爸爸，我们一起把这本书讲给更多人吧！

Posted 2022-12-01 turingbooks

1857年8月5日，爱尔兰西部的瓦伦西亚岛码头，天气晴朗，万里无云，正是出海的好天气。

这天，几百艘小船团团围绕着一支奇怪的船队，这支船队的最中心，是一艘吃水量5000吨、名为“尼亚加拉号”的三桅战舰。人们好奇地看着一段长长的电缆从“尼亚加拉号”上垂放下来，由几艘小船送到岸上，深深嵌进坚实的土地。

三桅战舰是有三根以上桅杆，除最末桅为纵帆，其余桅均为横帆的帆船。风帆时代的海上霸主，《加勒比海盗》中的皇家海军无畏号战列舰就是这种三桅战舰。

船队即将出航，一位牧师在岸边发表演讲。“啊，永恒的上帝啊”，他这样开始说道：“是你独自拓展天空，控制大海的汹涌澎湃；天上的清风，海里的潮汐都听命于你，求你仁慈为怀，俯视你的仆人……以你的诫命，遏制每个障碍，排除一切可能妨碍我们完成这项重要工作的任何阻力。”随后，所有人在海滩上、海面上和船只上挥动起手臂和帽子。船队升起风帆，海风吹起风帆，船只缓缓出航，陆地慢慢地在朦胧的远方消失。

这一天，人类正试图把自己最大胆的梦想之一变成现实。这是人类历史上第一条跨越大洋的海底电缆：跨大西洋电报电缆。

1

1747年的一个春天，巴黎修道院前人山人海，观众包括当时的法国国王路易十五和他的皇室成员，这里正在进行一场特别的“魔术”表演。

700名修道士手拉手围成一圈，队伍足足有280米长。魔术师把一个玻璃瓶放在排头修道士的手中；接着，他从玻璃瓶中牵出一根金属线，当队尾的修道士握住这根金属线时，一瞬间，所有的修道士都同时跳起来。

“这是电的力量！”魔术师大声地说：“这个装电的瓶子叫莱顿瓶，是尊敬的马森布洛克教授的杰作，我们向他致敬。”这位魔术师是法国修道士诺莱特。

147年前的1600年，英国医生吉尔伯特发表近代电学、磁学的开山巨著《关于磁石、磁性体及磁性地球的新自然哲学论》。在书里，吉尔伯特将琥珀、玛瑙、宝石、树脂、水晶、硫磺、封蜡等作为实验对象，用呢绒、毛皮、丝绸等进行摩擦，发现有些物质可以产生“琥珀力”，吸引细小的物体；有些物质则不能产生“琥珀力”无法吸引细小物体。吉尔伯特将这里的“琥珀力”命名为“电”。

吉尔伯特《磁石论》封面

所有的物质都由原子组成。原子由原子核和电子构成。原子核由质子和中子构成。质子带正电，中子不带电，所以原子核带正电。电子带负电。原子中质子和电子的数量相等，从外部看来，原子本身为电中性。

原子构成图

电子绕着原子核周围的轨道运转。离原子核最远的电子受到来自原子核的引力较弱，当受到外部施加的热或者光的影响时，便有可能离开运行轨道。离开轨道的电子在原子之间自由移动，称为“自由电子”。

当吉尔伯特将两种相异的物质互相摩擦时，原子互相碰撞，由于两种物质的原子核对电子的吸引力不同，一种物质的原子释放出自由电子，移动到另一种物质的原子里。此时，电子减少的物质表现为带正电，而电子增加的物质表现为带负电。此时物质带的电荷并不移动保持在物体上，称为“静电”。

受到光热时产生自由电子

同性电荷相斥，异性电荷相吸。吉尔伯特拿带电的物体靠近不带电的物体时，会使不带电物体靠近带电物体的一侧带上与其相异的电荷，而另外一侧带上与其相同的电荷，产生吸引的效果。这种现象称为“静电感应”。

