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第六十八期:教師通識素養的條件與養成

牛頓與詩人的彩虹:淺談科學之美


文/梁家祺 元智大學通識教學部主任
 話說西元1666年,埋首暗室做實驗的牛頓,在窗板上開了一個小洞讓陽光照進來,他用自己磨製的稜鏡使光線折射到對面牆上,看到鮮豔而強烈的彩色光譜,他很驚訝發現,光譜是長橢圓形而不是預期的圓形(圖一)1,各種色彩條紋水平橫列,兩端弧形則是藍色與紅色。牛頓為了研究這個現象,加了第二個稜鏡與第二塊板子,在木板上鑽孔,藉由移動第一個稜鏡的位置來篩選不同的色光穿過小孔,於是便能觀察到不同色光發散的狀況,這就是有名的「關鍵性」實驗(圖二)。從這個實驗中牛頓觀察到,每一色光從紅到紫單獨通過第二個稜鏡時,折射的現象逐漸變大,但顏色卻不會改變,折射的不同就是橢圓形的成因,若所有顏色的彎曲度相等時,光譜應會是完整的圓形。因此牛頓提出,太陽光是由折射能力不同的幾種射線混合而成,每一種射線都是不能再分解的單純色光,牛頓的稜鏡分光實驗證明陽光是由幾種不同顏色的光線組成,這看似簡單,在當時卻面臨許多挑戰。

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(圖一/牛頓描繪一束日光通過稜鏡所產生的外觀。註:引自蔡承志譯(2007)。
《史上最美的十項科學實驗》(頁93),台北:貓頭鷹出版社。)

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(圖二/牛頓關鍵實驗圖示。註:引自蔡承志譯(2007)。
《史上最美的十項科學實驗》(頁93),台北:貓頭鷹出版社。)

一、科學界的論戰
 當時的主流觀點是稜鏡以某種方式來修改白光或做染色而產生光譜(無人真正了解),牛頓的實驗駁斥了這樣的觀點,認為射線的折射性或色彩度不受其通過物質的影響,這引起了當時部分科學社群的筆戰,其中反應最激烈的就是當時皇家學會裡實驗能力備受推崇的虎克,虎克並未仔細的重做牛頓的關鍵實驗,便武斷的做出了批評,牛頓當然不甘示弱的回擊,更在筆戰中針對虎克的身材借題發揮(虎克身形像侏儒),信中牛頓虛矯的稱讚虎克對自己研究的貢獻,寫道「如果說我看得比別人遠,那是因為我站在巨人的肩上」,這段當時針對虎克的刻薄奚落,卻成為後世引為做人謙遜的名言,實在有趣。一直到1676年,虎克在皇家學會籌劃了一場針對牛頓爭議實驗的演示,這是首次有科學會針對重大爭議來籌備和執行實驗,希望透過公開的過程來檢視爭議,可謂開啟現代科學實驗很重要的里程碑,實驗演示的結果當然應證了牛頓對光的看法。

二、藝術家加入戰局
 十八世紀與十九世紀初期的某些詩人與藝術家視牛頓為敵人,因為當時光被認為是主的顯現,光是一種愛的作為,藝術家們認為牛頓將彩虹轉換成一種數學習作,破壞了光、美與存在的特殊性,其中包括著名的詩人濟慈與歌德,濟慈在《蕾米雅》中語帶憤怒的責難科學讓天使折翼:

魔力不是都要飛逝

只因碰觸了冰冷的哲學?

天上一度有道可畏的彩虹:

我們熟悉她的緯紗、她的紋理 ;

她得自於尋常事物晦暗類別之資質。

哲學要令天使折翼,

用規則和準線破除一切神秘,

把幽靈驅離天空,

把地精趕出藏穴,

把彩虹拆解……
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 濟慈認為牛頓的科學破壞了彩虹的美麗與詩意,而歌德甚至出了一本書來試圖發展一套反駁牛頓理論的色彩新科學。歌德反對牛頓對顏色的分析,認為顏色是出自光明和黑暗之間的相互作用,黑暗可以減弱光的能源,同時光也可以限制黑暗,在這互動情況下便會出現顏色,歌德相當得意於自己的這本色彩理論。除此之外,著名的天才詩人畫家布雷克畫了一幅裸身的牛頓(圖三),坐在巨大的石上彎著軀幹俯身拿著類似圓規的工具畫三角型內的半圓,牛頓的肌肉充滿著幾何的線條與形狀,呈現極為不舒服的姿態投入測量,巨石上有如彩虹般的燦爛光輝是牛頓不得見的,畫中呈現布雷克對牛頓(或科學)的鄙視,暗示牛頓是個用功卻沒有想像力與洞察力的科學家。即使如此,我們不會因為這些偉大的文學家因為有著反科學的見解,就否定他們的文學成就,歌德的《浮士德》和濟慈的《蕾米雅》依然傳頌千古,布雷克的「一沙一世界,一花一天堂。掌中握無限,剎那即永恆。」仍然是最為人熟悉的詩作之一。

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(圖三/布雷克‧牛頓。資料來源:http://www.wga.hu/frames-e.html?/html/b/blake/02newton.html)

三、來人說說公道話
 後續當然也有不少詩人、藝術家與科學家為牛頓辯護,認為應該學習用牛頓的眼光來看彩虹與夕陽,詩人湯姆森誇獎牛頓看見了毫無掩飾的美,讓彩虹更富詩意,更進一步將牛頓對折射與光譜的說法譜成了詩:

