歷史 物理

發明萬花筒的蘇格蘭光學家:布魯斯特

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-02-06
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  • 蘇格蘭原是個地處偏遠而貧窮的國家,但是在十八世紀中葉起,一股風起雲湧的風潮讓蘇格蘭改頭換面,不但出現了眾多偉大的思想家,如大衛.休姆(David Hume,1711-1776)、 亞當. 史密斯(Adam Smith,1723-1790)等人,對西歐的思潮造成了莫大的影響,到了1750年代,蘇格蘭人更成為當時歐洲最有教養的市民,識字率高達75%,使得蘇格蘭的首府愛丁堡獲得了「北方雅典」的美譽,這就是史上聞名的蘇格蘭啟蒙運動。之後,運動的重心逐漸從哲學和經濟的研究轉向了自然科學的諸多領域,最著名的莫過於改良蒸汽機的詹姆斯·瓦特(1736-1819),此外還有地質學之父詹姆斯·哈頓(James Hutton 1726– 1797),農學家詹姆斯.安德森(James Anderson,1739 – 1808),指導過瓦特並且提出比熱及解說潛熱的概念的物理學家約瑟夫·布拉克(Joseph Black,1728-1799)等人。


    與法國啟蒙運動一樣,蘇格蘭啟蒙運動的學者們也編纂了一部包羅萬象的百科全書,《大英百科全書》(又名「大不列顛百科全書」)正是蘇格蘭啟蒙運動的產物,它於1768年至1771年間在英國愛丁堡首次問世,立刻受到廣大讀者的歡迎,且出版規模日漸擴大。相較之下,雖然法國的《百科全書,科學、藝術和工藝詳解詞典》雖然在思想史上因其大膽的唯物論主張而名留青史,但是《大英百科全書》可是到現在都不斷在修改調整而廣為人使用著呢。而這一次阿文要介紹的這位科學家,就曾做過《大英百科全書》的編者,他就是發明萬花筒的科學家大衛·布魯斯特爵士(Sir David Brewster)。

    大衛‧布魯斯特於1781年出生於蘇格蘭南部邊界的羅克斯巴勒郡(Roxburghshire)傑德堡(Jedburgh),他的父親詹姆斯是位聲譽頗佳的老師,後來還成為傑德堡文法學校的校長,而他的母親瑪格麗特·琪則是在大衛九歲時就因病過世了。大衛是家中六個孩子中的第三個,布魯斯特全家都是虔誠的蘇格蘭長老教會信徒。大衛的大哥詹姆斯(1777–1847)後來成為克雷格(Craig, Ferryden)教區的牧師,弟弟喬治(1784–1855),是法夫斯估尼(Scoonie, Fife)的教區牧師,最小的弟弟派屈克(1788–1859)則成為派思力僧院教區(abbey church, Paisley)的牧師。與提倡激進的唯物無神思想的法國啟蒙思想家相比,蘇格蘭啟蒙運動中的人物絕大部分都是蘇格蘭長老教會的信徒。大衛到了晚年還大力抨擊達爾文的進化論呢。這也反映出蘇格蘭啟蒙運動與法國啟蒙運動最大的不同之處。在這裡得先給各位看官交代一下蘇格蘭特殊的宗教背景。

    原本蘇格蘭信奉的是羅馬天主教,但是約翰·諾克斯(1514-1572)改變了一切。他是蘇格蘭的宗教改革家,也是蘇格蘭教會的創立者,諾克斯曾流亡至日內瓦,受教於約翰·加爾文。他秉持著"改革宗"的信念,建生了蘇格蘭的長老教會(Presbyterian Church)。經過130年大量流血和犧牲,甚至導致戰爭的慘痛經驗,最後長老教會在1690年成為蘇格蘭國教。


