我们每天做的一件习以为常的事，那就是打开或关掉电源开关。这太平常不过了，有什么值得关注的吗？是的，大家有没有想到，无论是打开电灯还是关掉电视，也无论是打开电脑还是关上手机，我们其实都是在指挥电流，更确切地说是在指挥电子，让它在我们需要的时候流动起来或暂时停在那里。
我们每天操控不同的各种开关，是因为我们生活在能源时代。在我们所依赖的能源中，最常用、最方便、最神通广大的莫过于电能了。所有的电子产品，所有与电有关的事物，都离不开电能。
电能是什么？电能是电流做功的能力。电流是什么？电流是电子有规律的振动而放出的能量。那么电子呢，电子是什么？这可不是一两句话就可以说清楚的，何况它背后有那么多故事，它们告诉我们，洋洋大观、丰富多彩的大千世界实际上是由看不见的微观世界组成的。电子是组成世界万物最基本的微粒。它小到什么程度呢？如果把一个针尖比喻为一个篮球场，那么，一个电子只是这个球场上的一粒极细的沙子。我们如果要用宏观的尺子来测量电子，以米（m）为单位，它的大小的量级只是1×1016，重量只有0.9×1038千克。如果用算术表示，就是0.0000000000000001米和0.00000000000000000000000000000000000009千克，小得即使用一般的显微镜也看不到！
这么微小的东西，人们怎么可能发现它？是怎样发现的？这正是我们要告诉你的。
1.1.1 琥珀中的昆虫
同学们一定还记得，小学六年级下学期的《语文》课本中有一篇课文是《琥珀》。这篇课文告诉我们，琥珀是地球早期的植物树脂在特定条件下形成的产物，是上万年以前的松树脂化石，是一种保存完整的实体生物化石。
这篇课文生动优美，我们不妨将它作为我们关于琥珀的第一个故事。
这个故事发生在很久很久以前，约摸算来，总有一万年了。
一个夏天，太阳暖暖地照着，海在很远的地方翻腾怒吼，绿叶在树顶上飒（sà）飒地响。一个小苍蝇展开柔嫩的绿翅膀，在阳光里快乐地飞舞。后来，它嗡嗡地穿过草地，飞进树林。那里长着许多高大的松树，太阳照得火热，可以闻到一股松脂（zhī）的香味。那个小苍蝇停在一棵大松树上，伸起腿来掸（dǎn）掸翅膀，拂拭（shì）那长着一对红眼睛的圆脑袋。它飞了大半天，身上已经沾满了灰尘。
忽然，有个蜘蛛慢慢地爬过来，想把苍蝇当作一顿美餐。它小心地划动长长的腿，沿着树干向下爬，离小苍蝇越来越近了。
晌午的太阳光热辣辣地照射着整个树林。许多老松树渗出厚厚的松脂，在太阳光里闪闪地发出金黄的光彩。
蜘蛛刚要扑过去，一件可怕的事情突然发生了。一大滴松脂从树上滴下来，刚好落在树干上，把苍蝇和蜘蛛一齐包在里头。小苍蝇不能掸翅膀了，蜘蛛也不再想什么美餐了。这两只小虫子都淹没在老松树的黄色的泪珠里。它们前俯后仰地挣扎了一番，终于不动了。松脂继续滴下来，最后积成一个松脂球，把两只小虫子重重包裹在里面。
几十年，几百年，几千年，时间一转眼就过去了。成千上万只绿翅膀的苍蝇和八只脚的蜘蛛来了又去了，谁也不会想到很久很久以前，有两只小虫子被埋在一个松脂球里，挂在一棵老松树上。后来，陆地渐渐沉下去，海水渐渐漫上来，逼近那古老的森林。有一天，水把森林淹没了。波浪不断地向树干冲刷，甚至把树连根拔起。树断绝了生机，慢慢地腐烂了，剩下的只有那些松脂球淹没在泥沙下面。
又是几千年过去了，那些松脂球变成了化石。海风猛烈地吹，汹涌澎湃的波涛把海里的泥沙卷到岸边。有个渔民带着他的孩子走过海滩。那孩子赤着脚，他踩到了沙里一块硬东西，就把它挖了出来。
“爸爸，你看！”他惊奇地叫起来，“这是什么？”
渔民接过那件东西，仔细看了看。
“这是琥珀，孩子。”他高兴地说，“有两个小东西关在里面呢，一个是苍蝇，一个是蜘蛛。这是很少见的。”
在那块透明的琥珀里，两个小东西仍旧安静地躺着，可以看见它们身上的每一根毫毛，可以想象它们当时在黏稠（niánchóu）的松脂里怎样挣扎，因为它们腿的四周显出好几圈黑色的圆环。从那块琥珀上，我们可以推测出发生在一万年前的故事的详细情形，并且可以知道，在远古时代，世界上就已经有苍蝇和蜘蛛了。
