十項(xiàng)最美的實(shí)驗(yàn)

出版時(shí)間:2009年06月23日  出版社:臉譜  作者:George Johnson  頁數(shù):200  譯者:賴德鍾  
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前言

  幾年前一個(gè)晴朗的冬日早晨,我開車上山到聖約翰學(xué)院(St. John’s College)玩玩電子。我有幸會(huì)見了這所坐落在與世隔絕的聖塔菲山麓學(xué)校的校長,而讓我印象深刻的是,這些學(xué)生試圖重新演示密立根(Robert Millikan)在1909年的著名實(shí)驗(yàn)(作為人文課程的一部分),密立根找出並測量那些基本粒子,證明它們是電的組成粒子。聖約翰學(xué)院像它在安那波里斯(Annapolis)的姊妹學(xué)院一樣,追求古典課程,教授始於約西元前600年先蘇哲學(xué)家(Presocratic philosopher)的物理學(xué)。那是米利都的泰利斯(Thales of Miletus)首次提出大一統(tǒng)理論(Grand Unified Theory)的時(shí)代:「水為萬物之源」。以今日的角度來看,他可能是在鑽研超弦(superstring)。泰利斯還注意到,一種在馬格內(nèi)西亞?。∕agnesia)發(fā)現(xiàn)、稱為磁鐵礦(magnetite)的巖石,會(huì)對金屬產(chǎn)生無形的拉力;摩擦一塊琥珀(希臘人稱為elektron的東西),會(huì)使琥珀帶有神祕的電荷:吸引稻草和粗糠。兩千多年後,女王伊莉莎白一世(Queen Elizabeth I)的醫(yī)生吉爾伯特(William Gilbert)指出,玻璃與絲摩擦?xí)哥昊梗╝mberized)――電氣化(electrified)(他是第一個(gè)使用這個(gè)詞的人)――而其他材料也可以用這種方式產(chǎn)生活化現(xiàn)象。吉爾伯特推測,摩擦加熱了某種像水一樣的液體,產(chǎn)生有黏性、具揮發(fā)性的「溢出性」電荷。法國化學(xué)家杜菲(Charles-Fran?ois de Cisternay du Fay)接著發(fā)現(xiàn),摩擦琥珀會(huì)排斥摩擦玻璃所吸引的物體。他得到結(jié)論,電一定有兩種形式:「樹脂質(zhì)的」(resinous,或稱負(fù)電)與「玻璃質(zhì)的」(vitreous,或稱正電)。某種東西深藏在事物背後。密立根找到了掌控之道?! ∥以谝粭潈蓪訕堑匦谓êB的地下室找到物理實(shí)驗(yàn)室,建築正面有白色長廊,松樹圍繞。學(xué)期結(jié)束了,光線昏黃,影子拉得長長的。在房間遠(yuǎn)端,實(shí)驗(yàn)室主任布里森(Hans von Briesen)正在木製實(shí)驗(yàn)桌上組裝電子零件。聖約翰學(xué)院的一項(xiàng)傳統(tǒng)是,學(xué)生和教師(他們稱為指導(dǎo)老師〔tutor〕)相互以敬語稱呼――布里森先生、約翰遜先生――讓走廊上的交談聽起來有點(diǎn)像《紐約時(shí)報(bào)》。布里森先生說明了密立根實(shí)驗(yàn)的作法:用香水噴霧器把微小的油滴噴灑到兩片金屬板之間的空間,一個(gè)充樹脂質(zhì)電,另一個(gè)充玻璃質(zhì)電。摩擦空氣之後,一些油滴就像泰利斯的琥珀一樣會(huì)變得電氣化。藉由改變兩片金屬板之間的電壓,可以讓一個(gè)油滴上下移動(dòng);或如果做得精準(zhǔn),能讓油滴在半空中懸浮。從油滴的質(zhì)量及抵抗下墜所需的電壓量,可以算出它的電荷。測量足夠的油滴後,可以了解電荷是像流體般出現(xiàn)任意量,還是像口袋裡的零錢一樣只是不連續(xù)的數(shù)量。如果後者為真,那麼最小的數(shù)量會(huì)是電的基本單位――電子的電荷。完成組裝後,房間暗了下來,實(shí)驗(yàn)開始。經(jīng)過幾次試驗(yàn),布里森先生邀請我來看看。透過一個(gè)放大鏡――小望遠(yuǎn)鏡――凝視箱子內(nèi)部,我看到了油滴。在後方光源的照明下,它們像星群或銀河系一樣閃耀。密立根自己曾如此描述它們:「這油滴的樣態(tài)就像耀眼明亮的星星一樣。」  科學(xué)在21世紀(jì)已然工業(yè)化。