富蘭克林和“崗?fù)?shí)驗(yàn)”

袁方

本杰明·富蘭克林是一個(gè)多才多藝的人，他是作家、政治家、外交家、發(fā)明家、出版商、新聞人……也是科學(xué)家，在電學(xué)方面做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

大家都知道富蘭克林在雷雨中放風(fēng)箏，證明了閃電就是一股巨大的電流的故事。但是，幾乎沒人知道，他還做過(guò)許多其他有關(guān)電的實(shí)驗(yàn)。

在做“風(fēng)箏”實(shí)驗(yàn)前，富蘭克林就設(shè)計(jì)了一個(gè)“崗?fù)?shí)驗(yàn)”。事實(shí)上，他的名聲之所以傳遍整個(gè)歐洲，主要來(lái)自“崗?fù)ぁ倍皇恰帮L(fēng)箏”。

“崗?fù)?shí)驗(yàn)”的提出和傳播

在富蘭克林的時(shí)代，人類對(duì)雷電的本質(zhì)還不了解。1746年，富蘭克林開始研究電學(xué)，做了一系列實(shí)驗(yàn)，提出了如“正極”“負(fù)極”“電池”等術(shù)語(yǔ)。但是因?yàn)樗畹拿绹?guó)那時(shí)還是英國(guó)的殖民地，世界科學(xué)研究的中心在歐洲，所以從1747年5月25日開始，富蘭克林把自己的研究成果陸續(xù)以寫信的方式發(fā)給了他的好朋友彼得·柯林森。（柯林森是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，對(duì)科學(xué)有著廣泛的興趣。）在1750年7月29日致柯林森的信中，富蘭克林提出了“崗?fù)?shí)驗(yàn)”。

在那時(shí)，費(fèi)城沒有足夠高的高塔或尖頂能讓富蘭克林設(shè)置崗?fù)ぃ麑懺谛胖械脑O(shè)想、計(jì)劃和具體細(xì)節(jié)，全歐洲都知道了。在柯林森的幫助下，這封信及其后來(lái)的信件被編成一本名為《富蘭克林在美洲費(fèi)城所作的電學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀察》的小冊(cè)子在英國(guó)出版。

后來(lái)，這本小冊(cè)子由一位名叫托馬斯·戴利巴德的科學(xué)家譯成了法文。這個(gè)時(shí)期的法國(guó)，有閑階層對(duì)于科學(xué)很感興趣，男男女女都在鉆研氣象學(xué)、天文學(xué)、植物學(xué)、化學(xué)，而且樂此不疲。現(xiàn)在，人們急切地閱讀著富蘭克林的小冊(cè)子。

在巴黎的社交集會(huì)和凡爾賽宮廷中，法國(guó)國(guó)王路易十五身邊的社交圈里議論紛紛：富蘭克林的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴蓜e人來(lái)做嗎？“崗?fù)?shí)驗(yàn)”能行嗎？在路易十五的支持下，一位人稱實(shí)驗(yàn)哲學(xué)大師的德洛爾先生被選中來(lái)做“跳舞的蜘蛛”“帶電的肖像”等電學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示。

做完演示實(shí)驗(yàn)，戴利巴德和德洛爾承認(rèn)，在所有的費(fèi)城實(shí)驗(yàn)中，他們唯獨(dú)沒有做過(guò)“崗?fù)?shí)驗(yàn)”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常危險(xiǎn)，很可能失敗，但也最刺激，他們?nèi)滩蛔∫欢ㄒ觥?/p>

致柯林森的一封信

在某個(gè)高塔或尖頂上設(shè)置一種崗?fù)ぃ瑣復(fù)?nèi)要能容納一個(gè)人和一個(gè)電氣架。

架子上豎一根尖頭的鐵桿（因?yàn)榧忸^會(huì)吸電火）。鐵桿彎過(guò)來(lái)，通出門外，向上豎起6米～9米高，另有一根鐵桿從崗?fù)だ镏蓖ǖ叵隆復(fù)だ镞€有一根金屬導(dǎo)線，一頭連在接地的鐵桿上，另一頭連著一個(gè)帶石蠟把手的金屬環(huán)。

