17 耀眼的電火花
你有沒有認真想過，稍縱即逝的閃電到底是什麼，為什麼還有隆隆的雷聲尾隨其後？電閃雷鳴在高空狂野地上演，即使你知道它們出現的原因，照樣會覺得太不可思議。閃電經常會擊中地面，所以從十八世紀起就有科學家對此現象絞盡腦汁，並對落在家門口的閃電窮追不捨。
他們同時也在苦苦思索磁力問題。古希臘人知道，用力摩擦琥珀（一種黃色的次級寶石）可以把附近的小東西吸過來。這股力量的來源在那時是個深奧的問題。它似乎和另一種石頭——天然磁石——能持續吸引含鐵物體的力不是同一回事。就像北極星可以指示方向一樣，天然磁石可以引導旅行者；它是一塊特殊的礦物，懸浮的時候會隨意擺動，但總是指向磁極。英國醫生威廉．吉爾伯特（William Gilbert）一六〇〇年在文中提到「磁力」一詞。人們習慣用這種磁石把針磁化，在十六世紀中葉的哥白尼時代，海員已經使用原始的羅盤，依據羅盤轉動時指針總有一頭指向北方來識別方向。電力和磁力引發的娛樂性效果是學術界津津樂道的主題，也是普通人茶餘飯後的遊戲。
不久，人們發現，如果讓一個玻璃罩繞著一個點旋轉並且摩擦它，可以獲得更大的能量。當火花被聚集到玻璃上的時候，你不但能感覺到，而且能聽到。這個設備就是萊登瓶（Leyden Jar）的雛形。以誕生地命名的萊登瓶是一名大學教授於一七四五年在荷蘭萊登發明的。這個儀器是這樣的：一條金屬絲連接一個裝有半瓶水的瓶子和發電機。這根連線叫作「導體」，它可以「引」神祕的能量進入有水的瓶子，然後將其儲存在裡面。實驗過程中一名助理碰到了瓶壁和金屬絲，突如其來的一擊讓他以為自己必死無疑。實驗報告出來後引起了轟動，萊登瓶供不應求。曾經有十個僧侶手拉手地嘗試：第一個人觸摸萊登瓶和導體的時候，所有人都同時受到一震。電擊似乎可以從一個人傳到另一個人。
這到底是什麼？除了用來娛樂之外，這是一系列亟待解釋的嚴肅科學問題。五花八門的說法滿天飛的時候，有一個人理清了頭緒。他就是班傑明．富蘭克林（Benjamin Franklin，一七〇六－一七九〇）。你應該知道他是美國的功臣，在美國成功擺脫大英帝國統治獲得獨立的時候，他參與起草了一七七六年的《獨立宣言》。他機智詼諧，人脈通達，充滿了「親民」的智慧。比如，他說過「時間就是金錢」和「在這個世界上，除了死亡和稅收，再沒什麼是可以確定無疑的了」。當你坐在搖椅上，或看見有人戴著雙焦眼鏡的時候，不要忘了這些都是他的發明。
第一次體驗電擊的震撼富蘭克林經由勤奮自學獲得了淵博的知識，包括科學。無論是在法國、英國還是美國，他都如魚得水。他那個著名的閃電實驗就是在法國完成的。一七四〇至五〇年代，很多人痴迷於萊登瓶，富蘭克林也不例外。人們借他之手眼界大開。首先，他發現了物品帶有正電荷和負電荷，就像你在電池兩頭看到的「＋」和「—」號。他說，在萊登瓶裡，金屬導線和水「帶正電，即加號」，瓶子外面是帶負電，即減號。正電和負電帶有同等電量，互相抵消。他透過進一步實驗證實，真正的電能儲存在玻璃裡。於是他在兩片鉛之間加進一塊玻璃做成一種「電池」（電池的英文「battery」一詞是他創造的），把它和電源連接便可以開始充電。遺憾的是，他沒有繼續深入下去。
富蘭克林並不是第一個苦思地上的人造電火花與天上閃電之間關係的人，但他是第一個用萊登瓶探尋究竟的人。他設計了一個巧妙而危險的實驗。他推斷大氣中的電聚集在雲的邊緣，就像萊登瓶那樣。當空中雷聲轟鳴，層雲翻滾時，假如有兩片雲碰撞，就會有電釋放出來——一道閃電劃過。他在一場暴風雨裡放風箏來驗證自己的推測。放風箏的人必須做好絕緣保護（在風箏線的把手上塗蠟）和「接地」（他把金屬線的一頭繞在身上，另一頭拖在地上）。如果沒有這些事前嚴密的防護措施就可能遭閃電擊中喪命。的確有一個倒楣的實驗者因為沒有遵守富蘭克林的步驟而命喪黃泉。風箏實驗證明，閃電的電和萊登瓶裡的電一模一樣。
從重力開始到電學，這些事把天空和地球拉得越來越近。