為那著了迷的眼睛分解出一大串原色。

首先是火焰般的紅色,栩栩如生的躍出;

接著是橙色……

然後,色彩漸趨黯淡,

出現了深幽的青色,

彷彿是襯衫那般沉重的傍晚被霜露壓彎了臉;

這時折射的光中最後的一線,

漸漸消失在朦朧的紫色中。
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 這樣借助明喻與裝飾的手法,湯姆森將真實便成了詩,並把美感、戲劇性和朦朧的神秘又巧妙的塞回折射理論裡,讓真實與幻覺並不一定得做敵人。桂冠詩人華茲華斯的分析最是發人深省,他認為有人認為分析、拆解和解剖等行為傷害對美的感知,我們經常認為這些行為具有那種冷漠感,其實這些行為乃是冷漠使然,而非它們導致了冷漠。在他的作品長詩《序曲》中描述牛頓的雕像站立在教堂門廳旁,帶著他的稜鏡面色沉靜,大理石永久銘刻著一顆心靈,徜徉在思想的未知大海,曲高和寡。華茲華斯認為詩人與科學家應該結伴航行在此思想的未知大海,詩根植於人的情感本質上,其包容科學並應毫不畏懼科學知識的發現,而科學與藝術的差別不在其內涵,在其處理特殊內涵時所使用的方法。科學家道金斯更反諷的借用了濟慈的詩句做書名《解析彩虹》4來為科學知識發聲,道金斯認為科學對奧祕的解析,絕不會讓我們的生命變得沒有理想和信仰,更不會讓我們沒有想像的激情和對美的深刻體驗。道金斯強調科學才是詩歌創作靈感的真正源泉,認為科學能激發想像力與發掘自然物裡的深刻美感,它絕不會減低我們對世界的詩意體悟,畢竟科學發現使我們了解大自然運作的神奇,進而更能欣賞自然之美。

四、科學中人文情懷的養分
 從牛頓解析彩虹所引起浪漫詩人的爭論距今已近200年,當然牛頓對雕像與詩的嘲諷並不值得推崇,但當時部分詩人害怕實驗科學將為詩帶來致命一擊的擔憂也並未發生,然而科學發展過程所造成的環境、生態、戰爭等問題顯而易見,造成這些問題的本身或許不是科學,而是人文精神的缺乏,詩人應與科學家攜手相伴,把人文情懷帶進科學物件裡,同時尊崇心智與心靈的滿足,如同詩人雪萊所說,科學的種種發展常常會超過我們的想像力和創造的吸收能力,這種自然的想像力遠非人類所能想像,此科學知識發現的過程,改變了人類對世界的認識。因此科學可能引領並更豐富藝術的文本,也就是科學從微觀或宏觀的各樣角度豐富了詩人所能想像與描繪的世界;同樣的,科學也能從詩裡獲得更多的啟發與發現的可能,好比諾貝爾物理獎得主湯川秀樹提到自己受到李白〈春夜宴桃李園序〉中的「夫天地者,萬物之逆旅。光陰者,百代之過客」的啟發5,開啟了其時空量子空域概念的想像,他也提到中國傳統文化蘊含能駕馭科學的智慧,而老莊思想則激發了他在物理學研究上的創造力。最後本文摘錄天才科學家費曼的詩作結,科學讓我們更精確的認識世界,同時我們也應該反思科學的世界觀如何引領我們進入各種想像的世界,而科學家如何靠探究科學來感受世界的奧祕與體悟科學知識的深刻美感。

打從洪荒初闢,混沌未開之際,

年復一年,驚濤反覆拍遍海岸,

卻是為誰?又是為何?

這是個死寂的星球,誰能欣賞浪濤之美?

不能止息的,只因能量催動,

陽光無情蒸騰,不由得散入無垠天空,

微不足道的水分子,卻能讓海洋咆嘯,

深海中小分子,彼此重複模仿,組合成新模樣,

複製自己,於是又是一首舞曲奏起,

生物──原子、DNA、蛋白質的團塊,

變大、變複雜,舞步更交錯迷離,

爬出搖籃,踏上堅實的地面,

站在這兒的,已經是有知覺的分子。

會好奇的物體,

海濱獨立思索著:

我──這個奇觀,是原子組成的宇宙,

也是宇宙中的一粒原子!
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注釋
1.蔡承志譯(民96)。《史上最美的十項科學實驗》 (原作者:R. P. Crease)。台北:貓頭鷹出版。
2.葉欣譯(民101)。《蛇女蕾米雅》(原作者:John Keats)。台北:有鹿文化。
3.酈雅牛等譯(民93)。《鏡與燈:浪漫主義文論及批評傳統》(原作者:M. H. Abrams)。北京:北京大學出版社。
4.張冠增、孫章譯(民90)。《解析彩虹:科學、虛妄和玄妙的誘惑》(原作者:R. Dawkins)。上海:上海科學技術出版社。
5.湯川秀樹(民99)。《創造力與直覺:一個物理學家對于東西方的考察》。河北:河北科學技術出版社。
6.尹萍、王碧譯(民80)。《你管別人怎麼想》(原作者:R. Feynman)。台北:天下文化。(原著出版年:1988)
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