tranh chấp ếch

40

I. Belkin

Tranh luận
về con ếch

Nhân vật chính trong câu chuyện này là hai nhà khoa học người Ý Luigi Galvani và Alexa Ro Volta. Thời điểm hành động là thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 18. Chủ đề của câu chuyện là một trong những khám phá quan trọng nhất của vật lý trong toàn bộ lịch sử phát triển của nó. Nó chủ yếu dẫn đến thực tế là thế kỷ 19 tiếp theo không chỉ trở thành thế kỷ của hơi nước mà còn là thế kỷ của điện.

Câu chuyện này bắt đầu từ việc vào năm 1791, giáo sư giải phẫu và y học tại Đại học Bologna, Luigi Galvani (1737-1798), đã xuất bản “Chuyên luận về lực điện trong quá trình chuyển động của cơ bắp”. Cùng với nhiều độc giả khác, một giáo sư, giáo sư vật lý khác tại Đại học Pavni Alexa Volta (1745-1827), đã làm quen với chuyên luận này. Một cuộc tranh chấp nảy sinh giữa hai giáo sư kéo dài vài năm, kết quả là phát hiện quan trọng được đề cập. Hơn nữa, không phải một, mà ít nhất là ba. Một vai trò quan trọng cả trong cuộc tranh chấp này và trong những khám phá được thực hiện đều do … ếch.

Khoa học điện
vào cuối thế kỷ 18

Vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu có những ý tưởng khá mơ hồ về bản chất của điện và không có ý tưởng nào trong số đó được chấp nhận rộng rãi hoặc được chứng minh một cách thuyết phục. Nhất quán hơn những quan điểm khác là quan điểm của nhà khoa học và chính khách người Mỹ Benjamin Franklin. Ông tin rằng “điện” là một chất lỏng (chất lỏng) đặc biệt chứa trong mỗi cơ thể với một lượng “bình thường” nhất định đối với cơ thể đó. Quá trình các vật nhiễm điện bao gồm

41

là một phần chất lỏng từ cơ thể này được chuyển sang cơ thể khác. Franklin đề xuất coi vật thể được truyền chất lỏng điện đến và do đó có lượng chất lỏng dư thừa là tích điện dương, và vật thể khác đã tiêu thụ một phần chất lỏng điện là tích điện âm. Franklin gán một số đặc tính cho chất lỏng điện, theo quan điểm của ông, chất lỏng này giải thích được hiện tượng điện. Đặc biệt, ông lưu ý rằng các phần riêng lẻ của chất lỏng điện đẩy nhau, nhưng nói chung vật liệu điện liên kết rất mạnh với vật chất thông thường.

Vào thời điểm đó, các thiết bị đã được các nhà nghiên cứu phát minh và sử dụng rộng rãi để lưu trữ điện - máy tĩnh điện và tụ điện ở dạng cái gọi là bình Leyden. Người ta phát hiện ra rằng một vật thể hoàn toàn không cho phép chất lỏng điện đi qua chính nó, trong khi những vật thể khác cho nó đi qua với các mức độ “tuân thủ” khác nhau (tức là điện trở).

Cuối cùng, các đặc điểm của hiện tượng đi kèm với sự phóng điện, tức là sự chuyển đổi của chất lỏng điện từ vật thể này sang vật thể khác hoặc tới Trái đất, đã được biết đến. Trước hết, đây là sự phát sáng ở dạng tia lửa điện, có thể được chiết ra từ vật tích điện và người ta đã chứng minh một cách thuyết phục rằng sét cũng là một tia lửa điện có kích thước như mưa đá. Thứ hai, khi một chất phóng điện đi qua cơ thể động vật hoặc con người sẽ xảy ra hiện tượng co cơ mạnh, gây sốc điện, đôi khi rất mạnh và nguy hiểm đến tính mạng. Cả hai hiện tượng này đều được coi là dấu hiệu đáng tin cậy về bản chất điện của các quá trình mà chúng được quan sát.

Chúng ta hãy nói thêm rằng vào thời điểm này, các đặc điểm của cá (cá đuối, lươn, cá da trơn) có khả năng tạo ra sự phóng điện gây ra những cú sốc giống hệt ở nạn nhân giống như sự phóng điện từ các bình Leyden và máy điện đã được nghiên cứu và mô tả.

Một con ếch xuất hiện trên sân khấu

Đây chính là tình huống của khoa học về điện khi chuyên luận nói trên của Luigi Galvani được xuất bản năm 1791, trong đó mô tả các thí nghiệm mà ông đã thực hiện vào năm 1780-1790.

Những quan sát của Galvani khó hiểu một cách bất thường. Việc đầu tiên trong số họ là như sau.

