23,295 views

【劇場實驗室系列之一】你看得見「真空」嗎?

Posted in: Featured Articles 精選文章, Science&Magic 科學魔術- 八月 11, 2010 1 Comment

「放空」似乎是現代人嘗試脫離緊張生活時最希望做的事(也是打混、發呆、瞌睡、或恍神時最常用的藉口),但此放空在心靈世界或許容易達成,我們似乎只需讀懂並做到《般若波羅蜜多心經》中,觀自在菩薩和舍利佛對話中的「空」,或就真的能放空了。聽起來容易,那在物質世界呢?

物質世界的「空」一向是自古以來人們嘗試去了解、找尋、或反對的。十七世紀前,大多數會思考這個問題的人都不認為「真空」是可能的或存在的。若用「存在」的概念來去想,他們並不認為上帝所創造的「空間」會有什麼理由是「空」的,因此,在扣掉所有可經驗可應證物質之後,最後不得已便發明了一個叫做「以太」(ether)的東西來填充,甚至支撐這個空間[1]。因此,就算什麼都看不見,他們認為整個宇宙除了看得見摸得到的物質外[2],都是由沒有質量看不見得以太所填充,天上的星體都「浮」在以太上。畢竟,要人們想像天上的星體沒有什麼「東西」撐著而不掉下來是極為困難的事情。

如果說十七世紀初義大利物理學家托里切利( Evangelista Torricelli, 1608~1647)的氣壓計所產生的神奇「真空」,在當時造成了多大的爭論,那 1654 年馬德堡市長 ?Otto von Guericke 用三十匹馬拉動真空密合半球的實驗,無疑是大型戶外科學實驗表演的最佳典範。為了證明大氣壓力有多大,當時用兩隊各十五匹馬拉動兩個因抽去空氣而成「真空」密合的半球,總共三十匹馬的力氣卻拉不開這個半球,這個表演一方面向世人展示大氣壓力是如此超乎想像的大,另一方面也證實了半球中的真空「是真的」!!如此的大型戶外實驗表演,科學家所闡述的科學論點,透過了公眾的示範實驗,妝以濃厚的表演性質,使整個科學實驗充滿了娛樂效果。這些表演不僅無損實驗所欲揭櫫的科學概念,更引發了世人對過去一千多年來關於物質空間論的質疑。

1654 年馬德堡市長 Otto von Guericke 所做的「馬德堡半球」實驗(Magdeburg hemispheres),繪製者為十七世紀德國科學家 Gaspar Schott(1608~1666)。(圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Magdeburg.jpg)

我們都從理化或物理課本上學過「波以耳定律」[3],但恐怕學校老師並不會告訴你,原來當時波以耳(Robert Boyle, 1627~1691)實驗背後有多少的辛苦與尷尬(有可能老師自己都不知道)。波以耳是蘇格蘭人,其父親理查.波以耳(Richard Boyle)是當時全英國最富有的貴族,其身後所留下來的大量財富和房地產,足以讓其兒子在私人莊園中成立自己的大型科學實驗室。1654 年,二十七歲的波以耳前往位於牛津(Oxford)的祖傳領地,他在那裡聘請了一個窮困但有細心、耐心、以及實做精神的年輕人-虎克(Robert Hooke)擔任助手,開始投入空氣幫浦(air pump)的研究。

波以耳和虎克大大改良了前人所製造的空氣幫浦,他們所製造的幫浦,不僅不需大量的水來製造壓力,也不像之前的幫浦那樣難以安裝與操作(Shapin, S. & Schaffer, S., 1985, p. 26)。新的幫浦讓兩位羅伯特非常容易進行科學實驗。根據文獻記載,他們利用這個幫浦總共進行了四十三次所謂的「物理機械新實驗」(New Experiments Physico-Mechanical)。波以耳嘗試用幫浦將空氣「盡可能」地抽空之後,利用一種他稱為 diachylon 的特殊水泥接合劑來將容器上方出口密封,波以耳便以此「什麼都沒有」的容器來證明其對「真空」的理論。

波以耳的第一個空氣幫浦,由其助手 Robert Hooke 所製作(圖片來源:Shapin, S. & Schaffer, S., 1985, p. 27)

有趣的是,究竟要怎麼用這樣「什麼都沒有」的容器來證明「真空」的存在呢?在當時,普遍大家都認為空氣是生物生存的必要條件,因此,若能證明在波以耳的神祕容器中,生物無法呼吸而死亡的話,那大概是最具震撼性的實驗了。十八世紀中葉英國畫家約瑟夫.萊特(Joseph Wright, 1734~1791),便透過巴洛克繪畫最具光影效果的內光畫法,戲劇性地描述了這樣的一個實驗表演。

《一隻鳥的空氣幫浦實驗》(An Experiment on a Bird in the Air Pump),由十八世紀中葉英國畫家約瑟夫.萊特(Joseph Wright, 1734~1791)所繪。此畫作目前收藏並展示於英國倫敦的國家藝廊(The National Gallery)。

