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博古通今的科學家–楊格

楊格是著名的物理學大師,「楊氏彈性係數」與「光的繞射現象」是教科書上的必備內容,但是很少人知道他也是一位醫師,並且對其他學科有廣泛的研究。
 
 
楊格肖像與他的兩樣成就
▲楊格肖像與他的兩樣成就
 
 
語文高手

一七七三年六月十三日,物理學大師楊格(Thomas Young)出生於英國西南部的米勒威頓(Milverton)鎮。楊格的父母親在鎮上開雜貨店,一家人就擠居在雜貨店後面的小房間裡。他們共有十個孩子,小房間實在住不下這麼多人,父母親只好將楊格寄養在鎮上祖父母的家裡。

祖父母家的樓閣上有許多藏書,楊格小時候經常在書堆裡打轉。有一天,祖父看見他在閱讀歌德斯密(Oliver Goldsmith)所著的詩集「荒村」(The Deserted Village),以為他只是隨便翻翻,就順口問他讀了些什麼,沒想到楊格把書本合上,將整首長詩由頭背到尾,祖父大驚,急忙告訴他的父母,雜貨店裡出了一個小天才。父親聘人教楊格希臘文,他一學就會,還不到十三歲,已能閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、義大利文與法文書籍。

擔任小老師

一七八七年,楊格的姨媽帶他到倫敦,這是他第一次到倫敦玩。倫敦有一家大書店,櫥窗裡擺著一本鑲金邊的拉丁文古書。楊格經過書店,看到這本古書,就唸起來,路上的行人看到這一幕,都停下來,圍繞在他身邊,聽他誦讀這本書。書店的老闆也走了出來,他不相信這個穿著土氣的鄉下孩子能讀這本書。老闆翻了幾頁,楊格都能立刻口譯出來,老闆就將古書送給他。從此,楊格聲名遠播。

倫敦有一位銀行家巴克禮(David Barclay)聽到這個消息,就聘請楊格前來倫敦,擔任他的外孫格尼(Hudson Gurney)的家庭教師。當時楊格十四歲,格尼十二歲,他們後來不僅成為一生的好友,楊格也因此發現了自己有愛好教導別人的天性。

劍橋大學的代打教授

每年冬天,在巴克禮的資助下,楊格前往劍橋大學旁聽。他因為沒有受過正式教育,所以剛去上希臘文課時,任課的教授遲到,也不知道要等教授前來,就自己上臺講授希臘文。波森(Porson)教授來時嚇了一跳,怎會有個十五、六歲的大孩子已經在講臺上教起書來?於是冒充學生坐在後面聽。波森邊聽邊感到訝異,這個代打的少年,實在講得頭頭是道,就舉手發問,故意考他:「在拉丁文裡&的符號是怎麼來的?」楊格不慌不忙地答道:「這是e與r的變體字,這兩個字母在古典希臘文的連寫是a,將a字倒過來就近似&的樣子,由於&的字源是兩個字母的共併,所以後來就成為前後共併(and)的意思。」楊格的回答,讓波森教授讚嘆不已,他表明身分後,就對全班說:「以後如果我晚一點到,就讓楊格上來講課。」

走入醫學界

一七八九年的冬天,楊格又前往劍橋大學當旁聽生。他在學校宿舍的地下室裡,染上了肺炎。楊格病中有感:「我知道許多的知識,卻不知道保護自己生命的知識。」後來,幸好布洛克立斯基(Brocklesky)醫生經過學生宿舍,聽到強烈的咳嗽聲,將病危的楊格送醫。

楊格病癒後,決定轉唸醫學,並向巴克禮辭職。一七九○年,他申請進入愛丁堡大學醫學院就讀,畢業後又到德國哥騰根醫學院進修,後來又回到劍橋大學,在一七九九年春天取得醫學博士學位。對於十年的醫學教育,楊格認為:「醫學的知識雖然重要,但是,如果只是為了執業賺錢,不僅是人生的浪費,也是對上帝的虧欠。」同年,他在倫敦的威爾貝克街(Welbeck Street)開了一間非常特殊的醫院。

