אנדרה-מארי אמפר

אַנְדְרֶה-מָארִי אַמְפֶר (בצרפתית: André-Marie Ampère; ‏20 בינואר 1775 – 10 ביוני 1836) היה פיזיקאי ומתמטיקאי צרפתי, ממייסדי מדע החשמל והמגנטיות. אמפר גילה שמגנטיות יכולה להיווצר על ידי זרם חשמלי וניסח את התאוריה המתמטית הראשונה בתחום האלקטרומגנטיות, וכונה על ידי מקסוול כ"ניוטון של תורת החשמל". אמפר הציע הסבר לתופעות המגנטיות בחומר, והיה מעורב בגילויים רבים בכימיה כגון קבוע אבוגדרו, היסודות פלואור, כלור ויוד. אמפר המציא שיטה לארגון היסודות הכימיים שנים רבות לפני מנדלייב, וגם הציע את קיום חלקיק האלקטרון. בנוסף היה פעיל בתחומי תורת ההסתברות והפילוסופיה של המדע. אנדרה-מארי אמפר נולד למשפחה אמידה בליון ב-20 בינואר 1775. אביו, ז'אן ז'אק, היה איש עסקים ואמו הייתה בת לסוחרי משי, ואשה אדוקה באמונתה. כשנולד, הייתה לו כבר אחות גדולה ממנו בשנתיים, אנטואנט. כשהיה בן 5, בעקבות שיפור במצב הכלכלי, והעובדה שעסקיו של אביו הצריכו רק נוכחות מוגבלת בעיר, קנתה משפחתו אחוזה ועברה לפולמיה, כפר קטן השוכן כ-10 ק"מ מיליון. כעבור שלוש שנים, נולדה גם אחותו הקטנה. אביו היה ממעריציו של רוסו ושל שיטות החינוך שתוארו בספרו אמיל. הוא החליט לחנך את בנו בעצמו, על ידי חשיפתו לספריה הגדולה שהייתה בביתם, אך לא כוון אותו לכוון מסוים. "אבי לעולם לא דרש ממני ללמוד דבר-מה, אולם נטע בי כמיהה עצומה לידע. לפני שלמדתי לקרוא, ההנאה הגדולה ביותר הייתה להקשיב לקטעים מה- ”היסטוריה של הטבע“ של דה-בופון. לא הרפתי מהדרישה שיקרא לי על חקר של חיות וציפורים" כתב מאוחר יותר בזכרונותיו. למרות היותו תוצר מובהק של עידן הנאורות, לא דחה אמפר את הכנסייה ונותר קתולי מאמין עד לסוף חייו. בגיל 12 החל אמפר בלימודי מתמטיקה בעזרת ספרים מספריית אביו וכתב מאמר על חתכי חרוט ששלח לאקדמיה של ליון. אמנם המאמר נדחה, אך אביו תמך בעיסוק זה ושלח את אמפר ללמוד חשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי אצל דָבּוֹּרוֹן. כאשר זה דרש ממנו ללמוד גם את כתבי ברנולי והויגנס שהיו בנמצא רק בלטינית. לשם כך אביו לימד אותו לטינית. בסמוך לכך, נכח אמפר בכמה הרצאות על פיזיקה בקולז' דה ליון והתחיל ללמוד במקביל גם פיזיקה. השנתיים הראשונות של המהפכה היו יחסית רגועות בכפר פולמיה. ז'אן ז'אק איבד את משרתו כעוזר האדמיניסטרטיבי לאציל המקומי. למזל היה לו הדבר, כי האציל נרצח על ידי האיכרים בצורה זוועתית. הוא תמך בעקרונות המהפכה, אך לא בשיטות האלימות שלה. לבקשת השלטונות בליון, הוא קיבל שם תפקיד של שופט שלום ומזכיר בית המשפט של המשטרה. תפקידים אלו יסבכו אותו באלימות עתידית של המאבקים בין המהפכנים. בינתיים התרחש הראשון בסדרת אסונות במשפחת אמפר; אחותו הבכורה של אנדרה נפטרה במרץ 1792 בגיל 20. היא הייתה בת הלוויה הקבועה של אנדרה בצעירותו, והוא התאבל עליה שנים רבות בכותבו שירים מוקדשים לה. אסון נוסף התרחש לאביו בליון. מלחמת אזרחים אשר פרצה בין הסיעה