آندره ماری آمپر بررسی زندگی علمی و شخصی

آندره-ماری آمپر را به‌عنوان یکی از بنیان‌گذاران علم الکترودینامیک می‌شناسند. در اوایل قرن نوزدهم، او نخستین پژوهش‌های نظام‌مند درباره میدان‌های مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی را انجام داد، نیروهای میان سیم‌های حامل جریان را کشف و اندازه‌گیری کرد، و نظریه‌ای نوآورانه ارائه داد که بر اساس آن، مغناطیس آهنرباهای دائمی نتیجه گردش جریان‌های الکتریکی بسیار کوچک درون مولکول‌های مواد مغناطیسی است. یاد و نام او در واحد بین‌المللی جریان الکتریکی ــ آمپر (A) ــ ماندگار شده است.

با این حال، نقش آمپر تنها به عرصه فیزیک محدود نمی‌شود. او در مقام فیلسوف علم نیز اندیشه‌هایی قابل‌توجه داشت. آمپر از نخستین دانشمندان برجسته‌ای بود که آموزه‌های ایمانوئل کانت را برای ایجاد بنیانی فلسفی در مطالعه فیزیک و شیمی به‌کار گرفت. او نظریه شناخت کانت ــ درباره این‌که انسان‌ها چه می‌توانند بدانند و چگونه می‌توانند آن را بدانند ــ را نقطه آغاز تدوین روشی عملی برای کشف علمی قرار داد. این روش که در تحقیقات او در الکترودینامیک نیز نقش راهنما داشت، بعدها الهام‌بخش رویکردهای رایج علمی شد و در شکل تکامل‌یافته خود هنوز در پژوهش‌های معاصر به‌کار می‌رود.

برای آشنایی با روند پیشرفت نظریه الکترومغناطیس پیشنهاد می کنیم که مقاله ما با عنوان های زندگی و دستاوردهای جیمز کلارک ماکسول و مایکل فارادی (Michael Faraday): بررسی زندگی نامه بنیان‌گذار الکترومغناطیس مدرن را بررسی کنید.

تولد و کودکی آندره ماری آمپر

آندره-ماری آمپر در سال ۱۷۷۵ در روستای پُلِمیو، در حومه شهر لیون فرانسه، به دنیا آمد. او دوران کودکی را در محیطی آرام و مرفه گذراند و از همان آغاز، استعداد و کنجکاوی فوق‌العاده‌ای در یادگیری نشان داد. بخش عمده آموزش‌هایش را به‌صورت خودآموز و با استفاده از کتابخانه غنی پدرش و کتاب‌هایی که از لیون تهیه می‌شد، فرا گرفت.

آمپر به‌ویژه شیفته ریاضیات بود. او با اشتیاق آثار لئونارد اویلر درباره جبر پیشرفته، نظریه احتمال، و حساب دیفرانسیل و انتگرال را مطالعه کرد و در نوجوانی بر کتاب مکانیک تحلیلی اثر جوزف-لویی لاگرانژ مسلط شد. مطالعه دانشنامه تازه‌تألیف دنیس دیدرو و ژان لوران دالامبر، که بخش‌های زیادی از آن را به خاطر سپرد، دامنه دانش او را به موضوعات گوناگون گسترش داد.

خانه روستایی آمپر، با فضای آرام و طبیعت پیرامونش، زمینه‌ساز علاقه او به علوم طبیعی شد. او علاوه بر ریاضیات، به تاریخ طبیعی، زبان‌های یونانی، لاتین و ایتالیایی، ادبیات فرانسه، و حتی طرح‌ریزی یک زبان جهانی بر پایه اصول زبان‌شناسی نوین پرداخت. سرودن شعر، مطالعه گیاه‌شناسی، و تلاش برای سامان‌دهی نظام‌مند مشاهدات علمی، بخشی از دایره‌المعارف علایق او را تشکیل می‌داد — دامنه‌ای که در طول زندگی هرگز از او جدا نشد.

تراژدی‌های زندگی آمپر

تا ۱۸ سالگی، آمپر به‌عنوان تنها پسر خانواده در آسایش و امنیت بزرگ می‌شد. اما از سال ۱۷۹۳، زنجیره‌ای از رویدادهای تلخ زندگی او را دگرگون کرد. در جریان انقلاب فرانسه، پدرش به اتهام ضدانقلابی بودن اعدام شد؛ حادثه‌ای که ضربه روحی عمیقی به او وارد آورد.

