十項最美的實驗：實驗桌上的科學家，影響世界的十個偉大發現

Chapter 5 伽凡尼（Luigi Galvani） 動物電

在實驗中容易被蒙蔽，並認為看到和發現了我們想看到和發現的事物。
――伽凡尼

18世紀中葉，電風靡一時，一位業餘科學家站在倫敦皇家學會前描述所謂西蒙定律（Symmer’s law）：顏色相反的短襪相吸，而顏色相近的短襪相斥。為了讓他的腳在冬天覺得舒適，這位講述者，一位叫作西蒙（Robert Symmer）的政府辦事員，習慣穿上兩層襪子。清晨時，他會先穿上一雙黑色毛襪，外面再穿一層白色絲襪。到了下午，他會反過來穿。在換襪子的過程中，兩種不同的材質因為帶有相反的電荷而劈啪作響，毛豎了起來；人稱光腳哲學家的西蒙坐倒在椅子上，對這個結果感到驚奇。

「當這個實驗以兩隻黑襪在一邊，兩隻白襪在另一邊的方式進行，」他說道：「出現非常奇特的驚人現象：那些相同顏色東西的相斥，以及那些相異顏色東西的相吸，讓人覺得興奮又很有趣。」
這是電的研究浪漫時代的高潮，科學家辯論著電是蒸氣、液體，或是如富蘭克林（Benjamin Franklin）猜想的「細微粒子」（subtle particle）。科學表演者（當時稱為電學家〔electrician〕）轉動他們的靜電發電機的輪盤――巨大的轉盤與球體物摩擦產生電荷――將電擊波透過手與手的相接，傳送過人龍。把一個坐在椅子上的人用絲製繩索懸掛起來（要避免他接地），他的頭會發光，像聖像周圍的金葉光環一樣。從觀眾中選出一位年輕女性，對她充電，她將給予追求者永難忘懷的電撃之吻。正極遇到了負極。
詭異的是，電就像實體的東西，可以儲存在瓶子裡。用兩片連接磨電機正負極的錫箔紙，包覆瓶子的內外，這個容器就接收了電荷――玻璃的一邊是負電，另一邊是正電――電線移除很久之後，它仍然有電。觸摸這個稱為萊頓瓶（Leyden jar）的原始電容器兩邊，就像被電鰻電到一樣。

科學家思索那些閃電造成自發性行走癱瘓或植物快速成長的報告時，實證經驗常與幻想糾纏不清。普里斯特利猜想電是在腦中產生的――從燃素轉變而來――接著提出電能讓肌肉運動……以及使小鸚鵡的羽毛閃耀炫麗光澤，在夜間追蹤獵物時「據稱一些動物會發出」光，還有甚至人「有特殊性格的，特別是在某些極端情況下」，也會發出這種光。
另外有學說認為，某種「神經電」液（”nerveo-electrical” fluid）是身體摩擦產生的。這可是驚人的想法。就像西蒙的襪子，神經和骨頭會與肌肉摩擦，產成生命的動力――電。

1786年4月一個傍晚，西蒙的發現超過四分之一世紀後，中年解剖學教授伽凡尼走到靠近他家的波隆那詹波尼宮（Palazzo Zamboni）露台，帶著一捆金屬線和準備好的蛙腿，如他常說的，「一如既往地」：刺激脊椎，使坐骨的（或小腿的）神經懸盪在外面。
當雲層往南累積，伽凡尼把無頭的動物樣本放在桌上適當的位置，然後連接到他吊在上方的金屬曬衣繩。接著他等待雷暴（electrical storm），觀察到蛙腿隨著閃電抽動，好像在警示雷的到來。

接下來幾年，伽凡尼在他的實驗室製造出類似的效果，以轉動發電機或用萊頓瓶放電的方式產生電，刺激蛙腿神經。在詹波尼宮的演示，讓伽凡尼確認了「自然」電產生的生理反應與「人工」電相同。總之，這種電讓肌肉運動。
然而，有一個實驗讓伽凡尼比較難解釋箇中道理。幾年前，他的一位助理碰巧讓解剖刀接觸到青蛙暴露出來的神經，而剛好另一位在發電機旁工作的助理弄出一個小小的火花。沒有任何電線連接發電機與這個剖開的動物，但牠的腿猛烈收縮，好像痙攣一樣。此後伽凡尼不斷研究這個現象。

