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弗朗索瓦.阿拉果,一輩子愛著科學與共和的法國元首--《物理雙月刊》

  • 文/高崇文,中原大學物理系教授

弗朗索瓦.阿拉果(François Arago)。圖/Wikimedia

弗朗索瓦.阿拉果(François Arago)於1786 年2月26日出生在 Estagel --一個位於法國東庇里牛斯(Pyrénées-Orientales)省沛皮尼昂市(Perpignan)附近、只有 3000 位居民的小村莊。他的父親在那裡擔任造幣司庫的職務。東庇里牛斯省位於法國與西班牙的邊境,東鄰地中海,南接加泰羅尼亞,歷史上曾為加泰羅尼亞一部分。1659 年,庇里牛斯條約(Treaty of the Pyrenees)簽訂後才成為法國領土。

阿拉果家向來主張自由主義,支持共和政體。弗朗索瓦.阿拉果終其一生都是一個忠實的共和主義者,也是無神論者。

想當個好炮兵,那就來學數學吧!

佛朗索瓦在四兄弟中居長。二弟讓(Jean, 1788-1836)移民到北美,成為墨西哥軍隊的一名將軍;三弟雅克(Jacques Étienne Victor, 1799-1855)在1817年至1821年參加了探險家路易.德.弗雷西內(Luis de Freycinet)烏蘭妮號(Uranie)到澳大利亞的探險航程,返回法國後以新聞記者和劇作家的身分活躍;四弟艾蒂安(Étienne Vincent, 1802-1892)從1822年至1847年,與人合作寫了大量輕鬆的戲劇,據說《Birague 的女繼承人》這齣戲就是他與巴爾札克合寫的。四兄弟的人生都很精彩,也是一段佳話。

阿拉果自小立志投身軍旅,尤其嚮往擔任砲兵,他被送去沛皮尼昂市立學院,在那裡學習數學,準備投考巴黎高等理工學院。兩年半中他不只掌握了所有要考試的科目,還學到許多課外知識,當他到土魯斯(Toulouse)考試時,不經意展現出自己對拉格蘭日的著作孰悉的程度,讓考官路易.蒙日(Luis Monge,著名數學家加斯帕爾.蒙日(Gaspard Monge)的弟弟)嘖嘖稱奇。

1803 年底,阿拉果如願進入巴黎高等理工學院後,卻發現那裡的教授不但不會教書,甚至連上課秩序都無法維持,這讓他頗為失望。他在巴黎結識了大他五歲的西莫恩.帕松(Siméon Poisson)。1804年由於帕松的建議,接下了在巴黎天文台擔任秘書的工作。在那裡,他認識了天體力學大師拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace),且再次由於帕松的推薦,他與必歐(Jean-Baptiste Biot, 電磁學著名的必歐-沙伐定律的提出人之一)一起去繼續德朗布林(Jean Baptiste Joseph Delambre)開始的測量子午線弧度的任務。這項任務的目的是測量子午線,確定長度基本單位「公尺」的長度。

讓-巴蒂斯特·必歐 (Jean-Baptiste Biot),法國籍物理學家、天文學家和數學家。圖/Wikipedia

戰火延燒的測量任務

為什麼決定長度基本單位需要量子午線呢?因為 1789 年法國大革命勝利後,國民公會命令法國科學院組織一個委員會來標準的度量衡制度。委員會提議了一套新的十進位的度量衡制度,並建議以通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一作為標準單位。這項任務從 1792 年開始,卻在 1804 年由於梅尚(Pierre Méchain)在西班牙染上黃熱病過世而中斷。生性熱愛冒險的阿拉果當仁不讓,接下這個艱鉅的工作。

阿拉果和必歐於 1806 年離開巴黎,沿西班牙山脈行動。他們確定了福門特拉島(Formentera)的緯度,這是他們進行測量工作的最南端。

1808 年五月拿破崙任命自己的哥哥約瑟為西班牙國王,法國與西班牙爆發了戰爭,他們的測量任務成了釜中之魚。

必歐決定返回巴黎,而阿拉果卻決定留下來,他喬裝成西班牙人繼續工作。必歐離開之後,西班牙的反法風潮也擴散到了巴利阿里群島(Balearic Islands),當地居民開始懷疑阿拉果的測量工作,特別是他在加萊佐山(Galatzo)山頂的照明設施被懷疑是為法軍入侵略作內應。阿拉果在 1808 年 6 月被抓了,關到貝利韋爾(Bellver)堡壘中。