در سال ۱۸۰۳، همسر محبوبش — که چهار سال با او زندگی کرده بود و مادر پسرش ژان-ژاک بود — درگذشت. ازدواج دومش در سال ۱۸۰۷ با شکست و طلاق همراه شد و او را با دختری خردسال تنها گذاشت. چند سال بعد، فرزندش خانه را ترک کرد تا همراه مادام رکامیه، بانوی پرآوازه محافل پاریس، زندگی کند و دیگر به توصیه‌های پدر برای بازگشت و ادامه مسیر علمی توجهی نکرد. در سال ۱۸۲۷، ازدواج دخترش نیز با افسری بازنشسته که گرفتار الکل و بیماری روانی بود، مشکلات تازه‌ای برای او ایجاد کرد.

علاوه بر فشارهای عاطفی، آمپر با مشکلات جسمانی رو‌به‌رو شد که به‌تدریج توان علمی او را محدود کرد. بی‌ثباتی مالی نیز همواره همراهش بود و او ناگزیر شد بیشتر زندگی خود را با تدریس ریاضیات و مشاغل کم‌درآمد دیگر بگذراند.

دیدگاه‌های فلسفی و علمی آمپر

پیشرفت آمپر به‌عنوان یک دانشمند نه تنها تحت‌تأثیر شرایط دشوار زندگی شخصی‌اش، بلکه به دلیل گستردگی و پراکندگی علایق فکری‌اش نیز محدود می‌شد. در مجموعه‌ای از نامه‌های او که از بیست‌سالگی به جا مانده است، او از یک موضوع به موضوعی دیگر می‌پرداخت: از مکانیک نظری به طراحی ماشین‌های کاربردی، از نظریه پرواز بادبادک تا زبان‌های مصنوعی، از موسیقی و نجوم تا گیاه‌شناسی و نظام‌های طبقه‌بندی.

او هیچ‌گاه نتوانست تمرکز کامل خود را بر یک حوزه خاص بگذارد و نبوغش را به‌طور منسجم در همان زمینه صرف کند. حتی هنگامی که با شور و حرارت در حال توسعه نظریه الکترودینامیک بود، همچنان به مسائل متافیزیکی و فلسفی می‌اندیشید. آمپر تضادی میان این دو نمی‌دید، زیرا معتقد بود همه شاخه‌های دانش بر یک اصل بنیادی واحد استوارند. آخرین اثر مهم او نیز تلاشی برای اثبات همین وحدت بود.

آمپر و مکتب «ایدئولوگ‌ها»

در آغاز فعالیت علمی آمپر، فلسفه فرانسه تحت سلطه مکتبی بود که ناپلئون اعضای آن را با تحقیر «ایدئولوگ» می‌نامید. ایدئولوگ‌ها مدعی بودند که روش علمی کامل و دقیقی را تدوین کرده‌اند. به باور آنان، ذهن انسان دریافت‌کننده‌ای منفعل برای تأثیرات حسی است و بر پایه این داده‌ها مجموعه‌ای از «تصاویر» ذهنی شکل می‌گیرد — نه فقط تصویری بصری، بلکه احساسات مربوط به بویایی، شنوایی، چشایی و لامسه نیز.

ذهن می‌تواند این تصاویر را به یاد آورد، با یکدیگر مقایسه کند، و تفاوت‌ها یا توالی آن‌ها را تشخیص دهد. هر نظمی که در این تصاویر مشاهده شود، مبنای تدوین قوانین علمی قرار می‌گیرد. اما در این دیدگاه، هیچ راهی برای اثبات وجود واقعی دنیای بیرون وجود ندارد؛ تنها واقعیت، همین تصاویر است. بنابراین علت به معنای فیزیکی آن وجود ندارد، بلکه فقط توالی تصاویر مطرح است.

در چنین چارچوبی، «علم» دو شکل می‌گیرد:

1. علم طبقه‌بندی — گروه‌بندی مشاهدات مشابه در نظام‌های منظم، مانند شیمی آنتوان لاووازیه که بر توصیف، نام‌گذاری، و دسته‌بندی دقیق عناصر و ترکیبات تکیه داشت.

2. علم پوزیتیویستی — بیان نظم‌های مشاهده‌شده در قالب قوانین ریاضی دقیق، مانند مطالعات ژان-باپتیست فوریه درباره گرما که علل آن را کنار گذاشت و تنها به معادلات انتشار حرارت پرداخت.

این رویکرد برای بسیاری از علوم مناسب بود، اما رشته‌هایی چون فیزیک نظری که با مفاهیم غیرقابل مشاهده مانند اتم و مولکول سروکار داشتند را کنار می‌گذاشت.

آغاز کار علمی آمپر

آمپر کار خود را به‌عنوان یک ریاضیدان آغاز کرد؛ رشته‌ای که برای پیشرفت، نیازی به فرض وجود دنیای فیزیکی بیرون ندارد. نخستین مقاله منتشرشده‌اش در سال ۱۸۰۲ درباره نظریه ریاضی قمار بود. در این رساله، او نشان داد که قماربازی با سرمایه محدود، در مواجهه با حریفی با منابع نامحدود (یا تعداد زیادی حریف با منابع محدود)، ناگزیر طی مدت معینی تمام دارایی خود را از دست خواهد داد.