    八世紀中葉開始的蘇格蘭啟蒙運動漸漸軟化了嚴厲的加爾文主義,開啟了「以人為本」以及「歷史」和「人性」的討論,他們主張人性最基本的要素,包括道德理念都會受到不同時空和地理因素的牽動而不斷演化,今日大家公認所謂的自然科學—動物比較學,遺傳學、演化學、醫學;所謂的社會科學—人類學、人種起源、社會學、歷史學、經濟學都深深地受到這場蘇格蘭啟蒙運動的影響,而蘇格蘭教會也因此逐漸趨向世俗化。由於不滿教會逐漸趨向世俗化,十九世紀時許多新興教派包括公理會、浸信會、衛理公會開始推動宗教覺醒,嚴守安息日教規,而蘇格蘭教會的錢伯斯牧師(Rev.Thomas Chalmers,1780~1847)等教會領袖也開始推動追求虔誠的運動,1843年,長年的理念之爭終於導致蘇格蘭教會分裂,超過四百位牧師集體辭職,拒領政府的津貼而加入錢伯斯的陣營,組成了「蘇格蘭自由教會」,這個運動迅速擴展到加拿大,來台灣傳教的馬偕家族正是隸屬自由教會。布魯斯特兄弟們一同手拉著手一起參加了這場驚天動地的蘇格蘭自由教會大分裂(The Disruption),共同加入了「蘇格蘭自由教會」,這樣的家庭卻出現大衛這樣一位傑出的科學家,這一點蠻能反映出蘇格蘭啟蒙運動的特殊之處。

    大衛自小受到詹姆斯·偉奇(James Veitch,1771-1838)的薰陶,培養出對自然科學強烈的愛好,偉奇住在離Jedburgh不遠的Inchbonny,他自學而成,不但是製造望遠鏡的達人,對於數學,天文等學問的造詣也頗可觀,所以蘇格蘭文豪沃爾特·司各特(Sir Walter Scott, 1st Baronet,1771-1832)甚至稱呼偉奇是無師自通的數學家,天文家甚至是哲學家呢。在偉奇的指導下,大衛在十歲時就架設了一臺自己的望遠鏡呢。另一個對大衛影響深遠的是他的教區牧師 Thomas Somervlle (1740–1830),他是一位業餘的歷史學家。就算在離Jedburgh 這樣的地方,還是有許多才智之士努力在散播知識呢。

    布魯斯特12歲時就被送去愛丁堡大學就讀,並在1800年取得碩士學位,準備成為神職人員。布魯斯特逐步完成神學的學業並取得傳道的許可之後,卻漸漸將注意力從神學轉移到自然科學。一來是因為布魯斯特並不擅長公開演講,二來是在1799年,他的同學亨利‧布魯厄姆(Henry Brougham, 1778 –1868)說服他研究光線繞射,這開啟了大衛研究光學的第一扇門。(布魯厄姆後來成了政壇的大人物,最終做到了掌璽大臣,還受封成為男爵。不過布魯厄姆雖然對科學很有興趣,判斷力卻不甚了了,他曾大力反對光的波動說,也曾反對過威廉 赫些爾關於太陽黑子與農作物歉收之間關聯的研究。他一生對科學界最大的貢獻,大概就是說服大衛‧布魯斯特成為光學家吧!) 布斯特魯一開始先投稿到"愛丁堡雜誌"(Edinburgh Magazine) ,從1802年起他還成了這本雜誌的編輯,一直到1807年為止,這段期間,雖然大衛一直申請蘇格蘭各大學的教職,但是卻再三碰壁。1807年,布魯斯特成為《愛丁堡百科全書》(Edinburgh Encyclopædia)的總編輯,第一冊在1808年出版,最後一冊在1830年前出版。他在自然科學方面最為拿手,該書最有價值的一些文章也是他親自撰寫的。他研究的結果有時會登在倫敦《自然科學會報》(Philosophical Transactions)或其他科學期刊上。與之前介紹的科學家們相比,布魯斯特早期的研究生涯算是相當另類的吧。這也反映出蘇格蘭啟蒙運動的基調,一群愛好知識的"基層"知識分子,一步一腳印地將文化散播出去,而布魯斯特只是其中較為著名的一員罷了。

