科學看見了真實世界?

專題報導 07/01/2009



近代科學萌芽的十七世紀,虎克利用顯微鏡觀察自然世界,就已意識到其中人為因素的失真影響,而近代科學的大量仰賴電子觀測儀器,更使我們距離現實世界愈來愈遙遠。


一六六五年元月,派比(Samuel Pepys)與妓女廝混一下午後,與英國皇家學會會長共進晚餐。回家途中,他到書店預訂了虎克(Robert Hooke)最新的關於顯微鏡的著作;幾個星期後,派比帶著書回家,花了大半夜閱讀《微物圖解》,後來他在日記中寫道,「這是我畢生所見最有創見的書」。

派比原已有一架顯微鏡,但從未見過這樣子的圖像,他和其他讀者都深深受虎克描繪的精細圖像所震撼,虎克改造市售的顯微鏡,呈現出昆蟲、礦物、植物、羽毛的細節。十七世紀的人們頭一次能有機會,觀察日常生活種種微小又熟悉事物的樣貌,如跳蚤、起司上的霉、尿液結晶顆粒、虱子、蕁麻刺等。虎克在附隨圖像的文字中,向讀者形容,「虱子看來如此驕傲高昂,彷彿害怕無法擊敗強手,卻有如一個無所畏的君王」。

虎克原本是在當時成立不久的倫敦皇家學會週會裡,發表他的觀察內容與報告。成員紛紛鼓勵他將描繪作品出版,向外界宣傳他們研究世界的新方法,當時學會以培根(Francis Bacon)為名義領袖。培根於一六二一年因貪污罪嫌,失去大法官的職位,政治生涯告終,他反能全心投入哲學領域。他反對亞里斯多德的理論基礎,主張唯有透過觀察與實驗,才是認識上帝所創造世界的最佳方式。

培根在著述中強調,在《聖經》解釋下,人類是視野有限的墮落生物,眼前所見受想像所蒙蔽。為克服人類本質上的弱點,虎克發明能提升聽覺、嗅覺及視覺等感官能力的工具。《微物圖解》也是為了證明,上帝創造萬物之美,只有透過超然客觀的觀察才能品味。

虎克認為研究者透過顯微鏡觀察,只需將自然面貌直接繪於紙上即可,「以真摯之手、忠實之眼檢視及記錄所見事物」;為支持培根對《聖經》裡人類缺陷論的看法,《微物圖解》第一版即呈現出人造物品的缺陷,在顯微鏡下,磨過的剃刀滿是缺口、針尖變鈍,連暈開的句點輪廓都可看得一清二楚。

眼見為信

但實際上虎克發現,「真摯之手、忠實之眼」並不足以捕捉自然面貌,因為顯微鏡像常含糊不清,仍得仰賴個人專業與個人詮釋。虎克提到,「蠅眼在某些光線下像是格子窗,充滿著無數小洞;在陽光下如同滿佈金釘的表面,另種角度下又像滿是金字塔的表面,有時候卻又像圓錐」,觀察者需要工具,但也要具備評斷何為正確答案的技能。

虎克意識到,當他想在紙上重現畫面時,會出現其他問題。《微物圖解》讀者所見並非原始標本,中間經過虎克及畫師兩層媒介,虎克也指控畫師成品有誤;且虎克的畫作皆為黑白,多數散佈在整張紙上,而不像他在目鏡視野中所見,繽紛多彩的顯微世界。

理論上只要科技進步,虎克與閱讀他著作的讀者或許就能更清楚看到事物。但是由虎克到現代顯微鏡學家之間的歷史,並不是平順進展的。

虎克之後十八世紀的研究者,都著迷於完美畫面,故常未忠實記錄自然標本,而用想像力修飾美化觀察所見的事實,例如有隻螞蟻在顯微鏡下,看出少了一條腿或頭部發育不全,但繪圖者會依據過去所見的螞蟻形象,畫出一隻理想螞蟻的樣貌,彷彿要捕捉螞蟻的本質。這種態度與當時解剖學家心態相仿,解剖學家繪製女性骨骼時,基於懷孕功能,故將骨盆畫得較寬,男性骨骼圖裡的頭骨也較大。

