長壽的科學家們 (二) 田中館愛橘(上)：從安政到昭和的科學生涯

最近看新聞，世界最長壽的人是日本的田中カ子女士，現年一百一十七歲。她歷經了明治, 大正, 昭和, 平成, 令和 五個年號。今天阿文要為您介紹一位歷經八個年號的物理學家。 他生於安政三年(1856年)，歷經安政, 萬延, 文久, 元治, 慶應, 明治, 大正, 昭和，直到戰後昭和二十七年才離世。他就是田中館愛橘。在他漫長的生涯中，他留下許多不可磨滅傳奇，在日本現代化的過程中，扮演了不可或缺的角色。他旺盛的求知精神與使命必達的堅毅性格，更令人印象深刻。但是他的名聲不是太響亮，所以阿文就趁這個機會，向各位看官介紹一下這位傳奇人物。

田中館愛橘是陸奧國二戶郡福岡（現在的岩手縣二戶市）盛岡藩藩士田中館稻藏和妻子喜勢的長子。田中館一家是在盛岡藩擔任軍事指導的世家，而愛橘的曾祖母是相馬大作 (本名是下斗米将真) 的姐姐。下斗米将真被譽為“南部的赤穗浪士”。他曾試圖暗殺與盛岡藩藩主南部家有宿怨的仇人，弘前藩主津輕寧親。事情敗露後他改名自稱相馬大作，遭到幕府追捕，結果被抓到以後被處以”獄門”(被斬首後首級放到獄門台上示眾)的極刑，但是他的忠義之名遠近皆知，甚至成了歌舞伎的戲碼。田中館愛橘視死如歸的武士氣概其來有自。
 

圖片來源：維基百科

田中館愛橘的原名是彥一郎。 但是，當他們通知藩時，這個名字卻被拒絕，因為它與藩主的家人名諱重覆。第二次報給藩的名字也沒被接受，最後還是代官中島六郎兵衛用中國史的“二十四孝”中，陸績的故事，將他命名為愛橘_[註一]。文久二年（1862年）愛橘六歲那年，他的母親過世了，愛橘哭得很慘。九歲那年，他開始進入下斗米軍的實用流學習兵學。隔年藩校在福岡開張，他在那裡學習文武兩道，還曾在私立的學校:會輔社學習。據說愛橘當時是個頑皮的小霸王。明治維新後，這兩所學校都被廢止，田中館家於明治2年(1869)移居盛岡，並前往南部氏家族的學校作人館的修文所學習日文和中文典籍。在那裡他結識了原敬，佐藤昌介，還有後輩新渡戶稻造。原敬後來成為首相，但是在任內遭到暗殺。佐藤昌介與新渡戶後來都拿到農學博士，佐藤成為北海道大學第一任校長，而新渡戶被譽為「臺灣糖業之父」，還以《武士道－日本人的精神》一書聞名於世。都是充滿豪邁氣概的男子漢。



明治維新後，日本進入了一個新時代。廢藩置縣後原來的藩不復存在，藩士們只能另謀出路。明治5年(1872年)，愛橘的父親稻藏賣掉了土地和房屋，搬到東京三田，為的是愛橘與弟弟甲子郎的教育。愛橘進入了慶應義塾學習英語。次年3月，福澤喻吉將學校分成”正則”(常規)與”變則”(非常規)，常規課程的學習期限為7年（主課程為4年，初級課程為3年），非常規課程的最大年齡為17歲或以上，沒有固定的學習期限。愛橘選擇了”正則科”，但是每月3日元的費用對稻藏來說是一個沉重的負擔，愛橘在學習了9個月後就因阮囊羞澀而被迫離開。經過一番思考後，愛橘進入了東京英語學校，該學校是東京開成學校的預備課程。在這裡他遇到了肥田昭作(1842-1921)，他是當時的東京學校的校長，也是福澤諭吉的學生，他給了愛橘科學思想的啟蒙，成了愛橘後來奮鬥的動力。肥田昭作後來活躍於金融與實業界，可以算是”文明開化”的標竿人物。

明治9年(1876) 9月，愛橘升上東京開成學校的預科課程三年級。在這裡，他遇到了山川健次郎，並在他的指導下開始學習物理學。 雖然山川健次郎只比愛橘大兩歲，卻已經從美國耶魯回國，成為開成學校的教師了。關於山川健次郎的生平有興趣的讀者可以參考阿文之前寫的山川健次郎(上): 開創明治物理的白虎隊士與山川健次郎(下): 朝敵總長兩篇文章。

