楊格設計-YANGGER ARTISTS

博古通今的科學家－楊格

楊格是著名的物理學大師，「楊氏彈性係數」與「光的繞射現象」是教科書上的必備內容，但是很少人知道他也是一位醫師，並且對其他學科有廣泛的研究。



語文高手

一七七三年六月十三日，物理學大師楊格（Thomas Young）出生於英國西南部的米勒威頓（Milverton） 鎮。楊格的父母親在鎮上開雜貨店，一家人就擠居在 雜貨店後面的小房間裡。他們共有十個孩子，小房間 實在住不下這麼多人，父母親只好將楊格寄養在鎮上 祖父母的家裡。 祖父母家的樓閣上有許多藏書，楊格小時候經常 在書堆裡打轉。有一天，祖父看見他在閱讀歌德斯密 （Oliver Goldsmith）所著的詩集「荒村」（The Deserted Village），以為他只是隨便翻翻，就順口問他讀了些什麼，沒想到楊格把書本合上，將整首長詩由頭背到尾，祖父大驚，急忙告訴他的父母，雜貨店裡出了一個小天才。父親聘人教楊格希臘文，他一學就會，還不到十三歲，已能閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、義大利文與法文書籍。

擔任小老師 

一七八七年，楊格的姨媽帶他到倫敦，這是他第 一次到倫敦玩。倫敦有一家大書店，櫥窗裡擺著一本楊格是著名的物理學大師， 「楊氏彈性係數」與「光的繞射現象」是教科書上的必備內容， 但是很少人知道他也是一位醫師，並且對其他學科有廣泛的研究。 張文亮 鑲金邊的拉丁文古書。楊格經過書店，看到這本古 書，就唸起來，路上的行人看到這一幕，都停下來， 圍繞在他身邊，聽他誦讀這本書。書店的老闆也走了 出來，他不相信這個穿著土氣的鄉下孩子能讀這本 書。老闆翻了幾頁，楊格都能立刻口譯出來，老闆就 將古書送給他。從此，楊格聲名遠播。 倫敦有一位銀行家巴克禮（David Barclay）聽到 這個消息，就聘請楊格前來倫敦，擔任他的外孫格尼 （Hudson Gurney）的家庭教師。當時楊格十四歲，格 尼十二歲，他們後來不僅成為一生的好友，楊格也因 此發現了自己有愛好教導別人的天性。

劍橋大學的代打教授 每年冬天，在巴克禮的資助下，楊格前往劍橋大 學旁聽。他因為沒有受過正式教育，所以剛去上希臘 文課時，任課的教授遲到，也不知道要等教授前來， 就自己上台講授希臘文。波森（Porson）教授來時嚇 了一跳，怎會有個十五、六歲的大孩子已經在講台上 教起書來？於是冒充學生坐在後面聽。波森邊聽邊感 到訝異，這個代打的少年，實在講得頭頭是道，就舉 手發問，故意考他：「在拉丁文裡＆的符號是怎麼來 的？」楊格不慌不忙地答道：「這是ｅ與ｒ的變體 字，這兩個字母在古典希臘文的連寫是ａ，將ａ字倒 過來就近似＆的樣子，由於＆的字源是兩個字母的共 併，所以後來就成為前後共併（and）的意思。」楊格的回答，讓波森教授讚嘆不已，他表明身分後，就對全班說：「以後如果我晚一點到，就讓楊格上來講 課。」

走入醫學界

一七八九年的冬天，楊格又前往劍橋大學當旁聽生。他在學校宿舍的地下室裡，染上了肺炎。楊格病 中有感：「我知道許多的知識，卻不知道保護自己生 命的知識。」後來，幸好布洛克立斯基（Brocklesky） 醫生經過學生宿舍，聽到強烈的咳嗽聲，將病危的楊 格送醫。 楊格病癒後，決定轉唸醫學，並向巴克禮辭職。 一七九○年，他申請進入愛丁堡大學醫學院就讀，畢 業後又到德國哥騰根醫學院進修，後來又回到劍橋大 學，在一七九九年春天取得醫學博士學位。對於十年 的醫學教育，楊格認為：「醫學的知識雖然重要，但 是，如果只是為了執業賺錢，不僅是人生的浪費，也 是對上帝的虧欠。」同年，他在倫敦的威爾貝克街 （Welbeck Street）開了一間非常特殊的醫院。 

