無(wú)所不在的電

威廉·吉爾伯特把“電”這個(gè)字與一塊摩擦過(guò)的琥珀所產(chǎn)生的磁效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，從而提出了大膽的設(shè)想。事實(shí)證明，這個(gè)設(shè)想是頗具預(yù)言性的。對(duì)吉爾伯特的研究頗感興趣，并予以進(jìn)一步提升的科學(xué)家之一就是德國(guó)人奧托·馮·格里克，他是在吉爾伯特公開出版其巨著《論磁》兩年之后（1602年）出生的。格里克雖然是一位業(yè)余愛好者，但是卻不乏創(chuàng)造才能。

馮·格里克對(duì)空間的本質(zhì)表現(xiàn)出了深厚的興趣。他曾經(jīng)懷疑是否確實(shí)存在真空，即一個(gè)沒(méi)有任何物質(zhì)的空間。他之前的亞里士多德和笛卡兒對(duì)這一問(wèn)題都持否定性的態(tài)度。

還有兩個(gè)相關(guān)的問(wèn)題是，行星如何在它們的運(yùn)行軌道上運(yùn)行？行星之間如何互相作用以及相互影響？針對(duì)這些問(wèn)題，開普勒和吉爾伯特曾經(jīng)提出了磁力動(dòng)因說(shuō)，而馮·格里克則開始對(duì)這一學(xué)說(shuō)的真實(shí)性進(jìn)行研究。在研究過(guò)程中，他研制出了一種能夠創(chuàng)造出部分真空的辦法。1650年，馮·格里克成功地發(fā)明了一種能夠用來(lái)把容器中大量空氣抽出的、非常具有實(shí)用意義的抽氣泵。與此同時(shí)，馮·格里克還對(duì)真空的各種物理屬性進(jìn)行了研究。他曾經(jīng)作出了如下的推斷：在真空里不會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，但是真空中的磁鐵依然能夠?qū)饘傥镔|(zhì)產(chǎn)生吸附作用。

在1657年進(jìn)行的馬德堡實(shí)驗(yàn)中，馮·格里克把兩個(gè)銅制的半球形物體合在一起從而形成了一個(gè)圓球體，然后證明在把該球體中的空氣抽出之后，周圍空氣所形成的氣壓會(huì)使這個(gè)球體處于密封的狀態(tài)。為了對(duì)氣壓所產(chǎn)生的強(qiáng)大力量進(jìn)行進(jìn)一步的證實(shí)，馮·格里克讓兩組各有8匹駿馬組成的小隊(duì)試圖把這個(gè)圓球拉開，但是始終無(wú)法完成。另外，馮·格里克在維也納和柏林的宮廷里也進(jìn)行了這個(gè)非常生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。

在證明了磁力可以穿越真空之后，馮·格里克開始試圖了解天體是否也會(huì)受到這種力量的作用。在對(duì)吉爾伯特的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考察之后，格里克對(duì)這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模仿，并研制出了一個(gè)由很多物質(zhì)材料（如硫磺）構(gòu)成的更大的圓球體。

格里克發(fā)現(xiàn)，在把這顆圓球旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并用他的一只手對(duì)其進(jìn)行摩擦之后，同樣能夠顯現(xiàn)出那種被吉爾伯特認(rèn)為是電的物理效應(yīng)。這個(gè)圓球就這樣獲得了吸附屬性，并會(huì)放出火花，而且即使在圓球不再轉(zhuǎn)動(dòng)之后，這種效應(yīng)仍然能夠持續(xù)下去。這激起了格里克的極大興趣，他接著制造出了一部機(jī)器，并通過(guò)這部機(jī)器的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)圓球體；在此之后，他還設(shè)計(jì)出了一個(gè)能夠使圓球轉(zhuǎn)得更快的用皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。最終，他還能夠使這個(gè)硫磺圓球發(fā)熱。格里克通過(guò)他所進(jìn)行的第一個(gè)試驗(yàn)證明了“電引起的發(fā)光”現(xiàn)象的存在。作為一種娛樂(lè)方式，馮·格里克實(shí)驗(yàn)機(jī)器的復(fù)制品的受歡迎程度不亞于其嚴(yán)肅的科學(xué)研究。18世紀(jì)的上半期，靜電機(jī)器幾乎無(wú)處不在，同時(shí)還存在著很多由玻璃圓球或圓盤甚至是啤酒瓶制成的各種靜電機(jī)器。