特殊的醫院

醫院的門口寫著:「這所醫院的醫生是個科學家,所以看病以後不給藥。」這在當時是個創舉,醫學與藥學分開,與藥劑師制度的建立都是十九世紀以後的事,而且很少醫生會認為自己是科學家。但是,楊格在十八世紀末期就說:「醫院是醫生與病人聊天的地方,醫生是替病人解謎的人。許多的疾病診治,不在給藥,而在矯正病人的生活習慣,病因可能來自病人的飲食不當、睡眠缺乏,或是居家環境通風不良,這些問題必須在醫生與病人的對談中才能發現。醫學的藝術在於準確的診斷,我認為現在流行的放血、發汗劑、催吐丸、排尿片的醫治方法太幼稚了,治療疾病的用藥,必須建立在化學與藥劑學上,否則藥品會淪為江湖郎中的賺錢騙術。」

另外,楊格也為看診的病人開設醫學保健課程。課程包括六堂化學、六堂生理學介紹、二十堂疾病學簡介與四堂藥物化學,他並且特別為上課的病人,編寫了一本《醫學文獻簡介》(Introduction to Medical Literature)。醫學保健班每年開班,持續了十幾年,他一直保留著學生名單與職業的紀錄。這些學生中,有家庭主婦、文學家、碼頭苦力、軍人、馬戲團小丑、街頭畫家、菜市場魚販,還有流浪漢與在監獄管訓的犯人等,真是奇特的班級。

買牛眼睛的科學家

一八○○年,有一個病人,抱怨自己的視力愈來愈差。楊格檢查他眼睛的外觀,並沒有異樣。楊格就到菜市場,向賣牛肉的小販買了一袋牛眼睛,回到醫院裡研究眼睛的結構。一八○一年楊格在英國皇家科學會刊上發表「散光」的原因,是眼睛角膜水晶體曲度的改變,使得進入眼球的光線不能落在視網膜上,所以人看東西會模糊。為此,楊格用一片雙曲度的玻璃,放在病人眼睛前面,輔助光線能落在視網膜上,這個矯正玻璃,後來稱為「眼鏡」。

這是非常重要的一篇研究報告,幫助了日後成千上萬的近視、遠視和散光的患者。在這篇報告裡,楊格首先提出視覺與眼睛結構的關係,並認為眼睛的感光機制是來自視網膜上的神經傳遞。因此在醫學史上,楊格被稱為「視覺生理學之父」。這篇研究成果,也使楊格成為英國「皇家科學會」(Royal Society)的會員,並且擔任「皇家協會」(Royal Institution)自然哲學系的教授,又開始對一批年輕學子上課。

光本質的研究起源

「光學」是物理科學裡最迷人的學問之一。早在十二世紀,葛羅斯特(Robert Grosseteste, 1175-1253)就提出:天空的美,是光的變化所致。他首先指出水面上的倒影是光的「反射」現象;彩霞的顏色是光的「折射」結果。

西元一三○五年,弗雷伯格(Dietrich von Frieberg, 1250-1310)更以陽光透過一個裝水的玻璃球去證明:彩虹的產生,是光的折射現象。這篇一百七十頁的研究成果被稱為「人類歷史上第一篇科學研究報告」。弗雷伯格認為,光是非常值得研究的對象,這位中世紀道明會(Dominican)修士提出:「上帝首先是用光去創造這個世界,所以人類對於宇宙現象的不了解,最後都會回歸到對光本質的了解深度。」他由實驗結果提出彩虹的顏色是紅、黃、綠、藍四種。

近代物理學之父牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)以更精確的實驗指出,光具有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種分光的顏色,他也提出光的本質是由「光子」的微粒所組成。當時英國的科學家虎克(Robert Hooke, 1635-1703)認為油在水面上會形成彩色薄膜,是因為光是一種波。一六八七年,荷蘭的科學家海更斯(Christian Huygens, 1629-1695)並依此而提出光的波動說,但是,虎克與海更斯都缺乏精確實驗去量化光的波動特性。

光的繞射實驗

一八○○年,楊格在診所裡進行光波動實驗,並在《哲學會誌》上發表了〈聲音與光的實驗〉(Experiments on sound and light),繼而在一八○一年又發表〈光與色的理論〉(On the theory of light and colors)。在這兩篇研究報告中,楊格提到,讓光通過二個窄縫,結果會產生光暗相間的平行條紋, 這是科學史上非常著名的「雙光柵實驗」(double-slit experiment)。

楊格在一八○三年十一月二十四日,繼續發表〈以實驗證明光繞射的通則〉(Experimental demonstration of the general law of the interference of light),對光的波動有更清楚的闡述。