富蘭克林對電的研究取得了立竿見影的效果。他發現一根帶有尖頭的金屬桿可以把電引向地面，那麼在建築物的屋頂上安裝這樣一根桿子，再用一個絕緣體一直連到地面，閃電就會被導離建築物，就算被閃電擊中也不會著火了。那時幾乎都是木屋，偶爾還有茅草頂棚，防火是頭等大事。因此「避雷針」應運而生，它的英文名字「lightning rod」（直譯為「閃電桿」）自始至終沒有變過，即使到了現在，我們也會在諸如洗衣機、冰箱一類的電器插頭裡加入一根絕緣線分導多餘的電荷，這就是「接地線」。富蘭克林為自己的房子裝了一個避雷針，消息不脛而走，於是避雷針變得隨處可見。人類對電的瞭解帶來了深遠的影響。
傑出電學家輩出電學是十八世紀最讓人興奮的科學研究領域，層出不窮的「電學家」對現代電學的貢獻勞苦功高。其中有三位遠近馳名的傑出人物。第一位是喜歡研究電子設備和動物的路易吉．伽伐尼（Luigi Galvani，一七三七－一七九八）。他是醫生也是老師，在波隆納大學教授解剖學和產科學（有關分娩的醫學）。不過，他對生理學的興趣也相當濃厚。在研究肌肉和神經的關係時，他發現當用電刺激青蛙的神經時，青蛙的肌肉就會收縮。深入研究後，他把肌肉比喻成可以生成和釋放電流的萊登瓶。伽伐尼說，電流是動物重要的組成部分，他稱之為「動物電」。他認為這是動物身體機能的基本要素。事實證明他是正確的。
物體釋放表面電力的時候會製造靜電電擊，也稱作「流電刺激」。科學家和電學家利用電流計測算電流。但是伽伐尼的「動物電」學說卻成了眾矢之的。反應最激烈的是來自義大利北部科莫的科學家亞歷山卓．伏特（Alessandro Volta，一七五七－一八二七）。他很看不起那些涉足物理界的醫生，所以他準備出手推翻「動物電」學說。他向伽伐尼公開宣戰。伏特做了充分的準備，要使伽伐尼一敗塗地。首先他在電鰻身上進行實驗，發現確實有電產生。但他相信即便如此也不能增強伽伐尼「動物電」學說的說服力。更重要的是，後來伏特發現把鋅和銀一層層地堆起來，中間用溼紙板隔開，也可以產生貫通各層的電流。他把這個成果命名為「堆」（pile），並向位於倫敦的皇家學會提出報告。就像萊登瓶一樣，「堆」在英國和法國引起轟動。
那時，法國正急於征服北義大利，法國皇帝拿破崙聽說此事後，授予這名義大利物理學家勛章，因為十九世紀初期，伏特的「堆」無可替代地提供實驗室研究的穩定電源。它提高了富蘭克林電池的實用性，從此電池成為我們生活中必不可少的東西。我們透過電壓的計量單位「伏特」永遠記住了伏特本人。下次換電池的時候看看包裝上有沒有寫。
第三位偉大的電學家（也是令人欽佩的數學家）叫作安德烈．馬里．安培（André-Marie Ampère，一七七五－一八三六），我們引用他的名字「安培」命名了另一個電的計量單位（amp）。安培的父親在法國大革命期間被送上斷頭臺，大革命留下的傷痛伴隨了他的一生。他的個人經歷十分悲慘。他深愛的結髮妻子在生完第三個孩子後離世，他的第二次婚姻愁雲慘霧，最終離婚收場。他總是為錢發愁，子女們處境淒苦。雖然安培的生活一團糟，但是他總結出一些數學和化學的基礎知識，尤其重要的是建立了他稱為「電動力學」的基本原理。這是一門把電力和磁力結合在一起的複雜學科。安培化繁為簡，用一目了然的實驗證明磁力就是運動中的電。法拉第（Faraday）和馬克士威（Maxwell）的工作鞏固了他的學說，我們很快就會詳細瞭解這兩位後來的電磁學巨星。雖然後來的科學家證明安培理論有很多細節並不適用，但是他開啟了電磁學研究的先河。請務必記住，有時出錯也是科學的一部分。
安培去世的時候，人們在研究電力的科學之路上已經走了很久，差不多可以將它掌握於股掌之間了。富蘭克林的作品也日趨平常，雖然它曾經意義非凡，但和伽伐尼、伏特、安培那些在實驗室裡操作精密儀器的人比起來，富蘭克林只能算是有天分的外行。伽伐尼最終勝過伏特一籌。現在我們知道，電在肌肉和神經的相互作用上起著關鍵作用。