青蛙腿實驗與化學電池的發明 / 賴羿蓉、洪振方

星期五 , 1, 一月 2016 Leave a comment

青蛙腿實驗與化學電池的發明

賴羿蓉1, *、洪振方2

1吳鳳科技大學幼兒保育系
2
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*yrlai@wfu.edu.tw

n  賈法尼的青蛙實驗

1786年以前,當時尚無法產生穩定的電流,只有經由磨擦生電的「電火花」而已。話說1786年的某一天,義大利醫生賈法尼(Luigi Galvani, 1737-1798)在實驗室中解剖青蛙,只見他手中的解剖刀一刀下去切開青蛙的腰部,再一刀下去剝出了腰部的神經,然後拿起一把精巧的黃銅小鉤,一鉤穿了過去並順手將其掛在實驗桌上的一根橫鐵樑上。當賈法尼正準備再解剖第二隻青蛙時,忽見剛剛解剖的那隻青蛙抽動了起來。開始,賈法尼認為這可能是青蛙還沒死透的緣故,但過了一段時間之後,蛙腿仍持續的抽動著,絲毫沒有停止的跡象;此時,賈法尼開始覺得異常,於是又解剖了一隻青蛙,同樣的,也以銅鉤倒掛在橫鐵樑上,結果同前次一模一樣。經過反覆的觀察研究,他突然發現,這可能是電在作怪。於是,賈法尼提出一個大膽的假說「電能是來源於活的肌肉」,並在不同的前提假設下進行各種實驗。最後,賈法尼推斷,使蛙腿抽動的電是來自青蛙自身的,而二種不同的金屬則是蛙腿放電的導體。他把這種電稱之為「動物電」,以區別於靜電。

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1Luigi Galvani(賈法尼)

(圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani

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2賈法尼的青蛙實驗

(圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani

n  伏打電堆的發明

1793年,賈法尼在英國皇家學會上發表了他的新發現,與會的學者無不表示喝彩與贊同。然而,在大家都接受並認同賈法尼的發現時,有位義大利帕多瓦大學物理學教授伏打(Alessandro Volta, 1745-1827),眼見做醫學解剖的賈法尼竟在皇家學會大談電學發現,他哪能服氣,因此,又自行重覆賈法尼的實驗,毫無疑問的,他亦得到相同的結果。當伏打正在納悶時,突然,他像想到了什麼似的立即又再一次的重覆賈法尼的實驗,只是這次他將實驗中的橫樑與掛鉤以相同的金屬製造,實驗的結果竟是一個出人意料之外的現象:青蛙腿立即停止了抽動。

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3Alessandro Volta(伏打)

(圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta

此一截然不同的結果深深地震憾了伏打,他因而推斷,蛙腿抽動的能量確實是來自一種新的電能,但這種電能並不是由動物細胞組織所產生的,而是與解剖時所使用的金屬的種類有極大的關係。換言之,並無所謂的動物電,蛙腿會發生抽動乃是因為鉤住青蛙腰部神經的鉤子與橫樑是二種不同的金屬(例如二種金屬分別為銅和鐵)所造成的。

賈法尼聽到了伏打的實驗結果之後,非常震驚,但他仍相信確實有動物電的存在,他也不願接受伏打的觀點。就這樣,賈法尼主張確實有動物電存在,而伏打則主張蛙腿抽動乃是因兩種不同的金屬接觸而產生的,二者均不甘示弱的各為自己的理論找尋證據,因而開始了一場科學論戰。首先在論戰中找到了證據的是賈法尼,他找到了一些電鰻,並發現這些魚所發出的電都是由魚本身所產生的。由此,賈法尼證實了自己的理論是正確的:動物電是動物自身所產生的,不是因兩種不同的金屬接觸而產生的;當然,他亦據此大大的批評了伏打的理論。顯然,此一發現對伏打確實是一大打擊,因為依據伏打所提出的推論根本無法解釋此一現象,但伏打並不因此而退縮,他在眾人的嘲諷下仍持著自己的推論繼續進行實驗。

