南方雷雨连连,他竟然敢出门放风筝?

撰文 | 小Q

来源:中科院高能所

近几天,南方多地为雷雨天气,几段广州塔和闪电短兵相接的视频被广泛传播,画面看起来非常震撼。在震撼之余,广州塔却安然无恙,不为所动,这一切都要归功于塔顶的避雷针(接闪针)。闪电,在科学愚昧年代里人们视之为天谴灾难,今天我们都知道这是一种普普通通的自然放电现象,本质上和冬天你的毛衣放电别无二致。[1]

广州塔“接闪”

然而用一根小小的避雷针就可以把桀骜不驯的雷电安排得明明白白,这还得从一个被传得神乎其神的科学故事说起。1752年6月的一天雷声大作,一位老哥带着他的儿子,没有像一般人一样呆在家里,等待欣赏雷雨的表演。他拿起儿子心爱的风筝,然后在风筝顶端绑了一根尖细的金属丝,在放风筝用的麻绳的末端挂上了一把钥匙,后面又接上了绝缘的丝带,和儿子跑向了一片开阔地。在黑黑压压的乌云底下,儿子威廉把风筝放向了天空,他躲在屋檐下,随着一道闪电击中风筝,一朵蓝色的火花从他的手指和钥匙之间一闪而过。这位老哥叫本杰明·富兰克林,这位在美国独立历史上叱咤风云的人物,一百美元头像拥有者,却因这段避雷针来由的风筝实验成了教科书上的网红,这个故事的流行度也堪比牛顿苹果树。

风筝实验想象图

实际上,这个故事的真实性一直被人质疑。除去那些作为故事流传后的添油加醋,比如富兰克林当时的儿子威廉据考证,至少已经21岁,并非小孩,是作为实验的助手,而非富兰克林带着孩子探索科学。实验本身也受到各方面质疑,质疑的声音主要来自两个方面,其一为什么实验在6月完成后,在当年的10月19日,富兰克林才在《宾夕法尼亚公报》上发表了简短的声明,且并未提及实验人。在当时许多人都尝试对闪电和地面电荷的一致性做出论证,在实验如此成功后,富兰克林长时间对自己的结果只字不提,显得非常奇怪。事实上,富兰克林也从没有承认过自己做过该实验。过了15年后,他的好友约瑟夫·普利斯特里在其《电学历史与现状》才声称富兰克林的确做了风筝实验,并补充了一些细节。这两份声明成了风筝实验的唯二史料。[2]

风筝示意图[3]

其二,最重要的是,按照富兰克林的描述,闪电击中了风筝,用手接触钥匙后,竟然毫发无损。这是不可想象的。类似的例子就发生在风筝实验的第二年,俄罗斯科学家里奇曼在家中进行类似的闪电研究,当实验进行中一个球状闪电出现,碰到了里奇曼的头,使里奇曼死亡。

为此,我们必须对当时的历史多做一些回溯。早在1749年,富兰克林就已经开始对闪电的本质进行思考,当时美洲大陆并未独立,欧洲仍然是科学的中心,信件频繁往返于欧美大陆间。彼得·克里森(Peter Collinson)是富兰克林主要的通信对象,通过他,富兰克林获得了一些实验仪器,并且可以将自己的著作传达到英国皇家学会。在1750年7月29日致克里森的信中,富兰克林建议了“岗亭”实验(“sentry-box” experiment),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。这也就是避雷针的雏形。

1751年4月,富兰克林信件集《电的实验和观察》在伦敦发表,未收录该实验设想,隔年2月法文译本出版,加入了“岗亭”实验设想。5月法国人Dalibard和Delor各自证明和重复了这个猜想。5月22日和26日,他们的结果在法国被报道。随即六月,英国杂志《Gentleman’s Magazine 》和《London Magazine》翻译转载了法国的实验结果。

“岗亭”实验设想图

1752年6月,这个时间点很有趣。正好是普利斯特里声称富兰克林做风筝实验的时间点。可以确认的是,如果他的确在此时完成的风筝实验,遥远欧洲大陆的岗亭实验成功的消息他并不知晓。事实也支持这一观点,直到当年8月27日,他的《宾夕法尼亚公报》上才转载了《London Magazine》的关于法国实验成功的消息。

站在富兰克林的角度上,我们可以理一理时间线。在他提出“岗亭”设想后,他一直认为需要把金属杆立的足够高,接近云层才能够完成实验,当时的费城没有足够高的建筑完成他的设想,在1751年到1752年间,他开始想出利用风筝这一方式代替金属杆。1752年6月,在他完成风筝实验后,在费城的Academy building and the State House (Independence Hall) 两个地方竖起了避雷针,参考Bernard Cohen在资料中[4]的结论,这两个避雷针仅是保护,不包含实验性质,并且是在知道法国结果之前。在8月底,富兰克林知晓了自己实验得到验证的消息,9月,他在自己的家中改进了避雷针,在底部系上铃铛,用作提醒。10月1日,在给好友克里森的信中,他附上了风筝实验的说明。19日,将说明发表在《宾夕法尼亚公报》上。这两份总体一致,有些许差别的文字也成了研究的重要资料。[2]

