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

...一個在人類求知的幾乎每個領(lǐng)域中都享有崇高地位的人

——托馬斯·楊的墓志銘

撰文｜陳關(guān)榮（香港城市大學(xué)）

2007年英國出版了一本題為The Last Man Who Knew Everything（最后一個什么都懂的人）的書[1]，寫的是托馬斯·楊（Thomas Young，1773-1829）。

如果一個人被稱為“什么都懂”，那么他一定是全才。如果他還被認(rèn)為是“最后一個”，那么就是“后無來者”了。中國人一向謙虛，甚至連圣人都不會稱之為什么都懂。不過，模仿西方人的口吻，我最近也把中國人顧毓琇如此這般地稱贊了一回[2]。

托馬斯·楊是英國的一名醫(yī)生、物理學(xué)家，是光波學(xué)說奠基人之一。其實他涉獵甚廣，在力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、語言學(xué)、動物學(xué)、考古學(xué)等方面都有杰出貢獻(xiàn)。他還對藝術(shù)、美術(shù)、音樂饒有興趣，能演奏多種樂器，而且會制造天文器材，還研究過保險和經(jīng)濟問題。據(jù)說他還擅長騎馬并會耍雜技和走鋼絲呢。不然人家怎么會說他是“一個什么都懂的人”？他確實是一位百科全書式的學(xué)者。但是，他不是那種苦行僧式的科學(xué)家。他休閑時喜歡唱歌跳舞，傳說有一次他居然步行了170英里去看一個藝術(shù)展覽。

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托馬斯·楊1773年6月13日出生于英國一個名叫Milverton小村落的一個富裕貴格會(Quaker) 教徒家，在十個孩子中最小。他是個神童，2歲便會閱讀，4歲能背誦英文和拉丁文詩歌，6歲把圣經(jīng)讀了兩遍，9歲自制出簡單物理儀器，14歲掌握了包括希臘語、拉丁語、意大利語、法語等多門語言，能用這些語言做讀書筆記，之后還學(xué)習(xí)了希伯來語、波斯語和阿拉伯語。在中學(xué)時期，托馬斯·楊最喜愛生物學(xué)，同時自學(xué)了微積分并自制出顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，還讀過牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》和拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）的《化學(xué)綱要》以及其他一些科學(xué)著作。他在職業(yè)發(fā)展方面受到了醫(yī)生叔父的決定性影響。叔父去世時給他留下了一大筆遺產(chǎn)，包括房子、藏書、藝術(shù)精品和上萬英鎊現(xiàn)款。托馬斯·楊19歲時到了倫敦學(xué)醫(yī)，21歲時轉(zhuǎn)學(xué)到愛丁堡醫(yī)學(xué)院，其時已因眼睛調(diào)節(jié)機理研究的科學(xué)貢獻(xiàn)而出名，成為了皇家學(xué)會會員。他22歲時來到德國格廷根大學(xué)學(xué)醫(yī)，第二年便取得了哲學(xué)博士學(xué)位。但他的醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)一直繼續(xù)到27歲，即1799 年在劍橋大學(xué)完成了醫(yī)學(xué)學(xué)位。隨后，他開始在倫敦行醫(yī)，在圣·喬治醫(yī)院工作了幾年。托馬斯·楊的醫(yī)學(xué)貢獻(xiàn)主要在血流動力學(xué)方面，出版過《對視覺過程的觀測》（1973年）、《醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)介紹及實用疾病分類學(xué)》（1813年）、《實踐鼻科》（1813年）、《虛損類病的歷史和治療》（1815年）等著作。雖然出生于一個貴格會教徒家庭，他成人后加入了基督教，成為英國國教會 (Church of England) 的一員。

1799年，法國拿破侖軍隊在埃及el-Rashid鎮(zhèn)附近進(jìn)行要塞地基擴展工程時發(fā)現(xiàn)了著名的羅塞塔石碑（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行埃及草書，下部有54行古希臘文字，是古埃及法老托勒密五世的詔書。但是這些文字早被廢棄，碑文內(nèi)容當(dāng)時無人知曉。后來，法國學(xué)者商博良（Jean-Fran?ois Champollion）首先闡釋了碑文上部的象形文字，接下來托馬斯·楊把碑文完整譯出并成書發(fā)表，其中他解讀了碑文中下部的86行文字，破譯了13位王室成員中的9個名字，同時還指出碑文上部象形文字符號的正確讀法。事實上，托馬斯·楊曾對近400種語言做過比較，并在1813年提出了“印歐語系”的分類。托馬斯·楊去世后，人們在他的墓碑上刻上悼詞：“他最先破譯了數(shù)千年來無人能夠解讀的古埃及文字”。至于那塊極具歷史意義的羅塞塔石碑，則于1802年運抵英國后以英王喬治三世的名義捐贈給了大英博物館，放置在埃及廳，成為鎮(zhèn)館之寶。

