静电：从莱顿瓶到避雷针
琥珀摩擦后吸起草屑的那点力量，怎样被人造出来、装进瓶子、从雷雨云里引下来，最后用一根细丝称出了大小。
时代速写凡尔赛宫里一齐跳起来的卫兵
1746 年，凡尔赛宫。国王路易十五面前，180 名卫兵手拉着手站成一串。物理学家诺莱让排头的人摸一只玻璃瓶上的导线，排尾的人碰瓶子的外壁。一瞬间，180 个人同时跳了起来1,2。
让他们跳起来的东西，几个月前还没有人知道。那年 1 月，莱顿大学教授穆申布罗克给巴黎的列奥米尔写了一封信，说自己做了一个“新的但可怕的实验”，劝对方千万别试，他自己“就是把整个法兰西王国给我，也不会再做一次”3。信转到诺莱手里，他在 4 月 20 日向巴黎科学院宣读了这封信，自己也照着做成了3。没过多久，欧洲各地的实验者都在拿这只瓶子电自己、电家人、电仆人4。
往前推一百五十年，“电”还只是琥珀的一个小脾气：擦一擦，能吸起几根草屑。往后推四十年，法国工程师库仑已经能用一根比头发还细的银丝，把两个小球之间的电力称成数字。这一章讲的就是中间这段路。当时的人一路上问了四个问题：电是什么？它能不能被造出来、存起来？天上的闪电是不是同一种东西？它的力有多大，按什么规律变？
- 约前 6 世纪据约八百年后的记述，泰勒斯以磁石和琥珀为例，认为无生命的东西也有“灵魂”5。
- 1600吉尔伯特《论磁》区分电吸引和磁吸引，把像琥珀一样吸引轻物的东西叫作 electrica6,7。
- 1660 年代马格德堡的格里克用摇转的硫磺球摩擦起电，1672 年发表1,8,9。
- 1729格雷发现电能沿着麻线走到几百英尺外，丝线却挡得住它10,11。
- 1733杜菲发现电有两种，同种相斥，异种相吸1,12。
- 1745—1746克莱斯特和穆申布罗克各自做出能储电的玻璃瓶，后来叫莱顿瓶4,3。
- 1747富兰克林提出电是一种流体，用“正”和“负”描述多与少13。
- 1752法国马尔利拉维尔从高杆上引下雷雨云的电；同年 6 月，据记载富兰克林在费城放了风筝14,15。
- 1753《穷理查年鉴》刊出避雷针安装法；同年里赫曼在圣彼得堡做雷电实验时身亡16,17。
- 1785库仑用扭秤测出同号电荷的斥力与距离的平方成反比18,19。
问题琥珀为什么会吸草屑
“电”这个字的西文词根来自琥珀。古希腊人管琥珀叫 ēlektron1。常听到的说法是：公元前 6 世纪的泰勒斯发现，摩擦过的琥珀能吸起羽毛。这个故事没有一手史料。泰勒斯没有可靠的著作传下来；亚里士多德在《论灵魂》里只说他认为磁石有灵魂，因为磁石能让铁动起来。琥珀第一次和泰勒斯连在一起，是在公元 3 世纪前后第欧根尼·拉尔修的《名哲言行录》里，他引用希庇亚斯和亚里士多德，说泰勒斯“根据磁石和琥珀”认为无生命之物也有灵魂5。
此后两千年，琥珀吸草屑和磁石吸铁一直被混在一起，都算作“吸引”这一类神秘性质。圣奥古斯丁问过：磁石能吸铁，为什么不吸稻草6？1551 年前后，意大利医生卡尔达诺已经指出两者不是一回事1。真正把差别一条条摆出来的，是英国女王伊丽莎白一世的御医吉尔伯特（William Gilbert）。
1600吉尔伯特：电和磁分家
上一章讲过，吉尔伯特在《论磁》里说地球本身是一块大磁体。同一本书的第二卷第 2 章，他转向了琥珀。他发现会吸轻物的远不止琥珀和煤玉：钻石、蓝宝石、紫水晶、水晶、玻璃、硫磺、火漆、硬树脂都行6。为了检验一样东西会不会吸，他做了一件小仪器：用随便哪种金属做一根三四指长的针，像指南针那样轻轻支在一个尖上，拿摩擦过的琥珀靠近针的一端，针立刻就转6。因为针不是铁做的，它的转动和磁无关。这件“验电针”（versorium）是最早的验电器。
有了这根针，他把两种吸引的差别列了出来6：
他把能像琥珀那样吸东西的物体叫作 electrica，意思就是“像琥珀的东西”6。美国国家强磁场实验室的电磁学年表把这算作“电”这个词的第一次使用1,7；英文名词 electricity 要到 1646 年才出现在托马斯·布朗的书里1。
吉尔伯特之后，电还是个弱小又古怪的现象。1629 年，意大利耶稣会士卡贝奥记下一件怪事：被琥珀吸过去的碎屑，碰到之后有时反而会被弹开1。为什么有的东西能擦出电、有的不能？吸引是怎么隔空发生的？为什么碰过之后又会排斥？这些问题要等人们手里有了更强的“电源”，才有办法追下去。
1660 — 1733造电、传电，电分两种
1660 年代格里克的硫磺球
格里克（Otto von Guericke）是德国马格德堡市长，最出名的是自制真空泵和那对十六匹马拉不开的马格德堡半球9。他还做过一个硫磺球：球上穿一根铁轴，架在木架上转动，用手掌按住摩擦1,8。擦过的硫磺球带上了电，在暗处还会微微发光1。美国国家强磁场实验室把这台装置定在 1660 年，许多书写作 1663 年；能确定的是，他在 1672 年的《马德堡新实验》里把它画了出来1,9。