    布魯斯特雖然興趣廣泛,但是最令他醉心的還是光學。十九世紀初正是光學發展的一個關鍵時期,英國科學家楊格(Thomas Young,1773-1829)的雙狹縫干涉實驗讓光的波動說又重新受到重視,但是有許多光學現象,卻不是用簡單的波動就能輕易地解說的,最有名的現象莫過於所謂"雙折射" (Birefringence),丹麥科學家拉斯穆·巴多林(Rasmus Bartholin, 1625 –1698))於1669年發現了光束通過冰洲石(Iceland spar,另稱方解石)時會出現雙折射現象,假設照射光束於冰洲石,則這光束會被折射為兩道光束,一道光束看起來滿足斯奈爾定律,被稱為「尋常光」(ordinary ray),另外一道光束看起來卻像是不遵循斯奈爾定律,稱為「非常光」(extraordinary ray)。巴多林當時無法解釋這現象的物理機制。後來,克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)也注意到這個特殊的光學現象,在1690年著作《光論》的後半部裏,惠更斯對詳細地討論了這個現象。他認為,由於空間可能存在有兩種不同物質,所以才會出現兩道光束,它們分別對應於以不同的速度在空間中傳播的兩個不同的波前。這樣看,雙折射倒也不是太神祕的現象。然而惠更斯又進一步發現,這兩道光束與原本光束的性質大不相同,將其中任何一道光束照射於第二塊冰洲石,則折射出來的兩道光束的強度會因為繞著光束軸旋轉冰洲石而改變,有時候甚至只會剩成一道光束。由於惠更斯主張光波是一種縱波,他的波動理論完全無法解釋這個現象。而這也是牛頓的光粒子說後來居上的原因之一。

    "雙折射"其實是光的偏振性質所造成的,由於冰洲石是單軸晶體,它的某一個結晶軸的折射率不同於其他兩個結晶軸,這是肇因於在不同方向物體擁有不同的介電常數。晶體內存在二個軸,互相正交。一為快軸,一為慢軸。光入射於晶體時會被分解為沿這二個軸偏振的光—沿慢軸偏振光就是尋常光,沿快軸偏振的光是 非尋常光,而這二束光會以不同的速度前進(因為沿這二個軸方向的折射率不等,n快軸<n慢軸),如果入射光與晶體面有一定的角度,則這二個分解的光的折射角也會不同,這樣形成雙折射現象。這二束離開晶體的光是互相垂直的線偏振光,而雙折射分開的距離隨晶體的厚度而定。但是光的偏振現象是怎麼被發現的呢?這得要歸功法國光學家艾蒂安-路易·馬呂斯(Étienne Louis Malus,1775-1812)。

    馬呂斯出生於法國巴黎。他曾參加過拿破崙的埃及遠征(1798年至1801年),也是埃及研究所(Institut d'Egypte)的成員。當法蘭西學術院在1808年決定將1810年物理論文比賽的題目訂為「對於雙折射給出數學理論,並且做實驗證實」時,引發了馬呂斯對雙折射的興趣。首先他觀察到照射到玻璃窗反射出來的陽光,當入射角度達到某個特定值,產生的反射光與惠更斯觀察到的折射光有著類似的性質,他把這個性質為「偏振」 (Polarisation)。他接著了解到不單是玻璃,任何透明的固體或液體都會產生這種現象。馬呂斯認為組成光束的每一道光線都具有某種特別的"不對稱性";當這些光線的不對稱性都指向特定方向時,就形成了偏振光;當這些光線的不對稱性均勻地指向各各不同的方向時,這束光就是非偏振光;他認為他所觀察到的那道特殊的反射光,正是偏振光。他更進一步從實驗定量地決定出偏振光通過檢偏器後的強度與偏振方向與檢偏器傳輸軸方向之間的夾角的餘弦值的平方成正比。馬呂斯的實驗極富創意,所以他榮獲了1810年的法蘭西科學院的物理論文獎。也成為科學院成員。不過兩年後馬呂斯就因病英年早逝了。

