04. André Marie Ampere

André Marie Ampere urodził się 20 stycznia 1775 w zamożnej rodzinie w Lyonie. Dzieciństwo spędził na wsi w Poleymieux, 10 km od Lyonu. Mieszkał w obszernym rodzinnym domu gdzie obecnie znajduje się poświęcone mu muzeum. Początki nauki czerpał nie ze szkoły lecz z przyrody, rodzinnego domu i bogate biblioteki ojca. W wieku trzynastu lat napisał swoją pierwszą rozprawę naukową. Poświęcił ją krzywym stożkowym. Tezy rozprawy nie były jednak oryginalne o czym młody autor nie wiedział. Sądził, że opanował całą istniejącą za jego czasów wiedzę matematyczną. W tym samym roku (1788) przedstawił Académie de Lyon swój pierwszy artykuł naukowy. Przedstawił w nim próbę rozwiązania problemu konstruowania odcinka o długości równej długości okręgu.

Zaproponowana w nim, samodzielnie wymyślona przez Ampere'a metoda zakładała zastosowanie wartości zdążających do zera. Jednak znowu okazało się, że autor nie zna opublikowanego już wtedy rachunku takich wartości (rachunku różniczkowego) stąd, artykułu nie dopuszczono do publikacji. Postarał się zatem o dzieła Eulera i Bernouliego, a także o wydaną właśnie wtedy "Mechanikę analityczną" Lagrange'a i rozpoczął nad nimi poważne studia.

Rewolucja 14 lipca 1789 tragicznie zaważyła na losach rodziny Ampere'ów. W 1792 roku ojciec został aresztowany i zgilotynowany. Zburzyło to życie i na jakiś czas przerwało rozwój naukowy przyszłego uczonego (nie do końca wszakże, pracował on w tym czasie nad "językiem uniwersalnym" mającym do siebie zbliżyć ludzi różnych narodowości). Z depresji na dobre otrząsnął się dopiero gdy poznał Julię Carron. Zaręczył się z nią w 1797. Pobrali się w 1799 (ślubu udzielił im potajemnie ksiądz nie autoryzowany przez władze rewolucyjne), a w 1800 urodził im się syn Jean-Jacques.

Po zaręczynach przyszły mąż i ojciec rodziny, zgodnie z ówczesnym zwyczajem musiał pokazać, że potrafi samodzielnie zarabiać na życie. Rozpoczął więc udzielanie lekcji matematyki (w Lyonie). Dopiero w 1801 dostał pracę nauczyciela fizyki i chemii w l'École Centrale w Bourg-en-Bresse. Przeprowadził się tam pozostawiając żonę - najpierw samą, później z nowourodzonym synem - w Poleymieux.

Podczas pobytu w Bourg prowadził badania w dziedzinie matematyki. W ich wyniku napisał traktat zatytułowany "Rozważania o matematycznej teorii gier" ("Considérations sur la théorie mathématique du jeu"), który przedstawił w paryskim Instytucie Nauk w 1803. Dojrzała i nowatorska rozprawa naukowa zwrócił uwagę paryskich autorytetów naukowych na młodego autora. Dzięki poparciu jednego z nich, Dalambre'a dostał posadę matematyka w liońskim liceum (obecnie Lycée Ampere).

Pracując tam kontynuował pracą badawczą w dziedzinie geometrii analitycznej. Jednak w tym okresie życia Ampere'a istotniejszymi od zawodowych okazały się sprawy rodzinne. Już wcześniej młoda żona zaczęła chorować, teraz jej stan zdrowia pogarszał się coraz bardziej. Zmarła w 1803 roku zostawiając męża w głębokiej depresji. Chcąc się z tej depresji otrząsnąć Ampere postanowił całkowicie i radykalnie zmienić otoczenie. W 1804 roku wyjechał do Paryża.

Nie miał żadnego formalnego wykształcenia, miał jednak doskonałą reputację zarówno jako nauczyciel matematyki jak i matematyk-badacz. Został więc zatrudniony w Politechnice (we Francji istnieje tylko jedna politechnika: École Politechnique), najpierw jako wykładowca matematyki (répétiteu), a od 1808 jako profesor. W roku 1808 został (nominowany przez Napoleona) inspektorem generalnym francuskich wyższych uczelni (inspecteur général de l'université française). Stanowisko profesora dzielił z Cauchy'm. Studenci mogli porównywać tych dwu jako dydaktyków. Ich zdaniem lepszym z nich był Ampere. Wykłady Cauchy'ego uważali za błyskotliwe lecz nadmiernie trudne.

Profesorem Politechniki był Ampere do roku 1826 kiedy to w uznaniu dla ogromnego, wartościowego dorobku naukowego otrzymał katedrę fizyki w prestiżowym College de France Kierował nią aż do śmierci. Po 1826 roku wykładał również filozofię na Faculte des Lettres.

