天電傳奇// 一個瘋狂的「風箏實驗」及其他 //
文/張虎崗
瘋狂的「風箏實驗」
1746年，英國倫敦一個叫柯林森的人，給他在美國的一位朋友寄送了一隻萊頓瓶，並在信中向他介紹了使用方法。
也許他沒有想到，他這一個小小的舉動無意中成就了物理學史的一段傳奇。
這個萊頓瓶的收件人叫做本·傑明·富蘭克林。
這個人也不一般，與其說他是一位物理學家，倒不如說他是傑出的政治家、外交家及商人。他是《獨立宣言》的起草人之一，曾出任美國駐法國大使，成功取得法國支持美國獨立。
為了紀念他，1928年以後每張百元美鈔上都印有他的肖像。
從此以後，富蘭克林成了世界上最「帥」的人之一。
言歸正傳。
富蘭克林使用萊頓瓶進行了許多科學實驗，在實驗中他看到了電火花，由此突然聯想到了「上帝之火」――雷電。
1749年11月7日，他寫了下面的筆記：
電流跟閃電在這些特性方面是一致的：
（1）發光；
（2）光的顏色；
（3）彎曲的方向；
（4）快速運動；
（5）被金屬傳導；
（6）在爆發時發出霹靂聲或噪聲；
（7）在水中或冰裡存在；
（8）劈裂了它所通過的物體；
（9）殺死動物；
（10）熔化金屬；
（11）使易燃物著火；
（12）含硫磺氣味。
這些相似性指向一個結論：這兩種現象是同一種物理現象。
但是由於缺乏足夠的證據，他的這一結論並不被人認可。
為了驗證自己的猜想，他決定「瘋狂」一次。
1752年6月的一天，陰雲密布，電閃雷鳴，一場暴風雨就要來臨了。
富蘭克林和他的兒子威廉一道，帶著上面裝有一個金屬杆的風箏來到一個空曠地帶。富蘭克林高舉起風箏，他的兒子則拉著風箏線飛跑。由於風大，風箏很快就被放上高空。剎那，雷電交加，大雨傾盆。
富蘭克林和他的兒子一道拉著風箏線，父子倆焦急的期待著，此時，剛好一道閃電從風箏上掠過，富蘭克林用手靠近系在牽著風箏的麻繩末端的銅鑰匙，立即掠過一種恐怖的麻木感。他抑制不住內心的激動，大聲呼喊：「威廉，我被電擊了！」隨後，他又將風箏線上的電引入萊頓瓶中。
回到家裡以後，富蘭克林用雷電進行了各種電學實驗，證明了天上的雷電與人工摩擦產生的電的確具有完全相同的性質。由此他關於天上和人間的電是同一種東西的假說得到了證實。
風箏實驗的成功使富蘭克林在全世界科學界的名聲大振。英國皇家學會不僅承認他的結論，還給他送來了金質獎章和皇家學會會員的聘書。
毫無疑問，富蘭克林的這次實驗的「瘋狂指數」絕對是五星。
著名哲學家康德曾這樣評價富蘭克林：「他是天堂盜火者，他是第二個普羅米修斯。」
其實，他更是當世雷神索爾的化身。
雖九死而不悔
（風箏實驗聽起來瘋狂無比，但是後人對於這個實驗是否真正存在莫衷一是。）
很多人追隨著富蘭克林的腳步，「瘋狂」了重複著他的大氣電實驗（或者是實驗的設想）。
比如，俄國科學家利赫曼。
他和他的助手羅蒙諾索夫對雷電現象觀察了三年之久，他們也想像富蘭克林一樣「窺探」雷電的秘密。於是，在沒有人理解和支持的情況下，他們開始了自己的"雷電利用計劃"。
他們在屋頂上樹起一根長長的鐵桿，下面捆著一根鐵尺，目的是把天上的電引到屋裡觀察和研究。
下面是羅蒙諾索夫的一段回憶：
1753年7月26日下午一點鐘左右，北方升起了一大片雷電烏雲。我和利赫曼正出席一個科學院的會議，於是匆匆告別，想趕回家去觀察「雷電器」。
