歷史 物理

普及牛頓理論的功臣: 德薩古里耶

Print Friendly and PDF
撰文者:高崇文
發文日期:2020-04-24
點閱次數:140
  •  

    牛頓毋庸置疑是科學史上最閃耀的巨星。「牛頓力學」更是從國中時代就一路糾纏著我們,讓大家咬牙切齒的棘手科目。在我們的想像中,牛頓的”原理”在1687年問世之後,應該像是平地一聲雷,馬上轟動武林,驚動萬教,正如詩人亞歷山大·波普(Alexander Pop)為牛頓所寫的墓誌銘所描述的那樣:

     

    "Nature and Nature's laws lay hid in night: (自然和自然的法則隱藏在黑暗之中。)

    God said, Let Newton be! and all was light".(上帝說:讓牛頓出世吧,於是一切豁然開朗。)

     

    不過想像與歷史的實況可是天差地別。固然牛頓在當時整個歐洲的知識分子中成為赫赫有名的超級重量級人物,然而大部分的歐陸學者對他所建構的系統,其實並不信服。他們寧可相信笛卡兒的宇宙旋渦,也不肯接受牛頓的”超距力”。至於一般的販夫走卒,則是不知道原理這本鉅著中,葫蘆賣的是什麼膏藥。就算是當時受過良好教育的達官貴人,也看不懂牛頓刻意用艱澀的幾何語言寫出來的”原理”。

    那麼牛頓的名聲是怎麼建立起來的呢? 這要歸功於一群熱心的學者,他們不遺餘力地向大眾闡明牛頓力學,宣揚牛頓的功績,並且將牛學力學應用到各項實務上。牛頓理論在往後的兩百年內成為主宰物理界的”王道”,這些牛頓的支持者功不可沒。不過他們的名聲遠不如牛頓響亮,不要說是一般讀者沒聽過,就是物理科班出身的,也鮮有人知道他們的事蹟。阿文就趁這個機會,向各位看官介紹其中最重要的德薩古里耶,還請各位看官捧場。

     

    約翰·西奧菲勒斯·德薩古里耶(John Theophilus Desaguliers)於1683年三月誕生於法國的La Rochelle,幾個月前他的父親Jean Desaguliers,因為身為新教徒牧師,被法國政府驅逐出境。他的父親逃到英國,在那裡他加入英國國教會,接受聖職,並被派到位於英吉利海峽,靠近法國海岸線的海峽群島的Guernsey。小德薩古里耶在La Rochelle的新教教堂接受嬰兒洗禮,後來他的母親才帶著他到Guernsey與他父親團聚。其實德薩古里耶家並不孤單,他們只是歷史大浪潮的一個小浪花,在那前後數以萬計的新教徒被迫離開法蘭西王國! 這是怎麼回事呢?且讓阿文將來龍去脈交代一下:

     

    John_Theophilus_Desaguliers
    John Theophilus Desaguliers(圖片來源:維基百科)
     

     

    法國的新教徒史稱胡格諾派(Huguenot),原本胡格諾派首領,納瓦拉的亨利在1589年登基成為亨利四世,開創了波旁王朝。亨利四世雖然本人在1593年改宗天主教,但是他致力於修復國內的分岐,避免再次引起內戰。因此他在1598年在布列塔尼的南特城簽署了南特敕令,列明法國的胡格諾派能夠享有自己的信仰自由,不受國家干擾,並且有權建造教堂及參與宗教事務。也享有和天主教徒一樣分享同等的政治權利,可以擔任各種官職,甚至允許這些教徒保有城堡及軍隊,以保衛自己。然而到了十七世紀八十年代,亨利四世的孫子路易十四為了搏取大多數國民的支持,開始壓迫胡格諾派,德薩古里耶家就是此時流亡到英國。

     

    1685年,路易十四發布楓丹白露敕令,廢除《南特敕令》,胡格諾派的教堂被摧毀,新教的學校被關閉。路易十四的這個命令迫使大量的新教徒被迫離開法蘭西王國,導致大量的人才外流,因為許多這些胡格諾派信徒,大多是非常好的手工業者,雖然他們未帶走大量財富,但他們的技術和知識隨著他們一起流亡國外。這些流亡者,給他們到達的地區帶來了巨大的財富。德薩古里耶一出生就加入了這股流亡潮,自由無價,不是嗎?

