书城历史物理:物理研究状况
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第9章 对雷电现象的认识

古代电磁

这里的电磁不是作为物理概念的电磁学,而是指我国古人研究和记载的电现象和磁现象。我国古代对电的研究是从关注雷电现象开始的,而且在避雷技术上有许多创建。

同时,古代先民还将电现象与磁现象联系在一起,通过对地光和极光等的记载,为今人留下了丰富而有价值的史料。

磁石显而易见的特性就是它的吸铁性。古人利用磁石的这个特性,进而掌握了人工磁化技术,发明了指南针,开世界磁性导航之先河,为人类古代文明作出了巨大的贡献。

大自然中的雷电现象,早就引起了我国先民们的关注和研究,并被记载下来,从而大大地丰富了人们对电的认识,并对后世产生了深远影响。

我国古代对电现象的认识,是从雷电现象开始的。随后,在建筑物上设置了许多避雷装置,既有传统建筑的艺术魅力,也是电学领域的一个创举。

雷公和电母是神话传说中的一对天神。他们两人司掌天庭雷电。传说雷公视力差,难辨黑白;夫人电母寸步不离,捧着镜子,先行探照,明辨是非善恶后,雷公才行雷。

电母和雷公成了天生的一对。雷公面目狰狞,电母相貌端雅。雷公手持槌楔,电母手持双镜。他们一旦做法,就乌云密布,狂风大作,飞沙走石。

雷公投下一个大响雷,就会“轰隆”一声震耳巨响,恶人便身首异处。

传说雷公住在雷泽,他龙首人身,有一个硕大无比的肚子,他常常拍自己的肚子来娱乐。每拍一下,就会发出“轰轰”的雷声。

雷神因为自己肚子的特别之处被黄帝看中了,于是就被抓来做成一面大鼓。但没有了雷神也不行,黄帝就找了雷神的一个亲戚来充当他的角色。

这个新雷神皮肤的颜色好像朱砂,眼光灼灼如闪电,身上的毛和角有3尺长,形状好像一只猕猴。于是在后来的传说中,雷公最突出的特征就是猴脸和尖嘴,俗称“雷公脸”。

在这个神话中,一方面体现了古人对自然现象最原始的认识;另一方面表达了人们惩恶扬善的愿望。而我国古代学者对于电的认识,恰恰就是从雷电现象开始的。

我国古代对雷电的认识由来已久。远在殷商时期的甲骨文卜辞中,就已经出现了“雷”字。“雷”字最上面一横表示天,最长的一竖表示雨,里面的小点也是雨;下面的“田”字表示田野,由于当时实行的是“井田制”,所以写成了“田”。

而整个“雷”字则表示下雨时,在田野上空发出的雷声。

在西周时期的青铜器上,也已经出现了“电”字,繁体“电”字的上面是个“雨”字,下面是个“电”字。整个“电”字不但表示了人们在田野上空所见到的强烈闪光的形状,而且还表示了只有在下雨时才能够看到这种闪光。

虽然这里的“电”字是专指闪电,但是它已经向我们传递了这样一个科技信息:古代的先民们不但用文字的形式,形象地描画了闪电,而且还明确表示了它的出现与下雨有关。

古代对雷电形成的原因也有认识。在汉代以前的书籍中,就已对许多发生过的雷电现象进行了记载,并对其形成的原因及其本质进行了探讨,先后提出过多种不同的解释。

东汉时期的王充在《论衡·雷虚篇》中也用类似的观点来解释雷电的成因。他明确指出:

夏天阳气占支配地位,阴气与它相争,于是便发生碰撞、摩擦、爆炸和激射,从而形成雷电。

王充还用具体的实例来说明雷电就是火,驳斥了当时盛行的雷电为“天公发怒”之说。特别是他能把对各种物质现象的观察联系起来思考,并作出概括,反驳谬论,反映了一个无神论者的思考和判断。

唐代以后,人们关于雷电现象的成因又有了新的认识。唐代的孔颖达在《左传·疏》中说:“电是雷光”。

对于雷电的巨大威力,宋代理学家朱熹的解释更有趣,他说雷电是“阴阳之气,闭结之极,忽然迸散出”。用现在的物理语言表示,这就是说当阴阳二气的能量积累达到一定的极限值时,这些能量便会在极短的时间内爆发,于是就见到了闪电,听到了雷声。

元末明初思想家刘伯温在其著作《刘文正公集》中说道:“雷何物也?曰雷者,天气之郁而激发也,阴气团于阳,必迫,迫极而迸,进而声为雷,光为电。”这段话基本上是对前人关于雷电成因所作出的一系列解释的归纳性总结。

