● 16 ●　電的旅程

旅程的起點

大約三千年前，希臘人記載了一種神祕的現象。當用一塊布在琥珀上

摩擦後，琥珀會產生一種力量，可使頭髮豎起，也可吸起輕的羽絨及麥屑。

當然現代人知道這是靜電（static electricity）現象。在兩千六百年前，希臘

人在一個小鎮發現了一種石頭，這種石頭對含有鐵質的石屑有一種莫名的吸

力。因發現的地方名叫Magnesia，所以這種石頭就取名為magnet，中文就

是磁鐵的意思。

靜電及磁力跟其他很多自然現象一樣，基本原理在當時是無法明白的。

以亞里斯多德為首的希臘知識界菁英，都崇尚用哲學的理性推論來明白事

理，輕視實踐，所以對自然科學的探討始終在知識的門外徘徊。到後來天主

教興起，教會對自然科學的探討嚴格的規限在很狹的範圍內，所以兩千多年

下來，人類對電及磁的認識比古希臘時代，沒有多少進步。

古代的中國也發現了磁石。在公元前 220年的戰國時代，中國人第一次

發現磁石的方向性。巧匠用琢玉的技巧將天然磁石製造成一只圓底的勺，可

以在平滑的「地盤」上自由旋轉，當圓勺靜止時，勺柄會指向南方。這就

電磁科學基礎

無心插柳，古希臘意外發現電磁玄祕

百花齊放，眾英豪群起探索科學真理

第 1 章

第1章 電磁科學基礎　● 17 ●

是中國古代四大發明之一的指南針，古時稱「司

南」。希臘及羅馬人從來沒有發現磁場的方向性。

指南針的製作過程隨著歷史的發展不斷進步。

在北宋沈括撰寫的《夢溪筆談》裡，介紹了一種

以天然磁石摩擦鋼針製成的指南針，鋼針經磁石摩

擦後便被磁化，可以指南。因體重輕、磁性強，這

種靈敏的指南針技術很快就廣泛應用到航海上，從宋、元、到明朝一直沿用

著。指南針的技術在十三世紀初，經阿拉伯傳入歐洲。

中國人雖然在指南針的製造技術上有貢獻，但一千多年來對磁的原理根

本沒有人去研究。儒家的治學態度跟亞里斯多德的理性推論沒有什麼不同，

社會上的才識之士，精力時間都花在科舉求仕、吟詩作對上。工匠式的職業

在社會上地位不高，根本不受重視。就這樣，無論在西方或中國，發現了靜

電及磁石後，兩千多年就這樣荒廢了。

從十五世紀中葉到十七世紀初，西方社會發生了一場巨變，就是文藝復

興。以現在的術語來說，這是一場解放思想的社會革命。西方一千多年來人

們的思想都被宗教的教條牢牢的束縛著，1453年東羅馬帝國覆滅後，有識

之士興起了一場尋求和發揚古希臘文明的運動。大家追求人文主義，尋求自

然界的真理；無論在文學、藝術、戲劇、宗教、科學、教育、醫學各方面，

在文藝復興運動中，人們都打破了思維的舊框框，創建新的思想。

在尋求自然現象真理的過程中，最重要的是發展了一種新的治學方法，

稱為「科學方法」。「科學」這個詞彙在當時不是指我們現在所熟悉的數

學、物理、生物及化學，而是指這個研究的方法。用科學方法來研究自然現

象時，首先要仔細「觀察」自然界中的慣例，然後演變成一個「假說」，再

下一步就是用「實驗」的結果來證明假說能否成立。所以科學方法就是「實

踐是證明真理的標準」。在做實驗的時候，一切條件及做法必須公開，任何

人照著說明去做，一定要能得到同樣的答案，所以得到的結論客觀公正。

今天從事科學研究的人早已習慣於這種方式，但是在當時這是個創舉，

和流行的亞里斯多德理性推論大不相同。從此西方國家科學技術突飛猛進，

這個發展和科學方法的普及有極深刻的關係。

指南針（司南）Courtesy: Stan Sherer

● 18 ●　電的旅程

科學方法

科學方法跟電和磁的研究有什麼關係呢？這就牽出了電磁

研究的開山鼻祖吉爾伯特（William Gilbert）了。吉爾伯特是英國

人，是文藝復興後期的重要人物之一。他家庭富有，又是伊莉莎

白一世的御用太醫。他一方面大力鼓吹科學方法的重要性，一方