电荷性质

63年后的1663年，德国马德堡市的格里克，对，就是那位不务正业的市长先生，9年前他在市郊的广场上用16匹马拉开了两个半球。现在，他拿来一个有足球那样大的球状玻璃烧瓶，里面装满黄色的硫黄碎块，用火加热到硫黄全部熔化，不断向瓶里加进硫黄，直到烧瓶里充满硫黄熔液为止。然后向烧瓶正中插入一根圆木柄，待硫黄冷却以后，把外面的玻璃烧瓶敲掉，得到一个带有一根木柄的黄色硫黄球。市长把硫黄球放在一个木制的托架上，使它可以自由转动，他一只手握住木柄，绕轴旋转硫黄球，另一只手按在球体上，随着球的不停转动，硫黄球表面摩擦生电，发出电火花。

马德堡半球实验

毕业于荷兰莱顿大学的市长先生制造了世界上第一台摩擦起电机，从此人们可以大量产生电荷。那时的自然哲学家、数学家、神职人员和医生，都会在自己的房间里摆放上一台摩擦静起电机，就像300年后20世纪80年代时髦的微型计算机一样。

摩擦起电机产生电荷，人们在做实验表演的时候都需要摇动硕大的起电机，如果能有一种方法把电荷存储下来，随时能够使用就好了。

格里克的摩擦起电机

80年后的1746年，莱顿大学的马森布洛克在一次实验中，他将一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连接，另从枪管中引出一根铜线，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一名助手一只手握住玻璃瓶，马森布洛克在一旁摇动起电机。这时助手不小心将另一只手与枪管碰上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布洛克于是与助手互换，让助手摇起电机，他自己一手拿装水的玻璃瓶，另一只手去碰枪管，想引出火花，但他的右手突然感到被什么东西击打了一下似的，而且使他全身震颤，眼前这个带水的玻璃瓶保存了电！

几天之后，马森布洛克写信给法国物理学家雷奥米尔：“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验，我提醒你们千万不要重复这个实验。当我把容器放在右手上，我试图用另一只手从充电的铁柱上引出火花，当碰到那个从瓶中伸出来的金属导线时，我受到了如此强烈的电击，整个身子就像被闪电击中一样震颤起来，手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。”

马森布洛克发现莱顿瓶的实验

一年以后，法国修道士诺莱特重做了这一实验，改进瓶子，把这种瓶子取名为莱顿瓶。

当马森布洛克摇动起电机时，产生的电荷沿着铜杆和链条传到玻璃瓶内壁的锡箔上，由于静电感应，玻璃瓶的外壁锡箔上靠近瓶子的一侧带上异种电荷，外壁锡箔上另外一侧的同种电荷则因为接地转移到大地。玻璃是绝缘体，瓶子内外壁锡箔上的电荷不能中和，两种电荷保持对峙，这样就能把电荷储存很长一段时间。莱顿瓶是历史上的第一个电容器。

改进后的莱顿瓶

就在同一年，一位在美国的印刷商人通过他的英国朋友得到一只莱顿瓶。当时他正在阅读报纸，报纸上写道：“一对父子连同4匹马在犁地时惨遭杀害。”凶手是谁？答案是雷电。接着，这则新闻详细地描述了受害男孩的情况：“他身上的衣服被撕得破破烂烂，帽子也破成了两三块。”而且，他从脖子到后背部位的皮肤都被烧焦了。

5年后的1752年6月，这位印刷商人在雷雨之中放飞起一只风筝。风筝的顶端伸出一根细金属丝，连接着一条长长的绳子。在绳子末端、接近手持处的位置，系有一把金属钥匙，钥匙下面连接着另一条丝绸手帕。风筝放飞时，手就抓着这条丝绸手帕。闪电击中风筝顶端的金属丝，绳子将电流传送到金属钥匙，把金属钥匙接触莱顿瓶，闪电释放的电荷被导入莱顿瓶，它和当时静电起电机摩擦产生的电荷并无不同。

