热和电的奥秘

热和电的奥秘

牛顿对物理定律，特别是对引力的研究，在18世纪初由于对地球形状的测量活动而得到巨大推动。与此同时，物理学在两个领域出现巨大进展，继工业革命之后，不久就引发一场变革，这两个领域就是热学和看似神秘的电学。

什么是热？

热向来是物理学的巨大奥秘之一，在　18世纪以前　，还无人接近于解决这个奥秘。古希腊人对它的特性曾经提出三种猜测——它是一种物质　；它是一种性质　；它是普通物质的一种偶然属性（粒子运动的结果）。类似第一种和第三种的说法在18世纪仍然在一争高低。这是很难掌握的概念，原因之一就是一直没有找到一种方法去测量热的量或者度。

因此，第一道障碍就是要建立一种好的测量系统，以便对不同环境中的热进行定量比较。1708年，丹麦天文学家罗迈（Ole Christensen Roemer， 1644—1710）最早认识到，温度计需要两个固定点，于是，他设定两个可观测的温度，作为一定范围内的顶端和底端——一端是雪融，另一端是水沸腾。荷兰的华伦海特在1714年对罗迈的刻度做了一些修改，并且在他设计的温度计中，酒精换成了汞。这就意味着水的沸点以上的温度也可以测量，因为汞的沸点比酒精高得多。与此同时，瑞典的天文学家摄尔修斯（Anders Celsius， 1701—1744）利用同样的两个固定点，把其区间分成100个单位，这就是1742年他设计的所谓摄氏温标。他的同胞，生物学家林奈把他的温度计掉了一个头，让沸点为100，熔点为0，今天使用的就是这种摄氏温度计，全世界的科学家都在用它。

18世纪，受到认可的热理论是由波尔哈夫（Hermann Boerhaave， 1668—1738）建立的，他认为热是一种特殊物质。这一学说和燃素说极为吻合。就像光与电一样，燃素被认为是“没有重量的”的流体。尽管拉瓦锡粉碎了燃素说　，不过他却继续认为，热是某种流体，可以从一种物质流到另一种物质，他称之为热质。拉瓦锡于1789年出版的《化学基础论》一书中就有这些内容。这个理论在18世纪表现不错，但到了18世纪末，拉普拉斯使热质概念成为一种新的复杂的一般物质观，他的数学分析又大大提高了这一理论的威望。

华伦海特的故事

许多人知道野蘑菇可能有毒，但是华氏温度计的发明人、波兰发明家华伦海特（ Daniel Gabriel Fahrenheit， 1686—1736）的父母却不幸遭此厄运。他15岁时，父母因为误食了毒蘑菇而双双去世，留下了四个未成年的孩子。在当地格但斯克市议会的监护下，华伦海特和他的三个弟妹，都被人收养。收养华伦海特的是一位店主，在这家小店里，他一面帮助店主打理生意，一边学习薄记 。不久，他得到了一次到阿姆斯特丹旅行的机会。

在阿姆斯特丹，他第一次看到了温度计，这是60年前在佛罗伦萨发明的。华伦海特对它入了迷，决心自己亲手做一个。但是，作为一个受监护的未成年人，他有义务返回自己的家乡，不能独自留在阿姆斯特丹。于是，他决定趁监护人不注意开溜。就这样，他潜逃了9年之久，一直到24岁。在此期间，他周游了欧洲各国，和科学家谈话，讨论他感兴趣的仪器。他发现，大多数温度计的刻度是任意的，没有一个标准。“热”是由佛罗伦萨一年中最热那天的温度来确定， 因为温度计是在那里制作的；“冷”则标记一年中最冷的一天。华伦海特认识到，需要找到一种在特定温度下会改变形状的物质，这样，不同温度计指示的温度就可以具有同样的意义。28岁时，他成功地制作了两支温度计， 当把它们放在同一地点时，得出的读数几乎相同。从这以后，华伦海特一发不可收，研制了一系列更精致准确的温度计。

布莱克博士和他的朋友瓦特

18世纪60年代，苏格兰化学家布莱克教授也对热的本质很感兴趣。在工业化的格拉斯哥和爱丁堡，热这个问题尤为重要，因为苏格兰和英格兰在1707年的合并带来了富庶的经济，这就为当地威士忌酒工业开发了良好市场。大型酿酒厂用大量燃料，产生大量的热，把液体转变为蒸气，然后又不得不释放这些热量，使蒸汽凝聚成液体。为了经济地管理酿酒厂，绝对需要知道在这些过程中究竟涉及多少热量。实际上，需要从蒸汽中释放大量热，这直接影响了酿酒厂的收益。

