科普經典：以伽利略《星際信使》為例

臺灣清華大學通識教育中心暨歷史所 徐光臺

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科普經典：以伽利略《星際信使》為例

臺灣清華大學通識教育中心暨歷史所 徐光臺

從今日后見之明來看，伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)被認為近代物理之父。如將他放在十七世紀前半的學術脈絡之中，他至少完成了三本科學經典作品：《星際信使》(Starry Messenger, 1610)、《兩個主要世界體系的對話》(Dialogue concerning Two Chief World Systems, 1632)與《兩門新科學》(Two New Sciences, 1638)。在這三本科學史著作中，《星際信使》是一本淺顯易懂、適于今人閱讀的科普經典。筆者曾將此書譯為中文，本文擬從中文科學教育或科學傳播方面，來介紹此本科普經典的一些要點。

伽利略 《星際信使》 科普經典 科學教育 科學傳播

0 前言

古希臘的學者們已在科學或自然知識研究上產生了許多的經典作品，例如柏拉圖(Plato, 432-347 BC)《蒂邁歐篇》(Timaeus)、亞里斯多德 (Aristotle, 384-322 BC)《物理學》(Physics)、《論天》(On the Heavens)、《氣象學》(Meteorology)、歐幾里德(Euclid)《幾何原本》(Elements)、阿基米德(Archimedes, 287-212 BC)《論浮體》(On Floating Bodies)、托勒密(Claude Ptolemy, ca.100-170)《天文學大全》(Almagest)等等。即使是近代科學革命時期，也產生不少吾人不陌生的經典作品，如哥白尼(N. Copernicus, 1473-1543)《天體運行論》(On the Revolutions of Heavenly Spheres, 1543)、刻卜勒(Johannes Kepler, 1571-1630)《新天文學》(New Astronomy, 1609)、伽利略《星際信使》、《兩大世界體系的對話》、《兩門新科學》、虎克(Robert Hooke, 1635-1703)《顯微鏡圖說》 (Micrographia)、牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principle of Natural Philosophy, 1687)等等。

絕大部份過去的科學經典作品，早已成為昨日的舊科學(old science)。其中僅有非常少數會在教科書中被改寫為符合科學直線進步簡略的介紹。絕大多數的科學經典的內容非常深奧，不適宜一般讀者閱讀。《星際信使》卻是一個例外，它既是一本科學經典，也是本科普經典作品。它是首本運用望遠鏡觀測星際的書，不同于其他的科學經典作品涉及深奧的數學，或是不易理解的概念與論證，此書的內容淺顯，加以圖說，無需加以改寫，今日的讀者或學子們可以直接閱讀。

本文擬先介紹此書源起的歷史背景，其次處理《星際信使》在內容上的創新。接著分析此書對華文讀者在科普與科學傳播上的意義。

1 《星際信使》的起源與歷史背景

要了解伽利略《星際信使》在科學發展與對后世在科普上的意義，我們得將伽利略放回其時代，通過他的生平、教育與當時的主要科學理論，來了解他在科學上的創新與影響。

1.1 至《星際信使》前的伽利略生平

在伽利略的研究者中，意大利后裔的德瑞克 (Stillman Drake, 1910-1993)原是一位金融圈工作者，休假時常回佛羅倫斯的伽利略圖書館，對當時伽利略著作的英譯本不滿意，因而著手研究伽利略。在真積力久則入的情況下，他成為伽利略研究的佼佼者，被聘為多倫多大學科學史教授。他完成的 Galileo at Work: His Scientific Biography是本關于伽利略最好的傳記[1]。

伽利略于 1564年生于意大利比薩，該地屬于佛羅倫斯麥第奇 (Medici)家族統治。他的義大利文名字 Galileo Galilei的意思是”伽利略家族中的伽利略”，是七個孩子中的長子。 1581年在父親溫參齊歐(Vincenzio Galilei)期望下，他入比薩大學習醫。雖然哥白尼于 1543年提出日心說，當時大學正統的科學理論是與基督教義結合的亞里斯多德–托勒密地心說。 1577年彗星出現，第谷 (Tycho Brahe, 1546-1601)觀測到它與地球的距離超過月與地，最后在 1588年出版《最近以太世界發現的現象》，提出地心說，太陽繞地心運轉，其他行星與彗星繞日運行的折衷體系[2]。它與亞里斯多德—托勒密地心說和哥白尼日心說形成三個彼此間相互競爭的世界體系。

