科学发现与问题链——奥斯特电流磁效应实验的前前后后展区！

拉瓦锡的贡献并不仅仅只是发现了一种新物质那么简单，他的成就之所以被称为化学革命，还有其它重要原因。其中之一，便是他开创了现代的化学命名法，并首先定义了现代意义上的“元素”。从此，一场发现元素的历程在人类的历史上接力上演。而历史上发现元素最多的人是汉弗里·戴维（Humphry Davy）——一位明明可以靠颜值，却偏偏要靠才华的英国化学家。他不仅靠实验推翻了拉瓦锡的酸中必然含氧的理论，建立了酸的氢学说，还发现了钾、钠、钙、锶、钡、镁、硼、氯、碘。其中前六种都是利用电解法这样的大力出奇迹的手段获得的。电解法所使用的电源则是伏打电堆——一种由铜板、锌板和电解液浸润的连接片组成的化学电池。伏打电堆的发明不仅让电化学研究突飞猛进，也让电学的研究从静电学的“死胡同”中走了出来，迈向了一片新天地——流电学。

依靠伏打电堆的强大电流，戴维爵士成为了电光源的先驱者。1820年，戴维凭借他丰硕的科学成果当选英国皇家学会会长。而在同一年，一位名不见经传的丹麦物理学家在同样使用伏打电堆演示实验的过程中却意外开启了一扇宏伟的大门。而科学史上一场精彩的接力论证也由此上演。

汉斯·克里斯蒂安·奥斯特是一位在哥本哈根大学任教的教授，他的课堂生动有趣，总是结合新奇的实验来辅助演示，这使得他的课程深受学生欢迎。在1820年4月的一个晚上，奥斯特本打算在一次课程演讲中演示用电池装置给一根细铂丝供电，为听众演示铂丝发热现象。

这个实验实际是他在几年前考虑电与磁相互联系时设计的一个实验。尽管当时欧洲学术主流认为电现象和磁现象是两种互不相干的现象，其中以法国著名的发现静电荷作用定律的库仑为代表。而奥斯特从青年时期开始深受康德、谢林等人的哲学思想影响，认同各种自然力的统一。他的博士论文就是关于康德哲学思想的研究。1803年他曾经这样说：“我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散罗列，而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”也许是灵光乍现，这个早已在头脑中盘旋的方案忽然跳了出来。因此，演讲中意犹未尽的奥斯特决定在这次讲座结束前不妨在听众面前一试：他把用玻璃盒罩住的小磁针放在了铂丝下方的不远处，然后接通了铂丝与电源之间的连接，突然，磁针动了一下。

就在这一瞬间，历史凝固了。

有资料说，他甚至兴奋得摔了一跤。他最终还是抑制住了内心的激动，并没有对听众解释这个难以觉察的实验现象。也许他一下明白了之前许多失败的实验的问题，他一直试图把磁针放在电流的直线上或延长线方向，而电流对磁针的力居然是横向的！

那么，我们仅凭上述现象，能够确定它是磁效应吗？

并不能。奥斯特本人就至少提出了热现象、机械效应或材料特殊性质等另外几种假说可能性。例如，如果这是某种金属或某类金属的未知性质导致的现象。那么电流的磁效应说法就无从谈起。奥斯特本人是如何研究这个问题的？

1820年7月21日，奥斯特正式发表了他的论文《载流导线对于磁针的影响实验》。据记载，这篇只有4页纸的论文没有公式也没有图表。与其说它是一篇论文，倒不如说它是一份实验报告。在论文中，奥斯特阐述了他的实验成果，以及他怀疑小磁针的偏转是电流磁效应的种种证据。

其中，他使用了更换导线的方式来排除了小磁针的偏转是某种或某类金属特殊性质的可能性。奥斯特先后将铂导线更换为了金、银、黄铜、锌、铅甚至水银等其它金属进行实验，这些材料都没有磁性，但发现小磁针无一例外地都会发生偏转，从而排除了这种可能性，那么导致小磁针偏转的一定就是电流本身。

在家中，我们如果发现遥控器无法打开电视，并怀疑是遥控器电池没有电了，那么如果快速确定我们的疑问呢？我想这是一个再简单不过的问题。我们只要找一组新的电池更换上去再试一下就可以了。那么我们有没有想过这样做背后的本质逻辑是怎样的呢？

这就是科学研究一种常用的科学方法，叫控制变量法。

通过改变研究对象实验中某一个因素的方法来研究这个变量与研究对象的相关性。如果替换或改变了相关因素后研究对象的性质没有发生变化，那么就证明这个因素与这个性质无关。

除了这个实验，奥斯特还做了很多不同的实验来研究电流的性质。比如他将木头、蜡、陶瓷、石头、玻璃甚至水阻挡在载流导线和磁针之间，发现磁针的偏转不受影响。这与磁石隔着这些物质照样可以吸引铁的性质一摸一样。这个实验不仅排除了这是一种机械效应的可能性，也让奥斯特更加怀疑这就是电流的磁效应。