一開始他就確定這個反應並非單純來自解剖刀的刺激。確認發電機沒有轉動後，他再次用金屬刀片按壓神經。無論他如何努力探究，肌肉動也不動。顯而易見地，這個現象與電有關。
其他實驗顯示，鐵製圓筒會產生火花並讓蛙腿抽搐，但玻璃棒不行。然而，有時連金屬解剖刀都無法引發反應。伽凡尼很快發現，失敗的原因是他抓著工具的骨製刀柄，而非接觸鉚釘或刀身。不知道為什麼，實驗者本身好像成了反應的一部分。為了檢驗這項假設，他把一個金屬圓筒放在桌上，讓筒與動物的神經接觸，然後轉動發電機。蛙腿一動也不動。
他一步步消去變數。如果把連接蛙腿神經的短圓筒換成長金屬線，一個模糊的火花確實讓蛙腿跳動。情況變得比較明朗了。科學家已經知道，電會穿越距離對物體產生感應：閃電打在人的附近，人頸上的毛髮會直豎起來。轉動發電機會造成空氣中的張力――一種「電大氣」（electrical atmosphere）。拿解剖刀的人與解剖刀本身成為一種天線――避雷針――透過青蛙來放電。
但伽凡尼懷疑，或許有甚至更奇怪的事隱藏其中。如果青蛙只對透過空氣傳導的人工電有反應，抽搐的強度應該與火花的遠近有關。他把一個金屬鉤連接到青蛙的脊椎上，鉤子鉤上一條長電線，以各種不同的距離重複實驗，最遠把青蛙放到距離發電機150英尺。反應的強度像之前一樣――甚至把蛙腿隔離在錫製圓筒內部或放在真空中絕緣也一樣。一個個變化似乎指向他直覺上相信的事：機械產生的電並非造成跳動的主因。機械產生的電不過是撃發點，刺激了原本就在神經裡流動的「動物電」（animal electricity）。
伽凡尼知道實驗者多麼容易欺騙自己，去看到自己想看到的東西。他小心翼翼地處理他的犧牲品。9月初，詹波尼宮的實驗之後幾個月，他拿了好幾隻截去頭部的青蛙，用金屬鉤把牠們掛在陽台的鐵欄杆上。這一次沒有閃電，沒有發電機的火花，但蛙腿仍然抽搐。

伽凡尼推想，電不會源自金屬內部。一個單一導體（conductor）――鉤子和欄杆――無法儲存電荷。要創造電勢（potential），負極和正極必須小心地分開，就像在萊頓瓶中一樣。比較難忽視的可能性是，大氣電透過某種方式「溜進動物體內蓄積」，當鉤子與欄杆接觸時衝出來。那天天空晴朗，但他想排除這個可能性。
他一手拿起一隻青蛙，用插入牠身上的鉤子把牠吊起來，讓蛙腿接觸到銀製盒子的蓋子。另一隻手拿著一片金屬，讓金屬接觸發光的銀盒表面，形成一個完整的電路（circuit），讓蛙腿跳動。同樣的現象發生在當他固定住青蛙的軀體，讓鉤子和其中一條蛙腿掃過這個扁平導體：「蛙腿接觸導體表面的一瞬間，所有蛙腿肌肉都收縮，將腿抬起。」當蛙腿再度落下觸及金屬表面，牠再次收縮……然後又一次，青蛙反覆收縮至精力耗盡。除了動物電，這還可能是什麼？
1791年，伽凡尼將他的發現發表為《電對肌肉運動效果的評論》（De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius），提出青蛙的肌肉像萊頓瓶一樣，可以儲存及釋放某種有機電（organic electricity）。伽凡尼小心地描述他的實驗，分析結果後，讓自己做了一些猜測。他指出，對人來說，過剩的電可能讓人焦躁不安、臉紅，或甚至在極端情況下癲癇發作。他短暫跨界到非專業領域冒險，提出閃電與地震可能多少有些關聯：「但臆測要有個限度！」最後他希望研究電是否會影響所有各式各樣的身體功能：「關於血液循環和體液分泌這些事，我們會盡快在其他評註中發表，等我們稍微有空閒的時候。」

