掀開晶體神秘面紗的兩位神父(上):斯坦諾

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-03-30
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自從寫了慣性溯源之後,阿文才瞭解到在十七世紀時,物體如何能夠凝聚在一起,即使受到外力作用後,也不會輕易四散,可是讓學者大傷腦筋的問題。這點燃了阿文對晶體學的興趣,因為晶體是地面上結構最為緊緻的物體,科學家們應該從中可以得到不少啟發吧。有趣的是,阿文赫然發現,最早注意到晶體結構的,居然不是以解釋世界為職志的自然哲學家,而是以紀錄各種物種為宗旨的博物學家。更有意思的是,開創晶體學的先賢們,居然有兩位居功厥偉的天主教神父呢!大家對天主教的一般刻板印象,似乎認為天主教會與自然科學就是勢不兩立,水火不容。但是阿文發現,事情絕沒有憨人想得那麼簡單呀。就讓我先來介紹第一位神父:尼爾·斯坦森(Niels Steensen 1638-1686)。他與同時代的人一樣,喜歡取個拉丁名字:尼古拉斯·斯坦諾(Nicolaus Steno)或是尼古拉斯·斯坦諾紐斯(Nicolaus Stenonius)。我們就叫他斯坦諾吧!

 

 

斯坦諾於 1638 年元旦(儒略)出生於哥本哈根,當時新教國家拒絕採用由教皇主導修訂的葛列哥里曆,所以晚了葛列哥里曆整整十天。斯坦諾比牛頓年長五歲,是信奉路德派的金匠之子。尼古拉斯成長過程頗為艱辛,他在三歲時生了不明疾病,致使他的童年都耗在孤獨的病床上1644 年,他的父親去世,他的母親後來嫁給了另一位金匠。1654 年至 1655 年間,他念的學校爆發瘟疫,死了240 名學生!但是他還是長大成人,19 歲時進入哥本哈根大學攻讀醫學。完成大學教育後,斯坦諾又在恩師,著名的解剖學者托馬斯·巴托林(Thomas Bartholin 1616-1680)的敦促下,開始到歐洲各地遊歷,增長見聞。當時歐洲各地逐漸從宗教改革造成的動盪中復甦,學術社群如雨後春筍般出現。斯坦諾窮其一在歐洲四處奔波足跡遍佈荷蘭、法國、義大利和日爾曼諸邦。

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圖片來源:維基百科

他的第一站是波羅的海邊的羅斯托克,然後前往阿姆斯特丹,在那裡他學習解剖學並與荷蘭解剖學家貝拉秀斯(Gerard Blasius 1627-1682)在一起當時他的研究興趣主要是淋巴系統。在阿姆斯特丹逗留期間,斯坦諾在綿羊、狗和兔頭中發現了一種以前被人描述過的結構,即斯坦諾導管“ductus stenonianus”(腮腺唾液腺導管)。貝拉秀斯為了誰是發現者一事發生了爭執。幾個月後,斯坦諾搬到了萊頓,在那裡他結識在萊頓求學的揚·斯瓦默丹(Jan Swammerdam 1637-1680, 首先對紅血球的觀察和描述而聞名的生物學家)費德里克·勒伊斯(Frederik Ruysch,1637-1731以證明淋巴系統中的瓣膜、蛇的犁鼻器官和眼睛的中央動脈而聞名。)、葛拉夫(Reinier de Graaf 1641-1673、他在生殖生物學方面取得了許多重大發現)以及已經成為教授弗朗西斯·西爾維斯(Franciscus de le Boe Sylvius1614-1672,血液循環理論的支持者),甚至是著名的哲學家史賓諾沙(Baruch Spinoza 1632-1677)。史賓諾沙當時住在萊頓附近的萊茵斯堡(Rijnsburg)這些蓬勃的生物學研究都是因為笛卡爾的心物二元論所引發的。笛卡爾主張我們的身體與一般的物質一樣,都服膺物質世界的物理規則,打破了過去將生命現象與宗教的靈性綁在一起的想法。笛卡爾晚年發表有關大腦工作的論文,斯坦諾就對其中笛卡爾關於眼淚生成理論表示懷疑。在萊頓,斯坦諾也研究了煮沸的牛心臟,確定它是一塊普通的肌肉,而不是笛卡爾所認為的產生熱能的中心。斯坦諾也是第一個描述魚的側線系統的人。幾乎所有的魚、在水中生活的兩棲動物,還有很多水生的爬行動物,如鱷魚等,都有體側線。這種細小的感受器官成百上千的排列在身體側邊。