貝利韋爾堡壘(Castillo de Bellver)。圖/Wikipedia

航向馬賽,一波三折

7月28日,他逃出堡壘、跳到一艘漁船上,在海上冒險航行,並在 8月3日抵達阿爾及利亞。從那裡他搭上一艘往馬賽的船,但 8 月 16 日當船隻就快抵達馬賽時,卻落到一群西班牙海盜的手中。阿拉果與其餘的船員被帶到Roses,並被關到一個風車磨坊中,接著又被轉到一個堡壘,該鎮後來落入法軍手中,阿拉果他們又被轉移到帕拉莫斯(Palamos)。

經過三個月的監禁,他和其他人因阿爾及利亞的迪伊介入而得到釋放(迪伊是鄂圖曼帝國阿爾及利亞省和的黎波里省代理統治者的頭銜),阿拉果一行人於 11 月 28 日再次航向馬賽。但就在馬賽港出現在視線內的當下,他們的船居然被北風吹回到北非洲海岸的布日伊(Bougie)。因為風向的關係,從此經海路回阿爾及利亞需要花三個月。

阿拉果他們冒險走陸路,幸運地在一位穆斯林宗教學者的帶領下在那一年的聖誕節回到阿爾及利亞。在阿爾及利亞待了六個月後,其中當地部落首領與法國人發生衝突,眼看阿拉果又要成了階下囚,幸虧法國領事伸出援手,讓他脫離虎口。他第三次在1809年6月21日,航向馬賽,這次總算順利到達,但是他還要在 Lazaretto 忍受一個單調又過時的檢疫程序才能回家。

年僅二十三歲的院士

雖然回法國的過程一波三折,阿拉果居然成功地保存了他的調查記錄;他回國後的第一件事就是將他的調查記錄存放到巴黎的經度局(Bureau des Longitudes)。為了獎勵他歷經千辛萬苦地投身測量子午線的任務,阿拉果在 1809 年被選為法國科學院院士。年僅二十三歲!

當時拉普拉斯為了讓自己的愛徒帕松當上院士,企圖勸退阿拉果,年輕氣盛的阿拉果當場讓拉普拉斯碰了個釘子。拉普拉斯不死心,院士選舉前針對阿拉果沒有卓越的科學成就大作文章,結果拉格蘭日(Lagrange)站起來說:

想當年拉普拉斯當上院士時也沒什麼成就,大家是看好你有這個潛力才選你的啊。

所以阿拉果順利當選。這年底,他還被母校的理事會選上接替數學家加斯帕爾.蒙日成為解析幾何部門的主任。同時,他被任命為巴黎天文台的天文學家之一,巴黎天文台成為他一輩子的住所。他從1812年 到1845年在此持續主持了一系列非常受歡迎的通俗天文學講座。

沿著巴黎子午線設計的135個阿拉果紀念章之一​​,為了紀念阿拉果和他的子午線工作以及他對地球的測量。圖/WikimediaCommons

是粒子還是波?光的本質之爭

當時最熱門的話題,是關於光的本質之爭。雖然楊格(Thomas Young)在 1801 年做了干涉實驗,強烈地暗示光的波動性,但是牛頓的粒子說依然深植人心,楊格甚至還遭到匿名信的攻擊,讓他心寒而逐漸放棄物理。

阿拉果最早的光學研究則是從 1810 年開始的,當時他也是光粒子說的信徒。由於稜鏡的折射率與光在玻璃內外的速度比有關,如果把稜鏡放在望遠鏡的目鏡之前的話,由於不同方位來的星光到達地球時,考慮到地球公轉的速度夾角不同,地表看到的光速應該不同,透過稜鏡後的折射角也該有所不同。

歷史上的光本質之爭--究竟是粒子,還是波?圖/Wikimedia Commons

奇怪的是,阿拉果沒發現任何不同。他在 12 月 10 日在科學院發表他的結果,並且嘗試以人的視覺只能看到特定速度的「光粒子」來解釋。

迷上了光學的阿拉果開始探究光的偏振現象,他在1812年發明了第一個偏振濾波器。此外他還發現石英表現出旋轉光極化方向的力量。這是因為平面偏光進入石英晶體後,分裂成為左旋與右旋兩組圓偏光沿著光軸前進。到達光軸的另一端時,這兩組圓偏光又會組合成一道「平面偏光」離開。由於左旋光與右旋光在晶體內的速度不一樣,出來的平面偏光與原先進入的平面偏光,兩者的偏振方向有差異。這就是所謂的晶體旋光特性。他還在1819年發現大彗星的尾部出現了偏振光!

