著:姚荏富

電阿電,到底從哪來?

  我們現在生活中不可或缺的"電",發展至今其實也才不到三百年,雖然"電"這種特性早在西元前六世紀就已經被人類發現,但在18世紀前慢長的歲月裡,人類對電的理解也只停留在摩擦塑膠墊板(當然古人沒有墊板,但他們會用琥珀或是毛皮等等的東西)可以吸頭髮的"靜電現象"而已。這與我們現在用的電池、充電器......的電器產品所利用的"電"相比,根本就是牛車比跑車,兩個在技術上有著相當大的差距。

  不過人類到底是什麼時候開始使用電呢?"電池"這項發明的出現絕對是相當重要的分水嶺,但電池究竟是如何出現的,這就要回頭去看17世紀了。17世紀科學開始快速發展,許多現象都開始被科學家們開始討論,原本只知道毛皮摩擦琥珀會產生吸引紙片的古人,開始出現了基於摩擦會生電的現象而延伸出來的摩擦起電機,雖然說摩擦起電機聽起來很炫泡,不過說直接一點最早的摩擦起電機其實也只是一顆可以旋轉的硫磺球而已,藉由摩擦布帛來讓表面帶電的簡易起電裝置。

當電開始被蒐集,能夠做的實驗就變多了

  但就在人類可以開始蒐集"電"之後,便開始有了更多樣的研究方向,在摩擦起電機發明後的一百年內,科學家發現了電的傳導現象進而區分出了導體與非導體的兩種分類、以及同性相斥異性相吸的靜電特性、還發明出了18世紀相當有名的電力儲存裝置"萊頓瓶"。萊頓瓶可裡儲存相當大量的電荷,因為電荷量夠大所以更多平常不易見到的電火花等現象也給了當時的科學家相當多的啟發。

  你說萊頓瓶或是前面的起電器可以用在生活中嗎?就現在的觀點當然沒辦法,不過當時除了科學研究之外,拿萊頓瓶"電療"可是相當流行的醫療方式咧,雖然說效果可能不會比現在的電療好,但我們就姑且算以前的電療算是萊頓瓶在生活中的應用吧。畢竟就現在來看不管是萊頓瓶或起電機都只能做一次性的放電(也就是電一下就要重新累積電荷),對生活在現代的我們來說,他們充其量也就是科學玩具而已了。

突然發生的電效應,引起賈伐尼的好奇

  義大利解剖學家賈伐尼是"醫用電學"的愛好者,"醫用電學"是一種研究放電現象與肌肉收縮反應的學問,簡單說,就是研究生物被電之後反應的學問喇。雖然聽起來蠻鬧的,但誰也不知道電學的突破性發現會在生物領域發跡。1780年,一如往常在進行解剖的賈伐尼和他的學生在實驗室中進行著解剖青蛙的工作,當他的學生正要以手術刀接觸青蛙的小腿神經時,青蛙腿突然開始痙攣了起來,這個反應嚇壞了實驗室裡的所有人,而且同一時間另外一個學生正在使用起電機,也突然發出了電火花,這一連串的事件突然發生,到底是巧合還是怎麼回事呢?對電學以及解剖學都有研究的賈伐尼馬上就嗅出了其中的特殊之處,開始對此一現象進行研究。

從生物身上發生的電,是從哪來的呢?

  

  賈伐尼在將放電與痙攣兩種現象連結在一起後,馬上就想到了幾年前英國科學家沃爾什發表的電鰻放電觀察,該科學家發現只要連結電鰻背脊與腹肚的兩點就會產生放電現象。這個現象與萊頓瓶的放電現象類似,都是帶電體靠近特定物質後產生放電現象,再加上平常用萊頓瓶進行電療時肌肉發生的痙攣,看來這次蛙腿發生跳動的原因應該可以從上述現象找出一些端倪。

  為了掌握蛙腿痙攣的規律,賈伐尼安排了一連串實驗來尋找蛙腿跳動的原因,首先,賈伐尼假設,如果是電的現象的話,會不會是附近的電源造成的呢?於是賈伐尼將刀尖接觸蛙腿,接著用起電機製造出電火花,奇怪的是,這次怎麼電蛙腿都不會痙攣,原來蛙腿跳動並不是因為起電機嗎?(事實證明蛙腿跳動確實跟起電機無關,只是兩者剛好同時發生罷了)

  接著賈伐尼猜想會不會是因為實驗當天大氣裡的電所造成的呢?為了驗證這個假設,他將蛙腿用銅鉤掛在花園的鐵欄杆上,結果發現,不管在晴天、雨天或暴風雨來臨前,蛙腿都一樣會產生痙攣,所以說蛙腿的跳動應該與大氣無關,看來電來自於大氣的假設應該是錯的。這時賈伐尼還發現,只有當使用兩種不同金屬作為導體時,蛙腿才會產生痙攣,於是他猜想,那電源會不會是來自於他的神經呢?(我的天,明明答案就在眼前竟然給我猜動物的神經.....)

  雖然說賈伐尼已經非常接近答案了,但由於當時對電的了解就是帶電體碰到特定物質時才會產生放電現象(當時的說法叫做使電液流動),對於賈伐尼的已知來說金屬比起帶電更可能只負責導電的功能而已,所以想當然耳的他就把神經視為電源,而肌肉就是接受電流的物質了,而且這種假設在其他生物體上也都有類似的現象,這樣的發現讓賈伐尼更加肯定這種動物神經中特有的"動物電"是存在的。

動物電?真的假的?

  自1780年賈伐尼發現蛙腿痙攣的現象後,他並沒有急於發表自己的發現,而是做了相當多的生物實驗來驗證自己"動物電"的假設,最後他在1791年發表了《論肌肉運動中的電力》這份報告,他在內容中寫到:

「我用不導電或不太導電的物質來進行測試,像是玻璃、橡皮、樹脂等等的物質,結果蛙腿都不會產生痙攣,這讓我感到非常好奇,我認為這應該是因為動物本身就有電,我猜想當痙攣現象發生時,神經中的電經由導體流到肌肉中,就像來頓瓶的放電現象一樣。」

  賈伐尼的這項著作發表後,引起科學界廣泛的注意,而且當下賈伐尼的"動物電"說法,得到相當多的肯定。但看似嚴謹的實驗過程,其中卻有著致命的邏輯失誤,而這項錯誤雖然我們現在看很容易就發現電源可能來自金屬或是神經,而非只有神經這個選項時。但我們也別忘了當時科學界對電的了解也僅限於帶電體接觸到特定物質會放電而已,在這麼少的已知條件下當時的科學家要如何突破這樣認知錯誤的困境呢?


參考資料

《化學通史》凡異出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《不朽的科學家》洪建全出版

《化學的故事》倚天出版

《從故事看科學》世潮初版

《科學史》華立文化出版

《科學的1000個瞬間》究竟出版

《化學簡史》中國人民大學出版

《關於化學的100個故事》宇河出版

《超乎想像的化學課》天下文化出版

《A History of Western 》PrenticeHall