1706 年，受牛顿提携的英国实验家豪克斯比（Francis Hauksbee）把硫磺换成玻璃球，转起来能积起大量的电1,10。此后几十年，摇玻璃球和擦玻璃管就是电学实验者的基本功。
1729格雷：电会沿着线走
格雷（Stephen Gray）出生在坎特伯雷一个染坊人家，晚年身无余财，靠皇家学会秘书帮忙住进伦敦卡尔特修道院的养老院。他没有留下画像，葬在哪里也没人知道10,11。
1729 年，他注意到一件小事：玻璃管口塞着一个软木塞，擦玻璃管的时候，没被擦过的软木塞也能吸碎屑10。电从玻璃“跑”到了软木塞上。他在软木塞上插一根木棍，木棍也吸；木棍上再挂一根麻线，线下吊一个象牙球，球也吸。竖着往下吊，一直试到 60 英尺，那是他这根“电钓竿”能举到的最高处10。
他想横着拉得更远。第一次用金属丝把麻线吊在房梁上，电不见了；换成丝线吊，电又能传过去10。电会顺着金属丝“漏”走，却过不了丝线。这一天，导体和绝缘体的区别第一次被看清。导体是电能在里面走的东西，绝缘体是电走不过去的东西。
这年夏天，格雷到肯特郡乡间的朋友惠勒（Granville Wheler）家继续做。据英国科学史学会的介绍，是惠勒提议用丝线做支撑。两人先在 80 英尺长的大画廊里拉线，再到谷仓里，最后从画廊窗口一直拉进花园11。格雷论文里记下的一次是 765 英尺10，英国科学史学会的文章说最远到了 860 英尺11，总之有两百多米。
在格雷和豪克斯比的年代，“电物”（electric）指玻璃这类能擦出电的东西，“非电物”指金属这类擦不出电的东西10。今天看来，玻璃擦得出电恰恰因为它是绝缘体，电留在表面跑不掉；金属擦不出电是因为电马上从手上溜走了。读 18 世纪的原文时，这两个词要倒过来理解。
格雷还做了一个后来到处被模仿的表演：用几根丝绳把一个男孩吊在半空，让他带上电，男孩身上就能吸引或推开各种小东西10,11。到 1740 年代，人们改用起电机，还能从男孩的指尖引出火花10。1731 年，皇家学会把第一枚科普利奖章授给了他，第二年又给了一枚10。
1733杜菲：电有两种
法国人杜菲（Charles du Fay）读了格雷的论文，接着做。他的工具很简单：一根用布擦的玻璃棒，一根用毛皮擦的树脂棒，还有一些谷壳和绒毛12。人人都知道擦过的棒先吸碎屑，碎屑碰到棒之后又会被推开，正是卡贝奥一百年前记下的那件怪事。杜菲注意到了别人没注意的一点：被玻璃棒推开的碎屑，会被树脂棒吸过去；反过来也一样12。
他由此推断，电有两种，他叫它们“玻璃电”和“树脂电”：同种相斥，异种相吸1,12。这篇报告写于 1733 年 12 月，第二年登在《哲学汇刊》上；1733—1737 年他在巴黎科学院连发了 8 篇论文12。杜菲 1739 年死于天花，年仅 40 岁12。
1745 — 1746把电装进瓶子
到 1740 年代，玻璃球起电机已经是电学实验的常备工具10。可电一造出来就散掉了，人们想把它存起来。当时普遍把电想成一种看不见的流体，那么用瓶子装，是很自然的念头。
1745波美拉尼亚的教长
第一个做成的人是克莱斯特（Ewald Georg von Kleist），今天波兰西北部卡米恩城大教堂的教长。1745 年 10 月 11 日，他拿一只装了水的药瓶，插进一根铁钉，把钉头接到起电机上“充电”，然后用另一只手去碰钉子，结果被狠狠电了一下4。他写信告诉了几位德国同行，却漏掉了一个他自己没意识到的关键：充电时瓶子必须握在手里。别人照着做，都没做成4。
1746莱顿的“可怕实验”
几个月后，荷兰莱顿大学的穆申布罗克（Pieter van Musschenbroek）独立走了同一条路。据林达·霍尔图书馆的介绍，发现必须用手握瓶的，其实是他的一位律师同事3。穆申布罗克自己一手托瓶、一手去碰导线，挨了一下重击，于是有了开头那封信3。诺莱在巴黎重复实验时还顺手破除了信里的一个说法：穆申布罗克以为非得用德国玻璃，诺莱发现巴黎玻璃也一样3。“莱顿瓶”这个名字据说出自诺莱，不过查他发表的论文，只找得到“莱顿实验”的说法3。
瓶子为什么能存电？当时没人说得清。后来发现瓶里的水根本不需要，在瓶子里外各贴一层金属箔，效果反而更好。关键结构只有一个：两个导体，中间隔着一层绝缘体。里面的导体积起一种电，隔着玻璃，外面的导体就从大地吸来等量的另一种电，两边隔着玻璃互相拉住，谁也走不了，直到有一条通路把它们连起来20。用手握瓶，手就是外层导体，人又站在地上，所以非握不可。这个结构就是今天的电容器，莱顿瓶是第一只电容器4,20。