當時還默默無聞的工程師菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)從 1814 年開始致力於光的本性的研究,他再度重現了楊格於 1801 年建立的光的雙縫干涉實驗,並用惠更斯原理對這一現象作出完美的解釋。阿拉果熱烈地支持菲涅耳的光學理論,兩人一起對光的偏振進行了一系列的實驗,他們認定以太的振動垂直於運動方向。1817年發表了他們的研究成果,可以歸納成三條定律,就叫菲涅耳-阿拉果定律(Fresnel–Arago Laws)。

1817年,法蘭西學術院舉行了一次關於光的本性的最佳論文競賽,菲涅耳利用光波理論成功地解釋了光的直線傳播規律,提出了光的繞射理論的解釋,並於1818年提交了論文。科學院成立了一個評委會,評委會的成員中有阿拉果,其他成員還有帕松、必歐、拉普拉斯,他們都極力反對光的波動理論。此外還有給呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac)則是採取中立的態度。儘管不少成員不相信菲涅耳的觀念,但是最終還是被菲涅耳數學上的巨大成功及其與實驗上的一致性所折服,並授予他優勝。

西莫恩.帕松(Siméon Poisson)。圖/Wikipedia

但帕松還是不服氣,想推翻菲涅耳的觀點,就藉助於波動理論對繞射理論進行詳細地分析。他發現:用一個圓片作為遮擋物時。光屏的中心應出現一個亮點(或者用圓孔做實驗時,應該在光屏的中心出一個暗斑),這令人難以相信,所以帕松把這個想法當作反對光波動說的鐵證。

沒想到事情發展急轉直下,經過嚴密的數學計算菲涅耳發現,只有當這個圓片的半徑很小時,這個亮點才比較明顯。反過來圓孔很小時,暗斑就變得明顯。菲涅耳和阿拉果精心設計了一個實驗,確認了這一亮斑的存在,反而證明了光波動理論的正確性。後來人們為了紀念這個極具戲劇性的事實,就把繞射光斑中央出現的亮斑(或暗斑)稱為「帕松光斑」(Poisson spot)。

帕松光斑 (Wikimedia Commons)

經度局的科學寫手

在1818年或1819年,他與必歐一起在法國、英國和蘇格蘭的海岸進行大地測量。他們測量了雷斯,蘇格蘭和設得蘭群島(Shetland)的秒鐘(seconds-pendulum)的長度。1821年,這些結果跟之前在西班牙的觀測結果一起發表。

秒鐘(seconds-pendulum)指的是擺長正好讓單擺的周期為兩秒的擺。由於擺的周期與當地重力加速度與擺長相關,測量擺長久等於測量當地的重力加速度。由於地球並非完美的球形,藉由牛頓的萬有引力定律,可以由重力加速度的值的改變來反推地球的形狀。

論文發表後,阿拉果馬上當選經度局成員,後來還每年為經度局的年鑑撰文,持續了大約二十二年,內容從天文學和氣象學以及甚至在土木工程方面的重要科學資訊,還有一些學術院先賢的傳記等。他還為眾多科學家立傳,包含巴伊(Bailly)、拉普拉斯、菲涅耳、傅立葉、瓦特等人,我在寫《魂斷吉落丁的天文學家》時,也參酌了阿拉果文采飛揚的著作呢!

發現渦電流

阿拉果作為物理學家的名聲主要來自於他發現的渦電流。將磁針撥到東西向,由於地磁的作用所以磁針會擺回南北向,但是磁針會擺過頭,所以會來回擺動。但是他在1824年發現如果將磁針下方放置不含鐵的表面(如水、玻璃、銅等)擺動的磁針在其振盪程度上會顯著下降。

接著他還發現讓銅盤在其自身的平面中旋轉,並將磁針自由地懸掛在盤上的樞軸上,則針將隨著盤旋轉。 另一方面,如果針被固定,則傾向於延遲盤的運動。他稱之為「旋轉磁性」,但現在稱為渦流。這個銅盤被稱為阿拉果圓盤(Arago’s disk),此現象被稱為阿拉果旋轉,這些發現後來是由法拉第的電磁感應來解釋。他在1825年因此得到英國皇家學會的科普利獎章(Copley Medal)。

1855 年 9 月傅科(Léon Foucault)發現:假如一個銅盤位於一個磁鐵的兩極之間的話,要驅動銅盤旋轉所需要的力必須加大,同時銅盤會由於金屬內引導出來的渦電流而被加熱。這個發現與阿拉果的發現其實是同一回事,但是許多資料把功勞只算到傅科頭上,在此說明一下。

將科學帶給社會大眾

1830 年阿拉果他被選為科學院永久秘書,接替傅立葉。阿拉果憑著他的活力以及外交手腕,積極投入這個職務。為他贏得了國際性聲望。作為永久秘書,他有義務對已故成員發表歷史悼詞;這件工作難不倒阿拉果,他文思快捷、學問廣博,讓他寫出不少膾炙人口的精彩悼詞。

