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安培定律背後比悲傷更悲傷的故事
「安培」是電流的單位,「安培定律」是電磁學的重要理論,安培的科學成就讓他享有「電動力學之父」的美譽。他長期地在不同學科間跳躍,為要整合所有的知識,使成為一套有脈絡可循的思想體系,並且以此體系為教育哲學,培育具備跨領域思考的學生。但是,聰明且事業有成的安培,卻在親情與愛情的悲痛中浮沉,影響其生命與家庭。
 
 
數學天才

一七七五年一月二十日,安培(André-Marie Ampère)生於法國南部的里昂,父親是當地傑出的絲織商人,也是個熱衷教育的人。安培的父親相信愛讀書的孩子,常是先愛上聽故事,因此安培還未識字之前,父親就經常為他朗誦詩歌、戲劇與童話。安培後來寫道:「依然記得幼時,父親用幽默的語調說動植物的故事,這些有趣的小故事,深深地啟發了我不斷往前學習的欲望。」

安培七歲時,他的父親成為他的家庭教師,繼續教他生物學、數學、天文學、語言學等。安培的父親將白天的時間分為四等分,三等分拿來教安培念書,剩下時間才去做生意。晚上,又陪安培複習白天所學習的內容。因為有對教育這麼熱忱的父親,安培又有過目不忘的記憶力,他從小就有「百科全書天才」的外號。他在13歲時就閱讀歐拉(Leonhard Euler, 1707-1783)與伯努力(Johannes Bernoulli, 1667-1748)寫的數學研究報告,並投了一篇〈求圓錐形曲線長度的研究〉給里昂科學會,隔年獲得刊登。他也去旁聽里昂學院達伯倫(Abbé Daburon)教授的數學課程,教授給他的評語是:「數學的困難,無法阻擋他前進的腳步。」
 
安培畫像與他的手稿
▲安培畫像與他的手稿
父親的最後一封信

一七八九年五月,法國大革命爆發,象徵法國路易斯王朝權力的「巴斯底」監獄於七月十四日被攻下,整個國家進入無政府狀態般的混亂,里昂的政府軍隊也告解散。城裡搶劫、暴動、謀殺四起。為了維持治安,安培的父親將紡織工人組織起來,成立一支50人的自衛隊,保護工廠與住家附近的治安。由於需要維護治安的地區太多,這支自衛隊不斷地擴編,不久成為「里昂防衛軍」,安培的父親擔任防衛軍司令,與里昂警察總長一起維持治安,城裡的動亂迅歸平靜。

這支保衛鄉土的防衛軍,在革命黨的眼中是擁兵自重。一七九一年十月,革命黨組織議會,成立軍隊,隔年五月,下令攻擊里昂防衛軍。里昂防衛軍完全沒有料到議會軍隊會攻擊他們,安培的父親前去陳情,立刻被捕,並且被判死刑。

他的父親在臨刑前給家人的最後一封信,寫道:「我期待,我的死能夠使里昂市民被屠殺的可能減至最低,我赦免那些在斷頭台邊歡呼、在法庭上對我咆哮,與宣判我死刑的人……我知道,不久我將離開這個世界,前往真正永恆的國度,我有一個親愛的女兒已經先在彼處。現在,讓我牽掛不下,是我所愛與照顧的你們,願兩個孩子的一生敬畏上帝、秉公行義,此外我別無所求。」十一月二十三日,父親被送上斷頭台,並且所有財產充公。

罹患精神錯亂

這個打擊太大,安培完全沒有辦法接受父親的死,一年半之久,他成為精神病患,他白天將自己鎖在房裡,夜裡出去四處遊蕩。一七九三年五月,法國進入「恐怖時期」,革命議會下令,「祇要有反政府的意向,不管年齡、性別、宗教、或任何因素,一律入獄。」單是在巴黎,一下子就關進一萬四千人。