斯坦諾於1664年,在著名的法國學者亨利·路易斯·哈伯特··蒙莫 Henri Louis Habert de Montmor 1600-1679)和皮埃爾·布爾德洛(Pierre Bourdelot 1610-1685)的邀請下前往太陽王治下的巴黎,在那裡他遇到了對新研究和展示他的技能感興趣的奧勒博克(Ole Borch 1626-1690)和梅爾基塞德赫·塞維諾(Melchisédech Thévenot 1620-1692)。博克帶領斯坦諾進入化石的世界。1665 年,他在巴黎發表了關於大腦解剖學的演講 Discours sur l’anatomie du cerveau大腦解剖學論文),這是對神經科學方法的開創性研究。斯坦諾接著前往索米爾、波爾多和蒙彼利埃,在那裡他遇到了英國生物學家,被譽為貝類學之父的 Martin Lister (1639-1712)William Croone(1633-1684),後者是皇家學會成立時的創始會員之一,他將斯坦諾的工作介紹給了皇家學會。

在周遊法國旅行之後,斯坦諾於 1666 年在義大利定居——首先擔任帕多瓦大學的解剖學教授,然後在佛羅倫斯擔任托斯卡納大公費迪南多二世的內科醫生,大公支持藝術和科學,在比薩與斯坦諾見過面。他受邀住在公爵豪華的官邸Palazzo Vecchio。斯坦諾也曾前往羅馬,會見教皇亞歷山大七世和他向來欽佩的馬塞洛·馬爾皮吉(Marcello Malpighi, 1628-1694)。在佛羅倫斯的時候,斯坦諾專注於肌肉系統和肌肉收縮的性質。斯坦諾提出了肌肉的幾何模型,以表明收縮的肌肉會改變其形狀,但不會改變其體積。

迄至此時,斯坦諾都是一個傑出的解剖學者,他為什麼會與晶體結構扯上關係呢?這要回溯到1666 10 月,兩名漁民在利沃諾鎮附近捕獲了一條巨大的雌性鯊魚,托斯卡尼大公費迪南多二世下令將其頭部送給斯坦諾。斯坦諾將其解剖後於 1667 年發表了他的發現。他指出,鯊魚的牙齒與某些嵌入岩層中的石質物體有著驚人的相似之處,這些石質物體被稱為glossopetrae 意為舌石”(希臘文: glôssa=舌頭,petra=石頭)。羅馬作家老普林尼,在他的《自然史》中曾暗示這些石頭是從天上或月球上掉下來的。其他人也遵循古代權威的觀點,認為化石是從岩石從自然生長出來的。然而,法比奧·科隆納 (Fabio Colonna, 1567-1640)在他 1616 年發表的論文 Deglossopetris dissertatio 中,已經通過燃燒材料表明,glossopetrae 是有機物質(石灰石)而不是土壤中的礦物質。斯坦諾在科隆納的理論中添加了關於舌石和活的鯊魚牙齒之間成分差異的討論,他認為可以使用當代微粒物質理論來設解釋化石的化學成分改變但是它們外型不變。