修士围成的大圈
有了莱顿瓶，电第一次可以随身带着走。诺莱做了凡尔赛宫的卫兵实验后，又在巴黎一座修道院让修士们用铁丝连成一个大圈，据说周长有 5400 英尺，约 1.6 公里。放电的一瞬间，整圈人同时一跳，看不出电走到各人身上有任何先后2。修士有多少人，各家说法从两百到七百不等。同一年，英国的沃森（William Watson）重复了修士实验，并提出另一种解释：电是一种既不会被创造、也不会被消灭的东西，只是从一处转移到另一处1,2。这个想法离今天的“电荷守恒”只差一步。
1747 — 1750富兰克林：一种电，一正一负
莱顿瓶的消息很快传遍了各地的实验室20，也传到了北美。费城的印刷商富兰克林（Benjamin Franklin）和几个朋友（一位律师兼法官、一位牧师兼教师、一位银匠）一起摆弄玻璃管和莱顿瓶，1747—1750 年间给伦敦皇家学会会员柯林森（Peter Collinson）写了五封长信。柯林森把这些信在 1751 年 4 月编成小册子出版，就是《在美洲费城所做的电的实验与观察》14。
电不是造出来的，是搬过来的
1747 年 5 月 25 日的信里，富兰克林写道：“我们一段时间以来认为，电火不是摩擦造出来的，而是收集起来的。”13 在他看来，电是一种处处都有的流体，每样东西平时都含着“应有的一份”。摩擦玻璃的时候，玻璃从擦它的布或手那里把电火拿了过来：玻璃多了一份，布就少了一份，总量不变13,14。
多了的状态叫什么，少了的状态叫什么？他写道：B “带正电”（electrised positively），A “带负电”，“或者说，B 是加，A 是减”13。今天的正电、负电，加号、减号，就是从这封信来的。
这套说法一下子解释了杜菲的“两种电”：那其实是同一种流体的“多”和“少”。也解释了莱顿瓶。两个月后他写信说，瓶子的导线和里层带“正”，瓶底带“负”，而且正好等量；“这两种状态如此奇妙地结合并平衡在这只神奇的瓶子里！”21 用一根导线把里外连起来，多的流向少的，一声噼啪，两边都回到平常。
他还发现了尖端的本事：一个带电的铁球，拿一根尖针靠近，隔着老远就能把电悄无声息地引走；换成钝的东西，得凑得很近，而且会噼啪打出火花13,14。在后来的信里，他开始用“充电”“放电”这样的词，还把好几块夹着铅板的玻璃并在一起同时放电，管它叫“电池”（Electrical Battery）14。用今天的话说，这是一组电容器。
下面这个演示用一只验电器重演 18 世纪实验者天天做的事。验电器是格雷和杜菲那些碎屑的升级版：一根金属杆，顶上一个金属球，底下挂两片极薄的金属箔，装在玻璃瓶里。箔片带同种电就互相推开，张得越开，电越多。
按顺序试一遍，你会重走 18 世纪实验者的几个发现：棒靠近，没碰到，箔片也会张开，拿开又合上，这是静电感应；碰一下，验电器自己带上了电，箔片一直张着，这是接触起电；棒靠近的时候用手指按一下金属球，先松手指再拿开棒，验电器会带上和棒相反的电。最后一个现象用富兰克林的单流体说解释最顺：手指连着大地，大地是一座取之不尽的电流体仓库，棒把电流体推走或吸来，大地负责补缺或收留。
富兰克林认为摩擦过的玻璃得到了电流体，所以叫它“正”。后来人们发现，在金属导线里真正移动的是带负电的电子。也就是说，那种会流动的“电流体”带的其实是负电12。正负的叫法没有改，所以今天说电流从正极流向负极，电子却是反着跑的。电子的发现是第 32 章的故事。
1750 — 1753从雷雨云里引下电来
电火花和闪电长得像，噼啪声和雷声也像，这一点几乎每个摆弄过电的人都提过14。富兰克林在 1749 年 11 月 7 日的实验记录里，一口气列了电和闪电相同的 12 个特征，然后写道：“让实验来决定吧。”15 他的功劳不在于猜到闪电是电，而在于第一个提出了怎样用实验来检验14,15。
1750岗亭实验的设计
1750 年 7 月的《意见与猜想》里，他设计了一个实验：在高塔或尖顶上放一个岗亭，大小能站下一个人和一个绝缘台；台子中央竖起一根铁杆，从门口弯出去再往上伸二三十英尺，顶端磨得很尖。雷雨云低低飘过时，站在台上的人就会带电，能从身上引出火花14。铁杆是绝缘的，目的是把云里的电“收集”下来给人看。同一份文件里还有另一个提议：如果把尖头铁杆用导线一直接到地下，也许能悄悄放掉云里的电，保护房屋15。前一个是探测器，后一个就是避雷针。
英国人没把这当回事。1751 年 6 月沃森在皇家学会评介富兰克林的书，对避雷针和岗亭实验只字未提15；据说他的避雷针来信在皇家学会宣读时，会员们还笑了14。
1752马尔利拉维尔
