【科學大人物】法拉第不為人知的一面(四):化學家法拉第

■如法拉第對於地位﹑名譽﹑財富和權力完全無欲無求的科學家恐怕是難求了吧。 雖然他的成就能帶給他名利,但是他卻堅持信念,頑固地不斷抗拒,度過了真可說是為科學而生,又殉道於科學的清高一生。

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圖片來源|www.wpclipart.com

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)

不管是在哪一個領域從事學術研究的人,對於自己的第一篇論文 --- 當然這裡指的是在學術雜誌上發表的 --- 不管寫得如何,一定都有特別的感情吧。在研究生涯中有過許多重大的發現,進而寫出許多曠世論文的法拉第也不例外。

這篇論文是前一回介紹過的,法拉第以助手身分跟著戴維到歐洲旅行時的產物。此話要從長說起:當時英國與法國長年交戰,1812年(註1)拿破崙慘敗給和英國有同盟關係的俄羅斯,而拿破倫又在此時因戴維的學術成就頒發了拿破崙獎給身為敵對國家人民的戴維。戴維的歐旅計畫是要去領取拿破崙獎,順道和歐洲的有名科學家進行討論。如果有需要還要試做些簡單的實驗。這個旅行戴維夫人(註2)也同行。除了需要研究助手,毫無疑問也需要僕役隨行。可是本來預定要同行的僕人因為害怕在戰爭的時候前往敵國,所以拒絕同行。在這樣的情況下,法拉第就不得不兼做僕人的工作。

法拉第當時才二十出頭,年輕力壯,加上有過當學徒的經驗,所以並不太在意旅行中要當僕人。問題出在戴維夫人身上,她只因為法拉第出身卑微就總是瞧不起他,把他當作僕人使喚。法拉第將累積的不滿和不愉快的感覺抒發在寫給友人Abbot(註3)的信中,而戴維夫人之後也因為這封信而在科學史上「留名」。

但是旅行本身帶來了許多收穫。戴維證明安培(註4)等人帶來的樣品裡所含的物質是新元素碘。還在翡冷翠進行燃燒實驗證明鑽石的組成分只有碳元素。這些實驗進行的時候,法拉第都以助手的身分在場親眼見證了科學的進步。此外法拉第還常有和許多科學家面對面討論的機會,留給那些科學家良好的印象,並且與其中一些科學家從此保有書信往來的關係(註5)。簡而言之,這次的大旅行對法拉第來說就是個「壯遊」(註6),而同行者正是相當於家庭教師的戴維。

法拉第聽從戴維的建議,將義大利的托斯卡尼的石灰石樣品帶回倫敦,將其分析得到的結果整理成題名為「天然石鹼性灰石分析」(Analysis of Native Caustic Lime)的論文。這篇被刊登在《科學季刋》Quarterly  Journal of Science (譯註: 原文誤植為 Quaterly ) 的論文就是法拉第的第一篇論文。

法拉第在1859年將他電磁學以外的論文整理成名為「化學與物理的實驗研究者」(Experimental Researchers in Chemistry and Physics)的書出版 (下圖所示為第一面)。在這本書的起頭法拉第就放上那篇論文,並且在註腳寫下「在寫這篇最初的論文之前,我想都沒想過自己會要寫科學論文」。連法拉第這樣偉大的學者也有這樣的時期。

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左圖為「化學與物理的實驗研究者」的第一頁;右圖是戴維和法拉第走訪過的地方。

參與大發現
戴維的大旅行並不是以觀光為目的,旅行的計畫是要盡可能地和歐洲大陸的學者討論,資訊交流,必要的話也想作點實驗。因此行李之中需要加上便於攜帶的實驗器具組,而且必需要實驗助手法拉第同行。這個大旅行在化學上的主要成果之一就是確認了碘是一種元素。這個研究成果竟然是在旅行中,而且是在外國獲得,雖說時空背景和現代不同,仍然是件非常罕見的事。

事情的經過如「元素的發現」(Discovery of the elements)(註7)這本書中以所述:「最美元素之一的碘在1811年被柯特瓦(B. Courtois)(註8)首次觀察到。……這個物質的元素性質分別由英國人戴維和法國人給呂薩克(註9)以各自的實驗證實。戴維的實驗顯示碘蒸氣接觸用伏打電流燒紅的碳絲並不會被分解。」

這段時間發生的事情也被記載在法拉第的日記裡。順道一提,法拉第在這段大旅行的其間常常寫日記,也寫了很多給家人和朋友的信件,這些日記和書信被集結成一本書(註10),生動地傳達了法拉第當時的所見所聞。在此筆者試著引用法拉第的日記,為了更好讀,文章略作修改。