在英國(guó)，斯蒂芬·格雷發(fā)現(xiàn)了與靜電有關(guān)的兩件事情：第一，靜電的無(wú)聲放電或者無(wú)聲傾瀉能夠沿著一條絲線被傳播出去；第二，被帶到“電源”附近的物體本身也會(huì)由于被電化而帶電。

在法國(guó)，查理·弗朗索瓦·西斯特尼·杜菲發(fā)現(xiàn)，帶電體能夠互相吸引或者排斥，這個(gè)現(xiàn)象使他認(rèn)為存在著兩種形式的無(wú)聲放電，并將它們命名為玻璃質(zhì)的和樹脂質(zhì)的。

這些機(jī)器越來(lái)越成熟，并能夠制造出大量的靜電。然而如何把這些電能存儲(chǔ)下來(lái)成為最大的難題。最后，這個(gè)問(wèn)題由德國(guó)發(fā)明家埃瓦爾德·G.馮·克萊斯特和荷蘭科學(xué)家皮埃特·凡·穆申布魯克分別于1745年和1746年解決。這兩位科學(xué)家分別發(fā)明了各自的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的儲(chǔ)存。

此外，這兩位科學(xué)家還發(fā)明了第一個(gè)電容器。他們首先用一個(gè)軟木塞把裝了半瓶水的瓶罐封閉起來(lái)，將一根金屬絲線穿過(guò)軟木塞并且使其能夠伸到瓶?jī)?nèi)的水里。然后，通過(guò)把金屬絲線靠近一個(gè)靜電發(fā)電機(jī)的方式來(lái)使其通電。當(dāng)這個(gè)瓶罐從這個(gè)靜電發(fā)電機(jī)旁挪開的時(shí)候，那些電被留在了瓶罐內(nèi)，這是任何碰到金屬絲線的人都能感覺(jué)到的。1745年2月，一封信被公開刊登在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)匯刊》上。這封信描述了那個(gè)碰到金屬絲線的人的慘狀：“他在開始的一瞬間完全沒(méi)有了呼吸；然后，他感覺(jué)到右胳膊上劇痛，并就此落下了病根。”

馮·克萊斯特對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了改善和提高。他在玻璃上涂了一層金屬層，從而使靜電可以直接穿越玻璃，進(jìn)而直接抵達(dá)瓶罐內(nèi)的水面。在這場(chǎng)早期的、顯示誰(shuí)的技術(shù)更高一籌的較量中，穆申布魯克索性把這個(gè)簡(jiǎn)陋的玻璃裝置的里里外外都涂滿了金屬層，從而使外部的金屬可以給內(nèi)部的金屬直接施加電荷。在按照這個(gè)思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，他發(fā)現(xiàn)位于金屬層中間的玻璃層越薄，瓶罐內(nèi)所放射出的電火花就越劇烈。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎說(shuō)明，電流是一股流體而不是兩股，而這個(gè)假設(shè)是被美國(guó)的發(fā)明家本杰明·富蘭克林所證明的。穆申布魯克的這個(gè)蓄電裝置被命名為“萊頓瓶”，這個(gè)發(fā)明的某些版本一直沿用至今。