Sprawy prywatne przez całe życie układały się Ampere'owi źle. Stwierdzenie, że układały się one tragiczne nie byłoby zbytnio przesadnym. O przedwczesnej śmierci ojca i żony już mówiliśmy. 1 sierpnia 1806 ożenił się powtórnie (na ślubie byli Lagrange i Dalambre) lecz małżeństwo rozpadło się w przeciągu roku. Co prawda 6 lipca 1807 urodziła im się córka Albine jednak małżonkowie mieszkali już wtedy oddzielnie. Nie rozmawiali za sobą. Od 1808 byli w prawnej separacji. Prawo do opieki nad dzieckiem otrzymał Ampere. W przyszłości mieszkanie pod wspólnym dachem z córką a zwłaszcza z jej mężem alkoholikiem i awanturnikiem przysporzy mu wiele zgryzot. Syn Ampere'a, Jean-Jacques-Antoine osiągnął sławę jako historyk i filolog zajmujący się studiami nad pochodzeniem języków europejskich. W 1830 objął katedrę historii literatur obcych na Sorbonie. Jednak i z niego nie miał Ampere zbyt wiele osobistej pociechy. Ich wzajemne stosunki były jednym wielkim pasmem burzliwych kłótni i awantur.

Ampere był przede wszystkim matematykiem. Właśnie w tej dyscyplinie prowadził wykłady i większość badań. Jednak jego zainteresowania naukowe były daleko szersze. Zajmował się również metafizyką, chemią, fizyką, a nawet zoologią. We wszystkich tych dziedzinach dokonywał odkryć i publikował wartościowe prace.

W 1811 zauważył, że bezwodnik odkrytego dwa lata wcześniej kwasu składa się z wodoru i jakiegoś nieznanego dotąd pierwiastka podobnego do chloru. Zaproponował dla niego nazwę fluor. W 1814 niezależnie od Avogadro (który zrobił to w 1811) sformułował prawo o identyczności liczby cząsteczek każdego gazu pod tym samym ciśnieniem i w tej samej objętości (stąd prawo Avogadro we Francji znane jest jako la voi Avogadro-Ampere - prawo Avogadro Ampere'a). W 1816 opracował klasyfikację pierwiastków. Pracował także nad teorią światła. W 1815 opublikował pracę o refrakcji. Był zdecydowanym zwolennikiem falowej teorii światła polemizując z Biotem i Laplace'm, zwolennikami teorii korpuskularnej.

W dziedzinie matematyki badał między innymi równania różniczkowe cząstkowe, opracowując ich klasyfikację. W 1814 pracę na ten temat przedstawił w Narodowym Instytucie Nauk (Institut National des Sciences), późniejszej paryskiej Akademii Nauk (l'Academie des Sciences). Praca ta stała się decydującym argumentem na rzecz wyboru Ampere'a na członka Instytutu. W listopadzie 1814, rywalizując o przyjęcie z Cauchy'm pokonał go w głosowaniu wynikiem 54 do 28.

Obszerną, dwutomową pracę Ampere'a, zaplanowane przez niego jako "dzieło życia" zatytułowaną "Szkice z filozofii nauki, czyli przedstawienie analityczne ogólnej klasyfikacji wszelkiej wiedzy ludzkiej" ("Essai sur la philosophie des sciences, ou exposition analytique d'une classification naturelle de toutes les connaissances humaines") opublikowano dopiero po śmierci autora.

Wielka przygoda Ampere'a z elektrycznością i magnetyzmem rozpoczęła się dopiero w roku 1820 i trwała zaledwie kilka lat. Jednak wkład w rozwój tych właśnie dyscyplin naukowych (z których uczynił jedną dyscyplinę) rozsławił uczonego i uznawany jest za jego największe dokonanie.

W roku 1820 o zjawiskach elektrycznych i magnetycznych wiedziano już dużo. Znane były podstawowe właściwości magnesów stałych i właściwości magnetyczne Ziemi. Znano zarówno wydajne maszyny elektrostatyczne jak i zaawansowane konstrukcje ogniw galwanicznych.

Wiedziano, że niektóre ciała są przewodnikami elektryczności, inne - izolatorami. Znano zjawisko elektrolizy. Znane były też doniesienia, że uderzenie pioruna powoduje magnesowanie się żelaza, zaś od czasów Franklina wiedziano, że pioruny mają charakter elektryczny. Wiedziano również, że zarówno dla ciał naelektryzowanych jak dla ciał namagnesowanych oddziaływania siłowe mają wartości odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości (tzw. "prawo odwrotnych kwadratów"). Stąd istniało podejrzenie, że magnetyzm i elektryczność są jakoś ze sobą powiązane.