布莱克常常说，他不能理解为什么酿酒厂的经理们不更多关注有关的科学原理，这些原理显然对他们的生计有非常重要的影响。但是在传统上，纯粹科学和技术进步之间的联系却很少被意识到，也很少得到支持。甚至今天，每当生意需要紧缩开支时，研究和开发部门经常是首先被削减的对象，经济衰退时，大学也经常是缩减预算的对象。

布莱克从未发表他的讲演稿，在讲演中他透彻地讨论了自己的思想，但是他的编辑罗比孙（John Robison， 1739—1805）却发表了选自布莱克的笔记本和自己记录的材料：

英国化学家布莱克第一个分离出二氧化碳并演示了二氧化碳的特性（他称之为“固定空气”）。

“鉴于阳光充足的冬　日山峦上的积雪并不立即融化，严寒的夜晚也不是立刻使池塘水面覆盖厚冰，因此布莱克博士确信，大量热已经被吸收，并且固定在从雪花里缓慢融化的水滴中；另一方面，当水缓慢地转变成冰时，大量热从水里释放　出来。 因为，在解冻过程中，当温度计从空气移到融雪中时，温度计往往下降；在严寒中，把温度计插入结冰的水里，温度计往往上升。 因此，在第一种情况里，雪获得了热；而在后一种情况里，水正在重新释放热。”

1762年，在大学哲学俱乐部聚会期间，一些教授在格拉斯哥非正式相聚，布莱克进一步讨论了他的观点。他指出，冰在融化时并不改变温度，但是，冰附近的物质却变得更冷了，然而冰的温度并没有升高。这是怎么一回事？热消失了吗？华伦海特曾经观察到，水可以冷却到冰点之下而不结冰，不过此时对水不能有任何扰动，否则它立刻结冰。当发生这种情况时，实际上温度是上升了！所以，当水冻结，也就是说，它的状态从液态变成固态时，它放出热。布莱克看出，水仍然保持液态，因为它含有一定的热量；当热被释放，液态消失，液态的水变成了固态的冰。

由于液态水中的热不会在温度计上显示，布莱克称之为“潜热”，表示它存在却不能用平常的方法来测量。

布莱克还提出一种测量潜热的方法。他测量融化一定量的冰所需的热量，然后把这些热量用于冰融化后所得的水，发现它的温度上升了140°F。

在1762—1764年之间，布莱克把冰的潜热概念延伸到水转变为汽这一相似现象。他发现，用同样的火力把沸水转变为水蒸气，所需时间是把水从室温加热到沸点所需时间的5倍。

此时，一位意想不到的新朋友加入了这一研究，这位新朋友就是为大学制作仪器的技师瓦特。瓦特设计了一种装置，用于演示布莱克在课堂上讨论的潜热概念并为之提供实验证据。一个意外的惊喜是，瓦特根据他从布莱克那里得到的理论启发，成功地为他正在修理的蒸汽机发明了一种新装置：分离凝聚器。结果这一发明成为提高蒸汽机效率，使之成为运输和工业获取足够经济的能源之关键。瓦特的蒸汽机以煤或焦炭为燃料，于是工厂可以在任何地方设立，可以远离河边，而靠水力开设的工厂必须就设在河边。蒸汽机不久就用于几乎所有的工业，从煤矿到冶炼厂，再到纺织厂，以及后来出现的火车和轮船。

布莱克对此非常满意，他乐于给学生们讲述瓦特的成就。当瓦特在1769年申请到专利时，他获得了应有的回报。罗比孙写道：“布莱克博士从未这样高兴过，就像这些收益是给他自己的一样……两个朋友都认为这一段成功的研究是他们一生中最愉快的事情。”

