图:阿道夫·博伊绘、耶雷米亚斯·法尔克刻,赫维留《月面图》(1647)卷首局部;后世想象画像,并非真容(公有领域,维基共享资源)
伊本·海什木
Ibn al-Haytham (Alhazen)约965–1040 · 生于巴士拉(今属伊拉克) · 中世纪伊斯兰世界(伊拉克 / 埃及)
让视觉理论倒过来——光从物体进入眼睛——并把「拿实验去考验」写进光学书里的人
「求真理的人,不是研读古人著作、顺着天性就信了它们的人,而是对自己的信任起疑、对读到的东西发问、只服从论证与证明而不服从某个人言说的人——人的本性本就充满各种缺陷与不足。」
—— 《对托勒密的质疑》开篇,据萨布拉英译转译
1647 年,但泽的天文学家赫维留出版了第一部详尽的月面图集。书的卷首画上站着两个人:右边是伽利略,手里拿着望远镜;左边是一位缠头巾、蓄长须的老人,手里是一张几何图。那是 Alhazen——六百多年前生在巴士拉的伊本·海什木。赫维留的意思很清楚:看月亮要靠两样东西,一样是望远镜,一样是关于「看」本身的理论,而后者要从这个人讲起。
这幅画是后世的想象,本页的肖像正是从它裁下来的。海什木没有留下任何可信的画像,连生卒年都只是约数。留下来的是几十部书,其中一部七卷的《光学之书》(Kitāb al-Manāẓir),在拉丁世界被抄读了四百年。
从巴士拉到开罗
他的全名是阿布·阿里·哈桑·伊本·哈桑·伊本·海什木,约 965 年生于巴士拉;中文里也常写作「海赛姆」,欧洲人按拉丁化的名字称他 Alhacen 或 Alhazen。早年的经历几乎全靠两三部 13 世纪的传记辞书,彼此还有出入。可以确定的是:他后半生住在法蒂玛王朝的都城开罗,靠抄写欧几里得、托勒密等人的书和教学生过活——伊斯坦布尔至今藏着一部阿波罗尼奥斯《圆锥曲线论》的抄本,题记说是他 1024 年亲手抄的。
他在 1027 年写过一份自述,说自己年轻时看到各派学说互相攻讦,最后决定只认一样东西:能用论证和证明站住的结论。这句话后来在《对托勒密的质疑》里说得更重,就是本页开头的那段引文。
尼罗河与「装疯」
他为什么去埃及,流传最广的故事出自 13 世纪的传记家伊本·基夫提:海什木在巴士拉时夸口说,尼罗河的秋汛可以用堤坝和水渠拦住、蓄起来。法蒂玛王朝哈里发哈基姆听说后把他召到埃及。他带人溯尼罗河而上,越往南走越明白这个设想行不通——古埃及人要是能做,早就做了。回到开罗,他怕以喜怒无常出名的哈基姆降罪,便装疯,被软禁在家,直到 1021 年哈基姆失踪才恢复自由。
这个故事常被当成信史复述,但它的出处只有这一类晚出的辞书。科学史家萨布拉的判断是它「很可能是真的」;MacTutor 数学史档案则提醒,另有说法是他在巴士拉时就已装疯以辞去官职,还有说法是他逃去了叙利亚,这些记载在好几处互相矛盾。本页只能说:装疯躲避哈基姆,是 13 世纪传记里的记载,细节无从核实。
与之相关的另一个流行说法是:《光学之书》是他在软禁的十年(约 1011—1021 年)里写成的。校订过这部书中世纪拉丁译本的科学史家史密斯却把完成时间放在 1028 至 1038 年之间。两种年代现在都能见到。
光从物体进入眼睛
