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羅伯特·虎克

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羅伯特·虎克
13 Portrait of Robert Hooke.JPG
藝術家對羅伯特·虎克的印象畫。迄今尚未有經過驗證的虎克像。
出生 1635年7月28日儒略曆7月18日)
英國懷特島郡佛雷希瓦特
逝世 1703年3月14日儒略曆3月3日)(67歲)
英國倫敦
母校 牛津基督教堂學院
知名於 虎克定律
顯微鏡學
提出「細胞」一詞
科學生涯
研究領域 物理學化學
機構 牛津大學
學術顧問 羅伯特·波義耳
受影響於 理察·巴斯比

羅伯特·虎克Robert Hooke,又譯虎克,1635年7月28日-1703年3月3日),英國博物學家發明家。在物理學研究方面,他提出了描述材料彈性的基本定律——虎克定律,且提出了萬有引力的平方反比關係。在機械製造方面,他設計製造了真空泵顯微鏡望遠鏡,並將自己用顯微鏡觀察所得寫成《顯微術》一書;「細胞」的英文:cell,即由他命名。中文翻譯後即稱為細胞。在新技術發明方面,他發明的很多設備至今仍然在使用。除去科學技術,虎克還在城市設計建築方面有著重要的貢獻。但由於與牛頓的論爭導致他去世後鮮為人知,近來對虎克的研究逐漸興起。虎克也因其興趣廣泛、貢獻重要而被某些科學史家稱為「倫敦的萊奧納多(達文西)」。

早年[編輯]

虎克生於英國懷特島西端的佛雷希瓦特,父親約翰·虎克是當地的助理牧師。虎克從小就表現出對機械製造和繪畫的濃厚興趣和創造力,畫家約翰·霍斯金斯曾看到過小虎克在用他自己從煤炭,紅土和白堊作出的顏料作畫,認為他有繪畫天賦。1648年虎克父親去世,虎克到倫敦謀生,在約翰霍斯金斯推薦下,成為肖像畫家彼得·雷利(Peter Lely)的學徒。不久虎克離開畫室進入威斯敏斯特學校讀書。校長理察·巴斯比很看重他的天賦,免除了他的學費,後來兩人成了很好的朋友。虎克在威斯敏斯特學校學習了拉丁文希臘文歐幾里德的《幾何原本》等。約翰·威爾金斯(John Wilkins)和天文學家塞斯·沃德(Seth Ward)都注意到虎克在機械製作上的創造力和技巧,並且引導他開始學習天文物理醫學化學。1653年虎克得到牛津大學教堂詩班的工作。

早期研究[編輯]

波以耳-虎克牆,兩人最早的實驗室所在

1655年物理學家,化學家羅伯特·波義耳應主持牛津大學改革的威爾金斯的邀請,前往牛津建立實驗室。虎克得以與波義耳相識,並成了羅伯特波義耳的研究助手。1658-1661年波義耳和虎克對德國發明家奧托·格里克發明的氣泵進行改進,並進行了氣體的壓力和體積的研究,提出了波義耳定律。同時虎克接受了波義耳在《懷疑派的化學家》一書中對四元素說的反駁,並注意到了燃燒的放熱現象,他將其與某些物質的溶解放熱相類比,認為燃燒是可燃物中含有的「硫素」溶解於空氣的過程,但並未發表。

1662年,在皇家學會會長羅伯特·默雷(Robert Moray)和波義耳的提議下,虎克任皇家學會的試驗負責人,負責維護試驗儀器,驗證和演示實驗。由於皇家學會初創,沒有資金來源。虎克拿不到薪水,只能仍靠在唱詩班的工作度日。為了解決窘境,虎克設計了一些實驗,在國王面前演示,爭取到了王室對皇家學會的一些資助。1664年開始虎克開始擔任格雷漢姆學院的幾何學教授。

顯微鏡與望遠鏡[編輯]

虎克觀察到的跳蚤,出自《顯微術》

1665年虎克根據英國皇家學會一院士的資料設計了一台複雜的複合顯微鏡。有一次他從樹皮切了一片軟木薄片,並放到自己發明的顯微鏡觀察。他觀察到了植物細胞(已死亡),並且覺得他們的形狀類似教士們所住的單人房間,所以他使用單人房間的cell一詞命名植物細胞為cellua。是為史上第一次成功觀察細胞

同年虎克出版了《顯微術》一書,該書包括了一些他使用顯微鏡或望遠鏡進行的觀察,包括上述的軟木切片。虎克所用的顯微鏡至今仍然保存在華盛頓國家健康與醫學博物館中。荷蘭工匠列文虎克受《顯微術》一書啟發,對虎克的顯微鏡鏡片進行了改進,對微生物進行了細緻的觀察,被稱為微生物學之父。虎克隨後被皇家學會要求確證列文虎克的發現並予以發表。

1663年蘇格蘭天文學家格里高利設計了格里高利望遠鏡,但在製造時失敗了。10年後虎克利用自己高超的機械設計技術成功建設了第一個這種反射望遠鏡,並使用這一望遠鏡首次觀測到火星的旋轉和木星大紅斑,月球上的環形山雙星系統

技術革新與虎克定律[編輯]