面自己以身作則，選擇用科學方法來研究電和磁的現象。經過十

幾年的努力及花了自己一筆可觀的經費，吉爾伯特在1600年出版

了一套書叫《De Magnete》，洋洋六巨冊，包括了他所有的假說

及實驗結果。這本書的英譯版本到現在還買得到。

吉爾伯特是歷史上第一位實驗物理學家（比伽利略稍早），

他在書中闡述了不少實驗時的觀察，包括：

(1) 電和磁是兩種不同的現象

(2) 磁石上的正極和負極不能獨立分開

(3) 電的吸力在水中消失，但磁的吸力仍存在

(4) 磁力在高溫時消失

吉爾伯特還提出了兩個他無法證明的假說。第一個假說是：

地球是一塊大磁鐵，正極及負極在南北極，所以磁針永遠指向

南北方向。第二個假說是：星球間的吸力來自磁性。吉爾伯特

自己不知道如何去做實驗求證，只好把題目留給後人。

以現代人眼光來看吉爾伯特的研究，會覺得非常簡單，但

要考慮到當時的人對電及磁的原理完全無所知，要做研究真是

無從著手，可是吉爾伯特走出了正確的第一步。人類從此踏進

了電與磁知識的大門，不再在門外徘徊。科學方法的另一個好

處是知識的積累。後人不斷在吉爾伯特的基礎上，一代一代的

把知識增添改良、再傳下去，這樣才能有我們的今天。

吉爾伯特另一個貢獻是用electron（elektron）這個字來形容

吉爾伯特

Source: Wikimedia Common

第1章 電磁科學基礎　● 19 ●

電。elektron在希臘文是琥珀的意思，也是人類歷史上最早知道可帶電荷的物

質。吉爾伯特在1603年死於英國的大瘟疫，他的研究手稿也在1666年倫敦大

火中付之一炬，所幸他的巨著《De Magnete》傳了下來。

在這裡，簡單探討一下中國近代科技不如西方的原因。

在鄭和下西洋（公元 1405–1433年）時期，明朝國力鼎盛，而西方的文

藝復興還沒有開始，當時無論是科技或經濟，中國都是超過西方的。但兩百

年後再接觸時，中國就落後了，到十九世紀更是喪權辱國。落後的原因很

多，中國社會沒有進行過一次像文藝復興那樣深層次的改革，是最大的因

素；其次，中國也沒有像日本明治維新那樣由上而下徹底改革的過程。當牛

頓發表萬有引力理論時，康熙正在辦博學鴻儒科；瓦特發明蒸汽機時，乾隆

正在編四庫全書；倫敦在大規模建造地下鐵時，慈禧在蓋頤和園石船。中國

雖有「格物致知」的理論，和西方的科學方法有同功異曲之妙，但在實踐中

沒有貫徹執行。文藝復興的精髓，如「解放思想」、「以人為本」、「科學

觀」等，在中國都是近年為打破另種框框而提倡的。急起直追吧！

魔術般的靜電

在吉爾伯特發表了《De Magnete》之後，電和磁的研究並沒有即時就活

躍起來。一切條件還很不成熟。1663年，德國人蓋利克（Otto van Guerike）

發明了一部簡單的機器。他把一個用硫磺做成的圓球，在高速旋轉時和一塊

布摩擦，這樣可以在硫磺球上產生不少靜電。蓋利克還是最早發現真空的

人，真空在電子科技的發展歷史上非常重要。大科學家牛頓在 1687年發表

了萬有引力理論，也發明了微積分來計算各種力學現象，但是牛頓一生並未

涉足電磁學。

1729年，英國人格雷（Stephen Gray）發現有些物質可以導電，如各種類型

的金屬；而另一類物質，如木頭及布則不能導電。他發現地球表面也可導

電。格雷用黃銅做成電線，將靜電從蓋利克圓球上轉移到 90公尺外的不導

電物體上。格雷還做了很多有趣的靜電示範，最出名的是把一個男孩用絲綢

● 20 ●　電的旅程

懸掛在空中，再把靜電用電線轉移到小孩身上。輕

巧的花瓣會被小童身上的靜電感應，繞著小童飛舞，

稱為「花童」，令人嘆為奇觀，社會上反應熱烈。

1733年，格雷的朋友法國人杜菲（Charles Du Fay）

發現：產生靜電時，用不同的材料可產生正負兩種不

