義大利著名物理學家、化學家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta，1745年2月18日 – 1827年3月5日）。圖源：維基百科
導讀：
國際單位制（SI）將電勢差的單位命名為“伏特”（V），但你可知伏特是誰？
亞歷山德羅·伏特是義大利著名物理學家、化學家。作為一名實驗物理學家，伏特非常注重實驗資料的收集和驗證，這一工作方法也讓他做出了許多重要科學發現，例如發明世界上第一塊電池，證明了化學反應可以產生穩定的電流，證明給定物體上的電勢和電荷成正比，等等。
今天正值伏特誕辰280週年，讓我們一起來了解伏特的科學人生。
陳關榮 | 撰文
集智俱樂部 | 來源
你必須準備好，當實驗表明它們是錯誤時，立即放棄即使是最有吸引力的想法。
—— 亞歷山德羅·伏特
在電學和日常生活裡，電壓採用的國際標準單位是“伏特”（volt），簡稱“伏”，符號為V。在電場中任意兩點之間，如果電場力將1庫侖正電荷從一點移至另一點所做的功為1焦耳，則該兩點之間的電壓為1伏特。工業應用中常常為了方便以千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）作為電壓單位。
“伏特”是一位義大利人的英文姓氏，他有一個長長的名字：亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·阿納斯塔西奧·伏特（Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年2月18日 – 1827年3月5日）。其中，Volta（義大利文發音：伏打）是他的姓，Alessandro是他的名，而Giuseppe Antonio Anastasio分別是他與宗教以及祖父和伯父或母親相關的名字。不過，到了現代，傳統義大利人名的中間稱謂已經不再重要甚至不再被保留。伏特如果還活在當下，那麼他在法律檔案上的名字很可能只是“亞歷山德羅·伏特”（Alessandro Volta）。
圖1 亞歷山德羅·伏特（掃描肖像）
伏特出生於義大利北部Lombardy地區Como市的一個富裕天主教家庭。Como市是個風景勝地，以其Como Lake聞名於世。伏特的父親（Filippo Volta，1692–1752）和母親（Donna Maria Maddalena Inzaghi, 1714–1782）共養育有6個子女：Giovanni、Marianna、Luigi、Gian Domenico、Alessandro和Chiara。伏特的兄弟姐妹大多從事神職事業，只有他後來成為科學家。
伏特小時候並非那種資質聰慧的“鄰家孩子”。他4歲才會說話，父母擔心他智力遲鈍而對他的前途沒有太大信心。但是到了7歲，伏特的智力便趕上了其他小孩，接下來還慢慢超過了他們。不幸的是，伏特7歲時父親去世，年幼的他和姐妹Marianna及Chiara 由在Como大教堂當副執事的叔叔撫養。1757 年，12 歲的伏特在家裡完成小學水平的教育之後進入了Como皇家神學院就讀。伏特15歲時，老師試圖說服他去跟隨神職人員受訓，沒有成功。叔叔也建議他去學習法律，同樣不見成效。其實，這時的伏特已經對自然科學產生了極大興趣，他特別喜歡電學並決心成為一名物理學家。當年，他讀完英國科學家約瑟夫·普里斯特利（J. Joseph Priestley，1733–1804）的名著《電學史》之後還寫了一首關於電的長詩，受到了老師和長輩們的稱讚。
圖2 伏特的第一篇學術論文
1763 年，18歲的伏特開始與著名法國物理學家阿貝·諾萊（Abbé J. A. Nollet，1700–1770）通訊，談及他對電力和引力之間所作的的類比。後來，他又寫信給Turin大學物理學教授、當年義大利最重要的靜電實驗物理學家喬瓦尼·貝卡里亞 （Giovanni B. Beccaria，1716–1781），討論他所理解的一些電現象。貝卡里亞給他的忠告是要多做物理實驗，讓他銘記於心。
