书摘|勇敢者&恶作剧:富兰克林可曾用风筝捕捉雷电?

本文节选自《电的科学史》，作者：[美]克雷格·罗奇，译者：胡小锐，出版社：中信出版集团·科普工作室

向牛顿定律发起挑战

1687年，艾萨克·牛顿的名著《自然哲学的数学原理》正式出版，比富兰克林出生的时间早19年。牛顿的另一部经典著作《光学》，出版于1704年。这两部作品从本质上看是不一样的，对富兰克林影响更大的是后者。《光学》对富兰克林来说比较容易阅读，因为它是用英语写成的，而不是拉丁语。但是，科恩认为更重要的原因是这部著作“致力于描述设计完美、操作简单的实验”。富兰克林的研究与《光学》都非常关注实验，两者的基本特性也是一致的。牛顿在《自然哲学的数学原理》中指出，万有引力是质量的函数，而与物质的类型无关。《光学》却与这一观点形成了鲜明的对比，因为它非常关注物质的具体类型，以及材料是否导电、有磁性。富兰克林的研究与《光学》具有相同的特点，正如科恩指出的，富兰克林是“信奉牛顿学说的实验科学家”。

富兰克林在科学研究方面一直恪守英国皇家学会的箴言：“不盲目相信任何人。”也就是说，自然法则应该通过实验来发现，而不是想当然。这种凡事讲求实验证据的态度，是牛顿等人发起的科学革命的基础。电学研究是摆在他们面前的一个巨大考验，因为人们很有可能会坚守牛顿的著名发现，而不愿意接受一种不同的新观点。但是，这些大胆的电力科学家并没有畏缩不前，而是勇敢地面对引力和电力之间的差异，即使困惑不解也不退缩。牛顿的万有引力定律描述的是天体之间的吸引力，而电力不仅包括吸引力，还包括排斥力。他们必须解释吸引力和排斥力为什么可以共存，这是前所未有的一个新任务。富兰克林给柯林森写信的目的，就是要解释其中的原因。

巧妙的电学实验

1747年5月25日和7月28日，富兰克林先后给柯林森写了两封信，解释他的电学基本理论。整个理论建立在平衡概念的基础之上。当一个物体（如琥珀或玻璃管）中有正常数量的“带电物质”或“电流体”时，物体就会处于正常状态，既不会吸引也不会排斥其他物体。然而，如果物体中的电流体数量减少或者增加，这种平衡将会被打破，物体就会“有电”。富兰克林对这些不平衡状态进行了定义：电流体数量增加的物体带正电，电流体数量减少的物体带负电。这套理论关注的重点是单一类型的带电物质或电流体的再分布情况。

最重要的是，富兰克林的理论解释了吸引力和排斥力。分别带正电和带负电的两个物体或两种材料彼此接近时，就会产生吸引力。也就是说，我们可以认为电流体与爱情一样，具有异性相吸的特点。相反，如果把两个带正电或者两个带负电的物体放在一起，它们就会相互排斥，即同性相斥。富兰克林的理论有时也被称为单流体理论。为了证明这套理论，他设计了一些简单而巧妙的实验。其中一些实验甚至给人一种玩室内游戏的感觉，因为这些带正电或带负电的实验对象都是活生生的人。在一个实验中，甲用丝绸摩擦玻璃，然后把这块带静电的玻璃递给乙；当乙拿到玻璃的时候，可以观察到火花飞溅的现象。

解释莱顿瓶实验的科学原理

1746年，荷兰一所大学的一位研究人员进行了一个被他描述为“新颖但可怕的实验”。他就是莱顿大学的马森布罗克（Musschenbroek），他在实验中研发的设备被人称作“莱顿瓶”。莱顿瓶就是一个普通的玻璃瓶，里面装了一些水，一根铜线浸没在水里。加州大学伯克利分校的历史学家海尔布伦（Heilbron）说，“标准”的莱顿瓶“内外两侧还有金属箔”。莱顿瓶内侧的金属箔通过铜线与一根金属棒连接。用丝绸摩擦过的玻璃管携带的静电传递到金属棒上后，又会通过铜线传递到瓶体内侧的金属箔上。这时，瓶体内外两侧的金属箔就会产生电性相反、电量相等的电荷。因为玻璃是一种很好的绝缘体，所以两种电荷无法汇合到一起，只能保持对峙状态。

