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巨人阴影下的巨人——斜杠青年胡克

撰文 | Ember、阿怪 

提起中学课本里的胡克定律,你大概是以一副迷惑表情作为回应。但提到F=-k·x这条公式,你可能或多或少会保留一些关于它的记忆。胡克定律作为力学弹性理论中的一条基本定律,表示固体受力时,其中的应力与应变之间呈线性关系。能够出现在课本里,就已经足以说明罗伯特·胡克(Robert Hooke)的学术成就不一般。有多不一般?毫不夸张地说,他的成就几乎能与牛顿(Isaac Newton)、惠更斯(Christiaan Huyg(h)ens)相提并论。用现在的话来说,他可谓是一名不折不扣的斜杠青年——作为英国的发明家、物理学家、天文学家,他设计制造了真空泵、显微镜、望远镜……但与其他一心只专注于实验与研究的科学家们不同,流淌在胡克理性外表下的是艺术与美的浪漫血液。 

‍‍‍‍‍‍‍‍胡克画像,图片来自  wiki

《显微术》的时代背景科学与艺术的结合为科学的传播创造了良好的条件。文艺复兴时期,印刷术带来了‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍知识的世俗化‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍,绘画以书籍插图的形式活跃于自然科学传播,成为科学知识表达的重要方式。
解剖学家安德烈亚斯·维萨留斯(Andreas Vesalius)于1543年出版的《人体的构造(De humani corporis fabria)》中有 278 幅精美的木刻画,这些插图精确地再现人类生理特征,帮助读者轻松地理解维萨留斯的发现。同样植物学的发展也离不开植物学图谱,手绘图像确保了植物研究中知识的准确性。   

《人体的构造》中的插图,图片来自wiki

16世纪后,知识图像化之风愈烈,深刻地改变了西方的科学知识形态,为科学知识的表达与传播提供了新的可能。生逢此时的胡克从小就对绘画感兴趣。由于画技高超,年仅十三岁的他被推荐到宫廷肖像画师彼得 · 莱利(Peter Lely)麾下当学徒。尽管没多久就从师傅那里毕了业,但这种不可多得的先天艺术天赋和后天艺术教养早已深植骨髓——这为他的《显微术(Micrographia)》中精美插图的呈现打下了技能基础。如果说胡克的绘画能力是《显微术》问世的艺术技能基础,那复合显微镜的制作则是其科学技术基础。

胡克制作的复合显微镜,图片来自wiki

复合显微镜则是由二个或二组透镜和复式显微镜机械本体组成,它并非胡克的首创。但到底是谁发明的,难以确证。最为广泛的说法是由荷兰眼镜制造商詹森父子于1590年发明的。它的发明改善了当时单透镜放大镜放大倍数有限的问题。但问世后,一直未被人们开发应用功能。直到1624年伽利略(Galileo Galilei)首先用复合显微镜进行科学研究,显微镜才具备了科学用途。1610 年,伽利略发现可以用望远镜近距离观察小物体(苍蝇等),但2英尺长的望远镜必须延伸到 6 英尺才能观察靠近的物体。于是伽利略在1624年改进制作了复合显微镜。此后,自制显微镜的浪潮日益盛行,而胡克就是在这股浪潮中脱颖而出的佼佼者。 

《显微术》的问世受到英国建筑师克里斯托弗 · 雷恩(Christopher Wren)献给查尔斯二世昆虫素描作品的启发,胡克意识到自己的艺术天赋终于有了为科学服务的机会,这使他感到前所未有的兴奋。他开始专注于显微世界的探索,并亲手将显微镜中观察到的一切精准绘制下来。

1665年,胡克的《显微术》问世了。它虽没有发布新概念或新理论,但却开启了人类通往微观世界的大门。

《显微术》扉页,图片来自Jenner Institute University of Oxford

从此,显微镜下多姿多彩的微小世界获得了走出科学实验室,来到大众视野的机会。
在这本著作中,胡克通过手绘艺术第一次精准地向世人呈现了五十多幅微观画面,并对观测到的一系列现象加以论述。内容涉及广泛,包括植物、动物、矿山以及化石等的细微描述,也有对光学理论,氧化理论的探讨。值得一提的是,他对软木切片结构进行观察时发现了许多小室,他把这些小室称为细胞“cell”,虽然这些小室不是真的细胞,而是已死亡的植物细胞细胞壁。

胡克所绘软木结构,图片来自wiki

在之后的三个世纪,胡克几乎以一己之力,掀起了探索显微镜之下的新世界的热潮。越来越多的科学家投身到这新奇的显微世界中,显微镜技术和生物学获得了前所未有的飞快的发展。与此同时《显微术》一书也为之后的显微摄影奠定了基础。

