不好惹的魚類：科學怪魚

novdec

喜歡科幻文學的人應該都知道，史上第一本科幻小說是出版於1818年的《科學怪人》。作者瑪麗‧雪萊以“生物電”為科學基礎，寫出一個(對當時讀者而言)說服力十足的幻想故事。書中主角富蘭肯斯坦利用殘缺的屍身製造出一個人體，再用某種神秘力量賦予生命，“科學怪人”這個角色於焉誕生。

( d& b* a# L, w& L% B% Q! L1 | 由於“生物電”可以說是獨樹一幟的“第三種電”，和閃電以及摩擦電都有一大段距離，因此很少有人把《科學怪人》和富蘭克林聯想在一起。然而事實上，這本書的完整書名(Frankenstein; or， The Modern Prometheus， 直譯是《富蘭肯斯坦──現代的普羅米修斯》)與富蘭克林關係密切，早就有人懷疑“富蘭肯斯坦”這個名字是從富蘭克林(Franklin)轉化而來。

+ X( y7 _6 d0 C! ?3 b; [8 m* V 書名後半部分和富蘭克林就更有淵源了。因為當富蘭克林(嚴格說來是他的法國友人)捕捉到閃電之後，大哲學家康德曾經寫過一篇文章，文末將他與普羅米修斯相提並論──兩人分別從“天庭”盜來電與火。康德甚至在文章中，用德文明白寫下“新時代的普羅米修斯”這個封號(dem Prometheus der neuern Zeiten， 只不過骨子裏是負面的意思)。

0 b. @& |. v0 w, q 至於在真實世界，富蘭克林和生物電的研究也有重要的間接關係。話說一七七零年代初，忙於政事的富蘭克林對電學研究仍舊相當關心，例如他借由書信往返，啟發和鼓勵了一位後起之秀。

" ^& [8 s) _8 N8 q. I9 E 這位後起之秀是出生於印度的英國人，名叫華爾斯(John Walsh， 1726-1795)。但在討論他的研究之前，讓我們先簡單談談生物電的曆史。

6 W  F" ]6 ^9 Y- x6 Y3 i& C7 G 就人類文化史而言，生物電的現象絕對比摩擦電曆史久遠。早在大約五千年前，埃及漁夫就知道尼羅河中有一種不好惹的魚類(學名Malapterurus electricus的電鯰)。不過在十八世紀之前，幾乎沒有人將它與生物電聯想在一起。

後來，人類又陸續發現兩種帶電的魚類(電鰩和電鰻)，兩者都曾經是華爾斯的研究對象。

某種電鰩

公元1773年，華爾斯將研究成果發表在英國皇家學會的刊物上，題目是〈關於電鰩的電性〉。這個(中文)題目似乎並不起眼，既然是“電鰩”，帶電是理所當然的事。不過，它的英文題目(Of the Electric Property of the Torpedo)則很耐人尋味，因為在華爾斯的時代，雖然大家也都知道torpedo這種魚類不好惹，卻很少有人認為它用電當作武器。

當時的學者普遍認為電有四種特性：吸力、斥力、(電)火花以及嘶嘶聲，但這些特性並未出現在任何電魚身上。甚至有些學者認為，那些魚其實是用某種毒素攻擊人類，才會導致受害者感到麻木與暈眩。(torpedo的拉丁字源就是“麻木”，此外torpedo雖然也是“魚雷”，但那是十九世紀才發明的用法，千萬不要倒因為果。)

4 I/ }& d# T' y* m& r( M$ K- N 兩年後，華爾斯曾經利用電鰻製造出火花──在空氣而非水中，但還是很神奇，可惜他並未正式發表這項結果，因此後人對實驗細節所知有限。值得一提的是，類似的現象始終不曾出現在電鰩身上。

1 l! E- ?, ]5 T( p4 y1 v+ L+ b 就在這個時候，另一位英國學者開始用一種截然不同的方法研究電鰩，他就是科學史上鼎鼎有名的卡文迪西(Henry Cavendish， 1731-1810)。不過卡氏之所以有名，主要是因為他在化學和萬有引力方面的研究，相較之下，他對電學的貢獻經常被人忽略，值得花些篇幅介紹一下。

卡文迪西是個特立獨行的人物，他將萬貫家財視如糞土，唯一的興趣就是從事科學實驗。他一生雖然完成許多重要的實驗，可是正式發表的論文少之又少，導致他在電學上的重要發現後來都冠上別人的名字。其中最有名的當數“庫侖定律”(領先庫侖至少十年)與“歐姆定律”(早於歐姆46年)。