法国的反应完全不同。博物学家布丰请达利巴尔（Thomas-François Dalibard）把富兰克林的书译成法文，1752 年 2 月出版；3 月，达利巴尔和德洛尔在国王面前表演了书里的实验14,15。5 月 10 日，在小村马尔利拉维尔，一位退伍的龙骑兵按达利巴尔的布置守着一根 13 米高的铁杆，铁杆用丝绳和酒瓶与地面绝缘。雷雨云飘过时，他从杆上引出了火花14。三天后达利巴尔向科学院报告，明说自己只是走了富兰克林画好的路14。5 月 18 日德洛尔在巴黎重复成功，几周之内欧洲各地都有人做成了14,15。
1752费城的风筝
富兰克林自己没做岗亭实验，据普里斯特利后来说，是因为他觉得杆子得足够高，正在等费城基督教堂的尖塔建好15。等的时候他想到了风筝。按他 10 月 19 日登在《宾夕法尼亚公报》上的说明：用两根杉木条扎成十字，绷上一块丝手帕（丝的比纸的经得住风雨）；十字顶端装一根一英尺多长的尖铁丝；放风筝的麻线下端接一段丝带，接头处挂一把钥匙；人站在门里或棚下，保持丝带干燥，麻线不能碰到门框15。
这份说明只说“实验在费城已经成功”，教人怎么重复，没有讲经过。富兰克林一辈子没写过风筝那天的故事15。最详细的记述来自 15 年后普里斯特利的《电学的历史与现状》（1767），他的消息几乎可以肯定直接来自富兰克林15：
风筝放上去很久都没动静。一片很有希望的云飘过去了，毫无效果。就在他快要失望的时候，他看见麻线上几根松散的纤维竖了起来，互相躲开……他立刻把指节凑近钥匙，看到了一个非常明显的电火花。普里斯特利《电学的历史与现状》（1767），据《富兰克林文集》转录的英文原文摘译15
后来下了雨，麻线湿透，导电好了，他从钥匙上收集到大量电火，给莱顿瓶充了电，用它做了平时用起电机做的所有实验15。普里斯特利说这发生在 1752 年 6 月，比马尔利晚一个月，但富兰克林当时还不知道法国的消息；《富兰克林文集》的编者认为没有理由怀疑这个日期15。富兰克林和普里斯特利都从未声称风筝实验在先15。陪他放风筝的儿子威廉当时至少 21 岁，不是后世版画里那个小男孩15。
1753里赫曼之死
把云里的电引下来是有代价的。圣彼得堡科学院的物理教授里赫曼（Georg Wilhelm Richmann）发明过一种带刻度的验电器，想用它测量雷雨云的电有多强。他在家里装了一根绝缘铁杆，导线从屋顶引进室内，验电器装在杆上17。1753 年 8 月 6 日，雷雨来临，他从科学院赶回家，还带上了科学院的版画师。版画师看到一团电火从铁杆跳到里赫曼额头，他无声地倒下，随即一声爆响。里赫曼当场死去，成了第一位死于电学研究的人17。
次年《宾夕法尼亚公报》刊出这条消息，末段很可能是富兰克林加的。他写道，假如那根导线从屋顶不间断地一直通进地下，闪电多半会顺着导线走，人和房子都不会受伤17。危险的是绝缘的杆子，接地的杆子正好相反。
1753避雷针
1753 年的《穷理查年鉴》里，富兰克林第一次公开了避雷针的装法：一根细铁杆，一头插进湿土三四英尺，一头高出房顶六到八英尺；顶上接一英尺长、织毛衣针粗细、磨尖的黄铜丝；房子长的话两头各装一根，屋脊上用导线连起来；船上把尖杆装在桅顶，导线顺着缆绳通到水里16。那段话的开头是：“上帝出于对人类的仁慈，终于让人们找到了保护住所……免受雷电之害的方法。”16 研究者认为，这个开头是预先回应一种宗教顾虑：给房子装避雷针，算不算违抗天意14。
其实费城已经先装上了。1752 年夏末秋初，费城学院（后来的宾夕法尼亚大学）和州议会大厦（后来的独立厅）装了接地导体；1960 年修缮独立厅时，人们在塔楼楼梯间的护墙板和灰泥后面找到了原来接地导体的残段14。富兰克林自己家的避雷针中间留了一道缺口，两头各挂一只铃，中间吊一个小球。有带电的云经过，小球就在两铃之间来回敲，屋里铃声大作。他借这套装置发现，雷雨云多数时候带负电，偶尔带正电14。
1773 — 1785用一根细丝称出电力
到 1770 年代，人们已经知道电有正负、能传导、能储存，闪电也是电。还缺一样东西：一条定量的规律。两个带电的小球离得越远，推力越小，可到底小多少？
有人已经从侧面猜到了答案。带电的空心金属容器，里面总是测不到电。普里斯特利以来就有一种推理：只有当电力像牛顿的引力一样按距离的平方减弱时，才会出现这种情况22。英国的卡文迪许（Henry Cavendish）在 1773 年把这个推理变成了一个精巧的实验：一个金属球装在两个金属半球壳里，用细导线连起来一起充电，再断开导线、打开外壳，检测里面的球，结果一点电也没有22。他算出，如果电力的距离指数偏离 2 超过 1/50，他就应该测得出来22。可是卡文迪许没有发表，这批手稿一百年后才由麦克斯韦整理出版23,22。
