第五章 電與磁 第一節 摩擦起電和雷電

琥珀和玳瑁〔dai mao代帽〕是古代人最早發現具有摩擦起電性質的兩種物體。琥珀是一種透明的樹脂化石。玳瑁,是類似龜的海生爬行動物,其甲殼也叫玳瑁。從新石器時代起,人們已將琥珀當作裝飾品之一;東漢時期,琥珀被雕成玩賞動物。因此,理應在文字記載它的摩擦起電現象之前很久很久,人們就發現了它的類似性質。東漢王充、東晉郭璞〔pu菩〕都在他們的著作中記述了玳瑁吸取草屑的現象。琥珀從魏晉時起已成為中藥材之一。因此藥物學家都以布摩擦琥珀,或以手心摩擦琥珀,看它是否能吸引草屑而檢驗琥珀的真假。三國時期,人們已經發現琥珀不能吸引腐爛的草屑。我們知道,腐草含水份,它已變成導體而不是絕緣體。因此,帶靜電的琥珀不能吸引它。

除了琥珀和玳瑁之外,古代中國人還發現了毛皮、絲綢等物質的靜電現象。它們之所以被發現,是由於靜電火花引起了人們的注意。

西晉時張華(公元232—300年)在《博物志》中記述了兩個靜電現象。一個是黑夜用梳子梳理頭髮,發現梳齒尖端的放電亮光,並聽到微弱的放電爆聲。另一個是黑夜猛地解脫衣服(毛皮或絲綢質料),也能看到閃光和聽見聲音。明代人對後一個現象作了詳細記述。張居正(公元1525-1582年)說:「凡貂裘及綺麗之服(即綾羅綢緞)皆有光。余每於冬月盛寒時,衣上常有火光,振之迸炸有聲,如花火之狀。」(《張文忠公全集·文集第一一》)與張居正同時代人都邛〔qiong瓊〕這樣描述絲綢的摩擦起電:人們用綾羅綢緞作衣服,「暗室中力持曳,以手摩之良久,火星直出」(《三餘贅筆》,見《說郛〔fu伏〕》本)。中國是絲綢的故鄉,古代人對這類靜電現象無疑是非常熟悉的。除此之外,唐代人發現摩擦貓皮的靜電火花和聲音;宋代人發現孔雀毛靜電感應現象。用這種羽毛作撣〔dan膽〕子,塵灰不飛揚。

雷電是古代人熟悉的又一種電現象。陰雨天,大氣電場增強,當局部場強達到空氣擊穿電位差時,就會放電發光。雷電發生在雲內、雲際、雲空之間和天地之間。在距今約3500年前的殷商甲骨文中,已有「雷」字。東漢王充說:「雲雨至則雷電擊」(《論衡·雷虛篇》)就明確地提出雲雨與雷電的關係。人們常看到的雷電是線狀閃電,比較罕見的是聯珠閃電和球狀閃電。明代張居正記述了後一種現象:某日「天微雨,忽有流火如球,其色綠,後有小火點隨之,從雨中冉冉騰過予宅,墜於廚房水缸之中,其光如月,廚中人驚視之,遂不見。」(《張文忠公全集·文集第一一》)這是同時出現的球狀閃電和聯珠狀閃電,張居正記下了火球的顏色、大小、形狀、出現時間和定性的漂移速度。觀察和記錄都很細緻。

雷與電實際上是同屬大氣放電的兩種物理現象:聲和光。因為光速遠大於聲速,所以人們總是先看見閃電亮光,然後才聽到放電聲音。古代人對這兩種現象都作了忠實記載,如《南齊書·五行志》說:「十月庚戌,電光,有頃雷鳴,久而止。」在歷代史書中這種記錄隨手可拾。

發生雷電的大氣電場是相當高的。但是,當大氣中有尖銳導體存在時,電光可以在較弱的大氣電場中發生,形成所謂「尖端放電」現象。古代的兵器,如矛、戈、戟等,都有尖利的鋒刃,有些兵器連柄也是金屬的。從公元前後起我國就有關於尖端放電的記載。《漢書·西域傳》曾記述元始年間(公元1-5年),漢朝廷為開闢通往玉門關的近道,與當地車師後王國(國王叫姑句)發生一場小小戰爭。在那日夜備戰的時刻,兵士們看到「姑句家矛端生火」。據載,永興元年(公元304年),成都王發動叛亂,陣兵鄴〔ye葉〕城,夜裡「戟鋒皆有火光,遙望如懸燭。」(干寶:《搜神記》卷七)此外,古代許多關於塔尖頂放電現象的記載也屬尖端放電一類。

值得注意的是,古代人在長期觀察雷電現象中,已經看出導體和絕緣體的差別。南朝時,有一次雷電襲擊寺廟,「電火燒塔下佛面,而窗戶不異」(《南齊書·五行志》)。佛面是金屬粉刷的,當高能量雷電通過時自然被融化,而窗戶或者未被雨淋濕(乾燥的木頭是絕緣體),或者不在雷電通路上,故此仍完好無損。沈括曾描述了這樣一件事:有一次雷電打入一平民家,該家有一漆木盆,內藏金銀諸器,「其漆器銀扣者,銀悉熔流在地,漆器不曾焦灼」;有一寶刀在刀鞘中熔為汁,皮製刀鞘卻不曾損壞(《夢溪筆談》卷二十《神奇篇》)。根據前人的大量記載,明代方以智總結道:「雷火所及,金石銷熔,而漆器不壞。」(《物理小識》卷二)「金石」指金屬物體。它和潮濕的木頭、石塊、人體和動物體都是導體;漆、皮革、干木、琥珀、玳瑁、絲綢都是絕緣體。近代關於導體和絕緣體的分類正是根據它們對電的不同效果而分別命名的。方以智雖然未曾從概念上加以明確區別,但也確實認識到它們對於電的不同性質。

在科學史上頗有意義的是,漢代王充曾以雷電燒焦人的頭髮、皮膚、草木等五個例子來證明雷電的本質是火(《論衡·雷虛篇》)。18世紀美國富蘭克林(公元1706—1790年)曾冒著生命危險證明天上雷電與地上琥珀電是一致的,它們都是火。富蘭克林的論證方式及論證證據,幾乎都與王充相同。

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