1769 年，伏特發表了他的第一篇題為“論電火吸引的力量”（On the forces of attraction of electric fire）的學術論文。這篇文章引起了學界一些關注，並幫助他在 1774 年獲得了第一個職位，成為Como皇家神學院（Royal Seminary）的物理學講師。次年，他宣佈發明了一種能夠永不休止地產生靜電荷的電泳儀（electrophorus）。儀器主要由一塊金屬板構成，其中放置了硬化樹脂混合物。實驗員可以用絲布擦拭樹脂使其帶電，然後將另一塊金屬板放在其頂部讓它帶電。之後，實驗員可以把頂板移除令它的電荷消失，然後再把它放回樹脂上讓它重新帶電，之後又再次把它移除。該過程可以無限次地重複下去。當時這個有趣的電學實驗引起了轟動，讓伏特聲名鵲起，他也因之而被學院提升為實驗物理學教授。
1776年起，伏特開始研究氣體化學。他發現了並分離出甲烷（methane）。他設計了一些重要的實驗，例如在自行設計的封閉容器（稱為 eudiometer）中透過電火花來點燃氣體。他完善了冷凝驗電器，那是一種基於電泳儀檢測少量電荷的裝置。他發明了可以研究氣體燃燒時容積變化的氣體燃化計，測定了空氣膨脹係數。此外，他還建議了利用讓靜電透過絕緣鐵電纜進行傳輸的方式來傳遞資訊。他還驗證了一條“伏特電容定律”（Volta's Law of Capacitance）：給定物體上的電勢和電荷成正比。
1779年，他應邀到了Pavia大學成為實驗物理學講座教授。他在這個位置上任職近 40 年，期間還當過學院院長。在1780–1790年間，伏特獲得了政府資助在歐洲多國開展調研之旅，接觸到了當時許多重要的科學家，包括亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）、本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）、安託尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）、約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）、皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）、克洛德·貝託萊（Claude Berthollet）、約瑟夫-路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和詹姆斯·瓦特（James Watt）。
1782年，他被選為法國科學院外籍院士，1791年又被選為倫敦皇家學會院士。
1791 年，伏特的好朋友、物理學和生物學家路易吉·加爾瓦尼（Luigi Galvani，1737–1798）宣稱，兩種不同的金屬與一個有皮青蛙的腿肌肉相連時可以產生電流，導致蛙腿抽搐。加爾瓦尼將其解釋為在活組織中發現的一種新形式的電，並稱之為“動物電”。伏特則認為青蛙腿只是在兩種金屬之間傳導電流，稱之為“金屬電”。為了證實他的想法，伏特次年便開始僅用金屬來進行類似的實驗。他將不同金屬的圓盤放在舌頭上，以檢測不同金屬圓盤之間的微弱電流。他發現並不需要動物組織來產生電流。伏特的實驗報告引起了動物電追隨者和金屬電倡導者之間的激烈爭辯。那次爭論持續了數年，最後因1800年“伏特電池”的發明而告結束，因為電池本身證明了電流的確是由金屬產生的。不過，伏特和加爾瓦尼的科學論點分歧完全是君子之爭，並無傷大雅，留下了一段佳話。
1794年，由於在電學和化學上的傑出貢獻，伏特獲得了倫敦皇家學會頒發的榮譽極高的科普利獎章（Copley Medal）。同年，49歲的伏特與一位伯爵的女兒、瑪麗亞·佩雷格里尼（Donna Maria Alonsa Teresa Peregrini，1764–1841）結了婚。夫婦倆養育有三個男孩：Zanino（1795–1869），Flaminio（1796–1814）和Luigi Tobia（1798–1876）。不幸的是，老二在 18 歲時因病去世，他曾被認為是一位極有前途的未來數學家。伏特悲痛至極。他在給朋友的信中寫道：“這個損失讓我深受打擊。我感到永遠不會再有快樂的一天了。”有幸的是，另外兩個兒子長大後都頗有出息，老三成為一名律師而老大甚至當上了Como市長。
圖3 伏特電池（Tempio Voltiano 博物館）
