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尼罗河畔的科学家

2017年7月17日0:58 环球解密

    ●视觉理论

    视觉究竟是如何产生的,两千五百年前,这个问题就引起了古希腊学者的兴趣。

    最早的理论是哲学家恩氏(Empedocles)提出的“射出说”,认为眼睛会射出一种(有别于普通光线的)特殊射线,当这种射线打到物体上,眼睛就会以某种机制看到它(有点类似雷达的原理)。

    在“射出说”的众多支持者中,最有名的要数柏拉图,可是严格说来,他支持的只是一个哲学理论罢了。或许正是因为“射出说”不够科学,亚里斯多德秉持“吾爱吾师更爱真理”的精神,提出与之针锋相对的“摄入说”。

    现在我们当然知道“射出说”大错特错,但是“摄入说”其实也好不了多少。亚里斯多德根本说不清楚眼睛是如何将物体摄入,以及如何产生视觉,因此“摄入说”本质上同样是哲学理论。

    半个世纪后,古希腊才终于出现稍有科学味道的视觉理论。首倡者是我们相当熟悉的欧几里得,他在编写《(几何)原本》之余,试着利用几何来研究“射出说”,并将心得写成一本名为《光学》的小册子(译为《视觉学》或许更准确)。

    就生理学和物理学而言,欧几里得当然走错了路,但是在数学架构上,他的理论仍有不少可取之处,甚至可视为“几何光学”的滥觞。例如他开宗明义列出的七个“公理”,都是用几何语言描述视觉现象,和生理学或物理学的细节毫无关系。

    又过了大约四百年,天文学家托勒密在撰写自己的《光学》时,其中视觉理论的部分,大致是沿用欧几里得的架构,换言之仍属“射出说”。

    至于正确的视觉理论,还需要再等上八百年,才终于诞生在尼罗河畔的开罗(距离欧几里得和托勒密的故乡“亚历山大港”只有二百公里)。

    催生者名叫海什木(Ibn al-Haytham, 965?-1040?),是一位生于伊朗地区的阿拉伯裔学者。他和比鲁尼(973-1048)在时间座标上非常接近(大约早生八年,也早死八年),在空间座标上则是逐渐拉远。

    尼罗河畔的几个重要城市(由上至下):亚历山大港(Alexandria)、开罗(Cairo)、亚斯文(Aswan)

    ●传奇的一生

    海什木的一生颇具传奇性,但在讲述他的故事之前,必须先对时代背景做个简单的介绍。

    且说阿拉伯帝国兴起后不久,埃及便成为它的一部分,但是到了公元十世纪,这个帝国早已四分五裂,于是在某些宗教领袖的主导下,埃及独立为另一个帝国──中国史家称之为绿衣大食,以别于称为黑衣大食的正统阿拉伯帝国。

    另一方面,海什木生于波斯湾附近的巴斯拉,当时那一带名义上是阿拉伯帝国的领土,实际上已经自立门户,不属于任何一个大食的势力范围。

    总而言之,就政治而言,当时的伊斯兰世界颇为类似中国的战国时代。但是在文化上,由于宗教和语文的统一,各国的交通往来仍旧十分密切。海什木虽然远在伊朗,但由于他很早就在科学上扬名立万,因此当他声称自己有本事整治尼罗河,这个消息很快就传到了埃及。

    (在埃及历史上,尼罗河的定期泛滥是很有名的现象,好处是带来肥沃的淤泥,坏处是难免造成财物的损失。如何驯服这条河流,成为历代埃及政府的一大难题。)

    不久之后,那位“绿衣哈里发”(Al-Hakim)便将海什木请到开罗并委以重任(也有一种说法是本文主角毛遂自荐)。于是海什木组织了一个探勘队,从开罗沿尼罗河逆流而上,一路探勘到亚斯文(Aswan)附近的瀑布──他原本就是打算在那里建一座调节水位的大坝。

    探勘结束后,海什木写了一份实事求是的报告,结论是:目前的科技无法建造这样的大型水坝。

    (直到十九世纪末,人类才终于掌握这样的科技,亚斯文水坝竣工则是1902年的事。由此可见海什木的治水方案并非不切实际,只是太过超越时代。)

    《光学》拉丁文译本(图像来源:Internet Archive)海什木亦被誉为“眼科学之父”,从这张人眼解剖图可知这个美誉其来有自(书眉的ALHAZEN为海什木的拉丁化名字)。

    如果这样的报告交到明君手上,海什木或许会安然无事,甚至还可能受到嘉许。偏偏那位哈里发是出了名的喜怒无常,据说海什木险些性命不保,好在他急中生智,想到一个妙招:装疯卖傻!

    这个险招果然奏效,海什木侥幸逃过死劫,可是活罪自然难免。他住进了精神病院,经历了十年的软禁生涯(1011~1021),比六百年后的伽利略还多一年。

    但正所谓塞翁失马焉知非福,海什木因此避开尘世的纷扰,在那个与世隔绝的环境中,他得以专心研究各种学问(这点也和伽利略相当类似)。当他重获自由后,根据狱中手稿陆续写成好些重要著作,其中最有名的莫过于《光学》这套厚达七册的巨著。

    就当时的标准而言,这套《光学》的内容应有尽有,尤其重要的是,它是最早提出正确视觉理论的科学文献(明确指出视觉源自于眼睛接收到物体所反射的光线)。正因为如此,在物理学发展史上,海什木被公认为“光学之父”。

    然而,这个头衔仍不足以突显海什木在科学史上的重要性。

    ●被巨人站在肩上

    物理学大致可分为实验物理与理论物理两大领域,但就历史而言,两者分道扬镖是十九世纪末才出现的趋势。在此之前,物理学家就是物理学家,必须实验与理论兼顾,缺一不可。伽利略(1564-1642)就是最有名的例子,他总是一边做实验,一边推导理论,从来没有顾此失彼。

    然而,“伽利略是第一位物理学家”这个说法,只是狭隘的西方观点。就物理学的研究而言,无论是在理论或实验层面,乃至于两者的整合,早生六百年的海什木都不比伽利略逊色。

    例如从他的光学研究文献中,不难整理出如下的标准步骤:

    观察自然现象→提出具体问题→构思可能的理论→设计实验以验证理论→进行实验→分析实验结果→做出结论→发表成果

    现在,你是否觉得“史上第一位物理学家”这个头衔应该保留给海什木?

    如果你心中的答案是肯定的,那么或许可以再想想,“科学方法之父”这个头衔,伽利略是不是当之无愧?

    如果这次答案是否定的,想必你就会同意:牛顿站在巨人肩上,海什木则是被巨人站在肩上!

    一幅耐人寻味的封面画,画中人物是装扮十分类似的海什木(左)与伽利略(右),该书作者则是十七世纪的欧洲学者Johannes Hevelius

    注:海什木在文艺复兴时期的欧洲相当有名,甚至被誉为“托勒密第二”。讽刺的是,在海什木的学术成就中,有不少颠覆托勒密之处。例如他晚年写了一本书,书名就叫作《质疑托勒密》──不仅质疑托勒密的视觉理论,还以更多的篇幅质疑地心宇宙模型,指出其中有明显的逻辑矛盾,只差没说应该将它推翻。

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