富兰克林风筝实验之谜

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富兰克林风筝实验之谜

·方舟子·

本杰明·富兰克林是一个多才多艺的人,他是作家、政治家、外交家、发明家、出版商、新闻人……还是科学家,在电学方面做出了开创性的贡献。他最著名的科学研究,当然是冒着雷击的危险用风筝把雷电引下来,证明了闪电是一种放电现象。这个大胆的实验引发了无数人的崇敬,富兰克林甚至因此被赞誉为“现代普罗米修斯”。有些人也大胆地去模仿,结果毫不意外地导致了遭到雷击身亡的悲剧。富兰克林本人有必要冒险做这个实验吗?

其实没什么必要。富兰克林是在1746年开始研究电学的,做了一系列实验,提出了新的电学理论,他发明的一些术语,沿用至今,例如“正极”、“负极”、“电池”。当时北美还是英国的殖民地,世界科学的中心在欧洲,富兰克林只能是把他的研究成果写信告诉他的朋友、英国王家学会会员彼得·克里森,再由克里森报告给王家学会。1749年11月,富兰克林通过比较静电放电和闪电的相似性,得出结论说闪电是一种放电现象。这个结论并非富兰克林的首创,在此之前已经有欧洲的科学家提出过了。富兰克林的独创之处,是提出了验证这个假说的实验设想。在1750年7月29日致克里森的信中,富兰克林建议,在高处立一根金属杆,雷暴云来临时,就可以把云里的电荷通过金属杆引下来。如果金属杆和大地是绝缘的,电荷留在杆里跑不掉,就可以用来做电学实验,从而证明闪电是放电现象。如果金属杆接地,电荷就释放到地下,避免了雷击,就成了避雷针,此前在3月2日的信中富兰克林已提出了避雷针的设想,在这封信里他进一步做了说明。

但是富兰克林的这些信没有得到王家学会的重视,他们拒绝发表。在克里森的帮助下,这些信被收集起来,做为一部专著《电实验与观察》于1751年在伦敦出版。第二年,这部专著翻译成法文,引起了法国科学家的极大重视。他们开始验证富兰克林的实验设想。首先这么做的是译者达里巴。他于1752年5月初在巴黎郊外马里村立起了一根金属杆,之后自己回巴黎,派人看守。5月10日,来了雷暴,看守人按照达里巴的指示,手持一根插了铜丝的玻璃棒,碰了碰金属杆,冒出了火花,证明金属杆带了电。随后看守人找了人作证,重复了实验。3天后,达里巴向巴黎科学院报告了马里实验结果。接下来的一段时间,德罗、布封等人先后在巴黎等地重复了该实验,轰动一时,人们纷纷来围观“天火”,富兰克林在法国一举成名,这个实验被称为“费城实验”——富兰克林当时人在费城。

富兰克林自己为什么不做这个实验,而只是提出设想建议别人来做呢?据他说是因为费城当时没有高楼可以用来做实验,他准备等费城的大教堂建好了再做。大教堂还没有建好,法国人实现了“费城实验”的消息已经传来。富兰克林主办的《费城报》在8月27日报道了法国“费城实验”。9月,富兰克林在自己家里立了根金属杆,做了一点改进,在杆的底端放上铃铛,一旦雷暴经过,铃铛在电的作用下就会响起来。10月19日,富兰克林在《费城报》刊登文章报告“风筝实验”。文章开头说:欧洲的报纸经常提到用在高楼立起金属杆的方法成功做了“费城实验”,其实在费城,已经有人用不同的但是更容易的方法成功地做了同样的实验,人人都可以尝试。随后他介绍了应该怎么做这个实验:用丝绸手帕做一个风筝,风筝上方固定一根金属丝,在风筝绳子的末端系一条丝绸带子,在绳子和丝绸带子交接的地方绑一把门钥匙。在有雷电的时候,人躲在屋里通过门、窗放风筝,手拽着丝绸带子,注意不要让雨把丝绸带子打湿,也注意不要让风筝绳子碰到门框或窗框。绳子被雨打湿后,就会把雷暴云里的电引导下来,因为丝绸带子是干的,不能导电,电荷都聚在了门钥匙,这时如果用指关节碰钥匙,就会冒火花,这样就证明了的确带电了。这些电荷还可以收集起来做别的实验。