相关事件的时间线

如果我们接受这个时间线,那似乎一切都变得合情合理。Bernard Cohen在对为何延迟发布风筝实验结果的解释中说道[4]

1.富兰克林向英国报道实验结果通常是非常慢的;2.在完成风筝实验前,没有任何信息证实他的猜想是对的,富兰克林本人希望可以重复实验加以佐证;3.富兰克林希望将重要结果一起等到年底发布,在10月发布风筝实验后,同时发布了《Poor Richard》的年鉴,包含了房屋防雷,即避雷针的正式说明的重要文章;4.可能是各种因素综合的结果,心理因素也是不可忽视的。从闪电中幸免在一般人看来可能非常滑稽。据普利斯特里的叙述,富兰克林曾对他表达出了对实验失败后被人奚落的担忧。如果说对风筝实验时间上的疑问可以从资料和逻辑中,给予反驳和推断。那么对于实验本身合理性的疑问就可以直接依靠重复实验来检验,这也是最大的疑问所在。经过闪电电击富兰克林有可能存活吗?实际上,在同时代,法国一个叫Jacques de Romas的人就在进行类似的风筝实验,他和富兰克林做实验的先后顺序也是一宗疑案。总之,这个人得到的结果是

“During his experiment, he noticed ten feet long sparks and explosions.”实验中,他注意到10英尺长的火花和大量爆炸。

更直接的证据是美国《流言终结者》节目[5],在第4季第5集里模拟了这个实验。他们试图证明三件事:1、风筝能否吸引电流,并且通过长长的风筝线传递到钥匙;2、流入钥匙的电流量是否足以产生电火花;3、那股电流是否足以让放风筝者心跳停止。前两个结论得到了证实,在电力公司的高压试验场,他们用数十万电压就让试验假人的心脏停止(人体不能承受高于6mA的电流)。这仅仅是闪电电压的1%。

《流言终结者》节目图

Fake news?现在我们可以轻松地否定这个实验的存在,认为这个实验只是富兰克林的实验假设,从没执行过,或者压根没按照他描述的这样进行。毕竟富兰克林也从没亲自承认过此事。又或者给我们的前辈一个台阶下,仔细再想想是否我们一直以来误解了什么。在声明的原文这样写道

“As soon as any of the Thunder Clouds come over the Kite, the pointed Wire will draw the Electric Fire from them, and the Kite, with all the Twine, will be electrified, and the loose Filaments of the Twine will stand out every Way, and be attracted by an approaching Finger. And when the Rain has wet the Kite and Twine, so that it can conduct the Electric Fire freely, you will find it stream out plentifully from the Key on the Approach of your Knuckle.”

“当雷电云层靠近风筝,顶端的尖金属丝将从云层引出电火花,风筝和所有麻绳将带电。麻绳上的松散纤维将站立起来,并被靠近的手指吸引。当雨打湿了风筝和麻绳,它将更轻松地引出电火花,你将发现电火花源源不断从钥匙流向你的指关节。”

只考虑麻绳和手指的行为,这看起来是不是更像我们冬天摩擦毛衣生电的感觉?我们可以肯定的是,富兰克林不可能在闪电击中风筝的同时手指也接触了金属的钥匙。一种合理的猜想是,我们不能将该表述看作是同时发生的事件,风筝可能被击中,留下了部分残留的电荷,或者压根和电击无关,因为在《流言终结者》已经得到证实,晴天里的风筝仍会因为空气摩擦在麻绳上留下净电荷。如果我们将麻绳以及钥匙手指间的反应视为一种静电行为,或许在保留富兰克林老哥名声的同时,我们也能得到解答的快感。

然而,无论如何,富兰克林对避雷针的理论和实验的指导是毋庸置疑的。事实上,许多现在仍在使用的电学名词,诸如正负电荷、电容、放电放电,都来自他的说法。

从传媒的角度看,放风筝、苹果树这样浪漫有趣的故事容易成为人们口耳相传的饭后谈资,多数情况下它们被加工标签化后输出给人们并无伤大雅。只是,它多少简单化了人物,也简单化了历史,带给人们一种凡事一蹴而就的错觉。我们也很难因为放风筝、苹果树这样的故事而真正崇尚科学,这样的故事看似拉近了科学和普通人的距离,实则它们如空中楼阁,拥有的是后人强加附会的含义,而无对科学本身的启发和思考。更多的那些前人苦苦摸索的普通日子都被历史收进了相册,我们看到的只是被精心装饰后的封面。

篇幅所限,部分叙述有省略。有需要的可以对参考2、4详细阅读。本文部分观点仅为作者个人看法,欢迎指正。

参考文献

[1] 央视新闻

[2] https://founders.archives.gov/documents/Franklin/01-04-02-0135

[3] http://www.benjamin-franklin-history.org/kite-experiment/

[4] Bernard Cohen, “The Two Hundredth Anniversary of Benjamin Franklin’s Two Lightning Experiments and the Introduction of the Lightning Rod,” APS Proc, xcvi (1952), 331–66.

[5]《流言终结者》第四季第五集

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin

[7] https://www.mentalfloss.com/article/66551/true-story-behind-ben-franklins-lightning-experiment

[8] 部分图片来自网络

本文经授权转载自微信公众号“中科院高能所”。

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