斯坦諾對鯊魚牙齒的研究使他開始思考一個重要的問題,那就是為何一個固體會出現在另一個固體物體(例如一塊岩石或一層岩石)之中。 吸引他的固體中的固體不僅包括我們今天定義的化石,還包括礦物、晶體、結殼、礦脈,甚至整個岩層或地層。這讓他轉向礦物的研究。 1669 年,他在 「關於自然包含在固體中的固體的論文的初步論述」(De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus)中發表了他的地質研。斯坦諾並不是第一個發現化石來自生物體的人。他同時代的羅伯特·胡克也認為化石是曾經活過的生物的遺骸;北宋學者沈括(1031-1095)也提過類似的看法但是斯坦諾的眼界更為廣闊,也更有系統性。他在書中提出被後世認為是地層學(Stratigraphy)的四個定義性原則,用他原來的話是這樣的:

(1)疊加定律:當某一地層形成時,其下方有另一種物質阻止粉碎後的物質進一步下沉,因此在地層形成時,要嘛是有另一種固體物質在它下,或者存在某種流體在它下方,這流體不僅與上層流體性質不同,而且比上層流體的固體沉積物還要重。

(2)水準性原理:在形成上一層的時候,下層已經獲得了固體的一致性。

(3)橫向連續性原理:當任何給定的地層形成時,要嘛它被另一種固體物質包圍,要嘛覆蓋整個地球的表面。因此,無論在什麼地方看到地層裸露的一面,要嘛必須尋找同一地層的延續,要嘛必須找到另一種固體物質,以防止地層物質分散。

(4)交叉切割關係原則:如果一個物體或不連續性跨越一個地層,它一定是在該地層之後形成的。

  斯坦諾的思想構成地層學的基礎,並且後來成了詹姆斯·赫頓所提出,關於海床沉積、抬升、侵蝕和淹沒無限重複循環理論發展的關鍵。但是斯坦諾不只關固體出現的地層,也關注這些出現在固體中的固體本身的特性。在他 1669 年的書中還有另一項讓他名垂青史的重大發表。他主張晶體上相應面之間的角度對於相同礦物的所有樣本都是相同的。用他的話就是”non mutatis angulis”(角度angulis 不non 變mutatis)。這是他對石英晶體上觀察到石英介面得到的結論。這也是首次有學者針對一種晶體進行精確的觀察。 這個乍聽之下平平無奇的主張,後來被稱為晶體學第一定律,或是斯坦諾恆定角度定律,簡稱為斯坦諾定律。因為這個夾角日後成為晶體學定量參數,讓科學家可以以此對礦物進行分類,發展結構理論,重要性不言可喻呀。 

其實斯坦諾並非第一個注意到礦物的學者。西恩納的萬諾喬·比林古喬(Vannoccio Biringuccio,1480-1539)在他的遺著De la Pirotechnia 一書中就曾提及黃鐵礦,並且注意到它總是以立方體的形態出現。稍後的阿格里科拉也在他的巨著”論礦冶”也提到寶石的開採。但是他們只著眼於礦物的形態,對於它們的生成與內部結構之間有無關聯,沒有什麼論述。第一個注意到物體外在形態與內部結構之間關聯的人是德國天文學家克卜勒(1571-1630)。他在1611 年寫了一本二十四頁的小冊子 Strena seu de nive sexangula (六邊形雪花的新年禮物),他試圖根據球體的堆積來解解雪花的六邊形結構。克卜勒認識到,雪花是由幾個單獨的單元組成的,這些單元通過不規則的漂移形成雪花,而且每個單元都固定有六個角。克卜勒意識到雪花單位的六邊形不可能是水蒸氣或冷空氣的固有特徵,於是他開始思考這是否是因為六邊形是一種特別合適或有效的堆疊方式。這使他開始尋找用形狀相同的物體如何最有效填充空間的方法,並想到蜜蜂的蜂窩和石榴等自然結構是出於需要而實現其形狀的想法。他開始討論了相同球體的立方體和六角形密堆積”。虎克(Robert Hooke),在他的Micrographia (1665年出版)一書中也試著用球體堆出明礬的各種形狀。虎克也曾用顯微鏡觀察過多種結晶。事實上,英國學者亨利·貝克 (Henry Baker, 1698-1774)還在1744年因為記錄各種結晶形態而得到科普蘭獎章(Copley medal)。但是第一個指出不同形狀的石英礦石,他們的晶體中介面之間的夾角是不變的這個重要事實,仍然是斯坦諾這位博學的丹麥解剖學家。他的觀察紀錄與現代用X光拍照的結果若合符節,令人驚艷。除了石英之外,斯坦諾還觀察了赤鐵礦,鑽石,黃鐵礦等晶體的介面夾角,得到相同的結論。