הז'ירונדינית המתונה יותר, ששיתפה פעולה עם שלטונות ליון, לבין היעקובינים הקיצוניים בהנהגת מארי ז'וזף שליה. שליה נעצר, נשפט למוות והוצא להורג למחרת. לאביו של אמפר היה רק חלק במעצרו, אך לא במשפט. בעקבות הוצאת שליה להורג, הוגדרה ליון על ידי המהפכנים כעיר מורדת וצבא נשלח מפריז. לאחר מצור בן חודשיים, נכבשה ליון על ידי הכוחות המהפכניים. ז'אן ז'אק נעצר מייד ולאחר חודש וחצי נשפט במעין משפט שדה באשמת "הוצאת צו המעצר לשליה", נמצא אשם והוצא להורג ב-24 בנובמבר 1793. לידיעה על מותו של אביו הייתה השפעה קשה ביותר על אמפר. הוא הסתגר לחלוטין, נכנס לדיכאון עמוק, והפסיק לעסוק במתמטיקה. הוא נרפא חלקית רק כעבור שנה וחצי. כאשר אמפר המשיך להבריא מהמשבר שהיה נתון בו מאז הוצאת אביו להורג, הוא עסק יותר בתחומי מדעי הרוח, והחל בפרויקט כתיבה שאפתני בשם "אמאריסיד" שבו, במסורת הרומנטית מאותה תקופה, הוא מתאר את קולומבוס כמחריב גן העדן הקדמוני האמריקאי על ידי חינוך הילידים את חוקי המערב. בסביבות 1795 הזניח אמפר את פרויקט הכתיבה וחזר ללמד חבר וותיק מתמטיקה ופיזיקה. הוא התחיל להתעניין גם באסטרונומיה והשווה את תצפיותיו עם הערכים הידועים באותה תקופה. אמפר בחן את שיטות הפתרון לבעיית שלושת הגופים והגיע למסקנה שלא ניתן לשפר את שיטות הקירוב הידועות באותו זמן. ב-1796 החל אמפר לחזר אחרי אישה המבוגרת ממנו במקצת מהישוב הסמוך, בשם ז'ולי. ז'ולי הייתה בת לסוחר משי מצליח מליון, כפי שהיה אביו של אמפר. הם התחתנו שלוש שנים לאחר מכן. מצבו הכלכלי של אמפר לא היה מזהיר, בעיקר מכיוון שרוב רכוש אביו נלקח ממנו על ידי המדינה. אביה של ז'ולי נפטר ולאמפר לא היו נטיות של סוחר או בעל עסקים. לכן, בעידוד ועזרה של משפחתה של ז'ולי, הוא התחיל ללמד בני אצולה בליון לימודי פיזיקה ומתמטיקה. הוא נחל הצלחה לא מבוטלת בכך. באוגוסט 1799 אמפר וז'ולי נישאו. כעבור שנה נולד להם בן, שניתן לו השם ז'אן-ז'אק לזכר האב, אבל גם לאות הערכה לז'אן-ז'אק רוסו. בפברואר 1802, אמפר עזב את ליון כדי לשמש מורה למתמטיקה ופיזיקה בבית-ספר בבורג-אן-ברס, עיירה מרוחקת כ-60 ק"מ מיליון. משרה זו היוותה שיפור בפרנסתם, וסיכוי להתקדם בבתי הספר שהוקמו אז על ידי נפוליאון. זמן קצר לאחר לידת בנם חלתה ז'ולי ומתה ב-1803, אולם, למרות הקשיים, פרסם אמפר ב-1802 מאמר בתורת ההסתברות וב-1803 מאמר בחשבון וריאציות. עבודות אלו משכו את תשומת הלב של ז'רום לאלנד, לפלס ודלאמבר וכך הומלץ למשרה בכירה יותר, כפרופסור בתיכון ליון. אולם זמן קצר לפני כניסתו לתפקיד נפטרה אשתו, ואמפר בחר להימלט מזיכרון האסונות שפקדו אותו באזור ליון. הוא קיבל משרה של מתרגל באקול פוליטקניק בפריז ועבר לשם. אמפר לא היה מאושר יותר בפריז. הוא היה בודד ובהמלצת חבר הכיר אשה בשם פוטו (Potot), והציע לה להתחתן איתו. אולם אביה דרש בתמורה את כל הכסף שנותר לו. לאחר החתונה הסתבר, שגברת פוטו לא מעוניינת בילדים ולא רוצה כל מגע עם אמפר. פוטו