發條驅動、齒輪運行的迷你宇宙:太陽系儀的誕生史

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作者:黃相輔/倫敦大學學院科學史博士,現任中央研究院近代史研究所博士後研究人員。
我會想像整個世界是一座大機器。
機器不會有多餘的部分,它們總是分毫不差。
所以我想,如果全世界是座大機器,我不會是多餘的,
我存在於此一定是因為某些理由。
──雨果‧卡布里特
圖一:太陽系儀近照。可看到在儀器上方的子午圈,以及中央陳列的行星及衛星。(黃相輔攝影)

電影《雨果的冒險》中,孤兒雨果把世界比喻為機器:一座毫無累贅、所有零件各得其所的機器。《雨果的冒險》雖然背景設定在 20 世紀早期,這種將世界譬喻為機械的想法卻不是當代才有的。

自啟蒙時代以來,許多西歐哲人追求以機械的原理去解釋自然、進而模擬自然。既然工匠能製造巧奪天工的自動人偶(automaton),那麼打造一個具體而微的宇宙,應該也不是件難事。

在大英博物館的展示廳裡就有一座精美的太陽系儀(orrery),大約製造於西元 1750 年代的倫敦,原本可能是英國國王或某位富人的收藏品。這座太陽系儀是個迷你的宇宙,包含了太陽、地球、月球,以及當時已知的其他行星與衛星。

這個迷你太陽系置於十二邊形的木箱上頭,彷彿是個巨大的音樂盒。只要旋轉箱側的把手,就能驅動隱藏在箱內的齒輪裝置,讓星球們循著軌道運轉起來。

在人類文明長河中,利用自動機械來展示日月星辰等天體運行的資訊,是許多學者與工匠努力嘗試的目標。古希臘的安提基瑟拉機器(Antikythera mechanism)、中國北宋的水運儀象台,以及中世紀歐洲城市的天文鐘,都是古人結合科學及工藝的智慧結晶。

17 世紀的荷蘭天文學家惠更斯,也設計過展示行星軌道運動的機械模型。惠更斯的模型可說是後來的太陽系儀的遠親。

後世所謂的太陽系儀,特別指 18 世紀初起源於英國的太陽系機械模型。太陽系儀的原型是由英國鐘錶師傅格蘭姆(George Graham, 1673~1751)與湯平(­omas Tompion, 1639~1713)在 1704 年所製作。這座原型僅包含太陽、地球及月球。

格蘭姆與湯平將原型贈送給當時有名的科學儀器工匠洛里(John Rowley, 1668~1728)。洛里後來著手改良儀器,加入其他行星,並將太陽系儀呈獻給他的贊助者:「第四代歐瑞里伯爵(4th Earl of Orrery)」。這個新奇的玩意從此就以伯爵的名號來命名了。

早期的太陽系儀除了設計精巧,外部也常有精雕細琢的裝飾,簡直是座手工藝術珍品。這些龐然大物和機械時鐘一樣,內部由複雜的齒輪裝置來驅動。也因此,它們價值不斐,常作為進獻給王公貴族的禮物,或是有錢人的收藏品。

大英博物館展示的這座太陽系儀,厚重沉穩,尺寸約如一張小型茶几;將它擺到書房或客廳的桌子上,絕對能吸引訪客目光,表現主人的品味。另一方面,儀器工匠也藉由製造太陽系儀,來炫耀本身的精湛技術,好爭取那些潛在客戶的青睞。

除了拿來炫技、炫富之外,太陽系儀也能作為天文教學的道具。倫敦皇家學會的實驗總管迪薩古利埃(John T. Desaguliers, 1683~1744)就看出太陽系儀在教育上的潛力。

他在 1717 年提到,洛里的行星機器可以向觀眾清楚呈現地球、月球的公轉及自轉。迪薩古利埃是牛頓科學的忠實門徒,也是位優秀的講師。他從牛津大學畢業後,在倫敦開班授課、講授實驗哲學,後來被時任皇家學會會長的牛頓提拔為實驗總管。實驗總管負責保管皇家學會的儀器,並需在定期集會中公開演示實驗。