在斯坦諾的書中,除了斯坦諾定律之外,他也特別強調晶體的成長與動植物成長的差異。他主張晶體的成長是由於外在液體帶來相同的礦石成分,堆積在礦物的平面上,礦石最小組成的形狀決定了晶體的結構。斯坦諾認為石英是六邊形的金字塔型的物質組合出來的。現代研究發現石英晶體是菱面體所組成。(菱面體可以視為是邊長全部相等的平行六面體)。在我們現代讀者看來,礦物是無機物,與動植物當然不能相提並論,但是在十七世紀的時候,這條界線尚未廣為人接受。甚至當時教皇與皇帝的御醫還支持所謂的vis formativa succus lapidescens,前者的主旨為礦物與化石是地球在天體影響下自然形成的。後者則是將礦物的形成歸諸於成石液,類似於人體的體液,由地球產生。所以斯坦諾的主張與當代的想法相比,要進步得多了。沒有生命的物體能依照物理規則而自行長出擁有特定規則的結構,這個了不起的想法,說是源自於斯坦諾也不為過吧。

原本prodromus 一書只是”前論”,照理說斯坦諾是打算寫一本完整的論文的。然而這本完整的論文卻成了明日黃花。原因與他的宗教信仰有關。斯坦諾在路德教信仰中成長,當他在佛羅倫斯學習時,接觸到羅馬天主教,引發他進行了比較研究,他本著從事博物學的研究精神,最後他決定改宗天主教!1667 年,斯坦諾皈依了天主教。改宗之後斯坦諾前往匈牙利、奧地利,並於 1670 年春抵達阿姆斯特丹。 在那裡,他會見了老朋友揚·斯瓦默丹和葛拉夫。 他與著名的荷蘭女性畫家,也是學者的舒爾曼(Anna Maria van Schurman 1607-1678)

荷蘭女性宗教家博恩翁(Antoinette Bourignon 1616-1680)討論了科學和宗教話題。1671 年,他接受了哥本哈根大學解剖學教授的職位,可以算是衣錦還鄉。在新任科斯卡尼大公科西莫三世的邀請下,他又回到佛羅倫斯。到了 1675 年初,斯坦諾決定繼續他在皈依天主教之前就開始的神學研究,以晉升為神父。 僅僅 4 個月後,他就被任命為神父,並於 1675年4月13日在佛羅倫斯的聖安農齊亞塔大教堂舉行了他的第一次彌撒,時年 37 歲。當時天主教的鴻學大儒基爾學(Athanasius Kircher 1602-1680)甚至明確地詢問他決定成為神父的原因是什麼。其實在十七世紀,從新教改宗羅馬天主教不是那麼稀奇之事。瑞典女王,曾經當過笛卡爾學生的克莉絲汀娜女王(Drottning Kristina,1626-1689)就在1654年退位並改宗。當時耶穌會派了教士來斯德哥爾摩判斷她皈依天主教的誠意呢。斯坦諾從此離開自然科學,轉身專心從事教育和神學工作,成為反宗教改革的領軍人物之一。他曾與萊布尼茲爭論,甚至參與了查禁斯賓諾莎的出版物的決定。對斯坦諾而言,虔誠的信仰到頭來還是戰勝了自由思想。

