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托马斯·杨——最后一个什么都懂的人

一个在人类求知的几乎每个领域中都享有崇高地位的人

…a man alike eminent in almost every department of human learning

…一个在人类求知的几乎每个领域中都享有崇高地位的人

——托马斯·杨的墓志铭

撰文|陈关荣(香港城市大学)

2007年英国出版了一本题为The Last Man Who Knew Everything(最后一个什么都懂的人)的书[1],写的是托马斯·杨(Thomas Young,1773-1829)。

Oneworld Publications, UK (2007)

如果一个人被称为“什么都懂”,那么他一定是全才。如果他还被认为是“最后一个”,那么就是“后无来者”了。中国人一向谦虚,甚至连圣人都不会称之为什么都懂。不过,模仿西方人的口吻,我最近也把中国人顾毓琇如此这般地称赞了一回[2]。

托马斯·杨是英国的一名医生、物理学家,是光波学说奠基人之一。其实他涉猎甚广,在力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、考古学等方面都有杰出贡献。他还对艺术、美术、音乐饶有兴趣,能演奏多种乐器,而且会制造天文器材,还研究过保险和经济问题。据说他还擅长骑马并会耍杂技和走钢丝呢。不然人家怎么会说他是“一个什么都懂的人”?他确实是一位百科全书式的学者。但是,他不是那种苦行僧式的科学家。他休闲时喜欢唱歌跳舞,传说有一次他居然步行了170英里去看一个艺术展览。

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托马斯·杨1773年6月13日出生于英国一个名叫Milverton小村落的一个富裕贵格会(Quaker)教徒家,在十个孩子中最小。他是个神童,2岁便会阅读,4岁能背诵英文和拉丁文诗歌,6岁把圣经读了两遍,9岁自制出简单物理仪器,14岁掌握了包括希腊语、拉丁语、意大利语、法语等多门语言,能用这些语言做读书笔记,之后还学习了希伯来语、波斯语和阿拉伯语。在中学时期,托马斯·杨最喜爱生物学,同时自学了微积分并自制出显微镜和望远镜,还读过牛顿的《自然哲学的数学原理》和拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier)的《化学纲要》以及其他一些科学著作。他在职业发展方面受到了医生叔父的决定性影响。叔父去世时给他留下了一大笔遗产,包括房子、藏书、艺术精品和上万英镑现款。托马斯·杨19岁时到了伦敦学医,21岁时转学到爱丁堡医学院,其时已因眼睛调节机理研究的科学贡献而出名,成为了皇家学会会员。他22岁时来到德国格廷根大学学医,第二年便取得了哲学博士学位。但他的医学学习一直继续到27岁,即1799 年在剑桥大学完成了医学学位。随后,他开始在伦敦行医,在圣·乔治医院工作了几年。托马斯·杨的医学贡献主要在血流动力学方面,出版过《对视觉过程的观测》(1973年)、《医学文献介绍及实用疾病分类学》(1813年)、《实践鼻科》(1813年)、《虚损类病的历史和治疗》(1815年)等著作。虽然出生于一个贵格会教徒家庭,他成人后加入了基督教,成为英国国教会(Church of England)的一员。

1799年,法国拿破仑军队在埃及el-Rashid镇附近进行要塞地基扩展工程时发现了著名的罗塞塔石碑(Rosetta Stone)。石碑是在公元前332年矗立的,上部刻有14行埃及象形文字,中部有32行埃及草书,下部有54行古希腊文字,是古埃及法老托勒密五世的诏书。但是这些文字早被废弃,碑文内容当时无人知晓。后来,法国学者商博良(Jean-Fran?ois Champollion)首先阐释了碑文上部的象形文字,接下来托马斯·杨把碑文完整译出并成书发表,其中他解读了碑文中下部的86行文字,破译了13位王室成员中的9个名字,同时还指出碑文上部象形文字符号的正确读法。事实上,托马斯·杨曾对近400种语言做过比较,并在1813年提出了“印欧语系”的分类。托马斯·杨去世后,人们在他的墓碑上刻上悼词:“他最先破译了数千年来无人能够解读的古埃及文字”。至于那块极具历史意义的罗塞塔石碑,则于1802年运抵英国后以英王乔治三世的名义捐赠给了大英博物馆,放置在埃及厅,成为镇馆之宝。

