第3章 物理大发明(3)

克莱斯特把这一发现写信告诉了好几位友人，他们都回信说重复做了实验却没有能够得到同样的结果，原来克莱斯特在信中少说了一句话：实验者在用钉子通电时，要手持瓶子的外表面，人站在地上（注：也就是说，瓶子的外表面必须接地！）。由于这个原因，克莱斯特的发明没有引起人们的注意。

与此同时，另外有一位实验家在荷兰也做了类似的实验。他是莱顿大学物理学教授穆欣布罗克（P.Musschenbruck）。他把金属枪管悬挂在空中，与起电机连接，另外从枪管引出一根铜线，浸入盛水的玻璃瓶中，助手一只手拿着玻璃瓶，穆欣布罗克在一旁摇摩擦起电机。正在这时，助手无意识地将另一只手碰到枪管，顿时感到电击。于是穆欣布罗克自己来拿瓶子，当他一只手碰到枪管时，果然也遭到强烈的电击。

穆欣布罗克不久在给友人的信中写道：“蒙上帝怜悯，我才免于一死。就是为法兰西王国我也不愿再冒这个险了。”信中他详细描述了实验的条件，所用器材和人的姿势。写得如此真切，令有冒险精神的读者无不跃跃欲试。后来这封信公开发表，许多人重复了莱顿的实验，莱顿瓶也由此得名。

在用莱顿瓶做试验的人当中，有一位法国电学实验家叫诺勒特（J.A.Nollet）最为出色。他改进了莱顿瓶，大大地提高了电的容量。1748年他在巴黎让二百多名修道士在巴黎修道院前手拉手排成圆圈，让领头的和排尾的手握莱顿瓶的引线。当莱顿瓶放电时，几百名修道士同时跳起来，使在场的贵族们无不目瞪口呆。诺勒特组织的表演使电的声威达到了高潮。

傅科摆的发明

胡克曾在1679年给牛顿去信，询问地球表面上落体的轨迹。他问牛顿：如果考虑地球在公转之外还有自转，空中一物体下落的轨迹是怎样的？如果在地球内部物体落在地心附近又会怎样？牛顿在复信中回答：由于地球自西向东转，空中一物体向地心落下的轨迹应向东偏离垂直线，至地心附近沿一螺旋线落向地心。胡克对牛顿的回答很不满意。再次去信指出：根本不类似于一螺旋线，不如说是某种椭圆，沿与赤道平面成51°32′的斜面向东南方向落下。胡克这一提示使牛顿吃了一惊，认识到自己对地球的运动了解得不够清楚。胡克这一很有分量的提示不是凭空提出来的，他详细研究过落体运动。

据说，他曾做过子弹从高处下落的实验，并证明了子弹落点总要落到通过垂直悬吊着的同样的子弹所求出的垂直点的东南方向。如果这一传闻属实，胡克的落体实验应该算是最早能证明地球自转的实验了。

这样的实验直到19世纪还有人在做。因为自从哥白尼提出日心说以来，虽然经过长期的论证，人们对地球的运动已经深信不疑，但还缺少直接的实验以证明地球的自转。这类实验是很有价值的，因为由此可以进一步研究与地球自转有关的许多自然现象。

不少人致力于用落体证明地球的自转。例如：1791年加格利耳米尼（G.B.Guglielmini）从波洛尼亚的塔上、1802年本岑伯（J.F.Bengenberg）从汉堡的塔上都做了落体实验，专门研究这个问题。1833年德国的莱希更进一步找了一个矿井做落体实验。这个矿井在德国萨克森，井深188米。莱希在106次独立的观测中得到的平均偏离为28毫米，方向是东偏南。但是，所有这些实验都无法直接向广大观众演示，因为偏离过于微小，气流的干扰会严重影响实验结果。

以实验方法为地球自转提供直接证据的是傅科（J.B.L.Foucault）的摆锤实验，也就是有名的傅科摆。

傅科是法国著名实验物理学家，他学过医学，当过几年医生，后来转向物理学的实验研究。

1845年任《辩论》报的科学记者，经常为科学专栏撰稿，介绍当代科学的新进展。同时，他也在自己家中开展物理实验。他研究过照相术，并用之于天文摄影。他对摆和地球自转问题的兴趣，正是起因于天文观察。1845年，他和斐索（A.H.L.Fizeau）合作，曾拍摄到太阳的照片，后来又想拍摄星体照片，这就需要进行长时间的曝光，望远镜系统在拍摄过程应能连续保持指向天空中的目标。为了控制望远镜系统的运动，使它能跟踪目标，傅科依照17世纪惠更斯未曾实现的圆锥摆钟的设计方案，做了一台特殊的钟。他用一根钢棒支撑摆锤。在实验过程中，他注意到，当把钢棒夹在车床的卡子上，用手转动车床时，钢棒振动总是要维持它原来的振动平面，不随车床转动。