Postrzegano jednak i wielkie różnice. Wiedziano, że:
- "fluidy elektryczne" mogą być rozdzielane, "fluidy magnetyczne" - nie;
- istnieje cały szereg ciał, które mogą być elektryzowane, a tylko nieliczne ciała mogą być magnetyzowane;
- wszystkie materiały mogą być przyciągane do naelektryzowanych ciał, a tylko żelazo i stal mogą być
przyciągane do ciał namagnesowanych; w magnetyzmie nie ma niczego co by odpowiadało przewodnikom
i izolatorom znanym w teorii elektryczności.

Uważano, że istnieją dwie różne substancje odpowiedzialne za zjawiska magnetyczne: "effluvium północne" i "effluvium południowe". Była to tzw. teoria "dwufluidalna". W dziedzinie elektryczności współistniały dwie koncepcje. Teoria "dwufluidalna" zakładała istnienie dwu rodzajów elektryczności: elektryczności "żywicznej" (resinous) wytwarzanej przez pocieranie bursztynu (i ciał podobnych) oraz elektryczności "szkłowej" (vitreous) wytwarzanej przez pocieranie szkła (i ciał podobnych).

W 1747 Franklin elektryczność "szkłową" nazwał elektrycznością "dodatnią", a elektryczność "żywiczną" - elektrycznością "ujemną", interpretując tę drugą jako brak elektryczności "dodatniej" ("szkłowej"). W ten sposób wprowadził teorię "jednofluidalną". Zwolennicy teorii "dwufluidalnej" przejęli od Franklina terminologię (elektryczność dodatnia i ujemna) ale pozostali przy swojej (jak się później okazało słusznej) koncepcji "dwufluidalnej".

Wielki przełom roku 1820 zaczął się od odkrycia duńskiego fizyka Hansa Christiana Örsteda. W kwietniu zaobserwował on, że igła magnetyczna odchyla się gdy przez znajdujący się w jej pobliżu przewodnik przepływa prąd elektryczny. Poinformował o tym świat naukowy Europy. Wiadomość o odkryciu dotarła do Paryża na początku września. Przyjmowano ją ze sceptycyzmem dopóki 11 września 1820 eksperyment Örsted'a nie został powtórzony przed paryską Akademią Nauk przez wybitnego fizyka Dominique'a Arago.

Na pokazie obecny był Ampere. Zainspirowany nim natychmiast rozpoczął badania nad nowoodkrytym zjawiskiem. Na początek sformułował tzw. regułę Ampere'a (znaną też jako "reguła pływaka"). Mówi ona, że gdy prąd płynący przez przewodnik rozciągnięty horyzontalnie nad igłą magnetyczną ma zwrot od bieguna północnego do południowego, to koniec północny igły obraca się w kierunku wschodnim.

Ampere zrozumiał też, że igła magnetyczna może znaleźć zastosowanie do detekcji i pomiaru prądu elektrycznego. Przy pomocy wykorzystującego ją przyrządu badał prąd płynący z ogniwa galwanicznego. Stwierdził, że prąd płynie również przez samo ogniwo i jest on tam identyczny jak prąd płynący przez przewodnik. Dotychczas tego nie wiedziano. Odkrył w ten sposób fundamentalną dla elektryki zasadę przepływu prądu w obwodzie zamkniętym. Skojarzył ją z efektem oddziaływania prądu na igłę magnetyczną. Zbadał oddziaływanie na igłę magnetyczną prądu płynącego w przewodniku ułożonym w pętlę. Naprowadziło go to na ideę, że magnetyzm jest wynikiem przepływu prądu i że właściwości magnesów należy tłumaczyć występującymi w nich wirowymi prądami elektrycznymi. Postulował, że prądy te płyną w indywidualnych "molekułach" magnesu (dziś zwanych domenami magnetycznymi).

Postawił wynikającą z tej koncepcji magnetyzmu hipotezę, że prąd płynący przez cewkę złożoną z nawiniętych na walcu zwojów miedzianego drutu powinien wykazywać takie same właściwości jak magnes stały. Zbudował taką cewkę i na drodze doświadczalnej potwierdził swoje przypuszczenie. Badał także oddziaływanie dwu cewek. Stwierdził, że odpychają się lub przyciągają w zależności od położenia względem siebie. Jak różne bieguny magnesów. Stwierdził też, że kierunek działania sił zmienia się wraz ze zwrotem prądu. Zbadał zależności ilościowe rządzące tymi zjawiskami Wiele lat później Maxwell będzie ubolewał, że niektóre z tych zależności nazywane są imionami antagonistów Ampere'a, którzy w przeciwieństwie do niego nie rozumieli rzeczywistej istoty badanych przez siebie zjawisk. Zaproponował utrzymujący się do dnia dzisiejszego podział nauki o elektryczności na dwa działy: elektrostatykę i elektrodynamikę. Sformułował podstawy teoretyczne elektrodynamiki.

