關於電與磁的第一篇論文
兩個電荷之間的推與拉,與距離的平方成反比——電學有了它的第一條精確定律。
兩點小小的靜電,彼此推得有多用力——而當你把它們拉開,這股推力又消退得有多快?1785 年,庫侖造了一台足夠精微的天平,去稱出這個答案。
這個想法
拿氣球在頭髮上蹭一蹭,它就霹啪作響;兩個帶電的物體,顯然會相互推、或相互拉。可究竟有多大?庫侖把它釘成了一條乾淨的規則。這股力取決於兩件事:每個物體帶多少電荷,以及它們相距多遠。電荷越多,力越大。而距離的影響則大得驚人——把兩個物體拉到兩倍遠,力不只是減半,而是降到四分之一;拉到三倍遠,降到九分之一。這種陡峭的消退,叫作平方反比定律。
這,正是牛頓一個世紀前為引力找到的同一種形狀——而這才是激動人心之處。引力那無聲的牽引,與靜電那霹啪的火花,兩種全然不同的力,竟服從著形式完全相同的數學。
他是怎麼測出來的
帶電小球之間的力,遠遠太微弱,普通的秤根本稱不出,於是庫侖造了他那個時代最靈敏的儀器之一:扭秤。他把一根輕巧的橫臂,懸在一根又長又細的銀絲下,臂端是一隻帶電的小球。當他把第二隻帶電小球湊近,第一隻便被推開,銀絲隨之扭轉——推力越強,扭得越多。靠讀取這扭轉,他便能稱量出一股微弱到根本感覺不到的力。他把兩球放在某個距離,再到它的一半,再到四分之一,看著力沿著平方反比那標誌性的 1、4、16 的節奏不斷攀升。
它為何重要
在庫侖之前,電只是客廳裡的一樁稀奇——火花、電擊與霹啪,全無數字可言。他把它變成了一門可測量的科學,配上一條你能拿來計算的定律。這條定律,正是原子得以維繫的緣由:電子被這同一股力束縛在原子核上,於是它悄悄托著全部的化學,也托著你擁有的每一節電池、每一塊螢幕、每一條電路。而它如此精確地呼應著牛頓的引力定律,彷彿在低語:大自然的諸般力,或許共享著同一套深層的設計。
一幅畫面
想想一支蠟燭的光,在黑暗裡向四面散開。退到兩倍遠,燭光看起來只有四分之一亮;退到三倍遠,只剩九分之一。同樣多的光,在向外行進時,被抹在一個越來越大的球面上。電力隨距離的稀薄,方式一模一樣,緣由也彼此相關——它從一個電荷出發,伸向它四周的所有空間。這枚共有的「平方反比」指紋,悄悄把電、引力、聲與光,串在了一起。
它的位置
庫侖把牛頓為引力建起的那套數學機器(見 newton-1687),拿來一看,發現它同樣合用於電。他的定律,成了十九世紀據以建起其餘一切的基岩:法拉第的力線(見 faraday-1831)、歐姆的電流定律(見 ohm-1827),直到最後馬克士威把電、磁與光統一起來(見 maxwell-1865)——在那裡,庫侖定律作為四條著名方程中的第一條,再度現身。電荷的單位,為紀念他而命名為「庫侖」。
La force répulsive de deux petits globes électrisés de la même nature d'électricité est en raison inverse du carré de la distance du centre des deux globes.