1785库仑的扭秤
库仑（Charles-Augustin de Coulomb）1736 年生于法国，读的是皇家工兵学校，此后长期在军事工兵部队任职，在西印度群岛待了多年，落下一身病24。1777 年，他研究罗盘针的论文分得了巴黎科学院的大奖，里面已经有扭秤的雏形24。扭秤的原理是：一根细丝被拧转时，会产生一个和拧转角度成正比的回复力23。角度好读，力就能读出来。
1785 年 6 月，库仑向巴黎科学院报告了他的电扭秤18。玻璃罩挡住气流，悬丝是极细的银丝，横杆用涂了蜡的丝线做成，一头是木髓小球。先让固定小球和横杆上的小球相碰，两球带上同种电，立刻互相推开，横杆转动，悬丝被拧紧，直到悬丝的回复力和电的斥力平衡24,18,19。这时再拧顶上的测微器，用悬丝的扭力把两球往一起推，看它们停在多近的地方。
他在论文里只报告了三次读数18：
| 库仑的记录 | 测微器拧了 | 两球分开 | 悬丝总扭转（≈斥力） |
|---|---|---|---|
| 第一次 | 0° | 36° | 36° |
| 第二次 | 126° | 18° | 144° |
| 第三次 | 567° | 8.5° | 575.5°，库仑记作 576° |
| 规律 | 每次约减半 | 每次变成 4 倍 |
距离减半，斥力变成 4 倍；再减半，又是 4 倍。库仑由此宣布：两个带同种电的小球之间的斥力，与距离的平方成反比18。36 度的扭力有多大？他自己换算过：相当于 1/3400 格令的重量，约 0.016 毫克18。
科学史家马丁内斯用这三组数字反推，得到的距离指数约为 1.91 到 1.92，不是正好 218。第三次的 8.5 度也比严格按平方反比算出的约 9 度小一点；一种解释是，两球靠得很近时，球面上的电会互相推到远离对方的一侧，表观斥力因此略弱于平方反比18。
只有三次读数，够不够？这成了科学史上一桩公案。1992 年前后，德国奥尔登堡大学的海林（Peter Heering）照库仑的尺寸复制了扭秤，光是调稳、校准就花了半年；小球不停地无规则晃动，主要原因是实验者身上的静电，直到他给整台仪器罩上一个金属网笼，才得到和库仑大致相符的结果。他认为库仑发表的数据“不是靠测量得到的”18,19。2005 年，马丁内斯在加州理工学院又复制了一次，用纯银丝和木髓球，第二年发表的结论相反：库仑的读数完全可以在实验中得到，而且是典型结果18。两人都同意的一点是：这台仪器非常娇气，后来不少物理学家都没能用它做出库仑那样干净的结果18。库仑的第二篇论文换了一套装置，研究异号电荷的吸引19。到 1791 年，他在科学院一共发表了七篇电和磁的论文25。
今天怎样写这条定律
把电量也放进去，就是课本里的库仑定律：
- F
- 两个点电荷之间的力（牛顿）。同号相斥，异号相吸
- q1, q2
- 两个电荷的电量，单位是库仑（C），就是以他命名的24
- r
- 两个电荷之间的距离（米）
- k
- 一个常数，约 8.99 × 109 牛·米²/库²，由真空电容率 ε₀ 算出：k = 1/(4πε₀)26
k 这么大，说明 1 库仑是个巨大的电量：两个 1 库仑的电荷相隔 1 米，相互作用力约九十亿牛顿。所以下面的演示用纳库（nC，十亿分之一库仑）做单位，两个小球的力只有零点几毫牛到几毫牛。
把虚线和实线比一比：如果电力只按距离的一次方减弱，靠近时力的增长会温和得多。库仑三次读数里“减半变四倍”，就是实线的样子。这一刻，电学和第 4 章的牛顿引力在形式上会合了：两种完全不同的力，都按距离的平方减弱。林达·霍尔图书馆的科学史家评论说，电学的基本定律突然“看上去很像牛顿的万有引力定律”，此前独立的一门学问，被收进了牛顿的框架25。
影响它怎么改变了世界
这一章的电还只是“静”的：摩擦出来，存一下，一次放完。它没有驱动任何机器。可它已经改变了建筑、战争、政治和科学本身的样子。
富兰克林最初以为尖头能悄悄放掉云里的电，让闪电根本打不下来。实际用下来，避雷针真正的作用是另一回事：它决定闪电落在哪里，再把电流安全地导进地下14。1761 年，一座装了避雷针的费城房子被击中，黄铜尖熔掉了几英寸，房子毫发无损；南卡罗来纳的两次雷击里，铁杆的链节被炸开，尖端整个蒸发14。富兰克林据此在 1762 年改进设计：导体至少半英寸粗、首尾连续、接头灌铅、沿外墙走，接地铁杆打进地下十到十二英尺。物理学家克赖德（E. Philip Krider）评价说，这一设计经受住了时间的检验，至今仍是世界上所有现代防雷规范的基础14。直击雷的电流可达几万安培，会在接头不牢的地方打出爆炸性的电弧；克赖德说，富兰克林 1752 年那种用钩子一节节挂起来的铁链，本来可能酿成灾难，他算是走运14。
