歷史 物理

電磁英雄列傳之一:庫侖

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撰文者:高崇文
發文日期:2016-09-19
點閱次數:3299
  • 阿文以前在上大學一年級下學期的普通物理的時候,最喜歡考電磁學的各種單位了。因為電磁學裏頭單位特別多,彼此的關係又錯綜複雜,學生往往無所適從,索性通通留白,讓一口氣要改近百份的阿文來講,頓時省了不少力氣。(這算是教授的逆襲嗎? 哈哈哈!) 不過話說回來,如果能將電磁學的各種單位都弄得一清二楚,那也等於將電磁學的各個基本定律都學起來了。其實這些電磁學單位大都是以發現相關物理定律的物理學家來命名,像是庫侖、伏特、安培、法拉第、韋柏、高斯、特斯拉、亨利、歐姆……等等都是。這些能留名青史,還能在數百年後陰魂不散地造成學生的困擾的大人物們,其實各自有著精彩的人生故事,阿文準備好好地介紹這些創造電磁學的前輩們的生涯故事,希望能讓莘莘學子們至少對這些人名有些印象,普物考卷不要留白!

    第一位登場的是發現庫侖定律的庫侖。想必大家對這個名字一定不陌生,庫侖定律可是在國中理化課就學過的重要定律,可是知道這位科學家其實可是一位專精於要塞工程的職業軍人,想必不多吧。而知道他曾被派去在法屬西印度群島蓋要塞的人,想必更少了,就讓阿文我好好介紹一下這位大名鼎鼎,偏偏大家又不太熟悉的庫侖給各位認識。
    1Coulomb
    Charles Augustin de Coulomb(圖片來源:Wikimedia commons)

    庫侖的全名是Charles Augustin de Coulomb。他於1736出生在法國西南部一個叫Angoulême的城市。在那裏他渡過了童年。他的父親Henri Coulomb來自一個貴族家庭,在Montpellier皇家法院任職。母親Catherine Bajet則是來自以羊毛貿易致富的家庭。後來他們全家搬到巴黎,他曾在頗負盛名的馬薩林學院Collège Mazarin學習各樣學問包括哲學,古典語言,數學,天文甚至化學等。各位看倌要是記性好,也許會記得之前阿文介紹的天文學家Baily與大化學家拉瓦錫都是這所學校的校友。在那裡他受到數學家Pierre Charles Monnier的啟發對數學產生濃厚的興趣。1757年到1759年之間他待在Montpellier的學校工作,同時也向在Montpellier教書的數學家Augustin Danyzy學習。但是最終庫侖並沒有投身學界,而是選擇去就讀位於皇家工程學院(École du Genie at Mézières),這所軍校在當時可是相當難進去的。在父親許可下他回到巴黎,據說為了通過困難的入學考,他還參加了類似今天補習班的預備課程呢。最後終於如願以償。這所學校位於Charleville-Mézières,在法國與奧屬尼德蘭(現在的比利時)的邊境上。當庫侖在1759年入學時,該校才剛成立十一年。兩年後庫侖順利畢業,官拜中尉,在工兵隊開始他的軍旅生涯。

    一開始他在布列塔尼半島西端的Brest服役,這裡從黎希留樞機主教以後一直是法國海軍的基地。(大家不要被"三劍客"這種小說誤導,黎希留樞機主教可是創造現代法國關鍵的偉人,不只是隻專搞宮闈鬥爭的老狐狸而已。)想來庫侖中尉吃了不少布列塔尼蘋果塔,也喝了不少蘋果酒吧。其實當時七年戰爭還在進行。整個歐洲分成兩邊,英國與普魯士是一邊,法國與奧地利還有俄羅斯是一邊。隨著兩大軍事集團的形成,雙方都進一步爭取同盟者。結果,漢諾威(英國王室在歐洲大陸上的世襲領地)、黑森-卡塞爾、布倫瑞克等德意志諸侯國以及葡萄牙先後參加英普同盟;而瑞典、薩克森和神聖羅馬帝國的大多數德意志諸侯國以及西班牙則先後參加法奧俄同盟。不僅在歐洲大陸,連海外殖民地也打得難分難解。當庫侖被派去Brest之前兩年法國的艦隊已經在Lagos跟Quiberon灣吃了兩次大敗戰,庫侖中尉在那裏的任務是參加為了繪製地圖的測量工作。

