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三、迈进科学的殿堂
★平生爱科学
作为一个热爱生活的人，富兰克林对丰富多彩、千变万化的外部世界一直怀有浓厚的兴趣。随着年龄渐长，在繁忙的商业、社会活动之余，出于他那永无止境的求知欲和孜孜不倦的好学精神，又开始了对大自然的不尽探索。
早在他20岁时从伦敦返回费城的海途中，他就对他观察到的大气的突然变化，海豚身体颜色、光泽的变换等等作过准确的记述。在回到费城后艰苦创业的岁月中，无暇顾及科学研究的他仍经常想到“自然哲学”，并留心同他有机会遇见的专家们交朋友。
就在他倡办“美洲哲学学会”的1743年，他作了一次堪与第一流的气象学家媲美的关于气候现象的观察。他写道：
“星期五［10月21日］晚上九点，费城上空将出现月食。我打算观察它，却被一场东北方来的暴风雨所阻碍。这场暴风雨7点到此，像往常一样带来厚厚的云层，使整个半球阴霾四布。可是当邮差将波士顿的报纸送到，那上面记述了同一场风暴在那一地区造成的后果，我发现月食的开始在那里清楚地观察得到，尽管波士顿位于费城东北面400英里之处。这个使我迷惑了，因为那场风暴在我们这儿开始得那么早，使得我们不能进行观察；而那是一场东北风向的风暴，我想象它在远在费城东北方向的地方应发生得更早。因此，我在给我在波士顿一位哥哥的信中提到了它；而他告诉我说，那场风暴直到晚上11点才到达他们那里，所以他们能清楚地看到月食。在比较了我得到的其他几处殖民地关于那场风暴发生时间的记述后……我发现在东北而越远的地方，风暴总是发生得越迟。
“由此，我对这些风暴的成因形成了一个看法，对它我将以一两件人所熟知的事例加以解释。假定一条长运河里的水在终端被一道闸门堵住了。水一直很平静，直到闸门打开，这时它开始流出闸门，紧挨闸门的水先动，向闸门流动；紧挨着先动的水的水接着流动起来，这样连续不断，直到运河的尽头流动起来，运河尽头的是最后才动的。这里，所有的水的确是向闸门流动的，但依次开始流动的时间却是反向的，也就是从闸门开始，倒回到运河的尽头。再看一例，假想一个房间里的空气是静止的，没有气流穿过房间，而后你在烟囱里升起火来，立即，烟囱里的空气受热而上升，紧挨着烟囱的空气流进烟囱补充它的位置而向烟囱流动；接下去，其余的空气也连续地向烟囱流去，一直到门那里。就这样，产生了我们的东北风向的风暴：我设想在墨西哥湾或那附近的空气因剧烈受热而稀薄上升，它原来的空间由它以北毗邻的较冷、因而较浓密、较重的空气来补充，这一空气的流动又引起它更北部的空气也流过来，形成一股连续运动的气流，而我们的海岸线和内地的山脊使这气流呈东北方向，因为它们是东北—西南走向的。”
富兰克林在此留下了他那强有力的看法，留待他人去理解到，他已向着关于那巨大的旋转的风系即旋风或逆旋风的知识迈出了第一步。
1748年，富兰克林把他观察到的蚂蚁的一些情况告诉了一位瑞典生物学家。他相信，在蚂蚁之间存在着一种类似交谈的东西。为此，他做了实验。一些蚂蚁爬进了放在橱柜里的一只盛着蜜糖的瓦罐里，他抖掉了罐子里所有的蚂蚁，只留下了一只，然后把罐子用绳子挂在天花板上的一根钉子上。罐里的那只蚂蚁吃够了糖蜜后，设法从那根绳子爬到了天花板上，再从天花板沿着墙爬到了地板上。过了半个小时，大群的蚂蚁蜂拥而至，仿佛是他们得知了消息，沿着刚才那只蚂蚁爬过的路线，到了耀子里，吃光了剩下的糖蜜，再沿绳子、天花板等原路离开。
1750年8月23日，富兰克林写道，他观察他的一只钉在墙上的鸽棚——其大小够养6对鸽子——里的鸽子，“尽管它们繁殖得像邻居家的鸽子一样快，我的鸽子却从来没有超出六对：那些年长、强壮的鸽子把年幼、体弱的鸽子赶出去，迫使它们去寻找自己的新居。最后，我挂上了一个新的鸽棚，里面分了格子，可容另外的12对鸽子栖身。没过多久，它就被原来鸽棚和邻居家鸽棚被赶出来的鸽子住满了。”
富兰克林对农业也感兴趣。他是最早感觉到农村的农业资源不应被浪费，感到正如农业是一种生活方式一样，农业也应和商业相联系，应是一门科学的美国人之一。他敦促他所创办的学院讲授种植和园艺。