火药库最怕雷。1772 年，英国军械局请皇家学会研究怎样保护珀弗利特的火药库。委员会多数（包括富兰克林）主张装尖头避雷针，只有本杰明·威尔逊一人坚持用圆头，还写长信向军械局告状27。富兰克林晚年也参加过保护大教堂和火药工厂的咨询委员会14。从费城的两座房子开始，避雷针后来立在了世界各地的庙宇、宫殿和农舍上14。
富兰克林因为电学研究获得了皇家学会 1753 年的科普利奖章14。法王路易十五听说马尔利的实验后，专门向他致贺14。1776 年，法国经济学家、前财政总监杜尔哥为他写了一句拉丁警句：“他从天空夺取了闪电，从暴君手中夺取了权杖。”14 同年 11 月，富兰克林作为刚刚宣布独立的美国的代表前往法国求援。克赖德认为，避雷针带来的世界性名声，是他在法国最独特的资产14。约翰·亚当斯后来说，铁尖和避雷针的发明，给了富兰克林比莱布尼茨、牛顿、腓特烈大帝、伏尔泰都更普遍的名声，连车夫和厨房帮工都知道他14。在这里，一项物理发现带来的名声，成了一个新国家的外交资本。
莱顿瓶是第一只电容器：两个导体中间夹一层绝缘体，就能把正负电隔开存住20。在伏打 1800 年造出电池之前，它一直是电学实验室里唯一能“攒”电的东西4。富兰克林把一排玻璃板并起来同时放电，叫它“电池”（Electrical Battery），用今天的话说就是一组电容器14。后来的电容器成了照明、无线电等电子设备里的重要元件20。今天电路板上的电容器形状五花八门，基本结构却还是莱顿瓶那三层：导体、绝缘体、导体20。
库仑之前，电学是一门描述性的学问：什么东西吸什么，火花有多长，人跳得有多高。库仑的扭秤把它变成了可以写方程、可以预测数字的科学。科学史家马丁内斯说，库仑把此前定性的电学提升到了“精确科学”的地位18。他的扭秤成了 18 世纪末到整个 19 世纪最流行的实验室仪器之一24。
这条线一直延伸到今天的单位制。电量的单位叫“库仑”，1 库仑就是 1 安培的电流在 1 秒内送过的电量24。2019 年起，国际单位制把一个电子所带的电量（元电荷）规定为精确的 1.602 176 634 × 10−19 库仑，安培由此定义28。从摩擦琥珀开始的一门学问，最后被钉在了一个自然常数上。
误解风筝、避雷针和泰勒斯
如果真被劈中，他多半会像一年后的里赫曼那样送命17。按普里斯特利的记述，富兰克林看到的只是麻线上的纤维竖起来、互相躲开，用指节靠近钥匙时引出一个小火花；雨把麻线打湿后，火花变多，足够给莱顿瓶充电15。他收集的是雷雨云在周围空气里造成的电，不是一道闪电。按他的说明，放风筝的人站在门里或棚下，手里握的是干燥的丝带，丝带是绝缘的15。今天谁要是照着做，是在拿命冒险。
中文名字容易让人这么想，英文叫 lightning rod 或 lightning conductor，“导雷”更贴切。避雷针不会让闪电绕道，它在建筑物最高处给闪电准备一个落点，再用粗导体把电流引进大地，让它不必穿过墙壁、木梁和人14。富兰克林早年确实希望尖端能把云里的电悄悄放光，但后来的雷击记录说明，避雷针真正起作用的方式是“接住，导走”14。所以避雷针要接地，而且要接得好；里赫曼那根杆子恰恰是绝缘的17。
泰勒斯没有可靠的著作传世。把他和琥珀联系起来的最早文字，是公元 3 世纪前后第欧根尼·拉尔修的转述，离泰勒斯已经八百年左右；就连这段转述，说的也是他根据琥珀和磁石认为万物有灵，而不是他做了什么实验5。琥珀擦了能吸草屑，大概是很多古人都见过的事。真正把它当成一个问题来系统研究的，是两千年后的吉尔伯特6。
2003 年，美国作家塔克（Tom Tucker）出版《命运的闪电》，认为富兰克林根本没放过那只风筝，风筝实验是他故意编来让英法对手难堪的骗局30。让人起疑的地方确实有：富兰克林从没写过实验经过，公报上的说明只说“实验在费城成功了”，没说是谁做的；日期只来自 15 年后普里斯特利的转述15。不过，《富兰克林文集》的编者梳理全部文献后认为，普里斯特利的消息几乎可以肯定来自富兰克林本人，没有理由怀疑 1752 年 6 月这个日期；他们在这一点上和富兰克林科学史专家科恩（I. Bernard Cohen）的结论一致15。比较稳妥的说法是：风筝实验很可能做过，但细节只有一份二手记述。
承上启下从“一次放完”到“源源不断”
上一章结尾，吉尔伯特把地球看成一块大磁体。这一章从他同一本书的另一章开始：他把琥珀的吸引和磁石的吸引分开，此后将近两百年，电学和磁学各走各的路。库仑后来也研究了磁极之间的吸引和排斥24，但电和磁到底有什么关系，没有人知道。吉尔伯特书的译者在注释里提醒过读者：电和磁的真正联系，要等到 1820 年奥斯特发现电流能让磁针偏转6。那是第 23 章的故事。