    馬呂斯試圖找出偏振角度和反光材料的折射率之間的關係,但是他的實驗無法得到這個關係,這是因為提供給他的玻璃材料品質還不夠好,當時大多數的玻璃會在表面和內部之間顯示出不同的折射率。直到1815年大衛·布魯斯特才拿到品質夠好的玻璃來進行測試。布魯斯特發現,當光在兩種均向性介電質的分界面上發生反射和折射,而反射角和折射角垂直時,那麼反射光就成為只有垂直於入射面的線偏振光。這時的入射角現在被稱為布魯斯特角(Brewster angle)。如果入射光是偏振光,而且偏振方向是平行入射平面的話,反射光會消失!
     
    螢幕快照 2020-02-06 下午10.51.34
    布魯斯特角(Brewster angle)圖片來源:
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    除了著名的布魯斯特角之外,他的另一個重大發現也是在1815年完成的,那就是"光彈性效應"。光彈性(英語:Photoelasticity)是某些透明材料(主要是塑料、玻璃、環氧樹脂等非晶體)在承受載荷出現應變的狀態下,由均向性變成非均向性,因而出現雙折射的現象。基於這種材料性質發展出的描繪物體應力應變分布的試驗物理學方法稱為光測彈性學。這一年布魯斯特獲選為倫敦皇家學會的成員,並得到科普利獎章,1818年獲得光學的最高榮譽:拉姆福德獎章。 他在1821年還成為瑞典皇家科學院的外國成員。他的光學研究除了偏振以外,還包含了金屬表面的反射性質和物體吸收光的實驗等等。英國學者威廉·惠韋爾(William Whewell,1794 –1866)甚至稱布魯斯特為「現代實驗光學之父」和「光學中的約翰內斯·克卜勒」呢。順便一提,惠韋爾是最早從事科學史研究的史學家之一,科學家(scientist)這個名詞就是他發明的。

    布魯斯特不像一般的學者只寫科學論文,從1819年起布魯斯特與愛丁堡大學教授羅伯特·詹姆森(Robert Jameson, 1774 – 1854)著手進行了更多的編纂工作,例如取代《愛丁堡雜誌》的《愛丁哲學學報》(Edinburgh Philosophical Journal)。前十冊(1819至1824年)就是布魯斯特和詹姆森一起編輯的,剩餘的四冊(1825至1826年)則由詹姆森獨自編輯。在與詹姆森合作結束後,布魯斯特創辦了《愛丁堡科學學報》(Edinburgh Journal of Science),在1824年至1832年間他擔任編輯時發行了16冊,其中包含了很多出自他本人的文章。後來他還成為《大英百科全書》(第七、八版)的編者之一,其編寫的文章涉及電力學、流體動力學、磁學、顯微鏡、光學、立體鏡和光伏發電等方面。布魯斯特不但擔任許多刊物的編輯,本身就是位勤寫不輟的作者,他向不同學術性會刊共投了約三百篇論文,當時幾乎沒有人比他寫得更多。在《北不列顛綜覽》(North British Review)裡就總共有75篇來自布魯斯特的文章。(《北不列顛綜覽》創立於1844年,是前一年分裂出來的蘇格蘭自由教會所主辦的刊物。)他的文章的讀者通常不限於學者,而是一般的讀者,布魯斯特算起來也是科普的祖師爺之一吧。布魯斯特尤其著迷於牛頓。1831年他出版了一篇有關牛頓生平的短文,列在穆雷家族圖書館"(Murray's Family Library)一系列傳記之中。二十多年後他在1855年出版了《艾薩克·牛頓生平、著作及發現之懷思》(Memoirs of the Life, Writings and Discoveries of Sir Isaac Newton),該傳記是布儒斯特花了20年以上蒐集眾多原手稿等資料蒐集綜合的成果。

