Category 科學

8月11日—神奇的尼可拉斯

論及現代天文學的起點，毫無疑義地都會指向哥白尼的日心說，他在1543年臨終前出版的《天體運行論》，扭轉了人類數千年的宇宙觀，也為科學革命邁出一大步。但其實在這一百年前，德國（當時仍是神聖羅馬帝國）的樞機主教尼可拉斯·庫薩（Nicholas of Cusa）就已經主張地球繞著太陽運行，此外，他還提出了許多超越時代的創見。 尼可拉斯於1401年在現今德國境內的庫斯（Kues, 其拉丁文Cusa因而冠入他的姓氏）出生，1423年在義大利的帕多瓦大學（University of Padua）取得教會法法學博士後，回到家鄉以教士的身分講授教會法的同時，也鑽研原始史料。他於1430年成為神父，之後一步步地於1448年當上樞機主教。 雖然致力於神學，但尼可拉斯在帕多瓦大學時接觸到的天文學與數學，讓他發展出相當全面的論點。他於1440年出版《論博學的無知》（De Docta Ignorantia），書名顯然是呼應蘇格拉底的名言：「我唯一知道的就是我什麼都不知道」。他的立論根據基於人類有限的心智能力無法企及上帝的無限性，只能不斷的逼近。 他在書中藉由數學來探討無限這個概念，例如正多邊形的邊若不斷增加，就會越來越接近圓形，只不過真實世界不可能有真正的圓。他還請讀者想像一條與圓相切的直線，隨著圓越來越大，它的圓周越來越不彎曲而趨近於直線，而當圓無限大時，圓周便會和這條相切的直線重合。他也探討了化圓為方的問題，這些數學上的探討都給後人帶來啟發。 延續這種「有限／無限」的觀點，尼可拉斯與柏拉圖一樣，認為真實世界必不完美，因此除了主張地球不是宇宙中心，而是繞著太陽旋轉，還認為地球本身不會是完美球形，公轉軌道也不可能是正圓形。雖然他的論點並非基於對天體的實際觀測，卻對克卜勒有所啟發，克卜勒在書中就特別提及尼可拉斯這不凡的見解。 在天文學上，尼可拉斯也曾建議修改曆法以因應閏年，但未獲教廷採納。另外，他還創下許多第一，例如： ——他對神聖羅馬帝國版圖的研究，導致了第一張歐洲現代地圖的誕生； ——雖然十三世紀末就已經出現凸透鏡片製成的眼鏡，但這只能讓遠視或眼睛老花者受惠，直到1451年，尼可拉斯才率先用凹透鏡矯正近視； ——他從植物生長的研究，得出植物從空氣中吸收營養的結論，這不但是第一個現代的生物學正式實驗，也是第一個空氣本身有重量的證明。 尼可拉斯雖身在教廷，卻是日耳曼地區對於文藝復興人文主義支持最力的人，在政治上他也認為政府是建立在被統治者同意的基礎上，並對神聖羅馬帝國的改革提出許多意見。他曾在自己所轄教區推動改革，卻得罪了奧地利公爵而在1460年遭到囚禁。雖然經教宗出面後，平安回到羅馬，健康狀況卻已大不如前。 560年前的今天（1464年8月11日），尼可拉斯死於旅途中，享年63歲，留下橫跨哲學、天文學、數學、光學、生物學等不同領域的大批著作。無奈如今世人多已不知這位比達文西還早半世紀、同樣既是全才又超越時代的「文藝復興人」。 參考資料：