这个印刷商人的名字叫，富兰克林。

著名的风筝实验

一年之后，1753年2月1日，《苏格兰人杂志》发表了一封热心读者的来信。这封信里写道：“让……一组电线（根数等于字母表中的字母个数）水平地伸展在给定的两个地方之间，它们彼此平行，让每根电线悬挂一个球。在球的下方，放上字母，字母写在纸片或任何别的轻物质上，当通电时，它们能上升吸引到带电球上。”

1774年，历史上第一个电报装置产生，瑞士物理学家勒萨热发明。他使用26根加绝缘套的金属线，每一根相应于一个字母。在发送端，这些电线固定于一台摩擦起电机的原导体或者连接存储有电荷的莱顿瓶，而每根电线的另一端（在接收站）悬吊一对检测电荷的木髓球。当发出一个给定字母的信号时，他给该字母相对应的电线发送电荷，远端的木髓球检测到电荷即发生偏转。远端的人即知晓发送的是哪一个字母。

勒萨热的电报装置

医生、传道士、市长、教授、印刷商人和热心读者，正是他们对世界的好奇心，诞生了人类历史上的第一个电报装置。

但是，静电不能产生稳定的电流，其传送距离非常有限，很难实用。不过，人类不用等待太久，20年后，一个伟大科学家的伟大发明即将把人类从静电带入激动人心的电气时代。

2

我在十一月的一个阴沉的晚上看到了我那工作的成果。我带着几乎是痛苦的焦躁把生命的工具收集到身边，准备把生命的火花注入我脚下那没有生命的东西里。那时已是凌晨一点。冷雨凄清地敲打着窗户，蜡烛也快燃尽了。在那半明不灭的微光里，我看见那生灵睁开了呆钝的黄色眼睛，吃力地呼吸起来，有了生命的手脚也开始动弹，像是抽搐。

他的四肢比例是匀称的，我为他选择的面貌也算漂亮。漂亮！伟大的上帝呀！他那黄色的皮肤几乎覆盖不住下面的肌肉和血管。他有一头飘动的有光泽的黑发、一口贝壳般的白牙，但这华丽只把他那湿漉漉的眼睛衬托得更加可怕了。那眼睛和那浅褐色的眼眶、收缩的皮肤和直线条的黑嘴唇差不多是同一个颜色。

我冲出实验室。我仿佛见到了她。她健康娇艳，在英戈尔斯塔特的街上走着。我很意外，也很快乐。我拥抱了她，但是在我把初吻印上她的嘴唇时，那嘴唇却变成了死亡的青紫色。她连面貌都变了，我觉得自己双臂搂着的竟是我死去的母亲的尸体。尸衣遮住了妈妈，我看见坟墓里的蛆虫在法兰绒的皱褶里乱爬。

小说《弗兰肯斯坦》插图

这是1818年小说《弗兰肯斯坦》里主人公创造出科学怪物的场景，弗兰肯斯坦从坟地找出各种尸体拼接到一起，通过电击赋予它生命。这是世界文学史上最著名的怪物角色，创作它的英国作家玛丽雪莱当时19岁。

这个故事的灵感来自意大利生物学家伽伐尼（Luigi Galvani，1737—1798）的青蛙电击实验。

1780年9月20日，伽伐尼和他的助手在解剖青蛙时，发现一个莫名其妙的现象，当用手术刀碰到蛙腿的神经后，青蛙腿会出现痉挛现象。对这一细微的现象，伽伐尼总结道：“我用通常方法解剖好了一只青蛙，因为有其他事情，我把它放在一个离起电机不远的桌子上。当我的助手用解剖刀接触青蛙的股神经时，青蛙腿的全部肌肉发生强烈的收缩。在场的另一个人认为这是起电机放出火花引起的现象……”“帮助我做电学实验的另一个人回忆说，他注意到这时在起电机上发生了一个电火花。我自己当时正在从事另一件工作，但当他使我注意到这一现象时，我很愿意自己试一试，以发现其中的道理，于是我也在别人引出一个火花的同时，用刀尖去触动这一条或那一条神经，并且跟以前完全一样，同一现象又重现。”

