【物理史中的四月】1661 年 4 月 10 日:虎克(Robert Hooke)記載毛細管作用的小冊子

1661 年 4 月 10 日:虎克(Robert Hooke)記載毛細管作用的小冊子

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2013 年 4 月)

17 世紀的科學家虎克(Robert Hooke)最知名的是以他為名的虎克定律,以及他的經典著作《微物圖解》(Micrographia),這是一本詳細記錄他在顯微鏡下觀察日常物品的專書,完全以令人驚奇的圖解呈現。然而虎克的興趣很多元,在他最早期的研究中有一關於毛細作用現象的小冊子。

虎克誕生於威特小島的一個牧師家庭,起初跟他的三個哥哥一樣注定要當牧師,但他為嚴重的頭痛所苦,學習很困難,於是他父母放棄讓他接受正規教育。年輕的虎克喜愛大自然,精通修補機械,建造出可運轉的鐘,以及可發射炮彈的船模型等儀器,他也很有繪畫天份。當他父親過世後,13 歲的虎克到當時最著名的肖像畫家雷利(Peter Lely)處當學徒。

然而,虎克抱怨油畫顏料和亮光漆讓他胸痛。他認定學徒生涯只是浪費時間和金錢,於是離開到西敏公學(Westminster School)就讀,在那裡他精通古語文,學習彈奏風琴,試驗飛行機器,據說還只花了一星期就精通了希臘數學家歐基理得(Euclid)的書《幾何原本》(Elements)中的前六卷。他寄宿在校長巴斯比(Richard Busby)家裡,校長成了虎克最早的導師。

1653 年,虎克成了牛津大學基督堂學院(Christ Church, Oxford)的唱詩班歌手,得以和當時幾位頂尖的英國科學家交往。他從未獲得正式的學位,但曾短暫地當威里斯(Thomas Willis)1的化學助理。1658 年,他當波以耳(Robert Boyle)的助理,利用他的機械技術建造波以耳氣泵的改良版,並精通了化學和實驗室的實際技巧。

虎克還深深著迷於海上航行船隻時間保持準確的挑戰──那是找尋準確測定經度的關鍵。當時的擺鐘無法適應船的搖晃,於是他想出使用發條來控制擺輪。他的實驗成功了,他更進一步請律師為他的發條控制時鐘的設計起草專利,期待能為他帶來財富。但當他獲知更多法律上的複雜性後,他選擇放棄專利申請。惠更斯(Christiaan Huygens)後來於 1675 年發表了他自己的發條擺機械。

虎克從事於許多其他的科學興趣,而他們那一群科學同事卻關心保存他們的研究成果。他們決定成立自己的哲學學會,第一次物理數學實驗學習促進會會議於 1660 年 11 月 28 日,在格雷斯罕學院(Gresham College)舉行,有十多位科學家參加。

1661 年 4 月 10 日,就在這樣的一次會議中,虎克對著來參加的同事發表了他的第一次科學發現。他看著一本小冊子大聲地唸著,說明試管越窄,裡面的水就會上升的越高,原因就是我們現在所稱的毛細作用。

1662 年,虎克被任命為現在稱為皇家學會的實驗執行長,負責每星期聚會所做的實驗,起初他未收取任何服務酬勞。1663 年 6 月,他被推選為學會會士,隔年學會給他少量津貼,並任為終身的實驗執行長。1665 年,他終於受聘為格雷斯罕學院的幾何學教授,終得以在經濟上穩定。

同一年《微物圖解》的出版鞏固了虎克在科學界的聲譽。當時的報導都形容他是一位「瘦削、駝背的醜男人」,虎克對此嘲諷極度敏感。因此他對劇作家夏德威爾(Thomas Shadwell)的諷刺喜劇《技藝超群者》(The Virtuoso)很沒好感,因為劇中一位實驗科學家的漫畫很清楚地在畫虎克。他看完演出後氣憤地在日記上寫道:「該死的東西,祈求上帝替我復仇,大家幾乎都針對我」。

雖然虎克被他同時期的牛頓奪去了大部分的光芒,但他做為發明家以及科學儀器的設計者,在他的時代是無人能及的。他發明複合顯微鏡、輪形氣壓計、以及現今用在所有機動車輛的萬向接頭(虎克接頭)。他是最早知道改進天文儀器解析度重要性的科學家之一,建造了反射望遠鏡,利用它來觀察火星的自轉,注意到雙星最初例子之一。虎克也是有造詣的建築師,提供測量員的服務,在1666 年倫敦大火之後,設計了許多倫敦的建築物。

虎克晚年健康惡化,他深受心血管疾病和糖尿病所苦:雙腿腫脹、胸痛、暈眩、消瘦、雙眼失明。1703 年,3 月 3 日,虎克辭世。

虎克有關毛細作用的簡單小冊子並非此現象為科學令人感興趣題目的最後一次,它也是所謂霜花(或冰繐、帶狀冰)形成的背後原因。霜花最先是天文學家赫歇耳(John Herschel)在一個冬天的早晨步行過樹林時注意到的。1884 年 3 月,《自然》期刊報導一位史瓦貝(Schwalbe)教授,在一個柏林物理學會會議中,將他從德國中部的哈次山(the Harz Mountains)帶到會中的枯萎腐爛樹枝,成功地製造出他自己的霜花。

1914 年,美國國家標準技術研究所一位物理學家寇布倫茨(William Coblentz),在華府岩溪公園(Rock Creek Park)漫步時注意到霜花。當他觀察他第一次看到的霜花時,他想知道霜花形成的物理機制。於是他將樹枝切割下來,插入潮濕的土壤和試管中,紀錄水在枯枝中上升的速度,並想出如何在實驗室中長出冰繐的方法。他下結論說,結成冰的水是來自於枯枝裡面,並非得自空氣中的溼氣,而形成冰繐是由於毛細作用。

長在朽木上的細微冰鬚

註1:Thomas Willis(1621-1675),知名的醫生,在解剖學、神經學和精神病學方面卓有貢獻,是皇家學會的創始人之一。

 

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