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不好惹的鱼类:科学怪鱼

2017年8月11日20:31 环球解密

    喜欢科幻文学的人应该都知道,史上第一本科幻小说是出版于1818年的《科学怪人》。作者玛丽‧雪莱以“生物电”为科学基础,写出一个(对当时读者而言)说服力十足的幻想故事。书中主角富兰肯斯坦利用残缺的尸身制造出一个人体,再用某种神秘力量赋予生命,“科学怪人”这个角色于焉诞生。
    由于“生物电”可以说是独树一帜的“第三种电”,和闪电以及摩擦电都有一大段距离,因此很少有人把《科学怪人》和富兰克林联想在一起。然而事实上,这本书的完整书名(Frankenstein; or, The Modern Prometheus, 直译是《富兰肯斯坦──现代的普罗米修斯》)与富兰克林关系密切,早就有人怀疑“富兰肯斯坦”这个名字是从富兰克林(Franklin)转化而来。
    书名后半部分和富兰克林就更有渊源了。因为当富兰克林(严格说来是他的法国友人)捕捉到闪电之后,大哲学家康德曾经写过一篇文章,文末将他与普罗米修斯相提并论──两人分别从“天庭”盗来电与火。康德甚至在文章中,用德文明白写下“新时代的普罗米修斯”这个封号(dem Prometheus der neuern Zeiten, 只不过骨子里是负面的意思)。
    至于在真实世界,富兰克林和生物电的研究也有重要的间接关系。话说一七七零年代初,忙于政事的富兰克林对电学研究仍旧相当关心,例如他借由书信往返,启发和鼓励了一位后起之秀。
    这位后起之秀是出生于印度的英国人,名叫华尔斯(John Walsh, 1726-1795)。但在讨论他的研究之前,让我们先简单谈谈生物电的历史。
    就人类文化史而言,生物电的现象绝对比摩擦电历史久远。早在大约五千年前,埃及渔夫就知道尼罗河中有一种不好惹的鱼类(学名Malapterurus electricus的电鲇)。不过在十八世纪之前,几乎没有人将它与生物电联想在一起。
    后来,人类又陆续发现两种带电的鱼类(电鳐和电鳗),两者都曾经是华尔斯的研究对象。


    某种电鳐
    公元1773年,华尔斯将研究成果发表在英国皇家学会的刊物上,题目是〈关于电鳐的电性〉。这个(中文)题目似乎并不起眼,既然是“电鳐”,带电是理所当然的事。不过,它的英文题目(Of the Electric Property of the Torpedo)则很耐人寻味,因为在华尔斯的时代,虽然大家也都知道torpedo这种鱼类不好惹,却很少有人认为它用电当作武器。
    当时的学者普遍认为电有四种特性:吸力、斥力、(电)火花以及嘶嘶声,但这些特性并未出现在任何电鱼身上。甚至有些学者认为,那些鱼其实是用某种毒素攻击人类,才会导致受害者感到麻木与晕眩。(torpedo的拉丁字源就是“麻木”,此外torpedo虽然也是“鱼雷”,但那是十九世纪才发明的用法,千万不要倒因为果。)
    两年后,华尔斯曾经利用电鳗制造出火花──在空气而非水中,但还是很神奇,可惜他并未正式发表这项结果,因此后人对实验细节所知有限。值得一提的是,类似的现象始终不曾出现在电鳐身上。
    就在这个时候,另一位英国学者开始用一种截然不同的方法研究电鳐,他就是科学史上鼎鼎有名的卡文迪西(Henry C艾薇endish, 1731-1810)。不过卡氏之所以有名,主要是因为他在化学和万有引力方面的研究,相较之下,他对电学的贡献经常被人忽略,值得花些篇幅介绍一下。
    卡文迪西是个特立独行的人物,他将万贯家财视如粪土,唯一的兴趣就是从事科学实验。他一生虽然完成许多重要的实验,可是正式发表的论文少之又少,导致他在电学上的重要发现后来都冠上别人的名字。其中最有名的当数“库仑定律”(领先库仑至少十年)与“欧姆定律”(早于欧姆46年)。
    卡文迪西研究电鳐的方法是标准的逆向操作,他用许多“莱顿瓶”制成一个有模有样的人工电鳐,试着让它展现电鳐的特性:会令人触电,但不会产生火花。