最初伽伐尼认为，起电机产生的火花，是青蛙腿痉挛的前提条件，但使伽伐尼不解的是，所观察到的青蛙腿痉挛是在起电机与它之间没有任何连接的情况下发生的。但确实是，当起电机不产生火花时，青蛙腿不会发生痉挛。

伽伐尼无法解释这一现象，他开始做大量实验。他使用起电机、莱顿瓶直接连接电击青蛙腿，甚至他引用雷电电击青蛙腿，这些情况下青蛙腿都发生了痉挛，这证明青蛙腿痉挛是因为有电流经过。

伽伐尼的各种电击实验

伽伐尼引用雷电电击青蛙

他接着使用两种不同的金属导体连接青蛙的腿部和神经，痉挛也会发生，此时外部并没有放电，那么电来自何处呢？

经过10年的观察和试验，1791年，伽伐尼发表轰动科学界的文章《论肌肉运动中的电力》。文章中写道：“在痉挛现象发生时，有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去了，就像莱顿瓶中的电流一样。”伽伐尼认为电是动物体内部产生的，称为“生物电”。

伽伐尼使用金属连接青蛙神经和腿

伏特（Alessandro Volta，1745—1827）重复伽伐尼的实验，他敏锐注意到在实验中有两种不同金属这一事实，他写道：“不同金属是真正的电激发者，而神经本身是被动的。”青蛙腿起的是传导作用。

面对批评，伽伐尼使用两个相同的铁钩去触碰青蛙腿，同样观察到轻微的痉挛。伏特批评说是因为铁钩里含有杂质。1794年，伽伐尼做进一步的实验，他将青蛙一条腿上一根被切断的神经连接到另一条腿上被切断的神经，痉挛同样发生了。

神经接触同样产生痉挛

作为回应，同一年，伏特不使用青蛙腿，也不用任何动物组织，使用盐水浸泡的布将两种不同的金属导体接触，电流产生了。使用两种金属与任何潮湿物的相互接触，都能够产生电。革命性的发现就此产生。伏特称之为“金属电”。

伽伐尼和伏特之间的激烈辩论在一轮轮手稿和信件中又持续了三年，直到一个矮个子男人的出现。1797年1月14日，拿破仑在意大利的里沃利维罗内塞面对奥地利军队取得里沃利会战的决定性胜利，第一次反法同盟土崩瓦解，法国占领意大利北部。

里沃利会战中的拿破仑

拿破仑要求每位大学教授宣誓效忠新政府，伽伐尼宣布忠于自己的信仰，拒绝宣誓，于是，他被从教职工名单中除名。失去经济来源的伽伐尼日子艰难，最后他不得不搬进他哥哥居住的老家，并很快在那里于1798年12月4日去世，年仅61岁，此时，世界正处于伟大电气革命的门槛上。

1800年3月20日，伏特给英国皇家学会会长约瑟夫·班克斯（Joseph Banks，1743—1820）写下电学历史上最著名的那封信。他在信中说，在他进行接触电实验的过程中，他成功制成一种新装置。他说，它具有非常微弱的莱顿瓶性质，但又具有一个远远优于莱顿瓶的特点：无需从外部充电，而只要按适当方式接触便可自发地生电。