Làm việc với một chi được chuẩn bị sẵn của một con ếch, Galvani và các trợ lý của ông (một trong số họ, theo một số nguồn tin, là vợ ông, và chính bà là người đưa ra quan sát quyết định) nhận thấy rằng nếu họ dùng dao mổ chạm vào dây thần kinh xương đùi của con ếch (do đó tiếp đất cho nó) vào thời điểm tia lửa được lấy ra khỏi máy điện trong phòng, các cơ của con ếch bắt đầu co rút mạnh. Hiện tượng này rất kỳ lạ vì chất phóng điện không đi qua cơ thể con ếch và con ếch đã chết.

Một thí nghiệm đặc biệt đã được Galvani thực hiện trong sân khi có giông bão và cho kết quả tương tự: chuột ếch thường xuyên phản ứng trước mỗi cơn giông bằng các cơn co thắt nếu dây thần kinh được nối đất.

Galvani không đưa ra bất kỳ nghĩa vụ nào đối với hiện tượng này và anh ấy không thể đưa ra nó *).

*) Thực tế là trong tia lửa điện và trong tia sét, xảy ra các dao động điện lan truyền dưới dạng sóng vô tuyến theo mọi hướng. Các cơ của ếch dường như đóng vai trò là “người sử dụng” những sóng như vậy và phản ứng lại chúng bằng các cơn co thắt. Tuy nhiên, sự tồn tại của những dao động này chỉ được biết đến nhiều thập kỷ sau đó - vào năm 1859. Họ biết được rằng chúng lan truyền dưới dạng sóng vô tuyến gần 30 năm sau - vào năm 1888. Và 7 năm sau, A.S. Popov sử dụng sóng vô tuyến cho mục đích liên lạc. Nhân tiện, A.S. Popov cũng “bắt” sóng vô tuyến từ tia sét bằng thiết bị của mình (thậm chí ông còn được gọi là máy dò sét). Những con ếch bị mổ xẻ của Galvani dường như cũng phản ứng với sóng vô tuyến từ tia lửa điện và phóng điện.

Không thể có một thỏa thuận về vấn đề này vào năm 1791 sao?

43

Alexandro Volta (1745-1827).

Alexaンドro Volta bắt tay vào công việc. tranh chấp ếch

Chuyên luận của Galvani đã gây được sự quan tâm lớn. Ông cũng thu hút sự chú ý của giáo sư vật lý Alexンドro Volta của Đại học Pavin, người đã nổi tiếng với công trình nghiên cứu các hiện tượng điện và tính chất của điện. Sau khi tìm hiểu về các thí nghiệm của Galvani và hoàn toàn không tin vào sự tồn tại của điện động vật, Volta vẫn lặp lại những thí nghiệm này. Là một nhà vật lý thực nghiệm, ông có thể, không thua kém gì nhà giải phẫu học Galvani, mổ xẻ ếch, lặp lại các thí nghiệm và thử các kết quả tương tự, điều này khiến ông lúc đầu thậm chí còn tin vào điện động vật.

Trong một bài giảng đọc vào ngày 5 tháng 5 năm 1792, ông ca ngợi Galvani bằng mọi cách có thể, ca ngợi khám phá mà ông đã thực hiện, nói về tầm quan trọng khác thường của nó, v.v. Tuy nhiên, ít lâu sau, vào ngày 14 tháng 5, trong một bài giảng khác, Volta đã tranh luận với Galvani, chứng minh rằng những gì Galvani phát hiện ra hoàn toàn là vật lý chứ không phải sinh lý, rằng điện động vật không tồn tại và vật chất hoàn toàn không tồn tại ở con ếch mà ở hai kim loại khác nhau, va chạm với nó và đóng mạch điện. Để làm bằng chứng, Volta mô tả trải nghiệm quan trọng của mình, trạng thái sau đây. Anh ta áp hai đầu của hai tấm kim loại khác nhau vào lưỡi của mình, khi nối hai đầu còn lại của tấm kim loại lại với nhau, anh ta cảm thấy có vị chua, hiệu quả không phải ngay lập tức mà kéo dài. (Phương pháp này vẫn được sử dụng để kiểm tra sự phù hợp của pin khô.) Chiếc lưỡi đã thay thế thành công con ếch!

Điều này bắt đầu một cuộc tranh cãi kéo dài giữa Galvani và Volta về vai trò của con ếch trong những quan sát của ông. Volta đã cố gắng chứng minh rằng con ếch, giống như lưỡi của người thí nghiệm, chỉ là vật chỉ báo kịp thời cho dòng điện, và vai trò chính được thực hiện bởi một cặp kim loại khác nhau. Vì mục đích này, anh ấy đã cố gắng loại trừ ếch khỏi thí nghiệm “Galvanic” và nói chung là đối tượng sinh học yêu thích của anh ấy, bao gồm cả ngôn ngữ của chính anh ấy. Galvani, cố gắng chứng minh rằng cơ sở của hiện tượng này là điện động vật và kim loại chỉ dẫn điện hiệu quả nhất, đã tìm cách loại bỏ kim loại khỏi các thí nghiệm của mình và thu được kết quả tương tự chỉ bằng phương pháp sinh học. Nói tóm lại, Volta muốn có được dòng điện mà không cần đến ếch, còn Galvani muốn đạt được sự co cơ mà không cần đến kim loại.