海什木之前,欧几里得与托勒密认为眼睛向外发出视线,亚里士多德一派认为是物体的「形式」进入眼睛——前者有几何没有物理,后者有物理没有几何。《光学之书》前三卷把两者接在一起:物体上每一点都向四面八方发光,其中只有垂直射入眼球表面的那一条起作用,物体因此「一点对一点」地排进眼里,欧几里得的视锥原样保留,只是方向反了。他还在暗室里用并排的蜡烛说明,不同光源的光穿过同一个孔彼此不相混,并在《论日食的形状》里讨论了小孔投出的月牙形日像。这套理论的来龙去脉、他的选择规则为什么非有不可,以及它怎样经拉丁译本一路传到开普勒,发现页「视觉入射说与暗箱」有详细展开。
他还花了大量篇幅讲,单有光落进眼睛还不算「看见」:辨认颜色、判断距离、认出熟悉的东西,都要靠比较和推断,这一部分由心智完成。后来他用同一思路解释了地平线附近月亮看起来更大的现象——问题出在判断,而不在折射。
「考验」
《光学之书》读起来与古代光学著作最不一样的地方,是反复出现的一个词:iʿtibār,萨布拉译作「考验」或「实验」。第四卷讲反射时,他描述了一台带刻度的仪器,可以换上平面、球面、柱面、锥面的镜子,逐一核对反射角与入射角是否相等。
科学史家对这件事该评价多高,意见并不一致。德国学者施拉姆认为,他第一个系统地一步步改变实验条件,比如逐渐遮挡两个小孔中的一个,看屏上的月光光斑怎样一点点变暗;英国学者图默则提醒,在全书还没有完整译出之前,这样的论断容易把个别段落读成今天的意思,也不该把他从其他伊斯兰与古代学者中孤立出来。
海什木问题
《光学之书》第五卷里有一个难题:光源和眼睛的位置已知,镜子是球面,镜面上哪一点能把光反射进眼睛?在平面镜上这是初中题;换成球面,条件变成反射点 处的入射角与反射角相等:
其中 是球心, 就是法线。写成代数,这是一个四次方程。海什木先证了几条引理,再借助圆锥曲线给出了几何解。托勒密已经碰到过这个问题的特例,但把它一般地提出并解出来的是海什木,所以西方叫它「Alhazen 问题」。17 世纪惠更斯等人又回头来找更简洁的解法;1997 年牛津的数学家诺伊曼证明,它一般不能只用尺规作出。
为了求抛物线绕轴旋转所得立体的体积,他还推出了前 个正整数四次方的求和公式,并用它把体积化成一串薄片之和再取极限。这在今天就是一个积分,只是那时还没有这样的语言。
质疑托勒密
托勒密在伊斯兰世界的地位近乎天文学本身。海什木约在 1025—1028 年间写了《对托勒密的质疑》,逐条列出《至大论》《行星假说》和托勒密《光学》里的不一致之处。他最不能接受的是托勒密的「偏心匀速点」:一个天体的匀速运动竟不是相对于它的圆心,而是相对于另一个点,这在他看来不可能是真实的物理运动。
他的立场不是推翻托勒密,而是认为托勒密没找到那个「真实的结构」,需要修补。这本书的开篇,就是「求真理的人不是……而是……」那一段。
一本书的两次旅行
在伊斯兰世界,《光学之书》后来主要通过 13—14 世纪之交波斯学者卡迈勒丁·法里西的评注《光学修订》流传,法里西在此基础上用装水的玻璃球做实验解释了彩虹。
在欧洲,不晚于 1200 年,这部书被一位不知名的译者译成拉丁文,题为《论视觉》。此后一百年里,英格兰的罗吉尔·培根、波兰的维特洛、坎特伯雷大主教佩卡姆都以它为底本写自己的「透视学」,这个传统在欧洲大学里讲了三百多年。1572 年,里斯纳在巴塞尔把海什木和维特洛的书合印成《光学宝库》,Alhazen 的拼法就是从这一版流行起来的。
开普勒读的正是这一版。他 1604 年的《维特洛补遗》把像挪到了视网膜上,走出了「只取垂直光线」的框架,问题却还是海什木提出的那一个。
「第一位科学家」?