在迪薩古利埃的推廣之下,太陽系儀逐漸被應用在天文學演講裡。

迪薩古利埃也和幾位工匠合作,監製了數座太陽系儀,甚至開發不同功能的衍生教具。例如,他們設計了一種橢圓形軌道的彗星儀(Cometarium),用來解釋克卜勒行星定律,以彌補太陽系儀的行星軌道都是理想正圓形的缺點。

有些大型太陽系儀上面還加了黃道、赤道、子午圈等設備,儼然成為半個渾儀,使觀賞者能切換「從地球上向外看天球」以及「從外向內看太陽系」二種不同觀點。

雖然太陽系儀在天文教學上有莫大功用,然而其昂貴的造價、複雜的工藝,都使它成為庶民根本玩不起的奢侈品。儘管如此,當代還是有人期待這種行星機器能普及到民間,甚至深入每戶人家──至少是那些自詡愛好文化的家庭。

正如作家史提爾(Richard Steele)的評論:

任何高水準的家庭,都該考慮將太陽系儀當作像時鐘一般的必備擺設。這個新奇的機械能開啟他們的想像力……,引發愉快、實用、清晰且優雅的談話。

在 18 世紀中葉的西歐,大眾演講逐漸成為流行的知識傳播媒介。著名的英語字典編纂者約翰遜(Samuel Johnson)博士,就揶揄過這股潮流:

今日人們有種奇怪的意見,認為所有事都該用演講的方式來教學……,除了需要實驗的東西之外,我想不出什麼能用演講教得好。你或許用演講來教化學──你也能用演講來教製鞋!

約翰遜博士熱愛閱讀,在他心目中,書籍是不可取代的知識來源,所以他才會排斥只聽講而不去翻書的學習方式。由約翰遜的話,我們可知當時大眾演講已蔚為風潮。科學(當時稱為自然哲學)便是其中最時尚的演講主題。

有些觀眾是基於實用理由,來學些機械力學知識;更多的人,尤其新興的中產階級,是為了「附庸風雅」而來聽講。天文學、地理學等課程屬於傳統博雅教育範疇,也是紳士淑女養成必備的科目。

像迪薩古利埃這樣的哲學講師很多,但跟他一樣上過大學、在皇家學會有個職位的人,畢竟是少數。許多哲學講師是自學而成的工匠,藉製造儀器的技藝闖出名號,再跨足演講、撰述。也有人是演講經營得不錯,再涉足儀器生意。

無論如何,跨界經營的普遍現象,反映了自然哲學演講與儀器製造行業兩者間密不可分的關係。

大部分哲學講師會四處巡迴,帶著五花八門的儀器──空氣泵浦、溫度計、稜鏡、望遠鏡、顯微鏡…等奇珍異品,在各鄉鎮遊走。從某種程度來看,他們有如行走江湖的賣貨郎,不過兜售的不是貨物,而是新奇實用的科學知識(當然,他們也可乘機販售相關儀器或書籍)。當哲學講師旅行時,那一大箱隨行的儀器,必定是最吸引鄉民注目的焦點。

太陽系儀也是許多哲學講師的壓箱寶。它能生動地呈現哥白尼的宇宙,每顆行星及衛星按照牛頓的法則,有秩序地運轉;它也能清楚演示日食、地球的四季變化、火星的逆行等現象。即使是目不識丁、不懂高深數學的觀眾,也能輕鬆地「看懂」天文學。

英國畫家萊特(Joseph Wright of Derby, 1734~1797)的一幅油畫,就深刻地表現出太陽系儀及天文學演講的魅力。

在畫中,人群圍繞著一座和大英博物館的藏品一模一樣的太陽系儀,正聚精會神地聽講。儀器中央放置了一盞油燈,代表照耀行星的太陽,也成為畫中唯一的光源,巧妙地賦予整個場景舞臺般的戲劇氛圍。這場演講可能是在私人宅邸內的表演。觀眾人數不多,男女老幼皆有,他們的表情及動作也各異:有人正在沉思,也有人專心作筆記。