那么，在奥斯特排除了相关猜想后，我们就可以说这是电流的磁效应了吗？

虽然我们对此已经有强烈的怀疑，但很遗憾我们仍然无法确定这一点。此时我们要变换一下坐标，历史上研究电磁学的另一位巨人就要登场了。

1820年，时任巴黎综合理工学院教授的安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère）收到了一篇群发的论文，这正是奥斯特的《载流导线对于磁针的影响实验》。在亲手复现奥斯特的实验后，这位45岁的数学教授毅然决定跨学科转行着手电磁学的研究。

实践证明，安培具备敏锐的科学洞察力。很快他就用他扎实的数学功底和非凡的实验才能建立起了电磁学的基本理论体系。而在论证电流磁效应的问题上，安培的高明之处在于他采用了“黑盒子”方法——两个外部效应完全相同的事物，我们可以认为它们是等价。

安培以极大的热情开始了他的实验，他将直导线弯成一个圆圈，发现环形电流产生的效应类似一个小磁棒。究其原因，我们可以用以安培名字总结出来的安培右手定则进行解释。

安培右手螺旋定则：

当你用右手握住导线，让大拇指指向电流的方向（正电荷流动的方向），那么你的手指弯曲的方向就代表了磁场的方向。

根据以上规则，我们知道，如果用一个平面截取导线所在的平面，那么以导线为界，平面左边和右边的所有磁场的方向分别在各自半场内是一致的。当然，我们现在使用的磁场一词在当时还不存在，这个概念是后来法拉第的研究成果。如果我们将导线弯曲，就相当于把磁场聚在了一起。显然，这时磁场被加强了。原本在同环半径内均匀的磁场在线圈中心得到了加强，那么它显然会像磁铁那样具有南北极。不过他发现，这个线圈产生的磁力还是太弱了，于是他开始绕制螺线管，通过增加匝数的方法成倍增加磁力。

安培将螺线管通电，发现通电的螺线管可以与磁铁棒相互作用，就像普通的磁铁相互作用那样。他又将一个小巧的螺线管悬挂并通电，发现它与磁针又相同的效应——指南。有了这些实验基础，安培做出了他最精妙的一组实验——他完全舍弃了磁铁，直接研究电流之间的相互作用。经过一系列的改进，安培终于得到了他想要的结果——当两个螺线管通同向电流时它们会相互吸引，反之则会相互排斥。

至此，安培已经用电流模拟出了当前认知下磁体的所有性质，因此他可以确信地说电流产生的就是磁效应。不仅如此，他还抛出了一个大胆的理论——电比磁更“基本”。磁力的本质是电流的相互作用，物体内部有环绕分子的圆形电流，这种微观电流取向一致时就使得宏观物体具有磁性。这就是“分子电流假说”。这一假说虽然与现代的磁性模型有些许出入，但其核心思想——永磁体的磁性源于微观电荷运动——为后来的原子磁性理论提供了理论基础。

从奥斯特到安培的精彩论证故事到此告一段落，展览也以奥斯特实验的相关原理为基础，为大家准备了精彩的高互动展项奥斯特之舞。请大家参与到互动中，并思考为何小小舞蹈家们会在音乐响起后跟随指挥棒翩翩起舞，而在音乐停止后无论如何指挥舞蹈家们都不再跳舞，他们是不是跳舞真的和音乐有关吗？

科学始于问题。科学研究就是解决一个接一个的问题。一个好的问题可能会为我们带来惊人的发现。想要提出好的问题，就要具备敏锐的观察能力，并对观察到的反常现象进行深入地思考。而解决问题则需要知识、智慧、严谨的科学方法和不懈地坚持努力。

在本发现结束的位置，我们再回来聊一聊戴维爵士。就是前面我们说过的那位能靠颜值却偏偏要靠才华的英国化学家。戴维爵士一生中可谓是战果累累。但他也因长期接触危险的化学物质而英年早逝，享年51岁。他临终前在医院养病期间，一位朋友去看他，问他一生中最伟大的发现是什么，他绝口未提自己发现的众多化学元素中的任何一个，也没有谈及酸的氢学说的建立或证明金刚石与木炭的化学成分相同，却仅仅说到：“我最大的发现是一个人——法拉第！”

法拉第曾经是戴维的助手，也是电磁学史上的又一位传奇人物。我们前面用到的磁力线的磁场表示方法就是法拉第发明的。法拉第接过了奥斯特和安培等电磁学开拓者的衣钵，在不懈的勤奋实验和研究中，他发现的电磁感应现象，也就是磁场的变化可以产生电流的现象，继奥斯特之后补齐了电磁相互转化的另外一块拼图。同时，法拉第也是早期电动机和发电机的发明者。

当然，我们的故事还有后续，一位叫麦克斯韦数学家继承了自奥斯特以来电磁学的发现，写下了《电磁通论》这部巨著，统一了电磁理论。在书中，麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，还计算出电磁波的传播速度等于光速，并据此得出结论：光是电磁波的一种形式。