更早些时候，布莱克还证明过，不同物质的同样质量，需要不同的热量（比热）才能使它们升至同样的温度。或者，换一种说法，当两种重量相同、温度不同的不同物质放在一起时，其平衡温度并不是两个温度的中点。也就是说，同样的热量作用于两种不同的物质，产生的温度变化各不相同。布莱克信奉的是热的流体理论，因此当他得出不同物质具有不同的所谓“比热”时，他更加相信，培根的（以及后来伦福德重新制定的）热动说与比热的存在是矛盾的。遗憾的是，这一观点后来成为科学史的一个案例，说明正确的科学有时似乎也不支持一个有效的理论。

特勒维斯克（Richard Trevithick， 1771—1833）设计的高压煤车发动机，这种发动机也许类似于1801年他根据瓦特的蒸汽机建造的蒸汽马车。

伦福德伯爵与热作为运动

伦福德伯爵原来的名字是汤普森（Benjamin Thompson， 1753—1814），生于美国马萨诸塞州的沃本恩。他的生平有些离奇古怪，虽然不够高贵，但确实充满趣味。年轻时，为了庆祝废止印花税法案而制造烟火，他差点因此而丧命，那时他在塞伦一家零售店工作。康复后，他在波士顿另一间零售店又工作了一段时间。19岁时，汤普森与一个富有的寡妇结婚后就来到新罕布什尔州的伦福德（现在的康科德），在那里他的妻子继承了一处地产。但是，因为革命战争爆发，汤普森开始为英国人服务，暗中监视邻居，于是，局面变得复杂。也许待在家乡不太愉快，他留下了妻儿，随英军撤离波士顿。

在英国，汤普森为英国殖民地秘书处工作（他对美国的了解使他很受欣赏），后来与皇家学会主席班克斯爵士（Sir Joseph Banks， 1743—1820）相识，通过班克斯，他见到了当时著名的科学家。

在战争结束前，他以英军陆军中校的身份返回美国殖民地。然而不幸的是，英国输了。他被迫永久流放，只好重返英国。在英国，他的投机性格再次暴露，不但受贿，甚至还可能为法国人当过间谍，对付英国人。

纽康门蒸汽机和工业革命

18世纪初最重要的发现之一是，由煤制成的焦炭可以用来代替木炭，供高炉使用。但是在发现焦炭可以用做燃料之前，每个炉子每年要消耗200英亩的木材。这一发明，一般归功于贵格会教徒、制铁业主达尔比（Abraham Darby， 1678—1717） ， 1709年，他首次将该发明用于英国希洛普郡的科尔布卢克戴尔他自己的高炉上，达尔比就是在这里为1712年发明的纽康门蒸汽机制造铁锅炉的。英国铁匠纽康门（Thomas Newcomen， 1663—1729 ）发明的这种蒸汽机有助于为工业革命做好准备。这是一种简单的装置，先使大量冷水烧成蒸汽后进入汽缸，产生大气压力，推动活塞。到1733年这种蒸汽机广泛用于煤矿抽水，以免积水淹没煤矿通道，从而使煤的产量大大提高。

1783年，他得到乔治三世的允许前往欧洲大陆，在那里他为巴伐利亚的选帝侯^[1]西奥多（Karl Theodor， 1724—1799）效力。汤普森对付各种行政工作绰绰有余，当过战争大臣和国会议员。他为无家可归者建立贫民习艺所，引进瓦特蒸汽机和马铃薯，还做了其他一些好事。选帝侯很满意，于是汤普森在1791年成为神圣罗马帝国的伯爵，取名为伦福德，也许是出于怀念留在新罕布什尔州的地产的缘故。

伦福德在巴伐利亚时，对科学极有兴趣，深深地关注热的本质问题。1798年，他在慕尼黑掌管大炮镗孔的工作，注意到当钻孔机钻孔时，金属会变得非常之热——热到必须用水冷却。对此，热质说的支持者会这样解释，在切削过程中，无重量的热质流体从金属中不断被释放。但是伦福德注意到，只要钻孔在继续，就会不停地释放热，并且如果测量在此过程中释放的热质数量，其总数足以熔化金属，假如（以某种方式）再把它灌回空弹壳的话。他还注意到，如果他用的钻孔机钝到无法切割金属，此时，金属反而会变得更热，至少不低于这一情况下所释放的热质——即如果正是切割过程引起热质释放的话。