暴風(fēng)雨來(lái)臨時(shí)，用它將兩根鐵桿連在一起，其目的是為電荷流向大地提供一條通道，以免造成傷害。如果電氣架能夠保持清潔干燥，掠過(guò)的烏云會(huì)使站在上面的人帶電并引起放電，鐵桿會(huì)將云層中的電火引到他身上。一旦發(fā)現(xiàn)有任何危險(xiǎn)（盡管我認(rèn)為不會(huì)有危險(xiǎn)），就讓此人站到崗?fù)さ牡匕迳希ブ饘侪h(huán)上的石蠟把手，時(shí)不時(shí)地去靠近鐵桿。這樣，如果鐵桿帶電的話，火花就會(huì)從鐵桿往金屬導(dǎo)線跳去，不會(huì)傷害到人。

——富蘭克林

1750年7月29日

避雷針的雛形

在高處立一根金屬桿，雷暴云來(lái)臨時(shí)，就可以把云里的電荷通過(guò)金屬桿引下來(lái)。如果金屬桿和大地是絕緣的，電荷留在桿里跑不掉，就可以用來(lái)做電學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而證明閃電是放電現(xiàn)象。這也就是避雷針的雛形。

在法國(guó)的初次實(shí)驗(yàn)

戴利巴德選擇了巴黎以北約40千米的一個(gè)叫作馬魯拉的村子。在村邊的一個(gè)園子里，他豎起一根粗約2.5厘米、高約12米的尖頭鐵桿。鐵桿安置在一個(gè)木質(zhì)平臺(tái)上，為了絕緣，平臺(tái)架在四個(gè)空酒瓶上，酒瓶緊緊扎在大木樁上。圍繞著鐵桿造了一個(gè)木頭掩體，剛好能躲進(jìn)一個(gè)人。一個(gè)名叫科菲爾的老兵被指定在此值班——負(fù)責(zé)看管崗?fù)ぃ诒╋L(fēng)雨來(lái)臨時(shí)，不顧自身安危，去完成某些指令。

1752年5月10日下年，科菲爾發(fā)現(xiàn)烏云壓頂，天空下起了小雨，不祥的隆隆聲從天邊響起。按照指令，科菲爾走近崗?fù)ぃ兆〗^緣把手，拿起一根長(zhǎng)長(zhǎng)的銅導(dǎo)線。暴風(fēng)雨更近了，他用導(dǎo)線去碰鐵桿，火花四濺，還有一股硫黃的臭味（氣味其實(shí)來(lái)自臭氧，那是放電的一種副產(chǎn)品）。極度恐懼中，他扔下了導(dǎo)線，大聲叫喚村里的牧師。牧師趕到了，看到?jīng)]什么危險(xiǎn)，他也拿起導(dǎo)線去碰鐵桿。他連碰了6次，每次都引出了火花。然后，他把導(dǎo)線搭在鐵桿上，念起了《主禱文》和《萬(wàn)福瑪利亞》。雖然他一點(diǎn)兒都沒有覺察到自己手臂上的瘀傷和衣服上的“硫黃味”，但他回家途中遇到的村民都十分驚訝地注意到了。到家后，牧師馬上寫了一封快信寄給戴利巴德，讓科菲爾送去，信中寫道：“戴利巴德先生，我向您宣布一個(gè)您所企盼的消息：實(shí)驗(yàn)完成了……在數(shù)人到場(chǎng)的情況下，我在4分鐘內(nèi)連試了6次……本來(lái)我還想再試下去，但暴風(fēng)雨消失了。”

后來(lái)，德洛爾、布封等人先后在巴黎重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)，轟動(dòng)一時(shí)，人們紛紛來(lái)圍觀“天火”，富蘭克林在法國(guó)一舉成名，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為“費(fèi)城實(shí)驗(yàn)”——富蘭克林當(dāng)時(shí)人在費(fèi)城。

付出生命的代價(jià)