او سپس مقالاتی در مکانیک نظری و رساله‌ای مهم در معادلات دیفرانسیل جزئی — برای عضویت در آکادمی علوم فرانسه — نوشت. چند مقاله دیگر نیز در ریاضیات منتشر کرد. اگر فعالیت‌هایش به ریاضیات محدود می‌ماند، احتمالاً تنها به‌عنوان ریاضیدانی توانا اما زیر سایه هم‌عصرانی چون لاپلاس، پواسون، کوشی و فوریه شناخته می‌شد.

یکی از علل کنار گذاشتن ریاضیات، خستگی ذهنی او تا سال ۱۸۰۵ بود. از آن زمان، دو علاقه تازه پیدا کرد: متافیزیک و شیمی.

از ایدئولوگ‌ها تا کانت

گرایش آمپر به متافیزیک در سال ۱۸۰۴، پس از مرگ همسر اولش و مهاجرت به پاریس، شکل گرفت. او به جمع کوچکی از فیلسوفان در حومه «اوتوی» پیوست که درباره آثار آبه دو کندیلاک، بنیان‌گذار مکتب ایدئولوگ، بحث می‌کردند. اما به‌زودی از دیدگاه آنان روی‌گردان شد، چراکه این مکتب وجود خدا و جاودانگی روح را کنار می‌گذاشت. آمپر در جست‌وجوی جایگزینی فکری، به فلسفه ایمانوئل کانت روی آورد.

تأثیر کانت بر آمپر

کانت جهان را به دو قلمرو تقسیم می‌کرد:

• پدیده‌ها — رویدادها و احساساتی که ذهن انسان ادراک می‌کند.

• نومن‌ها — «چیزها-در-خود» یا واقعیت‌های مستقل از ادراک، که علل پدیده‌ها هستند.

انسان هرگز نمی‌تواند نومن‌ها را مستقیماً بشناسد، زیرا فقط تأثیرات آن‌ها بر حواس (یعنی پدیده‌ها) قابل دریافت است. بنابراین شناخت قطعی از نومن‌ها ناممکن است.

آمپر در این نقطه از کانت فاصله گرفت. او معتقد بود که میان پدیده‌ها روابطی (rapports) وجود دارد که می‌تواند بازتابی از روابط میان نومن‌های پنهان باشد. پس با مطالعه این روابط پدیداری، شاید بتوان به تعاملات واقعی و غیرقابل مشاهده در پسِ آن‌ها پی برد.

روش کشف علمی آمپر

این دیدگاه فلسفی، پایه‌ای شد که آمپر روش کشف علمی خود را بر آن بنا کرد. او این روش را در نامه‌ای که سال ۱۸۱۰ به دوست قدیمی‌اش، ماری-فرانسوا پیر مین دو بیران، نوشت توضیح داد. در این روش، دانشمند ابتدا با فرض وجود موجودیت‌های نومنال خاص، به توضیح پدیده‌ها می‌پردازد. سپس وارد فرآیند استنتاج می‌شود: با پذیرش این موجودیت‌های نظری، چه نتایج تجربی تازه‌ای ـ یعنی چه پدیده‌هایی ـ باید انتظار داشت؟

پس از آن، این پیش‌بینی‌ها با آزمایش آزموده می‌شوند. تا زمانی که موجودیت‌های نظری بتوانند توضیحی آزمون‌پذیر برای پدیده‌ها ارائه دهند، فرض وجودشان معتبر باقی می‌ماند. هرچه یک نظریه بیشتر بتواند در برابر آزمون‌های تجربی مقاومت کند، احتمال درست‌بودنش بیشتر می‌شود. این روش، که امروز با عنوان «رویکرد فرضی-استنتاجی» شناخته می‌شود، از سوی بسیاری به عنوان شیوهٔ درست انجام پژوهش علمی پذیرفته شده است.

نمونه‌ای روشن از این روش، تحلیل آمپر از «قانون ترکیب حجم‌ها»ی ژوزف-لویی گی-لوساک است. بر اساس این قانون، هنگامی که حجم‌های صحیحی از گازها در یک واکنش ترکیب می‌شوند، حجم محصول نیز صحیح خواهد بود. برای مثال، دو لیتر هیدروژن با یک لیتر اکسیژن، دقیقاً دو لیتر بخار آب تولید می‌کند.

