【大宇宙小故事】09 除了蘋果與風箏

撰文|葉李華

如果你覺得這個題目有點奇怪,那是因為完整的題目是〈除了蘋果與風箏,牛頓和富蘭克林還有多少交集?〉

信不信由你,他們兩人的交集還真不少,所以我們閒話少說,直接進入正題,而且一律採用「有話則長、無話則短」的原則。

1.舉世聞名的偉人:無庸贅言。

2.國家級英雄:牛頓死後葬於西敏寺(這是英國公民的最高榮譽),還有一座巨大的紀念碑。富蘭克林則是美國開國元勛之一,咸信其歷史地位僅次於華盛頓。

3.英雄不怕出身低:牛頓是農家子弟,母親一心想讓他當農夫。富蘭克林則是小商人的兒子,共有十六個兄弟姐妹,十二歲就開始當學徒。

4.生為大英帝國子民:不過富蘭克林去世時已是美國公民。

5.享壽八十四歲:牛頓(1643-1727)、富蘭克林(1706-1790)。

6.母語皆為英文:牛頓常用拉丁文撰寫學術文稿,而富蘭克林雖懂好幾種語言,但大多以白話英文寫作。

7.博學多聞博古通今:富蘭克林是標準的百科全書派人物;牛頓除了精通本行的天文、物理與數學之外,(至少)對神學與煉金術有深入研究。

8.英國皇家學會院士:牛頓三十歲入選(1672),富蘭克林則要等到五十歲(1756)。

9.曾任重要公職:牛頓擔任過皇家鑄幣局的局長,而富蘭克林在美國(實質)獨立後做過郵政總長、駐法大使以及賓州州長。

10.鈔票上的肖像:牛頓曾在一英鎊的紙鈔上露面,富蘭克林至今仍是最大面額美鈔($100)上的肖像。

11.成為物理單位:「牛頓」是力的單位,「富蘭克林」則是電量單位。

12.影響深遠的發明:牛頓發明了微積分,富蘭克林發明了避雷針,但兩者的優先權都有些爭議。

蘋果與風箏的迷思早已深入人心,從Penguin Random House出版的這兩本兒童讀物的封面即可見一斑。

此外還有四個交集,需要逐一仔細討論:

13.「起電機」的改良

古希臘人已經知道摩擦生(靜)電這種物理現象。科學史家通常將這個發現歸功於公元前六世紀的泰利斯(Thales of Miletus),但這只是輾轉抄襲的結果,絕不能視為定論。

直到兩千多年後,摩擦生電才終於從純手動進步到機械輔助(即所謂的起電機),但仍然需要以人力驅動。起電機的原型是德國科學家格氏(Otto von Guericke)於十七世紀發明的,發電主體為旋轉的硫磺球,不過只能算是概念機,並沒有實用價值。

牛頓在1704年出版的《光學》中,提出玻璃球旋轉發電的可行性(所以牛頓也研究過一點電學)。不出幾年,牛頓的門徒豪氏(Francis Hauksbee)便製作出史上第一台實用的起電機。

大約四十年後,富蘭克林在打造自己的電學實驗室之際,大幅提升了當時起電機的效率,成品通稱為「富蘭克林靜電機」。

富蘭克林靜電機(圖像來源:維基百科)

14.重要的守恆律

富蘭克林對電學的興趣始於1746年,短短一年內,他就做出一個重大發現。

當時學者普遍認為電有兩種,所謂的「玻璃電」和「樹脂電」。顧名思義,前者是摩擦玻璃所生的靜電,後者則以此類推(琥珀的電當然屬於「樹脂電」)。而根據實驗結果,這兩種電服從「同種相斥、異種相吸」的規律。

富蘭克林則獨具慧眼,認為兩種電的本質相同,差異僅在於「正負號」而已。正如同在數學家(而非經濟學家)眼中,資產和負債的差別也只是正負號不同罷了。必須強調的是這裡的「資產和負債」並非只是比喻,精通會計學的富蘭克林很可能真的是從這兒得到靈感。

由於「平衡原則」是會計學的金科玉律,富蘭克林自然而然更上一層樓,從「正負電」的概念推論出了「電荷守恆律」。無獨有偶,英國科學家沃森(William Watson)幾乎同時提出相同的理論。

不過有些遺憾的是,由於當時誰也不知道電的本質(直到一百五十年後電子才終於顯露蹤跡),富蘭克林認為不妨將「玻璃電」稱為正電,「樹脂電」稱為負電──這正是姍姍來遲的電子必須被定義為「攜帶負電」的原因。假如富蘭克林當初做了另一個選擇,我們今天就會方便多了。

牛頓又提出過什麼重要的守恆律呢?