安培的母親擔心孩子的安全,就將安培送到里昂郊外,一個人口祇有四、五百人的波立米優克斯小鎮,並請了個老女管家照顧他。一七九四年九月,恐怖時期結束,但是革命議會仍實施恐怖管制,偵查反叛分子的秘密警察,經常到安培的住處突檢。一七九五年十月,較溫和的執政議會取代革命議會,但仍限制反叛分子家屬的行動。安培不能回到里昂,他恢復意識後,已逐漸能夠念點植物學的書,有時也在鎮外的森林中散步。

認識心愛的女孩

鎮上還有一個由里昂逃難來此的紡織商人卡榮,也是安培父親的舊識,他聘的女管家同時也是照顧安培的人。卡榮中風後,他的女兒茱麗‧卡榮(Catherine Julie Carron)由里昂回來照顧他,漸而照顧安培。她比安培大二歲,由照顧滋生愛情,茱麗與安培逐漸成為一對情侶,這是安培一生最幸福的時刻。

一七九七年,安培獲得行動的自由,但是整日往卡榮家跑。同年,法國政府發現革命動亂使全國教育鬆散,開始招聘老師。茱麗勸安培去應考,安培一考就上。十一月,他到里昂中央學院當數學老師。

一七九九年八月十六日,安培與茱麗‧卡榮結婚,隔年八月,茱麗產下一個男孩。茱麗知道安培非常盼望一個女兒,就領養一個女嬰,安培的母親與茱麗的母親也與他們同住。安培日漸覺得入不敷出。一八○二年二月,他前往薪水較高的包爾格中央學院教物理,包爾格在里昂的西北方60公里處。安培祇有在週末才能搭車回到里昂。在這段期間,安培仍繼續與妻子通信,安培在一封信上寫道:

親愛的茱麗:

昨天晚上六點,我削了蘿蔔的皮,又把南瓜洗乾淨,優雅地切成幾片,再把南瓜、豬肉攪碎成一團,花了我很多的力氣,準備要下鍋時,才想起爐子裡沒有火,我把木炭擺好,點了火,沒想到怎麼都點不著木炭,我蹲下去,用力往爐口吹,結果弄得一陣猛咳。

等到咳嗽好了,爐火又熄了,只好又點火,一邊咳嗽一邊吹火苗。火旺起來的時候,我聞到焦味,原來忘了放油,鍋子裡的菜已經焦糊了。

親愛的茱麗,妳的丈夫就是在吞嚼這難吃的食物時,特別地想到妳。原來煮飯比物理難,讓我精疲又力竭,現在妳知道,為什麼我一天只吃兩餐的原因了罷!
                                
需要妳的安培上
 
安培與妻子茱麗感情相當融洽 (來源:pixabay 作者:pixel2013)
▲安培與妻子茱麗感情相當融洽 (來源:pixabay 作者:pixel2013)

外界的高舉

安培是教書的高手,他擅長將知識分類,並且指出不同知識領域的相關處,例如他教授物理時,他在講義上寫道:「物理分為三個領域:一、天文物理──宇宙萬有引力定律的呈現。二、機械物理──物體的運動與平衡。三、化學物理──物質的基本組成與反應。」他稱物理是:「以最少的法則,去解釋宇宙間物質界最多現象的學問。」之後,他的教材被法國教育主管機關當做高等教育的範本,而且受到當時法國科學泰斗拉普拉斯(Pierre Simon Laplace, 1749-1827)的器重,推薦他為法國科學教材的審查委員,不久更升任為大學督察,到各校視察科學教育的執行成效。一八○三年二月,他升任物理學教授。

茱麗的訣別

當他的工作正逐漸被重視時,茱麗染上肺病,而且迅速惡化,她給安培寫了封信:

親愛的安培:

