中国古代物理学-摩擦起电和雷电

琥珀和玳瑁〔dai mao代帽〕是古代人最早发现具有摩擦起电性质的两种物体。琥珀是一种透明的树脂化石。玳瑁，是类似龟的海生爬行动物，其甲壳也叫玳瑁。从新石器时代起，人们已将琥珀当作装饰品之一；东汉时期，琥珀被雕成玩赏动物。因此，理应在文字记载它的摩擦起电现象之前很久很久，人们就发现了它的类似性质。东汉王充、东晋郭璞〔pu菩〕都在他们的著作中记述了玳瑁吸取草屑的现象。琥珀从魏晋时起已成为中药材之一。因此药物学家都以布摩擦琥珀，或以手心摩擦琥珀，看它是否能吸引草屑而检验琥珀的真假。三国时期，人们已经发现琥珀不能吸引腐烂的草屑。我们知道，腐草含水份，它已变成导体而不是绝缘体。因此，带静电的琥珀不能吸引它。

　　除了琥珀和玳瑁之外，古代中国人还发现了毛皮、丝绸等物质的静电现象。它们之所以被发现，是由于静电火花引起了人们的注意。

　　西晋时张华(公元232—300年)在《博物志》中记述了两个静电现象。一个是黑夜用梳子梳理头发，发现梳齿尖端的放电亮光，并听到微弱的放电爆声。另一个是黑夜猛地解脱衣服(毛皮或丝绸质料)，也能看到闪光和听见声音。明代人对后一个现象作了详细记述。张居正(公元1525-1582年)说：“凡貂裘及绮丽之服(即绫罗绸缎)皆有光。余每于冬月盛寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状。”(《张文忠公全集·文集第一一》)与张居正同时代人都邛〔qiong琼〕这样描述丝绸的摩擦起电：人们用绫罗绸缎作衣服，“暗室中力持曳，以手摩之良久，火星直出”(《三余赘笔》，见《说郛〔fu伏〕》本)。中国是丝绸的故乡，古代人对这类静电现象无疑是非常熟悉的。除此之外，唐代人发现摩擦猫皮的静电火花和声音；宋代人发现孔雀毛静电感应现象。用这种羽毛作掸〔dan胆〕子，尘灰不飞扬。

　　雷电是古代人熟悉的又一种电现象。阴雨天，大气电场增强，当局部场强达到空气击穿电位差时，就会放电发光。雷电发生在云内、云际、云空之间和天地之间。在距今约3500年前的殷商甲骨文中，已有“雷”字。东汉王充说：“云雨至则雷电击”(《论衡·雷虚篇》)就明确地提出云雨与雷电的关系。人们常看到的雷电是线状闪电，比较罕见的是联珠闪电和球状闪电。明代张居正记述了后一种现象：某日“天微雨，忽有流火如球，其色绿，后有小火点随之，从雨中冉冉腾过予宅，坠于厨房水缸之中，其光如月，厨中人惊视之，遂不见。”(《张文忠公全集·文集第一一》)这是同时出现的球状闪电和联珠状闪电，张居正记下了火球的颜色、大小、形状、出现时间和定性的漂移速度。观察和记录都很细致。

　　雷与电实际上是同属大气放电的两种物理现象：声和光。因为光速远大于声速，所以人们总是先看见闪电亮光，然后才听到放电声音。古代人对这两种现象都作了忠实记载，如《南齐书·五行志》说：“十月庚戌，电光，有顷雷鸣，久而止。”在历代史书中这种记录随手可拾。

　　发生雷电的大气电场是相当高的。但是，当大气中有尖锐导体存在时，电光可以在较弱的大气电场中发生，形成所谓“尖端放电”现象。古代的兵器，如矛、戈、戟等，都有尖利的锋刃，有些兵器连柄也是金属的。从公元前后起我国就有关于尖端放电的记载。《汉书·西域传》曾记述元始年间(公元1-5年)，汉朝廷为开辟通往玉门关的近道，与当地车师后王国(国王叫姑句)发生一场小小战争。在那日夜备战的时刻，兵士们看到“姑句家矛端生火”。据载，永兴元年(公元304年)，成都王发动叛乱，阵兵邺〔ye叶〕城，夜里“戟锋皆有火光，遥望如悬烛。”(干宝：《搜神记》卷七)此外，古代许多关于塔尖顶放电现象的记载也属尖端放电一类。

　　值得注意的是，古代人在长期观察雷电现象中，已经看出导体和绝缘体的差别。南朝时，有一次雷电袭击寺庙，“电火烧塔下佛面，而窗户不异”(《南齐书·五行志》)。佛面是金属粉刷的，当高能量雷电通过时自然被融化，而窗户或者未被雨淋湿(干燥的木头是绝缘体)，或者不在雷电通路上，故此仍完好无损。沈括曾描述了这样一件事：有一次雷电打入一平民家，该家有一漆木盆，内藏金银诸器，“其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器不曾焦灼”；有一宝刀在刀鞘中熔为汁，皮制刀鞘却不曾损坏(《梦溪笔谈》卷二十《神奇篇》)。根据前人的大量记载，明代方以智总结道：“雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。”(《物理小识》卷二)“金石”指金属物体。它和潮湿的木头、石块、人体和动物体都是导体；漆、皮革、干木、琥珀、玳瑁、丝绸都是绝缘体。近代关于导体和绝缘体的分类正是根据它们对电的不同效果而分别命名的。方以智虽然未曾从概念上加以明确区别，但也确实认识到它们对于电的不同性质。

　　在科学史上颇有意义的是，汉代王充曾以雷电烧焦人的头发、皮肤、草木等五个例子来证明雷电的本质是火(《论衡·雷虚篇》)。18世纪美国富兰克林(公元1706—1790年)曾冒着生命危险证明天上雷电与地上琥珀电是一致的，它们都是火。富兰克林的论证方式及论证证据，几乎都与王充相同。