斷頭刀下一冤魂

2024年巴黎奧運的開幕式表演節目中，以紅衣女子捧著自己的斷頭歌唱，大膽呈現1793年10月，瑪麗王后命喪斷頭台的歷史事件。法國大革命不但處決了皇室成員，還有許多無辜的人也成了刀下冤魂，其中之一便是被後世尊稱為「現代化學之父」的拉瓦節 (Antoine Lavoisier)。 坐領稅收 拉瓦節於1743年8月26日出生在巴黎一個富裕家庭，五歲時母親過世，留給他大批財富。他中學時就對自然科學充滿興趣，但父親希望他跟自己一樣當名律師，因此他還是順從父意去念法學院，畢業之後也順利取得律師資格。然而拉瓦節卻從未執業，彷彿該盡的義務至此已告一段落，從此全心展開科學研究。 拉瓦節興趣廣泛，研究範圍包括礦物、路燈，乃至飲水系統，25歲就獲選為法國科學院院士。當時做科學研究並沒有薪水可以拿，只能自掏腰包或找人贊助，拉瓦節雖然繼承了不少財富，暫時無後顧之憂，但這麼下去總有一天會坐吃山空。 26歲時，拉瓦節得知有家專替國王統包關稅、貨物稅的公司，也就是先付給王室預估的稅收，之後徵收到的稅款便都是公司的收入。拉瓦節發現這中間往往有鉅額價差，立刻花錢購買這家「稅農」公司的部分股份。他還協助在巴黎周圍建造城牆，以確保進出的貨物都能徵收到稅，並設計出檢查菸草是否摻假的方法。 拉瓦節的如意算盤是每年可坐領取豐厚的股利，他便能全心全意研究科學，還能添購儀器，擴充實驗室。他萬萬想不到，加入稅農公司，將來反而為他帶來殺身之禍。 四元素說 進入法國科學院後，拉瓦節赫然發現，雖然一百年前波以耳曾透過各種實驗駁斥四元素說（萬物由土、氣、水、火組成，不同物質只是這四種元素的轉換），但至今四元素說卻仍陰魂不散，許多院士也都深信不疑。他們相信四元素說的一項證據，便是密封的蒸餾水經過長時間加熱後，的確會憑空出現白色沉澱物。 拉瓦節決定親自重做這項實驗，但和前人不同的是，他在實驗前與實驗後，都仔細測量蒸餾水與玻璃容器的重量，結果發現蒸餾水的重量沒變，而沉澱物的重量恰好等於玻璃容器減少的重量。這證明了沉澱物並非由水轉變而來，而是來自於玻璃容器。 比起波以耳的定性實驗，拉瓦節藉由精確的定量實驗更有力地駁斥了四元素說。接著他繼續秉持這個原則，要挑戰主宰當時普遍相信的「燃素說」。 燃素說 燃素說認為有些物質可以燃燒，有些卻不行，是取決於該物質是否含有燃素；而物質燃燒之後重量變輕，就是因為釋放出燃素所致。 燃素說並無法解釋為什麼有些金屬燃燒之後，重量不減反增，於是拉瓦節決定解開燃燒之謎。1772年，他先用磷和硫進行實驗，讓它們在密閉容器中燃燒。結果燃燒後總重量不變。接著他將容器穿一個小孔，只聽見咻咻的空氣聲，再稱重之後，發現總重量增加了，而這恰好等於磷和硫增加的重量。 拉瓦節推測是燃燒時，容器內一部份的空氣和磷、硫結合，而當容器穿孔後，外部空氣便流入填補。他隨後改用錫、鉛做實驗，再度確認了燃燒後增加的重量是來自於空氣。 不過他當時還沒想過空氣具有不同成分。直到1775年，始終堅持燃素說的普利斯特里（Joseph Priestley）宣稱他發現空氣中含有一種「脫燃素氣體」，拉瓦節進一步實驗後，才確認這就是真正參與燃燒的氣體。他於 1777 年發表論文，指出空氣中有五分之一是氧氣，就是它與燃燒的物質結合，而空氣其餘五分之四則是氮氣，不會參與燃燒反應。 現代化學 除了解開燃燒之謎，拉瓦節也從精確的定量實驗中，確認了在密閉環境下，無論任何化學反應都不會改變整體的重量。物質不會無中生有，也不會憑空消失，只是由一種形式轉化為另一種形式。這條質量守恆定律為化學實驗立下一條明確的科學準則，也戳破煉金術中不切實際的幻想。 拉瓦節並在1787年與有志一同的朋友共同發表《化學命名法》，給予化合物一個命名規範，好讓來自不同國家的化學家都能彼此交流，使得化學這門學科得以更快速地的發展。 1789年，拉瓦節出版史上第一本系統化的化學教科書《化學要論》，對常見的化學物質進行分類，並首度總結出33種元素（雖然有些後來證明是化合物）。波以耳在百年之前所提概念性的元素，才由拉瓦節進一步化為堅實的理論。 拉瓦節逐步將化學建立成有系統的知識體系，然而他身處的社會環境卻一夕風雲變色。 法國大革命 法國大革命於1789年爆發後，國民議會要求法國科學院重新制定通用的度量衡。拉瓦節銜命於1791年起草公制的制定，此一重責大任讓他不再擔心政局動盪，以為自己在新的共和時代中仍會繼續科學研究。不料革命運動逐漸失控變成暴民政治，拉瓦節於1793年被起底出曾在前朝擔任稅務官，立刻遭到逮捕拘禁。 1794年5月8日，拉瓦節和其他二十幾名前帝制時期的稅務官被推上斷頭台，台下圍觀的民眾大概不知道，或者知道也毫不在意，其中有一位為化學立下不世之功的科學家。於是，吹散煉金術迷霧、為現代化學奠定基礎的拉瓦節，就這樣身首異處。 第二天，大數學家暨天文學家拉格朗日（Joseph Lagrange）聽聞拉瓦節的死訊後，不禁感嘆道： 「砍下這顆頭顱只需一瞬間，可是即使再過一百年，只怕再也找不到這樣的頭腦。」 的確，雖然一年半後拉瓦節獲得平反，但人類蒙受的重大科學損失已無法挽回了。 按：原文刊登於2021年8月號《工業材料》雜誌，此處再略做修改。