遇到愛問問題的女孩

楊格發表光的繞射實驗,不僅對往後的物理光學、太空通訊、影像傳送、微距測定等非常有用,且另一個重大的收穫就是,有位名叫伊莉莎.麥克斯威爾(Eliza Maxwell)的女孩讀了楊格的研究報告後,登門請教光繞射研究的細節。楊格與她討論幾次後,發現她的頭腦清楚,深思明辨;更發現自己除了醫院的工作與光學實驗之外,單身生活實在有所欠缺,不夠圓滿。一八○四年六月十四日,楊格與伊莉莎結為夫婦,伴郎就是他的第一個家教學生格尼。

婚後的楊格更加忙碌,他擔任英國皇家學會的秘書,連續發表了〈由光的繞射測定極小的物質-紅血球的研究〉、〈光的偏振現象〉、〈色盲的區分〉、〈血壓計的製造〉、〈以微小粒子的運動解釋熱的現象〉、〈表面張力的測定法〉等,並且繼續在醫院裡對販夫走卒開授保健課程,很少大師級的科學家能夠兼顧後者,但楊格的教育熱忱,使他樂此不疲。

英雄識英雄

一八○八年,楊格醫院的生意每況愈下,他在皇家科學院的工作與物理研究上的熱衷,使他愈來愈沒時間與病人聊天。二年後,楊格幾乎瀕臨破產,醫院也面臨關閉,他只好到銀行申請貸款,因而認識了銀行的老闆布魯慕(Henry Brougham, 1778-1868)。布魯慕畢業於愛丁堡大學法律系,出身銀行世家,且擔任當時最具社會影響力的《愛丁堡評論》(Edingburgh Review)的主編。一八○八年布魯慕選上議員,加入當時改革奴隸法案最著名的「克拉朋聖徒」(Clapham Saints)。楊格在年輕時就參加貴格會的聚會,貴格會的基督徒以反對蓄奴著名,他也反對奴隸制度,自稱「倡導自由的貴格人」(Free Quaker)。

楊格與布魯慕的偶然相遇,卻造就了近代科學史上的一個重要里程碑-「科普教育」的開始。

科普教育的萌芽

楊格本來要與布魯慕談醫院貸款的事,後來話題一轉,講到反對奴隸制度,兩人愈說愈投機;話題延伸到貧苦社區的平民教育,楊格更是滔滔不絕。布魯慕對於大眾教育也很有抱負,講到最後,兩人不僅成為朋友,還決定成立一所大學,為想唸書又沒有錢的孩子提供接受高等教育的機會,並且組織一個協會,出版最廉價的、第一流的科普教材,教育百姓。

伊莉莎後來知道丈夫到銀行貸款,竟然帶回來一個更花錢的夢–成立大學與出版科普教材。很少科學大師有這麼「不務正業」的想法,但是,她仍全力支持丈夫,就像當年支持他的「光的繞射」實驗一樣。後來這所大學成立了,就是著名的「倫敦大學」;學會也組成了,稱為「有用知識推廣協會」(Society for the Diffusion of Useful Knowledge)。

科普教育的原則

「有用知識推廣協會」對於十九世紀的英國學童,有極為深遠的影響,甚至逐漸也為歐美其他國家所仿效。這個協會一直秉持著三個推動科普教育的原則:

第一、科普教育的理念。學生要選擇一個狹小的領域去從事專精研究以前,最好先有廣泛的知識做基礎。楊格認為:「科學研究不僅是知識的獲得,且會成為一個人生命的特質。在科學家的眼中,研究是無止境地在自然界探索,是一種思考的淬鍊,使心志更堅強;是一種凡事回到基本點的思索,使頭腦更能分別是非。研究者經常是在一個很窄小的領域中去尋求突破,但是他要見前人所未見,想前人所未想,則他必須站在一個更廣大的知識尺度上,才能超越前者。」

第二、高等科學的研究成果是科普教育的好材料。楊格認為:「科學研究不是追求研究者的不朽,也非研究成果的不朽,否則科學界會淪為變相的偶像崇拜。科學研究不是只為自己,而是將結果公開、分享,給願意閱讀的人,提供更深邃的眼光,用圖、用表、用公式、用實驗,指出這個宇宙的美在何處,大自然的法則是多麼具有邏輯性。科學的精確知識,是在教育裡,能夠傳遞的最佳內涵中的一種素材。」

只是科普教材的寫法,與科學研究論文的寫法不同。科學研究的文章,是科學家深刻冷靜的思索,是科學家互相切磋的管道。科普教材是為了大眾,文字的傳遞必須切身、活潑。楊格對科普教材的寫作這麼建議:「先引一個大眾所關切的問題,再用科學的原理來解釋。例如用大眾所知道的毛細現象,去解釋原子的互相作用力;用大眾所熟悉的船的形狀,去解釋物體結構對剪應力的承受。」