这为什么是一个“可怕的实验”呢？马森布罗克把他的右手放在莱顿瓶外侧，把左手放在向瓶体内侧传输静电的那根铁棒上，这样一来，他的身体就变成两个带异性电荷物体之间的通路。结果是，他“全身颤抖，如同被闪电击中一般”。

在解释莱顿瓶实验时，科学家们产生了分歧，富兰克林与法国人让 – 安东尼·诺莱（Jean-Antoine Nollet）分属不同的阵营。尽管诺莱在现代的知名度远不及富兰克林，但是海尔布伦认为，1745—1752年，诺莱的理论都是“有史以来得到最广泛认可的电学理论”。

富兰克林提出的正负电荷概念可以解释莱顿瓶的特性，因此他的理论最终取得了胜利。海尔布伦写道，莱顿瓶“瓶体内壁”聚集有电火花，“是因为它无法通过”玻璃向外传递。换句话说，富兰克林的理解是正确的，玻璃瓶的作用其实就在于很好地扮演了绝缘体的角色。瓶体内侧的电荷增加，意味着它需要以电火花的形式释放多余的电荷，而这种排斥力只能通过瓶体外侧的等量异性电荷来中和。诺莱亲自完成了这个可怕的实验，以至于他“蜷缩成一团，差点儿喘不过气来”。但是，他无法解释莱顿瓶实验的原理，只能断言这是一个“特例”。1747年7月，富兰克林给伦敦英国皇家学会写了一封信，解释了莱顿瓶实验的科学原理。这项成就进一步提升了他在国际科学界的声誉。

闪电是电

富兰克林在这场理论之战中取得的胜利产生了深远的影响。一个地位低下的英属北美殖民地科学家与受教育程度很高、资金十分充足的欧洲科学家进行正面交锋，并且取得了最终的胜利。这不仅帮助他赢得了个人声誉，还使英属北美殖民地科学家的不懈努力得到了回报，赢得了国际科学界的认可。富兰克林的成功表明，美国科学家的奋斗精神绝不弱于他们的欧洲同行。

然而，这次科学上的胜利对他的国际声誉的影响力，与他的电学实验相比就相形见绌了。富兰克林通过实验证明，把闪电视为与电力等同的一种作用力，是对闪电的最合理解释。富兰克林并不是第一个提出这种观点的人，但他是成功提出这种观点并激励人们通过实验进行验证的第一人。

1750年7月，富兰克林在一封写给柯林森的信中提出了“岗亭实验”。首先，准备一个密闭岗亭，可以容纳一个人站在里面的绝缘体上。其次，在岗亭顶部安装一根指向天空的铁棒，长度为20~30英尺a。实验的目的是把天空中的闪电引到铁棒上，进而研究闪电的本质。

有人认为，闪电源自风暴云携带的电荷，闪电又会将这些电荷传导到云层下方最高的物体上，无论该物体是教堂的塔尖还是高大的橡树。富兰克林希望检验这个说法是否属实。1751年4月，富兰克林所写的书信被结集出版，这本书就是《电学实验与观察》（Experiments and Observations on Electricity）。法国人孔德·德·布丰（Comte de Bu?on）阅读之后，非常欣赏富兰克林的这本著作，就邀请让 – 弗朗索瓦·达利巴尔（Jean-Fran?ois Dalibard）在电学实验员德罗尔的帮助下，把富兰克林的这本书翻译成法语。布丰一直对诺莱及其同事心存强烈的不满，原因有不少，例如，他与诺莱的支持者热内 – 安东尼·费舍尔·德·列奥米尔（René-Antoine Ferchault de Réaumur）之间有个人恩怨，两人曾经面对面或者通过第三方侮辱过对方。布丰对富兰克林的研究如此感兴趣，也是这种不满情绪的一种反映。既然富兰克林反对诺莱的观点，也就是反对列奥米尔，因此布丰愿意推广富兰克林的观点。

