【大宇宙小故事】33 科學怪魚

撰文|葉李華

喜歡科幻文學的人應該都知道,史上第一本科幻小說是出版於1818年的《科學怪人》。作者瑪麗‧雪萊以「生物電」為科學基礎,寫出一個(對當時讀者而言)說服力十足的幻想故事。書中主角富蘭肯斯坦利用殘缺的屍身製造出一個人體,再用某種神秘力量賦予生命,「科學怪人」這個角色於焉誕生。

由於「生物電」可以說是獨樹一幟的「第三種電」,和閃電以及摩擦電都有一大段距離,因此很少有人把《科學怪人》和富蘭克林聯想在一起。然而事實上,這本書的完整書名(Frankenstein; or, The Modern Prometheus, 直譯是《富蘭肯斯坦──現代的普羅米修斯》)與富蘭克林關係密切,早就有人懷疑「富蘭肯斯坦」這個名字是從富蘭克林(Franklin)轉化而來。

書名後半部分和富蘭克林就更有淵源了。因為當富蘭克林(嚴格說來是他的法國友人)捕捉到閃電之後,大哲學家康德曾經寫過一篇文章,文末將他與普羅米修斯相提並論──兩人分別從「天庭」盜來電與火。康德甚至在文章中,用德文明白寫下「新時代的普羅米修斯」這個封號(dem Prometheus der neuern Zeiten, 只不過骨子裡是負面的意思)。

至於在真實世界,富蘭克林和生物電的研究也有重要的間接關係。話說一七七零年代初,忙於政事的富蘭克林對電學研究仍舊相當關心,例如他藉由書信往返,啟發和鼓勵了一位後起之秀。

這位後起之秀是出生於印度的英國人,名叫華爾斯(John Walsh, 1726-1795)。但在討論他的研究之前,讓我們先簡單談談生物電的歷史。

就人類文化史而言,生物電的現象絕對比摩擦電歷史久遠。早在大約五千年前,埃及漁夫就知道尼羅河中有一種不好惹的魚類(學名Malapterurus electricus的電鯰)。不過在十八世紀之前,幾乎沒有人將牠與生物電聯想在一起。

後來,人類又陸續發現兩種帶電的魚類(電鰩和電鰻),兩者都曾經是華爾斯的研究對象。

某種電鰩(圖像來源:維基百科)

公元1773年,華爾斯將研究成果發表在英國皇家學會的刊物上,題目是〈關於電鰩的電性〉。這個(中文)題目似乎並不起眼,既然是「電鰩」,帶電是理所當然的事。不過,它的英文題目(Of the Electric Property of the Torpedo)則很耐人尋味,因為在華爾斯的時代,雖然大家也都知道torpedo這種魚類不好惹,卻很少有人認為牠用電當作武器。

當時的學者普遍認為電有四種特性:吸力、斥力、(電)火花以及嘶嘶聲,但這些特性並未出現在任何電魚身上。甚至有些學者認為,那些魚其實是用某種毒素攻擊人類,才會導致受害者感到麻木與暈眩。(torpedo的拉丁字源就是「麻木」,此外torpedo雖然也是「魚雷」,但那是十九世紀才發明的用法,千萬不要倒因為果。)

兩年後,華爾斯曾經利用電鰻製造出火花──在空氣而非水中,但還是很神奇,可惜他並未正式發表這項結果,因此後人對實驗細節所知有限。值得一提的是,類似的現象始終不曾出現在電鰩身上。

就在這個時候,另一位英國學者開始用一種截然不同的方法研究電鰩,他就是科學史上鼎鼎有名的卡文迪西(Henry Cavendish, 1731-1810)。不過卡氏之所以有名,主要是因為他在化學和萬有引力方面的研究,相較之下,他對電學的貢獻經常被人忽略,值得花些篇幅介紹一下。

卡文迪西是個特立獨行的人物,他將萬貫家財視如糞土,唯一的興趣就是從事科學實驗。他一生雖然完成許多重要的實驗,可是正式發表的論文少之又少,導致他在電學上的重要發現後來都冠上別人的名字。其中最有名的當數「庫侖定律」(領先庫侖至少十年)與「歐姆定律」(早於歐姆46年)。