    莱顿瓶图解
    莱顿瓶是什么东西?就功能而言,你大可将它想成十八世纪的蓄电瓶。但请特别注意,莱顿瓶的蓄电方式并未牵涉到化学反应,因此就原理而言,它和现代的蓄电瓶或蓄电池完全不同。
    公元1745-46年间,欧洲两位学者分别发明出这种蓄电瓶,其中比较有名的穆氏(Pieter van Musschenbroek)当时任教于荷兰的莱顿大学,这便是莱顿瓶名称的由来。
    莱顿瓶是史上第一个蓄电装置,从此以后,起电机产生的静电得以(暂时)保存,给电学研究带来莫大的便利。就现代观点而言,莱顿瓶其实是个大型的电容器,至于电容器为何能够“容电”,从它的电路符号即可了解一个大概。
    电容器的符号非常简单,就是一对平行线,用以代表“相隔一段距离的两个导体”。这两个导体之间并不一定是空气,任何绝缘体都可以。就莱顿瓶而言,绝缘体就是玻璃瓶,两个导体则是分别贴于瓶内和瓶外的金属片。
    当电容器充饱电时,两个导体分别带有大小相等、符号相反的正负电。由于两者并未接触,所以正负电只会隔空吸引(因此互相“拉住”),而不会彼此中和。然而,如果将两个导体用电线连起来,就等于接通了电路,这时正负电就会顺着回路彼此中和,过程中可能会产生火花。


    电容器的符号与放电过程示意图
    如果你用双手抓着那两个导体,也会形成一个回路(电容器──左手──右手──电容器),于是你就触电了。莱顿瓶的发明人穆氏就有亲身经验,他将此事写在给友人的一封信中,大意是说:“我要告诉你一个可怕的新实验,但我建议你别轻易尝试,我自己也绝对不要重蹈覆辙了。”话说回来,被莱顿瓶电到虽然不是愉快的经验,但造成的危害并不太大,原因很快就会分晓。
    莱顿瓶最大的缺点就是无法作为稳定的电源,一旦开始放电,就会一发不可收拾,在很短的时间内释放殆尽。至于放电的运作原理,一开始谁也不知道。直到一两年后,富兰克林将“玻璃电和树脂电”用正负电的概念统一,电学研究者才脱离了知其然而不知其所以然的窘境。
    介绍完莱顿瓶,再回到卡文迪西的研究。且说他做了许多实验,终于发现电鳐和莱顿瓶的基本差异,用今日的语言来说:
    莱顿瓶通常是电压高(所以有火花)、电量小(所以杀伤力弱)。
    电鳐则一律是电压低(所以没火花)、电量大(所以杀伤力强)。
    不过,由于当时并没有“电压”的概念,因此卡文迪西在论文中使用“电化度”(degree of electrification)这个古怪的名词。但名称一点都不重要,重要的是“电压”这个概念也是卡文迪西最先发现的。
    此外卡文迪西还发现,莱顿瓶的电压和它所带的电量大致成正比,因此如果仅带极微小的电量,莱顿瓶的电压还是会变得很低。
    为了模拟电鳐,卡文迪西将49个“电量极小、电压够低的莱顿瓶”并联。由于是并联,所以整体电压并未改变;另一方面,这些莱顿瓶的电量当然要累加,结果就是一个“电压低、电量大”的装置。
    卡文迪西于1776年发表这项研究成果(这是他正式发表的第二篇电学论文),其中隐含一个重大意义:既然“许多并联的莱顿瓶”能够模拟电鳐造成的触电效应,电鳐所产生的电就有可能和莱顿瓶里的电并无差异。
    因此,就某个层面而言,在电学的统一大业上,卡文迪西的贡献足以媲美富兰克林。只是不久之后,意大利解剖学家伽伐尼以更奇怪的方法研究生物电(其结果直接影响了《科学怪人》的创作),导致卡文迪西的科学怪鱼相形失色,久而久之便鲜为人知了。

    卡文迪西的“人造电鳐”论文

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