起初歐洲最偉大的電學家之一的伏特（Alessandro Volta）對伽凡尼的發現印象深刻，宣稱這個實驗讓動物電躋身「可演示的真理之林」。然後，他很客氣地逐步分解這項理論。
伏特選用整隻青蛙，他試著用一個金屬條觸碰牠的背部，用錢幣或鑰匙觸碰蛙腿。然後他將兩支探針的尖端靠在一起，封閉這個電弧（arc）。伽凡尼提到，實驗的結果是「相同的抽搐、痙攣、抽筋」――但不同的是，他用兩種不同的金屬。
伽凡尼說，在他自己的實驗中，這個「雙金屬電弧」似乎增強了收縮，但他認為這不過是一個有趣的小細節。剛開始伏特的想法類似，指出這種金屬組合不知為何促進了青蛙本身的電流快速通過完整電路。但後來伏特更仔細地觀察。
伏特讓蛙腿的坐骨神經暴露出來，在上面接上兩個像項圈一樣的小金屬夾，並在兩個夾子中間留了一點小空隙。一個夾子是錫製，另一個是銀製。當他封閉電路的瞬間――讓兩個夾子接觸或用一條金屬線跨接――蛙腿會抽搐。他用錫和黃銅做出相似的效果。伏特漸漸相信，這個傳導電弧不只是釋放或甚至加速動物電的靜態（quiescent）連結。它就是能量的真正源頭。當蛙腿抽動時，表現得就像非常靈敏的量表指針。這種情況顯示的，就是當時剛發現的現象：雙金屬電。「伽凡尼的理論和解釋……大體上是不合格的，」伏特在寫給同事的信中說：「而且整個體系有瓦解的危險。」
當伽凡尼的青蛙在銀盒的蓋子上跳舞，那不過是對電擊的一種反應。伏特以有禮又殘酷的方式下了結論：「果真如此，伽凡尼宣稱的動物電，以及他的演示起來看似精巧的實驗，有什麼意義呢？」

伽凡尼迅速起身面對挑戰。他確實是用黃銅鉤把蛙腿吊在鐵欄杆上。但這個電弧不一定是雙金屬電弧：他說使用鐵鉤的效果相似。伽凡尼回到實驗室，他和他的支持者證明他們可以用兩片顯然完全相同的金屬，同步接觸肌肉和神經，引發抽搐。
伏特準備好答案。金屬片或許看起來性質相同，但不可避免地就是不夠純淨――這些察覺不出的差異會產生電。
於是伽凡尼回到實驗室，設計了巧妙的演示，其中傳導電弧是用一個裝滿無任何添加的純水銀的玻璃容器。切開的肌肉漂浮在水銀表面，牠的脊椎以絲線懸吊起來。降下線，神經會接觸到水銀，然後――咻――肌肉抽動了。
伏特堅持金屬不純淨的問題。如果肌肉動了，就表示金屬必有不同之處――這個循環論證不可能辯駁。
雙方出現對立。一位認為是青蛙產生電，然後流過金屬電弧。另一位認為金屬電弧產生電，然後流到青蛙身上。

伽凡尼支持者唯一的機會，是讓金屬從這個迴圈中剔除。一位實驗者證明使用碳的效果一樣好：「那麼何必歸因於金屬的不同力量呢，可以由身體產生的效果當然沒有任何金屬的特質？」伏特堅持這項實驗沒有證明什麼，因為碳畢竟是一個導體。
另一位實驗者證明，他只需一隻手碰觸青蛙的肌肉，一隻手碰觸動物被切斷的神經，就可以產生像抽搐的反應。「每次我碰觸牠，青蛙就抽筋、跳動，我不禁想說，牠想逃離我。」結論似乎顯而易見：「金屬不是電的發動機……它們沒有祕密，也沒有神奇的功效。」
在另一個看起來最具說服力的實驗中，伽凡尼完全剔除了外導體（external conductor），輕輕地巧妙操縱剖開的青蛙，讓懸吊著的坐骨神經直接接觸控制腿部的肌肉。牠立刻踢了一下。除了動物本身，那個電還能來自哪裡？
伽凡尼自信滿滿地用伏特自己的話來嘲諷他：「但果真如此――如果這種電確實完全來自動物，而且非隨處可得，亦非外來的――那麼伏特閣下的意見會變成什麼呢？」