報(bào)紙上大肆報(bào)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)往往――基因定序(genome sequencing),證明頂夸克(top quark)的存在,藉由分析遠(yuǎn)方星星的擺動(dòng)來發(fā)現(xiàn)新行星――花費(fèi)數(shù)百萬美元。超級電腦分析它們產(chǎn)生的數(shù)兆位元組資料:運(yùn)算中心釋出大量熱氣,於是配置了冷卻塔,耗用足供小鎮(zhèn)需求的能源。執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的研究團(tuán)隊(duì),已經(jīng)成長到企業(yè)規(guī)模。但直到不久之前,最撼動(dòng)人心的科學(xué)多來自個(gè)人的雙手。單一心靈挑戰(zhàn)未知。那些創(chuàng)下里程碑的偉大實(shí)驗(yàn)多是一、兩位科學(xué)家進(jìn)行的,而且多半在實(shí)驗(yàn)桌面上完成。如果他們有做任何計(jì)算,也是在紙上或後來用計(jì)算尺進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行如此簡潔優(yōu)雅,值得被稱為美。這就是美的古典意涵――儀器邏輯簡潔,正如分析的邏輯一樣簡潔,似乎就像希臘雕像的線條般純粹而必然?;靵y和含糊瞬間掃除殆盡,對自然的某種新觀點(diǎn)躍入眼前。作為科學(xué)作家,我經(jīng)常被像量子力學(xué)或廣義相對論等高深艱澀的理論吸引,這些理論企圖以一些優(yōu)雅的定律來抓住現(xiàn)實(shí)。如果要舉個(gè)例子來看看這種追尋已經(jīng)變得多麼抽象,除了超弦理論,根本不必再多看。超弦理論斷定,物質(zhì)最終是由十維空間中存在於數(shù)學(xué)意義上的碎片振動(dòng)(vibration)產(chǎn)生的。這真是令人驚奇,但又如此艱深而令人困惑――對於我,或可能所有人都是――我開始覺得需要回歸基本?!段锢硎澜纭冯s誌(Physics World)曾做過一項(xiàng)調(diào)查,詢問讀者他們認(rèn)為最美的實(shí)驗(yàn)是什麼。從結(jié)果來看,名冊彙編的前十名都在可預(yù)見的物理學(xué)領(lǐng)域。然而,我想知道,如果把網(wǎng)撒得更大一點(diǎn)呢?我決定列出自己的清單。問題是該從哪裡著手。從泰利斯摩擦琥珀創(chuàng)造靜電?這個(gè)例子缺乏我追尋的那種優(yōu)雅。它既沒有控制條件,也沒有系統(tǒng)性的試驗(yàn)可用以觀察哪些材料,在哪些條件下,可以產(chǎn)生這種帶電狀況。正如吉爾伯特後來證明的,琥珀沒有任何獨(dú)特之處。以實(shí)驗(yàn)科學(xué)來說,泰利斯尚未跨出第一步。另一位先蘇哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras)如何,他發(fā)現(xiàn)撥弦產(chǎn)生的樂音與數(shù)學(xué)比例有精準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)係?如果整條弦彈出精確的C音,弦的四分之三會(huì)發(fā)出F音,弦的三分之二是G音。如果按住弦的二分之一,會(huì)再次產(chǎn)生C音,高八度的C音。這些都是數(shù)字,畢達(dá)哥拉斯宣稱――另一個(gè)大一統(tǒng)理論。他應(yīng)該見好就收的。但他繼續(xù)推論,火是由四個(gè)等邊形包圍著二十四個(gè)直角三角形組成,這四個(gè)等邊形各由六個(gè)三角形組成??諝馐怯伤氖藗€(gè)三角形組成,水是由一百二十個(gè)三角形組成。實(shí)驗(yàn)讓位給神祕主義。另一位候選人可能是阿基米德(Archimedes)。那個(gè)他從浴缸裡跳出來高喊「尤里卡」(Eureka,我找到了),發(fā)現(xiàn)物理學(xué)浮力原理的可疑傳說,使得人們忽視了他的偉大成就。他的著作《論浮體》(On Floating Bodies)被認(rèn)為是傑出的數(shù)學(xué)推理,而這不僅是因?yàn)樗鼘?dǎo)出阿基米德原理(Archimedes' principle,物體沉入液體產(chǎn)生作用的一個(gè)向上力〔upward force〕,等同於物體體積排開的液體重量)。他也從第一原理了解到,如果一個(gè)叫作拋物面(paraboloid)的錐形物體浸沒在水中會(huì)如何漂?。ū酱笾戮褪菕佄锩妫洮F(xiàn)象與阿基米德所言近似)。