这一章的电还有一个根本的局限：它是“静”的。莱顿瓶充一次电，噼啪一声就放完了。在伏打的电堆出现之前，莱顿瓶一直是实验室里唯一能攒电的东西4。要让电持续地流动，需要一种全新的电源。下一章从 1780 年代意大利的一只蛙腿讲起，看人们怎样第一次得到源源不断的电流。电从“火花”变成了“电流”，第 23 章的电磁会合才有了可能。
自测五个问题
1. 吉尔伯特用什么办法证明琥珀的吸引不是磁？
2. 格雷横着拉麻线时，用金属丝吊不行，用丝线吊就行。这说明了什么？
3. 莱顿瓶为什么必须用手握着才能充上电？今天哪种元件继承了它的结构？
4. 富兰克林的“正”和“负”最初是什么意思？里赫曼为什么会死？
5. 库仑扭秤的三次读数里，距离减半时斥力变成几倍？按库仑定律，两个各带 +10 nC 的小球从相距 10 cm 移到 5 cm，力怎么变？
参考来源本章依据
- National High Magnetic Field Laboratory（MagLab），Electromagnetism Timeline：600 BC–1599、1600–1699、1700–1749。nationalmaglab.org ；nationalmaglab.org
- IEEE History Center，Engineering and Technology History Wiki，“Nollet Electrifies Royal Guard”。ethw.org
- W. B. Ashworth Jr.，“Pieter van Musschenbroek”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2022。lindahall.org
- W. B. Ashworth Jr.，“Ewald Jürgen von Kleist”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2020。lindahall.org
- P. O'Grady，“Thales of Miletus”，Internet Encyclopedia of Philosophy（University of Tennessee at Martin）。iep.utm.edu
- William Gilbert，On the Magnet, Magnetick Bodies also, and on the Great Magnet the Earth（De Magnete, 1600），Gilbert Club 英译及译注，1900（Project Gutenberg 电子版），第二卷第 2 章。gutenberg.org
- National MagLab，“William Gilbert”。nationalmaglab.org
- VDE（德国电气电子信息技术协会）历史年表，“Elektrisiermaschinen”。vde.com
- W. B. Ashworth Jr.，“Otto von Guericke”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2014。lindahall.org
- W. B. Ashworth Jr.，“Stephen Gray”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2022。lindahall.org
- British Society for the History of Science，“Otterden Place, Faversham, Kent”（BSHS Travel Guide）。archive.bshs.org.uk
- W. B. Ashworth Jr.，“Charles du Fay”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2020。lindahall.org
- Benjamin Franklin to Peter Collinson, 25 May 1747，Founders Online，National Archives（原载 The Papers of Benjamin Franklin vol. 3）。founders.archives.gov
- E. P. Krider，“Benjamin Franklin and Lightning Rods”，Physics Today 59(1)，42–48，2006。physicstoday.aip.org