到了這個地步，伏特不改變作法也不行了。現在伏特開始認為肌肉、神經、實驗者的手、甚至青蛙本身，是較弱的「第二類」導體（”second-class” conductor）。不管神經接觸肌肉或銀接觸黃銅，效果是一樣的：不相似的導體會產生他所說的接觸電（contact electricity）。
在伽凡尼的早期實驗中，一對第一類導體（first-class conductor）――金屬解剖刀、黃銅鉤、銀盒蓋――被一個濕潤的第二類導體（青蛙）分開。他也大可用濕的卡紙就好，或如伏特接下來證明的人類的舌頭。他把一個銀幣放在舌頭上方，一個銅幣放在下方，這樣就能一嘗電的滋味。這個實驗涉及的一個單一金屬前面已經解釋過。一個第一類導體在兩個第二類導體（神經和肌肉）之間，形成一個電弧。最後，你可以完全從黏稠的第二類導體中做出一個電弧：用一隻手和一隻青蛙。有機或無機――這不重要，只要有差異性就行。

現在我們知道兩人都是對的。他們各自以美麗的實驗證明自己的理論。
先說伏特。他使用數十個金屬盤，一半銅製，一半鋅製，把它們交互堆疊，金屬交錯排列，以浸過鹽水的圓形卡紙隔板分開它們。如果堆得夠高，他可以讓自己輕微觸電。他也能用銀和錫，或用小杯鹽水來替代卡紙，串在一起就是雙金屬電極（bimetallic electrode）。
伏特是電池的發明人。他在1800年發表的論文標題似乎說明了一切：《論不同導電物質接觸產生的電》（On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds）。伽凡尼的青蛙，不過是伏特堆（voltaic pile）裡濕潤的隔離膜（separator）。

但情況並非如此，因為伽凡尼的王牌實驗，和伏特的一樣優雅。伽凡尼「一如既往地」準備了一隻他的青蛙，讓每條蛙腿的主神經露出來。在一項較早的實驗中，他讓神經直接碰觸肌肉。這一次他用一支小玻璃棒，把一條神經輕推向另一條：兩個完全相同的導體，結果是肌肉收縮；另一種情況是，如果他只是用玻璃棒來刺激第二條神經，肌肉不會收縮。「現在有什麼差異性可以用來解釋這種收縮？」他質問道：「因為接觸只發生在神經之間。」他堅稱，這種效果始終只能「由動物內在的電的電路」產生。
但兩人都沒有看清楚，他們的實驗是互補的，因為他們繞著同一個事實打轉。自然的、人工的、動物的――電就是電。伏特不了解，他觀察的「接觸電」是一種化學反應（事實上，伏特認為他的電池是一種永恆運動的來源）；伽凡尼則拘泥於一個想法：生物電（biological electricity）有某種本質上的差異。
許多年後，生理學家才清楚知道，伽凡尼（被伏特激發）從他的青蛙中瞥見的細微東西：生物體中每個極小的細胞像個小電池，細胞膜就像卡紙隔板，帶電的離子扮演鋅幣和銅幣的角色。結果正極與負極平衡，這種電動勢（electromotive force）稱為電壓（voltage）。當肌肉運動或手指感知石頭的表面，電流會流過神經系統。沒有天賜的「生命之力」（vital force）。生命是電化學（electrochemistry）。

Chapter 5 伽凡尼（Luigi Galvani） 動物電在實驗中容易被蒙蔽，並認為看到和發現了我們想看到和發現的事物。――伽凡尼18世紀中葉，電風靡一時，一位業餘科學家站在倫敦皇家學會前描述所謂西蒙定律（Symmer’s law）：顏色相反的短襪相吸，而顏色相近的短襪相斥。為了讓他的腳在冬天覺得舒適，這位講述者，一位叫作西蒙（Robert Symmer）的政府辦事員，習慣穿上兩層襪子。清晨時，他會先穿上一雙黑色毛襪，外面再穿一層白色絲襪。到了下午，他會反過來穿。在換襪子的過程中，兩種不同的材質因為帶有相反的電荷而劈啪作響，毛...