Rosetta Stone (The British Museum)

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其实托马斯·杨更喜爱的是自然科学特别是物理,并一直进行独立研究。1801年,28岁的他在皇家学院任自然哲学教授,在那里他教授机械力学、水力学、物理和数学。值得一提的是,众所周知的“能量”(energy)一词,就是他在1807年出版的《自然哲学讲义》[3]中引进的,他首次给出了能量的物理学解释。学术社会工作方面,他后来曾任过一段时间的伦敦皇家学会秘书职务。

托马斯·杨科学研究方面最大的成就在物理光学领域,其贡献是多方面的。他被誉为生理光学的创始人,在1793年就发现了人眼球里的晶状体会自动调节以辨认所见物体的远近。他也是第一个研究散光的医生。他首次测量七种光的波长,并最先建立了三原色理论:指出一切色彩都可以由红、绿、蓝这三种原色叠加得到。这一原理,后来由亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)进行了改进,并在1959年由现代光学实验得以证实。1801年,托马斯·杨在皇家学院著名的Bakerian讲座上作了题为“光和色的理论”的讲演,该论文一年后在《皇家学会哲学会刊》上发表,其中首次提出了声波的叠加原理。

托马斯·杨在光学领域最伟大的贡献,当数其光波理论和双缝干涉实验。牛顿在1704年出版的论著《光学》中断言,光是由微粒(corpuscles)组成的。之后近百年时间里这一理论毋庸置疑,尽管罗伯特·胡克(Robert Hooke)早在1672年就曾提出过光是一种横波,甚至惠更斯(Christiaan Huyhens)在1678年的著作《光论》里也曾有过光是一种机械波的说法。由于托马斯·杨了解音乐并能演奏乐器,他琢磨光会不会也和声音一样是一种波?于是他做了一个双缝干涉实验。

这个著名的实验让一束光先通过一个小针孔,然后再通过两个小针孔而变成两束光。因为两束光来自同一光源,它们是相干的。结果在光屏上果然看见了明暗相间的干涉图像。之后,他又以狭缝代替针孔,进行了同样的实验,得到了更明亮的干涉条纹。这种现象只能用波动而不能用粒子来解释。然而,这个新理论在当时完全不能为学术界接纳。托马斯·杨的论文《物理光学的相关实验与计算》无处发表,只好自己把它印成小册子,取名为《声和光的实验和探索纲要》(1801年)。托马斯·杨在文中说:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”1803年,托马斯·杨再次在皇家学院Bakerian讲座上作了关于光波学说的讲演。但是托马斯·杨的光波学说基于实验观测,没有严格的数学理论支持,也没能给出明确的数学公式。

1815年,法国物理学家菲涅尔(Augustin Jean Fresnel)向法国科学院递交了一份有关光波学说的论文,阐述了和托马斯·杨的观测相仿的现象。当年科学院的院士们都不清楚杨的工作,见到他的名字颇为吃惊,于是组织了包括著名天体物理学家阿拉戈(Francois Arago)在内的一组科学家去调查菲涅尔的研究成果。他们会见了杨,但却偏袒于菲涅尔的论文贡献。杨则坚持说他早在多年以前就得出了相同的结论,并报告了伦敦皇家学会。可是法国科学家小组对此表示怀疑。幸而杨的妻子Eliza Maxwell参加了那次会议并携带了已出版的论文集,其中一卷印有杨几年前的报告。于是主要成果判给了托马斯·杨。不过三年之后,菲涅尔又发表了一篇更严密和完整的论文,对杨的光波学说给出了充分的理论分析。该论文使光波学说最终在学术界站稳了脚跟。后来,如所周知,还有麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的电磁波理论诠释。