我已經品嘗了人生最珍貴的體驗–我們彼此成為對方最喜悅的對象,那真是我們一生最快樂的時光。

是的,我的親愛,雖然快樂是那麼短暫,依然是我一生的珍寶,也許,這些快樂再也無法喚回,太多的事情、太多的心思,必須花在別的地方,彼此再也無法有促膝長談的機會。

未來,無論如何,你必須花更多的時間在兩個孩子的身上,孩子們需要你做他們的榜樣。

你必須說服自己,沒有一件事情比照顧孩子更重要,我期待能繼續成為你與兩個孩子溝通的橋梁,但是,我生命的盡頭已經來到,年輕時的體力與旺盛的活力已經離我而去。

雖然我們年齡相近,但是我曾照顧過你,彷彿比你大十歲一般,我的心依然不變,永遠愛你,也許這是給我所愛的人最好的禮物。

此刻我依然想你,相信你也在想著我,我總感覺,我們的愛常有共鳴。

安培看到此信,迅速趕回里昂,茱麗已病入膏肓。七月十三日,茱麗病逝。那一天,在安培的日記上,祇寫著聖經詩篇三十二篇七至八節,向上帝的禱告詞。

進入最高學府任教

安培又回到包爾格中央學院,他瘋狂般地投入研究工作,以忘記憂傷。不久,他以〈統計計算賭博勝負機率〉,發表他的第一篇研究,並且獲得法國最高學術團體–國家科學院的會誌刊登。一八○三年二月,他又發表〈變異量的計算〉,並在同一學術刊物上發表。安培寫道:「過去,我祇將科學當做我的興趣,但是如果我要在科學界擁有一席之地,就必須以研究發表做我的晉升之階。」一八○四年,巴黎的「綜合技術學院」聘他擔任數學教師。

一八○四年,法國進入拿破崙帝國統治時期,綜合技術學院是當時法國最好的大學,當時的老師除了拉普拉斯之外,還有拉格朗日(Comte Joseph Louis Lagrange, 1736-1813)、傅立葉(Baron Jean Baptiste Joseph Fourier, 1768-1830)。這裡的畢業生未來都會成為拿破崙軍團的軍官,所以學校也採取軍事化教育,學生住在軍營式的宿舍裡,並以整齊的步伐排隊進入教室,向老師立正、敬禮、坐下後,才開始上課。拿破崙要求他的軍官除了帶兵打仗外,還要懂數學。

偏微分的研究

安培在此時發表數篇偏微分的研究,他認為物體的移動、速度與加速度的變化和濃度的擴散等物理現象一樣,與其運動之初的起始條件與運動時的邊界條件有關,用偏微分方程不僅可以描述物體的運動與變化,並且以數學方程式解,賦予物體的運動更深的探討。安培更認為偏微分方程可以分類,去解不同類型的物理問題,是結合數學與物理的重要思考。一八一四年,安培以此研究獲選法國科學院的院士,並在隔年升任為綜合技術學院數學分析與物理機械學的教授。

除了數學與物理之外,安培也研究化學。一八一○年,他研究氟酸,他雖然無法純化氟,但他認為這是一種新元素,並給這元素取名為「氟」。一八一三年,他自海帶裡純化出一種新物質,與戴維(Humphry Davy, 1778-1829)、法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)一起進行實驗後,發現這是由一種新元素組成的,安培稱此元素為「碘」。安培繼而由元素的原子量,以數學推導其原子組成的晶體結構,他開啟了未來晶體物理化學的研究。一八一四年,他的數學成就已與拉普拉斯齊名,化學成就在法國已經無人匹敵,在教育上則升任為全國各大學的督察。他的確如願以償地在科學界占有一席之地。

但是在這各界推崇的另一方面,卻有乏人所知的一面。

錯誤的選擇

安培到巴黎後不久,經人介紹認識當時在社交圈以美貌著稱的女子波托特。安培一見她就陷入情網,一八○六年四月,安培向她求婚,對方要求七千二百法朗(相當於安培六年的薪水)的聘金與一個非常盛大婚禮的所有支出。安培的母親看過這個女子後,勸安培不要與她結婚;波托特知道後,立刻哭鬧威脅安培若不要她,她就立刻自殺。八月一日,安培借足款項,兩人才結為夫婦。

結婚不到兩個月,波托特以懷孕有礙她的外表為由,搬回娘家。安培苦不堪言,他無法單獨照料兩個小孩,就將領養的女孩送回。一八○七年六月七日,波托特產下一個女嬰;安培才將這個女孩抱回家,沒想到波托特就向法庭申請離婚。一八○八年四月兩人離婚,安培請母親來巴黎替她照顧小孩,一年後,母親病逝。安培祇好搬到學校宿舍,請管家幫他照顧孩子。

