電學史上的富蘭克林

科林碎玉

說起歷史上著名的科學實驗，富蘭克林的風箏實驗也許是大眾最耳熟能詳的一項。這個故事經常出現在小學課文中：富蘭克林通過風箏引下了天上的雷電，證明天上的閃電與地上的電是同樣的。在流行的版本中往往還會強調，風箏實驗揭示了「雷電只是普普通通的放電現象，而不是上帝的怒火之類的東西」。

在東西方的傳統文化中，天上的雷電總會被賦予某些神聖意義，例如神靈的懲罰，富蘭克林的實驗的確對這類傳統迷信給予了打擊。不過，這件事情之所以可能，前提在於，人們已然認為「地上的電」並不神秘。如果人們對「地上的電」毫無了解，或者以為是巫術，那麼引下天雷的人頂多會被理解為「大法師」，並不會破除人們對天雷的迷信。

在一般的科普書中，對富蘭克林之前的電學史往往一筆帶過，因為除了「電」這一概念本身，早期的電學史並沒有留下多少沿用至今的符號或公式。

在中國古代，「電」始終都是指天上的電，人們對地上的靜電現象缺乏注意，更不用說「放電現象」了。而西方人很早就注意到摩擦生電現象，也就是摩擦後的帶電物體能夠吸起羽毛等輕小物體。據說最早的哲學家泰勒斯，就做過用毛皮摩擦琥珀的考察，認為琥珀是被磁化了。但真正讓電進入科學研究的視野，還是從科學革命時期開始的。

最早關注電的科學家大概是吉爾伯特，他在1600年的《論磁》中考察了電現象與磁現象，並仿造希臘文中琥珀（elektron）一詞創造了「電」這個拉丁詞（electricus）。吉爾伯特的思想很超前，貢獻也很大，但在現代人看來有點「神棍」，他認為磁和電都是某種「靈氣」的作用，磁體是生命的純粹形式。他還是「磁療」行業的祖師爺，他本人是個醫生，推崇磁力能夠活化身體、治癒疾病。在很長一段時間內，電與磁在上流社會中的普及方式，主要都在保健醫療和娛樂獵奇的方面。而到了21世紀，磁化水之類的虛構保健概念仍然大行其道，也難怪17、18世紀的人們趨之若鶩了。

直接用毛皮摩擦琥珀來生電顯然效率低下，直到「起電器」的發展，才帶動了電學研究的逐漸成熟。最早在1663年，格里克設計了一種硫磺球起電器。其實就是把硫磺做成球體，可以用手摩擦然後用手柄抓握，吸附輕小物體。1705年，豪克斯比受到啟發，改善了設計，用中空的玻璃球或玻璃圓筒替代了硫磺球，通過搖動一個大輪盤來提供摩擦力，生成的電荷被儲存在玻璃球或玻璃管中。

在1750年之前，旋轉球起電器逐漸普及，形成了當時「科學表演」的重要道具。事實上，18世紀的「實驗科學」並不像今天實驗室中進行的那樣，而是基本等同於「科學表演」，很多「節目」看起來頗為「嘩眾取寵」。比如刺激的「帶電之吻」：演示者讓一位女士站上絕緣板，通過旋轉球起電器讓女士帶上靜電，這時讓旁邊的男士去親吻女士，就可以體驗到親吻「觸電般的刺激」。

1745年，在荷蘭的萊頓市誕生了最早的「電容器」，這就是所謂的萊頓瓶，與旋轉球起電器結合，可以更大量、更持久地儲存由旋轉球起電器產生的靜電。萊頓瓶一經發明很快就風靡全歐洲，大家爭相用萊頓瓶來演示放電現象。最著名的一場表演是法國電學家諾萊在1746年組織的，他在巴黎修道院門前調集了200名修道士，圍成一個大圈，用鐵絲連接起來，讓充滿電的萊頓瓶放電，然後，觀眾們看到幾百個平時正兒八經的修道士一起驚聲尖叫的恢弘場面。法國國王路易十五親自出場觀摩。

除了親身感受觸電的感覺之外，「電火花」也是電學表演中最為顯著的現象之一。當時的旋轉球起電器甚至可以在冰上打出電火花，讓觀眾驚嘆不已。

富蘭克林最初是一個出版商，他與歐洲的朋友保持通信，及時獲得歐洲的時尚前沿信息，然後在美國印刷傳播。電學實驗這個新興事物自然也不容錯過。1745年，正好是萊頓瓶剛剛發明、迅速流行的時候，英國商人彼得·柯林森向富蘭克林的出版公司贈送了一支用於生產靜電的玻璃管，並持續給富蘭克林報道來自歐洲的電學新聞。富蘭克林顯然很感興趣，很快就跟進購置了一整套電學儀器，開始一系列電學研究。1748年，他乾脆把出版公司交給別人管理，自己建立了一個實驗室，埋頭研究電學問題。

富蘭克林的改進包括理論和實驗兩個方面。在理論方面，他接受當時流行的「電是流體」的觀點，但增添了正電和負電的概念，並明確了「電量守恆」的原則。在實驗儀器方面，富蘭克林完善了起電機的製造，雖然很難說有什麼革命性的創造，但更加精緻有效。用手柄驅動轉輪帶動玻璃球旋轉，摩擦毛皮墊片產生靜電，最後導入萊頓瓶中儲存。後來富蘭克林還發展出所謂的「電池」，和之後的伏打電堆不同，是把許多萊頓瓶並聯起來，可以同時儲存或釋放大量靜電。

得益於實驗條件的提升，能夠觀察到的電火花現象日益明顯，放電的強弱程度也更加明顯。在大量觀察中，富蘭克林總結出，越是尖銳的物體越容易吸引和放電。同時，他也觀察到電學儀器打出的電火花與天上的天火（閃電）有許多相似之處。

1750年，富蘭克林在寫給柯林森的信中，提到了用實驗檢驗天火的設想。他設想通過樹立一根30英尺高的金屬桿接引閃電到木質房屋內。他本人並沒有做這個實驗，但信件被柯林森向歐洲科學界公開，引起了很大反響，一個法國人在1752年嘗試了這個實驗，據說成功了。後來的避雷針也是根據這個設計發展而來的。

1752年，富蘭克林提出了風箏實驗的構想。但他和兒子是否一起親自做過這項實驗，富蘭克林從沒有明確說過。世人熟知的故事版本出於和他交情不錯的普利斯特里轉述。1753年，一位俄羅斯人在嘗試風箏實驗中死亡，可能是被接引而來的球狀閃電殺死。

電學史上，富蘭克林身處過渡時期，從早期以收集定性規律和表演為主，到逐漸定量化、數理化。他提出的電流、正電、負電與電荷守恆的概念都對這一過渡非常關鍵，可以說是整個現代電學理論體系的起點。在實驗方面，他對儀器的改良和對實驗的設計都產生了重要的影響，電學實驗的重心從追求表演效果，逐漸轉向定量分析。

（作者系清華大學科技史系助理教授）

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