本杰明·富兰克林

1747 年春天，费城的印刷商本杰明·富兰克林收到伦敦朋友柯林森寄来的一根做电学实验用的玻璃管。他四十一岁，印刷生意兴隆。此后五六年，他几乎把全部闲暇都花在这根管子和一排玻璃瓶上。

等他再回到公共生活时，电学已经有了一套能自圆其说的理论、一对沿用至今的名词「正」和「负」、一条今天叫电荷守恒的原则，还有一样在城市屋顶上站了两百多年的东西：避雷针。

一根玻璃管

十八世纪四十年代的电学是欧洲宫廷与沙龙的时髦。莱顿的穆森布鲁克等人 1746 年前后造出能存电的玻璃瓶，一放电就能让一排人同时跳起来。现象越积越多，解释却各说各话：电是一种还是两种？摩擦是在制造电，还是在搬运电？

富兰克林远在殖民地，没有学院，没有仪器匠，只有几个费城同好，和自己动手改装的器具。他的所有结果都写成给柯林森的信，由柯林森在伦敦皇家学会宣读、传抄。

电只有一种

1747 年的一封信里，富兰克林描述了一组极简单的实验：A、B 两人都站在蜡块上与地面绝缘，A 摩擦玻璃管，B 用指节从管上取火花。站在地板上的 C 去碰两人，都能得到火花；可如果 A 和 B 在摩擦过程中一直手拉手，两人都不带电；摩擦完再让 A、B 相碰，火花比跟 C 之间的还强，碰完两人都不带电了。

他的解释是：「电火」是一种普遍存在的元素，人人本来各有相等的一份。A 摩擦时把自己的一份送进了玻璃，又因为站在蜡上，得不到地面的补充；B 从管上接过这一份，同样存住了。于是 B 比常量多、A 比常量少，C 恰好居中，所以跟两人都能打出火花；A、B 相碰差距最大，火花最强，碰完一切复原。

由此我们中间出现了一些新名词：我们说 B（以及处境相同的物体）带的是正电，A 带的是负电；或者更确切地说，B 带电是 plus，A 带电是 minus。

这就是单流体说：只有一种电，带电就是这种流体多了或少了。它的推论同样要紧——摩擦并不制造电，只是把电从一处挪到另一处，A 少掉的恰好等于 B 多出的。用今天的话说，电荷守恒。

哪边叫「正」，是他随手定下的：他认为摩擦过的玻璃得到了电，于是玻璃那一边算正。一百五十年后人们才知道，金属里真正移动的是带负电的电子，而且移动的方向与富兰克林设想的「电火」相反——所以今天教科书里电流的方向与电子的运动方向相反。这不是他的错误，只是一个约定，但这个约定一直留了下来。

莱顿瓶在玻璃里

1747 年 7 月 28 日，富兰克林写信分析「穆森布鲁克先生的奇妙瓶子」。他说，瓶内的导线与上部带正电时，瓶底同时带负电，而且「严格成比例」：从上面送进多少电火，就有同样多的一份从瓶底出去。他用了一个数值例子：内外各有 20 份，每擦一下内侧多 1 份、外侧少 1 份，擦到第 20 下内侧 40、外侧 0，就再也充不进去了。

第二年他又把瓶子「拆开」。先让充了电的瓶子立在玻璃上，拔掉塞子和导线，手指靠近瓶口，照样被狠狠电了一下——电不在导线里。再充一次，把瓶里的水倒进另一只绝缘的空瓶，新瓶子毫无动静；原来那只瓶子重新灌上茶壶里的清水，照样能电人——电也不在水里。他的结论写成大写：

瓶子的全部力量、给人电击的本领，都在玻璃本身。

接下来他把瓶子换成一片窗玻璃、两面贴上铅板，照样能充电放电；再把十一片这样的玻璃用导线串起来一起充，起名 electrical battery。二十多年后，卡文迪什在 1771 年的电学论文里专门引用了这一点：「富兰克林博士对莱顿瓶的分析表明，它的电主要存在于玻璃之中。」

那封 1749 年 4 月的信末尾，富兰克林有点懊恼地说，他们至今还没弄出任何「对人类有用」的东西；天热了，不宜做电学实验，打算在舒尔基尔河边办一场野餐给这一季收尾：隔着河用电火花点燃酒精，用电击杀一只火鸡，拿电火点着的炉子来烤，在电池组的「礼炮」声中举起通了电的酒杯，为英、荷、法、德的电学家干杯。