山川健次郎對愛橘有重大的影響。愛橘在年輕時其實很熱衷政治，但是山川健次郎建議他“努力研究日本還很落後的科學”。所以愛橘下定決心走上科學的道路。但他終其一生都對政治無法忘情。當他後來訪問巴黎前往歐洲學習時，盛岡的老朋友原敬擔任駐法代理公使。 據說，愛橘去拜訪原敬還一直與原敬討論當時的政治情勢呢。


明治十一年(1878年9月)，東京開成學校進行了改組，併入了新成立的東京大學理學系。在上學期間，他繼續跟著山川健次郎學習物理學，並從菊池大麓底下學習數學。他還從蘇格蘭物理學家James Alfred Ewing 學習了數學、天文學、物理學、物理實驗和地磁觀測，並跟著美國物理學家Thomas Corwin Mendenhall學習了力學和熱力學。這些老師對愛橘有很大的影響。Ewing 是磁滯現象與金屬疲勞的發現者，後來他回英國在劍橋擔任教授，最後當上愛丁堡大學的校長。當愛迪生的留聲機在明治十二年(1879)由Mendenhall和Ewing引入日本時，愛橘製作了一個原型並試圖分析聲音和振動。


明治十三年(1880)，他參與了東京Mendenhall主持，在富士山的重力測量。從明治十四年(1881)的夏天到明治十五年（1882年）之間，他去了札幌、鹿兒島、沖繩和小笠原群島觀察地磁。1882年7月，愛橘從東京大學理學院畢業，成為第一屆畢業生，並成為東京大學的准助理教授。同年9月，長岡半太郎進入東京大學。長岡和愛橘住在宿舍的同一個房間。長岡後來提出土星環的原子模型，成為第一個享譽國際的日本物理學家。


Ewing在明治十六年(1883)返回英國後，愛橘從其繼任者蘇格蘭物理學家Cargill Gilston Knott那裡獲得很多關於地磁的指導。 愛橘設計了一種使用蜘蛛絲的電磁方位角儀（electromagnetic azimuth meter）。蜘蛛絲以其強韌的物理性質聞名，蜘蛛絲的質量極小而且具有極佳的延展性。與傳統的觀測設備相比，該方位儀能夠以更少的時間進行測量。該論文還發表在日本學會的報告和倫敦皇家協會的期刊上，並被譽為當時世界上最精確的方位儀。同年12月，他在收到父親稻藏在故鄉福岡切腹自殺的噩耗後急忙返回家鄉，處理完稻藏的後事後回到東京，當月27日他成為東京大學的助理教授。


在明治二十年(1887) 6月至10月在Knott的建議下進行了全國性的地磁測量。愛橘在日本南半部和朝鮮半島南部的31個地點進行了測量。 Knott的主要貢獻是他在數學和數據分析方面的背景。 他的創新之一是將傅里葉分析技術應用於地震的發生。 他在1908年出版的《地震物理現象》一書中有兩章專門討論這一主題，諾特希望這能使他推斷出未來發生地震的可能性。Knott 在明治二十四年(1891)離開日本，離開前還獲頒旭日勳章呢，他也是明治時期東大最後聘的一位外國物裡學家。接下來就是日本學者要自己來了。


明治二十一年(1888)1月，文部省命令田中館愛橘前往英國格拉斯哥大學出國留學。在格拉斯哥大學，他在Ewing的老師開爾文男爵(他於1892年才受封為男爵，不過本文還是稱他為開爾文男爵)的帶領下學習。 愛橘受開爾文男爵影響很大，一生都非常敬重他。明治二十三年(1890)3月左右，他轉到柏林大學在赫姆霍茨教授指導下學習了一年的電氣科學。明治二十四年(1891)，他經美國回到日本，於7月22日成為東京帝國大學理科大學的教授，並於次月獲得理學博士學位。愛橘的性格健忘，經常丟下周圍的東西。 因被稱為“ 粗心(Sokotsu)博士”，不過他對此稱呼並不在意。


回到日本後，他的恩師山川健次郎任命愛橘在擔任教授的同時擔任翻譯委員會委員，從事物理學教科書的翻譯工作。 他還為大眾舉辦了科普講座，試圖傳播開爾文勳爵的教育理念。

在其繼母北田的推薦下，愛橘在明治26年4月娶了盛岡出身海軍的主計總監本宿宅命的妹妹本宿キヨ子為妻。次年三月大女兒美稻誕生後十天，キヨ子就去世了。 在那之後，愛橘一直單身，從未再婚，自己撫養唯一的女兒。美稻後來照顧她的父親直到晚年。