到了18世紀(jì)中期，電學(xué)已經(jīng)逐漸成為了最流行的學(xué)科。人們發(fā)明了一連串帶有電樞的設(shè)備。這種電樞圍繞電負(fù)荷旋轉(zhuǎn)，但是在通電的情況下則被排斥出去。“電不再是只屬于知識(shí)分子的專利，也不再是一個(gè)神秘得讓人神不守舍的新鮮事物，它很快便成為社會(huì)大眾談話中的一個(gè)話題。”科學(xué)歷史學(xué)家帕特麗夏·法拉如是寫道：“很多有錢人購(gòu)進(jìn)了他們自用的蓄電設(shè)備，而貴婦們則專心于制作能夠握在她們手中從而照亮她們的鯨骨裙的小型照明手電，或者用一道很有感覺(jué)的（如有點(diǎn)痛）電流之吻使她們的仰慕者心潮澎湃。”本杰明·富蘭克林發(fā)明了一口只要接觸到靜電就會(huì)鳴響的鐘，而亂夸海口的吹牛家則吹噓說(shuō)靜電荷可以起到治愈從頭疼腳熱到大病小災(zāi)在內(nèi)的所有病痛。

隨著更大量的電荷被萊頓瓶?jī)?chǔ)存起來(lái)，以及許多萊頓瓶被連接起來(lái)用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)研究中的大量電荷，人們?cè)絹?lái)越清楚地了解到了電的危險(xiǎn)性。1750年，富蘭克林證明，他能夠在雷電交加的天氣中通過(guò)放飛一只裝有一個(gè)金屬頭和一根絲綢長(zhǎng)線的風(fēng)箏給萊頓瓶充電。由此，富蘭克林證明閃電也是一種靜電形式。另一個(gè)試圖用閃電為蓄電池充電的人則因雷擊身亡，這一慘烈的場(chǎng)面證明，地球上的電和天空中的電肯定都屬于同一種無(wú)聲放電現(xiàn)象。

1765年，啟蒙運(yùn)動(dòng)中的自由主義者約瑟夫·普利斯特里與本杰明·富蘭克林進(jìn)行會(huì)面。在對(duì)政治問(wèn)題進(jìn)行討論時(shí)，他們也就彼此的電力學(xué)研究成果與心得進(jìn)行了交流。富蘭克林積極鼓勵(lì)普利斯特里將其研究成果公開發(fā)表。1767年，普利斯特里終于公開發(fā)表了《電學(xué)的古與今：以原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)為視角》這部著作。除其他觀點(diǎn)之外，他著重指出：兩個(gè)電荷之間的吸引力和排斥力與兩者之間的距離依照平方反比定律發(fā)生變化。這也正好是牛頓對(duì)萬(wàn)有引力問(wèn)題的重要發(fā)現(xiàn)之一。

1785年，法國(guó)物理學(xué)家查爾斯·庫(kù)侖發(fā)明了一種極為敏感的力學(xué)設(shè)備，從而對(duì)普利斯特里的假設(shè)性學(xué)說(shuō)進(jìn)行了證明。后來(lái)，這個(gè)證明被稱為“庫(kù)侖定律”，它的內(nèi)容是：兩個(gè)電荷之間所存在的作用力與這兩個(gè)電荷所帶的電量成正比，而與兩個(gè)電荷之間的距離的平方成反比。同時(shí)，庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)，他的定律也適用于磁吸引現(xiàn)象中的作用力。

電究竟是什么東西呢？由于每個(gè)萊頓瓶都只能放一次電，因此這使所有的研究都變得相當(dāng)困難。19世紀(jì)初期，這些不利條件發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而這一切都?xì)w功于意大利物理學(xué)家阿雷桑德羅·伏打的研究成果。伏打早就對(duì)電這種被冠以“動(dòng)物之電”的神秘力量持一種無(wú)神論的客觀立場(chǎng)。伏打的發(fā)現(xiàn)是他的朋友和同鄉(xiāng)呂基·加法尼對(duì)外公開宣布的。加法尼早已用金屬實(shí)驗(yàn)工具對(duì)青蛙的大腿進(jìn)行過(guò)深入的研究，并在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)青蛙的腿部肌肉在被觸碰的時(shí)候會(huì)發(fā)生一陣自然抽動(dòng)。于是，加法尼便猜想，這是因?yàn)榻饘俟ぞ甙涯撤N電流釋放了出來(lái)。在重復(fù)進(jìn)行了加法尼的實(shí)驗(yàn)之后，伏打便開始確信電并不是由青蛙的肌肉組織產(chǎn)生的，而是由潮濕的環(huán)境以及研究試驗(yàn)中不同的金屬工具同時(shí)導(dǎo)致的。

