雷电,是自然界所进行的大规模的放电现象。关于它的成因,今天并不难理解。两片带有异种电荷的云层,相互接近的时候,由于存在极大的电势差,致使空气电离,进行放电。极大量的电荷在极短时间内,发生中和,所以发出光和声来。那光就是闪电,声音就是雷鸣。如果云层接近地面,使地面感应带上异种电荷,当云层和地面之间的电势差达到定的程度,发生放电,就是落雷。由于短时间内释放能量很大,因而造成人畜死亡,房子倒塌。
人类一开始就要遇到雷电现象,那震耳欲聋的轰鸣和倏忽耀眼的闪光,是多么令人惊心动魄,畏惧的心理自然而生。所以古时候在无法解释的情况下,就想象出雷公电母的臆说来,甚至作为图腾崇拜。这种情况也决定了人类对雷电的注意和研究,必然开始得很早。
在我国,远在四千多年前的殷代甲骨文字中就已有了“雷”字。至于“电”字在西周的青铜器上也出现了。当然,这个“电”字并不是今天所理解的“电”的意义,而是专门指闪电而言。
我国古代对于雷电现象的观察和记载十分重视。不过,这里也有两种截然不同的态度:一种是把雷电当作上天的发怒,对人们的示警,因此就抱着诚惶诚恐的心理。
儒家的经典《论语》,要求人们遇到打雷闪电的时候,要肃立起敬,即使在夜间睡觉的时候,也必须起床,穿戴好衣冠,正襟危坐,表示虔诚的敬意。所以他们虽然对打一声雷,闪一下电,都加以记载,但都没有什么科学的价值。
另外一种态度,是把雷电作为一种自然现象加以观察,用科学的态度加以记载。《南齐书・五行志》记载,公元490年,会稽山阴恒山保林寺为雷所击,“电火烧塔下佛面,而窗户不异也”。这是个事实的记录。落雷时,地面和云层之间放电,佛面上必定刷有金粉,是一层导体,正是强大电流的通路,所以大量发热以致被熔化。窗木是绝缘体,或者不在电流的通路上,所以保持完好。
宋代科学家沈括对类似的现象记载得更加具体详细。他写道:“内侍李舜举家,曾经遭到大雷击,在他家正堂西边的房间里,雷火自窗户出来,亮晃晃地窜上屋檐。人们以为正堂已经着火焚烧,都出去躲避。雷停止后,房屋还是原样,只是墙壁和窗纸都变黑了,室里有一个木架,里面放着各种器皿,其中有镶银的漆器,上面的银全部熔化流在地上,而漆器都没有被烧焦。有一把宝刀,钢质十分坚硬,就在鞘中熔为钢水,而刀鞘依然完整。”
这段记载是十分翔实的。在落雷时,强大的电流只能在截面积不很大的通道通过,空气电离发出耀眼的光亮,并发生巨大的热量引起高温,传到墙壁和窗纸上,故被焦灼而变为黑色。木架恰好在通道上,电流经过金属的刀和漆器上的银,遂使它温度急剧升高,立即熔化。刀鞘和漆器等绝缘体,不通电流,只受到传来的热量,但因时间极为短暂,因而仍能保持原状。后来又有人见到类似的情况。
宋代庄绰在《鸡肋篇》里讲到,他在南雄任职时曾看到当地的福慧寺被雷击中,其中一尊骑着狮子的佛象也破裂了,那上面所涂的金粉都熔化掉,其他色彩却依然如故。这和上面沈括见到的“雷火熔宝剑而鞘不焚”是同一原因。所以庄绰也说,他见到的情况“与沈所书,差相符也”。
上面提到的这三条记载,其意义不但在于如实描述了雷击的景状及其后果,并且已经隐隐约约地看出了不同物质在导电方面有不同的效果。后来,明末的方以智根据这些记载得出结论:“雷火所及,金石销熔,而漆器不坏。”这初步已经有了一点关于导体和绝缘体的概括性。至于严格的导体和绝缘体的区分,在古代是无法明确的。
观察只能认识事物的表象,理论的解释才能探讨事物的本质。古代既然对雷电做了那么多观察和记录,必然对讨论它的成因提供了基础。
我国对雷电成因的探讨,从周代就开始了。那时的理论武器,主要是物质元气说基础上的阴阳学说。先秦以至汉以后的许多古书上都有这方面的记载。大概说来,都是认为雷电是阴阳两种元气相互作用而产生的。
如汉初的《淮南子》上说,“阴阳相薄为雷,激扬为电”。意思是,阴阳二气彼此相击产生雷,相互渗透则产生电。这些说法虽然包含有辩证法的因素,但总显得过份粗浅笼统,不够具体。
东汉科学家王充,对雷电作了研究,专门写了一篇叫做《雷虚篇》(见《论衡》)的论文,竭力驳斥当时流行的“雷为天怒”的无稽之谈。王充在文章中明确指出,雷与电不过是“一声一气”而已。
那什么是“气”呢?声音又是从何而来呢?