值得提及的是,上面说的那次辩论和裁决,并没有造成两位科学家之间的个人冲突。相反,事后菲涅尔在写给杨的信中表示了对杨的尊敬,而杨在1819年10月16日写的回信中说:“先生,我为您赠送我令人敬羡的论文表示万分感谢。在对光学进展最有贡献的诸多论文中,您的论文确实有极高的地位。”爱因斯坦在1931年《牛顿光学》一书序言中高度赞扬了托马斯·杨和他的科学成果,并多次在不同场合里评说:光波学说的成功,在牛顿物理学体系上打开了第一道缺口,揭开了现代场物理学的第一章。

光的双缝干涉实验

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托马斯·杨对力学也深有研究。1804年,他根据表面张力原理发展了毛细管现象理论。1805年,拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)发现了月形装置的半径与毛细作用有关。1830年,高斯(Carl Fridrich Gauss)统一了这两位科学家的工作,推导出Young-Laplace方程,用来描述跨越两个分子之间的界面所承受的毛细管压差流体。此外,托马斯·杨推导出一个方程,后人称之为Young方程,用来描述液滴在平面固体表面上的接触角与自由表面的能量、界面自由能和液体的表面张力之间的关系。该方程式后来由两位杜普雷(Anthanase Dupré and Paul Dupré)推广到热力学效应,发展成Young-Dupré方程。

托马斯·杨对弹性力学研究更深有造旨。他在1807年引进了材料的弹性模量,就是现在通用的杨氏弹性模量(Young's modulus),用来表征在弹性限度内应力与应变的比值,它仅取决于材料本身的物理性质。托马斯·杨也认识到剪切是一种弹性变形,称之为横推量,并注意到材料对剪切的抗力不同于材料对拉伸或压缩的抗力。可惜他没有引进相应的刚度模量来量度材料对剪切的阻抗。托马斯·杨的主要力学著作有《自然哲学讲义》(1807年)和《自然哲学与机械工艺课程》(1807年)和《拉普拉斯天体力学原理阐明》(1821年)。

此外,中年的托马斯·杨还为一家大保险公司担任过统计检察官,并被任命为《航海天文历》的主持人,其间做了不少天文学和航海援助的研究和管理工作。作为一位德高望重的学者,他还受邀为《大英百科全书》撰写过40多位科学家的传记及繁多的科学名词条目,涉及诸如桥梁、木工、色料、埃及、语言、潮汐和度量衡等领域。

1827年,托马斯·杨被法国科学院遴选为外籍院士。

1829年5月10日,56岁的托马斯·杨因心脏动脉硬化不治,停止了他从不疲倦的思考,放下了手边正在编写的埃及字典工作,在伦敦悄然离世。他被安葬在神圣的威斯敏斯特教堂(Westminster Abbey),俗称西敏寺,是英国国王登基和皇室举行婚礼的地方;在那里长眠着许多伟大人物,包括牛顿、达尔文、丘吉尔、弥尔顿、狄更斯和简·奥斯汀。托马斯·杨的墓志铭上说他是 "… a man alike eminent in almost every department of human learning"(…一个在人类求知的几乎每个领域中都享有崇高地位的人)。

参考文献

[1] Andrew Robinson,The Last Man Who Knew Everything: Thomas Young(the Anonymous Polymath Who Proved Newton Wrong, Explained How We See, Cured the Sick and Deciphered the Rosetta Stone), New York: Pi Press, 2005; Oxford: Oneworld Publications, 2006.

[2]陈关荣,顾毓琇:最后一位旷世通才,系统控制纵横,2019年第2期,31-36页。(点击可跳转)

[3] Thomas Young,Lectures on Natural Philosophy, London, vol.1, 1807, pp. 78-79.

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