برای ایدئولوگ‌ها، اینجا نقطهٔ پایان بود؛ توضیحی برای چرایی این قانون ارائه نمی‌شد. اما آمپر مصمم بود فراتر رود. او در سال ۱۸۱۴، در یکی از نخستین مقالات مدرن شیمی نظری، استدلال کرد که این پدیده تنها با فرض این‌که «حجم‌های مساوی از گازهای مختلف، در دما و فشار یکسان، حاوی تعداد برابر مولکول هستند» قابل توضیح است. به این ترتیب، وجود مولکول‌ها ـ نومن‌های غیرقابل مشاهده ـ اساس توضیح آمپر از پدیده‌های توصیف‌شده توسط گی-لوساک قرار گرفت.

آمپر و شیمی

به زودی پس از ابداع روش علمی خود، آمپر از آن برای توسعه چارچوب نظری درخشانی در شیمی بهره برد. کانت بر این باور بود که علوم باید بر اساس اصول ریاضی پیشینی — یعنی اصولی که ذاتی ساختار ذهن انسان هستند و مبتنی بر مشاهده مستقیم نیستند — بنا شوند. آمپر با پیروی از این آموزه‌های کانت، تلاش کرد قوانین میل شیمیایی (قوانینی که تعیین می‌کنند کدام واکنش‌های شیمیایی امکان‌پذیر هستند) را با فرض وجود مولکول‌های فرضی دارای ساختار هندسی استنتاج کند.

آمپر فرض کرد که هر مولکول از اتم‌هایی نقطه‌ای تشکیل شده که در فضا به صورت رئوس یک جسم هندسی ساده، مانند چهاروجهی، هشت‌وجهی یا مکعب، مرتب شده‌اند. تنها ترکیب‌های شیمیایی که امکان وقوع داشتند، ترکیب‌هایی بودند که ساختارهای هندسی منظم و متقارن سه‌بعدی ایجاد می‌کردند. در چارچوب نظری آمپر، به جای تصور تصادفی و پیچیده بودن فعالیت شیمیایی، می‌توان آن را به قطعیت ریاضی کاهش داد: شیمی می‌تواند بر پایه هندسه بنا شود، که به گفته کانت خالص‌ترین شکل ریاضیات است.

لازم به ذکر است که مقالات شیمیایی آمپر با استقبال چندانی از سوی شیمی‌دانان معاصر روبرو نشد، زیرا بسیاری هم با گمانه‌زنی‌های او و هم با استفاده‌اش از ریاضیات مخالفت داشتند.

دستاوردهای آمپر در الکترودینامیک

دستاوردهاي آمپر تا سال 1819، زماني که او 44 ساله بود، احتمالاً فقط يک پاورقي در تاريخ فيزيک محسوب مي‌شد. برخلاف معاصرانش آگوستين فرنل (دوست نزديک آمپر و از آفرينندگان نظريه موجي نور) و سعدي کارنو (از بنيانگذاران ترموديناميک)، که در سنين 39 و 36 سالگي به ترتيب درگذشتند، آمپر بزرگترين کار علمي خود را در ميانسالي انجام داد، پس از آنکه از ايجاد اثري جدي نااميد شده بود.

آغاز مطالعات الکترودینامیک

مقدمه‌ای بر مطالعات الکترودینامیک

اولین آزمایش‌های آمپر در زمینه الکترودینامیک، شامل استفاده از پیل ولتایی بود که توسط الساندرو ولتا در سال ۱۸۰۰ اختراع شد. پیل ولتایی یک سلول الکتروشیمیایی است که مشابه باتری خودروهای امروزی عمل می‌کند. وقتی قطب‌های پیل ولتایی با یک سیم به هم متصل شوند، جریانی در سیم جاری می‌شود؛ در حالی که واکنش‌های شیمیایی داخل سلول، اختلاف ولتاژ بین قطب‌ها را حفظ می‌کنند.

در اوایل قرن نوزدهم، جریان الکتریکی مداوم پدیده‌ای تازه بود و نظریه‌های اولیه درباره جریان عمدتاً بر پایه مفاهیم الکتریسیته ساکن استوار بودند. اکثر افراد انتظار نداشتند که جریان الکتریکی اثری مغناطیسی داشته باشد؛ زیرا شارل دو کولن در دهه ۱۷۸۰ نشان داده بود نیروهای ناشی از الکتریسیته ساکن با مغناطیس مستقل‌اند. تنها گروه کوچکی از فلاسفه طبیعت، به‌ویژه در آلمان و تحت تأثیر آن، که به وحدت همه نیروها باور داشتند، به دنبال یافتن ارتباطی بین الکتریسیته و مغناطیس بودند.