汤晋森，后米碳称为伦福德伯爵，过的是浪子生活，开始于美国，终结于英国和法国。他最出名的是对热的本质的探索。

于是伦福德提出了热动说，也就是说，钻孔机的机械运动转变成了热。因此他说，热就是运动的一种形式。在他之前，培根、波义耳和胡克都曾经暗示过这一思想。

伦福德的思想很快得到一些人的强烈支持，他们抛弃了热质说转而支持热动说。但是在18世纪末，热质说仍然受到大多数物理学家和化学家的青睐，他们无疑仍然受到拉瓦锡权威见解的影响并且相信数学对热质说的支持。直至焦耳（James Prescot Joule， 1818—1889）提供了一种数学上的定量说明，即一定量的机械功会产生多少热，这才证明伦福德是正确的。

在巴伐利亚，他那投机取巧的性格终究不再表现。伦福德于1798年回到英国，鉴于他的成就，他在英国被接纳进入皇家学会，同年创建了皇家研究所。托马斯·杨（Thomas Young， 1773—1829）和戴维，两位正在崭露头角的年轻物理学家，成了这个研究所的演讲者，特别是戴维，他对伦福德的理论充满热情，发表了一个由他亲手做的支持该理论的实验结果。但是大多数物理学家仍然没有被说服，直到1871年麦克斯韦（James Clerk Maxwell， 1831—1879）最终建立分子运动论，这已是70年以后的事了。

1804年，伦福德（他的第一位妻子已经去世）娶了拉瓦锡的遗孀玛丽-安妮，她很有钱，当然也很有名（在与伦福德结婚后，她仍然保留拉瓦锡的姓）。他50岁，她大约47岁。但是，他们的婚姻生活并不顺，一结婚就开始争吵，只在一起过了4年。伦福德私下认为，与自己相比拉瓦锡上了断头台还是幸运的。正如一位历史学家所说，伦福德算不上出类拔萃，但也做到仁至义尽了，至少在伦福德自己看来——他离开时只带走玛丽-安妮·拉瓦锡的一半财产。

伦福德与第一个妻子所生的美国女儿在1811年来到他身边，照顾他的晚年生活。虽然他性格粗野，常常肆无忌惮，但是除了对科学的贡献外，他还作出了许多实用性的发明，其中包括双层蒸锅、滴注咖啡壶以及炊事套具。他有意不申请专利，以便人们可以免费使用。1814年去世时，他把大部分遗产留给了美国，还给哈佛大学捐赠了一个应用科学的教授职位。

电学：大型室内游戏

很长时间来，人们对电知之甚少。古希腊人和古中国人都知道，一块琥珀，如果经过摩擦，可以吸引诸如羽毛或布片之类轻盈的东西。希腊人把这一化石树脂物称为elektron，这就是电（electricity）这个字的由来，但是对电却知之甚少。

1600年，吉尔伯特在他的《论磁》一本书里区分了磁和电，磁就是磁石吸铁的能力，电则是琥珀（和他发现的其他物质，如黑玉和硫黄）被摩擦后吸引物体的能力。他最早指出，这一特性并不是琥珀、黑玉和硫黄固有的，它是一种流体，经过摩擦产生或者转移。但是他对电没有作太多讨论，因为他认为这一现象不值一提。

很长时间以来电都被认为不值一提。17世纪爱尔兰科学家波义耳与当时任何人一样欣赏一项愉快的娱乐，他这样记述：

“……　一绺绺假发，干燥到一定程度后，就会被人的肢体吸引。我通过让两位漂亮的女子戴上它们证明了这点。有时我观察到，她们无法阻止假发飘向面颊，或者贴在面颊上，尽管她们没有用胭脂。”

波义耳的同代人，萨克森地区马德堡的盖里克（Otto Von Guericke， 1602—1686），用一个旋转着的硫黄球当做起电机，做起电学实验。他把熔融的硫黄和其他矿物质注入一个当做模子的玻璃球中，然后撤除玻璃球，这一器械“与婴儿的头一般大”。为了使它能够绕轴旋转，盖里克穿过中心打了一个孔，插进一根带有把手的铁棍。然后一只手握住硫黄球，另一只手使它转动。摩擦使球带电，于是球就可以吸引其他物体。盖里克发现，他能把电传到其他物体，诸如另一个硫黄球。他还注意到另一件有趣的事情：原先会吸引硫黄球的物体，一旦与硫黄球接触后，就会被硫黄球排斥。

