[分享] 一個天文學家，如何掀翻了英國科學界？

https://www.linkresearcher.com/information/6b5713b4-abb1-4434-85be-a8c5d2b393fe 身為英國著名天文學家威廉·赫歇爾的兒子，約翰·赫歇爾不僅繼承並發揚了父親的 天文學成就，也掀起了英國科學界的一場改革。 雖然約翰·赫歇爾的許多嘗試都以失敗 告終，但他平等與現代的思想衝擊著僵化的英國科學界。 隨著科學思想在公眾中的傳播 ，他所寫的科普讀物成為了現代科學研究方法的基礎，影響了後世無數的科學家。 在這 篇來自《環球科學》2024年7月新刊的文章中，我們將跟隨史蒂芬‧凱斯的敘述，看看約 翰‧赫歇爾是如何掀起了英國科學界的一場改革。 撰文｜史蒂芬‧凱斯（Stephen Case） 翻譯｜戚譯引 這一次，威廉‧赫歇爾（William Herschel）對土星產生了疑問。 從他的大型望遠鏡望 去，這顆被光環環繞的行星有著奇特的形狀：北極扁平，而南極「彎曲，或是向外凸起」 。 在這之前，這位科學家已經以突破天文觀測的極限而聞名，這或許是因為他宣稱自己 使用了超高倍望遠鏡，也可能是因為他推測太陽上可以住人。 他的觀測揭示了新的天體 類型，包括星雲、星團和雙星，而 他最著名的成就是1781年發現了太陽系第一顆新行星 ——天王星 。 不過，在1807年6月16日那個晚上，他想確認土星的奇特形狀。 威廉·赫歇爾的妹妹卡洛琳·赫歇爾（Caroline Herschel）經常協助他。 她會記錄下他 觀測時所說的話，甚至為他寫科學論文。 但是那天晚上，威廉‧赫歇爾迎來了一雙新的 眼睛，這雙眼睛屬於他15歲的兒子約翰。 根據這位天文學家的記錄， 男孩也注意到了土 星奇特的弧度 ，他在石板上描繪出一個形狀，與父親所看到的「外觀完全一致」。 這是 約翰·赫歇爾（John Herschel）的第一份天文觀測紀錄 。 威廉·赫歇爾無疑希望兒子 能繼承他的事業。 但他沒有想到，約翰也將為科學本身的改革做出貢獻。 1792年3月7日，約翰·赫歇爾出生於英格蘭的斯勞，是威廉·赫歇爾和妻子瑪麗·鮑德溫 ·皮特（Mary Baldwin Pitt）唯一的孩子。 此時，他的父親已經從一位來自德國漢諾威 的移民音樂家轉型成為歐洲最著名的天文學家。 威廉·赫歇爾發現了天王星，並將其命 名為“喬治之星”（Georgium Sidus），以紀念英王喬治三世。 他因此獲封「御用天文 學家」（King's Astronomer），這項榮譽使他得以全身心投入到天文觀測中，並擁有足 夠的資金來建造一台40英尺巨大望遠鏡（指焦距為40英尺，約等於12米）。 威廉·赫歇 爾最著名的成就之一，是他透過巡天觀測發現了數百個新的天體。 然而，他沒有受過先 進的數學訓練，無法從數據中提煉出一套嚴密的物理學理論。 劍橋數學界的新思潮 他的兒子不會面臨這種困境。 威廉·赫歇爾確保約翰接受了自己所缺乏的數學訓練 。 在進入劍橋大學之前，約翰已經接受了專門的私人輔導，學習了皮埃爾-西蒙·拉普拉斯 （Pierre-Simon Laplace）、約瑟夫-路易·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和西爾 維斯特-弗朗索瓦·拉克魯瓦（Sylvestre-François Lacroix）等歐洲大陸數學家發明的 細緻的運算方法，他們的工作將代數分析與熱、振動、波的運動以及天體力學等領域的物 理描述聯繫起來。 然而，年輕的赫歇爾即將迎來深深的失望。 在劍橋大學，約翰沮喪地發現學校對英國以外的數學發展興趣不大 。 這裡的教學仍然專 注於艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的微分學，包括牛頓的微分符號（以變數上方的點表 示），以及幾何表示方法。 在劍橋的許多學者看來，幾何表示方法對數學至關重要，因 為這樣的數學才能成為用理性解釋宇宙的工具。 同時，歐洲大陸的數學，尤其是法國數學，沿襲了德國學者戈特弗里德·萊布尼茨（ Gottfried Leibniz）所開創的發展路線，以及他用字母d表示的微分符號（這一符號沿用 至今）。 