科學揭秘:富蘭克林通過風箏-鑰匙實驗發現了電?

2021年12月31日08:37

  新浪科技訊 北京時間12月31日消息,1752年,在一個漆黑、狂風暴雨的夏天夜晚,美國科學家本傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)進行一項風箏實驗,他在風箏線的末端繫著一把鑰匙,期待著閃電的到來……這個富有傳奇性的閃電實驗誕生了電的發現(富蘭克曾稱其為“電火”),或者實際情況並非如此。

  這個故事具有真實性嗎?富蘭克林真的在實驗中被閃電擊中,才證實發現了電的存在?

  大多數人都知道本傑明·富蘭克林是美國開國元勳、是一位富有傳奇色彩的政治家,100美元鈔票上印有他的頭像,他是美國政治界赫赫有名的人物,事實上,富蘭克林還是一位著名的科學家和發明家,是一位真正的博學家,他是多個科學協會的成員之一,也是美國哲學協會創始成員,因此,他對當時學者們最迫切關心的科學問題都瞭如指掌,其中包括閃電的屬性和特徵。

  至於風箏-鑰匙實驗,大多數人所知道的是金屬鑰匙充當避雷針的版本,當閃電擊中他的風箏時,富蘭克林“發現”了電。然而,關於這個實驗的一些重要細節是不確定的,例如:具體發生的時間和地點,一些歷史學家甚至懷疑該事件是否真的發生過。

  首先,一個普遍的錯誤觀點是富蘭克林發現了電,在富蘭克林進行實驗之前,電已經被發現和使用了幾個世紀。富蘭克林出生於1709年(死亡於1790年),在他生活的時期,電被理解為兩種不同流體之間的相互作用,富蘭克林隨後將其稱為“正電荷”和“負電荷”。依據法國化學家查爾斯·弗朗科斯·德西斯特納伊·杜費伊的觀點,具有相同類型流體的材料會相互排斥,而相反的流體則會相互吸引。我們現在知道這些“流體”是由原子產生的電荷,原子是由帶負電荷的電子環繞帶正電荷的原子核(由質子和中子組成)旋轉而成的。

  在富蘭克林進行實驗之前,人們並不知道閃電在本質上是否與電相關,儘管包括富蘭克林在內的一些科學家曾推測過這一點。《本傑明·富蘭克林:“尋找一個更美好的世界”》的作者佩奇·塔爾博特(Page Talbott)稱,富蘭克林對這個問題非常感興趣,因為在那些城鎮木頭房屋裡,雷擊會引起災難性火災,當時美國有很多家庭就遭遇這樣的不幸。

  通過在風箏另一末端繫上鑰匙,因此可形成一個電荷導體,富蘭克林實驗表明,尖銳的金屬物體放置在建築物最高點——連接到一個導體,將電力從建築物頂部傳輸至地面,會對當地居民的生活安全性產生巨大影響,換句話講,通過製造避雷針,富蘭克林實驗發現能幫助居民有效地保護木製房屋,避免木製房屋和其他建築不被閃電直接擊毀。

  避雷針是放置在建築物頂部的金屬棒,通過導線與地面相連,如果閃電擊中建築物,就可能會擊中金屬棒,而不是建築物,最終電流安全地穿過電線到達地面。

  實驗是這樣進行的:在一場雷雨中,富蘭克林站在避雨處放風箏,風箏是用一塊簡單的絲綢手帕鋪在兩條雪鬆木條做成的十字架上製作的,風箏的尾巴是由兩種材料製成——連接在風箏上端的繫繩是由麻繩製成,上面繫著一個小的金屬鑰匙,而富蘭克林拿著下端的繫繩是由絲綢製成。麻繩會被雨水淋濕並導電,而富蘭克林在避雨處手持的絲綢繫繩未被雨水淋濕,保持乾燥狀態。

  當富蘭克林觀察他的風箏時,看到麻繩僵直,因為它開始積聚來自周圍空氣中的電荷,據稱,當他將手指放在金屬鑰匙附近時,由於鑰匙上積累的負電荷被他手中的正電荷吸引,他感覺到產生的電火花。

  當時,一些出版刊物報導了這項實驗,塔爾博特說:“富蘭克林於1752年10月19日出版的《賓夕法尼亞公報》上發表了一份關於該實驗的聲明,在隨後幾年的時間里,富蘭克林一直與多位科學家交流自己的理論觀點,並闡述了有關閃電的實驗。”

  塔爾博特稱,富蘭克林在他的自傳中提到了這項閃電實驗,但歐洲科學家也撰寫了相關的研究報告,值得注意的是,閃電實驗出現在1767年英國化學家約瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)所著的《電的歷史與現狀》一書中,富蘭克林閃電實驗15年之後,普里斯特利才從富蘭克林那裡聽說了風箏和鑰匙的實驗,在他的書中寫道:富蘭克林的閃電實驗應該是在1752年6月進行的。但這項實驗進行的準確時間,仍是一個富有爭議的話題。

  一些歷史學家曾懷疑富蘭克林是否真的親自做這項實驗,或者僅是概述了該項實驗的可能性,在《命運的閃電:本傑明·富蘭克林和他的電風箏騙局》一書中,作者湯姆·塔克(Tom Tucker)稱富蘭克林想要挫敗威廉·沃森(William Watson),當時沃森是英國倫敦皇家學會成員,也是一位傑出的電實驗家。

  塔克寫道:沃森曾公開指出富蘭克林之前部分研究報告存在問題,並嘲笑他在倫敦皇家學會上的實驗,富蘭克林會不會迫於壓力編造風箏-鑰匙發電的故事來報復沃森呢?

  塔克還指出,富蘭克林在《賓夕法尼亞公報》上曾對自己的實驗進行了描述——一旦雷雲出現在風箏上空,隨著閃電出現,風箏線將引導電流產生電火花……當時,富蘭克林可能僅是表示這個實驗在理論上是可行的,但考慮到他在報告中並未列舉一些遺漏的細節,例如:富蘭克林沒有列出進行實驗的日期時間或者地點,有可能他並沒有親自做這項實驗。

  然而,一些歷史學家仍不相信這個實驗沒有進行,他們指出富蘭克林對科學追求十分執著。研究富蘭克林的美國評論家卡爾·範多倫(Carl Van Doren)稱,普里斯特利指明了富蘭克林做實驗的具體月份,這表明富蘭克林是在具體的時間進行這項實驗。(葉傾城)

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