富兰克林传(22)_应天故事汇

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二二

“这时，我儿子赶上了我，跟着那旋风直到它离开树林，越过一片老的烟草田。在那儿，由于既无尘土又无树叶可带走，在掠过那块田地时，它的下部逐渐地看不到了。那时，平常的风在刮着，路线和我们的行进方向一致，而旋风前进的方向则差不多是相反的，尽管它不是保持直线，前行的运动也不均衡，前进时向两边时有摇摆，有时快有时慢，有时好像有数秒钟几乎停步不前，接着又开始相当快地向前。当我们回到同伴中时，他们正在赞叹现在正被普通的风刮到了我们头顶上那么高的地方的枝叶，它们伴随着我们前进，有一些不时地落在我们的周围，有一些直到我们走到了距我们最初看见旋风之处3英里的地方，仍没有到达地面。　　“当我问塔斯克上校，这样的旋风在马里兰是否常见时，他愉快地回答说，‘不，一点也不，是我们特地拿来款待富兰克林先生的。’” 　　科学之于富兰克林，是蕴含于日常生活中的自然界事物发生发展的规律。他在日常生活中发现它们，研究它们；他为了生活中的实际需要，而进行发明、创造：省柴取暖炉解决了冬天取暖中的问题，导尿管减轻了哥哥的病痛。而他为人类避免雷电的伤害则发明了避雷针，这是与他在电学研究上的杰出贡献紧相联系的。　　§人间的普罗米修斯　　在希腊神话故事中，天神普罗米修斯把天上的火种盗取到人间，给人类带来光明和温暖，却触怒了主神宙斯，被下令用铁链锁在高加索的崖壁上，每日遭受神鹰啄食肝脏，但他忍受巨大的痛苦，始终无悔。最后被大力神赫拉克利斯解救。到了18世纪中叶，凡人富兰克林因率先尝试驯服雷电，将这一“天火”带到人间，被誉为“人间的普罗米修斯”。　　富兰克林所处的时代，正值资本主义上升时期，也是自然科学蓬勃发展的时期。17世纪中叶以来，西欧出现了许多伟大的科学家，在力学、光学，磁学和热学等领域都有了一些成就，相形之下，电学显得落后。那时的电学实验还只限于用猫皮摩擦火漆棒、电能发生电火花、人接触电火花后感到震动等。对于电是什么、它的运动方式如何等问题，尚无进一步的探索。喜好观察、实践的富兰克林进行了大量实验，成为近代电学的奠基人。　　在他之前，科学界对静电现象知之甚少。1731年，英国科学家格雷（1670—1736年）首次发现有些物体能传电，有些则不能，这样，就把导体和绝缘体区别开来了。他发现金属能传电而丝线则不能。他还注意到尖端放电，从而想到电火花和雷电是不是一样的东西。1734年，法国科学家杜飞（1689—1739年）发现，将摩擦后带电的两根琥珀棒或两根玻璃棒悬挂起来，它们会互相排斥；可是带电的琥珀棒和带电的玻璃棒则会彼此吸引，如果使它们互相接触，它们二者将失去电的性质。杜飞由此得出结论：电分为“琥珀电”和“玻璃电”两种，同性相斥、异性相吸。　　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。

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