掀開晶體神秘面紗的兩位神父(下)： 霍伊

上一回阿文介紹了發現晶體平面夾角是常數的斯坦諾神父，這一次要介紹另一位對建立晶體學有著莫大功績的神父。與從路德派改宗的斯坦諾不同，這一位神父可是從襁褓時就是天主教徒，而且是一輩子都在天主教會中服事的忠貞天主徒。他就是雷納·掬斯特·霍伊（René-Just Haüy1743-1822）也常被稱為霍伊方丈（Abbé Haüy）（他被巴黎聖母院贈與榮譽詠禱司鐸（honorary canon）的稱號）（詠禱司鐸團是主教可依教會傳統任命的榮譽職份，職責無清楚界定，有解釋教會神學法規，並保衛教會教義的權威）。

霍伊方丈被尊稱為晶體學（Crystallography）之父。Crystallography 這個字雖然是瑞士醫師兼博物學家卡佩樂（Moritz Anton Kappeler ，1685-1769）在1723年首次使用，是霍伊讓它成為嚴謹的科學。這位神父如何讓原本被當作博物學一個分支的學問轉變成為一門高度數學化的自然科學的呢？就讓阿文慢慢說給您聽......

霍伊（René-Just Haüy）於1743年2月28日出生在位於巴黎以北約70公里法蘭西島（後來改為瓦茲省）的聖-掬斯特-昂-紹塞（Saint-Just-en-Chaussée）。他比斯坦諾整整晚了一百多年。西歐的歷史也從動盪的宗教改革走向啟蒙運動。法國在經歷了太陽王路易十四的七十二年統治後成為歐洲一等強國，但是經過長年戰爭後，也顯得疲憊不堪，進入到慵懶的路易十五時代。霍伊的父親是一位貧窮的亞麻織布工。霍伊從小就顯露出對教會音樂與天主教禮拜儀式的興趣，鄰近修道院方丈注意到他，於是這位慧眼識英雄的方丈就安排霍伊到巴黎接受教育。當時沒有義務教育，窮人子弟要出人頭地，投身教會是少數可行的途徑。

圖片來源：維基百科

 

不久之後，霍伊就獲得了納瓦拉學院（Collège de Navarre）的獎學金，這使他得以繼續接受古典教育。納瓦拉學院創立於1305年，是孕育過路易十三的宰相、黎希留樞機主教的知名學府。與霍伊同年出生，啟蒙運動中最為知名的哲學家孔多塞侯爵（Marquis of Condorcet, 1743-1794）也是在此求學。他在馬蒂蘭·雅克·布里松（Mathurin Jacques Brisson，1723－1806）的帶領下，對物理實驗，特別是與電有關的實驗產生了興趣。由於霍伊的表現亮眼，他從學生變成講師。他天生就有教書的天賦，很快就脫穎而出，得到教會高層的青睞，得以進入巴黎樞機主教勒穆因學院（Collège du Cardinal-Lemoine) 。這是附屬於巴黎大學的一所學院。這期間霍伊領受聖職，擔任種種的教會職務，阿文就不交代了。

對霍伊的科學生涯來講，真正要緊的是他結識了洛蒙（Charles François Lhomond, 1727-1794）這位語法學家，洛蒙雖然是古典語言專家，同時也對植物學非常有興趣，他對植物學的熱情感染了霍伊，讓霍伊開始對自然科學產生興趣。霍伊對植物形態的對稱性特別情有獨鍾。幸運的是，皇家植物園（Jardin du Roi）就在霍伊任教的學院附近，它提供了一個有許多植物陪伴的散步步道。有一次，他注意到達賓頓（Louis-Jean-Marie Daubenton, 1716-1800）舉辦的礦物學講座。這堂課上課的學生大排長龍，原來達賓頓是當時著名的博物學家，著名的布豐伯爵（Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon 1707－1788）編寫的巨著自然史（Histoire naturelle, générale et particulière）。賓達頓是他助手。賓達頓也是《百科全書，或科學、藝術和工藝詳解詞典》的撰稿人之一。這部百科全書是啟蒙運動的象徵。正如主編狄德羅所述，《百科全書》的目標是「改變人們的思維方式」。霍伊與達賓頓的學生一起進入礦物的世界，並且找到了他的科學志向的真正目標，就是比植物擁有更複雜，更美麗對稱性的無機物，也就是礦物形成的晶體。