明治24年10月日本發生濃尾大地震。愛橘被大學委託前去對這次地震的重災區進行了地磁測量，在重災區附近，有一個明治20年舉行全國性地磁測量時設的測量點，愛橘在同一點進行測量來比較，估計了地震前後的地磁變化。此外，他在岐阜縣發現了根尾谷斷層。他利用這一研究經驗，從減少地震破壞的角度呼籲進行地震研究，並透過菊池大麓向帝國議會提出建議。明治24年 12月至明治25年1月，長岡等人對中部地區進行了磁場測量。根據這些發現，愛橘等人宣布磁場很可能由於地震活動而改變。同年，在文部省內成立了防震調查委員會，愛橘於7月成為成員，並在隨後發生地震和火山活動時參加了調查和檢查。此外，在明治33年(1900）左右，他發明了新式強震計。該式地震儀使用兩個類似瓦特式蒸汽機的水平擺錘和一個彈簧式的垂直擺錘，並在明治末期到大正時代得到實驗性採用，該地震儀並在中央氣象台等處試用。 明治36年(1903)，他出席了在法國史特拉斯堡舉行的世界地震大會成立委員會，甚至擔任副議長呢。


接受了愛橘等人的地磁調查後，文部省的防震調查委員會了解到地磁測量對於地震預測是不可或缺，給予它高度的重視。該委員會從此積極從事地磁研究。從明治26年(1893）到明治29年(1896），他們在整個日本進行地磁測量。這項調查由愛橘領導。調查地點覆蓋了富士山和淺間山，沿著中央構造線_[註二]，北海道、本州北部、日本西部、中國和九州的地區。這項國家地磁測量的結果於1904年以英文發布。愛橘還建議在研究小組觀測地磁的時間波動。特地從法國購買四台Mascar型自動記錄式磁場儀。 從明治26年與30年，分別在名古屋和仙台建立了恆溫觀測室，並配備了這種磁場計連續觀察使用。後來，在根室和熊本也開始使用Mascar型自動記錄磁場儀進行觀測。明治35年（1902年）國際上正在進行了“國際地球磁力同時特別觀測”時，愛橘和長岡在京都市上賀茂建立了一個臨時觀測站。將原本放在名古屋的自動記錄磁場儀搬到京都進行了為期一年的觀察。 1897年1月，防震調查委員會正式成立了神戶臨時地磁觀測站，稱為洛上賀茂地磁觀測站。在前一年於丹麥哥本哈根舉行的國際大地測量科學協會第14屆大會上，地磁脈動（geomagnetic pulsation）和電磁風暴（magnetic storm）的突然產生（sudden commencement）成為一個熱門的問題，而愛橘當時在上賀茂。他們原本期待地磁觀測站的快速推進mascar 磁力計可以量到這個現象，但是由於磁力計的靈敏度不足，時間常數太長而失敗。


明治43年（1910年）愛橘製造了一種具有連續快速旋轉功能的自記錄式磁力儀，以彌補Mascar型磁力儀的不足。 愛橘在位於三浦半島三崎油壺的東京帝國大學理科大學的海濱實驗室附近安裝此磁場計。這種磁場計的安裝使日本首次觀察到了短期的地磁波動。大正三年(1914)4月，愛橘成為文部省地理調查委員會主席。


田中館愛橘的物理生涯前半段的重點就是地磁的測量，但是還有一件值得一提的是「木村項」(Kimura term)的發現也與他有關。明治27年(1894)3月，田中館愛橘被任命為世界地理調查協會的會員。當時科學界的一個新發現是美國天文學家賽斯·卡羅·錢德勒發現於1891年的所謂錢德勒擺動（Chandler wobble），它是地球自轉軸相對於地球表面的小幅度運動以433日週期在地球表面擺動。錢德勒擺動是非球體旋轉時產生自由章動的例子。地球的自由章動是由艾薩克·牛頓在他的著作《自然哲學的數學原理》中預測，並且是萊茵哈特·歐拉在1755年進行的旋轉體動力學研究的一部分。基於當時所知道的地球扁率，歐拉預測運動週期是305日。和歐拉相同時期的天文學家試圖去找這個運動，但都沒有成功。當這個現象終於被觀察到，它的實際週期和歐拉所預測卻是不同。天文學家西蒙·紐康認為原因是由於地球並非剛體。對運動周期完整的解釋還涉及到地核是流體的事實以及海洋的影響等等。


