华夏始祖伏羲在《易经》中曾著说:“太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦…”其中“两仪”就预示自然界的阴阳和谐,即万事万物总是存在两个相互对立又相互共生的成分,太极图极其简洁地表达了这一观点。有意思的是,在科学研究上,两极的观点同样层出不穷,电学研究便是其中最早的代表之一。
1729年,英国科学家格雷通过研究摩擦起电现象发现,琥珀上带的电可以传给金属棒甚至人体,却不能传给丝绸,这说明了金属和丝绸是存在区别的。另一位科学家迪费则紧紧抓住这个问题关键,继续寻找各种摩擦带电之间的区别。通过大量实验探索,迪费认为用丝绸摩擦的玻璃棒和用树脂摩擦的琥珀带的电不同,电其实是由两种流质组成,同种电会相互排斥,异种电则相互吸引,两种流质一旦相遇则会发生中和,从而不带电。
这种说法异曲同工地蕴含了中国古代的阴阳相克相生的哲学观点,显得十分自然。随着莱顿瓶的发明,人们知道了如何储存电。1746年,英国的物理学家科林森给美国的本杰明·富兰克林邮寄了一个莱顿瓶,并附上使用说明。由此激发了富兰克林对电学研究的浓厚兴趣,其中他最跃跃欲试的就是证明普罗米修斯的“天火”——闪电是不是和摩擦起电的电有着一样的本质。
为此,富兰克林选择了一个电闪雷鸣的暴风雨夜晚,和他助手放飞了一只带着铜线和铜骨架的风筝,风筝线的另一端拴着一串钥匙放在莱顿瓶中,他们试图“钓”闪电下来。很快,一道闪电划破漆黑的天空,顺着导线噼里啪啦地导入了莱顿瓶。通过不断地对比研究,富兰克林最终认为闪电和摩擦起电殊途同归,是同一种物质。这次充满危险的实验揭示了电的本质(后人曾试图重复该实验而被电击身亡!
),让人们意识到电的巨大能量和潜在应用前景,更加点燃许多科学家对电学研究的星星之火。富兰克林对电学的贡献还有许多,他正确地指出摩擦起电实际上是让电转移到另外一个物体,而不是创造了新的电,这是电荷守恒定律的早期描述。并且他还发展迪费的学说,定义了正电荷和负电荷的概念,沿用至今。
受到富兰克林的风筝实验的启发,1745年,狄维斯成功发明了避雷针——如果用尖端金属放在建筑物高处,就可以把雷电引导到地面而不经过建筑导致破坏。如今,几乎所有高层建筑都要设置避雷针,体现了人类对大自然力量的敬畏之情。富兰克林本人还是美国独立战争的伟大领袖,是美国《独立宣言》的起草人之一,他的头像被印在了百元美钞上,永远被人民所敬仰和怀念。
《物理学的足迹》该书由罗会仟、赵敏、姚晓春、陆继宗撰写,其中罗会仟完成书稿约50%。该书介绍了从公元前950年《竹书纪年》最早记载北极光和公元前600年泰勒斯发现琥珀摩擦起电开始,物理学在力、热、光、电等方面的发展历程,直到2000年相对论重离子对撞机开始运行。读者可以在字里行间和图片里寻找物理学史上的一个个重要足迹,在认识科学现象的同时,体验科学家们的发现历程和人生经历,从而激发对物理学的兴趣。