在這幅畫中,真空幫浦上方玻璃容器中的鳥因為空氣被抽空而瀕臨死亡邊緣,下面少女不敢目視的神情說明了一切。四周參與的王公貴族們帶著驚訝中看好戲的神情,議論紛紛在緊張的氛圍中交錯。畫面中的科學家(當時稱作自然哲學家,natural philosopher)及其助手,用誇大的手勢,與一面安撫又一面慫恿少女觀看的動作,為這幅描寫十七世紀真空實驗的畫作填滿了戲劇的張力。 波以耳便是以這般手法,在其私人莊園實驗室中,為絡繹不絕的王公貴族賓客們,一次又一次地上演這齣「真空」好戲。英國劍橋大學科學史學家 Simon Schaffer 在其著名的著作「利維坦與空氣幫浦:霍布斯、波以耳與實驗生活」(‘Leviathan’ and the Air-pump: Hobbes, Boyle, and the Experimental Life)一書中[4],說明了波以耳便是利用這種視覺性的「事實證明」來強調其實驗結果對科學理論的重要性(Shapin, S. & Schaffer, S., 1985, p. 61)。若這個真空實驗是一種科學表演儀式,則實驗中所犧牲的鳥或老鼠便是這個科學儀式的祭品。

這樣形式的私人科學實驗表演,在越搞越大之後,不僅沒有讓當時的觀眾覺得太戲劇性或表演性質搶過科學研究主體,使得節目做不下去。相反地,日常閒閒沒事做只會到處跑趴的王宮貴族們,因為類似這樣的表演節目實在太過空前,到最後將這些原本僅止於私人莊園實驗表演的節目,賦與學術與官方的地位與頭銜。1660? 年 11 月於倫敦成立的英國皇家科學學會(The Royal Society)以及其隨之而來的科學實驗計畫,便提供了這樣的舞台。 Royal Society 成立時的正確全名為 Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge,其中「自然知識提升」的方法之一,便是這樣結合表演娛樂效果的科學實作。

Thomas Sprat (1667) 於其著作 History of the Royal Society 中所繪製的卷頭插畫,畫中顯示波以耳的科學實驗於當時科研社群的社會地位是無可取代的。(圖片來源:Shapin, S. & Schaffer, S., 1985, p. 33)

看來波以耳的空氣幫浦與真空實驗成功地將他推上了當時社會地位與實驗科學代表的寶座,但這些實驗真的都成功了嗎?事實上,由於實驗過程的設計有問題,以及器具有漏氣的麻煩,使得實驗的結果不全然理想。但波以耳利用其擅長的口語與表演專長,掩蓋了這些實驗缺失。在整個表演活動中,波以耳扮演了實驗者與實驗結果的第一線目擊者,透過他的口語闡述與表演設計,反而周遭觀眾並非第一線的實驗結果目擊者,他們所看到的,充其量只是「被包裝過」的「事實證據」。

綜上所述,我們可以了解到科學實驗與表演的結合,不僅是「淵遠流長」,更在當時的社會與社群間的知識產生與傳播,產生了極大的效果。這樣的結合,究竟在我們今日所謂「科學知識的傳播」上,帶來了怎樣的啟示與警醒,或許是從事科普傳播者所需思考與反省的。類似這樣結合科學實驗與表演的歷史公案還有後來虎克(就是本文中波以耳的得力助手)的顯微鏡實驗,相關內容將於下一篇系列文章中介紹。

你看得見「真空」嗎?沒有科學家絞盡腦汁地用各種方法,想辦法去呈現去證明,甚至用幾近魔術表演的手法來呈現「事實」。對於相信「眼見為憑」的普羅大眾來說,科學語言是需要被翻譯被解讀的,波以耳便是利用他的表演專長,以及現場示範,讓觀眾「看見真空」。


【參考書目與延伸閱讀】

Dear, P. (2001). Revolutionizing the sciences: European knowledge and its ambitions, 1500-1700. UK, Hants: Palgrave.

Dear, P. (1995). Discipline & experience: The mathematical way in the scientific recolution. US, Chicago: The University of Chicago Press.

Hacking, I. (1983). Representing and intervening: introductory topics in the philosophy of natural science. UK, Cambridge: Cambridge University Press

Shapin, S. & Schaffer, S. (1985). Leviathan and the ari-pump: Hobbes, Boyle, and the experimental life. US, Princeton: Princeton University Press.

Shapiro, B.J., (2000). A culture of fact: England, 1550-1720. US: New York: Cornell University Press.


【註】

[1] 這種論點大致可被歸類為所謂的「物質空間論」(plensim)。此論點主張空間中必定充滿物質,「真空」是不可能的。這個概念的最大發揚者正是古希臘大哲學家亞里斯多德(Aristotle),細節可參閱亞里斯多德《物理學》(Physica)的第四書(the Fourth Book)。

[2] 自從古希臘亞里斯多德提出「水」、「火」、「氣」、「土」四個構成物質的基本元素理論後,人們相信除了四元素外,填充並支撐整個宇宙星體的,便是「以太」。

[3] 波以耳定律定義了恆溫下,密閉空間中氣體與容器體積的反比關係:PV=k

[4] 這本書中,作者主要是透過霍布斯與波以耳對真空定義與論述方法的對立,闡述當時科學理論與實驗間方法論上的爭論,並討論知識的形成在包含政治在內的社會結構中是如何運作的。這本書被視為與孔恩(Thomas S. Kuhn)的「科學革命的結構」(The Structure of Scientific Revolutions)一書同樣重要的科學社會學著作。

One Response to “【劇場實驗室系列之一】你看得見「真空」嗎?”

  1. 回覆 sigo says:

    Joseph Wright畫中的那位自然哲學家長得好像愛因斯坦!

Leave a Reply