深深的墮落

離婚後,安培的感情世界大變。白天,他是個大學教授,又是各大學的教育督導。晚上,他卻隱名換姓,到聲色場所放縱情慾。一八一一年,他與一位有夫之婦同居。一八一二年,他與孩子的女家庭教師發生不倫關係,竟被兒子撞見。一八一四年,他才警覺自己行為不對,他在日記中寫道:「我內心的欲望,是我的意志難以駕馭的……耗損我的生活……我又能做什麼才能彌補所犯的錯誤?我做的是何等地邪惡。」但是,他仍難以自情慾世界中自拔。一八一四年,安培自殺一次,沒有成功,他愈來愈沮喪。
 
經歷離婚後,安培的心境備受影響。(來源:pixabay 作者:StockSnap)
▲經歷離婚後,安培的心境備受影響。(來源:pixabay 作者:StockSnap)


重新出發

一八一七年十月,安培在家整理父親留給他的遺物,發現裡面有一本書,是十五世紀「弟兄們來過平凡的生活」修會的修道士金碧士(Thomas ?Kempis,1379-1471)所寫的《效法基督》。《效法基督》是中世紀最著名的靈修書籍之一,金碧士也是一個教育家,他所參加的「弟兄們來過平凡的生活」修會,建立了人類最早的「中學教育制度」。安培閱讀此書後寫道:「一個空虛的心,如何架構耀人的哲學?自己易變的思想,如何值得信賴。知識不能解救墮落的人性。……」他離開情慾的網羅,重新出發。

電動力學實驗

一八○二年七月,奧斯特(Hans Christian Oersted,1777-1851)發表〈電流對磁針影響的實驗〉一文,震驚全歐。安培立刻想到有一種未知的「力」影響電流對於磁針的偏轉,他認為這未知的力可能是解開「磁」現象的關鍵。奧斯特的實驗發現,蘊涵著研究電磁現象的正確起點。

安培的電學實驗非常簡單,他用兩條平行的導線,一條固定在底座上,一條以支架懸掛在空中,支架的長度可以伸縮並控制兩條導線間的距離。懸掛在空中的導線連在一個可以旋轉的軸承上。由這條導線在空中的擺旋,可以測得兩條導線在通電時的作用力。

同年十月二日,安培在法國國家科學會上發表非常著名的〈直線電導線間的電動力〉。這篇研究報告使安培在科學史上獲得「電動力學之父」的美譽,他提出:「當這兩條導線上的電流方向相同,則導線互相排斥;反之,當電流方向相反時,導線互相吸引。其吸引力或排斥力與導線之間距離的平方成反比。」後來,這稱為「安培定律」(Ampère's Law)。

探討磁的本質

安培以電動力的法則解釋奧斯特的實驗發現,是通電導線間產生的互吸或互斥力,使磁針偏轉。安培更提出:「磁針內部的分子結構之間也有電流在移動,這些分子間移動的電流是磁的來源,所以磁是由於電流流動而產生的現象。」以電流移動產生的電力去解釋磁的本質,是安培對電磁物理學最大的貢獻。

同年十二月四日,安培將導線匝成線圈,他發現「線圈的匝數愈多,電流產生的力也愈大」,後來這稱為「安培加成定律」(Ampère's  Addition Law)。

理論物理與實驗物理的區隔

一八二一年一月,安培開始以數學演繹通電導線間的電力大小。他將電導線擺成不同的角度、不同的距離進行實驗,並將結果以數學表示。由於電力的大小與距離的平方成反比,安培提出「距離等於零時,電力的大小無法測定與表示,這是數學演繹與實驗物理間的差異。」安培是第一個將物理區分為理論物理與實驗物理兩大領域的人,但是他自己始終在這兩個領域之間擺盪。他有時認為:「數學的演繹並不能視為物理思考的起始點,除非是以實驗的方式,了解物理現象的實質」,有時又認為:「物理的法則,不能以實驗去證明,祇能以數學去演繹。」