הרתה, לאחר מכן הפוטואים גירשו אותו מהבית, ולאחר מכן נודע לו שנולדה לו בת. הזוג התגרש, הילדה הועברה להשגחתו, ואמו ודודתו הגיעו מכפרן כדי לטפל בה. כעבור 20 שנה התחתנה הבת עם קצין מצבא נפוליאון שהיה אלים, שיכור ומהמר, ושבילה זמן רב במוסדות גמילה. בנו, ז'אן-ז'אק, הצליח מאוד בחייו המקצועיים. הוא היה היסטוריון, סופר וחוקר ארצות. היה חבר בקולז' דה פראנס, האקדמיה לספרות יפה, ובאקדמיה הצרפתית. הוא לא התחתן מעולם, לא היו לו ילדים וחי כעשרים שנה בהשפעתה של אשת החברה המפורסמת, רקמיה. קרנו המקצועית של אמפר עלתה, והוא מונה ב-1809 כפרופסור למכניקה ואנליזה באקול פוליטקניק. ב-1814 נבחר אמפר לקתדרת הגאומטריה באקדמיה הצרפתית, ובשנים 1819 ו-1820 לימד פילוסופיה בסורבון. ב-1824 נבחר לקתדרת הפיזיקה בקולז' דה פראנס. ב-1827 נבחר כחבר החברה המלכותית האנגלית וב-1828 כחבר האקדמיה המלכותית השוודית. במקביל הוא שימש כמפקח כללי של אוניברסיטת פריז (סורבון) והיה מתפקידו לבקר תיכונים ברחבי צרפת בחודשי הקיץ. הוא נפטר באחת הביקורות האלה במרסיי בשנת 1836, ונקבר שם באדישות כללית. כמפקח באוניברסיטה האימפריאלית, וכעבור זמן קצר כמפקח כללי. ב-1814 הוא נבחר כחבר המחלקה למתמטיקה של המכון האימפריאלי. ב-1815 מונה כפרופסור מלא באקול פוליטקניק. ב-1819 העביר קורס בפילוסופיה באוניברסיטת פריז ומונה שם כפרופסור חבר באסטרונומיה. לאמפר היו תרומות במספר מדעים ובפילוסופיה, אולם הוא ידוע בעיקר כמייסד מדע האלקטרודינמיקה ומן הראוי להתחיל בכך. בשנת 1820 כריסטיאן ארסטד גילה שכאשר מניחים מצפן ליד חוט שמעביר חשמל, המחט של המצפן מוסטת. פרנסואה אראגו דווח על גילויו של ארסטד בספטמבר 1820 בפני חברי האקדמיה שקיבלו גילוי זה בסקפטיות רבה ובחוסר אמון; הרי קולון הוכיח לכל עוד בשנות ה-80 של המאה ה-18 שלא יכול להיות קשר כלשהו בין חשמל למגנטיות. אמפר קיבל גילוי זה ללא פקפוק רב. הוא הבין שארסטד לא החשיב נכון את השפעת מגנטיות כדור הארץ ובנה מכשיר ניסוי שנטרל השפעה זו ויכול היה למדוד את הכוח המופעל שנובע מהזרם החשמלי בלבד. עם מכשיר זה, שאמפר קרא לו גלוונומטר, יכול היה אמפר למפות את השדה המגנטי בסביבת תיל מוליך חשמל. אמפר הסיק שהאינטראקציה היסודית באלקטרומגנטיות היא הכוח הפועל בין שני חוטים מקבילים המעבירים זרמים חשמליים. בזכות יכולתו המתמטית הוא גם חישב את הכוח בין חוטים המסודרים בסליל. אמפר הציג את הניסויים והתאוריה שלו בשלוש הרצאות במרווחים של שבוע בין אחת לשנייה, כל זה שבועיים בלבד אחרי הצגת אראגו את גילויי אורסטד. בעצם, הציג אמפר תזה לפיה מגנטיות היא "חשמל בתנועה". אמפר ביקש להבחין בין כוח אלקטרוסטטי, כפי שהוא כינה את כוח המשיכה/דחייה של נוזלים חשמליים במנוחה, לבין כוח אלקטרודינמי, האופייני לנוזלים חשמליים בתנועה בתוך מוליך. אמפר תמך בגישת שני סוגים של נוזלים חשמליים (חיובי ושלילי) שנעים בכיוונים מנוגדים, אולם היו כאלה, כגון בנג'מין