劍橋大學的學者不願意接受這套數學分析方法 ，一方面是因為他們將其與法國 聯繫在一起，而當時英國一直在與法國交戰，持續了數十年；另一方面則是因為他們認為 這不過是在玩弄邏輯符號，與幾何表示方法脫節。 但 值得一提的是，如今這套方法被許 多人視為認識數學的理論基礎 。 然而，在約翰·赫歇爾和包括查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）在內的其他志同道合 的學生看來，要想恢復英國在數學領域的領先地位，就必須引進數學分析方法。 當時， 劍橋大學爆發了一場爭論，討論各學院院長是否支持聖經協會，該協會希望分發沒有《公 禱書》（譯者註：英國聖公會用於介紹祈禱禮儀，並對《聖經》作出解釋的權威讀物）評 述的《聖經》版本。 巴貝奇抓住這個機會對校方大加嘲諷， 他提議成立一個分析協會， 傳播數學分析的「加d主義」（d-ism）福音，以取代學校裡保守的「加點時代」（ dot-age ） 。 分析協會成立後，讓玩鬧似的模仿走入了現實。 赫歇爾在完成大學學業的同時，將自己 真正的智慧奉獻給了分析協會。 他為會員撰寫文章，證明三角函數可以展開成數列，他 也定義函數算子，並用長達數頁的方程式測試當時的複合函數方法。 同時，他也以優異 成績通過了各項考試，並於1813年以該校的最高榮譽畢業。 但最終，分析學會未能改變英國數學，這讓赫歇爾倍感失望，但他也從中學到了重要的一 課： 大學並不是推動改革的理想地點。 英國科學界的中心在倫敦，而不是劍橋 。 如果 要進行一場變革，那麼它應該發生在倫敦，因為新的商業階層的影響力和財富在這座城市 裡不斷增長，形成了醞釀變革的土壤。 然而，與劍橋的數學圈一樣，倫敦的科學實踐仍 然是一項保守且等級森嚴的事業。 英國皇家學會作為天文學、博物學和植物學的資訊交 流中心，在博物學家約瑟夫·班克斯（Joseph Banks）的長期主持下，將科學視為一項特 權，僅限紳士參與。 同時， 有賴中產階級的崛起和蒸汽印刷機等新技術的出現， 大眾擁有了接觸科學的機會 ，以及參與科學的手段和閒暇 。 19世紀20年代，隨著政治改革運動愈演愈烈，人們開始 推動科學朝著更平等的方向發展。 由此， 自然哲學轉型為現代科學，自然哲學家轉變為 現代科學家，而赫歇爾正是這股潮流中的核心人物 。 在倫敦，赫歇爾從純數學轉向應用數學，並開始探索跨越了學科界限的科學。 他對化學 、礦物學和光學產生了興趣。 他建造了一個實驗室，在筆記本上記錄了數百次實驗。 在 此期間，他發現了硫代硫酸鈉溶液的特性，為日後攝影術中的主流定影技術奠定了基礎（ 見下方插圖）。 1819年和1821年暫居巴黎期間，他與讓-巴蒂斯特·比奧（ Jean-Baptiste Biot）和弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）共事，這兩位物理學家 幫助他認識到如何用數學方程式描述晶體與偏振光的相互作用。 日後，當他以天文學家 功成名就之時， 他向妻子瑪格麗特吐露，光才是他的初戀 。 跟隨父親的腳步 在返回劍橋大學任教的計畫失敗後，赫歇爾終於同意成為年邁父親的助手，重新啟動他的 觀測計畫。 但是，他並非只留在距倫敦30千米的斯勞家中安靜地觀察天空。 相反，天文 學成了他將數學與科學改革結合的手段。 1820年，他與巴貝奇等人共同創建了倫敦天文 學會（Astronomical Society of London），以挑戰英國皇家學會的霸權地位 。 這家新的機構（1831年更名為皇家天文學會）提供了將新的數學方法投入實際應用的管道 ，而且其成員主要是銀行家、股票經紀人和校長——他們都來自新興職業階層，而且被英 國皇家學會拒於門外。 身為新生學會的外交事務負責人，赫歇爾與歐洲各地的天文學家 建立了通訊網絡。 彼時，倫敦正成為世界商業和金融之都，而倫敦天文學會同樣志在成 為全世界天文資料的交流中心。 赫歇爾從父親手中接過了一份獨特的天文學遺產。 