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其實托馬斯·楊更喜愛的是自然科學(xué)特別是物理，并一直進(jìn)行獨立研究。1801年，28歲的他在皇家學(xué)院任自然哲學(xué)教授，在那里他教授機械力學(xué)、水力學(xué)、物理和數(shù)學(xué)。值得一提的是，眾所周知的“能量”（energy）一詞，就是他在1807年出版的《自然哲學(xué)講義》[3]中引進(jìn)的，他首次給出了能量的物理學(xué)解釋。學(xué)術(shù)社會工作方面，他后來曾任過一段時間的倫敦皇家學(xué)會秘書職務(wù)。

托馬斯·楊科學(xué)研究方面最大的成就在物理光學(xué)領(lǐng)域，其貢獻(xiàn)是多方面的。他被譽為生理光學(xué)的創(chuàng)始人，在1793年就發(fā)現(xiàn)了人眼球里的晶狀體會自動調(diào)節(jié)以辨認(rèn)所見物體的遠(yuǎn)近。他也是第一個研究散光的醫(yī)生。他首次測量七種光的波長，并最先建立了三原色理論：指出一切色彩都可以由紅、綠、藍(lán)這三種原色疊加得到。這一原理，后來由亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）進(jìn)行了改進(jìn)，并在1959年由現(xiàn)代光學(xué)實驗得以證實。1801年，托馬斯·楊在皇家學(xué)院著名的Bakerian講座上作了題為“光和色的理論”的講演，該論文一年后在《皇家學(xué)會哲學(xué)會刊》上發(fā)表，其中首次提出了聲波的疊加原理。

托馬斯·楊在光學(xué)領(lǐng)域最偉大的貢獻(xiàn)，當(dāng)數(shù)其光波理論和雙縫干涉實驗。牛頓在1704年出版的論著《光學(xué)》中斷言，光是由微粒（corpuscles）組成的。之后近百年時間里這一理論毋庸置疑，盡管羅伯特·胡克（Robert Hooke）早在1672年就曾提出過光是一種橫波，甚至惠更斯（Christiaan Huyhens）在1678年的著作《光論》里也曾有過光是一種機械波的說法。由于托馬斯·楊了解音樂并能演奏樂器，他琢磨光會不會也和聲音一樣是一種波？于是他做了一個雙縫干涉實驗。

這個著名的實驗讓一束光先通過一個小針孔，然后再通過兩個小針孔而變成兩束光。因為兩束光來自同一光源，它們是相干的。結(jié)果在光屏上果然看見了明暗相間的干涉圖像。之后，他又以狹縫代替針孔，進(jìn)行了同樣的實驗，得到了更明亮的干涉條紋。這種現(xiàn)象只能用波動而不能用粒子來解釋。然而，這個新理論在當(dāng)時完全不能為學(xué)術(shù)界接納。托馬斯·楊的論文《物理光學(xué)的相關(guān)實驗與計算》無處發(fā)表，只好自己把它印成小冊子，取名為《聲和光的實驗和探索綱要》（1801年）。托馬斯·楊在文中說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權(quán)威有時甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步?！?803年，托馬斯·楊再次在皇家學(xué)院Bakerian講座上作了關(guān)于光波學(xué)說的講演。但是托馬斯·楊的光波學(xué)說基于實驗觀測，沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論支持，也沒能給出明確的數(shù)學(xué)公式。

1815年，法國物理學(xué)家菲涅爾（Augustin Jean Fresnel）向法國科學(xué)院遞交了一份有關(guān)光波學(xué)說的論文，闡述了和托馬斯·楊的觀測相仿的現(xiàn)象。當(dāng)年科學(xué)院的院士們都不清楚楊的工作，見到他的名字頗為吃驚，于是組織了包括著名天體物理學(xué)家阿拉戈（Francois Arago）在內(nèi)的一組科學(xué)家去調(diào)查菲涅爾的研究成果。他們會見了楊，但卻偏袒于菲涅爾的論文貢獻(xiàn)。楊則堅持說他早在多年以前就得出了相同的結(jié)論，并報告了倫敦皇家學(xué)會?？墒欠▏茖W(xué)家小組對此表示懷疑。幸而楊的妻子Eliza Maxwell參加了那次會議并攜帶了已出版的論文集，其中一卷印有楊幾年前的報告。于是主要成果判給了托馬斯·楊。不過三年之后，菲涅爾又發(fā)表了一篇更嚴(yán)密和完整的論文，對楊的光波學(xué)說給出了充分的理論分析。該論文使光波學(xué)說最終在學(xué)術(shù)界站穩(wěn)了腳跟。后來，如所周知，還有麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的電磁波理論詮釋。

