【科學大人物】法拉第不為人知的一面(三):皇家研究院與法拉第

■皇家研究院是法拉第活躍的舞台。戴維提升了皇家研究院的名聲,而且因為他的賞識法拉第終於能踏出做為科學家的第一步。儘管法拉第和恩師戴維之間時有摩擦,他仍然逐漸展露頭角。

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皇家研究院的外觀 (1838年,Thomas Shepherd繪)

作者|竹内敬人(東京大學名譽教授,神奈川大學名譽教授)
編譯|黃郁珊(東京大學理學博士)

皇家研究院的創設
因為冠上了「皇家」兩字,皇家研究院(正式名稱為大英帝國皇家研究院)(註1)字面看來是個國立機構,然而這不過是表示王室和國家承認這個機構的創立和存續而已。事實上皇家研究院是以一個純私人機構起家的。

做為一個和科學有關的機構,1660年創立(其起源更早)的皇家科學院(註2)是英國最古老的學會,也是全世界現存這類學會之中最古老的一個。現在只有一流的科學家才能成為皇家科學院的院士(FRS)(註3),但是在18世紀末,皇家科學院實際上是倫敦的社交俱樂部。大多數的 FRS 是海軍部的相關人士,或是地主階級的人士,他們對自然科學及其應用幾乎都沒有興趣。

侖福特伯爵及班傑明.湯姆生(Benjamin Thompson)(註4)等人認為這樣下去不行,於是在獲得皇家科學院院長邦克的支持,之後在1799年以「傳播 (科學) 知識,促進有用機械的發明和改進,並藉由哲學的(註5)、科學的演講和實驗教導人們將科學應用在日常生活中」為宗旨,創立了皇家研究院。

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侖福特伯爵(英國著名畫家Gainsborough 所繪)

研究院在倫敦市中心買了豪華的建築物,也準備了講堂和實驗室開始運作。但由於經費端賴會員繳納的會費維持,因此脆弱的財政結構問題長年以來一直困擾著研究院。例如在1818年研究院就曾經向金主富勒(註6)借款1000英鎊,富勒之後將此筆借款捐出。

研究所依循初期的目標開始舉辦的公開演講頗受好評,吸引了許多聽眾聚集。但是第一任教授迦奈特(Garnett)(註7)一方面因為妻子去世,無法再負荷研究院的重任,一方面因為和侖福特伯爵不和,在1801年辭職。 繼任的教授是著名的醫師兼科學家楊格(Young)(註8),然而相較於研究院的目標和任務,楊格寧可將精力放在自己的研究和醫療業務上。加上他對一般大眾發表的演講艱澀難懂,無法獲得好評。因此他也在1803年辭職了。而繼任者正是戴維(註9)。

戴維和皇家研究院
不管怎麼說,提升皇家研究院聲譽的那個人就是第三任教授戴維。 韓福瑞.戴維(Humphrey Davy)是木雕師傅羅伯特(Robert)和葛麗絲(Glace)(註10)的長子,1778年12 月17日生於空沃郡(Cornwall)的潘藏斯(Penzance)。他的生身家庭稱不上富裕,但由於從小就顯現聰穎出眾的才智,因此得到母親養父的關照,而能受到良好的教育。

1794年起戴維當了一段時間醫生的徒弟,並且得到在藥局學習化學和藥學的機會,他試做了各式各樣的實驗,其中甚至包括危險性很高的實驗。這個時候他也開始寫詩,後來友人柯立芝(註11)對他的評價是「不當科學家,他當詩人一定也會有很大的成就吧」。

戴維的幸運始於結識在布里斯妥(Bristol)經營氣體研究所的北豆斯(Beddoes)(註12)。1798年10月2日戴維被北豆斯找去當氣體研究所的助手。這個研究所的目的是將各種人工製造的氣體做為醫療應用,戴維因此被要求做了各種氣體實驗。當時有許多名人會定期來研究所吸他們製造的一氧化二氮(氧化亞氮,笑氣N2O) ,連瓦特(註13)和柯立芝也曾是座上賓。1799年戴維出版了介紹新化學的著作,1801年他被任命為剛成立沒多久的皇家研究院的化學演講助手兼實驗主任。