1813年11月23 日 (二) 巴黎

  今天早上,安培先生等三人來訪,將大約兩年前柯特瓦發現的新物質帶來給戴維教授看。取得這個物質的方法未被公開,但據說從隨處可見的東西中能夠取得相當多的份量。

  這種物質令人驚訝﹑矚目的性質譬如加熱之後會有深紫色的蒸氣冉冉升起。法國化學家做過這個實驗,以及將硝酸銀加入這種物質的酒精溶液中使之沉澱的實驗。戴維教授以旅行用的實驗器具做了幾種實驗,(剛開始)他似乎認為這種物質可能是氯和未知物質的化合物。

  這一小塊閃耀深紫色的光芒,幾乎是黑色的,外觀看起來就像是石墨。使之昇華也無法改變,仍然會回到結晶的狀態。如果只是要少量汽化,那麼一點點的熱就已經足夠,只要用手溫加熱裝著這種物質的瓶子,瓶子的內部就會變成紫色。加入硝酸銀會產生沉澱物。取一點沉澱物放在紙上,陽光照射之後顏色會變淺。

接下來還有若干實驗結果被記錄下來,其中以使用了碘(the iodine)這個字最為有趣。這一天的日記以以下的段落收尾。

  「但是很可惜我完全不懂(這個國家的)語言。要是我懂的話應該就能學習到更多和這個奇妙的物質有關的知識吧。有關這個物質的主要性質我應該都已經記錄下來了。將來相關知識應該會更充實吧。戴維教授似乎不再認為這個物質含氯。」

對科學家來說外文的重要性無論古今都同樣重要!有關碘的討論20天後又被提起。

   1813年12月11 日 (六) 巴黎

   戴維教授今天一整天都在用伏打堆做這個現在被稱做碘的新物質的實驗。這個電堆是我去跟 薛伏霍爾(Chevreul )先生(註11)借來的。電堆是以直徑約4英吋的石墨和銅的圓板組成,其中之一的表面全部用焊錫連結在一起。……使用這個以24對圓板和含有少量硝酸的氯化銨溶液所組成電堆將碳和白金的細線燒到灼熱。但是這個灼熱的線仍然無法對紫色的氣體造成任何影響。我們應該將這個物質視為單體(simple body: 以今日用語來說就是元素)。

就這樣,對法拉第來說這趟壯遊成果非凡。

 

發現苯
倫敦在1809年開始使用瓦斯燈做為街道照明用的路燈,而且這種路燈迅速地普及開來。當時使用的瓦斯是將鯨油加熱分解之後所產生的氣體,問題是從這些氣體中分離出夾雜的油狀物質。當時法拉第接受業者的委託,以不到一個月的時間就確認了這種油的沸點為86°C,實驗式為 C_{2}H_{2} (註12) ,並將之命名為雙碳化氫(bicarburet of hydrogen),並將這項研究於1825年6月16日在皇家科學院做口頭發表,論文則投到「科學會報」-Philosophical Transaction。這篇論文也被收錄在「化學與物理的實驗研究者」之中。

這種新化合物在1834年被德國化學家密雪利希( Mitscherlich)(註13)改名為苯。化學界,一般認為即使法拉第沒有其他成就,光的憑發現「苯」就足以歷史留名、永垂不朽。此外法拉第在發現苯的兩年前,也就是1823 年的3月5日成功將氯氣液化,這項技術是揭開低溫化學序幕的偉大成就。

不如期望順利的研究

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實驗室裡的安德生(Anderson)。畫名《Sergeant Anderson in the Basement Laboratory》,Harriet J. Moor 繪,1852 年。

讓法拉第遇到更多困難的研究是光學玻璃,也就是鏡片用的玻璃改良計畫。這個計畫是皇家科學院和海軍部帶進來的。計畫裡組織一個小型的委員會,法拉第的責任是負責指導光學玻璃的製作。都倫(Dollond)(註14)負責研磨鏡片,赫雪(Herschel)(註15)進行光學性質測定。

從1825年開始執行的這個計畫徒勞無功。這項計畫結束時,法拉第向負責當局抱怨這個工作真是浪費時間。因為不但妨礙到他自己的研究,而且得到的結論是光學玻璃無法改良。

根據詹姆士(James)(註16)的調查,從1827年12月3日起至1829年12月2日止,法拉第工作的 507 天中有 337天都放在玻璃的研究。1829年年底他終於放棄了這個工作。這件事發生在戴維死後沒多久,恐怕不能說是一個偶然。