由於伏打認為,蛙腿會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的,因此他以各種不同的金屬相互接觸,中間隔上濕的硬紙、皮革或其他海棉狀的東西,經由不斷嚐試及修改實驗之後,終於得到一個結果,即不論有無動物細胞組織,都會有電產生。

之後,伏打又更進一步改進了自己的設計。他首先以幾碗水代替蛙腿溶液做電解質Electrolyte,然後把連接起來的幾種不同金屬片浸入水中,從而產生了電流。不久,伏打又對這裝置進行改進,將一個金屬鋅板(Zinc)放在一個銅板(Copper)上,再用一塊浸透鹽水的紙或呢絨板壓上,構成一個單元(Element);再放上鋅板、銅板,如此重覆下去,十次、二十次、三十次….,由很多個單元堆積疊成一個柱狀,便產生了明顯的電流。即我們所稱的伏打電堆或伏打電柱,亦是今日電池的雛型。

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4伏打電堆

(圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta

n  科學理論不是永恆不變的真理

由上文可知,如果賈法尼沒有注意到蛙腿抽動的現象並對外發表,則此一現象可能至今仍被忽視;如果伏打沒有對賈法尼所提出的理論產生疑問,則將不可能有何特殊的發現;如果伏打受不了外界的冷嘲熱諷,而不能堅持自己的想法並停止實驗,則即使再多的人去重覆賈法尼的實驗,人們除了看到蛙腿跳動外,就不會再看到什麼了。此外,如果伏打不提出蛙腿為何會收縮的理論,就不可能發明伏打電堆,而在科學史上只不過是增加了一個怪異現象的記錄罷了。由此可見,科學理論的建立是始於問題的發現,且在解決此一問題的過程中,多半會再新生一些問題。針對相同的問題,不同的人往往會提出不同的理論,而真正能為人們所接受的理論,往往是能對這些問題做出最佳解釋者。

可能有人會問:「那麼,在這場論戰中,到底誰贏誰輸呢?」讓我們再仔細回憶一下這場論戰的主要論點,即賈法尼主張有動物電的存在,認為使蛙腿抽動的主要原因乃是因為動物電的關係;而伏打則主張並無動物電的存在,蛙腿之所以會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的。然而,在論戰的過程中,賈法尼確實找到了證據證明確實有動物電的存在(例如電鰻);而伏打也依其所提出的理論發明了伏打電池。若我們以動物電是否存在的觀點來評判這兩種理論,則可發現,賈法尼所主張之確實有動物電存在的觀點是正確無誤的;而我們若以化學電池的觀點來評判這二種理論,則似乎伏打所持的觀點才是正確的。由此可見,科學家們在面對同一現象時,常會因所持的觀點不同而發展出不同的理論。

現在,我們已經有一套非常完整關於電池的理論。不過,在觀察肌肉、神經和動物機體的電流這一方面,新的假說仍然不斷的取代舊的假說,我們仍然不曾完成賈法尼的第一個實驗,但我們已完成了伏打的發現。原來的爭端集中在一個問題上:動物身體內真有電嗎?有所謂「動物電」這種東西嗎?時至今日,這樣的問題大致上已經不再是問題了。但是,為了尋求這問題的答案,伏打卻因而發明了電池。在這個歷程中,我們可以清楚的看出,在科學發展的進程上,並不僅僅是單純的發現問題及解決問題而已,每每會在解決原來問題的過程中,又發現了另一個問題。而科學理論的誕生,往往是由於該理論能對所有的問題做出最佳解釋,且具有最強的說服力者。當然,一個科學理論形成之後,並不表示該理論即為不變的真理,這個理論往往會因新的現象的發現而被修改,甚至會被另一個新的理論所取代。由此可知,科學理論並無絕對的對與錯,更不是永恆不變的真理,我們只能藉由不斷創造新的科學理論,使人類能更瞭解自然界的種種現象,並對其做出更加合理的解釋。

 

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