並非能量守恆,因為能量這個概念在當時還不明確;也不是動量守恆,因為已經有人捷足先登。正確答案是,在傳世之作《自然哲學的數學原理》中,牛頓以陀螺為例,闡述了如今所謂的「角動量守恆律」。

就今日觀點而言,物理學中最基本的守恆律屈指可數,上述這兩個都名列其中。

15.深入人心的科學圖騰

想必大家都會同意,科學史上最有名的圖騰就是牛頓的蘋果,不過富蘭克林的風箏也不遑多讓。巧合的是,這兩個圖騰都禁不起嚴格的歷史考據。

牛頓的故事在〈蘋果‧蘋果‧蘋果〉這篇文章中已有詳細討論,在此不再贅述。至於富蘭克林放風箏的故事,廣為流傳的版本如下:公元1752年6月10日(一說15日),富蘭克林和長子威廉在雷雨中進行了一個大膽的實驗,利用風箏線把天上的閃電引到地面,富蘭克林還伸出手來試試觸電的感覺。

這個故事的原始出處是1767年出版的《電的歷史與現狀》,作者是富蘭克林的好友普氏(Joseph Priestley),因此它要算是標準的二手資料。至於第一手資料,目前為止只存在於傳說中。

耐人尋味的是,富蘭克林父子對於普氏的記載從未正式承認或否認。而更耐人尋味的是,根據十分可信的第一手資料,當年5月10日已有幾位法國學者「搶先」做了這個實驗。不過他們捕捉閃電的工具並非風箏,而是豎立在地上的金屬棒,相較之下當然比較安全。

由此可知,無論富蘭克林放風箏的事蹟是真是假,捕捉閃電的優先權都和他無緣。但如果你從小就崇拜富蘭克林,大可不必有幻滅或失落感,因為你的偶像可以說是雖敗猶榮,原因稍後便會分曉。

至於有史可考的「風箏實驗」,最早的紀錄是1753年5月(一說7月),主持人是另一位法國科學家。由於他相當謹慎,在實驗過程中沒有發生任何意外。

事實上,捕捉閃電的實驗無論如何還是非常危險,同年稍後(1753.08.06)在俄國就發生了一樁悲劇,使得實驗主持人(Georg Richmann)成了第一位因電學實驗而捐軀的科學家。

16.統一天上地下的物理現象

許多物理現象起初都是以一體兩面(甚至多面)的形式呈現人類眼前,因此在物理學的發展過程中,經常會出現類似瞎子摸象的情形。

等到實驗和理論累積到臨界點,總會有某個人靈光一閃,看清這個現「象」的全貌。換言之,物理學的發展一直是個分久必合、不斷統一的過程。

最有名的例子,就是牛頓之前的學者(例如哥白尼)認為「月球環繞地球」和「蘋果墜落地面」是兩種不同的物理現象,牛頓則巧妙地將兩者統一在萬有引力定律之下。

電學的發展也不例外,很早以前就有學者懷疑「天上的閃電」和「實驗室的電(火)花」相當類似,只是規模天差地遠罷了。

富蘭克林在研究電學的過程中,對這種看法越來越有信心。舉例而言,他曾在筆記中詳細條列兩者的十二個相似點:(1)都會發光,(2)光的顏色類似,(3)都不走直線,(4)都很迅速……

1750年7月,信心十足的富蘭克林寫了一篇論文,提出「閃電就是天上的電花」這個假設,並詳述可行的實驗方法(將削尖的金屬棒豎立在雷雨中)。這篇論文收錄於次年出版的《電學的實驗與觀測》一書中,而該書很快就有了法文版。因此短短兩年後,上述的法國團隊(成員之一正是法文版的譯者)便依樣畫葫蘆,順利完成這個實驗。他們在發表成果時,並沒有把富蘭克林忘記。

既然「驗證閃電本質的方法」為富蘭克林首創,即使他自己並未放過「電風箏」,我們還是可以斬釘截鐵地說,富蘭克林在電學上的貢獻足以媲美牛頓的千古功績。

《電學的實驗與觀測》書中關於捕捉閃電的敘述(圖像來源:Internet Archive, 紅框為本文作者所加)

 

 

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