一八二二年,安培認為電流的移動「方向」,可以用正、負號表示,這也首開以數學正負號表示物理的移動方向性的例子。此後四年,安培以更多的實驗去驗證他在電動力學上的理論。一八二六年,他已被歐洲的科學界公認為首屈一指的物理科學家,但是安培自承一直搞不清楚「電流在導線上如何移動」與「電流上的粒子如何橫越一段距離與另一條導線上的電流產生作用力」,他稱自己不過是「用實驗與數學表示電動力法則的人」。

建立科學教育的系統架構

一八二八年,安培生了一場重病。病癒後,他辭去綜合技術學院的教職,花更多的時間在全國各級學校的教育督導工作上。他認為學生應該在「系統的方式」下學習自然科學,但是到了十九世紀初期,自然科學已經成為龐大的學門,而且分為許多專門領域,每一個科學家盡其一生的努力,也祇能明白某個學術領域的知識,無法橫跨所有的學科。安培認為這是科學教育的危機,學生祇是在學習一些支離破碎的知識,為此,需要有人將科學知識建立一個體系,讓學生自小學、中學、大學有系統地學習,因此安培奉獻人生最後的學識精華,為科學教育而努力。

他在一八三四年出版《評論》一書,指出科學教育的系統性。他認為:「科學教育的目的,不祇是在了解大自然,而是在喚醒人知道自己存在的價值。」他繼續寫道:「為此,科學教育旨在培養學生觀察、分析、實驗與綜合的四種能力,使他們的悟性增進、知識更新。」安培將整個科學教育分為四種層次:分別為了解學科的特性、綜合不同學科的特性去了解大自然、由了解大自然到人對大自然的管理,與人與人在大自然中的互動。

科學教育的進階

他認為數學是學生進入科學教育系統的第一步,小學教育應由「算術」教起,因為計算數字是所有科學的基礎;在中學教三角與幾何學,讓學生了解自然界的事物與時間、空間的關係;在大學開設微積分,以準備描述事物因果間的變化。

其次,安培認為學物理應由「宇宙學」開始,了解自然界宏觀的次序。再教「原子論」,因為所有的物理與化學的自然法則都共同建立在對基本粒子的了解。而後再教由原子運動引申出的「光學」、「熱學」,再進到巨觀的物質運動「機械學」與其應用的「地理」與「航海學」、「天文學」等。

生物學方面,安培建議由「形態分類學」進入,進而學習「植物學」、「動物學」、「醫學」、「獸醫學」等後,再論「生物與社會、經濟的關係」。

整合人類的科學知識是幾乎不能完成的任務,但是安培相信「人類的知識存在一種分類邏輯,這是科學教育的基礎……這不僅是我的責任,也是愛的付出。」一八三五年,他繼續寫《評論》的第二冊,這冊他沒寫完,在他死後七年,才由他的兒子替他完成並出版。

安培的晚年

安培的晚年非常淒涼,他以教育家自居,他的孩子卻不聽他的話,中年時在情慾上的放蕩,使他成為一個失去教育孩子權柄的父親。一八二○年,他的兒子離家,與一個大他二十歲的女人同居,直到一八三五年才回來與父親復合。安培的女兒在一八二七年結婚,嫁給一個酒鬼。安培後來都在學校擔任視察督導,另一個原因是在籌更多的出差費,以供女兒一家的生活開銷。

一八三六年六月十日,安培身體已經疲憊,仍然趕去一個學校視察,他死於途中,死時,身上仍放著《效法基督》這本書。

深度閱讀
  1. Appleyard, R.(1968)Pioneers of Electrical Communication, Chapter 2, André-Marie Ampère, 33-54. Macmillan and Co., Great Britain.
  2. Gamow, G.(1961)The Great Physicists from Galileo to Einstein, 124-157. Dover Publications, Inc., U.S.A.
  3. Hofmann, J. R.(1995)André-Marie Ampère. Cambridge University Press, U.S.A.
  4. Verschuur, G. L.(1993)Hidden Attraction-The Mystery and History of Magnetism, 55-72. Oxford University Press, U.S.A.
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