    1763年2月10日英法簽定了《巴黎和約》,七年戰爭總算告一個段落。但是對法國來講卻是相當難堪的。《巴黎和約》可以說是波旁王朝有史以來最屈辱的事件。法國放棄了印度、加拿大、法屬路易斯安那等廣大德殖民地。法國的外交策略黯然失敗,國家的聲望在歐洲也顯著下墜。太陽王的榮光不再!為了鞏固僅存的海外殖民地,1764年二月庫侖就被派去位於西印度群島的Martinique,他的主要任務是在Rochemore中校的指揮下,建造波旁要塞(Fort Bourbon)。這個要塞是Martinique首府法蘭西堡(Fort-de-France)的主要屏障。之所以會蓋這個要塞是因為在1762年英軍成功地襲擊了當地的皇家要塞Fort-Royal就是法蘭西堡,佔領了Martinique。法國可是花了九牛二虎之力才把Martinique要回來。為了避免重蹈覆轍,法國軍方就在附近的山頭蓋一座新要塞,可以居高臨下砲擊侵犯的敵軍。為什麼Martinique如此重要呢? 因為這裡出產甘蔗可以做成砂糖,十八世紀砂糖可是價值連城的商品。順便一提,拿破崙的第一任老婆,未來的約瑟芬皇后就是出生於此,她生於1763年六月二十三日,庫侖剛到Martinique時約瑟芬還是嬰兒呢。當她於1779前搭船去法國嫁人時,庫侖早在七年前被調回法國了。算一算,庫侖在這個加勒比海的小島也待了八年之久。波旁要塞工程浩大,據說前後共花了六百萬livres,後來庫侖不堪勞累得了黃熱病病倒了。當地盛行黃熱病,致死率是相當高的。事實上法國大革命後期就常把政敵放逐到法屬圭亞那去,被流放的人往往死於黃熱病,被稱之為"不流血的吉洛丁"。幸虧庫侖運氣好。總算熬過來,他晉升上尉後被調回法國北方邊境的Bouchain。也就是從這個時候庫侖開始寫起科學論文來了。

    各位看倌可能會好奇,怎麼一個蓋碉堡的工兵軍官會寫起科學論文來了呢。早在十七世紀,荷蘭人蓋的熱蘭遮城就差點讓國姓爺鎩羽而歸。(最近讀歐陽泰的"決戰熱蘭遮"讀到的,大家到安平不要只去排隊買蝦捲,也要去瞧一瞧熱蘭遮城的那面牆,那可是荷蘭人唯一留在臺灣的遺跡喔!)因為文藝復興以來西歐就結合砲術與精巧的幾何設計將碉堡要塞的設計變成一門科學。在路易十四的時代,偉大的軍事天才Vauban元帥先後領導建築要塞33座,改造300座,指揮過53次要塞圍攻戰。系統地改進並創新了要塞的建築,他設計的五邊形的稜堡(菱堡)在歐洲火炮逐漸盛行的十七世紀及以後影響至深。而在當時,他發明的攻擊要塞的方法更加著名。在1673年,他用一系列平行要塞的塹壕和伸向要塞的蛇形交通壕,攻克了荷蘭馬斯垂克要塞。直到20世紀,這仍然是攻擊堡壘的標準方法。所以波旁王朝時的法國陸軍,特別是工兵,可以算是當時的"高科技"軍種喔!在建造碉堡時需要運用許多機械,無可避免帝牽涉到許多力學,而這些就成了庫侖一開始科學研究的對象。他的第一篇論文是關於靜力學在建築的應用。其實就算在Martinique的時候他就針對石造建築的穩定性做過一些實驗,此外他還潛心研究過Pieter van Musschenbroek關於摩擦力的理論。Pieter van Musschenbroek也是萊頓瓶的發明者。萊頓瓶(英語:Leyden jar)是一種用以儲存靜電的裝置,萊頓瓶曾被用來作為電學實驗的供電來源,也是電學研究的重大基礎。也許庫侖對電學的興趣也是從這個時候開始也說不定呢。
    2萊頓瓶

    萊頓瓶(圖片來源:Wikimedia commons)

    調回法國之後庫侖上尉分別在Cherbourg (1774-1776) 與Besançon (1777-79)等地任職。1779年他被派去Rochefort。他在Rochefort的任務是修復在Aix島上的一座完全木造的要塞,在那裡他再閒暇之餘做了許多力學相關的實驗。兩年後他將這些實驗的結果整理成一篇"簡單機械的理論",裡頭詳述如何測定繩索的摩擦係數以及堅硬的程度等諸多內容。皇天不負苦心人,這一篇精采的論文得到科學院Académie des Sciences 的大獎。他運用微積分處理力學問題的高超手法得到許多人的讚賞。這一年他被選為法蘭西科學院的院士,他乾脆想辦法調到巴黎去坐辦公桌。正當庫侖逐漸受到學界重視時,一場風暴卻發生在庫侖身上。原來他被要求去評估在布列塔尼蓋一條運河的計畫,梗直的庫侖看完之後覺得這計畫爛透了,所費不貲卻又毫無實利。不料他卻某個隱身幕後的有力人士用一個藉口給丟到修到院裡關了一星期,盛怒之下他丟出辭呈卻沒有獲准。妙的是他被迫再審一次相同的計畫,庫侖堅持原先的意見,最後另一個獨立評審也給出相同的結論。所以還庫侖清白,但也讓他對仕途感到心灰意冷。從此之後他潛心科學研究,果然得到非常豐碩的成果,也算是失之東隅,收之桑榆了。

