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 Huygens)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。
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 fabrica)》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。
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。
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。
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。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。
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。
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。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。
《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。
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。
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。
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。