Pierwsze wyniki swoich badań zaprezentował Akademii już w tydzień po pokazie Arago, 18 września 1820. Kolejne wykłady, połączone z pokazami eksperymentów wygłaszał w następnych miesiącach nieomal co tydzień. Prace na te tematy publikował w Annales de Chimie et de Physique (1820, 1822 i 1825).

Ampere nie był jedynym wybitnym fizykiem, który szybko zareagował na raport o odkryciu Örsted'a. Także Jean-Baptiste Biot ze swoim asystentem Félixem Savartem niezwłocznie przystąpili do badań nad nim. Wyniki tych badań zaprezentowali Akademii w październiku 1820. Zjawiskami magnetycznymi zajmował się w tym czasie także Poisson. Wszyscy trzej odrzucali zaproponowaną przez Ampere'a koncepcję łączenia elektryczności z magnetyzmem. Między nimi i Ampere'm dochodziło do zajadłych polemik. Także inni wybitni fizycy na ogół byli przeciwni rozwijanej przez Ampere'a idei. Podkreśla to genialność jego odkrycia.

W kolejnych miesiącach i latach Ampere przeprowadzał coraz to nowe eksperymenty mające potwierdzić lub obalić postawioną przez niego hipotezę. W ich wyniku dokonywał dalszych odkryć. Między innymi otrzymał pierwszy w historii elektromagnes a także pierwszy, jeszcze prymitywny galwanometr. Z Ampere'm współpracował na tym polu Arago. Jednak nie te odkrycia stanowią o istocie dorobku Ampere'a.

Najtrafniej scharakteryzował ten dorobek James Clerk Maxwell nazwając Ampere'a "Newtonem elektryki". I rzeczywiście, podobnie jak Newton dokonał epokowego przełomu w dziedzinie mechaniki, tak dzieło Ampere'a otwarło zupełnie nowy rozdział w dziedzinie rozumienia zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Opracowana przez niego interpretacja tych zjawisk była rewolucyjnie nowatorska, a przy tym została przez swojego twórcę na tyle dopracowana, że do dnia dzisiejszego nic istotniejszego nie zostało w niej zmienione. Dokonując przełomu w dziedzinie "czystej nauki" spowodował przełom również w dziedzinie zastosowania opisywanych przez nią zjawisk. Bez ich prawidłowego rozumienia nie byłoby lawiny odkryć praktycznych, które doprowadziły do przemysłowego wykorzystania elektryczności

Bardzo ważnym elementem dokonań Ampere'a było nadanie przez niego swojej koncepcji kształtu sformalizowanej teorii matematycznej (był przecież wybitnym matematykiem!). Opisał za jej pomocą ilościowe zależności pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi. Najbardziej znanym twierdzeniem tej teorii jest tzw. prawo Ampere'a mówiące o tym, że całka liniowa wektora gęstości strumienia magnetycznego obliczana po krzywej zamkniętej jest proporcjonalna do wypadkowego prądu otoczonego tę krzywą. Wyprowadzone przez Ampere'a formuły stosowane są do dziś tak w nauce jak i w technice.

Najważniejsza praca Ampere'a o elektryczności i magnetyzmie, zwieńczająca jego dokonania w tej dziedzinie została opublikowana w 1826. Nosi ona tytuł "Traktat o matematycznej teorii zjawisk elektrodynamicznych opartej wyłącznie na eksperymentach" ("Mémoire sur la théorie mathématique des phénoménes électrodynamiques uniquement déduite de l'expérience"). Pisząc właśnie o niej Maxwell porównał w 1879 Ampere'a z Newtonem. Samą pracę określił jako "jedno z najbłyskotliwszych osiągnięć nauki. Całość, teoria i eksperymenty wyglądają jak gdyby w pełni dojrzałe i kompletne wyskoczyły z głowy tego 'Newtona elektryki'. Jest doskonała w formie i nieskazitelna w precyzji, a składa się z formuł, z których można wywieść wszystkie zjawiska elektrodynamiki i które muszą na zawsze pozostać jej kardynalnymi tezami."

Do końca życia Ampere'a jego teoria była przez część (wybitnych!) fizyków kwestionowana. Jednak sam jej twórca był doceniany i honorowany (choć raczej za swoje dokonania w innych dyscyplinach naukowych). Był członkiem nie tylko paryskiej l'Academie des Science (od 1814) ale także londyńskiego The Royal Society (od 1827) i innych zagranicznych akademii nauk (w Edynburgu, Berlinie, Lizbonie, Brukseli). Był odznaczony francuską legią honorową. Zmarł 10 czerwca 1836 w Marsylii (na zapalenie płuc). Dzień jego śmierci obchodzony jest jako Międzynarodowy Dzień Elektryki.