5 A9 D3 J' J; C0 n 卡文迪西研究電鰩的方法是標準的逆向操作，他用許多“萊頓瓶”製成一個有模有樣的人工電鰩，試著讓它展現電鰩的特性：會令人觸電，但不會產生火花。

萊頓瓶圖解
萊頓瓶是什麼東西？就功能而言，你大可將它想成十八世紀的蓄電瓶。但請特別注意，萊頓瓶的蓄電方式並未牽涉到化學反應，因此就原理而言，它和現代的蓄電瓶或蓄電池完全不同。

公元1745-46年間，歐洲兩位學者分別發明出這種蓄電瓶，其中比較有名的穆氏(Pieter van Musschenbroek)當時任教於荷蘭的萊頓大學，這便是萊頓瓶名稱的由來。

4 U* y- _+ N9 @& r7 v% K( H/ } 萊頓瓶是史上第一個蓄電裝置，從此以後，起電機產生的靜電得以(暫時)保存，給電學研究帶來莫大的便利。就現代觀點而言，萊頓瓶其實是個大型的電容器，至於電容器為何能夠“容電”，從它的電路符號即可了解一個大概。

電容器的符號非常簡單，就是一對平行線，用以代表“相隔一段距離的兩個導體”。這兩個導體之間並不一定是空氣，任何絕緣體都可以。就萊頓瓶而言，絕緣體就是玻璃瓶，兩個導體則是分別貼於瓶內和瓶外的金屬片。

2 b0 ]% T7 h8 l9 f# q  n1 r2 E5 p6 H9 P 當電容器充飽電時，兩個導體分別帶有大小相等、符號相反的正負電。由於兩者並未接觸，所以正負電只會隔空吸引(因此互相“拉住”)，而不會彼此中和。然而，如果將兩個導體用電線連起來，就等於接通了電路，這時正負電就會順著回路彼此中和，過程中可能會產生火花。

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電容器的符號與放電過程示意圖
如果你用雙手抓著那兩個導體，也會形成一個回路(電容器──左手──右手──電容器)，於是你就觸電了。萊頓瓶的發明人穆氏就有親身經驗，他將此事寫在給友人的一封信中，大意是說：“我要告訴你一個可怕的新實驗，但我建議你別輕易嚐試，我自己也絕對不要重蹈覆轍了。”話說回來，被萊頓瓶電到雖然不是愉快的經驗，但造成的危害並不太大，原因很快就會分曉。

萊頓瓶最大的缺點就是無法作為穩定的電源，一旦開始放電，就會一發不可收拾，在很短的時間內釋放殆盡。至於放電的運作原理，一開始誰也不知道。直到一兩年後，富蘭克林將“玻璃電和樹脂電”用正負電的概念統一，電學研究者才脫離了知其然而不知其所以然的窘境。

( m% m7 T% D; p: m 介紹完萊頓瓶，再回到卡文迪西的研究。且說他做了許多實驗，終於發現電鰩和萊頓瓶的基本差異，用今日的語言來說：
萊頓瓶通常是電壓高(所以有火花)、電量小(所以殺傷力弱)。
* l# [! X4 P* P1 [9 a& V* R4 b, m 電鰩則一律是電壓低(所以沒火花)、電量大(所以殺傷力強)。

" I7 z9 B) r" X  d# r 不過，由於當時並沒有“電壓”的概念，因此卡文迪西在論文中使用“電化度”(degree of electrification)這個古怪的名詞。但名稱一點都不重要，重要的是“電壓”這個概念也是卡文迪西最先發現的。

/ |7 e2 X  I. x4 ~6 G+ R 此外卡文迪西還發現，萊頓瓶的電壓和它所帶的電量大致成正比，因此如果僅帶極微小的電量，萊頓瓶的電壓還是會變得很低。

% s4 J) l, Y7 T" m! F. B4 r' D 為了模擬電鰩，卡文迪西將49個“電量極小、電壓夠低的萊頓瓶”並聯。由於是並聯，所以整體電壓並未改變;另一方面，這些萊頓瓶的電量當然要累加，結果就是一個“電壓低、電量大”的裝置。

8 o/ I! G( ^# H' O6 o) _0 t 卡文迪西於1776年發表這項研究成果(這是他正式發表的第二篇電學論文)，其中隱含一個重大意義：既然“許多並聯的萊頓瓶”能夠模擬電鰩造成的觸電效應，電鰩所產生的電就有可能和萊頓瓶裏的電並無差異。

因此，就某個層面而言，在電學的統一大業上，卡文迪西的貢獻足以媲美富蘭克林。只是不久之後，意大利解剖學家伽伐尼以更奇怪的方法研究生物電(其結果直接影響了《科學怪人》的創作)，導致卡文迪西的科學怪魚相形失色，久而久之便鮮為人知了。

卡文迪西的“人造電鰩”論文

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神奇的物种

AKinne

神奇动物