对雷击过程中出现的一些现象,我国古代的学者们也曾做过详细的记载,并提出了他们通过仔细观察后所得出的分析结果。

从南北朝中期开始,直至明末清初,这方面的记载屡见不鲜。例如490年编撰的《南齐书·五行志》中就有记载:“雷震会稽山阴恒山保林寺,刹上四破,电火烧塔下佛面,而窗户不弄也。”

用今天的电学知识来分析,落雷时,云层与地面之间放电,佛面一般涂有金粉,是一层导体,强大电流通过时将产生高温使其发热以致熔化。

木制的窗户其绝缘性能一般都比较好,尤其是刷过油漆的窗户,如不遭受雨淋,一般不会遭受雷击而能保持原样。

北宋时期科学家沈括对上述类似现象的记载更为详细,他在《梦溪笔谈·神奇》中,记述了内侍李舜举家的房屋在遭受暴雷雷击以后,房屋各处都保持原样,只有墙壁和窗纸都变黑了,屋内木架上放置的各种器皿,其中有镶银的漆器,银全部熔化流在地面上,而漆器却没有被烧焦。

有一把质地很坚硬的钢刀,在刀鞘中熔为钢水,但刀鞘却保持原样。于是沈括就用佛家的“龙火”与“人火”来解释这一奇特现象。

这里所谓的“龙火”实指雷火,意思是说雷火因为有水而更“炽”。沈括通过雷电对金石和草木作用的不同效果,实际上已经描述了导体与绝缘体之间的区别。

明代也有此类记载。明代末期科学家方以智根据这些记载,得出了这样的结论:“雷火所及,金石销熔,而漆器不坏。”这比前人讲得就更加明确了。

尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟,而矛、戟锋刃尖利,常常可导致尖端放电发生,因而这一现象多有记述。

早在汉代,人们就已经开始对尖端放电现象进行观察记录了。《汉书·西域传》记载,金属制成的长矛尖端,在一定条件下有放电现象。

这个记载至少证明:我国至迟在东代,就已经观察到雷雨过程中的尖端放电现象,这比西方要早1600多年。

我国早在战国时期就可能知道雷击是可以避免的,根据古代文献记载,其时已经出现了用大青石建造的“避雷室”。

南北朝时期刘宋朝的盛弘之在《荆州记》中对此作过描述:“湖阳县,春秋蓼国樊重只国也。重母畏雷,为母立石室以避之,悉以文石为阶砌,至今犹存。”

古代人其实并不知道绝缘避雷的道理。他们建造石室,仅以为大青石坚固,不易为雷所劈裂罢了。但它表明,当时我国已经能采用适当的措施来躲避雷击了。

在《汉书·五行志》中,记有“文帝七年六月癸酉,未央宫东阙灾”、“太初元年,柏梁台灾”等数十条这样的记录。在柏梁台遭雷击后重建时,有个方士向汉武帝提出在屋顶设“鸱尾”的防雷击方法。

“鸱尾”就是在屋脊上安装一些由铜铁所制,状如牛角一样的金属尖端刺向天空的装置。

经过长达数千年的变化,“鸱尾”已有多种外形。有变为龙形物以铁制龙舌或龙须,龙尾刺向天空的;也有呈鸟鹊或雄鸡状。虽然这些安装在屋脊上的装饰物的外形都不尽相同,但是它们都有几条铁制尖端物刺向天空,这就是它们共同的特点。

除了“鸱尾”外,在我国古代的许多建筑物上还设置有各种动物形状的瓦饰,尤其是那些昂首向上伸舌并涂有一层金属涂料的吻兽,实际上已经起到了避雷的作用。

例如,江苏省高淳县固城湖西北有一“保圣寺塔”,建于239年,总高31.5米。塔顶就有4米高的铁制古刹,是由覆钵、相轮、宝葫芦等几部分组成。该塔长期以来虽多次损坏,却未遭雷击,看来塔顶铁刹也起了避雷的作用。

在我国古代的许多高大殿宇的建筑群中,常有所谓的“雷公柱”之类的设置,而这些设置通常是采用一些容易导电的材料直达地下,这实际上就是最原始的“避雷针”。

明代初期朱元璋定鼎金陵之后,曾派大臣到北京去捣毁元帝的旧宫。参与此事的工部侍郎萧询后来写有《故宫遗事》一书,记录了他当时在北京的见闻。

据该书记载,他在北京万寿山顶的广寒殿旁曾亲眼见到了金章宗所立的“镇龙铁杆”。

金章宗在“广寒殿”避暑时,由于夏天多雷,就不能不考虑位于山顶建筑物的防雷问题。铁杆上端的“金葫芦”呈尖端状,铁杆又使金葫芦和大地相通;因而所谓的“镇龙”,实际就是“避雷”。

萧询所见到的就是为“广寒殿”免遭雷击而建造的“镇龙铁杆”,这可以说是世界上最早的“避雷针”。其建造时间要比富兰克林发明的避雷针早数百年。