為了找到答案，伏打?qū)嵤┝肆硗庖粋€(gè)更為直截了當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)：他把不同種類的金屬的合金（如銀和錫、銅和鐵等）放在自己的舌頭上，它們帶來(lái)了一些苦苦的感覺(jué)。于是，伏特猜想這種感覺(jué)應(yīng)該是電由一種金屬通過(guò)舌頭上的唾液流到另一種金屬時(shí)所產(chǎn)生的。根據(jù)伏打所進(jìn)行的詳細(xì)記錄，不同的金屬合金會(huì)帶來(lái)強(qiáng)度不一的苦味感覺(jué)。此后，他還設(shè)計(jì)出了他原來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的人造版模式，即把銀盤和鋅盤疊加在一起，然后在中間放一張浸泡過(guò)鹽水的紙，從而把兩個(gè)金屬盤隔開。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一股連續(xù)性電流的產(chǎn)生。

最早運(yùn)用伏打的研究成果的科學(xué)家之一是英國(guó)化學(xué)家漢弗萊·戴維。戴維以其頗具創(chuàng)造性的氣體實(shí)驗(yàn)聞名遐邇，而電堆的可能性研究激起了他極大的興趣——如果化學(xué)反應(yīng)能夠發(fā)電，那么電本身能否與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而把它們分離成這些物質(zhì)的組成元素？

戴維建成了一個(gè)巨大無(wú)比的電堆，并為多種化合物（如碳酸鉀）通上電流。他發(fā)現(xiàn)，在被連上電池電線的一塊碳酸鉀中，有很多發(fā)亮的金屬滴狀物開始形成，并爆向空氣。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的化學(xué)元素——鉀。同時(shí)，戴維也把其他化學(xué)元素分離出來(lái)，如鈉、鈣、鍶、鋇、鎂、硼和硅等。他開始確信自己所說(shuō)的：“化學(xué)和電力吸引現(xiàn)象是由同一個(gè)原因造成的。”

在戴維的眾多科學(xué)遺產(chǎn)中，還有另外一個(gè)觀點(diǎn)，即化合物中的原子是通過(guò)某種電力作用而結(jié)合在一起的。這個(gè)觀點(diǎn)得到了法拉第的擁護(hù)和支持。在戴維因一次實(shí)驗(yàn)事故炸傷了臉從而造成暫時(shí)性失明之后，法拉第受聘擔(dān)任其助手。

誕生于1791年的邁克爾·法拉第是一名鐵匠的兒子。法拉第自幼體弱多病，13歲的時(shí)候被迫退學(xué)，成為一名裝訂商的學(xué)徒。在那個(gè)時(shí)候，他閱讀了很多科學(xué)書籍。與此同時(shí)，他繼續(xù)聆聽由戴維主講的一系列化學(xué)講座。在整個(gè)講座過(guò)程中，法拉第總是一直保持著全神貫注的狀態(tài)，并做了非常詳細(xì)和全面的筆記。

當(dāng)戴維在實(shí)驗(yàn)事故中受傷而需要一名助手的時(shí)候，法拉第便被推薦去擔(dān)任這一職務(wù)。考慮到法拉第所記的筆記頗能反映出他的機(jī)敏，戴維雇用了他。當(dāng)時(shí)，戴維正要去歐洲大陸進(jìn)行一次為期18個(gè)月的巡回演講。于是，只有22歲的法拉第被他帶在了身邊。對(duì)于能夠聽到戴維的演講以及對(duì)戴維的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，法拉第感到非常榮幸。此外，他還能夠與當(dāng)時(shí)歐洲最偉大的科學(xué)家進(jìn)行面對(duì)面的接觸。