最吸引觀畫者目光的,或許是兩位微笑的小孩了。他們純真的臉龐被燈光照亮,好奇之情溢於言表,你簡直可以看到其中那位小女孩眼中閃爍的光芒。在小孩背後,哲學講師則沉穩地站著,用充滿權威的手勢指著迷你的宇宙。

圖二:英國畫家萊特的油畫「哲學家演講太陽系儀(A Philosopher Lecturing on the Orrery, 1766)」。(Source: Wikipedia)

這個由發條、齒輪驅動的迷你宇宙,儼然具體呈現了機械論哲學家心目中的大自然。17、18 世紀時,西歐的自然哲學家盛行以機械哲學(Mechanical philosophy,或譯機械論)來解釋自然萬物的運作。

大自然是個機械,人們可以用機械原理去理解及模擬自然。正如法國哲學家笛卡兒所宣稱,「工匠所製造的機械和自然所組成的各式事物沒有什麼不同……,適用機械的原則,沒有不能用在物理學上的。」

時鐘是機械論哲學家最喜歡用來譬喻大自然的人造事物。時鐘由零件構成,由鐘錶匠設計製作,雖然它本身無生命,卻能表現出複雜的動作,達成設計者賦予的任務。不明就裡的外人看來,時鐘彷彿是有自我意圖的智慧生物。

倫敦皇家學會早期的靈魂人物,愛爾蘭自然哲學家波以耳(Robert Boyle),便認為自然世界是一座「巨大的時鐘」。史特拉斯堡大教堂的天文鐘以設計精巧著稱,波以耳對於這座著名的大鐘的評論是:

製造這個神奇機械的各個零件是如此被整合、協調在一起,然後開始運作。雖然如此繁多的齒輪,不同零件都以不同的方式運作,它們沒有任何思想,也不需抱持任何計畫,每一零件依照預先設定的功能,各司其職,規律地、整齊劃一地……完成任務。

在波以耳及其他機械論哲學家眼中,宇宙天體的運轉,完全可比擬成像史特拉斯堡天文鐘一般的機制。這是個井然有序的「發條宇宙(clockwork universe)」。

圖三:史特拉斯堡大教堂天文鐘。這張 19 世紀的版畫,顯示出龐大的天文鐘及一旁參觀遊客的對比。(Credit: Hampton National Historic Site, HAMP 7411. National Park Service, Museum Management Program, Carol M. Highsmith, photographer)

波以耳去世於 1691 年,沒能活著看到太陽系儀問世。如果他能看到太陽系儀,一定也會驚嘆這個迷你宇宙。

笛卡兒與波以耳的時代,雖然自然哲學家樂觀地認為可以用機械法則去理解大自然,卻不明白是什麼樣的「齒輪」在背後驅動行星的運轉,直到牛頓以萬有引力解釋了天體運行的原理。

太陽系儀是啟蒙時代科學文化的代表。它將虛無飄渺的行星運動視覺化,向普羅大眾展示宇宙的運轉。在傳播哥白尼地心說、解釋天文現象的同時,太陽系儀也體現了那時代的思潮:一個理性的機械世界。

本文中所引用波以耳及笛卡兒的引句,直接採用許宏彬、林巧玲的翻譯(見延伸閱讀)。作者在此向二位譯者致謝。 

延伸閱讀

  1. Q. Morton and J.A. Wess, Public and Private Science: The King George III Collection, Oxford: Oxford University Press, 1993.
  2. Tony Buick, Orrery: A Story of Mechanical Solar Systems, Clocks, and English Nobility, Springer, 2014.
  3. 科學革命:一段不存在的歷史》,Steven Shapin 著,許宏彬、林巧玲譯,臺北:左岸文化,第 50-67 頁,2010 年。
本文轉載自:《科學月刊》,2017 年 3 月號 (第 567 期)