然而,他的偉大之處多在推理而非實(shí)驗(yàn)。是另一個(gè)偉大的理論家。我追尋的是那些罕見的時(shí)刻,利用手邊的材料,一個(gè)好奇的靈魂找到一種方式向宇宙提出問題,堅(jiān)持到它回答。理論上,設(shè)備本身就是一種美的事物,拋光的木材、黃銅、光亮黑色硬橡膠。但更重要的是設(shè)計(jì)和執(zhí)行的美,以及思緒的純淨(jìng)。因此我不得不從古希臘直接跳到17世紀(jì),那時(shí)一個(gè)叫伽利略(Galileo)的人提出運(yùn)動(dòng)的基本定律。以那裡為起點(diǎn),我一步一步進(jìn)行,造訪科學(xué)長路上其他九個(gè)小站,最終再次與密立根及他的小星星相遇。任何閱讀本書的人都很可能列出不同的清單?!高@本書不能只叫作《十項(xiàng)美麗的實(shí)驗(yàn)》就好了嗎?」一位朋友抗議。或許可以。但我希望保有藝術(shù)的任意性(arbitrary),在我挑選的實(shí)驗(yàn)和選擇講述每個(gè)實(shí)驗(yàn)的方式都是。這不是一本關(guān)於偉大發(fā)現(xiàn)的書,也不是像伽利略仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星繞著木星或達(dá)爾文(Charles Darwin)對雀鳥的觀察這些意外獲得的驚喜。這些都不是我想探索的那種對事實(shí)所做的精心安排、具控制性的質(zhì)問。這本書也不打算成為縮小版科學(xué)傳記大全――已經(jīng)有很多這類好書。有些人生平的奇怪細(xì)節(jié)吸引我的注意力,如拉瓦節(jié)(Antoine-Laurent de Lavoisier)和邁克生(Albert A. Michelson)。其他如伽利略和牛頓(Isaac Newton)的故事,過去已經(jīng)談得太多。我試著以炭畫的方式描繪每一位科學(xué)家。我要的主角是實(shí)驗(yàn),而非實(shí)驗(yàn)者。為了讓故事盡量清晰,我花了一點(diǎn)篇幅試著分配主角的貢獻(xiàn)度,涉入史學(xué)家的論戰(zhàn)。焦耳(James Prescott Joule)關(guān)於能量和熱的驚人發(fā)現(xiàn)已被梅耶(Julius Robert von Mayer)預(yù)測到,但執(zhí)行這項(xiàng)美麗實(shí)驗(yàn)的人是焦耳。我喜歡克爾文勳爵(Lord Kelvin)對這件事的評論:「考量到是否能從自然的奧祕中獲得任何更深入的理解時(shí),不論當(dāng)事人對問題多麼在意,個(gè)人的優(yōu)先順序在此根本無足輕重?!?/pre>

內(nèi)容概要

科學(xué)史上十項(xiàng)最引人入勝的實(shí)驗(yàn)精采重現(xiàn)!十個(gè)好奇的靈魂提出波瀾壯闊的問題,顛覆了我們對自身及所處世界的理解!什麼是最美的實(shí)驗(yàn)?一直到不久之前,最撼動(dòng)人心的科學(xué)多來自個(gè)人的雙手,而非今日已然「產(chǎn)業(yè)化」的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)。單一心靈透過實(shí)際動(dòng)手做,正面迎戰(zhàn)未知。本書以伽利略為起點(diǎn),一步步造訪九個(gè)科學(xué)長路上的小站,最終再次與密立根及他的小星星相遇。十項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)憑藉其邏輯、清楚的設(shè)計(jì)與結(jié)果,揭露了深藏在事物背後的道理……《紐約時(shí)報(bào)》著名科學(xué)作家喬治·約翰遜在這本令人無法抗拒的書中,引領(lǐng)我們進(jìn)入那些世界似乎仍充斥神祕力量的時(shí)代,當(dāng)時(shí)科學(xué)家對光、電,以及解剖臺上心臟的跳動(dòng)困惑不已。我們目睹了伽利略在測量引力時(shí),以歌唱的方式標(biāo)記時(shí)間;牛頓小心地將一根針插入他的眼睛後方,以了解光如何造成視網(wǎng)膜的震顫;哈維在手臂上綁上止血帶,觀察他的動(dòng)脈在上方跳動(dòng)、靜脈在下方鼓脹,證明血液的循環(huán);伽凡尼在切開的蛙腿上釋放電流,對痙攣的肌肉纖維驚異不已;巴夫洛夫進(jìn)行了他現(xiàn)在著名的實(shí)驗(yàn),研究狗隨著音高而產(chǎn)生唾液。對他們所有人來說,勤奮獲得了獎(jiǎng)賞。一瞬間,困惑一掃而空,對自然的某種全新理解躍入眼中。為了帶給我們這些故事,約翰遜重建了許多科學(xué)逸事,讓我們重溫一個(gè)靈魂凝望未知之境時(shí)縈迴的激情。

