【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。

●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。

●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。