    除了發表學術論文之外,布魯斯特還是個多才多藝的發明家。約在1815年他因所發明的萬花筒在英國、美國、法國大受歡迎而聲名大噪,其肖像甚至印製在雪茄菸盒上。

     
    Brewster_cigar_box
    圖片來源:
    By Chasles Stutz Co., New York - [2], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16540730



    布魯斯特在1817年為萬花筒申請了專利權,還選擇了有名的消色差透鏡製造菲利浦‧卡彭特Philip Carpenter (177–1833)為萬花筒的獨家製造者,準備好好賺上一筆,沒想到萬花筒的一個樣本居然就在他拿到專利權前就落入了倫敦的光學儀器商手中。結果,萬花筒雖然大賣,倫敦和巴黎在短短3個月內售出了20萬支萬花筒。但布魯斯特未獲得應有的金錢回饋。只能說跟財神爺的緣分不夠。除了萬花筒之外,布魯斯特還改良了用於攝影的立體鏡。他稱此為「透鏡立體鏡」,這是首個能隨身攜帶的3D眼鏡。他也發明了雙筒照相機、兩種偏振儀、多區域鏡片以及燈塔照明燈。身為光學家,布魯斯特對於剛問世的攝影術也非常感興趣,他是發明卡羅法(Calotype)的英國發明家Henry Fox Talbot的好朋友,而且還在1843年成立了史上第一個攝影團體Edinburgh Calotype Club,1856年他還被選為Photographic Society of Scotland 的第一屆主席呢。


    布儒斯特作為刊物的編輯,結識了許多頂尖的科學家,而他也意識到在與這一領域的學者進行交流,能夠從中獲益。他在《約翰‧穆雷季度評論》(John Murray's Quarterly Review)中對查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage 1791 – 1871)所著的《英國科學的衰落》(Decline of Science in England)一書進行評論之後,他建議創立「貴族、牧師、仕紳階級和哲學家組成的學會」。這迅速促使了英國科學促進聯會(British Association for the Advancement of Science)的成立。第一次的會議在1831年於約克舉行,布魯斯特、巴貝奇和約翰·赫歇爾為擬定章程起到了領導作用。這個協會現在改名為不列顛科學協會(British Science Association,BSA)。同年,布儒斯特獲得爵士爵位。1838年他被指派為聖安德魯斯大學聖薩爾瓦托與聖倫納德聯合學院的院長。1849年他以英國科學促進聯會會長的身份,當選為法蘭西學院八位外國院士之一,以接替永斯·貝采利烏斯。十年後,他成為愛丁堡大學校長,直到逝世前幾個月才離職。想起他年輕時申請這些學校的教職都碰壁的往事,不禁令人感慨呀。

    布魯斯特之後,蘇格蘭出了像開爾文男爵和馬克斯威爾這兩位大師級的物理學家,與布魯斯特不同的是他們兩個都是劍橋出身,而且都是second wrangler 的菁英。而光學在與他同時的法國光學家菲涅爾手上得到長足的發展,這個成就也讓布魯斯特的成就逐漸為人淡忘,只有在做光學實驗時提到"布魯斯特角"時才偶然會提到。但是就像蘇格蘭啟蒙運動中眾多努力散播知識的許多基層的知識分子一般,布魯斯特一生鼓吹科學,努力普及知識,堅信知識能改善人類的生活,他們的努力讓蘇格蘭成為令人尊敬的文明國度。科學,乃至於文明,從來就沒有速成的,這一點,值得我們深思。

    參考資料:
    (一) 中文 英文 維基相關條目
    (二) The Home Life of Sir David Brewster" (1869). Written by his daughter Margaret Maria Gordon.
    (三) Encyclopedia of Nineteenth-Century Photography by John Hannavy (Editor)

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    本文作者:高崇文 (中原大學物理系教授)
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