《琥珀》课文中所叙述的昆虫被封在松脂内而后成为化石的故事，是真实的。在一些珍贵的琥珀中，确实有昆虫的尸体。现在我们知道，琥珀的主要成分是碳、氢、氧以及少量的硫，莫氏硬度为2～3、密度为1.05～1.1，熔点为150℃～180℃，燃点为250℃～375℃。德国人把琥珀称为燃烧石，因为它能在一定温度下燃烧。琥珀和珍珠、珊瑚被并称三大有机宝石。
琥珀是一种古老的宝石饰品材料，作为宝石，也有近6000年的历史。在中国、希腊和埃及的许多古墓中，都曾出土过用琥珀制成的饰品。古罗马的妇女有将宝石拿在手中的习惯，其原因是在手掌的温度下，琥珀受热能发出一种淡淡的优雅的芳香。古罗马人赋予琥珀极高的价值，一个琥珀刻成的小雕像比一名健壮的奴隶价值都高。传说琥珀还能够消痛镇惊，因此，有的地方常给小孩胸前挂一串琥珀，以此驱邪镇惊。即使到了现代，琥珀也仍然是人们喜欢的大众化饰品材料，被制作成工艺品出售。当然，由于天然琥珀有限，许多所谓的琥珀工艺品已经是人工合成树脂。这是因为在大自然中形成这种包裹有昆虫的琥珀的几率很低，货真价实的含有昆虫的琥珀标本是很难得的，市面上大量销售的包裹有各种昆虫的琥珀装饰件是用合成树脂制作的工艺品标本。有些采用的是真实的昆虫预埋在树脂中，因此，也具有观赏价值和一定收藏价值。有些仿琥珀工艺品还在制作时添加少许香料，以便更像具一定天然香气的琥珀。
尽管琥珀早就作为珠宝和工艺品材料进入了人类的生活。但是，很少有人知道，琥珀竟然是人类开启对电的研究的最直接的媒介物。这就是我们要讲的关于琥珀的又一个故事。
1.1.2 琥珀神奇的吸引力
公元前600年的夏天，在意大利古代名城米利都繁荣的伊奥尼亚港，一艘远洋多桅大帆船正在卸载从埃及运回的一批粮食。购回这批粮食的主人泰勒斯也和往常一样随船回到港口。他像这样乘船到海外做生意已经有好些年了。利用这种机会，他周游了一些东方国家，学习了古巴比伦观测日食、月食和测算海上船只距离的知识，了解到腓尼基人英赫·希敦斯基探讨万物组成的原始思想，知道了埃及土地丈量的方法和规则等。他还到美索不达米亚平原，在那里学习了数学和天文学知识。这些阅历丰富了他的思想，也培养了他敏锐的观察力。每次回到故土，他都会赤足在海边的沙滩上散步。这天和往常一样，他一边踩着细软的沙子，一边望着慢慢从退去的潮水中显露出的沙滩，希望能看到从远方漂浮过来的漂流瓶之类的意外之物。他并不确定自己希望什么，只是多少有些厌倦商人的生活。
忽然，沙滩上一个反射着强烈阳光的东西引起了他的注意，他赶紧走过去，发现那只不过是一块鹅卵石，但是通体呈棕黄色而又透亮，与一般的石块有些不同。他拾了起来，才发现这块透明的石块很轻，原来是一块琥珀。
波罗的海地区是盛产琥珀的地方，因此，欧洲人也将琥珀称为“北方之金”，认为是可以带来财运的宝石。泰勒斯想，这块琥珀不知是怎样漂到这里的，能被他遇到，也是一种机缘吧。
他正打算用衣襟擦干净石块上的水迹，就听到商船上有人在叫他，原来卸船工作已经完成，水手开始打扫舱面甲板。于是他向商船走过去，仍然时不时用自己的衣服擦拭着这块琥珀。这时，一阵海风吹来，不仅带着海洋的腥味，而且裹夹着从甲板上扬起的灰尘和细小的谷草。泰勒斯下意识地抬手遮挡眼睛，却意外地发现，吹来的一些灰尘和谷草被吸附在了琥珀的表面。就像黏在沾有水的潮湿物体表面一样。而他分明是刚才已经擦干了这块琥珀的。显然，黏住这些灰尘草屑，不是因为琥珀表面有水。
细心的泰勒斯用衣襟擦掉黏在琥珀表面的灰屑，发现并不是那么容易能够完全擦干净的。这个意外的发现让他着迷。他来到船上，让水手将草屑拿过来，当他再在自己衣服上用力擦揩琥珀后，不等琥珀碰到草屑，就见细小的草屑飞向琥珀并附在了琥珀的表面。
“啊，太神奇了！”围在旁边的水手们都发出了惊奇的叫声。
泰勒斯反复地做了几次这样的试验后，陷入了沉思。在他的思想中，水是万物的本源，湿的东西具有黏性，也是水的一种特性。现在他是在擦干了琥珀以后才观察到能黏附草屑的，以他那个时代的学识，无法解释这一现象。他回家后又反复做了这个实验，证明用丝绸等摩擦琥珀能吸引细小的物质黏附到琥珀表面。他详细记载了琥珀具有的这种奇特的现象。
