富兰克林传 作者:陶笑虹-第12部分

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　　其后在1745年，荷兰莱顿大学的马森布罗克（1692—1761年）和德国的克莱斯特（1700—1748年）各自发明了后来称为“莱顿瓶”的蓄电池的最早形式；同时，格里凯发明的静电起电机在18世纪得到改进，它通过连续转动的摩擦随时可以方便地得到静电。这两项电学仪器的发明，使得科学家可以得到并积蓄电以供进行许多电学现象的观察。但那时人们对于莱顿瓶的瓶体本身（玻璃）、水和金属线在起电与放电过程中起什么作用还一无所知。1746年秋天，富兰克林第一次看到英国学者斯宾士的电学实验表演，并得到了斯宾士赠送的一套电学仪器，其后便开始了他的电学实验。尤其是在1748年雇用了哈利·霍尔为工头和合伙人之后，曾一度很大程度上从商务活动中脱身出来专心进行实验。

　　他的电学实验首先从莱顿瓶开始，不到几个月，从实验中有了不少的新发现，解决了当时电学中急待解决的问题——莱顿瓶的作用和原理，得出了极为重要的结论：“电火花并非由摩擦而产生的，而是被收集起来的。电确是一种在物质中弥漫着的，又能为其他物质，特别是水和金属所吸引的基本要素”。“电火是永远不会被毁灭的”①。莱顿瓶的全部力量和它的使人受震的威力，都在瓶子的玻璃中间，至于和瓶的内外两面相接触的金属片，只能尽到发出电和收受电的功能，换言之，从一面发出，另一面收受。即，电是一种在平常条件下以一定比例存在于一切物质中的要素，在他看来，电是一种单纯的“流质”。从而初步解答了电由何处来和莱顿瓶的作用等问题，否定了在此之前科学家们关于莱顿瓶之所以能发生强烈的放电是由于瓶中之水或金属箔金属线所致的推测，也就把莱顿瓶实验的神秘面纱揭开，将其置于一个可以为人理解的科学基础上了。富兰克林的这个结论为19世纪法拉第（1791—1867年）对电介质②所作的进一步研究打下了基础。

　　

　　①此处所说的水指含有杂质的普通水，纯水是不传电的。“电火花”、“电火”即现代所称的电。

　　②电介质，不导电的物质。电介质通常用来使带电体和其他部分隔绝，惯称“绝缘材料”。

　　富兰克林又认为，既然电是一种单纯的“流质”，那么，当玻璃受到摩擦时，电就流入玻璃，使它带“正电”；而当琥珀受到摩擦时，电就从琥珀流出，使它带“负电”。相应地，莱顿瓶内外两面的电荷也被定名为正电与负电，或阳电与阴电，并用正号“＋”和负号“－”来表示它们。这是电学上的一个创举。富兰克林是第一个把电分为正电和负电来解释实验的人。这不仅仅是名称上的问题，而且是概念上的深化。如果把富兰克林说的“流质”改称“电子”，并将流动方向倒过来（因为电子实际上是从琥珀流向玻璃），那么他这个猜测在本质上是正确的。富兰克林这一创举使电学开始走向准确的定性的方向。他对莱顿瓶的研究使科学界正确地了解了它的作用，并认识了绝缘体在电学中的重要性。1788年法国科学家库伦（1736—1806年）发现电荷间相互作用力的有名定律就是从富兰克林这一概念出发的。这是富兰克林在电学上的一大贡献。

　　1749年，他在上述结论的基础上提出了有名的“一流论”（或译为“单流质说”的电学理论），反对杜飞将电分为“玻璃电气”和“琥珀电气”两种截然不同的流体的“二流论”（或译为“双流质说”）。富兰克林认为，所有的自然物体中都含有电，电只有一种，物体的正负电决定于其含电太多或含电太少。当物体中所含的电超过了正常含量即电太多了时，称此物起了正电。如果少于正常含量即电太少了时，称此物起了负电。电可以用正负符号来区别，但不能把它们看作是截然不同的两种流体。这是电学史上第一个明确的、前后一致的电学学说。

　　富兰克林还利用充电体之间静电的吸力和斥力的作用，制造了一个很简单、但又异常灵敏的机械，称为“电轮”。在这个机械里，轻圆盘以每分钟50周的速度旋转，实际是不断地把电能转化为机械能。这个发明预示着现代的电动机的出现。