不多功夫，雷聲大作，但沒有一滴雨。我看了看所裝置的雷電器，絲毫沒有發現電力的徵兆。但當飯菜擺在桌子上的時候，我終於看到鐵絲發生特別的電火花，我的妻子和另外幾個人也都跑到這裡來了。我們大家一起看了鐵絲和吊起來的鐵條，因為我希望有幾個目擊火花的各種顏色的見證人。利赫曼教授曾和我爭論，他不認為會有各種顏色。就在我把手伸到鐵絲邊、火花僻啪僻啪地四散爆發的當兒，突然霹靂一聲巨雷。他們都從我身邊跑開了。我妻子也要我走開。好奇心仍把我吸引住二三分鐘，直到他們對我說菜湯涼了，並且電力也幾乎停止了。我剛剛在桌旁坐了一會兒，利赫曼的僕人突然把門打開了，他滿面淚痕，嚇得喘不過氣來。當他向我走來時，我想，莫不是有人在路上打了他？他勉勉強強說出了幾個字：教授被雷擊倒了。
我儘快地跑去看他。等我跑到後，我看見他已停止了呼吸。他的可憐的妻子和嶽母，也和他一樣面無血色。我雖倖免於死亡，但我的密友的慘白的屍體以及他的妻子，兒女全家老幼的哭聲，使我感到那麼難受，以至我對聚集在那兒的許多人說不出一句話來，也作不出一句回答，只望著這個一小時前曾和我一起開會。一起討論我們未來的公開演講會的人的面孔。從吊起來的鐵絲髮出的第一次打擊擊中了他的頭部，在他的額上留下了一個紅色的、櫻桃似的斑點；而雷電力則經他的腳部，通過地板而遠逸。
對於利赫曼之死，後來的普利斯特列說：「令人敬佩的利赫曼的光榮犧牲使每個電氣學家不會再這樣光榮死去了。」
從此以後，再也沒有人重複這一實驗了。
「風箏實驗」成絕響！
避雷針？還是引雷劈？
在設計「風箏」實驗時，富蘭克林將閃電與人工摩擦產生的電進行類比做出過這樣的推測：既然人工產生的電能被尖端吸收，那麼閃電也能被尖端吸收。而「風箏」實驗的成功反過來又證實了他的推測。
他由此設想，若能在高物上安置一種尖端裝置，就有可能把雷電引入地下。
於是富蘭克林設計了一種避雷裝置：
把一根數米長的細鐵棒固定在高大建築物的頂端，在鐵棒與建築物之間用絕緣體隔開。然後用一根導線與鐵棒底端連接。再將導線引入地下。
沒錯！這種裝置就是避雷針。
避雷針的發明是早期電學研究中的第一個有重大應用價值的技術成果。
1754年，富蘭克林用避雷針保護建築物的建議被梅倫的一個牧師迪維什第一次實現了。到了1760年，富蘭克林在費城一座大樓裡立起了一根避雷針。避雷針在最初發明與推廣應用時，教會曾把它視為不祥之物，說是裝上了富蘭克林的這種東西，不但不能避雷，反而會引起上帝的震怒而遭到雷擊，但是，在費城等地，拒絕安置避雷針的一些高大教堂在大雷雨中相繼遭受雷擊。而比教堂更高的建築物由於已裝上避雷針，在大雷雨中卻安然無恙。到了1782年，費城已經大約有了400根避雷針了。
當避雷針在費城等地初顯神威後，立即傳到北美各地，隨後又傳入歐洲。
1762年避雷針英國立起了第一根避雷針。
最初，英國人廣泛採用了富蘭克林的尖頭避雷針。但是美國獨立戰爭（1775年～1783年）爆發後，富蘭克林積極參加獨立運動，並且是獨立宣言的起草人之一。於是富蘭克林發明的尖頭避雷針在英國國王喬治三世眼中似乎成了將要誕生的美國的象徵。據說喬治三世在盛怒之下，召來英國皇家學會會長約翰·普林格爾，向他施加壓力，要他公開宣布圓頭避雷針比尖頭的更安全，要求要全英國的避雷針都改成球狀。
還好普林格爾是一位正直的科學家，他沉默片刻，說：「陛下，許多事情都可以按您的願望去辦，但是不能做違背自然規律的事呀！」