大學時期的伽利略在認識宮廷數學家芮齊(Ostilio Ricci)后，轉而熱衷歐幾里得與阿基米德數學作品，1585年未獲學位就離開比薩大學。幸運的是他對某些固體重心的探討，在友人的贊助下，為他在 1589年 11月獲得比薩大學的數學教席。接受亞里斯多德–托勒密傳統教育的他，對運動提出與亞里斯多德傳統相左的新見解。他認為在相同介質中，同質料的物體不論其重量與大小，自由下落需時相同，而不像亞里斯多德物理學的主張，下墜速度與物體重量成正比。日后流傳他曾在比薩斜塔進行自由落體實驗，然而在他本人留下的文獻中，從未陳述曾在該塔進行此一實驗[3]。

1591年中，父親逝世，身為長子的他承擔家計。為增加收入，他乃于翌年 9月轉到威尼斯共和國管轄的帕度瓦大學擔任數學教師。在經濟上入不敷出的情況下，伽利略不得不采取其他的方式來增加收入。一種是為大學生擔任家教。從他留存的資料來判斷，他采用耶穌會羅馬學院的講義做為教材，教過亞里斯多德邏輯與科學證明的理念，以及自然哲學或物理學[4]。第二種是提供遠道學生膳宿。此外，他還開設制造儀器的小型工場，發明與簡化科學儀器，對外銷售。例如出測量火砲口徑與射程的幾何羅盤儀器，以及說明的書冊來增加收入。此一方法經耶穌會士傳入中國，用于遼東對抗清軍[5]。

1597年刻卜勒在《宇宙的奧祕》 (Cosmographic Mystery)中支持日心說，請友人將兩本分送意大利最能用到此書的人，其中一位是伽利略。在給刻卜勒的致謝函中，伽利略自稱是哥白尼學說的信徒，成為十六世紀末支持日心說的十人之一。[6]不過，那時他只能算是半個哥白尼信徒(semi-Copernican)。事實上，他到 1613年左右才積極為哥白尼日心說辯護。1615-1616年為哥白尼的日心說第一次接受調查，1632出版《兩個世界主要體系的對話錄》，旋即查禁 1632-1633年為哥白尼的日心說第二次接受調查，并遭受譴責與終身拘禁。

回到 1605年，伽利略擔任佛羅倫斯麥第奇家族柯西摩 (Cosimo)王子的教師。 1609 年王子登基成為麥第奇大公爵，伽利略曾去信期望這位昔日高足能夠照顧他，但未獲正面的回應。這年他從巴黎友人處傳來有種能將遠處物體放大的器物市面上銷售。

1.2 完成《星際信使》的特殊背景

十七世紀，望遠鏡、顯微鏡、空氣幫浦等技術對科學產生重大的影響。 1608年 9月在荷蘭有人發明了可放大 3倍的”望遠鏡”，隨后申請專利。在審查期間，因為亦有他人提出申請，因而未給予專利。這項發明于次年春天傳到巴黎。伽利略經由巴黎友人從市場購得此儀器后，為了增加收入而努力改良它的放大倍率。

手巧的伽利略積極磨制鏡片，同年 8月時已改良到放大 8至 9倍。于是，在 8月下旬邀請威尼斯共和國總督與議員們，在威尼斯港口的高塔上，演出“察諜鏡”(spyglass)之秀。讓一艘船由遠處全速駛向港口，在“察諜鏡”觀察到兩小時后，高塔上的人才能以裸眼看到，展現出此鏡對維護威尼斯港安全，防止海盜入侵，深具價值，令與會佳賓印象深刻。

相對于中世紀大學重視經典權威的傳統，以討論文本的為主，文藝復興以降，在自然研究中觀察的角色愈來愈重要，加上十五世紀中葉西方印刷術的崛起，在自然史方面，陸續產生許多新作品。 1609年 11月中，伽利略已將”察諜鏡”改良到放大 20-30倍，他開始將此一儀器運用的范圍從地表轉向星際，有項新發現。次年三月出版《星際信使》(Sidereus nuncios, Starry Messenger)一書，將觀察結果公諸世人。

2 《星際信使》在內容上的創新

伽利略先觀察月亮，并圖繪下來，他不是首位以望遠鏡觀月后繪圖者。稍早，在參考吉柏特(William Gilbert, 1544-1603)所繪制一相當簡略月面圖后，哈芮特 (Thomas Harriot, ca. 1520-1621)使用較低倍的望遠鏡觀察月表，將航海經驗納入其中，繪制出一幅陸地與海洋構成的月面地圖。[7]但是，伽利略研磨的望遠鏡比哈芮特用的大了許多倍，繪制的圖更精密許多。更重要的是，他還告訴讀者他圖繪的方法。一方面通過單孔鏡面看到放大的月亮，另一方面，則備有一張白紙，依所見大小圖繪出鏡中所見的月面圖。根據他的自述：