作者簡介

  喬治·約翰遜(George Johnson),科學(xué)作家,定期為《紐約時(shí)報(bào)》(The New York Times)撰稿。他也為《科學(xué)人》(Scientific American)、《大西洋月刊》(The Atlantic Monthly)、《時(shí)代雜誌》(Time)、《石板》雜誌(Slate)及《連線》雜誌(Wired)撰寫文章,作品曾收錄於《美國最佳科學(xué)寫作選》(The Best American Science Writing)?! ∷淖钚轮魇恰独站S特之星》(Miss Leavitt's Stars)及《下一波資訊革命》(A Shortcut Through Time),並著有《奇異之美》(Strange Beauty)及《心靈之火》(Fire in the Mind)。他曾獲得國際筆會(huì)(PEN)和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(American Association for the Advancement of Science)的獎(jiǎng)項(xiàng),著作兩度入圍隆普蘭克獎(jiǎng)(Rhne-Poulenc Prize)決選名單?! ∷锹}塔菲科學(xué)寫作工作坊(Santa Fe Science Writing Workshop)的共同主持人,現(xiàn)居聖塔菲。賴德鍾  英國伯明翰大學(xué)國際貿(mào)易碩士。曾任職電信公司主管行銷與行政工作多年。對生物學(xué)及生態(tài)學(xué)有高度興趣,亦為氣冷保時(shí)捷與紅酒之熱愛人士。

書籍目錄

前言1.伽利略:物體移動(dòng)的方式2.威廉·哈維:心臟的奧秘3.艾薩克·牛頓:色彩的本質(zhì)4.安托萬洛朗·拉瓦錫:農(nóng)夫的女兒5.羅吉·高爾瓦尼:動(dòng)物電6.邁可·法拉第:深藏的道理7.詹姆斯·焦耳:世界運(yùn)行的方式8.A·A·邁克森:迷失在太空9.伊凡·巴夫洛夫:不可估量的測量10.羅勃特·密立根:界限後記:第十一個(gè)最美的實(shí)驗(yàn)謝辭

章節(jié)摘錄

  在實(shí)驗(yàn)中容易被蒙蔽,並認(rèn)為看到和發(fā)現(xiàn)了我們想看到和發(fā)現(xiàn)的事物。  ――伽凡尼18世紀(jì)中葉,電風(fēng)靡一時(shí),一位業(yè)餘科學(xué)家站在倫敦皇家學(xué)會(huì)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(xí)慣穿上兩層襪子。清晨時(shí),他會(huì)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(huì)反過來穿。在換襪子的過程中,兩種不同的材質(zhì)因?yàn)閹в邢喾吹碾姾啥咀黜?,毛豎了起來;人稱光腳哲學(xué)家的西蒙坐倒在椅子上,對這個(gè)結(jié)果感到驚奇?!  府?dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)以兩隻黑襪在一邊,兩隻白襪在另一邊的方式進(jìn)行,」他說道:「出現(xiàn)非常奇特的驚人現(xiàn)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?!惯@是電的研究浪漫時(shí)代的高潮,科學(xué)家辯論著電是蒸氣、液體,或是如富蘭克林(Benjamin Franklin)猜想的「細(xì)微粒子」(subtle particle)。科學(xué)表演者(當(dāng)時(shí)稱為電學(xué)家〔electrician〕)轉(zhuǎn)動(dòng)他們的靜電發(fā)電機(jī)的輪盤――巨大的轉(zhuǎn)盤與球體物摩擦產(chǎn)生電荷――將電擊波透過手與手的相接,傳送過人龍。把一個(gè)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(huì)發(fā)光,像聖像周圍的金葉光環(huán)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(fù)極。