不好惹的鱼类：科学怪鱼

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 Cavendish， 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