萬向接頭,又稱虎克接頭

虎克對當時的機械進行了很多改造,並發明了很多新裝置。他發明了錨型擒縱機,也發明了擺輪遊絲,通過這一裝置,可以按週期控制發條寬緊,至今仍是鐘錶製作中的關鍵部件。他也因為這一裝置的優先權問題和荷蘭物理學家惠更斯產生了長期的爭論,直到2006年在英國漢普頓郡一家人的櫥櫃中發現了虎克的關於皇家學會會議的記錄,提供了對虎克有利的證據。他第一個製造出了萬向接頭,有時候被叫做虎克接頭,可以允許剛性杆向任意方向運動,現在仍廣泛應用於車輛的傳動裝置中。雖然義大利數學家卡爾達諾一世紀前就提出了萬能接頭的想法,但是沒有製造出。還有風向儀,水平儀等裝置的發明權也常常歸功於他。

1676年虎克對金屬器件,特別是彈簧的彈性進行研究後,發表了一條拉丁語字謎,ceiiinosssttuv。(這是當時慣例,如果還不能確認自己的發現,則先把發現打亂字母順序發表,確認後再恢復正常順序。)兩年後公布了謎底ut tensio sic vis,意思是「力如伸長(那樣變化)」即應力與伸長量成正比的虎克定律

建築師虎克[編輯]

Willen教區教堂,唯一一座完全由虎克設計且保存完好的建築,被認為是早期英國巴洛克風格的典範

1666年9月倫敦大火,大部分倫敦建築被毀。查理二世命令克里斯多佛·雷恩爵士負責城市建築重建,雷恩提名虎克負責受災情況的調查和統計。在隨後的重建過程中,虎克負責了近一半的調查,測量和調解地產糾紛的工作,並協助設計了倫敦大火紀念碑格林尼治天文台等建築。虎克曾在皇家學會提出一個重建方案,主張將倫敦的道路改建成類似香榭里舍大街的寬敞的林蔭道風格,但由於地產所有人對劃界問題爭論不休,使得這一方案未能實行,於是重建後的倫敦仍保持了中世紀的道路風格。但後來新興的利物浦和很多美國城市都使用了虎克提倡的風格。

虎克與牛頓[編輯]

虎克和牛頓的關係問題一直充滿了爭論。一般認為,兩人彼此存在較大的敵意。爭論起源於光學,1672年牛頓皇家學會闡述自己的觀點,認為白光經過稜鏡產生色散,分成七色光,他將其解釋為不同顏色微粒的混合與分開,遭到主張光波動說的虎克的尖銳批評。牛頓大怒,稱虎克完全沒有理解自己這一劃時代發現的意義,並威脅要離開皇家學會。這使得主張光微粒說牛頓一直將已完成的著作《光學》延遲到虎克過世後才出版。光學出版後,奠定了光微粒說的統治地位,直到一百多年以後的菲涅耳才重新發現虎克的光波動說

1674年-1679年間兩人曾通信討論物體的圓周運動問題,虎克給牛頓寫信,說明了他從1660年以後就有的平方反比定律(見萬有引力定律)的思想,但是他無法從中推導出克卜勒的行星運動定律。通信中出現了常被引用的名言:「如果我看得遠一些,那是因為我站在了巨人的肩膀上」。在考慮上文下理的語境後,這句話被認為是在諷刺虎克矮小。1684年1月虎克在和愛德蒙·哈雷及雷恩的談話中聲稱他已經完成推導,但是哈雷和雷恩並不相信,哈雷隨後告訴了牛頓牛頓則表示在他已經完成的《自然哲學的數學原理》中有推導,哈雷隨後促成此書出版,這件事使得虎克十分懷疑牛頓剽竊了他的成果,並從此不願意公開自己的任何發現。牛頓也因此刪去了手稿中所有引用虎克工作的聲明。

牛頓對虎克的敵意在虎克去世後仍未消減。在牛頓影響下,皇家學會取下了虎克的肖像。這可能是虎克沒有留下任何肖像的原因。牛頓還試圖燒毀大量虎克的手稿和文章,但被阻止。2003年歷史學家Lisa Jardine宣稱發現了他的肖像,隨後被證明這一畫像實際上是尼德蘭化學家海爾蒙特。虎克所用的印章上的人頭像也被人認為是虎克的像。1728年的錢伯斯百科全書的首頁插畫也被認為是虎克的半身像。

晚年和身後[編輯]

1677年皇家學會秘書亨利·奧登博格去世,虎克繼任秘書,在沉重的實驗安排之外還要負責管理文檔和記錄會議等任務。虎克覺得自己無法完成這麼沉重的工作,希望皇家學會可以配備助手,但是被拒絕。繁忙的工作,時常的拖欠薪水,以及和牛頓,惠更斯的爭論,使得虎克晚年近乎憤世嫉俗。

Bishopsgate教堂中的虎克紀念窗,1993年爆炸中被毀

虎克終身未婚,他的侄女作為女主人,和他一起接待賓客,1687年她的去世使虎克受到很大打擊。1700年起虎克雙目失明,兩腿腫脹,出現類似糖尿病的症狀。1703年3月3日在倫敦去世,終年68歲,死後在他房間中發現高達1萬英鎊的積蓄,相當於當時一個成功的銀行家的財產。虎克去世後,葬於聖海倫主教門教堂(St.Helen's,Bishopsgate),19世紀遷葬於倫敦北部,具體墓地已無法知曉。

參考文獻[編輯]

  • The Man Who Knew Too Much, Stephen Inwood, Pan Books, 2002. ISBN 0-330-48829-5. (Published in the USA as The Forgotten Genius)
  • London's Leonardo: The Life and Work of Robert Hooke, Jim Bennett, Michael Cooper, Michael Hunter and Lisa Jardine. Oxford University Press, 2003. ISBN 0-19-852579-6.
  • Y. C. Fung, Foundations of Solid Mechanics, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1965