     

    1692年老德薩古里耶帶著全家搬到倫敦,在Islington開了一家法文學校,當時光榮革命剛結束,來自荷蘭的威廉三世把改信天主教的岳父詹姆斯二世從王位趕下來,對流亡的新教徒來講,應該是一大快事吧! 但是老德薩古里耶在1699年過世了。父親去世後小德薩古里耶將名字從法國式的Jean Théophile Desaguliers改成英國式的John Theophilus Desaguliers。算是入境隨俗。雖然家境不算富裕,他還是力爭上游。1705年德薩古里耶進入牛津大學的基督書院(Christ Church)。他在牛津接受的是傳統人文教育,主要是希臘文與拉丁文。他在1709年拿到學士學位。


    比較值得一提的是他也跑去聽John Keill(1671-1721)在Hart Hal開的課。Keill 是蘇格蘭愛丁堡出身,1694年在牛津拿到學位。1698年Keill 出版了一本Examination of Dr. Burnet's Theory of the Earth. 內容是站在牛頓的立場在抨擊歐陸學者如笛卡兒,斯賓諾沙,笛卡兒的忠實支持者馬勒伯朗士(Nicolas Malebranche,1638年-1715年)甚至英國哲學家霍布斯的學說,這本書為他贏來了名聲。他在牛津用新穎的演示來說明牛頓的自然哲學,也讓他成為眾人注目的焦點,所以他在1700年他被選為皇家學會的會員,但是他還是沒能在牛津拿到教授的職位。1709年Keill 離開牛津去政府機關謀職時,德薩古里耶接手了他的演示課。Keill後來引發了牛頓與萊布尼茲關於發明微積分的優先權的大爭論,詳細過程在之前”科學史上最大一片綠葉: 愛德蒙‧哈雷”一文已經提過,就不在此贅述了。

     

    德薩古里耶在1712年拿到碩士學位後搬回倫敦,並且開始為他開設的實驗哲學的公開講課宣傳。他並不是第一個開這種課的人,William Whiston (1667–1752) 和 Richard Bentley (1662–1742) 早就開設類似的講座,Richard Bentley 還是波義耳講座的第一任講員。但是德薩古里耶能講英語、法語與意大利語,而且他深諳演講之道,所以他的課特別成功。尤其德薩古里耶不像其他的講員喜歡夾雜自己的神學理念,而是投當時倫敦眾多中產階級所好,講題多偏向實際應用,所以他的課程格外受到大眾的歡迎。

     

    德薩古理耶終生開了一百四十個類似課程!這些課程一般包含二十次演講,內容包含力學、流體靜力學、 空氣動力學 、光學和天文學。德薩古里耶不但會不斷更新課程內容,還會將他的演講筆記整理好,加以出版。他自己設計演示用的教具,像是模擬太陽系的行星儀(planetarium) 或是模擬潮汐力的儀器。1717年 德薩古里耶還曾下榻在漢普特宮,並以法語在英王喬治一世一家人面前演講過呢。(喬治一世來自漢諾威,始終學不好英語,當時流行在宮廷間的法語倒是很流利。)

     

    德薩古里耶的授課讓他在倫敦得到科學界的注目。1714年時任皇家學會主席的牛頓邀請德薩古里耶擔任學會每周會議的演示者。之前的演示者是Francis Hauksbee (1660 – 1713) 。Hauksbee 本身就是個傳奇,他原本是倫敦的布商。他是如何變成科學儀器的製造者,至今還是個謎,只知道他後來成了牛頓實驗室的幫手。牛頓在1703年成為皇家學會主席,Hauksbee 同年成為學會成員,並且開始在皇家學會的每周聚會負責實驗演示。第一次的每周聚會還是由牛頓親自主持。Hauksbee 不單單是製造科學儀器的工匠,他有自己的研究方向。他是第一個在1700年代初期觀察到玻璃可以用於電學實驗的人。