其間，法拉第開始著手對(duì)自己的研究項(xiàng)目進(jìn)行研究，尤其是對(duì)電和磁之間的關(guān)聯(lián)性的研究。1820年，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特發(fā)表了一篇關(guān)于在磁鐵旁的電流可以使磁鐵與電流方向形成直角的論文。法國(guó)物理學(xué)家安德烈·瑪麗·安培繼續(xù)進(jìn)行奧斯特的研究項(xiàng)目，并在1821～1825年期間的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的基本關(guān)系原理。安培在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，兩根通著同一方向電流的電線之間發(fā)生了磁力吸引，而當(dāng)電流變成相反的方向時(shí)，兩根電線則互相排斥。在把電線纏繞成線圈，并再次使其通電時(shí)，安培發(fā)現(xiàn)他已經(jīng)做成了一個(gè)電磁鐵，因?yàn)槔p成線圈之后的磁力增加了很多。同時(shí)，把線圈纏在一塊鐵條上同樣可以使這個(gè)磁體的磁性變得更強(qiáng)。于是，安培認(rèn)為磁力來(lái)源于把所有原子在電線和鐵塊上排列起來(lái)的電流。

在奧斯特旋轉(zhuǎn)羅盤的基礎(chǔ)上，法拉第不由得提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：既然電能夠引起磁效應(yīng)，那么磁能否用來(lái)發(fā)電呢？在給一根鐵棒纏上電線線圈之后，法拉第把一對(duì)磁力很強(qiáng)的磁鐵在電線線圈方向上進(jìn)行移動(dòng)。一個(gè)專門用來(lái)檢測(cè)電流的檢流計(jì)顯示，電線圈中已經(jīng)產(chǎn)生了電流。此后，法拉第對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了改進(jìn)，他把兩塊磁鐵固定下來(lái)靜止不動(dòng)，在兩塊磁鐵之間放置一個(gè)銅制圓盤，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵之間的銅制圓盤就能夠產(chǎn)生電流。產(chǎn)生的電流被連到一端固定在離旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣較近的地方，另一端則連接到圓盤旋轉(zhuǎn)的軸心上的電線上。

于是，法拉第研制出了第一部電磁發(fā)電機(jī)。在19世紀(jì)的整個(gè)歷史進(jìn)程中，人們利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了許多新的引擎和機(jī)器，而這些新發(fā)明給運(yùn)輸和通訊領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。

那么，發(fā)電機(jī)是如何運(yùn)作的呢？法拉第對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的研究。他當(dāng)時(shí)并不知道電子的概念，而正是電子微粒的運(yùn)動(dòng)組成了電流本身。法拉第曾經(jīng)進(jìn)行了如下的猜想：當(dāng)電流通過(guò)某種物體的時(shí)候，會(huì)使這些原子作用力場(chǎng)處于一種緊繃的壓力狀態(tài)；而在原子把電流傳給下一個(gè)群簇之后，這種緊繃的壓力狀態(tài)就可以解除。電沿著緊繃的線路通過(guò)導(dǎo)電物質(zhì)的道理，就好像水波紋在通過(guò)水面的時(shí)候總會(huì)保持其高峰狀態(tài)一樣，移向岸邊的不是水本身，而是能量。因此，法拉第認(rèn)為這種方式可能就是閃電發(fā)生的原理和靜電產(chǎn)生的真實(shí)方式，同時(shí)也是電流通過(guò)電堆時(shí)的唯一方式。盡管法拉第對(duì)于電的本質(zhì)沒(méi)有一個(gè)非常清楚的概念，但是他的回答已經(jīng)非常接近正確答案了。