在普林格爾的堅持下，避雷針終究沒有變成「避雷球」。
這一場鬧劇也算是避雷針應用史上一件趣聞吧！
你有避雷針，我有龍吻脊
我國古代對電的認識，也是從雷電及摩擦起電現象開始的。
早在3000多年前的殷商時期，甲骨文中就有了「雷」及「電」的形聲字。西周初期，在青銅器上就已經出現加雨字偏旁的「電」字。
但是受科技水平的限制，人們弄不清楚雷電是怎麼產生的，相信「雷澤有雷神，龍首人頰，鼓其腹則雷」的神話，誤以為雷電毀屋擊人是上天發怒，對人們進行罰誡。到了漢代，人們開始以陰陽二氣相互作用的理論來解釋雷電現象，《淮南子·墜形訓》認為 「陰陽相薄為雷，激揚為電」，即雷電是陰陽兩氣對立的產物。明代劉基（1311年～1375年）說得更為明確：「雷者，天氣之鬱而激而發也。陽氣困於陰，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電」。這說明，當時己經有人認識到雷電是同一自然現象的不同表現。
儘管這種猜想並不符合現代科學的觀點，但破除了人們對上天雷神的迷信，於是各種徵服雷電的設施也就陸續出現了。
在我國最早出現的避雷設施是避雷室。南朝劉宋時人盛弘之的《荊州記》中記載：「湖陽縣，春秋寥國，樊重之邑也。重母畏雷，為母玄石室，叫避之。悉以文石為階砌，至今猶存。」這段話的意思是，樊重為母親建造避雷室所使用的全部材料都是文石。文石很可能就是大理石，具有絕緣作用。由大理石建造的屋室當然是可以避雷的。
不過最為流行的還是在建築物上安裝中國式的避雷針――龍吻脊。1688年，法國旅行家卡勃裡歐列·戴馬甘蘭來中國遊歷之後，寫了一部名叫《中國新事》的書。書裡寫道：「……當時，中國屋宇的屋脊兩頭，都有一個仰起的龍頭，龍口吐出曲折的金屬舌頭，伸向天空，舌根連接著一根根細的鐵絲，直通地下。這樣奇妙的裝置，在發生雷電的時候就大顯神通，若雷電擊中了屋宇，電流就會從龍舌沿線下行地底，起不了絲毫破壞作用。」
原來，我國古代建築師最遲在17世紀後期就已經發明了避雷針。
天雷與地火
文/張虎崗
上篇
風箏實驗
一隻風箏爬上了雲層
迎著風，沐著雨，義無返顧
奔向科學探索的高空
當麻繩上絨毛豎起
天電露出了它的行蹤
系在繩末的銅鑰匙
叮叮作響，怦然心動
在手指觸碰到銅鑰匙的瞬間
富蘭克林，耀眼的火花可曾讓你心驚
此刻，你是雷神索爾的化身
把天電的秘密洞悉於心中
下篇
鑽木取火
意念集中在手中的木棒
轉動，轉動，多少汗珠爬上了額頭
摩擦，摩擦，不知疲倦地做功
內能漸增，溫度漸升
微微青煙隱含著夢想的火星
小心翼翼地用棉絮包裹
虔誠地吹一口氣或是輕輕揮動
煙越來越濃越來越濃
直到迸然噴出一團火苗
像是燧人氏從遠古中走來
一粒火種點燃了文明
天雷與地火的傳奇
文/閆 芳
天神在那端
我在這端
是可以期許的遇見
直到藍色火花閃現
這把銅鑰匙
打開門，通往世界另一面
枯草在裡面
我在外面
是可以期許的遇見
直到火種點燃
那古老的傳奇呀
伴著新科技，綻放魅力無邊
「本篇文章來源於"堪尋"（ID：feiyangdewuli). 物理不止有實驗和習題，還有浪漫堪尋。堪尋，邀你共賞物理之美。」
本文作者：張虎崗、閆芳
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