【大宇宙小故事】08 女王與教皇

撰文|葉李華

指南針是中國古代的四大發明之一,但中國學者似乎並不關心它為何會指南。例如在著名的《夢溪筆談》中,作者沈括(1031-1095)雖然介紹了好幾種指南針的製作法,甚至提到「磁偏角」(然常微偏東,不全南也),卻完全沒有探討背後的原理。

反倒是西方世界,很早便出現頗具說服力的理論,認為北極附近有一座巨大的磁山。直到十六世紀,著名的地圖大師麥卡托(Gerardus Mercator, 1512-1594)都還堅信這個理論;在他所繪製的地圖中,我們很容易找到這座黑色的磁山。

麥卡托憑想像繪製的北極地圖(圖像來源:維基百科)

五個世紀匆匆過去了,如今連小學生都知道地球本身是個大磁鐵,而且磁極位於南北極附近。不過,這個事實究竟是何時、何地、何人以及如何發現的,知道完整答案的人恐怕不多。

●伊莉莎白女王的御醫

吉伯特像(圖像來源:維基百科)

話說公元1600年,英格蘭女王伊莉莎白一世(1533-1603)已至暮年,回顧這一生,她不禁感到志得意滿。

女王在位長達四十四年,開創了英國的「黃金時代」。無論在政治上、軍事上、經濟上、宗教上、文化上,這個歐洲的後起之秀都有空前的成就。

科學上也並未交白卷,就在這一年,《論磁石》這本重要的電磁學著作在倫敦出版,作者是女王即將任命的御醫吉伯特(William Gilbert, 1544-1603)。

根據當時的學術慣例,《論磁石》全書以拉丁文寫成,書名當然也不例外(De Magnete)。不過這個書名只是簡稱,完整的書名是《論磁石與磁性物體,兼論地球這個巨型磁石》。

這個冗長的書名很有創意,足以勾起讀者的好奇心,卻一點也沒有透露「地球是巨型磁石」這個結論是怎麼來的。

在公佈答案之前,讓我們先做個背景回顧:歐洲從十五世紀起進入海權時代,英國雖然起步稍晚,但緊跟在葡萄牙和西班牙後面急起直追,成就也不容小覷。而在那個航海活動盛行的時空環境中,醫生出身的吉伯特對地磁現象越來越感興趣,潛心研究十載左右,聰明的他便成為這方面的權威人士。

●劃時代的模擬實驗

為了證明「地球是巨型磁石」這個大膽假設,吉伯特自創了一個劃時代的科學方法。用現代語言來說,就是所謂的「模擬實驗」。

他用磁石製作一個地球模型,將磁極訂為南北極,然後利用特製的指南針,在這個模型附近來回遊走,仔細測量各點的數據(指南針的方向以及「磁傾角」)。完成這個模擬實驗後,他將自己的數據和當時航海家在世界各地所做的測量一一比對,發現兩者相當吻合。

換言之,吉伯特是藉著模擬實驗配合實地觀測,導出這個驚人的正確結論。

至於「磁傾角」為何是鐵證,讓我們用最簡單的方式說明如下:

若將指南針比喻為天平,除非你位於赤道,否則這個天平一定歪向一邊,而歪斜的角度就是磁傾角,它的大小會隨著緯度而增加。

磁山理論完全無法解釋磁傾角,即使在南北極各放一座磁山也不行。唯有將整個地球視為一大塊磁石,才能讓理論與觀測結果互相吻合。

《論磁石》插圖:磁傾角模擬實驗(圖像來源:Internet Archive)

至於沈括書中提到的磁偏角,主要成因是磁南北極和地理南北極並不一致。吉伯特雖然熟悉磁偏角的現象,卻錯將磁南北極當作地理南北極,以致在書中對磁偏角做了錯誤解釋,在此就不多做介紹了。

●不只磁學而已

《論磁石》全書共有六卷,除了磁學之外,還做了許多相關的探討,例如講述「靜電學」的篇幅就不少。

雖然古希臘人已經發現摩擦生(靜)電的現象──被毛皮摩擦過的琥珀具有吸引碎屑的能力──卻從來沒有給它取名字。為了必也正名乎,吉伯特從希臘文的琥珀(elektron)創造了「電」的拉丁文(electricitas),不多久,它就轉成了英文(electricity)以及其他歐洲語文。