这是伏特电池，人类由此获得稳定电流，世界进入电气时代。

伏特在给约瑟夫·班克斯信中绘制的铜-锌伏特电池

我们把原子获取电子后所形成带负电的粒子叫做负离子，把原子失去电子后所形成带正电的粒子叫做正离子。含有负离子和正离子的导电液体叫做电解液。

稀硫酸电解液

金属放入水溶液中，会具有释放电子的性质，释放电子后，金属变成正离子，我们把这种现象叫做金属的离子化倾向。

金属由小到大的离子化倾向

当锌板放入稀硫酸时，离子化倾向大的锌会不断在稀硫酸中溶解，此时锌释放出电子，自己变成正离子溶解在电解液中，锌板上聚集锌离子留下的电子，锌板带上负电。我们将物质失去电子的反应称为氧化反应。

铜板的离子化倾向弱，它不会在稀硫酸中溶解，并且会被带正电的氢离子夺取电子，被夺去电子的铜板略带正电。我们将物质获得电子的反应称为还原反应

此时，构成一个以铜板为正极、锌板为负极的电池。当我们连接电池的正极和负极时，电子从负极移动到正极，产生电流。这就是伏特电池的工作原理。

伏特电池通过氧化和还原两种化学反应产生电流

1801年，法国第一领事拿破仑邀请伏特到巴黎演示他的电池，伏特在十一月七日、十一日和二十二日在新建立的法国科学院连续进行三场演讲，拿破仑到场聆听。不久，伏特成为法国科学院的外籍院士，并获得法国荣誉军团勋章，1810年，他更是被拿破仑授予伯爵头衔。伏特的荣誉达到顶峰。伽伐尼的“生物电”理论被彻底打败，再无人问津。

伏特向拿破仑演示电池

很快，欧洲各大科学机构的实验室比较各自科研能力的一个硬指标就是装配有多大的电池组，如同现代实验室配备的计算机拥有多快的计算速度一样。

英国皇家学院的一个巨大的电池组，1813年

拿破仑送给法国皇家科学院的电池组

伽伐尼去世88年后，1886年，德国物理学家赫兹在实验时发现高压火花产生的电磁波可以在相邻的线圈中引发另一个火花。这解释了为什么起电机产生电火花时，青蛙腿产生痉挛。

伽伐尼最早发现青蛙腿痉挛的实验

同一年，荷兰人威廉·埃因托芬成为莱顿大学年轻的医学教授，他在1903年发明最早的心电图，证明生物的神经活动和肌肉运动都会产生微弱的电流和电位变化。这解释了为什么将青蛙的神经连接时，青蛙腿产生痉挛。

伏特是对的，伽伐尼也是对的。

伽伐尼面对批评曾经说过：我必须忠于我的内心。动物体内的这种电要么是自然存在的，要么是人为造成的。如果它是自然存在的，我们应该承认动物体内有一种特殊的机制能够产生电，将这种形式的电称为生物电是很合适的......但是这个动物机制会是什么? 我无法确定它，它仍然完全神秘；我只能努力弄清楚它的特性，并从这些特性推测它的性质。

一个新的时代开始了。

1804年，西班牙物理学家弗朗西斯科·萨尔瓦（Francisco Salva，1751—1828）使用伏特电池作为电源，发明最早的电化学原理电报。他用27条长长的电线传送简短的信函，这些电线的一端浸泡在酸溶液里，另一端的线头分别与电池相接。其中有一条线固定接在电池的一个极上，其余26条线分别代表26个字母，它们按照一定的顺序与电池的另一极相连。当某个线头与电池相连时，另一端的线头由于发生了电化学反应，有气体在线头析出，因此会在酸溶液里冒泡。萨尔瓦利用这种办法，把文字传送到了1公里之外的地方。

德国解剖学家萨默林在萨尔瓦基础上改进的电报，增加10个电极发送数字，1808年

在弗朗西斯科·萨尔瓦的论文中，他把电报装置使用的电池称为“伽伐尼电池”（Galvani cell）。

是的，1800年发明电池后，伏特将它命名为“Galvani cell”。

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时间在加速，1820年7月21日......（未完待续，敬请期待）