同的靜電。同樣的電會互相排斥，不同的電則互相

吸引。在吉爾伯特發表《De Magnete》一百三十多年

後，電的研究活動開始熱鬧起來了。

荷蘭萊頓大學的教授穆欣布羅克（Pieter van

Musschenbroek）在1745年發明了一個辦法，可以把靜

電儲藏在一個特製的玻璃瓶中，這種瓶就用學校名

字稱為萊頓瓶。

萊頓瓶的構造很簡單，瓶外包著金屬片，而瓶內部也是金屬片，但兩

片金屬不連接。內部金屬片由鐵鏈接到瓶蓋上的小銅球。當小銅球與瓶外金

屬片連接時，就會放電，但只能放一、兩下而已，不受控制。以現代眼光來

看，這是一個簡單的電容器。有了萊頓瓶，人們可用電線把靜電機產生的

電，通到萊頓瓶內部的金屬片上儲存起來，然後帶著它到各地去「放電」。

最出名的放電故事可追溯到法國神父諾雷（Jean Nollet）。1746年，諾

雷在他的修道院中做了一個實驗。他命兩百名修道士排成一圈，每人手握一

根八公尺長的黃銅棍，共約有一英里長。然後預備了一只特大的萊頓瓶，儲

滿了靜電。數聲未完，諾雷把頭尾兩根黃銅棍同時通上了萊頓瓶的兩個電

極，一瞬間，可憐的修道士個個癱瘓在地，如受雷擊。諾雷這個實驗的目

的，是想測示電在人體上傳導有多快。他心裡已在想怎麼用電來快速傳遞訊

息了。諾雷還想做實驗，但修道士們學乖了，不肯合作，他只好去求法皇路

易十五，在凡爾賽宮用一百八十名御林軍再做了一次實驗，君令如山，大家

只好從命。

從這些真實的故事可以看出，當時的人對電充滿了好奇，科學研究者在

社會上享有一定的地位，而王公貴族對他們也相當尊重。後來用小的萊頓瓶

萊頓瓶（Leyden jar） Spark Museum

第1章 電磁科學基礎　● 21 ●

去「觸」一下電，變成了酒吧間裡時尚的活動，美其名叫「電吻」（electric

kiss）。

另一位靜電研究者是美國開國奇才富蘭克林（Benjamin Franklin）。他

看到兩個充電的物體互相接近時，會有火花迸發，火花的形狀很像天上的閃

電，只是大小有差異而已。富蘭克林腦中靈光一閃，決定做一個實驗，來證

明天上的閃電是因為雲層中積聚的靜電放電所致。

在 1752年一個雷電交加之日，富蘭克林放了

一隻風箏到天上。他把風箏線換成了一根細的銅

線，線的終端綁了一把沉重的銅鑰匙，放在一只

萊頓瓶裡面。閃電的時候，電從風箏的銅線傳送

到萊頓瓶中，把本來沒有電的萊頓瓶充滿了來自

天上的電。這個故事膾炙人口，但在歷史紀錄上

真實性並不可靠。幾年後一個丹麥人做同樣的實

驗，結果被雷擊身亡。

富蘭克林還發明了「避雷針」，在容易受雷

劈的房子上安裝一根椎形的金屬桿，底端用銅絲

通到泥土中。這樣的安排可使雷擊直接通到地下

去，避免了房子著火的可能。避雷針是人類第一次應用對電的知識解決了一

個實際問題。自古以來，雷電通常都會擊中鎮上的教堂，大家都覺得這是上

帝傳達的特別訊息，而不知教堂的尖塔及塔上的金屬十字架是雷擊最容易的

目標。教堂開始時都拒絕裝避雷針，覺得這是干涉了上帝的旨意，後來大家

看到避雷針真的有效，就不聲不響都裝上了。

儘管科學家對靜電的認識有了很大的進步，但大多數的認識都在「質」

方面，「量」的方面根本沒有進展。

1777年，法國皇家科學院要求軍事 工程院的技師庫侖（Charles de Colomb）

改善航海時用的指南針精確度。當時的指南針技術和北宋沈括描寫的很接

近。庫侖明白，要增加靈敏度最重要的是要減少磁針支撐點的摩擦力。他的

辦法是把磁針的重心先平衡好，再用頭髮把針橫向懸掛起來。果然指南針的

富蘭克林與風箏

Source: Wikimedia Common

富蘭克林與風箏

Source: Wikimedia Common

● 22 ●　電的旅程