第三、持續的熱心。教育不是一時的,而是要長期持續地推動。楊格說明,自己長期委身大眾教育的原因是:「做好任何事情,都需要付出時間與努力,但很多事情並不值得。一生從事科學的研究是值得的付出嗎?如果能認識人理性的存在,最終有個神聖的目的,那就值得了。」就是這份神聖的負擔,促使楊格不斷在「有用知識推廣協會」撰寫「自然哲學與機械藝術之教材」系列,所有的教材小冊,每一本只賣一毛錢。經費由布魯慕籌措,當初「有用知識推廣協會」有句口號:「好書即使只賣一本,也是值得的。」

楊格與伊莉莎一生都沒有孩子,但是,藉著「有用知識推廣協會」,這對夫婦幫助了許多別人的孩子。

機械與材料工程的藝術面

一般人都把「機械」與「工程」連在一起,稱為「機械工程」。楊格卻把「機械」與「藝術」連在一起,稱為「機械藝術」。「機械藝術」實在是個很奇特的名詞,但是「機械」(mechanics)的希臘文原意是「省力」的意思,人用輪子、齒輪、滑輪、槓桿等工具省力,的確是門藝術。現今大學裡的機械工程學系,或許改名為「機械藝術工程學系」可能會更加貼切。

人類自古以來就懂得使用不同的材料,早期以磚造屋,以瓦罐取水,以鐵製刀等。但是材料的使用,與材料的穩定度有關。例如,用石頭建造房屋,石頭對力的承受度會決定房子建造的長、寬、高。不同的文明古國,都有各別判定材料強硬度的方法。十七世紀末,虎克提出「虎克彈簧」,不僅可以由彈簧的延伸度測定掛在底下物體的重量,更可以用已知的不同重量,去測定不同物質的延伸度,這是最早將材料硬度數量化的方法。

彈性與安全

一八○七年,楊格更在「有用知識推廣協會」的小冊上發表後來非常著名的「楊氏彈性係數」(Young's elastic modulus)。不同於「虎克彈簧」,楊格認為物體的受力不只受到重量的影響,也受到衝撞速度的影響,他是科學史上首先提出「動能」(kinetic energy)的人。楊格將動能定義為質量乘以速度的平方。他首先定義彈性是物體受力後可以恢復原來的形狀,繼而提出材料若要安全使用,所承受的力量必須在彈性範圍內,如果超越彈性的範圍,物質就會變形甚至斷裂破壞。

物理最後的問題

在彈性範圍內,物體受拉力或壓力與所增加或減少的長度比例,是一個定值,楊格稱之為「彈性係數」。他提出在彈性受力的範圍內,物質組成的粒子結構,也像彈簧一樣可以伸縮自如,由於每種物質有其特殊的粒子結構排列,因此各有其彈性係數。彈性係數愈大的物質在受力的情況下,物質變形的長度愈小,這種物質愈適合做為建築材料使用。

「彈性係數」的觀念,在材料科學上是很重要的貢獻,但是,楊格卻有更深的體會。他在研究論文上寫道:「物理最後的發展,會回到最基本又不可分割的微小粒子上,那是物質的最小單位。然後,物理學家會發現那微小的粒子,彼此之間仍會有作用力,不是這些微小粒子產生的,因為微小粒子裡還有更微小的粒子,無論人怎樣將粒子細分,仍會有作用力,不是這更小的粒子所產生的。所以物理學最終的思索是,這些作用力是怎麼來的?無論是從電、從磁、從光、從熱、從萬有引力,從任何方面去切入,最後都會回到這一個問題,人類沒有辦法解釋最基本的作用力,為什麼不是基本粒子所產生的?我好像一個探險家,跋涉過最茂密的森林,最後才承認所見的仍是影兒,不是本物的真相,真相是永存的,是非物質的,是屬靈的。」

