著:姚荏富

你有想過未來的世界會是什麼樣子嗎?具有人工智慧機器人取代人類,滿天都是具有自動駕駛飛行車,當然不能少了虛擬實境對吧。未來世界一直都是科幻片十分喜愛的題材,然而智慧型手機、電動車或是筆記型電腦,這些組成我們生活的的日常元素,其實在一百年前也是如科幻片一樣不可思議。然而科技其實並非一直都是如此的日新月異,即便是在十五世紀名聲響亮、新發明無數的達文西,穿越了一百年來到十六世紀,當時科技的變化大概也不會讓他有多驚訝。畢竟即使科學發展蓬勃,但沒有跟民生接軌,其實感受並不大。而這些使我們「現代」起來的現代科技,通常都有一個共通點,那就是「電」。

電學的發展,可以追溯到地中海地區的古老的文獻,裡面就有提到琥珀跟毛皮摩擦後會吸引羽毛。以及有某些魚類會使用電來電暈獵物候補食,甚至還利用這些魚類的電擊來當成治病的方法。然而幾千年過去,人們對於電的瞭解也僅此而已,而這些發現也就被當成難登科學大堂的把戲。一直到了十七世紀人們才又開始對於電的性質做研究,但真正的進展卻是在十八世紀,穆森布羅克發明萊頓瓶、富蘭克林發明避雷針都在這個時候。此時電學再也不是科學的小玩意,而是獨立的學門,甚至在賈伐尼發現化學與電學的關係後,還出現了全新的分支:電化學。

一般人總會覺得科學家做實驗就像國小實驗課一樣,一步一步照課本來,就會得到想要的結果。但那就像煮菜看食譜一樣,只是重複前人做過的事,然後得到一樣的結果。實驗成功率當然超高,因為可重複性本來就是科學該具備的其中一個要件。然而,實驗的真實狀況應該是失敗失敗再失敗,經過不斷的修正與改善之後才得到一次成功的結果。而這正是當時電學發展的最大問題,實驗需要大量可以拿來失敗的籌碼。當時電學雖然有許多科學家投入研究,然而這個問題依然是極大的困難。儘管當時已經有可以儲存電力的萊頓瓶,但萊頓瓶比較類似現代的電容,充電後只能做一次的放電。而電鰻雖然可以持續放出低電壓,但因為無法人為控制,同樣也無法作為實驗之用。

這樣的問題,一直到有個叫做亞歷山卓·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏打的人出現後才改變。伏打出生於1745年米蘭公國的科莫,也就是現在的義大利。伏打的生平跟我們常見小時就能背出四書五經的神童不同,伏打在四歲以前是不會說話的,甚至還一度被當成問題兒童。一直到了七歲,他才慢慢的追上一般孩子該有的程度。原本伏打的家人希望他長大可以成為一個牧師或是律師,但他卻愛上了科學。熱愛實驗的他後來不僅在畢業後進入了學校任教,還獨自發明了起電盤;然而卻發現起電盤在十幾年前就被瑞典的物理學家先發明了。聽起來十分荒謬,但在資訊流通並不發達的年代,這種事情時有所聞。不過儘管被人捷足先登,但伏打的起電盤效率比原本的要好得多。

某天,伏打看到了賈伐尼的研究。賈伐尼在解剖時發現蛙腿用銅勾掛上鐵樑時會抽搐,他認為蛙腿之所以會抽搐是因為肌肉產生了一種稱為「動物電」的電流。伏打一開始也同意這個觀點,甚至稱讚「這是在物理學和化學史上,足以稱為劃時代的發現之一。」但在投入研究越來越深入,伏打越認為這個說法是有破綻的。最大的問題,在於蛙腿的抽搐只能發生在掛勾與樑的金屬材質不同。換句話說,把原本的銅勾配鐵樑改成鐵勾配鐵樑,那麼亦來無論怎麼實驗,蛙腿就是不會發生抽搐的現象。他認為這是個電流不是來自蛙腿的肌肉,而是來自於不同的金屬接觸。所以稱為:「金屬電」。

就像當燃素派與反燃素派大戰一樣,很快地科學家也開始了究竟是動物電還是金屬電的「蛙腿戰爭」。為了鞏固自己的理論,伏打設計了一個實驗。既然已知不同的金屬接觸,並且通過導體(蛙腿)就可以產生電流,那麼只要把蛙腿換成別的導體就行。一開始,他將蛙腿換成浸泡過鹽水的布,但因為無法用蛙腿抽搐來判斷產生電流與否。所以伏打自制了可以測定微弱電流的檢流計。雖然確實測到了電流,但因為實驗與實驗的驗證標準都是自己做的,這種球員兼裁判的實驗難免引起了質疑。

伏打知道他需要更有說服力的實驗,而目標十分明確,就是他需要更大的電流,大到一般的檢流計也能偵測出來。伏打想到:「兩片不同金屬產生的電流太小怎麼辦,那我怎麼不多放幾組呢?」於是他將一片銅板與一片鋅版中間以浸泡過鹽水的布隔開作為一組,依序重疊許多組以後連接金屬電極。果不其然,這個由好幾組金屬堆疊出來的實驗,果然放出了足夠大的電流。而這個裝置,就叫做伏打電池。

雖然伏打當時僅知道電流來自於不同金屬的接觸,並且用這個裝置證明了金屬電的正確性。然而,伏打並不明白產生為什麼不同金屬接觸就會產生電流。實際上呢,是因為不同的金屬活性不同,對電子的吸引力也不同。活性大的鋅比較活潑,在接觸鹽水之後失去電子並成為離子態。電子則會在銅片上被氫離子接收成為氫氣。而這樣的反應就會產生一個持續的電流。然而雖然伏打電池屬於電學的分支——電化學的範疇,但因為伏打電池的發明使得科學家們輕易的取得穩定電流,才有可能有後續的電解、電路、電磁學甚至是光電效應,反而讓科學有了爆炸性的發展。