Thật kỳ lạ, thành công đã làm tăng số lượng của cả hai người tham gia tranh chấp. Năm 1894, Galvani mô tả một thí nghiệm trong đó dây thần kinh và cơ của ếch được kết nối không phải bằng kim loại mà bằng cơ ếch. Mỗi lần mạch điện như vậy bị đóng lại đều khiến con ếch nao núng. Galvani coi bài toán của mình đã hoàn thành và không tiếp tục nghiên cứu. Chẳng bao lâu miền Bắc nước Ý bị Napoléon Bonaparte chinh phục. Galvani phản đối sự cai trị của Pháp ở quê hương, mất chức giáo sư năm 1797 và qua đời năm 1798.

Volta trước đó, với sự trợ giúp của máy điện (điện cải tiến) do ông phát minh, đã chỉ ra rằng hai kim loại khác nhau

44

Hình 1.

khi tiếp xúc chúng sẽ bị nhiễm điện. (Hiện tượng này được gọi là hiệu điện thế tiếp xúc.) Nhưng nếu một cặp kim loại giao phối như vậy đóng kín thì sẽ không có dòng điện chạy trong mạch, vì dòng điện qua nhịp có hướng ngược nhau (Hình 1). Trong bàn là “mạ điện”, dòng điện chạy trong một mạch kín. Và Volta quyết định rằng lý do của điều này là do cả trong thí nghiệm của Galvani và của chính ông đều xuất hiện một chất dẫn thứ ba - chất lỏng (chất lỏng ở chuột ếch hoặc chất lỏng trên lưỡi). Ông thay thế các phần “ướt” của mạch “điện” bằng bìa cứng được làm ẩm một cách đơn giản và cho thấy một hệ thống như vậy tạo thành một nguồn chuyển động liên tục của điện. Volta đã báo cáo những thí nghiệm này vào năm 1796. Vì vậy, theo Volta, động vật điện của Galvani đã chấm dứt. Nhưng Volta vẫn nói về “chủ nghĩa điện”, ghi công cho người đã thúc đẩy nghiên cứu của chính mình. Và cho đến ngày nay, hiện tượng liên quan đến dòng điện một chiều đi qua được gọi là điện.

Đây là cách tế bào “galvanic” do Volta phát minh ra đời. Sau năm 1796, tác giả của phát minh này vẫn im lặng suốt 4 năm. Trong suốt những năm qua, ông đã tìm cách thu được những nguồn mạnh hơn nguyên tố đầu tiên của mình, bao gồm một cặp điện cực kim loại khác nhau (như chúng ta gọi ngày nay), va chạm với một chất dẫn lỏng. Cuối cùng, Volta đã tìm ra cách như vậy. Ông sắp xếp một loạt các nguyên tố của mình lần lượt dưới dạng bát chất lỏng, trong đó các lõi và điện cực tuần hoàn được ngâm: lõi - chất lỏng - tuần hoàn - trung bình - lỏng - tuần hoàn, v.v. (Hình 2). Bằng cách nối các cặp điện cực tuần hoàn và điện cực lưu huỳnh từ các bát lân cận, ông đã thu được một nguồn có điện áp (như chúng ta nói hiện nay) ở hai đầu của điện cực này tỷ lệ thuận với số phần tử (y

Hình 2.

Volta có tới 60 người trong số họ). Vào năm 1800, Volta đã báo cáo một thiết bị thậm chí còn đơn giản và nhỏ gọn hơn mà chính ông gọi là “cơ quan điện nhân tạo” (nó tạo ra một cú sốc gợi nhớ đến cơ quan điện của cá), và sau đó là “thiết bị điện động”. Cấu trúc ở trạng thái này gồm các cặp vòng tròn kẽm và đồng đặt chồng lên nhau, ngăn cách nhau bằng các vòng tròn bằng bìa cứng ngâm trong dung dịch axit sulfuric (Hình 3). Sv-

Hình 3.

Remeniki gọi thiết bị này là “cột điện”. Do dễ chế tạo, Voltov nhanh chóng xuất hiện trong tất cả các phòng thí nghiệm vật lý và chúng được sử dụng cho đến đầu thế kỷ 20.