戴維除了當迦奈特(Garnett)教授的助手,也在1801年4月25日做了和電學相關的公開演講。由於他的實驗表演巧妙,又有詩人的氣質,因此引起很大的轟動,吸引了很多女性聽眾。有了這樣的經歷之後,戴維在1803年,年僅23歲就成了皇家研究院的教授。

戴維在就任皇家研究院的職務時,就已約定繼續進行電學研究, 他持續使用伏打電池做研究,自1807年起至 1808年之間發展出所謂熔鹽電解的新實驗手法,並且藉此方法成功分離出鉀等六種元素。在科學史上,僅有戴維一人曾發現六種新元素。

但是因為皇家研究院成立的主要目的並不在於做研究,所以戴維總不能全心專注在電學的研究上。他後來也參與了農業相關問題的研究。1812年戴維與一位有錢的寡婦(註14)結婚,從此對研究的熱情越來越淡薄。1812年他辭去了皇家研究院教授的工作,1813年與助手法拉第展開歐洲旅行,訪問了許多國家,和歐洲科學家們深入交流,並有發現碘是一種新元素的成就,但是考量到拿破崙逃出厄爾巴島,世界局勢丕變,他提前在1815年歸國。

1819年戴維受封爵士,隔年1820年就任皇家科學院的院長。戴維可說是攀上做為一個學者能期望的最高地位的頂峰。然而也因為他從年輕時就做了許多危險又對健康有害的實驗,所以他的身體健康狀況急轉直下。只能天天從旅行和釣魚之中找到安慰,並且在1829年5月29日客死瑞士。

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左圖為 Penzance 市中心的戴維銅像 (作者拍攝);右圖主題為在皇家研究院讓聽眾吸笑氣的實驗的諷刺畫 捏著聽眾鼻子的是Garnett,拿著燒瓶的是戴維,站在右側門旁的是侖福特伯爵。出處: Wikipedia。

法拉第在皇家研究院的工作
當法拉第被皇家研究院聘為助手時,戴維雖然已經辭去教授的職位,但仍然在研究院裡進行研究,而且戴維在行政工作上仍然有很大的影響力。所以法拉第全面隸屬於戴維,而且在學問追求上也大大受益於戴維的指導。

因此,當法拉第就職約半年後被戴維請求以研究助手的身分一起去歐洲旅行時,他寧可冒著失業的風險也開心地同行。沒想到,他不僅要當研究助手還不得不做僕人的工作,而且戴維夫人還把法拉第視為僕人對待。儘管發生過種種不愉快,這趟旅行對法拉第來說相當於是他的大學教育。

幸好,回國以後法拉第還能以略優於之前的待遇恢復原職,但仍是無法立刻成為一個獨立研究者。1810年皇家研究院對外公開,也就是採取接受院外各式各樣工作委託的策略,所以法拉第無法立刻進行電磁學的研究。至1821年為止的五年間,法拉第除了要維持管理實驗室,還被研究院接受委託的工作 (例如委託分析) 或是自己認為合於研究院的目的而攬來做的工作追著跑。以下列舉其中幾項工作。

     1815年  協助戴維從事礦坑安全燈的改良(註15)

     1818, 1819年以化學家的身分做民事審判的證人

     1818 – 24年  受史托達(Stoddart)(註16)之託協助改良鋼鐵

當然除此之外還有其他堆積如山的工作。比如幫布蘭德教授的課程實驗作準備和補充;還有委託分析的處理等等。這些工作漸漸地都為他擴增了作為一個科學家必備的能力。同時,他的能力越來越受好評,並且在1821年升為實驗室主任。然而在這一年發生了麻煩的事。