פרנקלין, שתמכו בגישת החשמל כנוזל יחיד הזורם ממקום בו יש עודף למקום שבו יש מחסור. אמפר החשיב את "כיוון זרימת החשמל" ככיוון תנועתו של הנוזל החיובי, והגדיר חוק פשוט שקובע את כוון סטייתה של מחט מגנטית - "חוק הבחור הקטן". ב-25 בספטמבר 1820 הדגים אמפר באקדמיה הצרפתית את התופעה של שקילות בין זרם חשמלי לבין מגנט קבוע בעזרת סלילים שניתן היה להחליפם במגנטים ולקבל את אותן תופעות. בעיניו זו הייתה הוכחה לתאוריה שהמגנטיות בחומרים נובעת מזרמים חשמליים פנימיים לחומר במישור מאונך לציר המגנט. סליל שמתנהג כך כונה על-ידו "סולנואיד". למרות שפראדיי היה צעיר מאמפר ב-15 שנים, בעל מעמד נחות ממנו בהרבה במדע וחסר ידע מתמטי מעמיק, הוא היה בין הנסיינים הגדולים של התקופה ובעל מזג של חקירה אמפירית וספקנית יותר מאשר תאורטיקן כמו אמפר. בשנים 1821–1822 הוא פרסם ביקורת אנונימית בשם "סקיצה היסטורית של האלקטרו מגנטיות", בה תקף באופן כללי שיטות מחקר, בהן בניית תאוריה מוקדם מידי המשטה בחוקרים ומעוותת את ממצאיהם. הנושא שבחר בו להדגים את גישתו הספקנית הייתה המדע הצעיר של האלקטרודינמיקה. הוא התייחס ברצינות רק לניצני התאוריה של אמפר בשבחו אותו באופן כללי אבל ביקר את הנקודות הבאות: הזרמים הנגדיים שמתנגשים בחוט, בעוד שבמקומות אחרים אצל אמפר החשמל זורם רק בכיוון אחד; ההנחה שזרם חשמלי הכרחי למגנטיות ולכן בהנחה של הזרמים המעגליים במגנטים; ובאופן כללי התנגד לשפע ההנחות הבלתי מבוססות. אמפר כנראה לא קרא את הביקורת הזו, ההתכתבות ביניהם החלה אחרי המאמר (החתום הפעם) בו פרדיי תיאר את הניסוי הסיבוב האלקטרומגנטי. פרדיי תקף את גישת הכוח המרכזי של אמפר ותמך במבנה כוח מגנטי מעגלי וגם הצביע על מספר הבדלים בין סלילים למגנטים קבועים שאמורים היו להיות זהים בהתנהגותם לפי אמפר. הוא דרש הוכחה ישירה ל-"זרמים המולקולריים" שגורמים למגנטיות של מגנט קבוע, ולא על ידי מגנטיות. בין השנים 1820 ל-1822 נאלץ אמפר לשנות כמה פעמים את ההסברים התאורטיים של התופעות. הוא טעה כאשר לא היה מוכן לשקול את הכוון השני של השקילות החשמלית-מגנטית: יצירת כוח חשמלי על ידי שינויים בשדה המגנטי, על אף שבניסוייו היו תופעות מעין אלה שהזניח או לא קיבל. ההשראות האלקטרומגנטית התגלתה ב-1831 על ידי פאראדיי. אמפר אומנם טען (ודי בצדק) שהיה זה הוא שגילה את ההשראות אך לא פרסם על כך מאמר. למעשה הוא צפה בתופעה, אך לא הבין אותה כהלכה. אמפר שינה עכשיו גישה. הוא ויתר על ניחושים פרועים ולא מבוססים - אם כי מבריקים לעיתים - והתרכז בביסוס הגישה המתמטית לאלקטרודינמיקה. לעבודה של הסדרת התאוריה, והמבנה החישובי שלה הוא הזדקק לכמה שנים, בהן היה טרוד בבעיות בריאותיות ומקצועיות. הוא פרסם את עבודתו המלאה ב"חיבור על התורה המתמטית של תופעות אלקטרודינמיות, שהוסקו באופן ניסויי" (1826). המסקנות העיקריות שלו המסכמות את הספר: שני זרמים חשמליים גורמים לפעולת משיכה כשנעים באותו כוון במקבילי; הם דוחים