在威廉·赫歇爾和他的妹妹之前，天 文學的重點是確定恆星的位置，以便獲得可靠的背景資料來測量月球的運行軌跡（這是為 了導航，尤其是確定經度），以及行星和彗星的運行軌跡（目的是完善牛頓萬有引力在太 陽系中的應用）。 而威廉·赫歇爾的大型望遠鏡擴大了天文學的範圍，將太陽系之外的 天體也納入其中 。 他首先對雙星產生了興趣 ，這類天體特別重要，因為它們有可能提供一種確定恆星視差 的方法。 （恆星視差指當地球處在軌道不同位置時所觀察到的恆星角度位移。）如果兩 顆恆星在地球上某一時刻看起來很近，實際上卻相距甚遠，那麼通過測量它們之間的視覺 距離以年為週期的變化，就可以得到其中一顆恆星相對於另一顆的相對視差，這很可能是 歷史上第一種直接確定恆星距離的方法（前提是較遠的恆星距離足夠遠，其視差可忽略不 計）。 然而，威廉·赫歇爾的一項發現讓事情變得複雜起來。 他意識到有些雙星其實是 由引力束縛、環繞同一個質量中心運動的，也就是「物理雙星」。 因此，我們無法簡單 判斷一對恆星屬於看似離得很近、實際上相距很遠的光學雙星，還是真正存在引力作用的 物理雙星。 唯一能確定的方法就是對這對恆星進行細緻的觀測，持續數年甚至數十年。 這就是赫歇爾決定要做的事。 在倫敦外科醫生詹姆斯·索斯（James South）的幫助下， 他開始重新研究父親在星表中列出的所有雙星。 多虧了他最新發布的星表，天文學家終 於了解哪些才是真正的雙星。 之後，赫歇爾還在繼續出版雙星星表，其中包括他自己發 現的其他數百對雙星。 他的觀測工作使雙星成為一個活躍的研究領域， 借助他收集的數 據，數學家得以計算出它們的軌跡，並首次計算恆星的質量 。 雙星變得如此重要，赫歇 爾最終將它們視為父親真正的天文學遺產，相較之下，天王星的發現「簡直微不足道」。 赫歇爾也重新研究了父親發現的星雲 ，並在此基礎上編撰了星雲表，提供了一種定位天 體的方法，同時進行了標準化描述，為測量它們隨時間的明顯變化打下了基礎。 當時人 們對星雲的本質仍有疑問：它們是一群由發光的流體凝結成的恆星，還是只是一群普通恆 星，只是因為離我們太遠才分辨不清？ 在分光鏡和天體照相學技術面世之前，要確認星 雲任何潛在的變化，唯一的方法就是以精確定位的恆星為背景，對星雲進行細緻的素描 。 赫歇爾的星表中就有這樣的素描，包含了數百顆恆星，其中一些歷時數年才完成（見 下方插圖）。 星雲和雙星的測量處於天文學觀測的前沿，赫歇爾一絲不苟地工作，為這 些難以理解的天體作出了統一的標準化描述。 到了1833年，赫歇爾已經重新梳理了父親在北天區發現的所有目標天體，但還有一整個半 球等待他用望遠鏡探索。 他早就考慮將研究擴展到這片新的天空。 1832年母親過世後， 他認為時機已到。 他的父親於1822 年去世，姑姑也回到德國，定居在她兒時的家。 赫 歇爾得到了一大筆遺產，帶著妻子和三個年幼的孩子，於1834年1月搬到了非洲南端、當 時是英屬殖民地的好望角。 英國皇家海軍想為赫歇爾提供一艘軍艦，但他拒絕了。 正如他在給一位朋友的信中所說 ，整個計劃將是「我個人完全不負責任的冒險之旅」。 赫歇爾希望能夠自由自在地從事 天文研究。 他在南非開普敦待了四年，在那裡繼續進行系統性的巡天觀測，發現並記錄 了新的星雲和雙星，成為了第一個用望遠鏡仔細研究全部可見天區的人，或許也是唯一一 個 。 他也觀測了太陽黑子、變星、土星的衛星，以及1835年回歸的哈雷彗星。 這次旅 居的成果就是《天文觀測成果》（Results of Astronomical Observations），俗稱「海 角成果」（Cape Results）。 這本鉅作於1847年出版，展示了南天區的奇觀，並被送往 世界各地的天文台。 1838年回到英國後，赫歇爾一躍成為了英國科學界的領導人物。 維多利亞女王授予他男 爵稱號，以表彰他對科學的貢獻。 一場盛大的儀式在倫敦舉行，歡迎他回國。 從那時起 ，他不再進行天文學觀測 ，但他仍在繼續撰寫通俗作品，鼓勵自然哲學家將研究方法應 用於物理世界。 1850年至1855年，赫歇爾擔任造幣廠廠長（牛頓當年也曾擔任此職）。 從造幣廠退休後，他得以將全部精力投入星表編撰，記錄他發現的所有星雲。 