　　富兰克林进行电学实验的消息在费城传开后，许多人来到富兰克林的家中观看“奇迹”。把他的小小实验室挤得水泄不通。“为了让我的朋友们来分担一些这种拥挤，我在玻璃作坊定制了一些玻璃棒分发给他们，这样我们终于有了好几个表演者了”。富兰克林的朋友们帮他向来观者演示摩擦生电等电学现象，其中有的还独立地得出了些电学上的小小发现。

　　富兰克林在进行了大量电学实验后，已经走到了他对大气电学作出重大发现的边缘。

　　在当时，雷电这种具有巨大破坏性的可怕的自然现象的本质是什么，对人们来说还是一个谜。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神发怒，也有人猜测雷电是毒气在天空爆炸。格雷关于电火花和雷电属于同一性质的猜想，没有能够用实验证明。富兰克林要来作这一伟大而危险的尝试了。

　　就在他从这一时期最早的电学实验得出了单流体说的结论的同时，1747年7月11日，他就已经看到了“尖形物体在吸入和放出电火上的神奇效果”。此后，费城和宾州的公共事务占去了他一段时间。到1748年9月29日他得以从商务活动脱身，并迁入了在雷斯街和第二街拐角处的新居。那以后，如富兰克林自述的：“我将自由自在地没有其他任务，而只愿于自己想干的，并享受被我视为莫大幸福的东西：有闲暇去读书、研究、做实验，同那些愿意尊称我是朋友或熟人的那些才华横溢、可敬的人作广泛的交谈。”

　　1749年11月7日，富兰克林在他的实验记录中记下了“……电的流质同闪电在这样一些方面是一致的。1．发光；2．光的颜色；3．弯曲的方向；4．迅疾的运动；5．由金属而发生；6．爆炸声；7．存在于水或冰中；8．撕裂或震动通过的物体；9．击毙动物；10．熔化金属；11．使可燃物着火；12．硫磺味。电流质被尖状物吸引。我们不知道闪电是否只有这一特性。但鉴于它们在所有我们已经作过比较的各方面都相一致，它们就可能在这一点上一致吗？让我来做这个实验。”

　　在柯林森把他的一封信送到1750年5月的《绅士杂志》发表前几周，富兰克林已有了如何利用这一发现的想法，“然而，在关于尖状物放出或吸引电火的实验中，有一些东西尚未完全得到解释，对它，我想在下一封信中再来提出解释。因为尖状物的原理非常奇特，而它们的效果的确神奇；根据我在实验中的观察，我认为，房屋、船只、甚至塔和教堂可以借助它们的作用得到有效保护，免受电殛；因为如果在气候仪、风向标、教堂的纺锤状尖顶，塔尖或桅杆顶部不是像通常那样装上木质或铁质的圆球，而是装上一根8到10英尺长的铁杆，顶端逐渐变尖如针一般，并镀上防锈物，或分成数个尖那会更好，我想电火会在它到来达到一殛之时前静静地被从云中吸出，在尖上会有亮光出现，如同船上的桅顶灯光一般。这似乎可能是异想天开，但目前请让它得到传阅，直到我寄来详尽的实验报告。”这是富兰克林最早的关于避雷针的建议，当时他没想到需要一条地线。

　　1750年7月29日，富兰克林通过柯林森，正式公开地向英国皇家学会提议进行证明雷电是电的实验。而在此之前9个月，他已自己决定了要做这实验。“为决定雷电是否放电现象，我提议在方便之处做一个实验。”并详细介绍了实验方法：“在某一高塔或塔尖顶上放置一种守望棚，大小足够容纳一个人和一个电座①。在电座中央树一根铁竿，将这铁竿弯起来通到门外，然后垂直竖起20到30英尺高，顶端十分尖锐。如那电座保持干净和干燥，人站在座上，当雷雨云经过时放出电和火花，铁竿将把火从云中吸向他。如果担心那人会有危险（虽然我认为没有危险），可让他站在棚里地板上，不时地用金属线圈去接近铁竿，那金属线圈的一端有皮带，他用一根蜡做的把握着它，那铁竿受电后将从铁竿传往线圈而无害于他。”富兰克林当时还不清楚这种实验的危险性。1750年圣诞节前两天，他准备用电来杀死一只火鸡时，他的一只手和身体的其他部位遭到电击，使他有几分钟失去知觉，肩上的麻木感直到次日早上才恢复。