讓我先介紹”察諜鏡”轉向的月球表面，為了易于了解起見，我將它區分為較明亮與較黑暗兩個部份。通過對月球表面明暗部份常期重覆的觀察，我們確定月球表面不像大多數哲學家所相信的，和其他天體同是個光滑、均勻的圓球形狀；想反地，它是凸凹不平的，低洼的與凸起的部份滿佈于其上。就像地球的表面一樣，山脈與深谷分佈各地。以下說明這項由觀察所推得的結論。

根據亞里斯多德自然哲學，月亮屬于第五元素以太構成的不毀不滅的天域，應是一個完美的星體，其中的黑影可用較密的以太構成，因此不如較疏處明亮。通過明與暗界域不是圓弧狀，伽利略推論月球不是一個完美的天球。在多幅月面圖中，由于亮區中有暗塊；暗區中有亮點，且會雖時間擴大，他憑著地球上的山谷接受陽光照射的經驗來推論，月面不是光滑的，而像地表一樣有高山與深谷。

1610年 1月7日，伽利略將改良放大 30倍的”望遠鏡”朝向木星觀察，發現其旁兩顆小星星。最初他認為它們是恆星，由于像行星般出現在黃道帶附近，才判斷為與木星有關的衛星。13日首次見到木星旁的四顆星星。另外一項主要的發現是銀河，在亞里斯多德自然哲學中視為是月下的大氣現象。托勒密《天文學大全》聲稱恆星數目為 1022顆，直到伽利略觀察銀河發現有無數的星星。

在 3月 2日最后一次觀察后一周，出版《星際信使》一書，此書將天文學由裸眼觀察帶入望遠鏡天文學，也使年近半百的伽利略成為國際間知名的學者。

3 《星際信使》對后世在科普上的意義

《星際信使》一書的三項主要發現：月亮表面崎嶇不平、木星的四顆衛星、銀河無數的星星，使四十六歲的伽利略從一位地方性的大學數學教師，迅速地聞名于歐洲。加上 1610年伽利略的另兩項發現：金星像月亮般有其相位盈虧與土星左右兩耳看似其衛星，使他在一年之中藉著望遠鏡的觀察就有五項重要發現。次年，以利瑪竇老師克拉烏維斯(明清時譯為：丁先生。Christopher Clavius, 1538-1612)為首的耶穌會五位學者都肯定上述五項發現，使他躋身于歐洲聞名學者之列。

十五世紀末，世界地理的大發現，打通歐洲赴亞洲或美洲的海路。十六世紀宗教改革促使天主教內成立耶穌會(Society of Jesus)與其對抗，培養受過良好教育訓練的耶穌會士向包括中國在內的歐洲以外區域進行遠距傳教。盡管伽利略從未到過中國，明末清初，《星際信使》中的望遠鏡發現也隨入華耶穌會士傳入中國。德禮賢(Pasquale M. D'Elia, 1890-1963)將這些資料匯整為《伽利略在中國》一書[8]。但是《星際信使》的中譯本遲至 2004年筆者譯為中文后[9]，華文讀者才有機會閱讀此書，因此它在華文世界的科普與科學傳播方面的意義值得闡明。

首先，天文學一直是一個非常重視觀測的領域。在十七世紀以前，已發明諸多科學儀器來幫忙觀測，第谷就是此中翹楚，發明一些大型固定的儀器。

雖然伽利略不是望遠鏡的發明者，但是經過他的巧手改良后磨出的鏡片，觀察月球與銀河，留下圖繪，以及逐日記載他對木星的四顆衛星的觀察與紀錄，出版《星際信使》一書，開啟望遠鏡天文學。它是一本值得學子與一般讀者閱讀的科普經典，作者除了介紹一種他改良的科學儀器進行觀測以外，還將所見通過圖繪加以視覺呈現，很難得見到一流科學家將其發現表達的是如此淺顯易懂。

其次，在十七世紀初培根(Francis Bacon, 1561-1626)鼓勵觀察與實驗，影響倫敦皇家學會(Loyal Society of London)以前，第谷、刻卜勒的老師麥斯特林 (Michael Maestlin, 1550-1631)與伽利略等已特別注意異象的觀察與記錄。 1577年的彗星，引起第谷與麥斯特林長達兩個半月的觀察與記錄。相對地，萬歷五年中國官方觀察一個月，視為星占異象處理。同一現象卻在不同文化中觀察所得不同，顯示觀察的背后是含有不同理論的[10]。

第三，1577年的彗星與木星四顆衛星的觀察與紀錄，都顯示它們屬于以太領域，對亞里斯多德—托勒密世界體系，天域的星體是永恆不變的而言，它們都是過去未曾見的異象。針對 1577年的彗星，第谷提出折衷的世界體系。可是《星際信使》書中，并未批判《星際信使》一書，因為伽利略將《星際信使》獻給麥第奇大公爵。