約莫到了十九世紀中期,生物學研究風潮轉向,主張「讓自然呈現原貌」,科學家開始堅持觀察個別標本時,無論有各種缺陷都得如實記錄。靠著新型顯微顯鏡大幅精進的準確性,科學家希望壓低個人主觀判斷。

不過就和虎克在兩百年前遇到的情況一樣,研究者不可能完全排除人為因素,反而隨著設備日益複雜,科學家斧鑿的痕跡更深。由於鏡頭功能更加強大,每次能看到的部分更有限,代表需要更多專業技術來辨別影像,並且相信這能夠呈現真實;標本也得仔細準備、安嵌與染色。正如虎克必須考量蠅眼需如何打光,後代顯微鏡學家也得確保明暗處並非人工造成。

信心的篇章

今日顯微鏡日益精密,但是否讓人更能窺探自然的真實面貌?

攝影技術於十九世紀初出現,讓人們認為可消滅人為錯誤與主觀詮釋,攝影師塔伯特(William Henry Fox Talbot)所出版的《自然畫筆》(Pencil of Nature)即為一例(該作品於一八四四年至一八四六年分批出版)。物理學家法拉第(Michael Faraday)很早便主張在科學界使用攝影技術,他表示,「攝影所呈現的影像是畫筆望其項背的,當自然成為人類攝影的對象後,人類的潛力難以預言」。

可是對攝影技術的興奮,初期未在顯微鏡學帶來太多成果。此後數十年,生物學家都不願將相機帶進實驗室,來彰顯標本,反而是科學家走進攝影棚,讓自己成為宣傳照的主角。這種現象或許令人驚訝,但當時科學家很堅持要在社會上建立聲望。

縱然相機出現在實驗室之後,學界仍在爭辯使用相機做客觀記錄的優缺點。許多科學家認為,若民眾相信在相片中靈魂會起死回生,就很難靠這種科技來呈現顯微世界的真實面貌。曝光時間過長也難以捕捉移動物體,再加上鏡頭不完美、液狀噴濺、缺乏顏色等因素,均為攝影結果帶來不確定因素;另沖洗過程中常需縮放相紙,也無法正確測量標本大小。

沖印限制代表照片需先經手工,才能大量印刷,故又開啟人為操縱的空間。技術人員可以在照片模糊的細節裡,特別強化關鍵的特點,那麼到底使照片變清楚和扭曲真實的分野何在?

至二十世紀初,機器重現顯微影像終於擊敗手繪,德國專家克里斯特(Erwin Christeller)於一九二七年重要的疾病圖鑑中指出,若顯微鏡學家確實需要繪圖,也該將任務交給未經訓練的技師,即可達到最近似機器的效果。機械化帶動進步,顯微鏡也日漸精密,揭露出過去仰賴推測的自然世界面貌。

若見到今日電子顯微鏡下的三度空間影像,捕捉昆蟲甲殼最細緻的條紋,虎克必然感到震驚,但他希望消滅人為左右的夢想依然難實現。電子顯微鏡學先驅佛瑟特(Don Fawcett)強調,科技進步源於人們喜愛無法忠實表現的秩序。一九六○年代中期佛瑟特在他撰寫的《一個信心的篇章》中指出,「人類相信明確、清晰、美好的照片中,真實性高於粗劣、混亂與模糊的成品」,就算是科學家,對畫面清晰的需求也是有所偏好的。

非光學顯微鏡愈來愈深入過去不可見的世界之時,人們卻距離現實愈來愈遙遠。今日顯微功能如此複雜,需要將電子訊號轉換為人工色彩的視覺畫面。若培根看到電子顯微鏡下的病毒畫面,他可能也會大大反對,指控科學受到「部落崇拜」危害,運用「魔鏡」使人心智受制,出現認知的誤謬。

(本文為劍橋大學克列兒學院資深教師法娜(Patricia Fara)在二○○九年六月四日《自然》雜誌的專文,她新近出版的著作是《科學—四千年的歷史》)
【知識通訊評論月刊八十一期】2009.07.01

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