雖然第一本專門將晶體學作為礦物學獨立分支的書是卡佩樂的“ Prodromus Crystallographiae”。這本書於 1723 年在琉森Lucerne出版，比 De l'Isle 的 Essai 出版將近早了50 年。但是霍伊注意到，先前的礦物學對有序排列還沒有足夠的研究，最重要的是缺乏系統性，更談不上數學的嚴謹性。他的科學直覺告訴他，這是一個重要的課題。正如同玫瑰始終具有相同形狀的花瓣，像鹽這類的礦物是不是也是從相同形狀的微小組成單位，以滿足自身幾何形狀的對稱性堆積起來的呢？而組成單位的形狀是不是就是巨觀的礦物晶體所呈現的形狀呢？

這個念頭據說是在一次偶發意外之後，如閃電般地擊中霍伊的腦海，後來這個軼事成了眾所周知的傳奇。據說霍伊在他的朋友（Jacques de France de Croisset）的收藏室裡手一滑，將寶貴的方解石棱柱形晶體給掉到地上，當他收拾這塊收藏品的碎片時，他發現破裂的方解石的裂縫呈現非常平滑的，他不禁揣測，方解石是不是由特定形狀的基本組成單位以規律的方式堆疊而成。

事實上，類似的故事六、七年前也發生在瑞典礦物學家托爾貝恩·貝里曼（Torbern Bergman，1735－1784）與他的學生約翰·戈特利布·甘恩（Johan Gottlieb Gahn，1745－1818）身上，但是他們並沒有像霍伊一樣得到啟發。或許是因為貝里曼與甘恩都是傑出的化學家，貝里曼主要科學貢獻在為化學定量分析的改進，發展了基於化學性質的礦物分類體系。而甘恩的主要貢獻是於1774年首次分離了單質錳。他們思考角度與霍伊大異其趣，這也是個單純的觀察尚不足以啟發重大的科學思維的好例子。

霍伊回到他的住所後，很快地驗證了他的想法。他拿起一塊六面體晶石，小心翼翼地把它掰開，找到了一個菱形的碎片。 透鏡狀晶石（lenticular spar）也是如此，原始斷裂的菱面體（rhombohedron）都出現在碎片中，正如他期待的那樣。他發現他的想法適用於他所觀察的每一種晶體。外部形式與原始形式的差異，無論是在角度還是沿邊緣，都只是來自於疊加層的磨損。

By Teylers Museum, Haarlem, the Netherlands, CC BY-SA 3.0 nl, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18244426

當時礦石標本通常都頗為昂貴，而霍伊不惜血本敲碎標本的做法讓對手嘲笑他是體破壞者（cristalloclaste） 。（這個稱號是模仿拜占庭帝國曾有皇帝將聖像當作偶像而加以破壞，史稱iconoclasts 聖像破壞者而來）。霍伊倒是不以為忤，甘之如飴地接受這個”雅號”。

霍伊得到的結論是，每種類型的晶體都具有特定形狀的基本的，「核」或「整合分子」(integrant molecule)，如果不破壞晶體的物理和化學性質，則無法進一步分解。 他進一步指出，根據結晶的幾何規律，晶體結構是由這些「整合分子」在連續層中按著特定次序排列而成。

霍伊對他的推論逐漸足夠的信心後，告訴了達賓頓，而達賓頓將這些結果傳達給了拉普拉斯，拉普拉斯建議霍伊將它們提交給科學院。霍伊猶豫了一陣子，因為他天性謙遜，甚至可以說是害羞。最後，霍伊還是在 1781 年 1 月 10 日，於法蘭西學院成員面前朗讀了他的第一份報告，其中談到了石榴石和鈣質晶石的結晶。根據學院的規則，非會員的通訊只能以一個或多個會員的報告形式來發表。所以霍伊的報告最後是由達賓頓和數學家貝祖（Étienne Bézout，1730－1783）來發表，但他們發表的報告未能充分理解霍伊的成果的重要性。幸虧在 1 月 22 日，霍伊朗讀了第二本報告，其中他只討論在方解石上。這一次，報告直到次年 12 月發表，但是總算給出合理的評價。

既然學院認可了霍伊對礦物學所做的貢獻，自然希望將他納入成為學院的一員，當時法蘭西科學院有六個學部：幾何學、天文學、力學、解剖學、化學、植物學。結果他於 1783 年 2 月 12 日當選植物學部門院士。可見當時礦物學被當成與植物學、動物學一樣都是博物學的一環。