詭異的是,電就像實(shí)體的東西,可以儲(chǔ)存在瓶子裡。用兩片連接磨電機(jī)正負(fù)極的錫箔紙,包覆瓶子的內(nèi)外,這個(gè)容器就接收了電荷――玻璃的一邊是負(fù)電,另一邊是正電――電線移除很久之後,它仍然有電。觸摸這個(gè)稱為萊頓瓶(Leyden jar)的原始電容器兩邊,就像被電鰻電到一樣??茖W(xué)家思索那些閃電造成自發(fā)性行走癱瘓或植物快速成長的報(bào)告時(shí),實(shí)證經(jīng)驗(yàn)常與幻想糾纏不清。普里斯特利猜想電是在腦中產(chǎn)生的――從燃素轉(zhuǎn)變而來――接著提出電能讓肌肉運(yùn)動(dòng)……以及使小鸚鵡的羽毛閃耀炫麗光澤,在夜間追蹤獵物時(shí)「據(jù)稱一些動(dòng)物會(huì)發(fā)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(huì)發(fā)出這種光。另外有學(xué)說認(rèn)為,某種「神經(jīng)電」液("nerveo-electrical" fluid)是身體摩擦產(chǎn)生的。這可是驚人的想法。就像西蒙的襪子,神經(jīng)和骨頭會(huì)與肌肉摩擦,產(chǎn)成生命的動(dòng)力――電?! ?786年4月一個(gè)傍晚,西蒙的發(fā)現(xiàn)超過四分之一世紀(jì)後,中年解剖學(xué)教授伽凡尼走到靠近他家的波隆那詹波尼宮(Palazzo Zamboni)露臺,帶著一捆金屬線和準(zhǔn)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(jīng)懸盪在外面。當(dāng)雲(yún)層往南累積,伽凡尼把無頭的動(dòng)物樣本放在桌上適當(dāng)?shù)奈恢?,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(dòng),好像在警示雷的到來。  接下來幾年,伽凡尼在他的實(shí)驗(yàn)室製造出類似的效果,以轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)或用萊頓瓶放電的方式產(chǎn)生電,刺激蛙腿神經(jīng)。在詹波尼宮的演示,讓伽凡尼確認(rèn)了「自然」電產(chǎn)生的生理反應(yīng)與「人工」電相同。總之,這種電讓肌肉運(yùn)動(dòng)。然而,有一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jīng),而剛好另一位在發(fā)電機(jī)旁工作的助理弄出一個(gè)小小的火花。沒有任何電線連接發(fā)電機(jī)與這個(gè)剖開的動(dòng)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(gè)現(xiàn)象。  一開始他就確定這個(gè)反應(yīng)並非單純來自解剖刀的刺激。確認(rèn)發(fā)電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)後,他再次用金屬刀片按壓神經(jīng)。無論他如何努力探究,肌肉動(dòng)也不動(dòng)。顯而易見地,這個(gè)現(xiàn)象與電有關(guān)。其他實(shí)驗(yàn)顯示,鐵製圓筒會(huì)產(chǎn)生火花並讓蛙腿抽搐,但玻璃棒不行。然而,有時(shí)連金屬解剖刀都無法引發(fā)反應(yīng)。伽凡尼很快發(fā)現(xiàn),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(shí)驗(yàn)者本身好像成了反應(yīng)的一部分。為了檢驗(yàn)這項(xiàng)假設(shè),他把一個(gè)金屬圓筒放在桌上,讓筒與動(dòng)物的神經(jīng)接觸,然後轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。蛙腿一動(dòng)也不動(dòng)。他一步步消去變數(shù)。如果把連接蛙腿神經(jīng)的短圓筒換成長金屬線,一個(gè)模糊的火花確實(shí)讓蛙腿跳動(dòng)。情況變得比較明朗了??茖W(xué)家已經(jīng)知道,電會(huì)穿越距離對物體產(chǎn)生感應(yīng):閃電打在人的附近,人頸上的毛髮會(huì)直豎起來。轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)會(huì)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(dǎo)的人工電有反應(yīng),抽搐的強(qiáng)度應(yīng)該與火花的遠(yuǎn)近有關(guān)。他把一個(gè)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(shí)驗(yàn),最遠(yuǎn)把青蛙放到距離發(fā)電機(jī)150英尺。反應(yīng)的強(qiáng)度像之前一樣――甚至把蛙腿隔離在錫製圓筒內(nèi)部或放在真空中絕緣也一樣。一個(gè)個(gè)變化似乎指向他直覺上相信的事:機(jī)械產(chǎn)生的電並非造成跳動(dòng)的主因。機(jī)械產(chǎn)生的電不過是撃發(fā)點(diǎn),刺激了原本就在神經(jīng)裡流動(dòng)的「動(dòng)物電」(animal electricity)。伽凡尼知道實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)之後幾個(gè)月,他拿了好幾隻截去頭部的青蛙,用金屬鉤把牠們掛在陽臺的鐵欄桿上。這一次沒有閃電,沒有發(fā)電機(jī)的火花,但蛙腿仍然抽搐。伽凡尼推想,電不會(huì)源自金屬內(nèi)部。一個(gè)單一導(dǎo)體(conductor)――鉤子和欄桿――無法儲(chǔ)存電荷。要?jiǎng)?chuàng)造電勢(potential),負(fù)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(jìn)動(dòng)物體內(nèi)蓄積」,當(dāng)鉤子與欄桿接觸時(shí)衝出來。那天天空晴朗,但他想排除這個(gè)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(fā)光的銀盒表面,形成一個(gè)完整的電路(circuit),讓蛙腿跳動(dòng)。同樣的現(xiàn)象發(fā)生在當(dāng)他固定住青蛙的軀體,讓鉤子和其中一條蛙腿掃過這個(gè)扁平導(dǎo)體:「蛙腿接觸導(dǎo)體表面的一瞬間,所有蛙腿肌肉都收縮,將腿抬起?!巩?dāng)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(dòng)物電,這還可能是什麼?1791年,伽凡尼將他的發(fā)現(xiàn)發(fā)表為《電對肌肉運(yùn)動(dòng)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(chǔ)存及釋放某種有機(jī)電(organic electricity)。伽凡尼小心地描述他的實(shí)驗(yàn),分析結(jié)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(fā)作。他短暫跨界到非專業(yè)領(lǐng)域冒險(xiǎn),提出閃電與地震可能多少有些關(guān)聯(lián):「但臆測要有個(gè)限度!」最後他希望研究電是否會(huì)影響所有各式各樣的身體功能:「關(guān)於血液循環(huán)和體液分泌這些事,我們會(huì)盡快在其他評註中發(fā)表,等我們稍微有空閒的時(shí)候。」  起初歐洲最偉大的電學(xué)家之一的伏特(Alessandro Volta)對伽凡尼的發(fā)現(xiàn)印象深刻,宣稱這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓動(dòng)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(xiàng)理論。伏特選用整隻青蛙,他試著用一個(gè)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(gè)電弧(arc)。伽凡尼提到,實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(shí)驗(yàn)中,這個(gè)「雙金屬電弧」似乎增強(qiáng)了收縮,但他認(rèn)為這不過是一個(gè)有趣的小細(xì)節(jié)。剛開始伏特的想法類似,指出這種金屬組合不知為何促進(jìn)了青蛙本身的電流快速通過完整電路。但後來伏特更仔細(xì)地觀察。