1752年5月，布丰、达利巴尔和德罗尔等获得了公开宣传富兰克林观点的第一个良机。他们准备再现富兰克林的某些实验，法国国王路易十五也将亲临实验现场。他们三人决定实施富兰克林的“岗亭实验”，由达利巴尔在位于巴黎郊外20英里a的村庄马利拉维尔准备好实验设施。5 月10日，布丰和德罗尔开始操作这个危险的实验。通过铁杆和铜丝的碰触，他们“看到了人类有意识地从天空中引来的第一个火花”。达利巴尔向位于巴黎的法国科学院报告了这次实验的情况。这次实验证实了“闪电与电的亲缘关系”，以及富兰克林对避雷针的判断是正确的：“头部较尖、安装在高处并且接地的金属杆”可以预防雷电危害。马利拉维尔实验成功地证明电学研究不是“玩具物理学”，而是一种非常重要的探索途径，可以解释一种主要的物理现象。

富兰克林在暴风雨中放风筝的目的是证明闪电是电，这个实验是岗亭实验的一个变体，完成时间是在1752 年6 月。此时，三名法国人已经在马利拉维尔成功地完成了他们的实验，但是富兰克林还没有收到这个消息。引发公众想象的是风筝实验，而不是岗亭实验。因此，哲学家伊曼纽尔·康德把富兰克林称为“现代的普罗米修斯”。

富兰克林在1752 年10 月写给柯林森的信中介绍了他的风筝实验。风筝的主体是两根交叉的雪松木条，上面系着一条丝绸手帕。风筝的顶端伸出一根细金属丝，连接着一条长长的绳子。在绳子末端、接近富兰克林手持处的位置，系有一把金属钥匙，钥匙下面连接着另一条丝绸手帕。风筝放飞时，富兰克林的手就抓着这条丝绸手帕。整个装置虽然非常简单，却可以驯服大自然的力量。

风筝高飞时，一旦闪电击中风筝顶端的金属线，绳子就将电流传送到金属钥匙上。然后，钥匙与富兰克林就构成了一个“莱顿瓶”，可以传输、储存电荷。闪电释放的电荷一旦被引入莱顿瓶，就可以看出它与当时科学家使用的静电并没有什么不同。由此可见，富兰克林的这个实验远没有那么可怕。由于富兰克林手握的那条丝绸手帕对于他的生命安全而言有至关重要的作用（富兰克林认为，正是因为这条丝绸手帕，电荷将驻留在那把钥匙上），因此他建议后来的实验者最好站在小型建筑物内，以保证身体和手握的丝绸手帕不会被暴风雨淋湿。

这个实验的危险是显而易见的。富兰克林在风筝实验中把自己完全暴露在闪电面前，极有可能遭遇生命危险。1753 年7 月，科学家乔治·里奇曼（George Richman）试图在圣彼得堡的公寓里实施富兰克林的风筝实验，结果不幸意外身亡，用生命的代价证明了这个实验的可怕。里奇曼的讣告不仅介绍了他在科学界的声望，还告诫人们电学实验的危险性不可忽视。里奇曼受过良好的教育，是俄罗斯科学院圣彼得堡科学中心的会员，他的去世是科学界的一大损失。正如讣告所指出的，他很清楚“后果”，但他“希望抓住一切机会”，测量出“雷雨云”携带的电量。里奇曼的死亡以及实验显而易见的危险性，让有些人不禁怀疑富兰克林根本没有在暴风雨中完成他的风筝实验。这种疑虑直到今天也没有被打消。