尖端

同样是 1747 年，富兰克林写到尖的物体「吸走」与「放出」电火的本领都格外强。他的演示是：一颗三四英寸的铁球放在干净的玻璃瓶口上，旁边用丝线吊一个软木球；铁球带电后把木球推开四五英寸。这时拿一根细长的锥子，尖端在六到八英寸外对准铁球，排斥立刻消失，木球落回铁球上；换成钝物，得凑到一英寸以内、打出火花才有同样效果。在暗处看，尖端上会聚起萤火虫似的微光。反过来，在铁球上横放一根长针，铁球就几乎充不上电。

他没有能解释这个现象的数学，但他记下了一件后来很有用的事：尖端可以在打出火花的距离之外，无声地把电放掉。今天知道，同一导体表面各处电势相等，曲率半径越小的地方电场越强，尖端附近的空气最先电离，电荷就从那里一点点漏走。

闪电就是电

把闪电与电火花相比，在当时并不新鲜，富兰克林自己也说这个想法「任何一位电学家都会想到」。1749 年 11 月 7 日，他在实验笔记里列出十二条相似之处，末了写道：电会被尖端吸引，闪电是否也如此，我们不知道；既然能比的地方都一样，「那就做实验吧」。

1750 年 7 月 29 日，他把设想写进《意见与猜想》寄给柯林森，提出两件事。一是验证：在高塔或尖顶上搭一座岗亭，一根二三十英尺的尖头铁杆从亭内的绝缘台伸出去，雷雨云低低掠过时，站在台上的人应该能带电、打出火花；怕危险的话，就站在地板上，用一根装了蜡柄、另一端接地的铁丝去靠近铁杆。二是应用：

这种尖端的本领，难道不能为人类所用，在建筑物最高处竖起磨得像针一样尖、镀了金以防生锈的铁杆，再从杆脚引一根铁丝沿外墙进入地下，好保护房屋、教堂、船只免遭雷击吗？

这些信 1751 年在伦敦汇编出版，书名《电学实验与观察》，随即译成法文。1752 年 5 月 10 日，达利巴尔（Thomas-François Dalibard）在巴黎附近的马尔利照岗亭方案立起一根尖铁杆，雷雨中从杆上引出了火花；八天后德洛尔在巴黎重复成功。消息传开，富兰克林的名字随之传遍欧洲。实验也有代价：1753 年夏，圣彼得堡的里赫曼（Georg Wilhelm Richmann）在雷雨中观察接到室内的绝缘铁杆时被击中身亡。

风筝：谁说了什么

风筝实验是富兰克林最有名的故事，也是争议最多的一段。先看最早的两份材料。

1752 年 10 月 19 日，《宾夕法尼亚公报》刊出富兰克林署名的一封信（寄给柯林森、在皇家学会宣读的版本署 10 月 1 日）。信里说，欧洲报纸常提到「费城实验」用高处的尖铁杆从云中引电获得成功，「同一个实验在费城也成功了，只是做法不同、更加简便」。接下来是做法：用两根雪松木条撑开一块丝手帕做风筝，顶端装一根尖铁丝，麻绳靠手的一端接一段丝带，交接处挂一把钥匙；人要站在门里或檐下，让丝带保持干燥。雷雨云经过时，麻绳上的散丝会竖起来；雨把绳子打湿后，钥匙上会冒出大量电火，可以给莱顿瓶充电。信里没有写日期，也没有写是谁、在哪里放的。

1767 年，普里斯特利在《电的历史与现状》里给出了细节，说是「得自最可靠的来源」：富兰克林本想等费城的一座尖塔建好再做岗亭实验，后来想到风筝更方便；怕失败被人笑话，只告诉了儿子，两人去一片有棚子的田野放风筝。一片看来很有希望的云飘过去毫无反应，正要失望时，他看到麻绳的散丝竖起、彼此排斥，伸出指节，得到一个清楚的火花。普里斯特利写道，这发生在「1752 年 6 月，法国电学家证实同一理论一个月之后，但在他听说他们做了什么之前」。

