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物理學 1785

關於電與磁的第一篇論文

夏爾-奧古斯丁·庫侖

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。

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In depth · the introduction

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。

一條線上的兩個帶電小球:左邊是固定的正電荷,右邊是第二個電荷。一個滑桿把第二個電荷從負調到正——同號時紅色箭頭向外推,異號時藍色箭頭向內拉。另一個滑桿設定距離,一條曲線畫出力如何按距離的平方反比衰減。

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」。

The original document
Original source text
Charles-Augustin de Coulomb · Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme · Histoire de l'Académie Royale des Sciences (1785), pp. 569–577
Coulomb opens by describing his instrument: a torsion balance in which a horizontal needle, charged at one end, hangs from a fine silver wire and is repelled by a second fixed charged ball, so that the electric force can be read off as the twist of the wire.
The fundamental law
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.
In the Assis–Bucciarelli translation: "The repulsive force of two small globes electrified with the same nature of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centers of the two globes."
The measurements
Three tabulated trials follow. Charged so that repulsion holds the needle about 36 degrees from the fixed ball, then disturbed so the balls sit roughly 18 and then about 8.5 degrees apart — halving and then quartering the separation — the wire must be twisted through forces close to the ratio 1 : 4 : 16, the signature of the inverse square.
[ … ]
Coulomb attributes the small departures from the exact law to a slow leakage of electricity from the balls during a run, and states that the attraction between opposite charges follows the same inverse-square form, which he confirms in the following memoir by timing the oscillations of a charged needle.
Paris · 1785