巴黎奧運吉祥物與法國大革命

2024年巴黎奧運的開幕式於今天7月27日凌晨在塞納河畔登場，這是首次不在運動場內，而是在開放的場域舉辦；各國運動員搭著船進場，而不是列隊走過司令台，也是首開先例。除了這些創舉，此次奧運的吉祥物「弗里吉」(The Phryge) 也和以往以動物造型為主截然不同，而是一頂擬人化帽子——源自在法國大革命中象徵自由民主的弗里吉亞帽（Phrygian cap）。 弗里吉亞帽是一種圓錐形的軟帽，歷史悠久，波斯人早在西元前幾百年就戴這種帽子了。那麼它是怎麼成為自由的象徵？這就要從羅馬帝國時期說起。 當時主人若要釋放奴隸，會將他帶到裁判官面前，說明理由後，裁判官將代表權杖的長棍放在奴隸頭上，正式宣布他獲得自由。接著裁判官再把一種稱為皮流斯（Pileus）的無邊軟氈帽戴在奴隸頭上，代表他已是自由人。到了後來，象徵自由的女神（Libertas）便被畫成一手拿著長棍或長矛，一手拿著皮流斯帽。 由於皮流斯也是圓錐形的軟帽，和它相似的弗里吉亞帽後來便在法國大革命中，被揭竿起義的平民當作自由的象徵戴在頭上。而羅馬的自由女神形象也隨之於1792年，化身為戴著或拿著弗里吉亞帽的女性「瑪麗安」(Marianne)，做為法國的國家象徵至今。繪於1830年、題為「自由帶領人民」（La Liberté guidant le peuple）的著名畫作中，高舉法國國旗的瑪麗安頭上戴的便是弗里吉亞帽。 這便是為什麼這次巴黎奧運，會採用擬人化的弗里吉亞帽做為吉祥物，而且開幕式的開場表演也和法國大革命息息相關。 除了法國，美國參議院的璽印中，也有一頂弗里吉亞帽，此外，中南美洲許多國家擺脫殖民狀態、成為獨立國家後，也用弗里吉亞帽（有些還放在長棍上）做為國徽的元素之一（如下圖）。 參考資料：

「我們為全人類和平而來」

格林威治時間1969年7月20日20時17分，阿波羅11號的登月小艇成功降落月球，完成史上前所未有的壯舉。不過比起這個歷史時刻，6個多小時後，阿姆斯壯於7月21日02時56分踏上月球表面，更讓大家印象深刻。尤其他當下說出的：「這是個人的一小步，卻是人類的一大步」更是傳頌至今。 （實際上他說的是：“That’s one small step for (a) man, one giant leap for mankind.”，漏說了”a man”的”a”。） 阿姆斯壯日後回憶說這句話是他在降落後自己想到的，像是下意識地或是在背景中就這麼冒出來。（” I thought about it after landing,……, just something that was kind of passing around subliminally or in the background.”） 嗯，通常所謂下意識或潛意識並不會無中生有。我個人猜測，這或許是登月小艇上的一片金屬牌匾埋下的種子。 如照片所示，登月小艇下降段的梯子上有塊約23公分長、19 公分高的不銹鋼牌子，上面雋刻了東、西兩半球的世界地圖，以及這幾句話： 「西元1969年7月，來自地球的人首次踏上月球。我們為全人類和平而來。」 “HERE MEN…