此后的疑问集中在三点：

• 日期。气象学家 Rotch 1906 年指出，「六月」之说只见于普里斯特利；他引法国的德罗马（de Romas）的论证，并查到巴黎 5 月 26 日的消息到 8 月 27 日才被《宾夕法尼亚公报》转载，据此认为风筝实验应在夏末或初秋。据美国国家宪法中心博客的综述（以下为转引），McAdie 1924 年倾向 9 月，传记作家艾萨克森 2003 年则认为仍应在 6 月 10 日前后。
• 优先权。Rotch 援引德国学者 Hellmann 指出，同一封风筝信在《哲学汇刊》里多一段话：「听说我的实验在法国成功了，他们开始在建筑上竖尖杆，我很高兴。我们此前已经在学院和州议会大厦的尖顶上装了。」这段在后来的文集里被删掉了。Rotch 自己又找到富兰克林 1752 年 10 月已付印的《穷理查年鉴》（1753 年版）里一篇短文《如何保护房屋免遭雷击》，说明避雷针的具体装法，以此论证富兰克林发明避雷针在先。
• 做没做过。Tom Tucker 2003 年出版《命运的霹雳》（Bolt of Fate），认为风筝实验是一场骗局。据评述者的转述，他的理由主要是：公报上的信没有说富兰克林自己做过；按描述的风筝与天气条件，实验很难成功；而富兰克林一生惯于用化名写虚构文章。考古学家与技术史学者 Schiffer 同年撰文反驳：富兰克林清楚伪造科学在绅士科学圈里会付出什么代价；他的电学名声在 1752 年之前已经确立，没有造假的动机；Tucker 的论证依赖风筝尺寸之类无从考证的细节；而此后几十年里，许多人用各种风筝重复这个实验都成功了。

从铁杆到避雷针

有一件事是富兰克林本人亲笔记下、日期清楚的。1752 年 9 月，他在自家屋顶竖起一根绝缘的铁杆，把电引进屋里，下端接两只铃铛，杆上带电时铃铛就会自己响。他发现有时并无雷电、只是一片乌云压过，铃就响了；有时一道闪电之后铃声骤停，有时反而骤起。

1753 年 4 月 12 日一场雷雨中，他用铁杆给一只莱顿瓶充电，再用摩擦玻璃球给另一只充正电，两瓶之间挂一个软木球：木球在两瓶间来回跳得很欢，说明铁杆那瓶带的是负电。此后八场雷雨结果都一样，他便断定云总是带负电。可 6 月 6 日一场从下午五点下到七点的雷雨里，他遇到一块带正电的云，前后几块却又是负的。他在信里坦白，自己「结论下得太早」；这对避雷针的装法没有影响，理论上却要重新找一个解释。

尖头避雷针随后在北美普及，在欧洲则有过一番争执。1772 年，英国军械局请皇家学会为泰晤士河畔珀弗利特的火药库设计防雷，委员会里有卡文迪什、沃森、富兰克林、威尔逊（Benjamin Wilson）与罗伯逊。五人一致同意装金属避雷杆，但对杆头的形状，四人主张用尖头，只有威尔逊坚持圆头。

电学之外

1753 年，皇家学会把科普利奖章授给这位从未进过大学的殖民地印刷商，三年后选他为会员；沃森在《哲学汇刊》第 47 卷上评介过他的书。单流体说在他手里只是定性的，把它写成数学的是后来的人：埃皮努斯 1759 年的《电与磁理论初探》常被视为第一部数学化的电学理论，卡文迪什 1771 年的论文说自己独立得到了与埃皮努斯几乎相同的假说，并推得更远。年轻的伏打读过富兰克林关于湖沼「可燃空气」的记述，去马焦雷湖找到了甲烷。普里斯特利则在 1767 年的电学史里，把「闪电就是电」称为「也许是牛顿以来整个自然哲学领域最伟大的发现」。

但富兰克林真正专心做电学，前后不过六七年。1757 年起他以宾夕法尼亚议会代表的身份常驻伦敦，此后的半生属于政治：《独立宣言》、法美同盟、美国宪法，他都在场。1790 年他在费城去世，享年八十四岁。

他留给物理的东西，有的已经被取代——没有人再说「电火」，电也不是一种流体；有的却一直留着：带电物体上的正号和负号、电荷只能转移不能凭空产生的原则、battery 这个词，以及每座高楼顶上那根不起眼的尖杆。