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矗立在哥本哈根厄斯特公園的特斯特銅像。

最初的成功和最初的困難
1821年丹麥科學家厄斯特(註17)發現若是將平行於羅盤指針的針通電,羅盤指針就會偏離某些角度。當時的科學家們預測電和磁之間存在某種關連,大家正在摸索可以證明這種想法的方法,因此歐斯特(Oersted)的發現引起科學界很大的騷動。沃勒斯敦(Wollaston)(註18)得到消息之後跑到皇家研究院和戴維一起做實驗,可是並沒有得到特別的突破。

法拉第當時正專心在和史托達(Stoddart)研究改良鋼鐵,但電是他從學徒時期就感興趣的東西,再加上他受都市哲學會認識的老朋友 菲利浦(註19)的邀請,要寫一篇有關電學歷史和現狀的綜論。因此法拉第將所有發表過的相關論文都讀透,並且依照他向來的研究風格,把所有實驗全部親自做一次。法拉第把和這個新誕生的研究領域有關的實驗證據和理論探討做了總整理。

法拉第或許是一邊寫綜論,一邊抱有「若是能在這個領域有重要的發現,就能被認定是個科學家吧」的期待,而開始鑽研這個新的研究主題吧。沒過多久,他就發現了通電的針會繞著磁鐵的磁極轉動。於是他立刻將這個今天稱為「電磁轉動」(註20)的令人驚奇的「新的運動」發表。

但是,無論這篇論文發不發表都令他陷入困境。戴維的友人攻擊他不承認戴維的貢獻,還在沃勒斯敦不知情的情況下將他的研究寫在論文裡,講白了就是剽竊。法拉第解釋他曾經在論文發表前試圖告知沃勒斯敦,但是無法取得聯繫。再加上戴維和沃勒斯敦事實上並沒有具體的研究發現。因此法拉第當時大概覺得這是因誤會而起的非難,和有人故意找碴吧。1823年3月因為戴維以院長的身分在皇家科學院(錯誤)報告電磁轉動是由沃勒斯敦發現的,問題就變得更複雜了。

過了幾星期之後,菲利浦等人提案法拉第應被選為皇家院士(FRS)。但是戴維試圖阻擋。他大概是怕自己的助手一旦被選為研究院有指導地位的人,那他自己的研究就會越來越得不到成果吧。也有人善意地將戴維的行為解釋是他擔心若是推薦自己的助手當 皇家院士,那會被人家說成坦護自己人。 總之,戴維的妨礙行動失敗, 法拉第在 1824年1月8日的選舉被選為皇家院士。後來法拉第曾寫下,「在我成為皇家院士之後,我和戴維爵士在科學上的關係就不如以往了」。

但是事情並沒有那麼簡單。恐怕是因為戴維動了些手腳,法拉第從1825年起被皇家科學院派去做「光學玻璃的改良」的計畫,從此幾乎所有的時間和精力都被耗費在這個計畫,不管他喜不喜歡他都得疏遠電磁學的研究了。 法拉第中斷光學玻璃研究重返電磁學研究是緊接著1829年戴維客死瑞士之後的事,這一定不是個偶然。

即使遇到了意想不到的困難,法拉第仍然一步步踏實地成長為一個科學家,並且受到研究院內外越來越高的評價。此期間的工作包括:

     1823年3月5日  成功液化氯氣

     1824年  和布蘭德教授共同授課

     1825年  發現苯

     1825 年  就任實驗所所長(註21)  加薪至年薪100鎊

     1825, 1826年  企劃並實施星期五演講會和聖誕節演講會

     1827年  出版著作「化學操作」(註22)

     1829年  首次貝克萊(Bakerian)演講(註23)

特別值得一提的是星期五演講會和聖誕節演講會的企劃和實施。忠於職務的法拉第在就任研究院院長時,認為改善研究所財政狀況也是自己的職務。因此決定舉辦收費的公開演講,希望能解決研究所的財政問題。不管在財政上成效如何,至今仍持續舉辦的這兩個連續性的演講,對於將皇家研究院的名聲推向巔峰有非常大的貢獻。對法拉第來說,就像我們在第一回中介紹過的,透過總結他最後一次聖誕節演講會內容的『蠟燭的科學』,法拉第不只是個科學家,更以一個演講家,以及對推廣科學做出偉大貢獻的的身分而名留青史。