“崗?fù)?shí)驗(yàn)”在法國(guó)多次成功。但是，在俄羅斯，一位科學(xué)家犯了一個(gè)致命的錯(cuò)誤，并為之付出了生命的代價(jià)。

在圣彼得堡，物理學(xué)家喬治·里奇曼在自己家建造了一個(gè)被稱為“雷機(jī)”的裝置。即使在那些完全知道他們是在研究閃電而不是雷的人中間，他也堅(jiān)持這樣稱呼他的裝置。這個(gè)裝置在設(shè)計(jì)上多多少少?gòu)?fù)制了“崗?fù)ぁ保锲媛鼪]有準(zhǔn)備一個(gè)絕緣平臺(tái)。

1753年夏，里奇曼正在圣彼得堡科學(xué)院為一次演講作準(zhǔn)備。忽然，窗外一片雷雨云正從北方迅速移來(lái)，他看到后立即與朋友索科洛動(dòng)身回家。他們聽見遠(yuǎn)處的雷聲，注意到并沒有下雨。

到家后，里奇曼站到他的“雷機(jī)”旁，準(zhǔn)備用一根針狀電極和一個(gè)裝著部分銅配件的盛水容器完成一些實(shí)驗(yàn)。他站在離鐵桿約30厘米的地方，專心觀察著針狀電極。不久，索科洛先生看到，一個(gè)藍(lán)白色的火球，直徑二三厘米，從鐵桿飛向里奇曼的前額，里奇曼一聲未吭地仰天倒下了。隨后，火球炸開了，像一顆小型炮彈。當(dāng)索科洛跑上去幫忙的時(shí)候，房間里滿是煙霧。

一名醫(yī)生趕來(lái)對(duì)里奇曼進(jìn)行檢查。他已經(jīng)死了，一下子就被電流擊穿了，而且可能沒有任何痛苦。他的前額上有一個(gè)明顯的紅點(diǎn)。“雷”的電力穿過(guò)他的身體，進(jìn)入地板。他的腳和腳趾發(fā)青，一只鞋跟燒焦了一半。富蘭克林得知后，對(duì)此評(píng)論說(shuō)：“這個(gè)不幸的意外事故確立了關(guān)于雷電的新學(xué)說(shuō)；有了這個(gè)教訓(xùn)，從此以后，許多生命將會(huì)得到拯救。教訓(xùn)是要在高房子上安裝避雷針，讓雷電有一條入地的通路。”

里奇曼的運(yùn)氣太差，他用絕緣層隔斷了通路，卻將自己的身體留在雷電的回路中。富蘭克林的運(yùn)氣好，他放的風(fēng)箏上系有一把大鑰匙，鑰匙下連著一根金屬線，一直通到放在地下的萊頓瓶。他抓住的只是系在鑰匙上的另一根引繩，而沒有全力抓住主繩。但是，無(wú)論如何，在雷雨天放風(fēng)箏畢竟是十分危險(xiǎn)的，同學(xué)們千萬(wàn)不可仿效。

“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”

1752年10月19日，富蘭克林在《賓夕法尼亞公報(bào)》上刊登文章報(bào)告“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”：用絲綢手帕做一個(gè)風(fēng)箏，風(fēng)箏上方固定一根金屬絲，在風(fēng)箏繩子的末端系一條絲綢帶子，在繩子和絲綢帶子交接的地方綁一把鑰匙。在有雷電的時(shí)候，人躲在屋里通過(guò)門、窗放風(fēng)箏，手拽著絲綢帶子，注意不要讓雨把絲綢帶子打濕，也注意不要讓風(fēng)箏繩子碰到門框或窗框。繩子被雨打濕后，就會(huì)把雷暴云里的電引導(dǎo)下來(lái)，因?yàn)榻z綢帶子是干的，不能導(dǎo)電，電荷都聚在了鑰匙上，這時(shí)如果用指關(guān)節(jié)碰鑰匙，就會(huì)冒火花，這樣就證明了它的確是帶電了。這些電荷還可以收集起來(lái)做其他實(shí)驗(yàn)。