【大宇宙小故事】34 君子之爭

撰文|葉李華

關於生物電的本質,十八世紀末在義大利北部有一場影響深遠的君子之爭。兩位當事人想必大家都不陌生,其中一位是著名的解剖學家伽伐尼(Luigi Galvani, 1737-1798),另一位則是在電學史上流芳百世的伏打(Alessandro Volta, 1745-1827)。

但在進入正題之前,讓我們先用最簡單的方式介紹一下「驗電器」。顧名思義,它是一種檢驗物體是否帶(靜)電的儀器。在電學發展史上,陸續出現過幾種不同的驗電器,最早的是吉伯特發明的電標(約1600年,請參考〈女王與教皇〉),最通用的則是金箔驗電器(1787年)。

然而信不信由你,在那兩位君子的學術論戰中,青蛙腿和舌頭都曾經扮演驗電器的角色。

伽伐尼(左)與伏打(圖像來源:維基百科)

●伽伐尼的蛙腿

公元1791年,伽伐尼總結十年的研究成果,發表了一篇名為〈論肌肉運動中之電力作用〉的論文。在這篇重量級論文的前三章,分別討論了三種同中有異、異中有同的現象:

1.起電機能夠導致(一段距離之外的)蛙腿抽動。

2.放在室外的蛙腿會在雷雨中抽動。

3.兩種金屬和蛙腿構成迴路(蛙腿──甲金屬──乙金屬──蛙腿)也能導致類似的抽動。

就當時的觀點而言,這三個現象一個比一個神奇。

1.十八世紀中葉,歐洲醫學界已經開始用「電療法」治療癱瘓(療效如何就很難說了)。以伽伐尼的醫學背景,他當然熟悉病患受到電刺激後的反應。既然癱瘓病人的肌肉會因而抽動,動物屍塊出現類似反應也就不足為奇了。

2.至於蛙腿會在雷雨中抽動這個現象,就某種意義而言,類似富蘭克林所倡議的捕捉閃電實驗。唯一的差別是,在伽伐尼的實驗中,蛙腿同時具有「捕捉閃電」和「驗電器」的雙重功用。

3.第三個結果就真的很神奇了,在沒有「電源」的情況下,蛙腿為何還會抽動呢?

伽伐尼苦思良久,最後得到的結論是:蛙腿本身是一個「有機的萊頓瓶」,在特殊條件下(例如上述的迴路)它所儲存的電便會釋放出來。

伽伐尼還特別發明了「動物電」這個名詞,並強調這種電普遍存在於動物體內,死活不論。換言之,即使動物死了,其中的動物電也不會立刻消失,這代表他認為這種電並非僅存在於某些魚類體內──伽伐尼當然知道關於電鰩與電鰻的研究,但在他看來,電魚和青蛙的差別僅在於能否隨意放電。

至於動物為何會自行發電並善加儲存,伽伐尼則歸功於神秘的「生命力」。必須強調的是,在伽伐尼的理論體系中,動物電和摩擦電本質上並無不同,兩者的差異僅在於產生的方式:摩擦電可由人工產生,動物電必須在動物體內製造。

這種想法和「有機(化合)物」最早的定義非常類似。十八世紀的化學家堅信「雖然有機物和無機物都是化合物,但無機物可由人工產生,有機物則必須由生物製造。」直到1828年,人工合成的尿素問世,才終於打破這種迷思,而「有機物」的定義也因而改寫。

伽伐尼論文的插圖:(上)人力發電導致的肌肉運動;(中)雷電導致的肌肉運動;(下)生物電導致的肌肉運動(圖像來源:Internet Archive)

●伏打的舌頭

伏打和伽伐尼的時空背景相當接近,學術與思想背景卻是天差地遠。

兩人不但都是義大利人,甚至可以算是鄰居(彼此任教的大學相距僅二百公里),而兩人年紀只差八歲,所以當然是平輩。另一方面,伽伐尼是虔誠的天主教徒,相信所有的生命都是神創造的;伏打則是一位理性主義者,難以接受「生命力」這種帶有神秘色彩的假設。

因此,在讀完伽伐尼的論文後,伏打隨即逐一驗證其中的實驗──並未發現任何錯誤,卻也沒有找到「生命力」的蹤跡。然後,為了進一步驗證動物電理論,他將伽伐尼的第三個實驗(蛙腿──甲金屬──乙金屬──蛙腿)做了兩種調整:

1.用蛙腿的神經取代整條腿,發現神經居然也會抽動,這足以證明肌肉並非儲電裝置。

2.用他自己的舌頭取代蛙腿,結果明顯感覺到酸味──類似舌頭受到普通靜電的刺激──他因此認定這是相同的物理效應。

根據這兩個實驗結果,伏打提出所謂的「接觸理論」:兩種不同的金屬互相接觸就會產生電流,它純粹是一種物理現象,和動物或生物無關。這就意味著,伏打認為在伽伐尼的相關實驗中,蛙腿只是單純的驗電器,而他自己的舌頭也扮演同樣的角色。

接觸理論誕生於1792年,可是直到1799年底,伏打才根據這個理論做出史上第一顆電池,也就是俗稱的「伏打堆」,正式發表的時間則是次年三月。

想必大家不禁要問,其間漫長的七、八年,伏打到底在忙些什麼?答案很簡單,他在忙著和伽伐尼打筆仗。為了鞏固「生命力/動物電」理論,伽伐尼想盡辦法為自己辯護,伏打不得不見招拆招,回擊對方提出的一波波觀點與佐證。

這場學術論戰相當激烈,但雙方始終保持風度,從未口出惡言或做人身攻擊,如此的君子之爭在科學史上並不常見。或許你曾聽說伽伐尼晚景淒涼,但那是因為他受到政治迫害,和這場論戰完全無關,和伏打更沒有任何關係。

●有心與無心

伏打當初發明伏打堆至少有兩個目的,一來是為了進一步攻擊動物電理論(伏打堆的材料不含任何有機物),二來則是想用最基本的方式解釋電鰩的發電機制(卡文迪西的研究無法解釋電鰩體內的電是如何產生的)。

沒想到伏打堆竟然發出前所未有的「連續電」,也就是現在所謂的「電流」,連發明人自己都始料未及。這是電學發展史上的一大突破,在此之前,摩擦生電(包括以起電機代勞)所產生的都是靜電,雖然能儲存於萊頓瓶,但放電過程有如脫韁野馬,很快就後繼無力,也就不可能源源不絕。

連續電就像是瓶中的精靈,一旦釋放出來,立刻催生出許多重要的發明與發現,三言兩語不太可能說清楚,以後再找機會慢慢討論吧。

伏打堆(圖像來源:維基百科)

●餘緒一、其實伏打也錯了

伏打的接觸理論認為電(流)來自互相接觸的兩種金屬,這在當年雖然是劃時代的創新概念,但就今日的觀點而言,這個理論並不正確。

說來相當諷刺,其實在伏打自己的發明中,就藏著「以子之矛攻子之盾」的鐵證。因為伏打堆是由許多「三明治」堆疊而成,每個三明治的上下層是金屬(鋅與銅),但中間還有個夾心──用鹽水沾濕的紙片(或布片)。

伏打一直聲稱濕紙片是為了增加導電效率,也就是理論上可有可無,事實則是他從未製作出「純粹使用金屬」的伏打堆。

大家在中學應該都學過,就化學觀點而言,伏打堆是一種原始的「電化電池」,電解質是其中不可或缺的一環。因此不論是濕紙片、青蛙腿或是伏打的舌頭,都扮演了「提供電解質」的重要角色。

巧合的是,在伏打提出「接觸理論」的同一年,另一位義大利學者(G. Fabbroni)就提出了正確的「化學反應理論」。但受限於當時的科技,這場「接觸vs.化學」的論戰持續了半個世紀,許多知名學者都各自選邊站,儼然形成兩大陣營。

直到十九世紀中葉,這場論戰才算塵埃落定,那時電化學已經是一門相當成熟的學問了。

●餘緒二、伽伐尼其實不算錯

現在我們當然知道,伽伐尼的理論也有一定程度的正確性,否則「心電圖」和「腦電圖」就是天方夜譚(這些電訊號原本就存在,並非外接電極後才產生的)。不過,由於伏打的攻擊力道太強,以致在當時的學者看來,伽伐尼在論戰中一而再、再而三居於下風,直到被打得一敗塗地。

因此之故,雖然伽伐尼實質上開創了「電生理學」這門科學,但在伽伐尼死後,這方面的研究停滯了三十餘年。雖然他的外甥(Giovanni Aldini)努力繼承衣缽,甚至曾以死刑犯的屍身公開進行實驗,可惜影響相當有限。

直到一八三零年代,伽伐尼的「學術繼承人」才陸續出現。又過了一百年,電生理學終於成為一門顯學。

註:電磁學中有許多單位都源自科學家的姓氏,例如頻率的單位赫茲(hertz)、電阻的單位歐姆(ohm),都是忠實使用原來的拼法。但有少數的特例是將姓氏稍加簡化,例如電容的單位是法拉(farad)而不是法拉第(faraday),電壓的單位是伏特(volt)而不是伏打(volta)。這兩位「電學之父」倘若地下有知,不知會做何感想。

 

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