由于木星是麥第奇家族的徽記，麥第奇大公爵恰有兄弟四人，伽利略因此將木星的四顆衛星以“麥第奇星星”(Medicean stars)之名獻給麥第奇家族。因為這項無價的禮物，他所獲得的回報是在 46歲時改變生涯，由“錢少、事多、離家遠”的帕度瓦大學數學教職，轉成“錢多、事少、離家近”的麥第奇宮廷自然哲學家與數學家，名義上是比薩大學教授，卻沒有任何教學負擔。簡言之， 1610年《星際使者》一書的出版目的在獻給麥第奇大公爵，尋求他的贊助。一個類似的案例是第谷將他丹麥國王贊助的島嶼上發展的天文儀器，撰寫《機械裝置的天文儀器》(Tycho Brahe’s Description of His Instruments and Scientific Work)一書，并以彩色圖繪，以贏得布拉格神圣羅馬帝國魯道夫皇帝的贊助[11]。

《星際使者》內容顯示，伽利略似未批判地心說，直到《太陽黑子》才積極推動哥白尼學說[12]。事實上，在科學革命前期，當學會尚未成立時，宮廷或王子的贊助是大學以外支持新科學的最重要的社會組織。

第四，更值得注意的是，成為麥第奇廷臣的伽利略，具有自然哲學家的身份，為他提供了探討自然哲學的社會性合法身份，可以跨越自然哲學與數學天文學間的學科界域，得以積極推動哥白尼擬跨越自然哲學與天文學間的日心說[13]。

最后，在海峽兩岸出版愈來愈多翻譯的的科普書籍時，其中有非常多涉及科學史方面的舊版科學書籍。如果只從后見之明的觀點來論其中朝向現代進步的成就，就像祖先崇拜一般地崇拜科學偉人，這不是科普作者創作中有關舊科學的關切點。如果我們抱著多了解舊科學作品的時代意義，《星際信使》是一個相當不錯的切入點。要了解天文學的發展，特別是從裸眼轉向望遠鏡天文學的關鍵轉折，《星際信使》更是一本不可或缺的科學與科普經典。

[1] Stillman Drake, Galileo at Work: His Scientific Biography (Chicago: University of Chicago Press, 1978).

[2] Tycho Brahe, De mundi aetherei recentioribus phaenomenis (Vranibvrg, 1588).

[3] Lane Cooper, Aristotle, Galileo, and the Tower of Pisa (Ithaca, N.Y.: Cornell University Press, 1935).

[4] William A. Wallace, Galileo’s Early Notebooks: The Physical Questions. A Translation from the Latin, with Historical and Paleographical Commentary (Notre Dame: University of Notre Dame Press, 1977); Willian A. Wallace, Galileo and His Sources: the Heritage of the Collegio Romano in Galileo’s Science (Princeton: Princeton University Press, c1984), chs. 1-3.

[5]黃一農. 比例規在火砲學上的應用. 科學史通訊, 臺北，1996，第 15期，頁 4-11.

[6] Robert Westman, “The Copernicus and the Churchs,” in David C. Lindberg and Ronald L. Numbers (eds.), God and Nature: Historical Essays on the Encounter between Christianity and Science (Berkeley: University of California Press, 1986), pp. 76-113.

[7] Stephen Pumfrey, “Harriot's Maps of the Moon: New Interpretations,” Notes and Records of the Royal Society, 63 (2009): 163-168.

[8] Pasquale M. D'Elia, Galileo in Cina: Relazioni attraverso il Collegio Romano tra Galileo e i gesuiti scienziati missionary in Cina (1610-1640) (Romae: Apud Aedes Universitatis Gregorianae, 1947). English edition was translated by Rufus Sutor and Matthew Sciasia as Galileo in China: Relations through the Roman College between Galileo and the Jesuit Scientist-Missionaries (1610-1640) (Cambridge, M.A,: Harvard University Press, 1960).

[9] 伽利略著，范龢惇 (Albert Van Helden)英譯、序言、簡介與結論. 徐遐生（英）序，徐光臺中譯與導讀，星際信使 (Sidereus nuncius, 1610), 臺北：天下文化，2004.

[10] 徐光臺. 異象與常象：明萬歷年間西方彗星見解對士人的沖激. 清華學報, 新竹，新 39卷 4期，2009年 12月，頁 529-566.

[11] Adrian Johns, The Nature of the Book: Print and Knowledge in the Making (Chicago/London: University of Chicago press, 1998), pp. 20-24.

[12] Galileo Galilei, Letters on Sunspots, in Discoveries and Opinions of Galileo, translated with an Introduction and Notes by Stillman Drake (Garden City, N. Y.: Doubleday Co., 1957), pp. 87-144.

[13] Mario Biogioli, Galileo, Courtier: The Practice of Science in the Culture of Absolutism (Chicago/London: University of Chicago Press, 1993).