1800年，55歲的伏特在持續四年反覆實驗之後完成了他一生中最傑出的發明——伏特電池（也稱為“伏打電池”）。他在當年3月20日給倫敦皇家學院院長約瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks，1743–1820）提交了一份報告，宣告了他的發明並給出了構建新電池的詳細說明。1832年，伏特的成果以題為“論不同種類導電物質的單純接觸所激發的電”（On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds）的論文發表在《倫敦皇家學會彙刊》（Proceedings of the Royal Society of London）。
和1745年由荷蘭萊頓（Leyden）的物理學家彼得·馮·穆森布羅克（Pieter van Musschenbroek，1692–1761）設計的只能儲存固定靜電的電容器“萊頓瓶”（Leyden jar）不同，伏特電池是可以透過把化學能轉換成電能而產生電的容器。伏特電池由一系列相互接觸的銀圓盤和鋅圓盤組成。在每對金屬圓盤之間放置有一個由紙板或吸收材料製成的圓盤，並用鹽水泡浸。這些串聯圓盤數量越多，電效應就越大。伏特用這個可重複的實驗證明：金屬電池能夠產生雖然較弱但是十分穩定的電動勢和連續的電流。對於新電池的發明，伏特感謝了威廉·尼科爾森（William Nicholson，1753–1815）、提比略·卡瓦洛（Tiberius Cavallo，1749–1809）和亞伯拉罕·班尼特（Abraham Bennet，1749–1799）等化學家和物理學家的早期研究工作對他實驗的啟發和影響。
伏特電池的發明是破天荒的，它不但催生了電化學（Electrochemistry），而且預示了隨之而來的電子和電氣化工業革命，並且很快引匯出了一大批與電相關的重要科學發現和技術創造。例如，1800 年威廉·尼克爾森（William Nicholson，1753–1815）和安東尼·卡萊爾（Anthony Carlisle，1768–1840）利用電池產生的電流將水分解為氫和氧。1807年，漢弗萊·戴維爵士（Sir Humphry Davy，1778–1829）使用電池從鹼中分離出鈉和鉀。邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791–1867）在其開創性的電磁學研究中也充分地使用了電池。
1801年，法國皇帝拿破崙一世（Napoleon Bonaparte，1769–1821）在法國研究院（Institut de France）召見了伏特，觀摩了他的演示，並授予他一枚精緻的金質獎章，還封他為伯爵（Volta Count of the Kingdom of Lombardy），讓他名滿天下。
1815年，奧地利國王任命伏特為Padova大學哲學（自然科學）教授。
圖4 伏特向拿破崙一世演示他的電池（J.-I. Charmet油畫）
伏特一生不問政事，潛心做科學研究。但他在完成電池研製工作之後便退出了公眾的視野，隱居在家鄉Como市郊的Camnago。1823年起，伏特病重，1827年3月5日逝世，享年82歲。他被安葬在Camnago。
為了紀念伏特，後人在Como Lake附近修建了Tempio Voltiano 博物館，裡面陳列著他生前的實驗儀器和學術論文。在歐元推出之前，伏特的肖像和這座博物館以及伏特電池一起被印刷在義大利 10,000 里拉的紙幣上。
圖5 義大利 10,000 里拉紙幣
1998年，國際電化學學會歐洲分會設立了“亞歷山德羅·伏特獎章”，每兩年頒發一次，旨在表彰電化學和固態物理科學技術研究領域有傑出成就的學者。
圖6 亞歷山德羅·伏特獎章
最後，有一則軼事值得提及。伏特生長在一個虔誠的天主教家庭，年輕時在教會學校讀書，撫養他的叔叔以及他的兄弟姐妹幾乎都是神職人員，他是個教徒無疑。但是他畢生太投入科學研究了，當然也可能對宗教不算太虔誠，他常常不去教堂，疏於教會活動，因此背後招來不少非議。為此，伏特在晚年似乎很勉強但卻很清晰地留下了一段自辯：
作者簡介：
陳關榮，香港城市大學電機工程系講座教授，複雜性與複雜網路研究中心主任。
注：本文於2023年8月5日首發於微信公眾號“集智俱樂部”，原標題為“伏特是電壓的單位，還有呢？”，《賽先生》獲授權轉載。
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