這份星表 在他過世後出版，名為《星雲星團新總表》（ New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars ），其中的天體編號至今仍是天文學家命名深空天體的主要參考 。 1871年5月11日，赫歇爾逝世。 他得到了極高的禮遇， 被安葬在英國西敏寺，就在牛頓 身旁 。 但赫歇爾的名聲不僅來自他在天文學方面的成就，還在於他參與定義了科學實踐 本身。 整整一代從事科學事業的人都知道他──在赫歇爾過世時，科學家這個頭銜才剛 誕生。 要了解赫歇爾發揮的作用，我們需要追溯到他自願流亡開普敦之前的歲月。 榮譽的背後 在遠徵南非之前，赫歇爾在倫敦天文學會和英國皇家學會都很活躍，儘管他在前者的成就 威脅到了後者對英國科學的控制。 在19世紀20年代，當他的同事巴貝奇和索斯公開斷言 英國皇家學會正在扼殺科學時，赫歇爾卻著手嘗試從內部改革這個古老的組織。 到1830 年，英國皇家學會中的改革派和保守派就下一任主席的任命問題發生衝突，他的不懈努力 也在這裡遭遇了挫折。 那一年，學會中的貴族派力推廣威廉四世的弟弟、薩塞克斯公爵奧古斯都·弗雷德里克（ Augustus Frederick）。 在學會的保守派領導者看來，這位公爵是理想的候選人：他對 科學感興趣，而且身為貴族，手握充足的人脈資源。 而在赫歇爾看來，這位準主席的特 質與他所需要的恰恰相反。 學會已經有了上層菁英的基礎，如果再來一位王室背景的主 席，即使他最簡單的建議也會被視為命令。 這樣一來，科學怎麼進步呢？ 赫歇爾認為科學是平等的，抱著這樣的激進信念，他推薦弗朗西斯·貝利（Francis Baily）作為候選人。 貝利是一名股票經紀人，曾因重新計算舊星表而聲名鵲起，後來晉 升為天文學會主席。 這場爭端也成為了那段時期英國政治局面的縮影，例如後來的1832 年議會改革。 而在這樣的時刻，赫歇爾不僅沒有支持國王的弟弟，反而支持一位平民商 人作為對手與他競爭。 但赫歇爾的改革派同伴知道，貝利不足以擔此重任。 只有一個人能夠憑藉自身的科學成 就和聲望，團結反對薩塞克斯公爵的力量——那就是赫歇爾本人。 在1830年10月的一次 會議上，同伴敦促赫歇爾同意接受提名，成為下任主席候選人。 但赫歇爾依然反對，他 不想擔任領導，他想要的是推動自己的科學計畫的自由，而不是領導英國皇家學會的責任 。 但他也承認，絕對不能接受由學會中的保守派幕後操縱選出下任主席。 赫歇爾最終接 受了同伴的提名。 很快，倫敦的報紙就開始大肆報導這樁醜聞：已故國王喬治三世的兒 子薩塞克斯公爵，和國王私人天文學家的兒子之間展開了公開競爭。 競選十分激烈，但改革最終還是失敗了。 薩塞克斯公爵當選，貴族一派保留了對英國皇 家學會的控制權。 但這場危機堅定了赫歇爾的信念，那就是改變必須到來。 他將努力轉 向了新的方向。 既然他無法改變機構內部的科學實踐，那麼他要把他的方法傳播到公眾 當中 。 就在赫歇爾競選失敗的幾天前，科學作家兼出版商狄奧尼修斯·拉德納（Dionysius Lardner）找到他，希望他能為新的科學百科全書系列撰寫第一卷。 科普市場正在中產階 級中快速崛起 ，拉德納渴望從中分一杯羹，正在尋找一位能為廣大讀者撰寫文章的專家 。 赫歇爾已經因為作品而揚名於世，正是理想的人選。 這本書名為《自然哲學研究初論》（ A Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy ，以下簡稱《初論》） ，於1831年出版。 對赫歇爾來說，這本書 也為他提供了一個闡述自己科學觀的機會。 儘管他的改革嘗試在劍橋和倫敦反覆受挫， 但這並不重要。 在他看來， 科學的世界比享有特權的精英圈裡的東西更廣闊 。 科學不 只是靜態的知識體系或貴族的消遣，它也關乎社會與個人的美德。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.253.177.34 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/gallantry/M.1721360770.A.236.html