یکی از این فلاسفه، هانس کریستین اورستد از دانمارک بود که بین سال‌های ۱۸۰۷ تا ۱۸۱۲ نوشته‌هایی منتشر کرد و از دیدگاه فلسفی معتقد بود الکتریسیته و مغناطیس باید به هم مرتبط باشند. در زمستان و بهار سال ۱۸۲۰، او با انجام آزمایشی ساده، رابطه‌ای مهم را کشف کرد؛ وقتی سوزن قطب‌نما را نزدیک سیمی که جریان الکتریکی در آن جاری بود، قرار داد، سوزن منحرف شد. این کشف اورستد به سرعت در مجلات علمی معتبر آن زمان منتشر شد.

این خبر توسط فرانسوا آراگو، دوست آمپر و شاهد این آزمایش در ژنو، به پاریس منتقل شد. اعضای آکادمی علوم در ابتدا نسبت به گزارش آراگو شک داشتند و تنها پس از مشاهده آزمایش در ۱۱ سپتامبر همان سال قانع شدند. آمپر نیز در این نمایش حضور داشت و پس از آن به بررسی بیشتر این پدیده پرداخت.

او به سرعت دریافت که اورستد آزمایش را به طور کامل درک نکرده بود؛ زیرا تأثیر میدان مغناطیسی زمین را در نظر نگرفته بود. میزان انحراف سوزن قطب‌نما به زاویه بین سیم حامل جریان و جهت میدان مغناطیسی زمین بستگی داشت.

کشف اثر مغناطیسی جریان الکتریکی

آمپر بلافاصله پس از کشف اورستد، به بررسی دقیق‌تر اثر جریان الکتریکی بر سوزن قطب‌نما پرداخت. او با ابداع چیدمانی از آهنرباهای آزادانه چرخان، موفق شد میدان مغناطیسی زمین را در یک ناحیه کوچک خنثی کند. با این روش، متوجه شد که سوزن قطب‌نما همیشه خود را به صورت عمود بر سیم حامل جریان تنظیم می‌کند. آمپر سپس دریافت که می‌توان از سوزن قطب‌نما به عنوان بخشی از دستگاهی برای تشخیص جریان الکتریکی استفاده کرد و با ساخت ابزاری که «گالوانومتر» نامید، توانست جریان الکتریکی را در مدار ساده‌ای متشکل از سیم و پیل ولتایی اندازه‌گیری و ترسیم کند.

تا آن زمان تصور می‌شد که واکنش‌های درون پیل ولتایی جدا از جریان جاری در سیم‌های مدار است، اما آمپر دریافت که جریان الکتریکی در تمام طول مدار، از جمله داخل پیل، یکسان است. این کشف او را به این فکر انداخت که اگر یک پیل به شکل حلقه یا دایره ساخته شود، یعنی قطب مثبت آن به قطب منفی آن متصل باشد، چه اتفاقی می‌افتد؟

شواهد نشان می‌دهد که آمپر چنین پیل دایره‌ای را در سپتامبر پربار سال ۱۸۲۰ ساخت و دریافت که این پیل یک میدان مغناطیسی متقارن ایجاد می‌کند. این کشف نقطه عطفی در تفکر او بود و منجر به فرضیه‌ای شد که تا پایان عمر از آن دفاع کرد: مغناطیس چیزی جز جریان‌های الکتریکی در حال حرکت در حلقه‌ها نیست. او این یافته‌ها را در جلسه آکادمی علوم در ۱۸ سپتامبر همان سال ارائه داد، اما توجه زیادی جلب نکرد.

بین ۱۸ تا ۲۵ سپتامبر، آمپر به کار روی فرضیه خود ادامه داد. او پس از ارائه ایده جریان‌های دایره‌ای به عنوان منبع میدان مغناطیسی، گام بعدی را به آزمایش و اثبات استنتاج‌های نظری اختصاص داد. هدف او نشان دادن این بود که جریان‌های الکتریکی دایره‌ای می‌توانند همان اثرات آهنرباهای دائمی را ایجاد کنند.

ابتدا آمپر تلاش کرد این اثر را در سیم مسی که به شکل مارپیچ (سیم‌پیچ‌های فنری) پیچیده شده بود، نشان دهد. وقتی دو سیم‌پیچ را کنار هم گذاشت و جریان را در هر دو به یک جهت عبور داد، انتظار داشت مانند دو آهنربا با قطب‌های شمال مشابه که یکدیگر را دفع می‌کنند، عمل کنند، اما به جای دفع، آنها یکدیگر را جذب کردند.

سپس آمپر روش دوم را امتحان کرد و سیم مسی را به صورت مارپیچ‌های مسطح پیچید، طوری که یک سر سیم از مرکز مارپیچ و سر دیگر از لبه آن بیرون می‌آمد. این بار، وقتی جریان را روشن کرد و دو مارپیچ را نزدیک هم نگه داشت، آنها مانند آهنرباهای واقعی رفتار کردند و اثرات جاذبه و دافعه را نشان دادند. او این آزمایش را در جلسه آکادمی در ۲۵ سپتامبر به نمایش گذاشت.

