书城科普读物古代数学与物理学
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第37章 磁现象与电现象

随着铁器的使用和铁矿开采的发展,人们发现了磁石的吸铁性质。《管子·地数》中就有“上有慈石者,下有铜金”的记载。先秦古籍把“磁石”写作“慈石”;把磁石吸铁现象比用慈母之怀子。《吕氏春秋》高诱“注”说得很清楚:“石,铁之母也。以有慈石,故能引其子,石之不慈者,亦不能引也。”后来人们逐步认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引非金属与铜等其他金属。《淮南子》指出:“若以磁石之能连铁也,而求其引瓦,则难矣”,“及其于铜则不通”。三国时有人进一步指出“慈石不受曲针”,所谓“曲针”,大约是指金、银、铜之类金属制成的针。这些发现使“磁力”的外延得到初步的划定,也是认识深化的表现。这又导致了人们的思考,为什么磁石只能吸引铁而不能吸引其他金属或非金属呢?这一点,西汉董仲舒认为无法理解。他说:“磁石取铁”,“奇而不怪”,“非人所意也”。到了东汉王充就用“气”的观点加以说明,认为是“气性”相同,互相感动的结果。东晋郭璞也说那是“气有潜通”的原因。后来,人们更加明确地用阴阳相感去说明。宋代陈显微、俞璞等人都主张,“磁石吸铁”是“阴阳相感”、“神和气合”的结果。这些解释当然还是十分模糊的,远没有触及问题的本质。但是,能够从铁和磁石之间内在的“气”的联系去寻找原因,还是有可取之处的。

电与磁有本质上的联系。我国古代对于某些静电现象的记载,恰恰是和磁现象相并列的,例如大约成书于公元前20年的《春秋纬·考异邮》就说:“慈石取铁,玳瑁吸。”王充《论衡·乱龙》云:“顿牟掇芥,磁石引针,皆以其真是,不假他类,他类肖似,不能掇取者,何也?气性异殊,不能相感动也。”东晋郭璞《山海经图赞》云:“磁石吸铁,玳瑁取芥,气有潜通,数亦宜会,物之相投,出乎意外。”前面所说的“顿牟”,亦即今日的玳瑁,是一种绝缘体,经过摩擦带电就能吸引芥子一类轻小物体。这里把磁现象与静电现象联系在一起,并且统一地归结为“气”,是有意义的。

后来,人们对于静电吸力的观察更加深入了。发现了一些特别的情况。三国时代,人们已经知道“琥珀不取腐芥”。“琥珀”,是一种树脂化石,绝缘性能很好,和玳瑁一样,经过摩擦后就能吸引轻小物品。这个现象,汉代以来就为人们所熟知。“腐芥”是指腐烂了的芥籽,必定满含水分,因而具有粘性,容易粘着别的物体上,难以吸动。另外,腐芥上蒸发出水气使周围空气以及和它接触的桌面都潮湿,以致易于导电。当腐芥接近带电体,因感应而产生的电荷,容易为周围的潮湿空气和桌面传走,所以静电吸力一定很小。可见“琥珀的不取腐芥”不但是事实,而且是符合电学原理的,也是人们深入观察研究摩擦起电现象所得到的一个结论。既然芥籽的不同会影响静电吸力,那么琥珀的不同会不会影响静电吸力呢?当然也是有影响的,6世纪时,南北朝时代的科学家陶弘景(456—536)在其所著的《名医别录》中说:“琥珀,惟以手心摩热拾芥为真。”这就是说,经过人手的摩擦,容易起电,才是真的琥珀。可见,这时已经知道以是否具有明显的静电性质,作为鉴别真假琥珀的标准,这是初步的电学知识的实际应用。

摩擦起电在一定条件下,能够发生火星,并伴随轻微的声响。这种称为“电致发光”的现象,在古代也时有发现与记录。

晋张华《博物志》云:“今人梳头、脱着衣时,有随梳、解结有光者,也有咤声。”这里记载了两个现象,一个是梳子和头发摩擦起电,另一个是外衣和不同原料的内衣摩擦起电。古代的梳子,有漆木、骨质或角质的,它们和头发摩擦是很容易起电的;丝绸、毛皮之类的衣料,互相摩擦也容易起电。当天气干燥,摩擦强烈时,确实能有火星与声响,当然,这火星与声响是十分微弱的,张华能觉察到,说明他十分仔细、认真。

对于此类电致发光现象,古代能从各个不同的场合、不同的情况下观察到,并加以记载。例如唐代段成式的《酉阳杂俎》记载到,黑猫在黑暗之中“逆循其毛,即若火星”。明代时有人发现身上穿着的丝绸衣服,“以手摩之良久,火星立出。”(《三余赘笔》)同时代的张居正曾记载一件亲身经历的现象:“凡貂裘及绮丽之服皆有光。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》)这里指出,电致发光比较多见于“冬月”,是正确的,那是因为空气干燥;但他解释这个现象说:“人以为皮裘丽服温暖,外为寒气所逼,故搏击而有光,理或当尔。”把它归结冷暖二气的作用,却是不对的。

有趣的是,西方对于静电现象的发现也有类似的事例。譬如《博物志》记录的毛发起电现象,在欧洲是波义耳(1627~1691)观察到的;猫皮的摩擦起电,是盖利克(1602~1686)发现的;丝绸织物的起电现象,牛顿(1642~1727)也曾试过。