伏特讓蛙腿的坐骨神經(jīng)暴露出來,在上面接上兩個(gè)像項(xiàng)圈一樣的小金屬夾,並在兩個(gè)夾子中間留了一點(diǎn)小空隙。一個(gè)夾子是錫製,另一個(gè)是銀製。當(dāng)他封閉電路的瞬間――讓兩個(gè)夾子接觸或用一條金屬線跨接――蛙腿會(huì)抽搐。他用錫和黃銅做出相似的效果。伏特漸漸相信,這個(gè)傳導(dǎo)電弧不只是釋放或甚至加速動(dòng)物電的靜態(tài)(quiescent)連結(jié)。它就是能量的真正源頭。當(dāng)蛙腿抽動(dòng)時(shí),表現(xiàn)得就像非常靈敏的量表指針。這種情況顯示的,就是當(dāng)時(shí)剛發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象:雙金屬電?!纲し材岬睦碚摵徒忉?hellip;…大體上是不合格的,」伏特在寫給同事的信中說:「而且整個(gè)體系有瓦解的危險(xiǎn)?!巩?dāng)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(yīng)。伏特以有禮又殘酷的方式下了結(jié)論:「果真如此,伽凡尼宣稱的動(dòng)物電,以及他的演示起來看似精巧的實(shí)驗(yàn),有什麼意義呢?」  伽凡尼迅速起身面對挑戰(zhàn)。他確實(shí)是用黃銅鉤把蛙腿吊在鐵欄桿上。但這個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jīng),引發(fā)抽搐。伏特準(zhǔn)備好答案。金屬片或許看起來性質(zhì)相同,但不可避免地就是不夠純淨(jìng)――這些察覺不出的差異會(huì)產(chǎn)生電。於是伽凡尼回到實(shí)驗(yàn)室,設(shè)計(jì)了巧妙的演示,其中傳導(dǎo)電弧是用一個(gè)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(jīng)會(huì)接觸到水銀,然後――咻――肌肉抽動(dòng)了。伏特堅(jiān)持金屬不純淨(jìng)的問題。如果肌肉動(dòng)了,就表示金屬必有不同之處――這個(gè)循環(huán)論證不可能辯駁。雙方出現(xiàn)對立。一位認(rèn)為是青蛙產(chǎn)生電,然後流過金屬電弧。另一位認(rèn)為金屬電弧產(chǎn)生電,然後流到青蛙身上?! ≠し材嶂С终呶ㄒ坏臋C(jī)會(huì),是讓金屬從這個(gè)迴圈中剔除。一位實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的效果當(dāng)然沒有任何金屬的特質(zhì)?」伏特堅(jiān)持這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)沒有證明什麼,因?yàn)樘籍吘故且粋€(gè)導(dǎo)體。另一位實(shí)驗(yàn)者證明,他只需一隻手碰觸青蛙的肌肉,一隻手碰觸動(dòng)物被切斷的神經(jīng),就可以產(chǎn)生像抽搐的反應(yīng)?!该看挝遗鲇|牠,青蛙就抽筋、跳動(dòng),我不禁想說,牠想逃離我。」結(jié)論似乎顯而易見:「金屬不是電的發(fā)動(dòng)機(jī)……它們沒有祕密,也沒有神奇的功效?!乖诹硪粋€(gè)看起來最具說服力的實(shí)驗(yàn)中,伽凡尼完全剔除了外導(dǎo)體(external conductor),輕輕地巧妙操縱剖開的青蛙,讓懸吊著的坐骨神經(jīng)直接接觸控制腿部的肌肉。牠立刻踢了一下。除了動(dòng)物本身,那個(gè)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(shí)完全來自動(dòng)物,而且非隨處可得,亦非外來的――那麼伏特閣下的意見會(huì)變成什麼呢?」  到了這個(gè)地步,伏特不改變作法也不行了?,F(xiàn)在伏特開始認(rèn)為肌肉、神經(jīng)、實(shí)驗(yàn)者的手、甚至青蛙本身,是較弱的「第二類」導(dǎo)體(”second-class” conductor)。不管神經(jīng)接觸肌肉或銀接觸黃銅,效果是一樣的:不相似的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生他所說的接觸電(contact electricity)。