宏观与微观世界的桥梁胡克通过改变我们的视域,为微不足道的事物赋予力量与美感,拉近了微观世界与我们的距离:在那里,你发现自家窗台上一个普通的黑点其实是有着千万鳞片和手眼的昆虫,看似光滑的表面其实布满了肉眼不可见的沟壑。

胡克绘制的跳蚤,图片来自wiki

他将虱子、跳蚤放大绘制,占据整张画面,就是想给你瞧瞧这些小东西变成巨兽时给你带来的震撼。如果将尺度划分层级,微观世界与宏观世界的边界处像是有着无法破除的隔阂。而显微镜是桥,它允许了一部分人对微小事物先窥一隅。胡克则是传道士,他穿梭于微观世界与宏观世界,‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍记录所见所闻并辅之以科学插图‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍。正是这样,人们似乎更能为直观地了解小到肉眼无法分辨的事物,而非仅仅靠想象揣测它们的形态。

胡克绘制的虱子,图片来自wiki

科学领域的知识图像化形成了一种不同于人文主义隐喻艺术的图像特性:直观、写实、清晰、精准,又兼具想象力和生动的叙事性、艺术性;同时又为受众理解一些单靠晦涩文字无法详尽描述的复杂结构提供了视觉辅助。《显微术》也让胡克多了一个新身份:畅销书作家。流量必然伴随着争议,当时的一些讽刺作家嘲笑胡克喝酒醉疯了,于是神智不清,花了2000英镑制作出了个显微镜,去观察“大自然”:在醋里扒拉着找鳗鱼,还在芝士里扣着跳蚤。不过他也有忠实粉丝,他们会熬夜看完《显微术》,然后反复捧读,甚至说这是他们一生中读过的最精巧的书。
在《显微术》出版之前,学术界已然刮起了“放大”的研究浪潮,这本著作更是将显微领域推到了哲学的高度。于是《显微术》便成了那个时代叫好又叫座的里程碑式的作品。

题外话:胡克?列文虎克?傻傻分不清楚

安东尼·范·列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek),图片来自wiki

荷兰科学家安东尼·范·列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)改进了胡克的显微镜,并用自制显微镜的在雨水中首次观察到纤毛虫(一种原生生物),自此微生物世界映入世人眼帘。列文虎克将他看到的生物称为“animalcules”,也是微生物(microorganism)一词的旧称。他从1673年起共写了四百多封信给伦敦王家自然知识促进学会(Royal Society of London for Improving Natural Knowledge)和法国国家科学院(Académie des sciences)。信中描述了人类精子、人体组织、红血球、植物细胞、还有67种昆虫的精细构造。

列文虎克绘制的细菌,图片来自royalsocietypublishing.org 

相较于胡克观察到的植物细胞壁,列文虎克则在1683年从自己口腔提取物中看到了尺寸更小的生命结构——细菌。植物细胞的直径一般在10-100微米之间,而细菌的直径只有1-10微米。这样看来,如果说列文虎克是在微观尺度上进行观察记录,胡克看到的只能算是稍作放大版的微观世界了。

列文虎克绘制的人类精子,图片来自jogc.com

胡克与列文虎克的关系,本是“站在巨人肩膀”的一段佳话,却因姓氏相似和研究领域略有交叉为世人所混淆。一个是如再生“达芬奇”般的博物学家,一个是手艺精巧善于观察的探索者,两位“胡(虎)克”皆记录着各自镜头中他们所热爱的世界,被图像化的科学知识在后世看来仍然熠熠生辉。

 

参考文献

[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4759719/

[2] https://naturalhistorymuseum.blog/2017/07/28/the-birth-of-a-curious-mind-robert-hooke-curator-of-diptera/#more-10665[3] https://hookeslondon.com/2013/03/27/restoration-reading-micrographia/[4] https://hookeslondon.com/2013/08/20/hooke-and-artists-1/[5] https://hookeslondon.com/2013/08/27/artists-and-craftsmen-2/[6] https://thenode.biologists.com/a-new-look-at-the-microscopic-world-350-years-since-hookes-landmark-book/news/[7] https://ucmp.berkeley.edu/history/hooke.html[8] https://www.gutenberg.org/files/15491/15491-h/15491-h.htm#obsXII[9] http://shc2000.sjtu.edu.cn/030901/huke.htm[10] https://online.ucpress.edu/abt/article/43/8/450/12825/A-Letter-from-Leeuwenhoek[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Antonie_van_Leeuwenhoek[12] 孙晓霞.艺术介入科学:文艺复兴时期知识图像化的学科启示[J].贵州大学学报(艺术版),2021,35(03):24-32.DOI:10.15958/j.cnki.gdxbysb.2021.03.004.

本文经授权转载自微信公众号“科学艺术研究中心”。

 



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