1784年，霍伊在他的朋友洛蒙德的忠告下，從服務了20年之久學院退休，並開始致力於研究。霍伊的晶體幾何理論（Essai d'une théorie sur la structure des crystaux）就是在 1784 年提交給法國巴黎皇家科學院。它現在被表述為晶體學第二定律，亦稱為有理指數定律（laws of decrement）。該定律指出晶體不同面與三個軸的截距之比是恆定的，可以用有理數表示，即晶體任何面沿晶軸的截距等於單位截距（即截距由晶胞製成）a、b、c 或它們的一些簡單整數倍數。霍伊也以他對熱電的觀察而聞名。 早在1785年，他就在爐甘石（鋅的氧化物）中檢測到熱電。他研究了包括電氣石在內的許多其他礦物的熱電性，並將它們與晶體結構相關聯。他表明電氣石中的電在晶體的兩極最強，而在中間則變得不易察覺。他在1787年發表了 Exposition raisonné de la théorie de l'électricité et du magnétisme, d'après les principes d'Æpinus 總結了他的觀察。

遺憾的是，像霍伊這樣與世無爭的淡泊學者仍然逃不過時代無情的波濤。法國大革命爆發之後，首當其衝的是他的退休金泡湯了，因為國民制憲會議在1790年7月12日通過教士公民組織法（Constitution civile du clergé）將教會財產收歸國有。不過向來過著簡樸生活的霍伊還是撐了過來。更嚴重的是教士公民組織法要求教士要發誓效忠國家，高於任何權威。當時約有半數的教士等待羅馬教皇的裁示，但是到了1791年三月間教皇表達反對之後，天主教會與法國政府的緊張情勢升高，拒絕宣誓的教士被稱為non-jurors，開始成為法國政府的眼中釘。1791年十一月二十九日，接續國民制憲議會的國民立法議會（Assemblée législative）下令逮捕所有拒絕宣誓的教士，幸虧遭到國王路易十六的否決。但是路易十六在半年前化裝成平民，全家一同乘馬車出逃，結果被發現後押送回巴黎，其實早就自身難保了。

果然隔年的八月十日發生暴動，路易十六住的杜勒麗宮（Palais des Tuileries）遭到攻擊，國王路易十六與王室成員逃到國民立法議會尋求庇護，法蘭西的君主立憲政體瓦解，而在前線，剛與歐洲各國宣戰的法軍節節敗退，主導暴動的巴黎公社開始追捕所謂的反革命分子。拒絕宣誓的教士，包含霍伊在內，都成了暴民攻擊的目標。霍伊的家被暴民闖入，他們搜索槍支，結果只發現了一台火花發電機。他們還搜索了可疑的文件，結果只發現了一堆代數公式。然而，霍伊還是與其他神父一起被捕，並被丟到 Seminary of Saint Firmin，該院已變成一所臨時監獄。幸虧他過去的學生，動物學家艾蒂安·若弗魯瓦·聖伊萊爾 （Étienne Geoffroy Saint-Hilaire ，1772-1844）出手相救，讓他在八月三十一日被釋放，否則他就會九月二日爆發的九月大屠殺中，與大批拒絕宣誓的教士們一起成為刀下亡魂了。（從9月2日至7日，巴黎公社即決審判在巴黎所有監獄舉行。將近1400個囚犯被判決並處死，實際上一半都是前幾天的拘留者。)

諷刺的是死裡逃生的霍伊卻在革命政府制定新的度量衡的過程中扮演吃重的角色。當法國大革命開始的時候，皇家科學院的五巨頭：德博爾達（Jean-Charles de Borda）、拉格蘭日（Joseph-Louis Lagrange）、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace)、蒙治（Gaspard Monge）以及孔多塞（Nicolas de Condorcet）提出統一度量衡的建議。制憲議會在1791年3月30日接受這個提議，皇家科學院因此組成五個小組，分別進行標準單位的制定。霍伊與大化學家安托萬·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）一起負責質量的標準單位。經歷過九月風暴的霍伊與拉瓦錫於1793年1月4日確定了在融化冰的溫度下一立方分米的蒸餾水的重量，成為重量的基本單位：公斤。雖然巴黎國民科學研究院在1793年8月8日被國民大會解散了，但是1793年9月11日，成立了由12位科學家組成的臨時度量衡委員會，其中包括霍伊。但是該委員會的工作卻因政治情勢惡化而中斷。 1793年11月，拉瓦錫和其他幾人被捕，並從委員會中撤職。 1794年5月8日，拉瓦錫居然被送上斷頭台。儘管時局如此動盪，霍伊仍然擔任委員會的秘書。同年七月底隨著羅伯斯比爾被送上斷頭台，恐怖政治終於結束，這一年 11月9日，霍伊被任命為巴黎高等師範學院的物理學教授。隔年4月7日法國終於正式頒布建立了公制。 1795年4月17日，度量衡委員會任命他為秘書，同年他被任命為 “Écoledes Mines ”的館長。正是在這裡，霍伊創作了他的鉅著“ Traité de Minéralogie”，它最初連載在“ Journal des Mines ”上，後來發行了四卷八開本，我們後頭會再介紹它。