چرا دو نوع مارپیچ رفتار متفاوتی داشتند؟ پاسخ در یک مشاهده تصادفی نهفته بود. سیم‌های متصل به دو مارپیچ به یک باتری وصل شده بودند و سیم‌هایی که جریان را به قطب‌های یکسان باتری می‌رساندند، کنار هم عبور می‌کردند. آمپر متوجه شد که سیم‌هایی که جریان را در یک جهت حمل می‌کنند، حتی اگر به شکل دایره‌ای نباشند، یکدیگر را جذب می‌کنند.

این برهم‌کنش بین سیم‌های مستقیم، که قبلاً هرگز مشاهده نشده بود، توضیح داد که چرا مارپیچ‌های آزاد و با فاصله زیاد در عمل شبیه دو سیم مستقیم عمل می‌کنند که جریانی در یک جهت دارند و بنابراین جذب یکدیگر می‌شوند.

برای آزمایش این نتیجه‌گیری، آمپر یک مارپیچ را دور لوله شیشه‌ای پیچید و انتهای سیم را به مرکز لوله بازگرداند. او انتظار داشت جریان عبوری از مرکز لوله اثر جریان طولی از یک انتهای لوله را خنثی کند و اثر بخش دایره‌ای جریان آشکار شود. مارپیچ‌های ساخته‌شده به این روش دقیقاً مانند آهنرباهای دائمی رفتار کردند و فرضیه آمپر را تأیید کردند.

فرضیه جریان‌های مولکولی

نتایج به دست آمده سوال مهمی را مطرح کرد: جریان‌های الکتریکی موجود در یک آهنربای دائمی دقیقاً کجا قرار دارند؟ دو احتمال اصلی وجود داشت؛ یا جریان‌ها به صورت جریان‌های دایره‌ای بزرگ حول محور آهنربا حرکت می‌کنند، یا در حلقه‌های بسیار کوچک‌تر در اطراف هر یک از مولکول‌های سازنده آهنربا جریان دارند. آمپر، به پیشنهاد فرنل، فرض کرد که جریان‌ها در اطراف مولکول‌های منفرد آهنربا جریان دارند.

برای آزمایش این فرضیه، آمپر بر اساس آزمایشی که دوستش فرانسوا آراگو انجام داده بود، عمل کرد. آراگو یک مارپیچ سیم مسی ساخته بود و یک سوزن آهنی را در مرکز آن آویزان کرده بود. وقتی مارپیچ به باتری وصل می‌شد، جریان دایره‌ای در سیم، سوزن را مغناطیسی می‌کرد. اگر فرضیه آمپر درست باشد، جریان مارپیچ باید جریان‌های دایره‌ای درون سوزن ایجاد کند. اما سؤال این بود که آیا این جریان‌ها حول محور سوزن حرکت می‌کنند یا حول مولکول‌های منفرد درون آن؟

آمپر برای پاسخ به این پرسش، یک نوار نازک مسی را به شکل حلقه خم کرد و آن را درون یک سیم‌پیچ استوانه‌ای از سیم مسی عایق‌شده آویزان کرد. قطر حلقه کمی کوچکتر از قطر سیم‌پیچ بود و حلقه و سیم‌پیچ طوری تنظیم شدند که محورهایشان هم‌مرکز و موازی باشند. آمپر استدلال کرد اگر جریان در مارپیچ، جریان دایره‌ای در اطراف محور سوزن آراگو ایجاد کرده باشد، پس جریان مشابه باید در حلقه مسی هم ایجاد شود و باعث شود حلقه به طور موقت مانند یک آهنربا عمل کند.

برای آزمون این فرض، آمپر آهنربای میله‌ای را نزدیک حلقه نگه داشت و جریان را در سیم‌پیچ روشن کرد. اگر حلقه مغناطیسی شده باشد، باید توسط آهنربای میله‌ای منحرف شود، اما برخلاف انتظار، هیچ انحرافی رخ نداد. آمپر این آزمایش را به عنوان شواهدی قوی برای فرضیه جریان‌های مولکولی معرفی کرد.

با این حال، در اواخر سال ۱۸۲۱، نظریه آمپر با چالشی جدی روبه‌رو شد. متنی ناشناس درباره تاریخچه الکترومغناطیس که بعداً مشخص شد مایکل فارادی نوشته است، در انگلستان منتشر و ترجمه شد. این کتاب شامل آزمایش‌هایی بود که فرضیه آمپر را رد می‌کردند؛ فارادی نشان داد که مغناطیس دائمی آهنرباها کاملاً با مغناطیس ایجاد شده توسط مارپیچ‌های حامل جریان متفاوت است.