值得提及的是，上面說的那次辯論和裁決，并沒有造成兩位科學(xué)家之間的個人沖突。相反，事后菲涅爾在寫給楊的信中表示了對楊的尊敬，而楊在1819年10月16日寫的回信中說：“先生，我為您贈送我令人敬羨的論文表示萬分感謝。在對光學(xué)進(jìn)展最有貢獻(xiàn)的諸多論文中，您的論文確實有極高的地位?！睈垡蛩固乖?931年《牛頓光學(xué)》一書序言中高度贊揚了托馬斯·楊和他的科學(xué)成果，并多次在不同場合里評說：光波學(xué)說的成功，在牛頓物理學(xué)體系上打開了第一道缺口，揭開了現(xiàn)代場物理學(xué)的第一章。

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托馬斯·楊對力學(xué)也深有研究。1804年，他根據(jù)表面張力原理發(fā)展了毛細(xì)管現(xiàn)象理論。1805年，拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）發(fā)現(xiàn)了月形裝置的半徑與毛細(xì)作用有關(guān)。1830年，高斯（Carl Fridrich Gauss）統(tǒng)一了這兩位科學(xué)家的工作，推導(dǎo)出Young-Laplace方程，用來描述跨越兩個分子之間的界面所承受的毛細(xì)管壓差流體。此外，托馬斯·楊推導(dǎo)出一個方程，后人稱之為Young方程，用來描述液滴在平面固體表面上的接觸角與自由表面的能量、界面自由能和液體的表面張力之間的關(guān)系。該方程式后來由兩位杜普雷（Anthanase Dupré and Paul Dupré）推廣到熱力學(xué)效應(yīng)，發(fā)展成Young-Dupré方程。

托馬斯·楊對彈性力學(xué)研究更深有造旨。他在1807年引進(jìn)了材料的彈性模量，就是現(xiàn)在通用的楊氏彈性模量（Young's modulus），用來表征在彈性限度內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，它僅取決于材料本身的物理性質(zhì)。托馬斯·楊也認(rèn)識到剪切是一種彈性變形，稱之為橫推量，并注意到材料對剪切的抗力不同于材料對拉伸或壓縮的抗力?？上麤]有引進(jìn)相應(yīng)的剛度模量來量度材料對剪切的阻抗。托馬斯·楊的主要力學(xué)著作有《自然哲學(xué)講義》（1807年）和《自然哲學(xué)與機械工藝課程》（1807年）和《拉普拉斯天體力學(xué)原理闡明》（1821年）。

此外，中年的托馬斯·楊還為一家大保險公司擔(dān)任過統(tǒng)計檢察官，并被任命為《航海天文歷》的主持人，其間做了不少天文學(xué)和航海援助的研究和管理工作。作為一位德高望重的學(xué)者，他還受邀為《大英百科全書》撰寫過40多位科學(xué)家的傳記及繁多的科學(xué)名詞條目，涉及諸如橋梁、木工、色料、埃及、語言、潮汐和度量衡等領(lǐng)域。

1827年，托馬斯·楊被法國科學(xué)院遴選為外籍院士。

1829年5月10日，56歲的托馬斯·楊因心臟動脈硬化不治，停止了他從不疲倦的思考，放下了手邊正在編寫的埃及字典工作，在倫敦悄然離世。他被安葬在神圣的威斯敏斯特教堂（Westminster Abbey），俗稱西敏寺，是英國國王登基和皇室舉行婚禮的地方；在那里長眠著許多偉大人物，包括牛頓、達(dá)爾文、丘吉爾、彌爾頓、狄更斯和簡·奧斯汀。托馬斯·楊的墓志銘上說他是 "... a man alike eminent in almost every department of human learning"（…一個在人類求知的幾乎每個領(lǐng)域中都享有崇高地位的人) 。

參考文獻(xiàn)

[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] 陳關(guān)榮，顧毓琇：最后一位曠世通才，系統(tǒng)控制縱橫，2019年第2期，31-36頁。（點擊可跳轉(zhuǎn)）

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