特殊的醫院

醫院的門口寫著：「這所醫院的醫生是個科學 家，所以看病以後不給藥。」這在當時是個創舉，醫 學與藥學分開，與藥劑師制度的建立都是十九世紀以 後的事，而且很少醫生會認為自己是科學家。但是， 楊格在十八世紀末期就說：「醫院是醫生與病人聊天 的地方，醫生是替病人解謎的人。許多的疾病診治， 不在給藥，而在矯正病人的生活習慣，病因可能來自 病人的飲食不當、睡眠缺乏，或是居家環境通風不 良，這些問題必須在醫生與病人的對談中才能發現。 醫學的藝術在於準確的診斷，我認為現在流行的放 血、發汗劑、催吐丸、排尿片的醫治方法太幼稚了， 治療疾病的用藥，必須建立在化學與藥劑學上，否則藥品會淪為江湖郎中的賺錢騙術。」 另外，楊格也為看診的病人開設醫學保健課程。 課程包括六堂化學、六堂生理學介紹、二十堂疾病學 簡介與四堂藥物化學，他並且特別為上課的病人，編 寫了一本《醫學文獻簡介》（Introduction to Medical Literature）。醫學保健班每年開班，持續了十幾年，他一直保留著學生名單與職業的紀錄。這些學生中，有 家庭主婦、文學家、碼頭苦力、軍人、馬戲團小丑、 街頭畫家、菜市場魚販，還有流浪漢與在監獄管訓的犯人等，真是奇特的班級。

買牛眼睛的科學家  一八○○年，有一個病人，抱怨自己的視力愈來 愈差。楊格檢查他眼睛的外觀，並沒有異樣。楊格就 到菜市場，向賣牛肉的小販買了一袋牛眼睛，回到醫 院裡研究眼睛的結構。一八○一年楊格在英國皇家科 46 科學發展2002年2月，350期 一．般．報．導 學會刊上發表「散光」的原因，是眼睛角膜水晶體曲 度的改變，使得進入眼球的光線不能落在視網膜上， 所以人看東西會模糊。為此，楊格用一片雙曲度的玻 璃，放在病人眼睛前面，輔助光線能落在視網膜上， 這個矯正玻璃，後來稱為「眼鏡」。 這是非常重要的一篇研究報告，幫助了日後成千 上萬的近視、遠視和散光的患者。在這篇報告裡，楊 格首先提出視覺與眼睛結構的關係，並認為眼睛的感 光機制是來自視網膜上的神經傳遞。因此在醫學史 上，楊格被稱為「視覺生理學之父」。這篇研究成果， 也使楊格成為英國「皇家科學會」（Royal Society）的 會員，並且擔任「皇家協會」（Royal Institution）自然哲學系的教授，又開始對一批年輕學子上課。

光本質的研究起源

「光學」是物理科學裡最迷人的學問之一。早在十 二世紀，葛羅斯特（Robert Grosseteste, 1175－1253） 就提出：天空的美，是光的變化所致。他首先指出水 面上的倒影是光的「反射」現象；彩霞的顏色是光的 「折射」結果。 西元一三○五年，弗雷伯格（Dietrich von Frieberg, 1250－1310）更以陽光透過一個裝水的玻璃球去 證明：彩虹的產生，是光的折射現象。這篇一百七十 頁的研究成果被稱為「人類歷史上第一篇科學研究報 告」。弗雷伯格認為，光是非常值得研究的對象，這位 中世紀道明會（Dominican）修士提出：「上帝首先是 用光去創造這個世界，所以人類對於宇宙現象的不了 解，最後都會回歸到對光本質的了 解深度。」他由實驗結果提出彩虹 的顏色是紅、黃、綠、藍四種。 近代物理學之父牛頓（Isaac Newton, 1642－1727）以更精確的 實驗指出，光具有紅、橙、黃、 綠、藍、靛、紫七種分光的顏色， 他也提出光的本質是由「光子」的 微粒所組成。當時英國的科學家虎 克（Robert Hooke, 1635－1703）認 為油在水面上會形成彩色薄膜，是因為光是一種波。 一六八七年，荷蘭的科學家海更斯（Christian Huygens, 1629－1695）並依此而提出光的波動說，但是，虎克與海更斯都缺乏精確實驗去量化光的波動特性。

光的繞射實驗 一八○○年，楊格在診所裡進行光波動實驗，並 在《哲學會誌》上發表了〈聲音與光的實驗〉 （Experiments on sound and light），繼而在一八○一年又 發表〈光與色的理論〉（On the theory of light and colors）。在這兩篇研究報告中，楊格提到，讓光通過 二個窄縫，結果會產生光暗相間的平行條紋， 這是科 學史上非常著名的「雙光柵實驗」（ d o u b l e - s i l t experiment）。 楊格在一八○三年十一月二十四日，繼續發表 〈以實驗證明光繞射的通則〉（Experimental demonstration of the general law of the interference of light），對光的波動有更清楚的闡述。