王充举出五条证据说明雷电在本质上就是一团火,所谓“雷,火也”,也就是“太阳之激气”。王充描写夏天阴阳二气的作用说,那时阳气占支配地位,阴气同它相争,结果便发生碰撞、摩擦、爆炸和激射,因此就形成雷电。
王充还用水浇火的过程来形象地说明雷电。他指出:在冶炼用的熊熊炉火之中,突然浇进一斗水,就会发生爆炸和轰鸣;天地可以看成是一个大熔炉,阳气就是火,云和雨是大量的水,水火相互作用引起了轰鸣,就是雷,被这种爆炸击中的人无疑要受伤害。这一段说明,把阴阳作用发挥得很具体,对雷电成因的解释是很有独到之处的。
唐代,人们对雷与电的关系作进一步的说明,孔颖达在《左传》“疏”里,说“电是雷光”。后来,有人还说,“雷电者,阳气也,有声名日雷,无声名日电”。在这一点上讲得最分明的是宋代的陆佃,他在《埤雅》一书中说,“电,阴阳激耀,与雷同气发而为光者也”。并且说阴阳相激,“其光为电,其声为雷”。他还用铁与石相击所产生的火星与声响去比喻电和雷。
宋代周密的《齐东野语》一书,说得更加形象,他认为阴气凝聚,阳气被包固在里面,一下子爆炸起来,结果就“光发而声随之”。对于雷电威力的巨大,朱熹有个解释,他说雷电是“阴阳之气,闭结之极,忽然迸散出”。这里着重于闭结之“极”与进散的“忽然”。
从今天的眼光看,就是说极大的能量在极短时间内的爆发,是值得注意的。明代的刘基有一段话,对雷电解释得最全面、生动。他说:
“雷者,天气之郁而激而发也,阳气团于阴,必迫,迫极而进,进而声为雷,光为电。犹火之出炮也,而物之当之者,柔为穿,刚必碎,非天之主以此物激人,而人之死者适逢之也。”
他对雷电成因的解释,基本上继承前人的说法,可是他用炮弹出膛来比喻是很形象的;指出了人之被击毙,乃是“适逢之”,并非什么天意的惩罚,是一种科学的态度。
应当指出,这些解释之中的阴阳,并不是正负电荷。在古代也根本不可能发生现代科学中的电概念。所有这些解释,也只能使我们看到阴阳理论的一些科学因素及其生命力而已。
三、我国古代的避雷设施雷电既然能够造成灾害,迷信者除了惊恐畏惧之外,就显得无能为力、无所作为了;具有科学头脑的人们却要设法对付它。在今天,避雷针已是众所周知的有效的预防设施。
根据落雷的成因可以知道,地面上特别高耸突出的物体是比较容易受到雷击的。所以,在高层建筑物或烟囱的最顶处装上ー个金属的尖端,以粗导线引到地下,和大地相联结,就构成了避雷针。它所根据的原理是尖端放电。就是说,一个带电体,电荷总是密集在尖端,因此也比较容易逸出。当带电云层逐渐接近地面,因静电感应作用,地面就出现异种电荷,它将主要集中在屋顶的那个金属尖端上,并由此向空间逐渐逸出,跟云层中的电荷中和。这就避免了电荷的大量积集,引起突然性的集中放电,从而减少发生雷击的可能性。
同时,由于金属尖端有粗导线和大地相通,当雷击发生时,强大的电流就从避雷针的接地粗导线中流过,从而避免了建筑物受到雷击电流的破坏。
我国古代对尖端放电,当然是无法了解的,但对大气中存在的尖端放电现象却有所发现和注意。《汉书》上就有“矛端生火”的记载。矛是一种兵器,大约有三、五米长,锋刃就是一个金属尖端,当露天竖立着,上空有带电云层时,可能发生放电而产生微弱的亮光。
晋代的《搜神记》里记载,公元304年,成都王发动叛乱,陈兵邺城,据说夜间可以看见“戟锋皆有火光,遥望如悬烛。”实际上说的就是尖端放电现象。至于说“遥望如悬烛”,那可能是夸张之笔。
关于我国古代的避雷措施,三国和南北朝时代的书上,已经出现“避雷室”的名字。但是这个屋子的结构和避雷原理都无从考证了,这是很可惜的事。
法国旅行家卡勃里欧别・戴马甘兰游历中国之后,于1688年写了一部叫做《中国新事》的书,那上面记载说:“当时中国屋宇的屋脊两头,都有一个仰起的龙头,龙口吐出曲折的金属舌头,伸上天空,舌根连接着一根很细的铁丝,直通地下。这种奇妙的装置,在发生雷电的时刻就大显神通,若雷电击中了屋宇,电流就会从龙舌沿线下行地底,起不了丝毫破坏作用。”看来,这龙头既是种装饰,另一方面也是一种避雷装置。
在这里,建筑艺术和避雷措施结合得很巧妙。这一类避雷装置在我国起源于什么时候呢?
据唐代王睿的《炙毂子》上记载,汉代的古建筑柏梁殿遭火灾,因此,有个搞巫术的人提出建议,把瓦做成鱼尾形状(叫做“鸱尾”或“蚩吻”),放在屋顶上就可以防止雷电引起的天火。看来这就是《中国新事》上所说的“仰起的龙头”之类的东西了。
古书上还记载说,有人看见房屋顶上瓦质兽头的口中竟有二三尺长的火光。大概就是放电现象。这样看来,我国至迟从唐代开始,有的屋顶上所设置的动物形状的瓦饰,实际上兼作避雷之用。在古建筑里还发现一些值得注意的部分,譬如塔的尖顶常常被涂上一层有色金属膜。成了导体,那直达地下的塔心柱所采用的木料往往是容易导电的,塔心柱的下端又有贮藏金属等的“龙窟”。这样实际上就构成了避雷装置。
无怪明代就有记载说,嘉兴的东塔顶上夜间“放金色、若流星四散”。许多高大的殿宇,有所谓“雷公柱”等等的设置,也属于避雷措施。这些完全是古代建筑师们长期实践经验的积累这样说来,我国古代虽然不可能在避雷针的原理方面有所发现,但在实践上,早在一千多年前就已应用了。现在,人们一说起避雷针,就想到十八世纪的美国科学家富兰克林,可是我们祖先的贡献也是不能抹煞的。