18世纪物理学最显著的进展,在电学方面。摩擦而生的电早已被发现:远在公元前600年,米利都的希腊哲学家泰勒斯(Thales)对琥珀、煤玉及少数其他物质经过摩擦能产生出吸引力来吸引一些像羽毛或稻草之类的轻的物体,就已相当熟悉。伊丽莎白女皇的医生威廉·吉伯特将这种吸引力称为“电子”(electron,这是由希腊字“ēlektron”而来),拉丁名为“vis electrica”。下一个步骤是寻找一种方法来传导及使用这种静电。17世纪,居里克和豪斯比曾找出这种方法,决定性的发现尚有待格雷(Stephen Gray,1729年)。
格雷是伦敦养老院一位年纪大、脾气坏而且领有养老金的人。他发现经摩擦起电后,把玻璃管的两端用塞子封起来,则软木塞和玻璃管均能吸起一根羽毛。他把木棒的一端插入其中的一个木塞,木棒的另一端则插入象牙球。他摩擦玻璃管时,球、管子和木塞均能吸住一根羽毛,电子沿着木棒传递。利用绳子或强有力的麻线来代替木棒,他把电传递了765英尺远的距离。他用头发、丝、树脂或玻璃作为连接时,发现并无导电现象发生。格雷用这种方法观察到了导体和非导体的区别,他还发现了非导体能够用以储存电荷。他把666英尺的导线悬挂在一根根连接起来的斜竿子上,并使电“道”(他如此称呼)通过竿子时,他实际上已发现了电报的前身。
法国接下了这份探索的工作。让·德萨吉利埃(Jean Desaguliers)继续(1736年)格雷的实验,将物质分为导体及非导体(他称之为“电的本身”),而且发现后者用水弄湿后能变为导体。查理·杜费伊(Charles Du Fay)继续研究,1733年至1737年向科学院提出报告。在1734年给伦敦皇家学院的一封很谦虚的信中,他有系统地陈述了他最重要的结论:
由于机会的来临,使我得到了另一个原理……有两种极其不同的电性存在,其中的一种和另一种截然不同;前者我称之为正电,后者则称之为负电。前者是由玻璃、结晶岩、宝石、动物毛发、羊毛及其他许多物体而来;第二种则是由琥珀、岩树脂、非树脂、丝、线、纸及其他无数物质而来。这两种电都有它们的共同特性,带正电的物体会排斥同电性者,相反的却能吸引那些带负电的物体。
杜费伊发现,利用同一带电体得到的两个带电体互相接触时会互相排斥。每位学童都能回想起过去曾经感觉到的惊奇事情,看到两个相同材料做成的球,从同一点用非导体吊悬起来,并使之相互接触,接触到带电的玻璃棒时,则二球会突然互相弹开。后来的实验指出,“正”物体可用以感应“负”电性,而带“负”电性的物体,可以感应而生“正”电性。富兰克林用正与负来代替杜费伊的命名。杜费伊曾用几根不能导电的绳子将一人吊悬起来,并利用带电体将人充电,然后从他的身上引出火花,被悬吊的人则未受丝毫损伤。约1742年,博塞提出了他的主张,认为北极光的产生起源于电,因此在某些地方领先于富兰克林。1744年,鲁多尔夫(Ludolff)在柏林科学院证明了电花能使易燃性的液体燃烧。博塞利用这种方法使火药爆炸,开启了电在爆破、火炮轰击及其他方面数以百计的用途。同年,戈特利布·克拉岑施泰因开始把电使用到疾病的治疗上。1745年10月,一位波美拉尼亚的牧师范·克雷斯特发现电荷能储存在玻璃管中,他把液体填满玻璃管,管子由一枚被插进去的钉子与制造摩擦生电的机器连接。连接切断后,液体能储存其电荷达数小时之久。几个月后,莱顿大学的一位教授彼得·缪岑伯罗克在完全不知道克雷斯特的实验的情况下,也有了相同的发现。他触及一个带电但并未与他物连接的木球时,受到了电震,两天后才完全恢复过来。莱顿进一步的实验,证明了一个内表面和外表面涂上一层锡箔的空瓶子,能够储存较多的电荷。丹尼尔·格拉拉茨设想将好多个这种“莱顿瓶”连接在一起,结果发现,它们放电时能杀死一些小动物。