很可惜，那个时代的人们不可能认识到，这种现象是物质在更精细的微观结构上的某种同一性的一种表露。这种奇怪的现象此后也迷惑了柏拉图和亚里士多德等著名的古希腊哲学家，他们都读过泰勒斯的著作。亚里士多德还在其著作中介绍了泰勒斯的哲学思想和对各种事物的观察，其中也包括这个关于琥珀性质的描述。泰勒斯本人的著作现已经失传。
琥珀在希腊文中是[Electron]，由于可以摩擦产生静电而得名，故琥珀亦曾被译为[电石]（据《美国传统辞典》electric条的字源注解，电子一词from Latin：electrum[amber]、New Latin：electricus[deriving from amber， as by rubbing]，其中的amber就是现在的英文琥珀）。
泰勒斯是西方公认的最早观察到琥珀静电效应的人。在我国的古籍中，也很早就记载了不少琥珀的静电效应。后汉的王充在《论衡》一书中记载，“顿牟介，磁石引针”，“顿牟”就是指的琥珀。晋代的王嘉在《拾遗记·卷七》曾记载一双琥珀制的鸟放在安静的室内，自己会鸣叫和飞翔。说琥珀制成的鸟能飞翔恐怕是夸大其词，但能够鸣叫则应是琥珀静电摩擦产生的声音效果。
在古希腊人的传说中，琥珀是由女神赫丽提斯的眼泪变成的。我国古代先民则认为，琥珀是猛虎死后的魂魄变化而来。总之，琥珀在古人眼中带有某种神秘的色彩，似乎隐藏着某种秘密。
泰勒斯发现和记载的琥珀摩擦以后可以吸引轻微细小物体的现象，其实是一种静电现象。只不过当时的人类还没有认识到静电，也绝对想不到雷雨天的闪电同样是由于摩擦引起的放电，会藏身于这块奇特的石头当中。直到2000多年以后，才又有人从琥珀身上发现了电子的踪迹，从而掀开了微观世界的一角。
1.1.3 琥珀与静电
很多事情的破解注定是需要时间的，特别是需要漫长的历史过程。自从在泰勒斯那里显示过自己的特性以后，沉寂了上千年的附在琥珀中的电子幽灵游荡到了16世纪的欧洲。
经历了文艺复兴的欧洲，生产力有了显著的发展，社会对科学技术的需求空前高涨，从而使科学研究活动进入了一个高速发展的时期。因此，当人们再次将物质本源的问题提出来的时候，可以用来观察和试验的手段比起泰勒斯那个时代要高明得多，人们的认识能力也有了极大的提高。在这个历史舞台上，琥珀终于又成为一场重要演出的道具。
这次的主角是一位有名的医生威廉·吉尔伯特（William Gilbert）。威廉·吉尔伯特，1540年5月24日生于英国科尔切斯特，1569年获得剑桥大学医学博士学位。吉尔伯特早年研究化学，1580年前后开始对磁学和电学发生兴趣，1600年出版了《磁石论》。这是物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。因为他的医术和名声，英国王室于1601年聘用他担任御医。1603年在伦敦逝世。
他虽然是医生，但他对自然科学的兴趣要大得多，并且在物理学特别是磁学和电学方面做了开创性的研究工作。他也是从琥珀经摩擦可以产生出吸引细小物体的能力这一现象入手的，提出了“电磁素”的概念。
吉尔伯特首先用琥珀重复了泰勒斯的实验。他用各种材料摩擦琥珀，发现用布料、丝绸摩擦后的琥珀可以吸附细小干燥的碎纸片等。他进而用金刚石、蓝宝石、硫磺、明矾等做样品，做了一系列实验，发现经过摩擦，它们都具有吸附轻小物体的性质。他认识到这是一种物质普遍具有的现象，因此，根据希腊文琥珀[ηλεκτορν]一词引入“电的”[electric]一词，并且把像琥珀这样经过摩擦后能吸附轻小物体的物体称为“带电体”。吉尔伯特还发明了第一只验电器。他于1600年在伦敦出版的《磁石论》中，详细描述了他的这些实验和所得出的结论，从而在新世纪（17世纪）到来之时，开启了静电研究之门。这部著作的重要性在当时虽然并没有引起足够的重视，却被另一位独具慧眼的伟大科学家备加称道。这位科学家就是著名的伽利略。在吉尔伯特去世后第二年才出生的伽利略在读过这本书后，称它“伟大到令人妒忌的程度”。