　　

　　①指绝缘体。

　　英国皇家学会对富兰克林的提议未予重视。英国的电学家福瑟吉尔·沃森作序的富兰克林的论文的小册子以《本杰明·富兰克林在美洲费城所作的电学实验和观察》为名发表了（1751年）。

　　富兰克林的新思想在法国引起了更大的兴趣。富兰克林的小册子被译为法文发表（1752年年初），科学家们和公众都为之激动，法国国王还亲自观看了“实验哲学大师M·德·洛尔为他演示的“费城实验”。一些科学家决定进行富兰克林提议的更大规模的实验。1752年5月10日下午2点20分，达里巴尔和六位同道在巴黎郊区马尔利地方的一座花园里用40英尺的铁竿从地面吸引雷电，随着一声开枪射击般的声响，实验成功。富兰克林的想法不再是推断。

　　在费城，圣诞节前的危险事件并没有吓倒富兰克林。当再次从费城和宾州的公共事业——创办一所新学院和一所新医院——脱身后，富兰克林的注意力重又回到雷电和电的问题上来。1752年7月，他冒着生命危险，在费城做了一次轰动当时科学界的用风筝吸取天电的实验。

　　以下就是关于这次实验的记述：

　　“由于同这次如此重大的发现（或许是伊萨克·牛顿爵士以来最伟大的）的每一情节都将给所有我的读者以快乐，我将努力地传递我从最高权威那里得到的若干新细节来满足他们。

　　“在出版了他的验证他关于电和雷电是一回事的假说的方法后，博士等着在费城筑起一座塔尖（在基督教教堂），以便将他的观点付诸实验，而不是想象用一个大致差不多高度的尖头竿子来达到那目的。这时，他忽然想到借助一只普通的风筝，他就可以比利用随便什么尖塔更好地深入雷电区了。所以，他准备了一大块丝帕和用来展开丝帕的适当长度的两根相互交叉着的棍子，他抓住第一场就要到来的暴风雨的机会步行到田野上去，在那儿有一座棚子可以用于他的目的。但是由于害怕在科学上不成功的尝试往往招来的嘲讽，他没有将他想要进行的实验告诉任何人，除了他的儿子以外。他儿子将帮助他放出风筝。

　　“风筝升了起来，在它显示出带电以前，过了相当长的一段时间。一块很有放电希望的云笼罩了它，但没有任何反应。最后，就在他开始对他的努力感到绝望的时候，他观察到麻绳上一些松散的线直立了起来，相互让开，仿佛它们被定在了一个共同的导体上。注意到了这一充满希望的现象，他立即将他的指关节伸向钥匙（让读者去判断他在那一刻感受到的极度喜悦吧），发现就这样完成了。他感觉到了十分明显的电火花。其他的人也成功了，甚至在绳子被淋湿前，因此这事实就平息了所有的纷争。当雨淋湿了风筝的绳子时，他收集到了大量的电火花。这事发生在1752年6月，法国电学家证明了同一理论的一个月后，但在他听说了他们所做的实验之前。”

　　这段话是富兰克林的朋友、英国皇家学会的普利斯特里写下的——富兰克林自己没有公开描述过这事。普利斯特里是在富兰克林眼皮底下写的，一定亲耳听到了富兰克林说的关于此事的情况，写出的草稿也经富兰克林过了目。普利斯特里前文所说的“最高权威”即指富兰克林本人。

　　当年9月，富兰克林就“竖起了一根铁竿把雷电引入我的屋子里，以便对它做一些实验，用两只铃在铁竿受电时引起注意”。

　　他在附近的铁匠铺定做了一根9英尺长的顶端尖削的铁杆，把它安放在烟囱顶上。铁杆的下端拴上鹅的翎管那么粗的金属线，然后将金属线沿楼梯引到屋子里的金属水泵上，而水泵是通向地下的。他又把屋里的那段金属线分成两股，两股线的终端相距6英寸，各挂上一只小铃，两只铃的中间，用丝线吊着一只小铜球。当金属线有电流通过时，铃上的铜球就会响起来。

　　他写道：“在频繁地从上方的铃吸取火花和为电瓶充电后，一天夜里，我被楼梯上响亮的劈啪声惊醒了。我跳了起来，开门出去，我察觉到那铜球不是像往常那样在