1752年4月23日，他在给卡德瓦拉德·科尔登的信中谈到了空气和光。他写道：“我必须承认，我对于光是一无所知的。那种假定称为光的物质微粒连续不断地被从太阳表面快得惊人地送出的学说没有使我满足。以这样的运动，那些可想象的极为微小的颗粒一定不会具有超过大炮发射出的24磅重的炮弹的力量吗？……难道不可以更为合宜地把所有光的现象解释为：假定宇宙空间充满着一种微妙的有弹性的流质，当它静止时，是看不见的，但它的震颤则影响到了精细的眼睛的视觉，如同空气的震动影响耳朵这种较粗的器官一样。以声音的例子来说，我们没有想象比如说一座钟发出的响亮的微粒循直线飞向耳朵；我们为什么一定要想象有光亮的微粒离开太阳，直奔眼睛呢？……好在我们不像可怜的伽利略那样被宗教法庭指责为异端邪说。我悄声在私人信件中反对正统学说会是危险的。”在当时，已经有人提出光波理论，富兰克林是否知道它，不得而知。但清楚的是，他提出了自己的看法或支持了他认为更合理的新理论，向正统的学说挑战。
那年12月，他为他在波士顿的哥哥约翰制作了美洲医学史上第一根有弹性的导尿管。当时，他跑到银匠那里“指点他制作一根（坐在旁边直到完工）”，然后寄给了他的哥哥。
在他从科学研究的这第一阶段，他还接近完全地观察和记述了一场旋风发生的情况。那是在1755年，“在马里兰，同塔斯克上校以及其他一些绅士一道骑马到他的乡下住所去，在那里，我和儿子受到这位和蔼可亲又可敬的人极为殷勤、亲切的款待。走着走着，我们看到一股小小的旋风在我们下面的的山谷中的一条路上刮起来了，它扬起和挟裹的尘土显示出它的形状，如同一块长形糖面包，尖端朝下旋转着朝我们移动过来，一边行进，一边膨胀起来。当它经过我们旁边时，它那接近地面的小的底端像一只普通的水捅大小，但越往上越大，看上去有40到50英尺高，半径长达20到30英尺。我们一行人站住了注视着它，可好奇心比较强烈的我跟随着它，骑马走在它的边上，观察到它一边前进，一边把它小的底端的尘土全都卷起。一般认为，向龙卷风掠过水面时卷起的水柱开上一枪，就会使它破碎，我便不断地向着这股小小旋风挥鞭打去，想将它打散，可是没有一点效果。不一会儿，它离开了道路，进入了树林，每一刻过去，它都变得更大、更强劲，它卷起的不是尘土了，而是地上堆积得厚厚的陈年干树叶，用它们和树枝搅起巨大的响声，并迅速地将高大的树弯成圆圈，令人吃惊；尽管那旋风前进的速度已不那么快，一个人步行都可以跟上它，但它的圆周运动却快得惊人。从它现在裹挟着的树叶，我能清楚地感觉到它激进的气流是呈螺旋状上升。当看到大树的树干和树身在旋风吹过之处变弯，直到风离开后还保持原样时，我对我的鞭子在它体积尚小时不能破坏它便不再感到奇怪了。我伴随它走了3/4英里，直到一些死树的树枝被旋风所断裂而四散飞迸，并落在我的近旁，使我更加担心有危险时，我站住了，看着它继续移动着的顶端——它由于挟带着的树叶子而成为有形的——高高地露出在树顶上方。许多树叶，由于在较高和最宽处得到松释而在风中散落。但由于已被带到如此之高的空中，它们显得只像苍蝇般大小。
“这时，我儿子赶上了我，跟着那旋风直到它离开树林，越过一片老的烟草田。在那儿，由于既无尘土又无树叶可带走，在掠过那块田地时，它的下部逐渐地看不到了。那时，平常的风在刮着，路线和我们的行进方向一致，而旋风前进的方向则差不多是相反的，尽管它不是保持直线，前行的运动也不均衡，前进时向两边时有摇摆，有时快有时慢，有时好像有数秒钟几乎停步不前，接着又开始相当快地向前。当我们回到同伴中时，他们正在赞叹现在正被普通的风刮到了我们头顶上那么高的地方的枝叶，它们伴随着我们前进，有一些不时地落在我们的周围，有一些直到我们走到了距我们最初看见旋风之处3英里的地方，仍没有到达地面。
“当我问塔斯克上校，这样的旋风在马里兰是否常见时，他愉快地回答说，‘不，一点也不，是我们特地拿来款待富兰克林先生的。’”