除了制定公制之外，霍伊也參與了恢復學院的運動。1795年8月22日，國家科學與藝術學院取代在1793年被國民公會（Convention nationale）裁撤掉的巴黎國民科學研究院。新的學院設立了這 10 個學部：(一)  數學(二)  力學(三)  天文學(四)  物理(五)  化學(六)  礦物學(七)  植物學(八)  農業(九)  解剖學和動物學(十)  醫學和外科。這時礦物學已經成為一門與植物學、物理學平起平坐的新學門了。

法國政局持續地振盪，1795年保皇黨發起反抗國民公會的武裝叛亂，一位來自科西嘉島的年輕將領毫不留情地用大砲殲滅了巴黎街頭的保皇黨，他就是拿破崙·邦拿巴提。督政府（le Directoire）隨後成立。四年後，羽翼已豐的拿破崙發動霧月十八日政變，成立了執政府（Consulat），拿破崙成為第一執政。法國逐漸恢復原有的秩序。1800年達賓頓去世時，霍伊是博物館礦物學教授職位上的頭號候選人選，但他本人卻誠懇地懇求選擇多洛米厄（Déodat de Dolomieu，1750-1801）儘管多洛米厄當時正被關押在西西里的監獄中。（多洛米厄是跟著拿破崙遠征埃及的學者團成員，當他因病而提早回國時發生船難而遭到兩西西里王國的囚禁。）他被關在條件非常惡劣的監獄裡，只能通過賄賂他的獄卒用油煙在木條上寫的幾行字與他的朋友交流。由於霍伊的禮讓，多洛米厄最終被選為教授，拿破崙在1800 年春天遠征義大利，勝利之後開出的和談條件就包含立即釋放多洛米厄。但是多洛米厄從囚禁中返回後只擔任了很短的時間，因為他的健康已經在被囚禁時受到嚴重的損害。 他於 1801 年去世，次年霍伊被選為他的繼任者。從這件事可以想見霍伊的胸襟是如何的寬大了。

霍伊的鉅著《礦物學》（Traité de minéralogie,1801）也在執政府時期結集出版了。他系統地描述了所有當時已知的礦物，將其分類，並給出其化學和幾何性質。他的作品分為四冊，包括一版圖冊。 人們曾將其描述為“一項具有全面見解的作品，其中大部分都是文學流利的作品。” 第二個更新版本出現在1823年，改名為《晶體學》《Traité de cristallographie, 1823》。

霍伊研究的最重要成果之一是發現礦物中的對稱定律，當一種結晶形式發生變化時，所有相似的部分、邊緣、角度和面，總是同時以相同的方式來改變。由此霍伊認為晶體是由有序排列的“積分分子”組成的，不同的晶體應該有不同的“積分分子”。 霍伊的積分分子類似於今天晶體學中的晶胞概念。使用他的遞減定律，他解釋了為什麼相同的晶體可以出現在不同的幾何形狀中。例如，具有立方積分分子的立方體晶體（上圖中的綠色）可以轉化為具有菱形面的十二面體晶體。為此，我們可以在立方晶體的每個表面上添加新的積分分子層（上圖中的灰色），但每次從每一側減少一行分子。如果我們每次疊加一層積分分子時，只對相對的兩側減少一個分子，而在另外兩側減少兩個分子，則立方晶體將轉變為具有五邊形面的十二面體晶體（不是正交十二面體）。事實上，霍伊定律在當時算是非常先進的想法，並且與現代晶體學中的晶格平面的概念緊密地相連。

這本書讓晶體的結構成為確定礦物種類的基礎，原先被視為最要緊的化學分析反而降到了次要的地位。同時呈現晶體結構的數學精確度也讓礦物學成為一門嚴格的科學，因為晶體學測定的正確性總是可以通過嚴格的幾何測試來證明。這讓礦物學逐漸脫離集郵式的博物學行列，而進入物理的殿堂。