為了更了解這個現象，世界地理調查協會著手推動一項國際觀測項目，就是準備在北緯39度8分的全球六個位置建立觀測站，來觀測地球自轉軸指向恆星的方向。日本也被選為其中之一。愛橘經研究後選擇在岩手縣久澤郡水澤町（現為奧州市），並於1899年9月成立為臨時緯度觀測站（現為國立天文台水澤VLBI天文台）。愛橘的學生木村榮被任命為主任。主要從事緯度觀測和極移的研究。美國馬里蘭的Gaithersburg,俄亥俄州的辛辛那提以及加州的Ukiah位於同一緯度線上，各建有一個觀測站。意大利(查爾斯堡)和俄羅斯(土庫曼納巴特)也各建有一個。
1901年，位於德國波茨坦的ILS中央局宣布了極坐標x，y，這些極坐標是根據大約一年半的觀測數據以及每個站點觀測值的殘差計算得出的。
 
尷尬的是，與其他站點相比，水澤的殘差(觀測值與預估值的差)顯得特別大，當時的ILS中央局局長阿爾布雷希特（Carl Theodor Albrecht）給地理委員會主席寫了一封信，說：“我認為這有問題，也許儀器有問題，所以請給我好好地督導!”據說委員會立即命令木村搬到東京，並要求作出解釋。


身處危機的木村與他的老師田中館愛橘首先對天頂儀進行了全面檢查。 16個項目的檢查報告都指出，觀測儀器或方法完全沒有缺陷。木村因此重新獲得信心，他回過頭來重新審查了全世界其他地方的觀測結果，最後他認定水澤殘差的原因是自然現象。因此，我們發現每個天文台都有一個共同的天文緯度變化，並且其大小逐年在變化。這一項被稱為Z項。
 
阿爾布雷希特後來也承認了這一發現的重要性，並接受了木村的解釋。然後，當根據包括Z項在內的方程式對1900年至1902年的兩年的觀測結果進行比較時，赫然發現水澤的觀測才是最好的。這一項後來就被稱為「木村項」(Kimura term)。


由於他的成就，木村獲得1911年學士院恩賜獎和1937年文化勳章。然而，對Z項本質的研究並沒有停止。早期有各種理論，例如天氣變化的影響和地球重心的南北運動，但是所有這些理論產生的效應都太小，無法解釋觀測的結果，後來認識木村的一個人說，當木村被問到Z項的原因時，他踩在地板上回答：“是在這之下。”木村榮後來在1922－1936年任國際緯度服務（ILS）中央局局長木村後來提議是每晚每隔6個小時觀測一次的建議於1955年實現，距木村去世已超過10年。持續觀測10多年，充分累積了觀察結果來從事統計分析後發現，Z項的主要因素是自由章動。水澤緯度天文台的若生康二郎發現Z項的主要原因是自由核章動（由於地球具有流體核這一事實所致）。


田中館愛橘的後半段人生又在忙些什麼? 就請各位看官耐著性子，待阿文下回分解。


[註一]據說陸績六歲時，在九江面見袁術，袁術拿出橘子招待陸績，陸績卻暗中收起三顆。當要離去時，陸績拜辭袁術，但三顆橘子卻在懷裡跌在地上，袁術對他說：「陸郎作賓客而懷橘乎？（陸郎（陸績）你作為賓客，但卻私下收起橘子？）」陸績跪下回答：「欲歸遺母。（我想拿回家給母親吃。）」袁術對此感到十分稀奇。這個名字還頗能反映出愛橘的為人呢。


[註二]中央構造線是由關東延伸到九州、分割西南日本的日本最大的斷層系。中央構造線長達1000公里以上。自九州經四國北部，穿越紀伊半島，隨後橫穿伊勢灣，沿著天龍川北上，並在長野縣諏訪湖附近與縱貫日本本州中部地區、被稱為Fossa magna的巨大地溝帶相交。這個大地溝帶的西部邊緣則是著名的「糸魚川-靜岡構造線」，其是與中央構造線不相上下的巨大斷層帶。


參考資料:
(一)中文 日文 英文維基相關條目
(二)https://www.miz.nao.ac.jp/kimura/c/description/article-02，Z項発見の経緯

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