در یکی از این آزمایش‌ها، یک مارپیچ سیم مسی عایق‌شده دور لوله شیشه‌ای توخالی پیچیده شده بود، که نیمه در آب غوطه‌ور بود. یک سوزن مغناطیسی روی چوب پنبه‌ای شناور در نزدیکی لوله قرار گرفت و جریان از مارپیچ عبور داده شد. اگر مارپیچ مانند آهنربا عمل کند، چوب‌پنبه باید به سمت لوله جذب و در نزدیکی آن متوقف شود. اما در واقع، چوب‌پنبه به سمت انتهای لوله حرکت کرد، سپس از زیر لوله گذشت، جایی که قطب‌های مشابه آهنربا مقابل هم قرار گرفتند.

آزمایش دوم مشابه، اما با یک آهنربای دائمی واقعی (لوله فولادی مغناطیسی شده) انجام شد. این بار چوب‌پنبه به سمت آهنربا جذب و مستقیماً زیر قطب جنوب آن متوقف شد. این نشان داد که رفتار آهنرباهای دائمی با میدان مارپیچ‌های حامل جریان تفاوت اساسی دارد و مغناطیس دائمی نتیجه جریانات الکتریکی در گردش ساده نیست.

آمپر برای پاسخ به این چالش استدلال کرد که جریان‌های مولکولی در آهنرباها باید متفاوت از جریان در مارپیچ‌های بزرگ باشند. در مارپیچ، سوزن درون میدان جریان دایره‌ای قرار دارد، اما در آهنربای فولادی، سوزن بیرون از جریان‌های مولکولی متعدد است. بنابراین انتظار داشت رفتار سوزن در این دو حالت متفاوت باشد. با این توضیح که اصولاً درست بود، آمپر رسماً به فرضیه جریان‌های مولکولی پایبند شد.

تعهد قوی آمپر به این فرضیه در تابستان ۱۸۲۲ آشکار شد، وقتی آزمایش حلقه مسی و سیم‌پیچ را دوباره انجام داد. این بار، به جای آهنربای میله‌ای ضعیف، از آهنربای نعل‌اسبی قوی استفاده کرد و حلقه واقعاً منحرف شد. واکنش آمپر به این نتیجه کمی گیج‌کننده بود؛ چون این نتیجه ظاهراً با فرضیه جریان‌های مولکولی هم‌خوانی نداشت. اما او به‌جای بررسی بیشتر، تنها به اشاره کوتاهی در گزارشش به آکادمی بسنده کرد و گفت این اثر اهمیت نظری ندارد.

در واقع، آمپر به صورت ناخواسته القای الکترومغناطیسی جریان‌ها را مشاهده کرده بود، اما تا سال ۱۸۳۲ و کشف این پدیده توسط فارادی، متوجه اهمیت آن نشد.

قانون آمپر

مفاهیم اساسی آمپر در الکترودینامیک پس از سال ۱۸۲۲ هرگز تغییر نکردند؛ آنچه تغییر کرد، توانایی او در کمّی‌سازی نظریه‌اش بود. پس از فرمول‌بندی نظریه‌اش درباره مغناطیس دائمی، گام بعدی برای آمپر تعیین تجربی شدت نیروهای الکترومغناطیسی مختلف بود. او تصمیم گرفت که برهم‌کنش اساسی در الکترودینامیک نیرویی است که بین دو سیم حامل جریان ایجاد می‌شود، و بنابراین کار دشوار اندازه‌گیری این نیرو را آغاز کرد.

توانایی آمپر در فرضیه‌پردازی بار دیگر به کمکش آمد. برخلاف نیروهای گرانشی که می‌توان آنها را به عنوان نیروهایی بین نقاط هندسی ساده مدل‌سازی کرد، نیروهای ناشی از جریان در امتداد یک سیم را نمی‌توان همیشه به عنوان پدیده‌های موضعی ساده در نظر گرفت.

ایده آمپر این بود که سیم‌های حامل جریان را به قطعات بی‌نهایت کوچک تقسیم کند و فرض کند نیروهای بین این قطعات به صورت معکوس مربع فاصله آنها تغییر می‌کند. سپس نیروی کل بین دو سیم را از طریق انتگرال‌گیری — یعنی جمع برداری تمام نیروهای کوچک با در نظر گرفتن جهت‌های مختلف آنها بسته به شکل خمیدگی سیم‌ها — محاسبه کرد. در ابتدا، او حالت خاصی را در نظر گرفت که دو سیم در یک صفحه قرار داشتند.