这一不期而遇的现象，引起了傅科的兴趣，使他想到可不可以用类似的方法做一个表演来证明地球的自转。他知道这是一个很有价值的实验。

1851年1月8日，傅科在他家里的天花板下用2米长的钢丝吊一个5千克重的摆锤，组成可沿任意方向摆动的摆。在摆动的最高处用一根丝线拉住，然后用火烧断丝线，摆就开始摆动。傅科发现，摆动平面不断旋转，逐渐转向“天球昼夜运动的方向”。随后，傅科又在巴黎天文台的大厅里，用11米长的摆锤重复这一实验。1851年2月3日，傅科向法国科学院报告了他的发现，宣布摆动平面所描绘的圆的大小与纬度的正弦成反比。这个实验不久又按比例扩大规模，搬到巴黎的伟人祠去做。一个28千克的重球用67米长、1.4毫米粗的金属丝挂起。伟人祠挤满了观众，这个实验引起人们极大的兴趣。

傅科是一位很有才华的实验物理学家。他还在光速的测量上有过重大的发明创造。

避雷针的发明

1746年，在美国波士顿举行的电学实验讲演会上，有一位听众入神地听着莱顿瓶实验的故事，他就是富兰克林（B.Franklin），那时他已40岁。他是美国著名的政治活动家和外交家，原先当过印刷学徒工，自学成才，对自然科学很感兴趣，但直到40多岁，才有功夫从事电学研究。

他第一个提出电荷概念，用数学上的正负概念来表示两种电荷的性质，并且通过实验确定电荷守恒定律。大家都知道，避雷针是富兰克林的一项重大发明，由于有了避雷针，人类避免了许多天然灾害。然而，富兰克林发明避雷针，原本并不是为了解决现实生活中的难题，而是出于对天电的探索研究。他的这项研究成果，不但有助于破除人们对自然的迷信，认识了雷电的真实性质，而且对电学的发展有重大意义。

自古以来，天电、地电互不相关，地面上人们已经进行了许多实验，对电的性质已有所了解，但对天上的雷电却仍感到是神秘莫测。到18世纪中叶，已经有不少人认为闪电和电火花类似。富兰克林也和他们一样，通过对比说明两者的相似性，不过富兰克林的认识比别人深刻，例如：他在一封书信中列举了电流体与闪电在如下特点上一致：

①发光；②光的颜色；③弯曲的方向；④快速运动；⑤被金属传导；⑥爆发时有霹雳声或噪声；⑦在水中或冰中仍能维持；⑧劈开它所通过的物体；⑨杀死动物；熔化金属；使易燃物燃烧；硫磺气味。

然而他又认为，仅仅靠对比，还不足以作出科学论断。要确证天电、地电的一致性，最好的证据是捉住天电，也就是把天电引到地面上来做对比实验。为此他提出了一个方案，在高处安一岗亭，利用尖端把低云掠过时所带的电引到地面上来。

第一个按照富兰克林建议进行实验的是法国的达里巴尔德（T.F.Dalibrard）。他在巴黎近郊马里村的高地上建造了一所岗亭，岗亭上树立起高约14米的铁杆。1752年5月10日，黑云压天，雷雨将临，达里巴尔德和他的同事成功地把天电引进了莱顿瓶。5月13日，他向法国科学院报告了这一实验，并且说，实验的成功不但证明了闪电和电的等同性，还表明可以利用富兰克林的方法保护房屋建筑免遭雷击。

从此，到处都在重复金属尖端做避雷器的试验。富兰克林则认为，巴黎实验中用的铁杆还不够高，难以证明电是从云端引下来的，一个新的思想掠过他的脑海，何不用风筝把天电引下来做试验呢？于是，他用两根轻的杉木条做成小十字架，用丝绸手帕蒙上，扎好。取一根尖细铁丝固定在十字架的一头，伸出约半米长，拴上牵引风筝的亚麻绳，亚麻绳的下端接丝绸带，在接头处挂一把钥匙。在他儿子的陪同下，他把风筝放上天，只等雷雨天气的到来。1752年10月19日他在给友人柯林孙（P.Collinson）的信中描述了实验的情况。由于雨水打湿了风筝和牵引风筝的亚麻绳，云层中的电沿湿绳传到莱顿瓶里。等雨过后，拆下莱顿瓶，再按通常的方法使莱顿瓶放电，放出的电跟用摩擦起电机产生的电毫无两样。富兰克林写道：“由此即可完全证明电物质和闪电纯属同一回事。”

富兰克林还做过一个有名的金属桶实验，目的是设法从带电的金属桶内取出电来，他用木髓球与金属桶的内表面接触，看木髓球是否带电，可是无论如何都无法使木髓球带电。富兰克林只好写信给他的英国朋友请教，这一请教，竟导致了一个新定律的发现。这个新定律甚至奠定了电学的基础。这就是所谓的库仑定律。

电报和电话的发明

19世纪上半叶，由于电学研究的开展和电磁方面的新发现，社会上激起了广泛的热情，急切希望把这些科学成果应用于生活和生产中。其中电报和电话的发明和改进，尤其具有突出而深远的影响。