用电做实验既有娱乐性——没有危险才行——也可受到教益。

到了18世纪，带电玻璃球和棍棒成为风靡欧洲的娱乐用具。聚会上，宾客们以这样的方式彼此逗乐：相互电击、吸引羽毛之类的轻盈物体、使对方头发竖立。

当然，科学家感兴趣的是现象背后的原因。他们猜测，这可能是另一种“没有重量的”流体，尽管已知的流体大多可归入热和燃素，而燃素就是引起燃烧的物质。为了解释盖里克注意到的吸引/排斥现象，最流行的理论是二流体论。一种流体排斥，另一种流体吸引。用毛皮摩擦玻璃棒或玻璃球会转移一部分流体，产生电荷。而相反的流体彼此吸引（与磁铁中相反的磁极相互吸引一样）。

1729年迎来一次突破性事件，格雷（Stephen Gray， 1666—1736）发现，当他用软木使玻璃管的任一端带电时，不仅玻璃管，而且软木也带电了。他发现了导电现象。还有一种叫做莱顿瓶的装置，因荷兰的莱顿市而得名，它的问世带来了更多富有成果的实验。1745年左右，荷兰与波美拉尼亚的发明家分别发明了这种莱顿瓶。这是一个玻璃瓶，里外两层分别被金属所覆盖，本质上是一个储电器［半个世纪后伏打（Alessandro Volta， 1745—1827）称之为“电容器”］，可以储存由摩擦产生的大量静电荷。如果想让带电的莱顿瓶放电，只要把手靠近它的中心棒就行，在早期的电学研究中，许多研究者因此而遭受猛烈电击。当一片金属靠近莱顿瓶时，只见接缝处会迸出火花，同时还伴有噼啪声。

像玻璃球及玻璃棒一样，莱顿瓶成了社交集会上的热议话题。但是它的发明也标志了对电的本质和特性进行认真研究的开始。

富兰克林：电学行家

美国科学家富兰克林生前以国家领导人、外交家、天才发明家和心灵手巧的织布工而赢得声誉。他还因其充满灵感和活力的心智而著称于世。他是许多欧洲科学家的朋友，包括普里斯特利和拉瓦锡。他的电学工作，有些甚至冒了极大的危险，更是闻名遐迩。

42岁那年，他以一名富裕商人的身份退休，从此无牵无挂地投入早在1746年就已开始的电学研究。他提出了一种理论，认为摩擦电是“电流体”的转移，从而使表面带“正电”或“负电”。正电可能就是一种多余的流体，负电则是一种流体的缺乏。尽管流体理论本身在18世纪后就销声匿迹，但正电荷和负电荷的概念则一直沿用至今。这个“单流体理论”打破了被普遍接受的“二流体理论”。

富兰克林还提出电荷守恒定律，这个定律是说：为了产生一个负电荷，一定会有等量的正电荷出现。还有，宇宙中所有的负电荷和正电荷必定完全平衡。所以，如果有人用羊毛衫摩擦气球，气球得到了负电荷，但把正电荷留在羊毛衫上。然后，如果把气球靠近墙面，它会吸在那里，因为它的负电荷吸引了墙上原有的正电荷。富兰克林的电荷守恒定律和单流体理论有助于解释刚刚发明的莱顿瓶背后的原理。

莱顿瓶那大容量的电荷储存能力使得有可能用它来做各种类型的实验，派上不同的用场，进行各种表演。富兰克林对此十分欣赏（他曾经如此赞叹：“多么奇妙的瓶子……多么神奇的瓶子！”）。于是1749年，他和朋友们决定在苏基尔河岸上举行一场聚会。聚会的主题就是电及其应用和奇观。他们计划通过水来隔岸传递火花，用电击杀死火鸡（可以使鸡肉更嫩），并在由“电瓶”点燃的火上烘烤。但是，这一天以相当令人震惊的记录结束，富兰克林在给他的兄弟约翰的信中写道：