Ý nghĩa của khám phá này là rất lớn. Có thể nói rằng với việc Volta phát minh ra nguồn điện một chiều, một kỷ nguyên mới đã bắt đầu trong việc nghiên cứu về điện. Vô số thí nghiệm, tất cả đều

45

có nghiên cứu về sự “tương tác” của dòng điện với vật chất, nhiều khám phá quan trọng đối với khoa học. Năm 1800, với sự trợ giúp của cột điện, người ta đã phát hiện ra sự phân hủy nước bằng dòng điện. Các nghiên cứu về tác dụng hóa học của dòng điện, trong đó hiệu quả và quan trọng nhất và công trình của nhà khoa học người Anh Davy, đã dẫn đến sự xuất hiện của một nhánh khoa học mới - đối xứng điện. Trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 19, Viện sĩ Petrov ở Nga và Davy ở Anh đã tạo ra một hồ quang điện (có công bằng khi nó thường được gọi là hồ quang!). Một thập kỷ sau, tác dụng từ của dòng điện được phát hiện, và phát hiện này vào cuối thế kỷ này đã dẫn đến một cuộc cách mạng kỹ thuật gắn liền với sự ra đời của kỹ thuật điện.

Đây chính là nguyên nhân dẫn đến cuộc tranh cãi kéo dài về con ếch!

Trong tất cả những nghiên cứu có tầm quan trọng lớn đối với vật lý và công nghệ này, bản thân Volta không tham gia chút nào. Giống như Galvani, Volta, sau khi đạt được thành công, gần như đã dừng các hoạt động khoa học của mình. Khám phá của ông đã nhận được sự công nhận rộng rãi và gây ấn tượng rất lớn. Hai lần, vào năm 1800 và 1801, ông đã báo cáo khám phá của mình cho Viện Hàn lâm Khoa học Paris. Báo cáo cuối cùng có sự tham gia của Napoléon Bonaparte, người đánh giá đầy đủ tầm quan trọng của khám phá Volta. Volta đã nhận được rất nhiều giải thưởng. Ông đã nhận được huân chương của Học viện, một giải thưởng tiền tệ lớn, danh hiệu bá tước và thượng nghị sĩ, những mệnh lệnh cao nhất của Pháp. Nhưng trong khoa học, vai trò của ông đã kết thúc. Năm 1819, ông rời ghế giáo sư và năm 1827 thì qua đời.

Kết quả của cuộc tranh chấp ếch

Cuộc tranh chấp giữa Galvani và Volta không chỉ dẫn tới sự xuất hiện của nguồn dòng điện một chiều đầu tiên trong lịch sử. Đây không phải là một cuộc tranh chấp kết thúc bằng chiến thắng của một trong những người tham gia và sự thất bại của người kia. Lịch sử cũng không xúc phạm Galvani. Và vấn đề không chỉ là tên của anh ta được gán cho một nguồn hiện tại mà anh ta không phát hiện ra, mặc dù anh ta có thể đã phát hiện ra nó (xét cho cùng, trong thí nghiệm với hai kim loại và một cơ ếch, Galvani đã xử lý cụ thể nguyên tố Galvanic). Nhưng theo nghĩa của nó, trong đó cơ của con ếch run lên, bị cơ đóng lại, ông thực sự đã phát hiện ra “điện động vật”. Rất lâu sau đó (vào năm 1837 Duma Quốc gia) điều này đã được chứng minh bởi nhà vật lý Talyan Mattecchi và (vào năm 1848 Duma Quốc gia) bởi nhà vật lý người Đức Dubois-Rein. Đúng, bây giờ nó không được gọi là điện động vật mà là tiềm năng sinh học hoặc dòng điện sinh học.

Khám phá của Volt không chỉ có tầm quan trọng thực tiễn to lớn. Nó cũng thách thức các nhà khoa học bài toán giải thích những hiện tượng như khám phá của Volt, chẳng hạn như hiệu điện thế tiếp xúc và dòng điện Galvanic.

Bản thân Volta tin rằng cơ sở hoạt động của nguyên tố Galvanic chính xác là sự chênh lệch điện thế tiếp xúc. Tuy nhiên, ông tin rằng để xuất hiện dòng điện một chiều, nó chỉ cần không phải hai tiếp điểm ở hai đầu của hai kim loại khác nhau mà là ba, như trong Hình 4: hai tiếp điểm của hai kim loại với chất lỏng dẫn điện.

Hình 4.

xương tại các điểm a và b và tiếp xúc của hai kim loại tại điểm c. Lời giải thích này là sai. Nhưng chỉ nhiều thập kỷ sau, người ta mới chứng minh được rằng nguồn gốc của suất điện động trong một nguyên tố hóa học là do tương tác hóa học của kim loại với chất điện phân (như chất lỏng dẫn điện trong nguyên tố đó ngày nay được gọi). Và chỉ đến năm 1888 Nernst mới đưa ra lý thuyết hoàn chỉnh về các nguyên tố Galvanic.