首先发明了电磁式有线电报。早在18世纪初，当格雷发现电传导性后，人们就开始探索如何用电进行通信，许多方案被提了出来，有的还试着实践一番。例如：1774年瑞士有一位工程师叫勒萨奇，利用摩擦起电，实现了最早的有线电通信。1787年西班牙的贝坦考特用莱顿瓶实现了电报传递。1809年法国人赛梅林发明电化学电报机，通过电解的气泡来反映传递的信号。然而，由于传递速度太慢，信号不够准确，这些努力都没有取得成功。

19世纪二三十年代发现了电磁感应，做成了电磁铁，当时的条件就不同了。许多人在不同的地方，不约而同地提出了用电磁效应传递电报的各种方法，纷纷宣布发明了有线电报。

有趣的是，物理学家和工程师提出的许多方案大多因不满足实际需要而被淘汰，真正经得起考验的却是一位不懂电学的画家莫尔斯（S.Morse）所发明的电磁式电报机。莫尔斯电报机并没有什么深奥的原理，可贵的是这位发明者的探索精神和执著追求。

在他之前，著名物理学家安培（A.M.Ampere）曾建议用磁针的偏转指示信号。26根导线对应26个字母，磁针放在接收一端的字母旁边，信号电流通过导线，磁针就偏向一定的方向，指示出电报中相应的字母。1832年，俄国人希林根据这一建议，发明了一台用6个磁针的偏转来表示字母的磁针式电报机，并用6根导线把收、发两端联接起来，在两座大楼间成功地进行了信号传递。

1833年，又有两位物理学家高斯（J.K.F.Gauss）和韦伯（W.Weber）合作，做成磁强计电报机。

他们只用了两根导线和一个磁针就实现了信号的传递，可以远距离地传递电报。但也只能在实验中作表演用，仍无实用价值。

真正具有实用价值的是美国人莫尔斯1837年发明的电磁式电报机。莫尔斯青年时代到欧洲学绘画，1832年在返回美国的轮船上，偶然在聊天中听到同船旅客杰克逊谈起电磁铁的神奇功能，他非常感兴趣。当他得知电流可经导线以极快的速度传导，立即想到能否用电流传递信息。尽管自己的电学和机械方面的知识很贫乏，仍决心投身于试制工作。他虚心向化学家盖尔和电学家亨利请教，坚持不懈，亲自动手做各种试验。1837年终于做成了第一台实用的电磁式电报机。开始，他用三种符号代表数字或字母：产生电火花、不产生电火花和电火花间隔的长短这三种情况代表三种符号。这三种符号的适当组合就代表数字或字母。

后来他又发明了一套用点和线代表字母和数字的符号，这就是一直使用至今的莫尔斯电码。

1840年，莫尔斯的电报机取得专利。后来又几经周折，取得美国国会的资助，在华盛顿和巴尔摩之间架设了一条相距64千米的试验性电报线路。1844年5月24日终于成功地拍发了第一份长途电报。莫尔斯从外行变成了内行，成为一名电报专家了。

电话的发明要晚一些。但是它的萌芽却比电报还早。据文献记载，1684年，英国物理学家胡克曾在英国皇家学会作了一次关于通讯的演讲。他提出经远距离传输话音的建议。他说，他曾用一根拉紧的导线传送话音，相距200米可以听到耳语声。把距离加大10倍，可能还会听到。

1837年，美国医生佩济发现一种现象：当铁的磁性迅速改变时，会发出一种悦耳的声音。经过反复试验，发现声音的响度随磁性变化的频率变化。这一新现象引起了大家的注意，很多人重复他的实验。

1844年发明电报，许多人希望运用电报的原理来传递话音。有人建议，用一只活动磁盘，当人靠近磁盘说话，同时让磁盘连续地接通和切断电源时，就可以使一定距离之外的另一只磁盘产生完全相同的振动。大约在1860年，德国的赖斯第一次用电发送了一段音乐。他把自己的装置称为“telephone”（电话）。赖斯的发送器中装有用薄羊膜做成的膜片，安有铂接点，接点上安一只铂针起调节作用。接收器中有一只电磁铁，是用一根编织用的钢针绕上导线做成，装在一块发音板上，发送器和接收器都跟电源串联。当接通发送器的接点时，膜片振动，产生间隙电流。电流传到接收器，磁针长度发生变化，发音板振动发出声音。

1875年，有两个美国人同时在研究电话传输的方法。一个叫格雷，他的方法跟赖斯差不多，不同的是在薄膜上加一根小铁杆，铁杆的另一端浸入电解液中，充当电解液的电极。当声音激励膜片时，小铁杆振动，电极在电解液中的深度忽大忽小地变化，电流也跟着变化。电解液的办法固然巧妙，使用起来却很麻烦，因此需要改进。正当格雷提出改进计划时，另一位美国人捷足先登，做出了比较理想的送话器。他就是著名的发明家贝尔（A.G.Bell）。贝尔是声学专家，祖传三代都献身于聋哑人的教育事业。1874年，他想到用电磁感应的方法把声音变成电信号，可是接收到的电流可能太弱，没有成功的把握。