遇到愛問問題的女孩

楊格發表光的繞射實驗，不僅對往後的物理光 學、太空通訊、影像傳送、微距測定等非常有用，另一個重大的收穫就是，有位名叫伊莉莎．麥克斯威 爾（Eliza Maxwell）的女孩讀了楊格的研究報告後， 登門請教光繞射研究的細節。楊格與她討論幾次後， 發現她的頭腦清楚，深思明辨；更發現自己除了醫院 的工作與光學實驗之外，單身生活實在有所欠缺，不夠圓滿。一八○四年六月十四日，楊格與伊莉莎結為夫婦，伴郎就是他的第一個家教學生格尼。婚後的楊格更加忙碌，他擔任英國皇家學會的秘書，連續發表了〈由光的繞射測定極小的物質－紅血球的研究〉、〈光的偏振現象〉、〈色盲的區分〉、〈血壓計的製造〉、〈以微小粒子的運動解釋熱的現象〉、〈表面張力的測定法〉等，並且繼續在醫院裡對販夫走卒開授保健課程，很少大師級的科學家能夠兼顧後者，但楊格的教育熱忱，使他樂此不疲。

英雄識英雄

一八○八年，楊格醫院的生意每況愈下，他在皇家科學院的工作與物理研究上的熱衷，使他愈來愈沒時間與病人聊天。二年後，楊格幾乎瀕臨破產，醫院也面 臨關閉，他只好到銀行申請貸款，因而認識了銀行的老 闆布魯慕（Henry Brougham, 1778－1868）。布魯慕畢業 於愛丁堡大學法律系，出身銀行世家，且擔任當時最 具社會影響力的《愛丁堡評論》（Edingburgh Review） 的主編。一八○八年布魯慕選上議員，加入當時改革 奴隸法案最著名的「克拉朋聖徒」（Clapham Saints）。 楊格在年輕時就參加貴格會的聚會，貴格會的基督徒 以反對蓄奴著名，他也反對奴隸制度，自稱「倡導自 由的貴格人」（Free Quaker）。 楊格與布魯慕的偶然相遇，卻造就了近代科學史 上的一個重要里程碑－「科普教育」的開始。

科普教育的萌芽

楊格本來要與布魯慕談醫院貸款的事，後來話題 一轉，講到反對奴隸制度，兩人愈說愈投機；話題延 伸到貧苦社區的平民教育，楊格更是滔滔不絕。布魯 慕對於大眾教育也很有抱負，講到最後，兩人不僅成 為朋友，還決定成立一所大學，為想唸書又沒有錢的 孩子提供接受高等教育的機會，並且組織一個協會， 出版最廉價的、第一流的科普教材，教育百姓。 伊莉莎後來知道丈夫到銀行貸款，竟然帶回來一 個更花錢的夢－成立大學與出版科普教材。很少科學 大師有這麼「不務正業」的想法，但是，她仍全力支 持丈夫，就像當年支持他的「光的繞射」實驗一樣。 後來這所大學成立了，就是著名的「倫敦大學」；學 會也組成了，稱為「有用知識推廣協會」（Society for the Diffusion of Useful Knowledge）。

科普教育的原則 

「有用知識推廣協會」對於十九世紀的英國學童， 有極為深遠的影響，甚至逐漸也為歐美其他國家所仿 效。這個協會一直秉持著三個推動科普教育的原則： 第一、科普教育的理念。學生要選擇一個狹小的 領域去從事專精研究以前，最好先有廣泛的知識做基 礎。楊格認為：「科學研究不僅是知識的獲得，且會 成為一個人生命的特質。在科學家的眼中，研究是無 止境地在自然界探索，是一種思考的淬鍊，使心志更 堅強；是一種凡事回到基本點的思索，使頭腦更能分 別是非。研究者經常是在一個很窄小的領域中去尋求 突破，但是他要見前人所未見，想前人所未想，則他 必須站在一個更廣大的知識尺度上，才能超越前者。」 第二、高等科學的研究成果是科普教育的好材料。