而在實驗方面,為了檢驗物體是否帶有靜電,吉伯特發明了史上第一個驗電器,這種可簡稱為「電標」的儀器並不起眼卻相當實用。

《論磁石》插圖:電標(圖像來源:Internet Archive)

必須強調的是,《論磁石》雖然在磁學上有重大成就,但是在電學方面,吉伯特卻做出一個令人遺憾的結論:認為「電」與「磁」雖有相似之處(例如都有隔空的作用力),兩者卻有本質上的差異,不能混為一談。

由於《論磁石》是一本權威著作,直到一個半世紀後,隨著新證據的出現,才有學者敢於挑戰這個錯誤的論斷。

●撈過界的第六卷

基於對磁學研究的信心,吉伯特乘勝追擊,在《論磁石》的最後一卷,將地磁理論延伸到天文學的領域。

例如在本卷的第四章,他聲稱地球的自轉是受到地磁推動,因此自轉軸和磁南北極「剛好」重疊。

(像不像把地球看成一個天文級的馬達?)

如今誰都能一眼看出這個理論大錯特錯,但是它對天文學以及物理學的影響,絕對超出大家的想像。

影響之一,它激發了天文學家克卜勒的想像力,幾年之後,克卜勒便發展出自己的「萬有磁力」學說,用磁力來解釋行星繞日的運動,這正是1609年出版的《新天文學》這本書的中心思想。

影響之二,它主導了其後半個多世紀的重力研究,直到一六六零年代,英國皇家學會的成員(以胡克為代表)大致都還相信重力是一種磁力。

影響之三,牛頓於一六八零年代提出的萬有引力理論,骨子裡也有磁力的基因,那就是「大尺度的超距力」──雖然電和磁都屬於超距力,亦即隔空的吸力或斥力,但摩擦生電只是實驗室的把戲,唯有磁力能夠達到行星級的範圍。

由此可知,從吉伯特(經由克卜勒以及胡克)到牛頓,其間存在著一條微妙的思想脈絡,稱之為一脈相承也不為過。因此若請科學史家票選萬有引力的祖師爺,吉伯特想必能高票當選。

●天高教皇遠

身為哥白尼的忠實信徒,吉伯特在《論磁石》的第六卷詳細闡述了地球自轉的自家理論(公轉部分由於證據不足而有所保留),並以十足的火力對「地靜說」進行毫不留情的批判。

請注意,這本書出版於公元1600年,距離布魯諾被活活燒死頂多幾個月。而在十六年後,伽利略還因為主張地球並非靜止,受到一系列的宗教迫害,至死未能獲得平反。

落差實在太大了!為什麼吉伯特不必顧慮羅馬教廷,也不擔心什麼宗教審判?

或許我們可以說,是因為英國距離羅馬太遠,教廷的勢力鞭長莫及,正如磁力會隨著距離衰減。不過,這個答案只能勉強及格而已。

如果想拿高分,就一定要從伊莉莎白一世談起。

就在女王出生那一年,其父亨利八世以國王的身份和羅馬教廷公開決裂。用歷史名詞來說,就是亨利八世搭上「宗教改革」的便車,自立門戶成立了「英國國教」。

在宗教改革所出現的新興教派中,要數英國國教對自然科學的態度最開明。相較之下,馬丁‧路德開創的「路德宗」就比較保守一點(所以克卜勒也受過一點迫害,但比起伽利略又幸運多了,有機會再詳述吧)。

雖然後來英國國內的舊教勢力再度抬頭,但由於伊莉莎白一世是堅貞的新教徒,在她登基之後,舊教勢力很快便式微,新教從此在英國取得主導地位。

因此,不論是吉伯特或是幾十年後的胡克、牛頓與哈雷,他們之所以能毫無顧忌地探討太陽系的真相,真正原因是羅馬教廷對英國毫無約束力──正如同磁鐵只能吸引磁性物質,對於金銀銅錫則無能為力。

 

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