 

★下回預告「化學家法拉第」。

 

 註解:
*1 The Royal Institution of Great Britain。
*2 查爾斯二世授予敕命狀時的名稱是 Royal Society of London。
*3 Fellow of the Royal Society: 以下簡稱為FRS。
*4 Sir Benjamin Thompson, Count Rumford (1753 - 1814): 英國殖民時代的美國科學家。否定Caloric Theory (熱質說) ,在熱力學領域有劃時代的成就。
*5 今天我們所說的「科學」在當時被稱做「自然哲學」。
*6 John Fuller (1757 - 1734),英國政治家,捐款成立了富勒講座教授職 (請參考第二回) 。
*7 Thomas Garnett (1766 - 1802): 英國化學家。皇家研究院首任教授。
*8 Thomas Young (1773 - 1829): 英國物理學家,生理學家。對於解讀羅賽塔石上的古埃及象形文字也有貢獻。
*9 Sir Humphry Davy (1778 - 1829): 皇家研究院第二任化學教授。
*10 Robert and Glace Davy: 生平不詳。
*11 Samuel Taylor Coleridge (1772 - 1834): 英國詩人。浪漫主義文學的代表人物,曾經和華茲華斯 (William Wordsworth)深交。
*12 Thomas Beddose (1760 - 1808): 英國醫師。醫院經營者。
*13 James Watt (1736 - 1819): 英國機械工程師。因改良Newcomen蒸汽機而推動了工業革命。
*14 Jane Apreece (1736 - 1819): 詩人拜倫的親戚。拜倫的女兒也曾在連載第一回登場過。
*15 雖然被認為是戴維的發明,但事實上很有可能是法拉第的發明。因為那種有組織又徹底的研究方法並不是戴維的風格而是法拉第的風格。
*16 James Stoddart: 英國工程師。
*17 Hans Christian Oersted (1777 - 1851): 丹麥物理學家,化學家。透過本身的發現為電學的蓬勃發展做出了貢獻。
*18 William Hyde Wollaston (1766 - 1828): 英國化學家,物理學家。其成就為鈀(Pd) ,銠(Rh)的發現等等。
*19 Richard Philips (1778 - 1851): 英國化學家。
*20 electromagnetic rotation。
*21 Director of the Laboratory。時常會被翻譯成實驗室主任,但是從1801-25年戴維,1825-57年法拉第,1857-1887年廷得耳的這個陣容來看,這應該是相當於研究院院長的職務。皇家研究院另有所謂President (總裁) 的職位,這就相當於私立大學的理事長,而Director of the Laboratory 則為校長。(譯註: 因中央研究院的院長為President, 原文作者又不樂見Director of the Laboratory被譯為 ”實驗室主任”,  因此譯者在文中將Director of the Laboratory翻譯成實驗所所長,President 為院長。又,原文作者在”戴維與皇家研究院”的第三小段最後一句寫著” 1801年他被任命為剛成立沒多久的皇家研究院的化學演講助手兼實驗主任” ,顯然有不同的標準)
*22 Chemical Manipulation: Being Instructions To Students In Chemistry, On the Methods Of Performing Experiments Of Demonstration Or Of Research, With Accuracy And Success: 1830年版有約670頁。是法拉第以自身經驗為基礎所寫成的詳細的實驗手冊。
*23 Bakerian lecture。皇家科學院於1775年創立的物理科學相關的演講。酬金很低(僅有數鎊) ,但能被選為演講者是很大的榮耀。
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原文出處:連載於『化学』,68(5),22(2013)(化学同人社)

作者:竹內・敬人 Takeuchi Yoshito,東京大學名譽教授,神奈川大學名譽教授。 1962年取得東京大學大學院理學院研究所博士學位。
責任編輯:陳竹亭,臺大科教中心主任、化學系教授。

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