七月革命爆發後他投身政壇,先是在九月當選 general councilor of the Seine,隔年七月當選為東庇里牛斯省的國會代表,運用他便捷的辯才以及廣博的科學知識,阿拉果致力改善公眾教育,獎勵發明並鼓勵機械實用科學。許多最值得信賴的國家企業,從這個時期開始,是由於有阿拉果的倡導--例如獎勵達蓋爾(Louis-Jacques Daguerre)發明攝影、播款出版費馬(Fermat)和拉普拉斯(Laplace)作品、收購巴黎中世紀國家公園博物館(Cluny Museum)、發展鐵路和電報等。他對法國的產業遠遠落後英國感到憂心忡忡,他特別推崇改善蒸汽機的瓦特,還為瓦特立傳。當時許多法國人對產業革命非常反感,擔心自己的飯碗會被機器搶去,但阿拉果獨排眾議大力提倡發展產業,算是眼光遠大呀。

阿拉果作為眾議院議員,還獲得了部分補助資金,所以他替巴黎天文臺增加了宏偉的儀器。他在1834年被任命為巴黎天文臺的觀測主任。此外他提出了直接測量空氣中、水中、玻璃中的光速的實驗。依照光的粒子說,光的速度應該隨介質中密度的增加來增加;但要是依照波動理論,光的速度則是應該通過介質中密度的增加而減少。

1838 年,他向法蘭西科學院報告了他的構想,這個儀器由光源、反光鏡、旋轉的遮版和一個固定在 35 公里外的反光鏡組成。當光源發出的光線由轉動的遮板空隙射至遠方的反射鏡被反射回來時,只有在適當的轉速下才能再穿過遮板被偵測到。這個構想是來自 1835 年由惠斯登(Charles Wheatstone)採用的中繼鏡來測量放電速度。然而,由於這個實驗費時費工,再加上 1848 年爆發革命使得實驗中斷--而到了1850年春天、正是萬事俱備之時,阿拉果的視力卻突然惡化,使得他無法從事實驗。

但是,後來菲左(H.L.Fizeau)和傅科在 1850 年分別證明了光在密度較高的介質真的比較慢,這讓阿拉果開心極了。阿拉果也在發現海王星的過程中也扮演吃重的角色,限於篇幅就請看官回頭去看看作者之前的舊文《英法千年恩仇錄之海王爭霸戰》了。

不向拿破崙屈服的政治改革者

1848年二月革命爆發,路易·菲利普國王被推翻後,他加入臨時政府,而且史無前例地被賦予了兩個重要的職位,即海洋和殖民地部和戰爭部;他大刀闊斧地改革,不僅改善了海軍口糧、廢除了鞭刑,還廢除過去的各種政治性的宣誓效忠,打擊一系列不合理的特權,成功地在法國殖民地廢除奴隸制。 5月10日,阿拉果當選為執行委員會成員,該委員會是法蘭西共和國的最高權力機構。他被任命為行政權力委員會主席(1848年5月11日),並以國家元首身份任職直到六月二十四日,委員會向國家制憲大會集體辭職為止。

1852 年 5 月初,路易·拿破崙政府要求所有公職人員宣誓效忠時,阿拉果強烈拒絕,並辭去了經度局以及天文台的職務。路易·拿破崙沒有受理他的辭呈。當路易拿破崙發動政變稱帝後,雖然患有糖尿病還有眼疾,還加上水腫帶來的後遺症,阿拉果依然不願宣誓向皇帝效忠,毅然辭去了天文學家的職務表達他的抗議。拿破崙三世倒是沒跟他為難,只是說就讓老人家自由地做他喜歡的事情吧。

在 1853 年的夏天,阿拉果的醫生勸他回老家呼吸那邊的新鮮空氣,可以改善他的病情。他也從善如流打算出發到庇里牛斯東部,但是他當時已經病入膏肓,來不及出發就在巴黎過世了,享壽 67 歲。阿拉果身後留下大量的著作,陸續出版共計 17 卷。

出身於波旁王朝,終於法蘭西第二帝國,阿拉果見證了法國最動盪的一段時期,他一生熱愛共和與科學,稱得上千古風流人物吧。

參考資料

  1. 中文 英文 法文 維基相關條目
  2. MacTutor History of Mathematics archive
  3. François Arago: A 19th Century French Humanist and Pioneer in Astrophysics. Authors: Lequeux, James
  4. Biographies of Distinguished Scientific Men By François Arago

延伸閱讀:

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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