אחד את השני כשנעים במקביל אך בכוונים מנוגדים. משיכה או דחייה זו שונים לחלוטין מהכוחות המופעלים על ידי חשמל סטטי. מגנט הוא אך אוסף של זרמים חשמליים הנוצרים על ידי חלקיקי הברזל באופן דומה לסוללה חשמלית. אין הבדל בין שני הקטבים של מגנט למעט כך שאחד משמאל ואחד מימין לזרמים הפנימיים הגורמים למגנטיות. עבודה זו זיכתה אותו באמירתו של מקסוול: "החקירה הניסויית שבאמצעותה הקים אמפר את חוק הפעולה המכנית בין זרמים חשמליים היא אחד ההישגים המבריקים ביותר במדע. כל התאוריה והניסוי, נראים כאילו זינקו, מלאים וחמושים, ממוחו של "ניוטון החשמל". הוא מושלם בצורתו, ולא ניתנת לתקיפה בדיוק שלה, והיא מסכמת בנוסחה מתוכה ניתן להסיק את כל התופעות, ואשר חייבת תמיד להישאר הנוסחה היסודית של האלקטר דינמיקה." ג'יימס קלרק מקסוול - חשמל ומגנטיות (1873) בשני מאמרים - בשנים 1832 ו-1835, אמפר דן בתאוריה שנשקלה באותן ימים של התייחסות לחום כגל במקום תאוריית הקלוריק. הוא הבחין במתמטיקה השונה לגמרי שמתארת את התופעות הנ"ל (משוואה דיפרנציאלית מדרגה שנייה לגבי גלים, משואה דרגה ראשונה לפי פרנל) וניסה להתאים אחד לשנייה. הוא השתמש בגישה של שימור האנרגיה (vis viva) על ידי הבחנה בין תנועות האטומים לתנועות המולקולות. הוא ייחס למולקולות את תנועת הקול ואילו לאטומים את תנועת האור והחום. ב-1815 ניסה אמפר לתת הסבר פיזיקלי לחוק בויל-מאריוט. הוא טען לקיום שלושה סוגי כוחות בין חלקיקי חומר: הלחץ, קלוריק (דחייה) וכוחות משיכה או דחייה שתלויים בחומארים השונים. הכוח הספציפי לכל חומר בא לידי ביטוי בטווחים קצרים ביותר, ולא כאשר החומרים בצורת גז. גישה זו לא הניחה פיזור מהירויות של מולקולות הגז, אולם אם בחישובי מקסול-בולצמן מניחים שלכל המולקולות אותה מהירות, התוצאה הסופית זהה, וזו הייתה גם התוצאה של אמפר. הוא גם גילה את היחס הקבוע בין מספר החלקיקים בגז מסוים והנפח שלו בטמפרטורה קבועה (מבלי שידע שאבוגדרו מצא אותו חוק שלוש שנים קודם לכך). ב-1816 עבד אמפר תקופה לא קצרה על תאוריה גאומטרית של הרכבים כימיים, עבודה שהציג אותה לברטולה. בתאוריה זו נמצאו בעיות רבות והיא לא פורסמה. אמפר תרם רבות בגילוי היסודות ההלוגניים כלור, פלואור ויוד. אמפר היה קתולי מאמין וכל חייו ניסה לשלב את אמונתו עם המדע. הפילוסופיה הרווחת בקרב האינטלקטואלים בני זמנו הייתה של קונדיאק ותלמידיו, שכונו "האידאולוגים" על ידי נפולאון. קבוצה זו האמינה שרק התחושות אמיתיות, ואילו המציאות החומרית וקיום האלוהים נתונים בספק. עמדה זו הייתה לצנינים בעיני אמפר, והוא חיפש אלטרנטיבה. היה בין הראשונים שגילה את קאנט בצרפת, ואף על פי שלפיו ניתן היה לשמור על אמונה באלוהים, הרגיש אמפר שההתייחסות של קאנט למרחב, זמן וסיבתיות גורמים לספקנות ביחס לקיום מציאות אובייקטיבית ברמה הכי בסיסית. כפי שאמפר פירש את קאנט, מרחב וזמן היו סוגות סובייקטיביות להבנה האנושית ואמפר כמתמטיקאי לא יכול היה לקבל זאת. לכן