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时间:2020-09-18 来源: 作者:陈征

陈征:动地电火鸣 何以为我用

最早的“风筝引电实验”——法国科学家布丰的岗亭实验

富兰克林风筝实验的想象图

(图片来自网络)

《七月十九日大风雨雷电》

宋·陆游

雷车动地电火鸣,急雨遂作盆盎倾。

强弩夹射马陵道,屋瓦大震昆阳城。

岂独鱼虾空际落,真成盖屐舍中行。

明朝雨止寻幽梦,尚听飞涛溅瀑声。

千百年来,天上的电闪雷鸣都被视为大自然巨大威力的体现。古希腊神话中,宙斯以闪电为武器成为了奥林匹斯山上的众神之王;古代的中国人在发誓的时候,“天打雷劈”是最严重的誓词。这样的观念一直延续到今天,网上流传的各种玄幻小说中,那些神仙妖怪最惧怕的“天劫”,依然最常以雷电的方式出现。

于此同时,两千多年前,东西方文明也都发现了另一个极其微弱的现象,摩擦后的琥珀、玳瑁之类的东西会吸附周围轻小的草屑、羽毛之类。古希腊的泰勒斯,或是中国古代东汉的王充、西晋的郭璞等人,对此都有相关的记载。

科学老师或者科普书籍会告诉我们,这些都是电现象,天上的雷电是剧烈的放电现象,而摩擦后的琥珀、玳瑁或是我们身边的塑料尺子能够吸引轻小物体是微弱的摩擦起电现象。和我们身边各种电线里流动的、电器里使用的都是相同的现象。

可摩擦起电如此微弱的现象,大多数人完全忽视它的存在,根本难以和“雷车动地电火鸣”相提并论。人们怎么会想到它和天威赫赫的雷电之间有关系?又是如何“驯服”这大自然的力量呢?

这是一段充满敏锐观察和天才智慧的故事。

早在西晋时,张华的《博物志》中就记载了“今人梳头著簪时,有随梳解结有光者,亦有咤声”,也就是梳头时产生火花,还伴随着“啪啪”声音的现象。明代张居正也有“凡貂裘及绮丽之服皆有光。余每于冬月盛寒时,衣上常有火光,振之迸炸有声,如花火之状”的记录。与张居正同时代的都邛在《三余赘笔》中说,人们用绫罗绸缎做衣服,“暗室中力持曳,以手摩之良久,火星直出”。西方世界当然也少不了有观察细致的人注意到了这个现象。这种细微的“火花”也许是连接天地的一点线索。

1600年,英国女王的御医吉尔伯特把摩擦后的琥珀和磁石一起放进水里,看看是不是依然保持吸引小东西的能力,结果发现磁石吸引铁屑的性质依旧,而摩擦后的琥珀不再能吸引小东西。他以“琥珀”(ēlektron)为摩擦产生的这种东西命了名“电”(拉丁文electrica),今天的英语中称为electric,而天上的闪电时lightning则是另一词汇,看起来并不是相同的东西。

在这之后,人们逐渐对这种现象产生了更多兴趣。1660年,德国人奥托·冯·格里克制作了一个巨大的可以高速旋转的硫磺球,通过手和硫磺球的摩擦持续地制造出电来,人类终于有了一个能持续产生电的装置。1709年,英国人霍克斯比改进了格里克的摩擦起电装置,制造出了玻璃球起电机,之后人们又不断改进,制造出了许多更好的摩擦起电装置。可是这摩擦产生的电很容易就逃散到周围的环境中去,消失不见了。

1745年,德国人克莱斯特试图把电存贮在一个装水的玻璃瓶中,当手持玻璃瓶的外部,另一只手碰触从瓶子中连接出来的铁钉时,确实发生了放电现象。1746年,荷兰莱顿大学的马森布鲁克也做了类似的实验,把摩擦产生的电装进一个由金属箔包裹的盛水玻璃瓶中,当他同时触摸瓶子表面的金属箔和从瓶中引出的金属线时,立刻体验到了强烈的电击感受。从此,人类最早的储存电的装置诞生了,人们用莱顿城的名字给它命名为莱顿瓶。

莱顿瓶一经问世,迅速风靡了科学界,法国人诺莱特在巴黎圣母院外的广场上表演了上百人手拉手串联起来感受电击的实验。被存储在莱顿瓶中的电来电击一下甚至成为了社会中的一种流行文化,被作为酒吧里的游戏——Electric kiss。当然,更重要的是,人们有了存储电的方法,就能够更好地研究电。

随后不久的1750年左右,富兰克林提出了通过风筝把天上的闪电引进莱顿瓶,来研究天上的闪电是否和摩擦产生的电是相似的东西。这也就是我们耳熟能详的富兰克林放风筝故事的出处。不过,事实上最早实施这个实验的是法国科学家布丰,他在暴风雨中坚立一根12米长的金属棒,直接接入莱顿瓶,通过金属棒对闪电的感应来收集电;同年法国人雅克·德罗马斯用风筝替代了金属棒把天上的闪电引入了莱顿瓶。富兰克林据说之后也作了类似的实验,不过一定不是像故事里(如图所示)那样在雨天里用手握着导线,中间只用一层薄薄的丝绸来绝缘,那样实在太危险了。德国物理学家格奥尔格·威廉·里奇曼在圣彼得堡重复类似的实验时被雷电击中,付出了宝贵的生命。

透过实验证据,人们知道了天上的闪电和摩擦产生的是相同的东西,天地间遵循着相同的规律,对电的研究迈出了坚实的第一步。1800年,意大利科学家伏打发明了今天电池的原型——伏打电堆之后,人们有了稳定的电的来源,打开了电的大门,随后发电机、电动机、电灯、电话、无线电等等一发而不可收……

今天,有关电的知识已经丰富到难以想象,电对我们生活的影响也已渗透到无所不在的地步,我们已经难以想象离开电的日子。然而回想起来,这一切都是从敏锐地注意到摩擦起电,天才地把它和天上的闪电联系起来开始的……

(作者系澳门金莎国家级物理实验教学示范中心教师,光学博士)



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