    1705年Hauksbee發現,如果他在改良版的奧托·馮·古里克發生器(Otto von Guericke's generator)的玻璃杯中放少量汞,並從其中抽出空氣產生真空,然後擦拭球來建立電荷,如果他將手放在球的外面,就會看到光。這種效果後來成為氣體放電燈的基礎,後續發展出霓虹燈和汞蒸氣燈。Hauksbee繼續進行電學實驗,進行了多次觀察並開發了機器來演示各種電現象。除了電學之外, Hauksbee在1708年獨立地發現了查爾斯的氣體定律,該定律指出,對於恆定壓力下的給定質量的氣體,氣體的體積與溫度成正比。他不只在皇家學會的機關刊物發表文章,還在1709年自費出版了Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects 一書呢。Hauksbee 在1705年被選為皇家學會的院士,這在階級森嚴的英國可以算得上是破天荒的事了。可惜的是年僅五十出頭的Hauksbee在1713年過世了。他的職位就是由德薩古里耶接替。

     

    與Hauksbee不同的是德薩古里耶是受過大學教育的”紳士”。而他在皇家學會的職務也成了正式的任命。沒多久德薩古里耶就成了皇家學會的院士。他在牛頓手下工作了十四年。牛頓雖然在1727年過世了,但是德薩古里耶依然持續提倡牛頓的理念並努力維持每周會議的科學水準。他終生在這職務上,直到過世。

     

    十八世紀初國家是不資助科學的,科學家要嘛自己家財萬貫,要嘛就是有貴人來資助。在十八世紀初,除非在大學拿到教職,一般的知識分子還是難以單單從事科學研究來謀生。受過大學教育的人最常見的就是在英國國教會中找個職務來糊口。德薩古里耶也不例外。他在1710年在 Fulham Palace接受按立成為英國國教會的執事, 1716年德薩古里耶得到Carnarvon伯爵James Brydges(1673 – 1744)的任命成為他的隨行牧師(chaplain)。1717年德薩古里耶在倫敦的Ely Palace 接受按立正式成為英國國教會的牧師。1719年James Brydges 被晉升為第一任Chandos公爵。德薩古里耶還成為在 Little Stanmore 的St Lawrence Church的牧師一職。那裡靠近Chandos公爵在 Edgware附近的府邸 Cannons 莊園。公爵府邸的禮拜堂直到1720年才蓋好,在此之前公爵一家就在St Lawrence Church做禮拜。這間教堂在1715年重蓋成華麗的巴洛克風格,當然也是公爵掏腰包蓋的。而Chandos公爵所資助的作曲家,德國來的韓德爾,他那首著名的Chandos Anthems 就是在St Lawrence Church 首演。Cannons府邸和公爵的領地都受益於德薩古里耶的科學專業指導。像是府邸的噴泉在建造時就得到他的指導。而公爵投資的 York Buildings Company 本身從事的是利用蒸氣的力量從泰晤士河汲水的事業,也從德薩古里耶那裡得到不少協助。1718年韓德爾的新歌劇《艾西斯與加拉提亞》(Acis and Galatea) 在Cannons府邸地露天平台上演。在劇中男主角 Acis 被謀殺後被變成噴泉,從Cannons府邸地露天平台上正好可以俯瞰德薩古里耶設計的噴泉呢。

     

    德薩古里耶對 Chandos 公爵手中許多建設都提出建議,所以他相當忙碌,讓他無法專心地當一個牧師。Chandos公爵就曾抱怨教區中的葬禮老是被耽擱。不過這該歸咎於教會的行政人員,而非德薩古里耶。順便一提,當時英國國教會的牧師其實都仰賴該教區的貴族仕紳的推薦才能擔任教職,各為在讀珍 奧斯丁的小說常看到對當地仕紳屈膝卑躬,甚至於滿口阿諛奉承之詞的牧師,其實有它的時代背景的。

     

    德薩古里耶相當熱衷於將他的知識運用到實際的事物上,特別是蒸氣機與水利工程。1722年他就幫過愛丁堡市處理他們的水供給問題。向愛丁堡供水的五公里長的管道覆蓋了起伏不平的地形,這意味著管道中會出現波峰和波谷,空氣會積聚並阻塞水流。德薩古里耶設計了一個閥門系統(他稱為Jack in the Box’的設備)來定期釋放阻塞的空氣,維持水的正常流動。他對通風問題也很在行,曾經將上議院的壁爐更換成效率更好的樣式。他還發明了改善下議院通風的吹氣輪。他的工作固然都是奠基於牛頓力學,但是他也從當代的法國數學家身上學到不少。德薩古里耶也很著迷人體運作的原理。他跟當時著名的大力士, Thomas Topham 關係匪淺,雖然沒有足夠證據證明他曾聘用Thomas Topham當他的保鑣,但是他記錄了許多Thomas Topham表演的特技。建造第一座西敏橋時,德薩古里耶是下議院派去建造委員會的顧問。這是第二座橫跨泰晤士河的橋,蓋到1750年才完成。為了蓋這座橋,德薩古里耶在Channel Row 的家也被拆了。害他只好搬家呢。