哈佛大学历史学家伯纳德·科恩明确表示富兰克林确实进行了风筝实验，但他也承认有人持不同观点。在1952 年的一篇文章中，科恩提到了柯里尔与艾夫斯绘制的关于风筝实验的石版画，并指出这幅画是一个彻头彻尾的错误。最后，科恩总结道，对富兰克林风筝实验真实性的任何怀疑都没有“合理的理由”。科恩还说，有充分的证据证明其他人重现过这个实验，所以我们没有任何理由怀疑富兰克林。然而，质疑的声音一直存在。2003 年，作家汤姆·塔克（Tom Tucker）出版了《命运的闪电》（Bolt of Fate）一书，明确地表达了自己的观点。塔克重点分析了富兰克林的恶作剧倾向，认为风筝实验是又一个经典的富兰克林式恶作剧。如果富兰克林不像他所说的那样亲自完成了风筝实验，这件事在很大程度上就是一种欺骗，人们也不可能接受像善意的恶作剧这样的解释。富兰克林没有理由撒谎，他只要提出岗亭实验的构想并安排达利巴尔完成这个实验，就能赢得国际声誉。正如科恩所说的那样，富兰克林的风筝实验可能没有柯里尔与艾夫斯在石版画中表现出来的那种戏剧性效果，但我们不能因此断言他根本没做过这个实验。

发明避雷针

富兰克林不仅是一位富有创新精神的实验科学家，他还非常善于将科学知识应用于实践。在1753 年出版的《穷理查年鉴》一书中，富兰克林描述了他最重要的发明——避雷针，标题是“如何保护房屋等免受闪电破坏”。他首先指出，针对“雷电的恶行”，“仁慈的上帝欣然”为我们提供了某种程度的保护。具体来说，这种保护措施就是一种“小铁棒”，“一端插在潮湿的地里，深度为三四英尺”。27 另一端则位于“建筑物的最高点，伸出的长度为6~8 英尺”。接着，他补充说道，铁棒上端还应该连接一根一英尺长的黄铜电线。只要屋顶上装有这样的装置，他就可以保证房屋“不会受到闪电的破坏”，因为闪电会被“避雷针的尖端引过来，然后沿着金属线传导到地面，因此不会对任何事物造成破坏。”

尽管在今天看来，避雷针没有任何难以理解的地方，有时甚至给人一种古朴的感觉，但它是人类在科学（发现闪电是一种电学现象 ）和技术（人类可以用它来挽救生命财产）这两个方面取得的一个来之不易的成就。同样，我们更不能低估它在人类与自然的斗争中的象征意义——它代表人类在哲学上可能取得的进步，以及胜利的天平正在向人类倾斜。

避雷针还告诉我们，政治在所有涉及技术的争论中可以发挥什么样的作用。英国人在避雷针的形状设计上曾有过不同意见，有人认为应该采用富兰克林提议的“尖尖的形状”，有人则倾向于英国科学家本杰明·威尔逊（Benjamin Wilson）的建议，认为应该采用“球形把手”的形状。海尔布伦称这是一场“滑稽的战斗”。争论始于 1772 年，有人问英国皇家学会，如何让一个装满火药的军火库免受闪电的威胁？虽然威尔逊持有不同意见，但是英国皇家学会下设的委员会最后认定尖头避雷针的预防效果更好。然而，1777 年，英国珀弗利特镇遭到雷电的破坏，尽管在兵工厂和其他建筑物附近都安装了尖头避雷针。当然，富兰克林所在的美国此时已经发动了独立战争。英国国王乔治三世也加入了这场争论，他要求英国皇家学会修改它的决定。科恩转述了英国皇家学会主席约翰·普林格（John Pringle）爵士的答复：“陛下可以修改国家的规律，但不能逆转或改变自然的规律。”毋庸多言，普林格因此丢掉了他在英国皇家学会的工作。海尔布伦说，站在“自然界的高度看，（球形和尖形）这两种避雷针的头都是一个点”，因此，这种争论是“滑稽可笑”、毫无必要的。当然，在这之后，政治仍然没有停止对科学研究的干涉。