1683 年,斯坦諾在就與巴伐利亞新主教選舉中發生爭論後辭去助理主教的職務,並於 1684 年搬到漢堡。在那裡,斯坦諾再次與老友克爾林(Dirck Kerckring 1638-1693)一起參與了大腦和神經系統的研究。斯坦諾想回到義大利。還沒等他動身就病重了,而在1686年於德國去世。去世後,斯坦諾在希爾德斯海姆教區被尊為聖人。他的封聖過程於 1938 年開始啟動。1988 年,教宗若望·保祿二世宣佈他為有福者(拉丁語beatus)—這是封聖的第三個步驟。(第一個階段是冊封為神僕(拉丁語:Servus Dei)第二個階段是冊封為可敬者。(拉丁語:Venerabilis因此,他現在被天主教徒稱為有福的尼古拉斯·斯坦諾。 

雖然斯坦諾打開了通往晶體學的大門,但是真正奠定晶體學基礎的還是非讓-巴蒂斯特·羅梅·德·萊爾(Jean-Baptiste Louis Romé de l'Isle, 1736 - 1790 )莫屬。他出生於法國東部上索恩省的格雷。年輕在巴黎聖巴貝學院完成學業他申請成為砲兵連的秘書和工程師前往印度群島。正是在他的旅行中,在風景秀麗的異國他鄉,他對自然科學產生了興趣。他參加了第三次卡納提克戰爭((1757-1763),這是英法兩國的東印度公司在印度的軍事衝突)他在 1761 年 1 月 15 日被英國人俘,被囚禁三年後被釋放,之後他回到法國,成為當時頗為著名的化學家薩奇(Balthasar-George Sage 1740-1824)的學生,薩奇擁有相當可觀的礦物收藏,所以羅梅·德·萊爾在他的影響下開始對晶體結構產生興趣。薩奇推薦他在1767年負責編纂達維拉(Pedro Franco Dávila 1711-1786)龐大的自然收藏。這部名為《自然和藝術好奇心的系統和合理的目錄》的作品同年在巴黎出版,在第二卷中,羅梅緊隨在生物分類學家之父,林奈(Carl von Linné, 1707-1778)之後,強調礦物結晶形式的重要性。林奈曾主張,幾何形狀是對礦物進行分類的關鍵特徵。這些想法吸引了羅梅。在他最偉大的著作Cristallographie(3 卷再加上圖集,1783 年)中,他根據晶體的主要形狀(正四面體、立方體、正八面體、平行六面體等)描述了 450 多種晶體形狀。雖然羅梅測量了晶體對應邊的角度(界面角),但他起初並沒有注意到它們之間存在著一致性。這個記錄是由他的弟子卡拉哥(Arnoult Carangot , 1742-1806)在使用測角儀測量羅梅的礦物時觀察到的。卡拉哥於1780 年左右發明了測角儀,並於 1783 年為羅梅·德·萊爾的助手參與了晶體二面的研究這是斯坦諾的精密觀察變成精確的物理定律的開始。距離斯坦諾的prodromus 已經超過一百年了! 看來,追求宇宙普遍規律的物理學家們一開始並沒有想到看來森羅萬象的礦物中蘊含著簡單而優美的結構,這也顯露出物理學的進步,也有多仰賴拉塞福口中的集郵。(據傳拉塞福曾說自然科學除了物理,就是集郵。意指物理是自然科學中擁有嚴密的邏輯系統,而非一昧地收集資料的活動。)

下一回,阿文還要介紹另一位對晶體學有開創性貢獻的神父,還請各位看官不要忘了繼續收看喔。

參考資料:

  1. ()中文 英文 丹麥文 法文維基相關條目
  2. ()How do crystals Grow? Steno’s approach by Silivio Menchetti. Substantia 5(1) Suppl:77-87
  3. ()Origins of the Science of Crystals By John G. Burke