     

    德薩古里耶也是著名的共濟會會員。最早他是在The Rummer and Grapes tavern 聚會的Masonic Lodge No. 4的成員。這個聚會場所離他在西敏寺的住所很近。這個組織後來與其他三個組織後來合併成立了 Premier Grand Lodge of England.新的共濟會成長得很快,德薩古里耶被認為是背後的重要推手。他在 1719 年擔任Grand Master 之後三度擔任Deputy Grand Master.。他協助 James Anderson起草共濟會憲章"Constitutions of the Freemasons", 這在 1723年出版。他在1731年應邀在尼德蘭巡迴演講時邀請了當時的洛林公爵法蘭西斯加入共濟會。洛林公爵後來成為神聖羅馬帝國皇帝。當英國的皇太子威爾斯親王 Frederick 加入共濟會也是所主導的。德薩古里耶還成為皇太子威爾斯親王 Frederick 的私人牧師。啟蒙運動時期,共濟會從英國開始陸續傳播到歐陸,各國共濟會紛紛成立了自己的總會所,並藉這些宗主國的軍事與商業活動傳播到拉美、亞洲與非洲各個殖民地。至於關於共濟會的許多傳言,大都沒有根據,還請大家一笑置之。

     

    真正讓德薩古里耶在留名青史的還是科普利獎章。科普利獎章是英國皇家學會每年頒發的科學獎章,以獎勵「在任何科學分支上的傑出成就」。獎章起始於戈弗雷·科普利爵士(Sir Godfrey Copley)在1709年捐贈100英磅作為實驗研究的基金。1731年開始頒發,是當時科學界的最高榮譽。科普利獎章沒有獲獎次數的限制,德薩克古里斯是唯一獲得過三次科普利獎章的科學家。另外,還有多個年份的獎章以不同的獲獎理由頒發給兩位及以上科學家。自20世紀後,有許多諾貝爾獎獲得者也獲得了科普利獎章。德薩古里耶 在1734, 1736 和1741 三年得到科普利獎章。前兩次的得獎理由都是他主持的每周會議的演示,第三面科普利獎章是為了表彰他總結當時電學現象所做的努力。他與Stephen Gray 一起研究電學,Stephen Gray 甚至曾住在他家呢。Stephen Gray 也是科普利獎章第一屆與第二屆的得主。在1742年德薩古里耶寫了“Dissertation concerning Electricity” 時導體(conductor)與絕緣體(insulator) 這兩個詞就是他發明的呢。

     

    德薩古里耶在皇家學會的機關刊物Philosophical Transactions of the Royal Society 寫了近五時篇文章。他的演講筆記也印了好幾版。他偶爾也寫詩。他把法文與拉丁文的一些技術文獻翻成英文。他自己的Course of Experimental Philosophy 也被翻成荷蘭文與法文。Course of Experimental Philosophy這本書共有兩卷,可以說是德薩古里耶一生的心血結晶。為了讓一般讀者也能瞭解牛頓的力學,德薩古里耶避免使用艱澀的數學,而是用許多簡單的機械來說明。在書中他還討論了力學中該使用”動量”還是所謂的vis viva(現在稱之為動能)來描述運動。牛頓力學中使用的是”動量”,但是歐陸的學者則是追隨萊布尼茲,主張使用vis viva。

     

