【大宇宙小故事】30 尼羅河畔的科學家

撰文｜葉李華

●視覺理論

視覺究竟是如何產生的，兩千五百年前，這個問題就引起了古希臘學者的興趣。

最早的理論是哲學家恩氏(Empedocles)提出的「射出說」，認為眼睛會射出一種(有別於普通光線的)特殊射線，當這種射線打到物體上，眼睛就會以某種機制看到它(有點類似雷達的原理)。

在「射出說」的眾多支持者中，最有名的要數柏拉圖，可是嚴格說來，他支持的只是一個哲學理論罷了。或許正是因為「射出說」不夠科學，亞里斯多德秉持「吾愛吾師更愛真理」的精神，提出與之針鋒相對的「攝入說」。

現在我們當然知道「射出說」大錯特錯，但是「攝入說」其實也好不了多少。亞里斯多德根本說不清楚眼睛是如何將物體攝入，以及如何產生視覺，因此「攝入說」本質上同樣是哲學理論。

半個世紀後，古希臘才終於出現稍有科學味道的視覺理論。首倡者是我們相當熟悉的歐幾里得，他在編寫《(幾何)原本》之餘，試著利用幾何來研究「射出說」，並將心得寫成一本名為《光學》的小冊子(譯為《視覺學》或許更準確)。

就生理學和物理學而言，歐幾里得當然走錯了路，但是在數學架構上，他的理論仍有不少可取之處，甚至可視為「幾何光學」的濫觴。例如他開宗明義列出的七個「公理」，都是用幾何語言描述視覺現象，和生理學或物理學的細節毫無關係。

又過了大約四百年，天文學家托勒密在撰寫自己的《光學》時，其中視覺理論的部分，大致是沿用歐幾里得的架構，換言之仍屬「射出說」。

至於正確的視覺理論，還需要再等上八百年，才終於誕生在尼羅河畔的開羅(距離歐幾里得和托勒密的故鄉「亞歷山大港」只有二百公里)。

催生者名叫海什木(Ibn al-Haytham, 965?-1040?)，是一位生於伊朗地區的阿拉伯裔學者。他和比魯尼(973-1048)在時間座標上非常接近(大約早生八年，也早死八年)，在空間座標上則是逐漸拉遠。

●傳奇的一生

海什木的一生頗具傳奇性，但在講述他的故事之前，必須先對時代背景做個簡單的介紹。

且說阿拉伯帝國興起後不久，埃及便成為它的一部分，但是到了公元十世紀，這個帝國早已四分五裂，於是在某些宗教領袖的主導下，埃及獨立為另一個帝國──中國史家稱之為綠衣大食，以別於稱為黑衣大食的正統阿拉伯帝國。

另一方面，海什木生於波斯灣附近的巴斯拉，當時那一帶名義上是阿拉伯帝國的領土，實際上已經自立門戶，不屬於任何一個大食的勢力範圍。

總而言之，就政治而言，當時的伊斯蘭世界頗為類似中國的戰國時代。但是在文化上，由於宗教和語文的統一，各國的交通往來仍舊十分密切。海什木雖然遠在伊朗，但由於他很早就在科學上揚名立萬，因此當他聲稱自己有本事整治尼羅河，這個消息很快就傳到了埃及。

(在埃及歷史上，尼羅河的定期氾濫是很有名的現象，好處是帶來肥沃的淤泥，壞處是難免造成財物的損失。如何馴服這條河流，成為歷代埃及政府的一大難題。)

不久之後，那位「綠衣哈里發」(Al-Hakim)便將海什木請到開羅並委以重任(也有一種說法是本文主角毛遂自薦)。於是海什木組織了一個探勘隊，從開羅沿尼羅河逆流而上，一路探勘到亞斯文(Aswan)附近的瀑布──他原本就是打算在那裡建一座調節水位的大壩。

探勘結束後，海什木寫了一份實事求是的報告，結論是：目前的科技無法建造這樣的大型水壩。

(直到十九世紀末，人類才終於掌握這樣的科技，亞斯文水壩竣工則是1902年的事。由此可見海什木的治水方案並非不切實際，只是太過超越時代。)

如果這樣的報告交到明君手上，海什木或許會安然無事，甚至還可能受到嘉許。偏偏那位哈里發是出了名的喜怒無常，據說海什木險些性命不保，好在他急中生智，想到一個妙招：裝瘋賣傻！

這個險招果然奏效，海什木僥倖逃過死劫，可是活罪自然難免。他住進了精神病院，經歷了十年的軟禁生涯(1011~1021)，比六百年後的伽利略還多一年。

但正所謂塞翁失馬焉知非福，海什木因此避開塵世的紛擾，在那個與世隔絕的環境中，他得以專心研究各種學問(這點也和伽利略相當類似)。當他重獲自由後，根據獄中手稿陸續寫成好些重要著作，其中最有名的莫過於《光學》這套厚達七冊的巨著。

就當時的標準而言，這套《光學》的內容應有盡有，尤其重要的是，它是最早提出正確視覺理論的科學文獻(明確指出視覺源自於眼睛接收到物體所反射的光線)。正因為如此，在物理學發展史上，海什木被公認為「光學之父」。

然而，這個頭銜仍不足以突顯海什木在科學史上的重要性。

●被巨人站在肩上

物理學大致可分為實驗物理與理論物理兩大領域，但就歷史而言，兩者分道揚鑣是十九世紀末才出現的趨勢。在此之前，物理學家就是物理學家，必須實驗與理論兼顧，缺一不可。伽利略(1564-1642)就是最有名的例子，他總是一邊做實驗，一邊推導理論，從來沒有顧此失彼。

然而，「伽利略是第一位物理學家」這個說法，只是狹隘的西方觀點。就物理學的研究而言，無論是在理論或實驗層面，乃至於兩者的整合，早生六百年的海什木都不比伽利略遜色。

例如從他的光學研究文獻中，不難整理出如下的標準步驟：

觀察自然現象→提出具體問題→構思可能的理論→設計實驗以驗證理論→進行實驗→分析實驗結果→做出結論→發表成果

現在，你是否覺得「史上第一位物理學家」這個頭銜應該保留給海什木？

如果你心中的答案是肯定的，那麼或許可以再想想，「科學方法之父」這個頭銜，伽利略是不是當之無愧？

如果這次答案是否定的，想必你就會同意：牛頓站在巨人肩上，海什木則是被巨人站在肩上！

註：海什木在文藝復興時期的歐洲相當有名，甚至被譽為「托勒密第二」。諷刺的是，在海什木的學術成就中，有不少顛覆托勒密之處。例如他晚年寫了一本書，書名就叫作《質疑托勒密》──不僅質疑托勒密的視覺理論，還以更多的篇幅質疑地心宇宙模型，指出其中有明顯的邏輯矛盾，只差沒說應該將它推翻。