這本書為霍伊帶來了名聲，也帶來負擔。1803 年第一任執政拿破崙將軍，就要求霍伊寫一本適當的高等的物理教科書，因為拿破崙認為優秀的科學教育是讓法國保持強大不可或缺的一環。當霍伊被告知他只有六個月的時間，來完成這一項工作後，這位科學家猶豫是否要去做，但最終還是被說服了。他在四個月後就將他的兩卷《物理學》(Traité de Physique, 1803）題獻給第一執政拿破崙。霍伊在對這部作品的前言中說，他希望透過全面系統化的學習來發展讀者的判斷力，這將確保他們在以後可能被要求履行的任何職能上取得成功。他特別強調具體的細節做為驗證理論的重要性。因為這項功績，1803年11月28日霍伊得到法國榮譽軍團勳章（Légion d'honneur）的騎士勳位。隔年拿破崙就稱帝了。

1809 年，在他的 《礦物學》發表八年後，霍伊發表了一篇題為 Tableau Comparatif des Résultats de la Cristallographie, relativement d la Classification des Minéraux 的著作。 他在此聲明，他出版這本書的主要目的是希望向那些聽過他的講座的人，提供一份他的礦物學方法的完整列表，這些方法是根據自出版以來豐富科學的發現和觀察進行修訂的。因為《礦物學》出版後又發現了許多新種類的礦物。他也是第一個製作用於教學目的的木製晶體模型，現代的測量表明，他的木製模型準確而真實地代表了可識別的礦物。

霍伊雖然一心一意投入純科學的事業，但這不代表他對將科學知識應用於有用目的的價值沒有敏銳的認識，這一點在他的作品《Traité des Caractéres Physiques des Pierres Précieuses .》中充分得到了體現。在準備這篇論文時，霍伊聲稱他的目的是清楚地展示那些被切割成寶石的礦石中，可以觀察到的物理特徵。他認為，這些規則對寶石切割者以及寶石經銷商都有巨大價值。

當拿破崙在1814 年被流放到厄爾巴島時，他有一些閒暇時間來閱讀他當年要求霍伊寫的《物理學》。1815 年春天當拿破崙凱旋返回巴黎，展開了他的百日天下時，他將霍伊提升為榮譽軍團的軍官勳位。不料這反而讓霍伊在波旁復辟時，又被剝奪了退休金和榮譽。不過就在拿破崙垮台時，對抗法國聯盟的君主都聚集在巴黎。而霍伊的名聲也在這些顯貴中流傳。普魯士國王、德國威廉一世的父親、俄羅斯的亞歷山大一世和奧地利的約翰大公都訪問了霍伊簡樸的住所。據說奧地利大公試圖以 600,000 法郎的誘人報價誘使他出售他的收藏品。然而，手頭拮据的霍伊依然宣布他已決定將其遺贈給法國。但是他的繼承人後來還是把這批收藏賣到英國，直到 1848 年路易·菲利普被推翻時。法蘭西第二共和才以 325 英鎊或 8,125 法郎的價格從英國的白金漢公爵那裡購買，並放置在自然歷史博物館中。

霍伊的兄弟瓦倫丁·霍伊（Valentin Haüy）於 1822 年 3 月 19 日去世，他是巴黎第一所盲人學校的創始人，名氣不輸給哥哥。三個月後的6 月 3 日，霍伊也跟隨弟弟離開人世，享壽79 歲。這是由於幾天前在他的房間裡摔倒，把大腿骨摔斷了，隨之併發的敗血症使他喪命。 霍伊晚年身體狀況不佳，但仍努力完成他的新版《礦物學》，該書於 1823 年出版，也就是他去世一年後。

霍伊在1784年至1822年的38年研究生涯中，一共發表了100多份報告。他的成就為當時的學界所推崇，晚他一個世代的礦物學家和地質學家 François Mallard（1833-1894）就曾經這樣稱讚他:

晶體學完全是由霍伊的天才所創造的，他的繼任者除了改進他工作的細節之外幾乎無事可做。人類知識的任何其他分支，沒有哪個人能像這個人的工作那樣，達到相同的程度。

這當然是言過其實了。在霍伊之後，有賴許多科學家的努力，晶體學才成為今天的風貌。霍伊和他的同時代人只能使用測角儀來測量界面角，以此來觀察晶體， 1902年X射線繞射技術的發展，才讓科學家能確定晶體的整體分子的內部結構。然而霍伊的學者風範仍然是科學史上的一頁佳話。即使在動盪不安的時局下，依然全神貫注在科學上，這是阿文特別欽佩他的地方！各位看官，你是否也有同感呢？

參考資料:

(一) 中文 法文 英文 維基相關條目

(二) Crystallography from Haüy to Laue: controversies on the molecular and atomistic nature of solids by Henk Kubbinga

(三) http://www.minsocam.org/msa/collectors_corner/arc/hauyii.htm

(四) https://www.beautifulchemistry.net/crystal-structure

延伸閱讀：

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