古埃及文的奧秘

十八世紀,考古學家挖掘出許多埃及的木乃伊後,才漸漸知道坐落在尼羅河畔的埃及,有一個古老的文明。但是,木乃伊上面刻著的一些象形符號,卻沒有人讀得懂。一七九九年,考古學上有一個重大發現,「羅西塔石」(Rosetta Stone)出土了。羅西塔位於埃及亞歷山大港的旁邊,拿破崙的軍隊當時占領埃及,並且為了海軍,疏通亞歷山大港與周邊的運河水道。一天,有個士兵從水道底部挖出一個長約一百六十公分,寬約七十五公分的石版,上面刻有三種文字。第一種是古代埃及的象形文字,與木乃伊上刻的文字類似;第二種文字字型是彎曲的蝌蚪文,可能是古代埃及民間通用的文字字源;第三種是希臘文。拿破崙身邊的學者立刻知道這塊石版價值非凡,因為解開古埃及文的秘密,可能就在這塊石版上面,但是,沒有一個埃及人能夠讀得懂石版上的象形文字與蝌蚪文。

後來在尼羅河之役裡,英國軍隊打敗了法國,並且獲得了羅西塔石,他們連夜把這塊石頭運回大英博物館,請許多英國學者專家來解讀這兩種奇怪的文字,大家有看沒有懂。後來有人想到有一位醫生,年幼時就能解讀許多古希臘文,於是就把楊格請了來。

解謎的步驟

首先,楊格用一張大紙放在羅西塔石的上面,把每一個字很精確地摹擬複寫下來。然後把寫下來的每一個字母拆開,一一比較字母重複出現的位置,就知道這個字母在象形文、蝌蚪文與希臘文中的相通性。楊格先解決不同文字的字母相通性。

第二,楊格請教古埃及文專家。當時世界上只有兩個人懂一點古埃及文,一位是法國巴黎大學的薛西(Sacy)教授,薛西懂得幾個古埃及文的字母。楊格與薛西通信,才了解這幾個字母的解法。另一位是曾任瑞典駐埃及大使的阿卡布雷(Akerblad),會說十多句古埃及語。這位大使很有心,到埃及當大使竟學會了埃及人已失傳的語言,雖然阿卡布雷看不懂古埃及文字,仍幫楊格多辨認了幾個字母。

第三,是楊格最大膽的假設:如果人類的古文明是來自同一個源頭,那麼早期的文字一定有相通之處。他認為解開古埃及的奧秘在中國的文字。因為中國的文字不僅古老,而且目前仍在使用。楊格認為中國的古文,如果有經過象形、會意、形聲、假借的演變,那麼中國文字的表達可成為解開古埃及文的線索。當時英國的探險家也自中國帶回許多刻有古代文字的字版、龜殼等。楊格認為:「耐心與細心是解開古字之人的必備性格。」一八一五年,楊格譯出了埃及的古蝌蚪文,並解出古埃及象形文字的二百個字母。羅西塔石版上刻的是公元前二百一十九年,埃及法老王托勒密五世(Ptolemy V)的公告內容,因為是法老王公告,所以用古象形文;為讓當時的百姓可以看懂,所以附上蝌蚪文。這些石版置放在埃及的各集會場所,但有一片是放在雅典,所以又刻上希臘文。沒想到二千年後,會在泥底下被挖出來,幸好有楊格,才能解讀石版內容。

人類在巴別塔的發音考證

此外,楊格也以物理的聲波學研究世界各種語言的發音法。他認為:「世界上的語言雖多,各地方又有方言的變化,但是,分析其基本發音,用喉音吐字的只有四十七個音。所有的語言都是取這四十七個音的一部分發音,如果把這四十七個音寫成四十七個字母,就可以表示世界上所有的口音。只要變動這四十七個音的排列組合,就可以變化出各種語音。各國語音雖不同,發音的來源卻是相同的。」

他更以「人的致命風險」去評估保險的費用,而被稱為第一個保險學的精算師。

上帝恩典中的耕耘者

楊格一生的研究橫跨物理學、醫學、文字學、考古學與保險學,很少科學家像他有這麼廣泛的研究領域,有位法國科學家對他說:「以前我以為貴國有一個優秀的研究團體,都是以楊格為名去發表文章,沒想到都是你一個人發表的。」但是,楊格卻說:「有兩門課,我一生都沒有學會,就是每天在合適的時間起床與合適的時間上床睡覺。」因為起床、睡覺不定時,楊格五十歲以後,就有經常性的偏頭痛與疲憊。

一八一九年,楊格擔任《大英百科全書》(Encyclopedia Britannica)第五版的主編。他還是難忘全民科普教育,以科學家的研究精神去編輯《大英百科全書》,使得這套百科全書的資料非常精確。一八二九年五月十日,楊格死於心臟病。他晚年時,稱自己不過是一個「上帝恩典中的耕耘者」。

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