    荷蘭學者Willem Jacob 's Gravesande (1688-1742)和義大利學者Giovanni Poleni(1683–1761)各自進行了將黃銅球墜入粘土的實驗,他們確定了球留下的壓痕深度隨其vis viva(mv2)的變化而變化,因此證明vis viva是正確的測量運動的物理量。 德薩古里耶讓球從一系列薄膜中掉落。他用這個實驗表明了必須考慮產生印痕所需的時間。因此,儘管運動更快的球可能會破壞更多的膜,但這並不是因為它具有更大的動力,一旦考慮到時間,就可以看出一個物體的原動力等於該物體的動量,而不是vis viva。這個問題並不是單純的學術問題。在設計水車時,這是個很實際的問題。事實上Course of Experimental Philosophy 這本書充滿了實際的運用。當然,這本書是徹頭徹尾建立在牛頓力學之上,但是德薩古里耶受益歐陸學者那邊也不少,主要是Edme Mariotte (1620–1684), Antoine Parent (1666–1716) 和 Bernard Forest de Bélidor (1698–1761)。他們都是法國人。 Mariotte曾對流體力學進行了深入的實驗研究,並將結果寫成題為《論水和其他流體的運動》的著作,於1686年發表。其中特別討論了流體的摩擦問題。解決了當時流體研究中理論與實驗結果之間存在的許多差異。他給出了計算管壁壓力的公式。對於管中流體的運動、噴水的高度等問題,都從理論和具體技術上進行了研究。他還結合水力學研究了材料強度問題。德薩古里耶還曾在1718將Mariotte寫的書翻成英文,題獻給他的贊助者Chandos 公爵。

     

    Antoine Parent是法國的自然哲學家和數學家,他利用最近發明的無窮小微積分研究水車效率,他是從Guillaume de l'Hôpital(1661-1704) 寫的書學了微積分的。 L'Hôpital在約翰·伯努利(Johann Bernoulli)的指導時期(他從萊布尼茲本人那裡接過微積分)的指導下,撰寫了《無窮小分析》(169​​6年)。Bernard Forest de Bélidor則是在埃納(Aisne)的Fère-en-Tardenois學校擔任砲兵教授。有一段時間,他致力於測量地球的弧度。在接下來的幾年中,他發表了幾本非常重要的著作,涉及廣泛的主題,包括液壓,數學以及土木和軍事工程。他最著名的書是L'architecture hydraulique(從1737年至1753年共出版四卷)。在這本書中,積分演算第一次用於解決技術問題。德薩古里耶毫不猶豫地吸收歐陸學者的成果,在英國與歐陸學者壁壘分明的時代顯得格外難得。

     

    德薩古里耶長年飽受痛風的折磨,最後於1744年二月二十九日過世。一周後他被葬在倫敦的Savoy Chapel。之所以選擇Savoy Chapel 當作他的埋骨之所是由於該叫堂與法國胡格諾派素有淵源。德薩古里耶於 1712 年娶Joanna Pudsey 為妻。他們育有四子三女,不幸的是只有兩個男孩子長大成人。依照他的遺囑他把產業留給長子John Theophilus Desaguliers jnr (1718–1751),並責成他負責出版Course of Experimental Philosophy”的第二版。他從牛津畢業後成為神職人員,可惜三十三歲就英年早逝。二子Thomas Desaguliers (1721–1780) 則是進入陸軍發展,他加入了皇家砲兵,最後升到了中將。他成為Woolwich 兵工廠的主任工程師(chief firemaster)。他也是首先將科學原理引入軍中來製造大砲以及彈藥的先驅。韓德爾著名的皇家煙火組曲 ,是為了一次皇家慶祝勝利舉辦的煙火秀所特地撰寫的。那次的煙火就是Thomas  Desaguliers 負責製造的。Thomas Desaguliers 後來還成為英王喬治三世的侍從。他在過世前不久被選為皇家學會的院士,他是第一位被選為院士的皇家砲兵軍官。他育有兩女一男,獨生子Frederick Desaguliers 於美國獨立戰爭中陣亡。德薩古里耶家的男系斷絕,但是女系子孫綿延不絕。

     

    長江後浪推前浪,像德薩古里耶這樣領一時風騷的人物早已被遺忘。不過普及科學的必要性,並沒有因時代推進而消失,反而隨著現代科學一日千里地急速成長而顯得更加迫切需要。雖然對學術研究者而言,科普是吃力不討好,科技部也不給點數,可說是倒貼虧錢的差事,但是還是希望有更多人出來為科學與一般大眾之間搭橋。到頭來,科學是人類共有的資產呀!

     

    參考文獻:

     

    ===================================================

     

     

回上一頁