【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。

尼羅河畔的幾個重要城市(由上至下):亞歷山大港(Alexandria)、開羅(Cairo)、亞斯文(Aswan)
(圖像來源:維基百科)

●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。)

《光學》拉丁文譯本(圖像來源:Internet Archive)海什木亦被譽為「眼科學之父」,從這張人眼解剖圖可知這個美譽其來有自(書眉的ALHAZEN為海什木的拉丁化名字)。

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!

一幅耐人尋味的封面畫,畫中人物是裝扮十分類似的海什木(左)與伽利略(右),該書作者則是十七世紀的歐洲學者Johannes Hevelius
(圖像來源:維基百科)

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。

 

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