הוא בנה את הפילוסופיה של עצמו. הוא התחיל מהרעיונות של מיין דה בירן התנגד לגישתו של יום שסיבתיות היא פשוט אוסף אירועים עוקבים בזמן. הוא בנה טיעון שסיבה "מסבירה" תוצאה והיא לא רק קודמת בזמן, על ידי דוגמה של תנועת יד. אני "רוצה" להזיז את היד, אני "מודע" לרצון שלי: לכן היד זזה. אמפר השתמש בדוגמה זו גם להוכיח קיום של עולם חיצוני: אם היד לא יכולה לזוז מכיוון שהיא תפוסה על ידי חפץ כלשהו, אזי אדם נהיה מודע לכוחות מחוץ לשליטתו. זאת ועוד, דוגמה זו מוכיחה את הקיום של החומר מכיוון שסיבה חיצונית זו חייבת להיות בלתי תלויה בתחושתנו אותה. בעזרת טיעונים דומים אמפר הוכיח גם את קיום הנשמה ואת קיומו של האל. גישה זו אפשרה לו לקבל גם את קיומו של האל וגם קיומה של מציאות אובייקטיבית. ההשפעה של קאנט עליו הייתה רבה, ולכן חילק אמפר את הידע לשתי רמות, התופעות (Phenomena) שנגישים לנו דרך החושים והדברים כשלעצמם (Noumena) העובדות האובייקטיביות שאינם נגישים לנו ישירות. ה-Noumena ידועים לנו על ידי הפעילות השכלית, שמניחה קיום גורמים חומריים שתכונותיהם יכולים להסביר תופעות. אנו גם יכולים לדעת מה היחסים בין שתי הקטגוריות האלו. בהשתמשו ברעיונות אלה, כתב אמפר ב-1834 ספר על פילוסופיית המדע, "Essai sur la phylosophie des sciences", שהחשיב כהישג הגדול בחייו, ובו חילק את המדעים לפי "תופעות", "סיבות נואומניות" והקשר ביניהם. קרוב למותו ובספרו טען ששיטה זו מתאימה לכל המדעים ולכן משקפת את האמת. יחידות מידה על שם אישים מדיה וקבצים בנושא אנדרה-מארי אמפר בוויקישיתוף אנדרה-מארי אמפר, באתר MacTutor (באנגלית) James R. Hofmann, André-Marie Ampère: Enlightenment and Electrodynamics, Cambridge University Press, 1996 André-Marie Ampère, Jean Jacques Ampère, Correspondance et souvenirs (de 1805 à 1864), Paris: J. Hetzel, 1875 אנדרה-מארי אמפר, באתר "Find a Grave" (באנגלית) אנדרה-מארי אמפר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Acte de baptême d'André Ampère, 22 janvier 1775 André-Marie Ampère, Considerations sur la théorie mathématique du jeu, Lyon Chez les frères Perisse, 1802 L. Pearce Williams, Why Ampère did not discover electromagnetic induction, American Journal of Physics 54, 1986-04, עמ' 306–311 doi: 10.1119/1.14635 André-Marie Ampère, Théorie des phénomènes électro-dynamiques, uniquement déduite de l'expérience, Méquignon-Marvis, 1826. (בצרפתית) Jaime Wisniak, Andre-Marie-Ampère – The Chemical Side, Educación Química 15, 2004-01-01, עמ' 166–176 Seymour H. Mauskopf, The Atomic Structural Theories of Ampère and Gaudin: Molecular Speculation and Avogadro's Hypothesis, Isis 60, 1969-04, עמ' 61–74 doi: 10.1086/350449 Andre-Marie Ampere, Essai sur la Philosophie des Sciences, Paris: Bachelier, 1838. (בצרפתית)