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高崇文/共發表34篇文章

中原大學物理學系 教授

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熱愛物理的總統閣下

  撰文者:高崇文  2017-07-07
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柏拉圖在他的對話錄"共和國"中曾大放厥詞,聲稱哲學家最適合擔任國家的領導者,不過事實上,哲學家皇帝似乎未曾成真,倒是少見地有一位物理學家在風雲際會下當過短暫的共和國的元首,不過比起他生平其他的事蹟,當上元首這件事對他還真是小菜一碟。他是誰呢? 就是法國科學家Dominique François Jean Arago (一般簡稱為François Arago)。其實在"阿文開講"的專欄中,他已經出現好幾回了,只是在前幾篇他只是配角,今天就讓阿文我來細數他一生的傳奇。

 

圖:Dominique François Jean Arago (Wikimedia commons)

François Arago 於1786年2月26日出生在Estagel,一個位於法國Pyrénées-Orientales省Perpignan附近只有3000居民的小村莊,他的父親Bonaventure Arago在那裡擔任造幣司庫的職務。Pyrénées-Orientales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。Arago家向來主張自由主義,支持共和政體,François Arago終其一生都是一個忠實的共和主義者,也是無神論者。

François在四兄弟中居長。二弟Jean(1788-1836)移民到北美,成為墨西哥軍隊的一名將軍。三弟Jacques Étienne Victor(1799-1855)在1817年至1821年參加了Luis de Freycinet烏蘭妮號 (Uranie)到澳大利亞的探險航程,返回法國後則是以新聞記者和劇作家的身分活躍。四弟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。

Arago自小立志投身軍旅,尤其嚮往擔任砲兵。所以他被送去Perpignan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,當他到土倫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Louis Monge (他是著名數學家Gaspard Monge 的弟弟)嘖嘖稱奇。1803年底,Arago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。讓他頗為失望。他在巴黎結識了大他五歲的Siméon Poisson。1804年由於Poisson的建議,接下了在巴黎天文台擔任秘書的工作。在那邊他認識了天體力學大師拉普拉斯,再次由於Poisson的推薦,他與Jean-Baptiste Biot一起去繼續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meter(米)的長度。

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Méchain在西班牙染上黃熱病過世而中斷。生性熱愛冒險的Arago 當仁不讓,接下這個艱鉅的工作。

Arago和Biot於1806年離開巴黎,沿西班牙山脈行動。他們確定了Formentera島的緯度,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。

Biot決定返回巴黎而Arago卻決定留下來。他喬裝成西班牙人繼續工作。Biot離開之後,西班牙的反法風潮也擴散到了Balearic Islands群島,當地居民開始懷疑Arago的測量工作,特別是他在Galatzo山的山頂的照明設施被懷疑是為法軍入侵略作內應。Arago在1808年6月被抓了,關到Bellver堡壘中。7月28日,他逃出堡壘 跳到一艘漁船上後逃離了島上,在海上冒險航行,8月3日抵達了阿爾及爾亞。從那裡他搭上一艘往馬賽的船,但8月16日,當船隻已經靠近馬賽時,卻落到一群西班牙海盜的手中。Arago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,該鎮後來落在法軍手中,Arago他們又被轉移到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) Arago 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,Arago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,其中當地部落首領語法國人發生衝突,眼看Arago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。

雖然回法國的過程一波三折,Arago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,Arago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Poisson當上院士,企圖勸退Arago,年輕氣盛的Arago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Arago沒有卓越的科學成就大作文章,結果拉格蘭日站起來說,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Arago順利當選。這年底,他還被母校的理事會選上接替數學家Gaspard Monge 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。

 

當時最熱門的話題是關於光的本質之爭。雖然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,甚至Young還遭到匿名信的攻擊,讓他心寒而逐漸放棄物理。Arago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,奇怪的是Arago沒發現任何不同。他在十二月十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Arago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Fresnel從1814年開始致力於光的本性的研究,他再度重現了托馬斯·楊於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。Arago熱烈地支持Augustin-Jean Fresnel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Fresnel–Arago 定律。

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,Fresnel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Arago,其他成員還有Poisson、Biot、拉普拉斯,他們都極力反對光的波動理論。此外還有Joseph Louis Gay-Lussac(給呂薩克)則是採取中立的態度。儘管不少成員不相信Fresnel的觀念,但是最終還是被Fresnel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。

但Poisson還是不服氣,想推翻Fresnel的觀點,就藉助于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Poisson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Fresnel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。Fresnel和Arago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一極具戲劇性事實,就把繞射光斑中央出現的亮斑(或暗斑)稱為「Poisson光斑」。

 

在1818年或1819年,他與Biot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。(所謂秒鐘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,Arago馬上當選經度局成員,Arago後來年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Bailly,拉普拉斯,Frensnel,傅立葉,瓦特等人,阿文在寫"魂斷吉落丁的天文學家",也參酌了Arago 文采飛揚的著作呢!

 

Arago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Arago's disk。這個現象被稱為Arago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Copley獎章。

1855年9月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Arago的發現其實是同一回事,但是許多資料把功勞只算到Foucault 頭上,在此說明一下。


1830年Arago他被選為科學院永久秘書,接替傅立葉。Arago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Arago,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Pyrénées-Orientales省的國會代表,運用他便捷的辯才以及廣博的科學知識,Arago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,是由於他的倡導- 例如獎勵Louis-Jacques Daguerre發明攝影,播款出版Fermat和Laplace作品,收購Cluny博物館,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Arago獨排眾議

大力提倡發展產業,算是眼光遠大呀。

 

Arago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。此外他提出了他提出的直接測量空氣中和水和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上,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Charles Wheatstone採用的中繼鏡來測量放電速度;但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,正是1850年春天,萬事俱備時,Arago的視力卻突然惡化而使得他無法從事實驗。但是H.L.Fizeau和B.L.Foault在1850年分別證明了光在密度較高的介質真的比較慢,這讓Arago開心極了。Arago 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阿文之前的舊文"英法千年恩仇錄之海王爭霸戰"了

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。史無前例地他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,Arago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,Arago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,Arago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,Arago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比利牛斯東部,但是他當時已經病入膏肓,來不及出發就在巴黎過世了。享壽六十七歲。身後留下大量的著作,陸續出版共計十七卷。

 

出身於波旁王朝,終於法蘭西第二帝國,Arago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。

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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



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