1746年在巴黎的路易·纪尧姆、1747年在伦敦的威廉·瓦特松,表演了瓦特松首次提出的“电路”。瓦特松将一根长约1200英尺的电线跨置于威斯敏斯特桥(Westminster Bridge),在泰晤士河的一边,一人手持电线的一端,并接触到水;在另一边,第二人持着电线的另一端和一个莱顿瓶;第三者以一手接触到莱顿瓶,另一手握住伸入水中的电线时,“线路”即被“封闭”,这3个人同时感觉到了一阵电击。1747年,德累斯顿的格鲁梅特(Grummert)注意到由部分真空的装置,能够在很远的地方制造火花,而且放出相当强度的光。
1747年,我们谈到了富兰克林。那时,他开始了电学实验,使其名声达于科学界和政治界。他具有创造性的好奇心从对日光节约的建议、摇椅及双焦点的眼镜排列到避雷针和电的单液理论。18世纪一位权威性的科学家约瑟夫·汤姆逊爵士承认他由于“我们得到的最近研究的结果与富兰克林在这一问题上最初发表的观点的相似而感到震惊”。
富兰克林的最早发现之一是尖的物体在“排除及摆脱由电而生的火”这一方面的效应。他发现“一个细长的尖柱”能从距离它6或8英寸远的带电球吸引电流,端点很钝的物体则要带到离球1英寸处才产生相同的效应。富兰克林将电称为火,但他想这种火是由于“正”和“负”的燃烧中的流体失去平衡的结果,因他把电想象成这种流体。在他的见解中,所有的物体都含有这样的带电流体:一个“正”的物体包含了超过正常数量的流体时为带正电,而且有把多余的流体放电到一含正常数量或较少数量的带电流体去的倾向。一个“负”物体包含了比正常数量还少的流体时带负电,而且能从含正常数量或更多的流体的物体将电吸出。以此为基础,富兰克林发明了一个包含了11个被铅薄片包住的大玻璃板造成的电池,能够超额充电。这种构造物与带电较少的物体接触时,它往往释放出部分电荷,并吸引物体。这种力量富兰克林称之为“没有止境的力”,常常是超出“我们知道的普通闪电所能造出的最大效应”。
许多研究者——沃尔、牛顿、豪斯比、格雷及其他人物——都曾注意到火花放电与闪电的相似性。富兰克林证明了它们是同一种东西。1750年,他寄给伦敦皇家学院的信中这样写道:
这些点的力量的知识,难道说不能让人类利用固定在大厦顶端的垂直尖针铁柱,镀上一层金以防锈,然后在这铁柱底用电线接到建筑物外的地上,或者沿着船的支桅索以达于水面,来防止房屋、教堂、船只等遭受到雷电的袭击吗?难道这些尖顶柱子不能在云层甚至接近足以造成雷劈程度时,将电从云层中引下来而使我们避免最常见、最可怕的不幸吗?
他接着叙述了可以测验真假的一个实验。皇家学院认为他的计划纯为空想而拒绝刊出他的书信。德洛尔和达利巴尔两位法国科学家将富兰克林提出的学说加以实验。1752年,他们在马尔利的一个花园中建立了一根高50英尺的尖顶铁棒。他们担心自己不在时,夹有雷电的乌云可能掠头而过,因此他们指令了一位守护者用绝缘的铜线接触铁棒。结果乌云来临时,这个守护者不但用电线,而且用他的手来接触铁棒;火花飞扬而起,响起了像爆竹般的声响,这个守护者遭到严重的电击。德洛尔和达利巴尔以进一步的实验证实了守护者的报告,通知科学院“富兰克林的想法不再空想而是事实”。
富兰克林并没有因此感到满足,相反,他希望将一些东西送上夹有雷电的云层中,把闪电“抽出来”以证实闪电和电完全一样。1752年6月,雷雨开始时,他把一只丝制的风筝绑在结实的麻线上送上天空,一根顶端尖锐、长约12英寸的电线系在风筝的顶端,观察者的一端的麻线用一根丝带系于一把钥匙上。在送到英国(10月19日)做同一实验的指示中,富兰克林指出下面的结果:
雨将系于风筝上的线打湿而使其自由导电时,你将会发现你指关节一接近,火花便大量从钥匙流出,而且经这把钥匙,小玻璃瓶(或莱顿瓶)可以充电,由此得到的放电火花,能点燃酒。而且,其他所有的电学实验同样可由这种火花来完成,而这些电学实验在过去多是靠摩擦过的玻璃球或管子的帮助而完成。因此,电与闪电完全一样,可以得到充分的证明。
1753年,这个实验在法国又做了一次,但这次用的是较大的风筝,并以780英尺的弦线围绑在一根铁线上,尾端置入观察者那里的金属管子中。作用发生时,这根金属管能喷出8英寸长的火花。圣彼得堡教授里奇曼也做了类似的实验,结果不幸1753年受电击而亡。富兰克林的著作于1751年至1754年送到英国,他被选而加入了这时颇感悔恨的皇家学院,并获得了考普利勋章。那些出版物的法文版获得了路易十五的一封祝贺信和狄德罗的热烈赞赏,他将之称为科学报告的模范。富兰克林为了美国殖民地的革命而到法国请求帮忙时,他的那些译文使他获得了格外有利的接待。由于法国的帮助,革命得以成功,达朗贝尔(或杜尔哥)将富兰克林的成就以一句似乎出自维吉尔或卢克莱修的简洁诗句归纳起来:
他从天上掠取闪电,从暴君手中掠取权杖。
1750年后,整个欧洲都活跃着电学方面的理论和实验。约翰·坎顿和多才多艺的维尔克(1757年)为研究静电感应的方法铺了路,他们利用未带电的导电体放于带电体的周围而使之感应生电。维尔克证明,如果将这些东西与带电比它们少(或多)的带电体摩擦,大多数东西都能充上正(或负)电。埃皮努斯与维尔克在柏林一起做研究时,证明了两片金属板只要被一层空气分离,它们的作用就会像莱顿瓶一样。普利斯特里试图测出电荷强度及已知电荷发出的火花所能跨越的最大宽度。他报告称,火花穿过真空中两根金属棒宽达2英寸的缝隙时,在缝隙中会出现“浅绿或紫色的光”。但普利斯特里对电学原理的最辉煌贡献,是提示电的法则也许像重心的法则一样,及揭示两个被分开的带电体之间的作用力与其距离的平方成反比。卡文迪什经过一连串煞费苦心的实验以证实普利斯特里的建议。他做了一点很重要的修正,这个修正于1878年又被麦克斯韦精细推究,成为我们今天接受的定律。库仑在对梁的张力和金属的抗扭力方面做了一些有价值的研究工作后,把实验报告交给了科学院(1785—1789年),这个实验是利用扭秤(一根支持在丝上的针)来测量磁的影响力和电荷的多寡。在这两个方面,他实质性地证实了平方反比定律。
两位意大利人和库仑一样在电学名词上留下了他们的名字。一位是加尔瓦尼,波伦亚大学的解剖学教授,他不但发现死的动物与带电体直接接触时会产生肌肉收缩(此早已为人知),而且发现死青蛙的腿与地接触而被带近一台释放电花的机器边时,也有类似的肌肉收缩现象。闪电进入屋中时,相似的痉挛也发生在蛙腿上。加尔瓦尼很惊异地发现,他不用电学仪器,仅仅将蛙的腿部神经和肌肉与两块不同的金属接触,就能使其收缩。于是他得出结论,在动物的器官中存在着自然的导电组织体。
博尔塔是帕维亚的物理学教授,重复了这些实验,先是同意其国人提出的有关动物电的理论。但他经过进一步的研究后,修正了自己的观点。约1750年,他重复做了舒尔泽提出的实验后,他发现如果他把一块锡放在舌尖、一块银放在舌背,两块金属以电线连接时,他感觉到一阵强烈的酸味。由这两种不同的金属用导线连接前额与颚部时,他有看到光的感觉。1792年,他宣称其结论为:金属本身而不是动物组织产生电,仅仅是因为它们之间的相互作用及它们与湿物接触,特别是盐溶液。进一步的实验证明,两块不同的金属接触时,可使之充电——一带正电,一带负电——这种直接的接触仅仅造成了电荷的交换而无电流的外流。为了产生电流,博尔塔用重叠好几层、每层均由两种不同金属连接的平板及一片由湿纸或湿木所成的平板组成的“博尔塔堆”(Voltaic Pile)。由此,在18世纪的最后一年,出现了第一块能产生电流的电池。研究电学以重造世界的面貌与战胜黑暗的这条道路由此敞开。