- “The Kite Experiment, 19 October 1752”（含编者按与普里斯特利 1767 年记述），Founders Online，National Archives（原载 The Papers of Benjamin Franklin vol. 4，Yale University Press，1961，pp. 360–369）。founders.archives.gov
- “Poor Richard Improved, 1753”，Founders Online，National Archives。founders.archives.gov
- W. B. Ashworth Jr.，“Georg Wilhelm Richmann”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2020。lindahall.org
- A. A. Martínez，“Replication of Coulomb's Torsion Balance Experiment”，Archive for History of Exact Sciences 60，517–563，2006。doi:10.1007/s00407-006-0113-9
- Europa-Universität Flensburg，Working Group Physics HistoLab，“Coulomb's Torsion Balance”（含 Coulomb 1788 与 Heering 1994、1998 文献）。uni-flensburg.de
- National MagLab，“Leyden Jars – 1745”。nationalmaglab.org
- Benjamin Franklin to Peter Collinson, 28 July 1747，Founders Online，National Archives（原载 The Papers of Benjamin Franklin vol. 3）。founders.archives.gov
- I. Falconer（University of St Andrews），“Editing Cavendish: Maxwell and The Electrical Researches of Henry Cavendish”，2015。arxiv.org
- M. Fowler，University of Virginia，Physics 3420 讲义“Electrostatics I”。galileoandeinstein.phys.virginia.edu
- National MagLab，“Charles-Augustin de Coulomb”与“Torsion Balance – 1785”。nationalmaglab.org ；nationalmaglab.org
- W. B. Ashworth Jr.，“Charles-Augustin de Coulomb”，Scientist of the Day，Linda Hall Library，2017。lindahall.org
- NIST，CODATA 2022：vacuum electric permittivity。physics.nist.gov
- “Members of the Purfleet Committee to the Royal Society, [December 1772]”，Founders Online，National Archives。founders.archives.gov
- BIPM，SI base unit: ampere。bipm.org
- K. McCally，“How Xerox began: Carlson, Wilson, and URochester”，University of Rochester News Center，2013。rochester.edu
- T. Tucker，Bolt of Fate: Benjamin Franklin and His Electric Kite Hoax，PublicAffairs（Hachette Book Group），2003，出版社页面。hbgacademic.com
图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。