“正准备用两个大玻璃瓶（其中的带电量相当于40个普通小瓶）放电杀死火鸡时，由于疏忽，电荷竟整个通过我自己的手臂和身体，这是因为当我的一只手握住一根使两个瓶子相连的电路时，另一只手刚好碰到了位于顶部的金属连线，于是产生了火花。据现场的同伴们（他们中有的正在与我说话，有的正在相互交谈，我想是我不小心导致了这一结果）说：闪光非常亮，噼啪声也非常响，如同枪声。然而，我立刻失去了知觉，既没有看到闪光，也没有听到响声，也没有感觉到双手受到的电击……我无法描述我的感受，这是从头到脚对我全身的打击似乎来自内部也来自外部。在这以后，我最先注意到的就是身体的急速摇晃，然后逐渐缓和，感觉也逐渐恢复。”

噼噼啪啪的声响和火花的形状使富兰克林想到莱顿瓶中的静电与天空中的闪电之间的关系，由此导致他做了著名（也是危险）的实验。1752年的一个雷雨天里，他放飞了一个特制的风筝，牵着风筝的丝线连着一个尖尖的金属钥匙。他的思路是：丝线（丝绸导电性能很好）会把天空的电传到地面（假设天空有电）。他注视着天空，等候合适的时机，当看到云层中隐现闪电时，他立刻握住钥匙。只见一个火花顿时迸出，就像莱顿瓶放电一样。富兰克林还让闪电使莱顿瓶充电。他由此证明，闪电在本质上就是电，于是他被选为伦敦皇家学会会员。

富有进取心的富兰克林

富兰克林除了积极从事科学和政治活动以外，还是美国第一位重要的出版家， 自1732年开始，他的《草民理查德年鉴》　 （Poor Richard’s Alamanack）在以后的25年里连续发行了25版，成为殖民地时期最流行的出版物（仅次于《圣经》）。年鉴是一本农业手册，里面全是有关健康和个人卫生的各种建议以及随意却是有用的信息，字里行间充满乡土气息，据说出自于理查德之口，实际上就是富兰克林本人。

富兰克林多才多艺，兴趣广泛——他对于电学研究（及其娱乐价值）充满兴致。

富兰克林当过邮局总监，他重整了杂乱无章的殖民地邮政服务，除了改善一般的邮政服务之外，也改进了《草民理查德年鉴》的发行工作，增加了乡村邮政力量，提高了邮递速率，改进了从缅因州到乔治亚州的通道，这一通道后－来称为国王大道。

经商的成功以及诸如富兰克林火炉之类的实用性发明，使他家境富裕，衣食无忧。1748年，他提前退休，接下来他要把余生奉献给科学研究。他的研究工作包括著名的电学实验，以及关于光的设想，这一设想反对光的微粒说，预示了19世纪初托马斯·杨的工作。

富兰克林在1743年创建了美国哲学学会后，又在1749年创建了一所学院，即后来的宾夕法尼亚大学。1757年，他作为宾夕法尼亚议会代理人出访英国，并且多次往返于大西洋两岸，参加皇家学会活动，与此同时积极参加美国殖民地独立运动，并成为这一运动在英国的首席代言人。

也许最负盛名的是，富兰克林是1776年《独立宣言》的起草人之一，也是这一宣言最著名的签名者之一。在法国担任外交官（1777—1785）期间，他成功地为美国获得了来自法国的援助，在革命战争末期的和平谈判中发挥了积极作用，正是这场谈判保证了美国在1783年的独立。

美国第一位世界级人物富兰克林，　在战争后获得了如此之高的声望 以至于他很快就发现自己再次陷入民事和政治活动之中。他继续在很多方面发挥作用，包括在批准美国宪章中发挥的重要作用，直到1790年去世。

但是，富兰克林非常幸运。后来有两个人试图重复他的实验，都被电击身亡。

富兰克林崇尚实用，总是把自己的知识立即付诸应用，他发明了第一支避雷针，到1782年，在他生活的费城，就有400户人家装了避雷针。他还在自己的家里装上铃，每当带电的云团在上空越过就会叮作响，于是他就抓住机会收集电荷或进行实验。

富兰克林的科学著作《电的实验与观察》（Experiments and Observations on Electricity）一书中的插图。

在一个风雨交加的日子里，富兰克林用风筝和金属钥匙证明闪电是电的一种形式。幸运的是，他活着记录了实验结果。其他的实验者却没这么幸运。

库仑定律

1785年，库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736—1806）建立了另一条重大的电学定律。他决定用两个带电的软木球测量电力，软木球固定在一根棒上，棒又挂在一条金属丝下。在附近，他放了两个带相反电荷的软木球。他准确地知道每个球上带的电荷，从金属丝的扭曲量还可以计算两球之间的吸引力^[2]。结果使他和所有人大吃一惊。他发现两个电荷之间的电力取决于两个电荷的强度。也就是说，两个电荷的电量越大，它们之间的吸引力越强。他还发现，它们离得越远，吸引力越弱。如果距离加倍，吸引力只有原来的四分之一；如果距离是原来的三倍，吸引力将降到九分之一，等等。他把这些观测结果总结成库仑定律，说的是两个电荷之间的力正比于电量的乘积，反比于电荷间距离的平方。