但是,為什麼法拉第會被這個沒有結果的計畫綁住長達五年呢? 答案還是跟他的宗教信仰有關。身為山德門(Sandemanian)教派信徒,法拉第對他的老闆包括皇家研究院﹑政府以及政府各機關都有強烈的責任感。如果計畫成功,那可預期研究院也多少會有收入進帳。為了如此他付出了5年的時間研究光學玻璃。直到這個計畫中止之後,他才終於可以將時間用在自己想做的研究上。

看起來再怎麼糟糕的事其實也有些光明面。在這個毫無收穫的研究計畫中也能找出三件好事。一是和赫雪成為好友,二是能雇用到安德生(Anderson)(註17),三是其中一項試作的成品後來在1845 年有助於法拉第發現磁光效應。法拉第終其一生沒有收過學生,對他來說 安德生就是唯一的助手。

當大學教授好還是當實驗所所長好
1825年,法拉第升為實驗所所長時的年薪是100英鎊,而布蘭德的年薪是150英鎊。考慮到法拉第對皇家研究院的忠誠,無法想像他會表達什麼不滿。再者,1826年創立的倫敦大學在1827年邀請法拉第去擔任化學系教授,若他所追求的是教授的頭銜和更高的年薪,那大可離開皇家研究院改投新職位的懷抱。可是他拒絕了這項邀請,選擇留在皇家研究院。

在1829年,皇家陸軍軍官學校前來徵詢法拉第是否願意擔任他們的化學教授。法拉第當時本來也有些動搖,但由於此時戴維已逝世,看起來可以在皇家研究院自由地做研究,於是法拉第答應當軍官學校的客座教授(不是專任教授) 。一年授課25回,年薪可得200英鎊。這份工作法拉第一直做到1852年,共23年。這是隨著工業革命的進展兵器也隨之進步,連軍官也被要求要有些科學知識的時代背景產物。我們不清楚法拉第對英國陸軍的現代化有多少貢獻,但從法拉第的繼任者是火藥權威亞伯( Abel)(註18)來看,可以一窺軍官學校想要的是什麼。

1833年法拉第因皇家研究院大金主富勒的捐獻而成為富勒講座教授,這個職位的年薪為100英鎊。就這樣法拉第得到了皇家研究院教授的頭銜。因為布蘭德直到1854年都在教授的位置上,因此捐款指名法拉第而增立的這個富勒講座對他來說是件可喜可賀的事。

法拉第對國家和公家機關的忠誠的另一個表現,在於他和三一學院(Trinity House)(註19)長年不遺餘力的合作。三一學院是總管圍繞英國領土海域安全相關業務的組織。它的工作不僅只有燈塔,還包括浮標及領航。在那個沒有飛機的年代,長距離的運輸,重物的運輸都靠海運。因此燈塔的重要性是今日燈塔無法並論的。

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英國對燈塔技術革新的需求漸強,法拉第接受三一學院 的委託,於1836 年以年薪200英鎊就任顧問職。法拉第針對該如何得到穩定的照明提出各項建議並且進行改良。由於後來從油燈照明轉換為電燈照明的時代來臨,因此法拉第的經驗格外有用。

這份工作法拉第一直做到他晚年的 1865 年為止,這大概是因為他感到對這個職務有份使命吧。但這可是一件甚至要在暴風雨的天氣裡,乘著小船出海看看燈塔的光能夠傳到多遠的苦差事 。法拉第也曾經在前往目的地燈塔的路上,因為下雪鐵路不通,而要徒步穿越積雪的曠野,再攀越圍牆才能抵達燈塔,而且這還是在他70歲時發生的事。

在法拉第及他之後的時代,幾乎所有英國著名的科學家都有爵士(Sir) 的稱號。法拉第當然也有被徵詢過意願,但是他沒有接受。其理由應該就像第一回所提,因為他排斥那個極帶政治色彩的制度,還有該制度和山德門的教義相牴觸。再者,在戴維得到爵士頭銜之後,法拉第感覺戴維疏於研究,甚至可說是墮落,大概也是理由之一。

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法拉第使用過的實驗室和教育用的燈塔,1988年起停止使用。

1835年法拉第拒絕了首相墨爾本(Melbourne),以有點失禮的態度主張設市民年金(Civil List Pension)(註20)。之後,皇室親信以「您毫無疑問夠資格獲頒市民年金」說服法拉第接受。在這一件事上也看得出來法拉第德性上的潔癖。

1858年起的19年間,法拉第伉儷接受維多利亞女王的王夫亞伯特(Albert )親王(註21)的安排,得以入住漢普頓宮由皇室持有的 葛莉絲鍾愛宮(Grace and Favour House)(註22)之一。當親王提出建議時,法拉第曾經以付不起修繕費用為由,考慮婉拒。據說皇室獲悉後為了免除法拉第的顧慮,而負擔了這筆費用。