在伽凡尼的早期實(shí)驗(yàn)中,一對第一類導(dǎo)體(first-class conductor)――金屬解剖刀、黃銅鉤、銀盒蓋――被一個(gè)濕潤的第二類導(dǎo)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(gè)銀幣放在舌頭上方,一個(gè)銅幣放在下方,這樣就能一嘗電的滋味。這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的一個(gè)單一金屬前面已經(jīng)解釋過。一個(gè)第一類導(dǎo)體在兩個(gè)第二類導(dǎo)體(神經(jīng)和肌肉)之間,形成一個(gè)電弧。最後,你可以完全從黏稠的第二類導(dǎo)體中做出一個(gè)電?。河靡浑b手和一隻青蛙。有機(jī)或無機(jī)――這不重要,只要有差異性就行?! ‖F(xiàn)在我們知道兩人都是對的。他們各自以美麗的實(shí)驗(yàn)證明自己的理論。先說伏特。他使用數(shù)十個(gè)金屬盤,一半銅製,一半鋅製,把它們交互堆疊,金屬交錯(cuò)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(fā)明人。他在1800年發(fā)表的論文標(biāo)題似乎說明了一切:《論不同導(dǎo)電物質(zhì)接觸產(chǎn)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)?! 〉闆r並非如此,因?yàn)橘し材岬耐跖茖?shí)驗(yàn),和伏特的一樣優(yōu)雅。伽凡尼「一如既往地」準(zhǔn)備了一隻他的青蛙,讓每條蛙腿的主神經(jīng)露出來。在一項(xiàng)較早的實(shí)驗(yàn)中,他讓神經(jīng)直接碰觸肌肉。這一次他用一支小玻璃棒,把一條神經(jīng)輕推向另一條:兩個(gè)完全相同的導(dǎo)體,結(jié)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(jīng),肌肉不會(huì)收縮?!脯F(xiàn)在有什麼差異性可以用來解釋這種收縮?」他質(zhì)問道:「因?yàn)榻佑|只發(fā)生在神經(jīng)之間。」他堅(jiān)稱,這種效果始終只能「由動(dòng)物內(nèi)在的電的電路」產(chǎn)生。但兩人都沒有看清楚,他們的實(shí)驗(yàn)是互補(bǔ)的,因?yàn)樗麄兝@著同一個(gè)事實(shí)打轉(zhuǎn)。自然的、人工的、動(dòng)物的――電就是電。伏特不了解,他觀察的「接觸電」是一種化學(xué)反應(yīng)(事實(shí)上,伏特認(rèn)為他的電池是一種永恆運(yùn)動(dòng)的來源);伽凡尼則拘泥於一個(gè)想法:生物電(biological electricity)有某種本質(zhì)上的差異。許多年後,生理學(xué)家才清楚知道,伽凡尼(被伏特激發(fā))從他的青蛙中瞥見的細(xì)微東西:生物體中每個(gè)極小的細(xì)胞像個(gè)小電池,細(xì)胞膜就像卡紙隔板,帶電的離子扮演鋅幣和銅幣的角色。結(jié)果正極與負(fù)極平衡,這種電動(dòng)勢(electromotive force)稱為電壓(voltage)。當(dāng)肌肉運(yùn)動(dòng)或手指感知石頭的表面,電流會(huì)流過神經(jīng)系統(tǒng)。沒有天賜的「生命之力」(vital force)。生命是電化學(xué)(electrochemistry)。

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  「……描述孤獨(dú)的天才創(chuàng)造偉大的發(fā)現(xiàn)。任何圖書館都應(yīng)該收藏這本書?!埂 〃D―《書單》雜誌(Booklist)  「約翰遜以充滿魅力、令人讚賞的風(fēng)格,分享〔科學(xué)家〕個(gè)人軼事及理論。結(jié)果成就了一本讓人喜愛的小書,在歷史和科學(xué)方面讀來都樂趣無窮?!埂 〃D―《書頁》雜誌(Bookpage)  「令人著迷……」  ――《探索頻道》雜誌(Discover)  「簡明扼要,發(fā)人深省……對曾協(xié)助創(chuàng)造現(xiàn)代世界的科學(xué)及科學(xué)家獻(xiàn)上禮讚。」  ――《出版人週刊》(Publishers Weekly)

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