靈敏度大有改進，不過同時卻產生了另一個問題：隨著磁針的轉動，髮絲會

產生反扭轉力，影響指南針的準確性。於是庫侖把全副精神投入了研究不同

物質扭轉的力度。

從1785年到1789年間，庫侖做了很多聰敏的實驗（扭秤實驗），仔細測

量了電荷之間相吸或相斥的力度。他發現電的吸力強度和萬有引力一樣，也和

距離的平方成反比，但電相吸或相斥的力量要比萬有引力強勁很多。庫侖定律

是第一個對電「量」的研究結果，並且充分顯示了科學方法的嚴謹態度。

諾雷的修道士和富蘭克林的風箏，這些故事令大眾對電充滿了好奇及敬

畏，而酒吧間裡流行的「電吻」，也令很多人有了觸電的經驗。1757年，一

個法國植物學家在南美洲發現了一種鯰魚，碰到牠時很像有萊頓瓶觸電的感

覺。這種鯰魚身上會不會有電呢？ 1772年，一個英國殖民地官員在印度也

發現了一種鰻魚，身上充滿了電，甚至可以產生火花。這個發現使很多人對

「動物電」這個題目發生了興趣，他們認為人體內也有電，而且電和生命的

存在有關聯。想不到對這方面的研究，誤打誤撞的把電磁發展帶入了一個新

紀元。

電源的突破

在眾多研究動物電者中，最出名的是義大利波隆

納大學的解剖學教授伽伐尼（Luigi Galvani）。他解剖

青蛙時總是把青蛙放在一只銅盤上，每當他用夾子碰

到剛死的青蛙大腿，蛙腿的肌肉會抽動，模樣和人觸

電一樣。伽伐尼認為青蛙肌肉內的液體中儲存著動物

電。

這個理論發表之後，變成了一個熱門的爭論點。

在反對的人群中有一個是伽伐尼的老朋友，名叫伏特

（Alessandro Volta），他是附近帕維亞大學的化學教授，

因發現甲烷氣，頗負盛名。伏特認為，青蛙肌肉的抽伏特

第1章 電磁科學基礎　● 23 ●

動是因為伽伐尼用了兩種不同的金屬接觸青蛙而產生的。青蛙躺在銅盤上，

而伽伐尼用來觸碰的夾子是用鋅做的。青蛙體內根本沒有電源，電來自不同

的金屬。這個爭議愈演愈烈，弄到兩個老朋友翻了臉。不久後，伽伐尼證明

了即使用同樣的金屬觸碰到青蛙，大腿肌肉照樣會抽動。這一結果令伏特招

架不住了，但心中又不服輸，只好埋頭研究，要爭

回一口氣。

在1800年的3月，伏特終於將自己的研究結果

公布於世。他的發明叫「伏特堆」，又名「人工電器

官」（artifi cial electric organ）。伏特證明他可以用兩

種不同的金屬來產生電流，所以電流的產生並不需

要青蛙的肌肉。這個「伏特堆」是一堆相間隔的鋅

片及銀片所組成的，在每層鋅片及銀片之間，隔著

一層沾滿了鹽水的硬紙板，當把頂上的鋅片和底下

的銀片用電線接起來時，電線上會有電流流動。這

和當時流行的萊頓瓶大有不同；萊頓瓶所能儲存的

電很有限，放電時也不能控制，放一、兩下就完了，而這伏特堆（後來改稱

電池）則是一個連續性的電源，而且電壓相對穩定，儲存的電量也多。

很多偉大的發明都是有前因可循的，但電池的發明卻是一個人在精神狀

態高度亢奮下的神來之筆。伏特從來沒有對人講起他發明電池的過程，對此

我們只好猜測了。當時人們已知道把兩片不同的金屬片放在舌頭上，金屬與

涎沫的作用會產生輕微觸電的酸麻感覺。不過要從這個經驗發展成電池，中

間的差距還是極大。人類剎那間的頓悟，實在是難以用邏輯來解釋的。

伏特在 1800年發表的文件中把他的實驗方法及結果詳細的記錄下來，

和大家分享，並沒有留一手，完全符合了科學方法的精神。很快歐洲各地的

學者，都紛紛用伏特的方法製造出了電池。伏特的電池設計簡單，所用材料

也便宜（其中的銀片很快由銅片取代）。更重要的是這個設計有延展性：如

需要更高的電壓，可把更多的電池垂直疊起來；如需要更多的電流，可把很

多電池並聯起來。電池的發明，終於使人類對電磁現象的研究與發展踏上了

穩固的起步點，這不過是兩百年前的事！

伏特堆（電池，1802年）