科学之于富兰克林，是蕴含于日常生活中的自然界事物发生发展的规律。他在日常生活中发现它们，研究它们；他为了生活中的实际需要，而进行发明、创造：省柴取暖炉解决了冬天取暖中的问题，导尿管减轻了哥哥的病痛。而他为人类避免雷电的伤害则发明了避雷针，这是与他在电学研究上的杰出贡献紧相联系的。
★人间的普罗米修斯
在希腊神话故事中，天神普罗米修斯把天上的火种盗取到人间，给人类带来光明和温暖，却触怒了主神宙斯，被下令用铁链锁在高加索的崖壁上，每日遭受神鹰啄食肝脏，但他忍受巨大的痛苦，始终无悔。最后被大力神赫拉克利斯解救。到了18世纪中叶，凡人富兰克林因率先尝试驯服雷电，将这一“天火”带到人间，被誉为“人间的普罗米修斯”。
富兰克林所处的时代，正值资本主义上升时期，也是自然科学蓬勃发展的时期。17世纪中叶以来，西欧出现了许多伟大的科学家，在力学、光学，磁学和热学等领域都有了一些成就，相形之下，电学显得落后。那时的电学实验还只限于用猫皮摩擦火漆棒、电能发生电火花、人接触电火花后感到震动等。对于电是什么、它的运动方式如何等问题，尚无进一步的探索。喜好观察、实践的富兰克林进行了大量实验，成为近代电学的奠基人。
在他之前，科学界对静电现象知之甚少。1731年，英国科学家格雷（1670—1736年）首次发现有些物体能传电，有些则不能，这样，就把导体和绝缘体区别开来了。他发现金属能传电而丝线则不能。他还注意到尖端放电，从而想到电火花和雷电是不是一样的东西。1734年，法国科学家杜飞（1689—1739年）发现，将摩擦后带电的两根琥珀棒或两根玻璃棒悬挂起来，它们会互相排斥；可是带电的琥珀棒和带电的玻璃棒则会彼此吸引，如果使它们互相接触，它们二者将失去电的性质。杜飞由此得出结论：电分为“琥珀电”和“玻璃电”两种，同性相斥、异性相吸。
其后在1745年，荷兰莱顿大学的马森布罗克（1692—1761年）和德国的克莱斯特（1700—1748年）各自发明了后来称为“莱顿瓶”的蓄电池的最早形式；同时，格里凯发明的静电起电机在18世纪得到改进，它通过连续转动的摩擦随时可以方便地得到静电。这两项电学仪器的发明，使得科学家可以得到并积蓄电以供进行许多电学现象的观察。但那时人们对于莱顿瓶的瓶体本身（玻璃）、水和金属线在起电与放电过程中起什么作用还一无所知。1746年秋天，富兰克林第一次看到英国学者斯宾士的电学实验表演，并得到了斯宾士赠送的一套电学仪器，其后便开始了他的电学实验。尤其是在1748年雇用了哈利·霍尔为工头和合伙人之后，曾一度很大程度上从商务活动中脱身出来专心进行实验。
他的电学实验首先从莱顿瓶开始，不到几个月，从实验中有了不少的新发现，解决了当时电学中急待解决的问题——莱顿瓶的作用和原理，得出了极为重要的结论：“电火花并非由摩擦而产生的，而是被收集起来的。电确是一种在物质中弥漫着的，又能为其他物质，特别是水和金属所吸引的基本要素”。“电火是永远不会被毁灭的”①。莱顿瓶的全部力量和它的使人受震的威力，都在瓶子的玻璃中间，至于和瓶的内外两面相接触的金属片，只能尽到发出电和收受电的功能，换言之，从一面发出，另一面收受。即，电是一种在平常条件下以一定比例存在于一切物质中的要素，在他看来，电是一种单纯的“流质”。从而初步解答了电由何处来和莱顿瓶的作用等问题，否定了在此之前科学家们关于莱顿瓶之所以能发生强烈的放电是由于瓶中之水或金属箔金属线所致的推测，也就把莱顿瓶实验的神秘面纱揭开，将其置于一个可以为人理解的科学基础上了。富兰克林的这个结论为19世纪法拉第（1791—1867年）对电介质②所作的进一步研究打下了基础——
①此处所说的水指含有杂质的普通水，纯水是不传电的。“电火花”、“电火”即现代所称的电。
②电介质，不导电的物质。电介质通常用来使带电体和其他部分隔绝，惯称“绝缘材料”。