库仑和他的同事非常吃惊地认识到，这一平方反比关系正好和牛顿的万有引力定律类似。从库仑的工作可以明显看出，引力和电的作用方式非常类似。接着，他又对磁做了类似的研究，发现磁力也服从平方反比定律，这是非常令人兴奋的消息，因为它证明这三种基本力都服从类似的定律。宇宙，确实是按一套简洁、有序的原理运行。当18世纪行将结束时，物理学家一定有一种兴奋感，预期未来的发现，尤其会在电学领域，这门原来“不值一提”的学科，突然变得格外引人关注。

18世纪的曙光照亮了新时代的黎明，在这个新时代里，电将被人类利用并产生效益。到了1800年，意大利物理学教授伏打发明了第一只电池，使科学家可以储存电，从而在实验室的条件下更有效地研究电。到了1831年，英国物理学家和化学家法拉第（Michael Faraday， 1791—1867）通过磁铁在铜线圈里的运动产生了电，制成第一台发电机。

18世纪给物理科学留下的遗产

在物理科学中，18世纪给后人留下的遗产，包括了很多平实却是关键的贡献：对定量分析重要性的新认识，伽利略的严格方法论、观察和实验原则的继续运用，实验技能的完善等等。

再有，18世纪哲人^[3]和实验家在物理科学的每个领域都作出了理论和实验的进展。

天文学里新行星的发现、太阳距离的测量以及关于星云和星系这一新概念的建立，揭示了太阳系和宇宙要比先前想象的更大更复杂。

地质学家，在与圣经中的创世论进行论战的同时，也对岩层和其他地质形成进行了广泛的研究，从而形成了关于地球历史的丰富理论。到18世纪末，由于居维叶的灾变论被广泛采纳，他们暂时受到压制，但是赫顿已经为均变论的发端做好了准备，事实证明这一理论更有成效，至少在当时。

18世纪我们已经看到化学领域发生了真正的科学革命，它与中世纪的联系已被彻底中断。布莱克和拉瓦锡建立了新的定量方法；普里斯特利、舍勒、卡文迪什、拉瓦锡等人都对重新认识气体作出了贡献；新的科学命名法对化学语言带来了急需的准确性。

在物理学领域，由于成功地测量了地球形状，牛顿的万有引力定律得到验证。尽管有关电的本性的争论还刚开始，电作为一种流体或“热质”的理论一时还难以清除，不过有关电的特性的发现及其测量方法的问世，使得工业革命的某些技术突破成为可能。18世纪我们还目睹了对电现象的第一批科学研究，其中包括第一个电容器——莱顿瓶——的发明和有关其特性的探讨。

然而，在物理科学中还有许多需要做的事情。电的真正本质是什么？什么是磁？什么是热？什么是光？化学反应的核心奥秘是什么？宇宙究竟在何种程度上超越我们的梦想？地球是年轻还是年迈？是什么力量使它成形？

这些探究留给了未来的世纪。神奇复杂的故事还有更多幕要上演。事实上，它也许绝不会闭幕。但是现在，18世纪的科学研究者通过他们与自然的对话，已经打开了一张富有挑战性的新清单，这个清单提出了物理科学中的许多问题。现在该轮到下一代研究者去寻找新答案了。不过，那是另一个故事。

与此同时，在生命科学中，理性时代和牛顿革命的精神，正在为复杂的研究路线提供新的结构。

【注释】

[1]德国有权选举神圣罗马帝国皇帝的诸侯。——译者 注

[2]库仑在实验中并不是直接测量电量和电力，他也没有可能精确测量电量和电力。他是通过比较的方法，证明电荷之间的电力与电荷之间的距离的平方成反比。——译者注

[3]法国启蒙运动中出现的通俗哲学家。——译者注