互动科普

磁学诞生四百周年 

指南针从中国传到西方花了好几个世纪的时间，最后连航行在大西洋上的水手也普遍使用指南针了。1600年，伊丽莎白时代伦敦杰出的医生William Gilbert撰写了现代科学起步时代(17世纪)的第一篇经典著作。该著作用拉丁文写成，其书名就不同凡响，叫做《关于磁铁和磁性物体，以及通过实验演示地球这块大磁体》。它的英译本仍在印刷中。此书比伽利略写的关于用远镜观察星空的有名著作早10年问世，无怪乎伽利略对Gilbert这本引人入胜的书赞叹不己。

天然磁石的主要成分为磁铁矿。磁铁矿是铁的一种复杂的黑色氧化物，也是当时磁性的主要来源。随便取一块炼好的铁块，用一块大小适当的磁石在它上面摩擦都可以使它磁化。Gilbert讲述了如何用天然磁石来进行磁化通常的铁金属，如果把它拉成长条形状并沿南北方向放置也可以使指南针被充分磁化。

磁性指针不管被带到哪里．都会沿着当地经线的方向大致指向南北(当时还没有铁船)。当时没有人知道，为什么磁针不管在哪里都会指向一个大致的总的方向，直到Glbert演示了这种惊人能力的详细情况后这个谜才解开。撇开恒星不论，这种磁性实际上起源于地球。

Gilbert通过实验来说明问题：把一小团天然磁石弄回并修正光滑，做成一个地球模型。像大麦粒那么长的一段段细铁链将用着这个地球模整齐地排列起来，其方向与它们的位置有关。在地球摸型的赤道一带，这些小铁丝乎躺在地球模型的表面上，井转动到指向两极的方向。而在磁极处这些铁丝就竖立起来，指向地球。在像伦敦这样的地方，这铁丝位于南北走向的平面内并且倾向于指向下方，但不是像两极那样竖直朝下。真实的罗盘指针一旦能够在南北走向的平面内自由地摆动，便会出现这种指向下方的“磁倾”现象。这一现象大约是在Gilbert进行最初研究的那一段时期首次演示的。如果地球内有一块巨大的天然磁石，而它的两个磁极稍微偏离了地球自转两极的位置，那么令Gilbert之前的所有人迷惑的磁技术便可以得到合理的解释。世界各地所观察到的磁定向与天体定向之间的偏差同这一简单得令人惊讶的模式符合得非常好，而各地的磁倾角也可以用这一模式来解释。如今的小学在自然课时，可以用一块小的条形磁铁和一个泡沫塑料做的一般的剖分式地球仪来向学生解释地磁现象。将条形磁铁在适当的纬度上插入泡沫地球仪中，许多微小的软铁丝便会在球面上整齐地排列起来，恰如Gilbert当年演示的那样。

在非洲的最南端，远在好望角以南的地方葡萄牙航海家们在1500年左右注意到磁针所指的方向与正午时分日晷仪标杆(或船桅)投下的阴影(这是太阳和恒星确定的真北和真南)基本相合：葡萄牙海员把这块狂风横扫、寸草不生的海滩命名为“指针角”(Cape of the Needles)，磁针和地球自转轴在这里重合。但是现在这一重合已不复存在，因均地球的巨大锥体一直在无规则地漂移，其飘移幅度可达每一世纪10度。

地球真的是一块巨大的天然磁石吗？肯定不是，无论是磁铁矿还是铁金属，在地球的熔融外地核的高温下都仍然保持很强的磁性。但是长期的地磁变化为我们现在对地磁的认识提供了简单而有力的证据。控制罗盘指针的并不是永失磁铁，而是一块巨大的电磁铁（即地球)。我们在海底发现了许多依次排列的磁化岩层。这些岩层记录了过去两亿年的海底扩张期间，地球磁极方向出现的一百多次完全逆转。地球的磁状态反复地迅速衰减到零，其时间间隔以百万年计，而且是完全无规律的：此时地球深处的电流被几乎完全关断，当电流开始再次流动时，其方向一般接近于地球自转轴的方向。磁的极性则是有时反转过来，有时则保持先前的状态。地核区起着发电机的作用，复杂的电流在厚厚的导电流体层内弯曲缠绕，产生地表磁场。

理论家使我们确信，相互作用的电流之间产生的磁力通过从电流引出的热量中以及地球自转存储的动能中取得能量，可以增强一个初始的种子磁场。该种子磁场可能是周期地从活动的太阳吹到我们地球附近的磁化等离子体。过去5年间，对真实的地球流体发电机的二维模拟给人留下了深刻印象，能够绘制出模拟磁极在地球到处漫游的十分逼真的复杂图景。

读者们应该想一下，为我们阅读时所用的台灯供电的发电机中的精巧线圈与铁芯。地球发电机具有类似的功能，而它能够在宇宙的规模上自行形成并增长真是一个奇迹。地球磁场对电力的需求并没有达到宇宙的数量级，而只是相当于我们已经建造的最大的发电机的功率。地球的磁性足通过耗用极小一部分(不到十亿分之一)，地球存储的自转动能而得以连续维持的。

令人惊讶的是Gilbert在《论磁》(DeMagnete)一书中介绍的第一项实验完全与磁性无关：“随便找种金属来自己动手做一根很轻很轻的指针，放在一个尖的支点上，就象磁针那样：“这根指针既无磁性，也没有标出南北方，它显示的是磁的吸引，是电的吸引”，把一块经过摩擦的金琥珀在指针旁边移动，指针就跟着金琥珀转动。Gilbert把他那富有创见而不轻信别人的思维方式也用到了对这些事实的解释上：古希腊和罗马的作者们已经知道另一种不同的物质会产生吸引力，但从未仔细考察这个现象。喷一层水雾把指针与琥珀隔开，指针便再受琥珀吸引，但涂一层橄榄油却不会起到这种作用。除了琥珀之外，Gilbert列出一大串能够吸引指针的物质。

他对于力学和化学的认识在很大程度仍然来源于亚里士多德以及占希腊人的要素说和体液说。因此他那一番哲学上的长篇大论在我们看来似乎没有多大的份量。但他是一位极有才能的诊断学家。他向我们讲述了他在其8年的研究生涯中所测试和比较的种种现象。他对电现象的认识仅仅是一段短暂的离题话，但这段议论暗示了电荷及电荷力的存在(现在它们被纳入到电磁理论中)。这种早期的概括性体现了某种以共同的行动而不是以单纯的议论为基础的统一，它贯穿Gilbert的工作。四百年后来看Gilbert的这个简单的模型，我们仍然觉得它更接近于不断发展的现代科学，而不仅仅属于技术革新或有根据的猜想。

郭凯声／译  向俊／校