    十八世紀時大家對電的了解還相當地少。主要的研究工具是摩擦起電機。原理非常簡單,就是利用摩擦來產生靜電,還有萊頓瓶可以儲存電荷。雖然科學家如英國的Joseph Priestley曾臆測過電荷之間的作用力應該也是滿足類似萬有引力的反平方定律,但一直沒有真正定量的研究。關鍵在於當時還沒有可以精密測量微小作用力的儀器。而這正是庫侖的強項。他利用物體被扭轉後產生回復力的性質設計了扭秤(Torsion balance) 利用這個儀器就可以研究帶不同電量的電荷彼此之間的作用力大小了。經過一番苦心的研究,他在1784年提出關於扭秤的論文。隔年他提出了有關靜電力的論文: "Premier mémoire sur l’électricité et le magnétisme,"(關於電力大小的第一份備忘錄),也就是大家耳熟能詳的庫侖定律,這個力與電荷大小成正比但與距離平方成反比。從1785年到1789年間,他接連發表了七篇相關的論文。第二篇他證實了同性電荷相吸而異性電荷的現象。接下來他作了不少關於靜電分布的觀察,以及對物質介電性質的探討。他甚至嘗試用流體來解釋靜電的現象。第七篇則是討論磁棒在磁場下的運動。他的研究讓電學真正成為定量的科學,這項功績大概是他當年在Martinique蓋要塞時連作夢都想不到的吧。其實除了靜電學的成就,庫侖還有許多其他相對較不為人知的貢獻。像是在土壤力學中討論物質在正向應力與剪應力的哪一種組合會造成建物的損壞有所謂的摩爾庫侖破壞準則(Mohr-Coulomb failure criteria),這個當然也是庫侖的貢獻之一。1787年他還曾被科學院派去英國考察英國的醫院運作方式呢。

    後來英國的科學家Henry Cavendish也是利用扭秤來決定牛頓重力常數的值。(雖然他當時真正求的是地球的密度。)不過那是1797-1798年的事了。Cavendish把發明扭秤的功勞歸給在1793年過世的英國科學家John Michell。後來馬克斯威爾重新整理Henry Cavendish過去提交給皇家學會的論文時,才發現Cavendish曾作實驗證實放在空心均勻帶電球殼裡的電荷不會感受到靜電力,這其實可以推得庫侖定律。但由於這個結果與其他眾多結果都是在1879年才為世人所周知,所以庫侖定律沒有被叫成卡文狄西定律了。
    3卡文狄西實驗
     卡文狄西實驗(圖片來源:wikimedia commons)

    1784年庫侖在Angiviller伯爵的推薦下就任Intendant des eaux et fontaines de France(姑且翻成法蘭西水利總監),1786年他還升官成了中校。1789年法國大革命爆發時,庫侖人在巴黎。但是他不像跟他同齡的天文學家Baily一樣投入激昂的政壇,而是選擇解甲歸田,在他的同事也是科學家的Jean-Charles de Borda建議下 他到位於羅亞爾河畔的Blois置產。在那裡他過著退隱的生活,專心從事包括流體的黏滯性,旋轉運動中心軸的摩擦力等各項研究。所以他安然渡過大革命最血腥的那段日子。他的兩個兒子分別在1790與1797年出生。

    雅各賓派上台後,法蘭西科學院因為被視為王權的象徵,在1793年與舊制度下建立的其他科學組織一起全部被解散。隨後上台的熱月黨人意識到科學的重要性,1795年國民公會將包括巴黎科學院在內的所有曾被取消的文化學術團體組織在一起,成立了「國家科學與藝術學院」(Institut National des Sciences et des Arts),年邁的庫侖又被招回巴黎擔任新的國家科學與藝術院的院士。此外他還被賦予統一新的度量衡的重大任務。1802年他還被當時的第一執政拿破崙任命為d'inspecteur général de l'instruction publique (公共教育總監)。這一年他還娶了為他生了兩名兒子的Louise Francoise LeProust Desormeaux。四年後他以七十高齡過世。


    (1)中文 法文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)MacTutor History of Mathematics archive
    (4)http://www.biography.com
    (5)https://geometrydude.wordpress.com/2012/12/22/cavendishs-phenomenological-derivation-of-coulombs-law/
    (6)http://biography.yourdictionary.com/charles-augustin-de-coulomb
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