《磁石论》共有六卷，书中的所有结论都建立在观察与实验基础上。当然，从书名就可以知道，这是一部以论磁现象为主的著作。在电磁学中，磁通量的单位是吉伯[gilbert]，就是以他的名字命名的，以纪念他的贡献。
更重要的是，吉尔伯特的名著，也叙述了他对电现象的研究内容。他研究了10多种物质，发现它们中的大多数被摩擦后，同琥珀、玛瑙被摩擦后相似，可以吸附轻小的物体。他首先指出，这是与磁现象有本质区别的另一类现象，他第一个称电吸引的原因为电力。
吉尔伯特制成了第一台验电器，并用它证明了离带电体越近，吸引力越大，还指出电引力沿直线传递，带电体被加热或放在潮湿的空气中，它的吸引能力就消失了等。
对于电的本质，吉尔伯特也试图加以解释。他认为存在一种“电液体”，带电体吸引其他物体时，“电液”就从带电体流向被吸引的物体。他还认为，带电体被加热时电性消失的原因是“电液”蒸发了……
在吉尔伯特时代，他提出的概念虽然还没有接触到电的本质电子，但是却说明了电是地地道道的物质。这具有特殊的意义，因为他所谓的“电液”其实就是电子的化身。电子在吉尔伯特对电的研究中初次露出了踪迹。因而，吉尔伯特的名字理应排在静电学研究者之首。
可惜的是吉尔伯特的名著《磁石论》直到19世纪末还很少为人所知，他的其他作品、先进的科学思想在英国也很少有人知道。因为他的作品都是用拉丁文出版的，只有少数人可以读懂。1889年，英国成立了吉尔伯特俱乐部，到1900年，根据汤姆生的倡议，才出版了吉尔伯特名著的英译本。
在吉尔伯特的带动下，更多的人开始关注和从事关于电和磁的研究，从而使17、18世纪成为发现和研究电的世纪。其中不少有意或无意间所进行的实验，都对电学的研究和发展起到了推动作用。
1.1.4 静电球
在这些研究电的发烧友中，有一位是德国一个著名小城的市长，即马德堡的市长奥托·冯·格里克。说到马德堡，大家就会联想到马德堡半球，就是物理课本上告诉大家的每边用8匹马都没有拉开的两个半球的故事，这正是这位著名市长的杰作之一。
奥托·冯·格里克（1602—1686年），德国物理学家、政治家，出生于马德堡贵族家庭。他15岁时，进莱尼兹大学学习法律，20岁毕业，在研究法律之余，对于实验及数学等也有浓厚的兴趣。大学毕业后，格里克曾先后赴英、法国留学，23岁时回到故乡。当时的欧洲正卷入战争的漩涡之中，他曾在军队中以工程师身份服役，马德堡被攻占后，全市被烧毁一空，格里克也被捕，经瑞典朋友的资助，才得以出狱。后来，在瑞典国王的帮助下，收复了马德堡市。1646年，格里克被选为该市市长。格里克就任之后，兢兢业业地工作，不遗余力地架设桥梁，建造要塞。此外，他亲自动手种田，以生产当时奇缺的粮食。他一直担任市长到1676年。这期间，他一方面从政，一方面从事自然科学的研究，于1650年发明了活塞式真空泵，并利用这一发明于1657年设计并进行了著名的马德堡半球实验。格里克制造了两个直径35.5厘米的空心铜半球，他把这两个半球密合在一起，将球中抽成真空后，用16匹壮马分成两队来拉，也未能拉开。这个著名的实验是1654年在皇帝和帝国国会众多的观众面前做的。为了纪念格里克的故乡，人们把金属半球称为“马德堡半球”。
格里克在研究真空方面做出了卓越的贡献，但他在静电研究中的独特贡献却鲜为人知。格尔克用硫磺制做一个地球仪，为了使地球仪更圆，他将球体固定在一个可以旋转的木架上，在旋转中用布来抛光。在操作过程中，他发现球体能吸引或排斥细小轻微的物体，如羽毛。这样，他无意中发明了可以产生静电的旋转球体，并且制作了一些拿来送人。这为人们从事静电研究提供了很大的方便。这已经是17世纪后期的事了，可惜没有引起人们足够的重视。
直到1709年，英国皇家学会实验室主任弗朗西斯·霍克斯比也发现了可以产生静电的球体。霍克斯比做的是一个中空的玻璃球，能用手柄转动，在达到高速后，通过与其他物体的摩擦而产生电火花。这种旋转的球体成为18世纪早期人们获取静电的基本电源，对电的研究从此进入一个高潮期。