這兩項待遇都是國家對法拉第長年貢獻所做出的回報。和法拉第偉大的成就相比,不能不說實在是太微薄了。但這是法拉第一生貫徹的風格,也都是他自己權衡合理接受的結果。

最能表現法拉第一生風骨的,是他在晚年的兩次「推辭」。1858 年他拒絕就任皇家科學院院長的邀請,這可是對一個科學家來說最光榮的職位。他拒絕的理由是「就算我用盡全力大概也撐不了一年」。大概是因為對政治沒興趣,所以想要避開和政治有關的事物吧。從現在仍保存之法拉第和前來邀請使者面談時的油畫來看,當時一定是個轟動的新聞。因為以常識判斷,一般人是不可能推辭這項邀請的。

1864年皇家研究院院長的就任邀約也令法拉第十分為難。他說,「這和我到目前為止的人生和想法不搭。」對於打算做皇家研究院的僕人,為了皇家研究院的利益而戳力工作的法拉第而言,他實無意扮演握政治力量的主人角色。這正是法拉第之所以為法拉第。

 

★下回預告「兩個演講」。

 

註解:
*1請您回想起柴可夫斯基的「1812序曲」。
*2Jane Apreece (1780 - 1855) 詩人拜倫的親戚。拜倫的千金也已經出場過了。
*3Benjamin Abbott: 詳細不明。和 Abbott 互通的書信是了解有關青年時期法拉第的重要消息來源。
*4André– Marie Ampère (1775 - 1836):法國物理學家,數學家。建立電磁學的一人。留名於電流的單位安培。
*5於旅程中相識,之後深交的有安培與伏打,及(少年時期的)Auguste de la Rive 〔(1801 - 1873):瑞士/法國科學家〕。除了和Auguste de la Rive成為一生的友人,還在1820年代和安培頻繁通信討論電磁學,伏打送給法拉第的電堆至今仍被保管於皇家研究院。法拉第還聽過給呂薩克的演講。
*6Grand tour: 當時英國上流社會子女於學業完成時,有家庭教師同行的前往歐洲大陸的壯遊 。
*7 M. E. Weeks,H. M. Leicester 著,大沼正則監譯,『元素発見の歴史』第三卷,朝倉書店(1990),p.774。(譯註: Discovery of the Elements by Mary Elvira Weeks and Henry M. Leicester)
*8 Bernard Courtois (1777 - 1838): 法國化學家。
*9 Joseph Louis Gay-Lussac (1756 - 1832): 法國化學家。因氣體反應體積定律為人所知。
*10 B. Bowers,L. Symons eds., “Curiosity perfectly Satisfied: Faraday’s travels in Europe 1813 – 1815,” Peter Peregrinus Ltd., London (1991)。
*11 Michael EugèneChevreul (1786 - 1889): 法國化學家。因脂肪酸的研究為人所知。在當時來說他是驚人地長壽,而且他到去世前還不斷地做研究。(譯註: 應為Michel EugèneChevreul之誤)
*12 當時認為碳的原子量為6因此才會用「雙碳(biscarburet)」。若原子量為12則其實驗式就成為 CH。
*13 EilhardtMitscherlich (1794 - 1863): 德國科學家。因提出類質同形律(Law of isomorphism)為人所知。
*14George Dollond: 英國的玻璃工藝師傅。詳細不明。
*15 Sir John Frederick William Herschel, 1st Baronet (1792 - 1871):。天王星發現者William Herschel的兒子。在數學﹑天文學﹑化學和攝影領域都有成就。
*16 Frank A. J. James: 皇家研究院科學史教授。著有許多有關法拉第的著作。
*17 Charles Anderson (1791? - 1866): 前砲兵中士。雖說是助手但並不是協助研究的助手,只是負責單純的勞動。但是他忠實無比又沉默寡言的性格正是法拉第當時需要的。他至死都幫法拉第工作。
*18 Sir Frederick Augustus Abel (1827 - 1902): 和(發明保溫瓶的) Dewar一起發明了無煙火藥,曾與諾貝爾爭奪專利。
*19Trinity House: 1514年奉亨利八世之敕命狀設立。
*20Civil List Pension: 雖然有附每年300鎊的年金,但不是一般的年金,而是比較接近勳章性質的東西。
*21Francis Albert Augustus Charles Emmanuel, Prince of Saxe-Coburg-Gotha (1819 - 1861): 在英國被稱為王夫( prince consort, 代表女王夫君的稱號)。在其祖國德國受過科學教育,非常尊敬法拉第。
*22 Grace and Favour House: 漢普頓宮 (Hampton Court Palace) 是在倫敦東南邊的舊皇宮。位於查令十字車站西南方約20公里處。其中有許多Grace and Favour House,法拉第曾經居住於其中之一。
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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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