سپس این نتیجه را تعمیم داد تا بتواند نیرو بین سیم‌هایی که روی صفحات جداگانه و با زوایای مختلف نسبت به هم قرار دارند را نیز محاسبه کند. این تعمیم امکان بررسی سیم‌های پیچ‌خورده در فضای سه‌بعدی را فراهم کرد. نتیجه نهایی آمپر فرمولی مشهور و جمع‌وجور بود که نیروی الکترودینامیکی بین دو سیم حامل جریان را با دانستن شدت جریان‌ها و آرایش هندسی سیم‌ها تعیین می‌کند.

در سال ۱۸۲۶، آمپر مقالات تحقیقاتی پیشین خود را بازنویسی کرد و کتاب قطعی‌اش را با عنوان «Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’expérience» (خاطراتی درباره نظریه ریاضی پدیده‌های الکترودینامیکی که منحصراً از تجربه استنتاج شده است) منتشر نمود.

پایان زندگی و میراث آمپر

پس از سال 1827، سلامت آمپر به سرعت رو به زوال گذاشت. او تحقیقات علمی خلاقانه را رها کرد و به کار نهایی خود در فلسفه علم روی آورد. در اینجا او دوباره برخی از الهامات جوانی اولیه‌اش را کشف کرد. او مجذوب آموزه هماهنگی از پیش تثبیت شده گوتفرید ویلهلم فون لایب‌نیتز شد، که معتقد بود ذهن انسان نسخه‌ای، هرچند ناقص، از ذهن خداست. لایب‌نیتز گفت، از آنجا که روند استدلال انسان تصویری از روند استدلال خداست. و از آنجا که عقل خدا جهان را آفریده است، ذهن انسان باید بتواند جهان را از طریق یک فرآیند عقل محض درک کند. به عبارت دیگر، باید یک هماهنگی از پیش موجود بین قوانین جهان و قدرت‌های استدلال بشر وجود داشته باشد.

آمپر تصمیم گرفت که مطابقت بین عقل خدا، عقل انسان و عقلانیت ذاتی جهان، استفاده از آنچه اساساً یک فرآیند طبقه‌بندی است را برای یافتن حقیقت نهایی ممکن می‌سازد. آمپر استدلال کرد که اگر کسی بتواند تمام علومی را که ذهن انسان می‌تواند بسازد، مشخص کند. کلید اصلی همه حقیقت‌های ممکن را خواهد داشت. زیرا ذهن به گونه‌ای ساختار یافته است که مستقیماً با ساختار جهان مطابقت دارد. فقط پر کردن محتویات نمودار طبقه‌بندی کیهانی باقی می‌ماند.

آمپر بسیاری از این نمودارها را، که قرار بود ابزارهایی برای تحقیق بنیادی باشند، قبل از مرگش، احتمالاً بر اثر ذات‌الریه، در سال 1836 تولید کرد. و بنابراین آمپر تقریباً همانطور که شروع کرده بود، پایان یافت. به عنوان یک دانشنامه‌نویس متعهد به وحدت همه دانش‌ها، زیرا همه دانش‌ها چیزی جز انعکاس وحدت ذهن الهی نیستند.

برای اطلاع بیشتر از چگونگی توسعه نظریه الکترومغناطیس پیشنهاد می کنیم مقاله ما با عنوان “مایکل فارادی (Michael Faraday): بررسی زندگی نامه بنیان‌گذار الکترومغناطیس مدرن” را حتما مطالعه بفرمایید.

نتیجه گیری

آندره ماری آمپر، دانشمندی فرانسوی قرن نوزدهم، به عنوان بنیانگذار علم الکترودینامیک شناخته می‌شود. او با انجام آزمایش‌های دقیق و ارائه نظریه‌های نوآورانه، نقش بسزایی در شناخت و درک پدیده‌های الکترومغناطیسی داشت. کشف نیروی بین سیم‌های حامل جریان و ارائه فرضیه جریان‌های مولکولی از جمله دستاوردهای مهم او در این زمینه است. آمپر همچنین در زمینه فلسفه علم نیز فعالیت داشت. و با تأثیرپذیری از ایمانوئل کانت، روش فرضی-استنتاجی را به عنوان یک روش علمی کارآمد مطرح کرد.

این روش، که امروزه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، تأثیر قابل توجهی بر پیشرفت علوم داشته است. آمپر با وجود مشکلات و موانع شخصی، از جمله مرگ پدر و همسر، ازدواج ناموفق و مشکلات مالی، به تلاش‌های علمی خود ادامه داد. و میراث گرانبهایی برای علم به جای گذاشت. نام او به عنوان واحد بین‌المللی جریان الکتریکی (آمپر) همواره یادآور مشارکت های ارزشمند او در عرصه علم است.