卡文迪西研究電鰩的方法是標準的逆向操作,他用許多「萊頓瓶」製成一個有模有樣的人工電鰩,試著讓它展現電鰩的特性:會令人觸電,但不會產生火花。

萊頓瓶圖解(圖像來源:維基百科)

萊頓瓶是什麼東西?就功能而言,你大可將它想成十八世紀的蓄電瓶。但請特別注意,萊頓瓶的蓄電方式並未牽涉到化學反應,因此就原理而言,它和現代的蓄電瓶或蓄電池完全不同。

公元1745-46年間,歐洲兩位學者分別發明出這種蓄電瓶,其中比較有名的穆氏(Pieter van Musschenbroek)當時任教於荷蘭的萊頓大學,這便是萊頓瓶名稱的由來。

萊頓瓶是史上第一個蓄電裝置,從此以後,起電機產生的靜電得以(暫時)保存,給電學研究帶來莫大的便利。就現代觀點而言,萊頓瓶其實是個大型的電容器,至於電容器為何能夠「容電」,從它的電路符號即可瞭解一個大概。

電容器的符號非常簡單,就是一對平行線,用以代表「相隔一段距離的兩個導體」。這兩個導體之間並不一定是空氣,任何絕緣體都可以。就萊頓瓶而言,絕緣體就是玻璃瓶,兩個導體則是分別貼於瓶內和瓶外的金屬片。

當電容器充飽電時,兩個導體分別帶有大小相等、符號相反的正負電。由於兩者並未接觸,所以正負電只會隔空吸引(因此互相「拉住」),而不會彼此中和。然而,如果將兩個導體用電線連起來,就等於接通了電路,這時正負電就會順著迴路彼此中和,過程中可能會產生火花。

電容器的符號與放電過程示意圖(作者繪)

如果你用雙手抓著那兩個導體,也會形成一個迴路(電容器──左手──右手──電容器),於是你就觸電了。萊頓瓶的發明人穆氏就有親身經驗,他將此事寫在給友人的一封信中,大意是說:「我要告訴你一個可怕的新實驗,但我建議你別輕易嘗試,我自己也絕對不要重蹈覆轍了。」話說回來,被萊頓瓶電到雖然不是愉快的經驗,但造成的危害並不太大,原因很快就會分曉。

萊頓瓶最大的缺點就是無法作為穩定的電源,一旦開始放電,就會一發不可收拾,在很短的時間內釋放殆盡。至於放電的運作原理,一開始誰也不知道。直到一兩年後,富蘭克林將「玻璃電和樹脂電」用正負電的概念統一,電學研究者才脫離了知其然而不知其所以然的窘境。

介紹完萊頓瓶,再回到卡文迪西的研究。且說他做了許多實驗,終於發現電鰩和萊頓瓶的基本差異,用今日的語言來說:

萊頓瓶通常是電壓高(所以有火花)、電量小(所以殺傷力弱)。

電鰩則一律是電壓低(所以沒火花)、電量大(所以殺傷力強)。

不過,由於當時並沒有「電壓」的概念,因此卡文迪西在論文中使用「電化度」(degree of electrification)這個古怪的名詞。但名稱一點都不重要,重要的是「電壓」這個概念也是卡文迪西最先發現的。

此外卡文迪西還發現,萊頓瓶的電壓和它所帶的電量大致成正比,因此如果僅帶極微小的電量,萊頓瓶的電壓還是會變得很低。

為了模擬電鰩,卡文迪西將49個「電量極小、電壓夠低的萊頓瓶」並聯。由於是並聯,所以整體電壓並未改變;另一方面,這些萊頓瓶的電量當然要累加,結果就是一個「電壓低、電量大」的裝置。

卡文迪西於1776年發表這項研究成果(這是他正式發表的第二篇電學論文),其中隱含一個重大意義:既然「許多並聯的萊頓瓶」能夠模擬電鰩造成的觸電效應,電鰩所產生的電就有可能和萊頓瓶裡的電並無差異。

因此,就某個層面而言,在電學的統一大業上,卡文迪西的貢獻足以媲美富蘭克林。只是不久之後,義大利解剖學家伽伐尼以更奇怪的方法研究生物電(其結果直接影響了《科學怪人》的創作),導致卡文迪西的科學怪魚相形失色,久而久之便鮮為人知了。

卡文迪西的「人造電鰩」論文(圖像來源:Internet Archive)

 

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