富兰克林又认为，既然电是一种单纯的“流质”，那么，当玻璃受到摩擦时，电就流入玻璃，使它带“正电”；而当琥珀受到摩擦时，电就从琥珀流出，使它带“负电”。相应地，莱顿瓶内外两面的电荷也被定名为正电与负电，或阳电与阴电，并用正号“＋”和负号“－”来表示它们。这是电学上的一个创举。富兰克林是第一个把电分为正电和负电来解释实验的人。这不仅仅是名称上的问题，而且是概念上的深化。如果把富兰克林说的“流质”改称“电子”，并将流动方向倒过来（因为电子实际上是从琥珀流向玻璃），那么他这个猜测在本质上是正确的。富兰克林这一创举使电学开始走向准确的定性的方向。他对莱顿瓶的研究使科学界正确地了解了它的作用，并认识了绝缘体在电学中的重要性。1788年法国科学家库伦（1736—1806年）发现电荷间相互作用力的有名定律就是从富兰克林这一概念出发的。这是富兰克林在电学上的一大贡献。
1749年，他在上述结论的基础上提出了有名的“一流论”（或译为“单流质说”的电学理论），反对杜飞将电分为“玻璃电气”和“琥珀电气”两种截然不同的流体的“二流论”（或译为“双流质说”）。富兰克林认为，所有的自然物体中都含有电，电只有一种，物体的正负电决定于其含电太多或含电太少。当物体中所含的电超过了正常含量即电太多了时，称此物起了正电。如果少于正常含量即电太少了时，称此物起了负电。电可以用正负符号来区别，但不能把它们看作是截然不同的两种流体。这是电学史上第一个明确的、前后一致的电学学说。
富兰克林还利用充电体之间静电的吸力和斥力的作用，制造了一个很简单、但又异常灵敏的机械，称为“电轮”。在这个机械里，轻圆盘以每分钟50周的速度旋转，实际是不断地把电能转化为机械能。这个发明预示着现代的电动机的出现。
富兰克林进行电学实验的消息在费城传开后，许多人来到富兰克林的家中观看“奇迹”。把他的小小实验室挤得水泄不通。“为了让我的朋友们来分担一些这种拥挤，我在玻璃作坊定制了一些玻璃棒分发给他们，这样我们终于有了好几个表演者了”。富兰克林的朋友们帮他向来观者演示摩擦生电等电学现象，其中有的还独立地得出了些电学上的小小发现。
富兰克林在进行了大量电学实验后，已经走到了他对大气电学作出重大发现的边缘。
在当时，雷电这种具有巨大破坏性的可怕的自然现象的本质是什么，对人们来说还是一个谜。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神发怒，也有人猜测雷电是毒气在天空爆炸。格雷关于电火花和雷电属于同一性质的猜想，没有能够用实验证明。富兰克林要来作这一伟大而危险的尝试了。
就在他从这一时期最早的电学实验得出了单流体说的结论的同时，1747年7月11日，他就已经看到了“尖形物体在吸入和放出电火上的神奇效果”。此后，费城和宾州的公共事务占去了他一段时间。到1748年9月29日他得以从商务活动脱身，并迁入了在雷斯街和第二街拐角处的新居。那以后，如富兰克林自述的：“我将自由自在地没有其他任务，而只愿于自己想干的，并享受被我视为莫大幸福的东西：有闲暇去读书、研究、做实验，同那些愿意尊称我是朋友或熟人的那些才华横溢、可敬的人作广泛的交谈。”
1749年11月7日，富兰克林在他的实验记录中记下了“……电的流质同闪电在这样一些方面是一致的。1．发光；2．光的颜色；3．弯曲的方向；4．迅疾的运动；5．由金属而发生；6．爆炸声；7．存在于水或冰中；8．撕裂或震动通过的物体；9．击毙动物；10．熔化金属；11．使可燃物着火；12．硫磺味。电流质被尖状物吸引。我们不知道闪电是否只有这一特性。但鉴于它们在所有我们已经作过比较的各方面都相一致，它们就可能在这一点上一致吗？让我来做这个实验。”
在柯林森把他的一封信送到1750年5月的《绅士杂志》发表前几周，富兰克林已有了如何利用这一发现的想法，“然而，在关于尖状物放出或吸引电火的实验中，有一些东西尚未完全得到解释，对它，我想在下一封信中再来提出解释。因为尖状物的原理非常奇特，而它们的效果的确神奇；根据我在实验中的观察，我认为，房屋、船只、甚至塔和教堂可以借助它们的作用得到有效保护，免受电殛；因为如果在气候仪、风向标、教堂的纺锤状尖顶，塔尖或桅杆顶部不是像通常那样装上木质或铁质的圆球，而是装上一根8到10英尺长的铁杆，顶端逐渐变尖如针一般，并镀上防锈物，或分成数个尖那会更好，我想电火会在它到来达到一殛之时前静静地被从云中吸出，在尖上会有亮光出现