發現羅塞塔石碑

1798年，拿破崙才剛打敗奧地利軍隊、取得比利時，並將義大利納為附屬國，橫掃歐陸無敵手，眼見尚能抗衡的只剩英國。於是他率領遠征軍共四百艘船艦，官兵三萬八千人，浩浩蕩蕩抵達埃及，打算佔領埃及後，箝制通往印度的海路，以阻撓英國從東方殖民地取得大量物資。 在這龐大遠征軍中還有一百多名學者隨行，其中除了地理學家、礦物學家、工程師此等可立即貢獻實用價值的學者之外，竟還有化學家、數學家、語言學家與藝術家。因為除了建立殖民地，本身對科學極有興趣的拿破崙，也有意從這昔日的世界學術中心發掘知識寶藏，帶回法國。 儘管亞歷山大圖書館已灰飛煙滅，神廟劇院都成斷壁殘垣，拿破崙還是在八月於開羅成立了「埃及藝術與科學研究院」，由大數學家傅立葉（Joseph Fourier）領軍，對埃及文明展開全面性的調查。 1799年7月15日，法軍在羅塞塔（Rosetta ）這個港灣城鎮加強防禦工事時，在一道牆下發現了一塊已折斷的石碑。這塊石碑長114公分、寬72公分、厚28公分，上頭刻了三段不同文字的銘文，最上面是只剩三分之一，共14行的古埃及象形文字，中間是32行的不知名字體，最下面則是54行的希臘文。現場軍官布夏爾中尉（Pierre-François Bouchard）看出這應該是重要文物，立刻把它運送到開羅。 駐紮於開羅的學者從希臘銘文得知，這是西元前196年3月27日所頒布的敕令，記述國王托勒密五世（Ptolemy V, 西元前209－181年）的即位慶典。其先祖托勒密一世原是亞歷山大大帝的將軍，亞歷山大死後，於西元前305年在埃及自立為王，開啟了希臘化的時代。 這便是為什麼碑文除了埃及傳統的象形文字，也有官方的希臘文；至於中間那段則是當時平民書寫用的世俗體草書。 不過也因為希臘化，象形文字和世俗體自西元四世紀以後即陸續失傳，經過千餘年已無人能識。如今這塊羅塞塔石碑上有希臘文做比對，法國學者們樂觀的相信破解象形文字和世俗體已是指日可待，沒想到一直沒有進展。 1801年，英軍擊潰駐守埃及的法軍，匆忙逃走的法國學者只能帶走石碑的拓印，留下的羅塞塔石碑則於第二年被英軍帶回英國，保存於大英博物館至今。 象形文字一度隨著歐洲掀起的埃及熱吸引眾多學者投入研究，然而僅有部分世俗體字母於1805年被解譯出來，象形文字則多年仍無進展。研究熱潮逐漸冷卻，眾多角逐者中，僅有英國的博學家湯瑪斯·楊（Thomas Young，就是他用雙狹縫實驗證明光是一種波）與法國的青年教師商博良（Jean-François Champollion）似乎比較接近正確方向。 1819年，湯瑪斯·楊根據三個圓角方框內的幾個象形文字都一樣，率先指認出就是代表「托勒密」的音，但就此遇到瓶頸，再也無法解譯更多字母。兩年之後，菲萊島（Philae）出土一個方尖碑，商博良從上面辨認出與托勒密並列的另一個圓角方框，裡面的象形文字就是「埃及豔后」克麗奧佩特拉（Cleopatra）之音。 商博良不但因此又多解出幾個象形符號，重要的是他後來領悟出象形符號並非如中文般的表意符號，而是表音符號，終於在1822年完全破解埃及象形文字。 羅塞塔石碑因為是破解象形文字的關鍵，從此成為解謎之鑰的代名詞。歐洲太空總署於2004年發射升空的太空船取名為「羅塞塔號」，搭載了負責登陸彗星的探測器「菲萊號」，就是期望它們能揭露太陽系在尚無行星、僅有彗星的原始時期面貌，一如羅塞塔石碑與菲萊島方尖碑成為破譯古埃及象形文字的關鍵。 參考資料：