富兰克林也把这篇文章寄给了克里森。克里森在当年12月在王家学会宣读。这回王家学会不能不重视了,在学会会刊上刊登了这篇文章。但是这篇文章其实并不是实验报告,而是实验指导。而且它也没有明确地说富兰克林本人做了实验,只是含糊地说在费城有人做了。37年后,1789年富兰克林发表《自传》,才明确说了自己做了风筝实验,但是只有半句话,在介绍了法国人的“费城实验”如何引起轰动之后,他说“不久之后我在费城用风筝成功地做了类似的实验”。

在富兰克林的所有著作中,就只有这两个地方提到了这个著名的风筝实验,留下了很多疑问:他是在什么时候做的实验?有没有助手?有没有见证人?对这些关键点,富兰克林全都语焉不详。直到15年后,1767年,英国化学家普利斯特里发表《电的历史》一书,才回答了这些疑问。按照普利斯特里的说法,富兰克林是在1752年6月做了风筝实验。虽然在一个月前法国人已经做了“费城实验”,但是富兰克林还不知道(那时候还没有电报、电话,欧洲的报刊要靠海运运到美国,至少要经过6周才能运到)。富兰克林找了儿子威廉当助手,人躲在一个木棚子下面放风筝。富兰克林没有找见证人,因为他对实验结果没有把握,怕实验失败感到难堪。

普利斯特里写这本书的时候,富兰克林在伦敦,他应该是采访了富兰克林,而且有迹象表明富兰克林审了稿。所以普利斯特里的说法就成为了富兰克林风筝实验的最原始资料,后人介绍、描绘富兰克林风筝实验追根溯源都是来自于它。但是他的说法仍然让人疑惑。富兰克林并不是害羞的人,怎么会因为担心实验失败不敢找人见证?即使有这样的担心,在实验成功之后,为什么不在有人见证的情况下再重复一下实验?按他本人的说法,这个实验是很容易做的,不难重复。

而且,按普利斯特里的说法,富兰克林是在1752年6月做的实验,当时他还不知道法国人已经成功地做了“费城实验”,他本人知道这个实验的重要性,为什么不急着发表?甚至不在其《费城报》上简单提一下?要过了四个月知道了法国人的实验结果才提及此事?更令人费解的是,富兰克林不仅不急着发表,而且私下里也没有向别人透露他做了风筝实验。当时费城有一个研究电学的著名专家伊伯内泽·金内斯利,是富兰克林的好友,富兰克林和他保持着密切的联系,互相报告电学实验结果。如果富兰克林做了风筝实验,很难想像富兰克林不会告诉他结果。但是在1752年9月到10月这段时间,金内斯利多次在费城做关于电学的演讲,介绍法国人的“费城实验”,却都没有提到在费城本地已有人做了类似的实验。一直到了1761年,金内斯利自己才做了风筝实验,不过是在晴朗的日子做的。在富兰克林做风筝实验的时候,他的儿子威廉并不是像一些描绘该实验的绘画画的那样是个小孩,而是已经21岁。威廉也是个人物,当过新泽西的总督,后来成为美国保皇党领袖,美国建国后流亡英国,是爱丁堡王家学会建会会员。但是威廉从来没有提到他参与了这个著名的实验。

因此一直有人怀疑富兰克林并没有真正做过风筝实验。美国“流言终结者”曾经做过一个模拟实验,让一个假人放风筝,然后给风筝施加50万伏电压的假闪电,测出流过假人“心脏”的电流超过了6毫安,足以将真人电死。这说明富兰克林如果做过实验,会被电死。实际上闪电电压要比这高得多,有时会达到几亿伏,在这样的电击下风筝绳子将承受几千度的高温而被烧毁,这样的实验后来多次有人做过,当然是用绑着的风筝做的,人是不能在旁边的,否则有可能出事。如果富兰克林真的做过风筝实验的话,他描述的结果也肯定不是引导雷电,而是收集空气里的电荷到钥匙里,就像人们后来发现的,即使在大晴天做风筝实验,同样会让钥匙发出火花。富兰克林描述的,更像是在任何时候放风筝放到一定高度后就会出现的结果,采集的是周围空气的电荷,而不是雷电。

和“费城实验”一样,富兰克林的“风筝实验”很可能也只是提出了一个实验设想,所以一开始他只是含糊地说在费城有人成功做过——他相信如果真有人尝试的话,肯定会成功的。被认为是他本人做的实验后,他将错就错承认了下来,但是一直非常低调地对待此事。从科学的角度看,风筝实验其实没有做的必要,因为雷电的性质已经被之前的法国人“费城实验”证明了,而人们也已把荣耀归功于提出实验设想的富兰克林。

2018.6.11

(《科学世界》2018.7)

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