关于电与磁的第一篇论文
两个电荷之间的推与拉,与距离的平方成反比——电学有了它的第一条精确定律。
两点小小的静电,彼此推得有多用力——而当你把它们拉开,这股推力又消退得有多快?1785 年,库仑造了一台足够精微的天平,去称出这个答案。
这个想法
拿气球在头发上蹭一蹭,它就噼啪作响;两个带电的物体,显然会相互推、或相互拉。可究竟有多大?库仑把它钉成了一条干净的规则。这股力取决于两件事:每个物体带多少电荷,以及它们相距多远。电荷越多,力越大。而距离的影响则大得惊人——把两个物体拉到两倍远,力不只是减半,而是降到四分之一;拉到三倍远,降到九分之一。这种陡峭的消退,叫作平方反比定律。
这,正是牛顿一个世纪前为引力找到的同一种形状——而这才是激动人心之处。引力那无声的牵引,与静电那噼啪的火花,两种全然不同的力,竟服从着形式完全相同的数学。
他是怎么测出来的
带电小球之间的力,远远太微弱,普通的秤根本称不出,于是库仑造了他那个时代最灵敏的仪器之一:扭秤。他把一根轻巧的横臂,悬在一根又长又细的银丝下,臂端是一只带电的小球。当他把第二只带电小球凑近,第一只便被推开,银丝随之扭转——推力越强,扭得越多。靠读取这扭转,他便能称量出一股微弱到根本感觉不到的力。他把两球放在某个距离,再到它的一半,再到四分之一,看着力沿着平方反比那标志性的 1、4、16 的节奏不断攀升。
它为何重要
在库仑之前,电只是客厅里的一桩稀奇——火花、电击与噼啪,全无数字可言。他把它变成了一门可测量的科学,配上一条你能拿来计算的定律。这条定律,正是原子得以维系的缘由:电子被这同一股力束缚在原子核上,于是它悄悄托着全部的化学,也托着你拥有的每一节电池、每一块屏幕、每一条电路。而它如此精确地呼应着牛顿的引力定律,仿佛在低语:大自然的诸般力,或许共享着同一套深层的设计。
一幅画面
想想一支蜡烛的光,在黑暗里向四面散开。退到两倍远,烛光看起来只有四分之一亮;退到三倍远,只剩九分之一。同样多的光,在向外行进时,被抹在一个越来越大的球面上。电力随距离的稀薄,方式一模一样,缘由也彼此相关——它从一个电荷出发,伸向它四周的所有空间。这枚共有的「平方反比」指纹,悄悄把电、引力、声与光,串在了一起。
它的位置
库仑把牛顿为引力建起的那套数学机器(见 newton-1687),拿来一看,发现它同样合用于电。他的定律,成了十九世纪据以建起其余一切的基岩:法拉第的力线(见 faraday-1831)、欧姆的电流定律(见 ohm-1827),直到最后麦克斯韦把电、磁与光统一起来(见 maxwell-1865)——在那里,库仑定律作为四条著名方程中的第一条,再度现身。电荷的单位,为纪念他而命名为「库仑」。
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.