楊格認為：「科學研究不是追求研究者的不朽， 也非研究成果的不朽，否則科學界會淪為變相的偶像 崇拜。科學研究不是只為自己，而是將結果公開、分 享，給願意閱讀的人，提供更深邃的眼光，用圖、用 表、用公式、用實驗，指出這個宇宙的美在何處，大 自然的法則是多麼具有邏輯性。科學的精確知識，是 在教育裡，能夠傳遞的最佳內涵中的一種素材。」 只是科普教材的寫法，與科學研究論文的寫法不 同。科學研究的文章，是科學家深刻冷靜的思索，是 科學家互相切磋的管道。科普教材是為了大眾，文字 的傳遞必須切身、活潑。

楊格對科普教材的寫作這麼 建議：「先引一個大眾所關切的問題，再用科學的原 理來解釋。例如用大眾 所知道的毛細現象，去 解釋原子的互相作用 力；用大眾所熟悉的船 的形狀，去解釋物體結 構對剪應力的承受。」 第三、持續的熱 心。教育不是一時的， 而是要長期持續地推 動。楊格說明，自己長 期委身大眾教育的原因 是：「做好任何事情， 都需要付出時間與努 力，但很多事情並不值 得。一生從事科學的研 究是值得的付出嗎？如 果能認識人理性的存 在，最終有個神聖的目 的， 那就值得了。」 就是這份神聖的負 擔，促使楊格不斷在「有用知識推廣協會」撰寫「自然哲學與機械藝術之教 材」系列，所有的教材小冊，每一本只賣一毛錢。經 費由布魯慕籌措，當初「有用知識推廣協會」有句口號：「好書即使只賣一本，也是值得的。」 楊格與伊莉莎一生都沒有孩子，但是，藉著「有用知識推廣協會」，這對夫婦幫助了許多別人的孩子。

機械與材料工程的藝術面

一般人都把「機械」與「工程」連在一起，稱為「機械工程」。楊格卻把「機械」與「藝術」連在一起，稱為「機械藝術」。「機械藝術」實在是個很奇特的名詞，但是「機械」（mechanics）的希臘文原意是「省力」的意思，人用輪子、齒輪、滑輪、槓桿等工具省力，的確是門藝術。現今大學裡的機械工程學系，或許改名為「機械藝術工程學系」可能會更加貼切。人類自古以來就懂得使用不同的材料，早期以磚造屋，以瓦罐取水，以鐵製刀等。但是材料的使用，與材料的穩定度有關。例如，用石頭建造房屋，石頭對力的承受度會決定房子建造的長、寬、高。不同的文明古國，都有各別判定材料強硬度的方法。十七世紀末，虎克提出「虎克彈簧」，不僅可以由彈簧的延伸度測定掛在底下物體的重量，更可以用已知的不同重量，去測定不同物質的延伸度，這是最早將材料硬度數量化的方法。

彈性與安全

一八○七年，楊格更在「有用知識推廣協會」的 小冊上發表後來非常著名的「楊氏彈性係數」（Young's elastic modulus）。不同於「虎克彈簧」，楊格認為物體 的受力不只受到重量的影響，也受到衝撞速度的影響，他是科學史上首先提出「動能」（kinetic energy） 的人。楊格將動能定義為質量乘以速度的平方。他首先定義彈性是物體受力後可以恢復原來的形狀，繼而提出材料若要安全使用，所承受的力量必須在彈性範 圍內，如果超越彈性的範圍，物質就會變形甚至斷裂破壞。

物理最後的問題

在彈性範圍內，物體受拉力或壓力與所增加或減少的長度比例，是一個定值，楊格稱之為「彈性係數」。他提出在彈性受力的範圍內，物質組成的粒子結構，也像彈簧一樣可以伸縮自如，由於每種物質有其特殊的粒子結構排列，因此各有其彈性係數。彈性係數愈大的物質在受力的情況下，物質變形的長度愈小，這種物質愈適合做為建築材料使用。「彈性係數」的觀念，在材料科學上是很重要的貢獻，但是，楊格卻有更深的體會。他在研究論文上寫道：「物理最後的發展，會回到最基本又不可分割的微小粒子上，那是物質的最小單位。然後，物理學家會發現那微小的粒子，彼此之間仍會有作用力，不是這些微小粒子產生的，因為微小粒子裡還有更微小的粒子，無論人怎樣將粒子細分，仍會有作用力，不是這更小的粒子所產生的。所以物理學最終的思索是，這些作用力是怎麼來的？無論是從電、從磁、從光、從熱、從萬有引力，從任何方面去切入，最後都會回到這一個問題，人類沒有辦法解釋最基本的作用力，為什麼不是基本粒子所產生的？我好像一個探險家，跋涉過最茂密的森林，最後才承認所見的仍是影兒，不是本物的真相，真相是永存的，是非物質的，是屬靈的。」