2009 年,英国物理学家哈利利为 BBC 撰文,标题就叫《「第一位真正的科学家」》,文中说,由于他强调实验数据与结果的可重复性,海什木「常被称为世界上第一位真正的科学家」。美国作家斯特芬斯 2007 年为青少年写的传记,书名也是《伊本·海什木:第一位科学家》。
这是一种流行的说法,不是科学史界的定论。「第一位」这类名号,前面总能找出更早的实验者,后面也总能找出他没有做到的事——他没有正弦折射定律,他的视觉理论最终要靠开普勒改写。比较稳妥的说法是:在光学这一门里,他第一次把几何证明、物理解释与可以复做的实验放进了同一本书,而这本书在此后六百年间一直有人在读。
2015 年联合国「国际光年」把纪念他的光学著作问世约一千年列为主题之一。月球上有一座以 Alhazen 命名的环形山,伊拉克 2003 年版的一万第纳尔纸币上也印着他的想象画像。
一个人还是两个人
中世纪的传记辞书给他列了上百部著作,其中既有数学和光学,也有医学与哲学。法国数学史家拉希德据此提出,这份书目其实混进了两个人:一个是写哲学与医学的「穆罕默德·伊本·海什木」,一个是写数学和光学的「哈桑·伊本·海什木」。萨布拉反驳说,伊斯兰世界常给男孩先取名穆罕默德、日后改用别名,同一个人被两个名字记录并不奇怪;而《光学之书》的作者本来就兼以自然哲学家和数学家自居。这场争论至今没有定论,本页的生平叙述沿用传统的「一个人」说法。
代表方程
反射定律
入射角等于反射角,而且入射线、反射线与镜面在那一点的法线落在同一个平面里。古人早就知道前半句;海什木在《光学之书》第四卷用一台可换镜片的带刻度仪器对平面镜、球面镜、柱面镜和锥面镜逐一检验,把这条规律做成了可以反复复核的实验结论。
小孔成像
物体高 、离小孔 ,像落在孔后 处,高 ——两个相似三角形,像是倒的。海什木在《论日食的形状》里用这套逐点几何解释了日偏食时小孔投出的月牙形日像,并讨论孔为什么要小。
海什木问题
给定光源 、眼睛 和一面球面镜(球心 ),找镜上的反射点 ,使入射角等于反射角。这个问题化成代数是四次方程,海什木用圆锥曲线给出了几何解;1997 年诺伊曼证明它一般没有尺规作图解。
四次方和公式
前 个正整数四次方之和。海什木推出它,用来求抛物线绕轴旋转所成立体的体积——用今天的话说,是在做一个积分;他的推法可以一级级推广到任意正整数次幂。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.萨布拉(A. I. Sabra)《伊本·海什木〈光学〉第一至三卷:论直接视觉》(英译与注释,伦敦:瓦尔堡研究院,1989)
- 2.萨布拉《伊本·海什木:一位阿拉伯数学家的简传》,《哈佛杂志》2003 年 9—10 月号——尼罗河与装疯的记载及其可信度、「求真理的人」译文
- 3.史密斯(A. Mark Smith)《Alhacen 的视觉知觉理论》,《美国哲学学会会刊》第 91 卷第 4—5 期(2001);及其 Alhacen 拉丁文校勘本序言——《光学之书》的完成年代与拉丁译本年代
- 4.林德伯格(D. C. Lindberg)《海什木的视觉理论及其在西方的接受》,《爱西斯》第 58 卷第 321—341 页(1967)
- 5.林德伯格《从古代到 13 世纪的小孔成像理论》,《精密科学史档案》第 5 卷第 154—176 页(1968)
- 6.林德伯格《从肯迪到开普勒的视觉理论》(芝加哥大学出版社,1976)
- 7.萨布拉《伊本·海什木为解「Alhazen 问题」所作的引理》,《精密科学史档案》第 26 卷第 299—324 页(1982)
- 8.诺伊曼(P. M. Neumann)《关于球面镜反射的反思》,《美国数学月刊》第 105 卷第 523—528 页(1998)
- 9.卡茨(V. J. Katz)《伊斯兰与印度的微积分思想》,《数学杂志》第 68 卷第 163—174 页(1995)——四次方和与抛物体体积
- 10.奥康纳与罗伯逊《伊本·海什木传》,MacTutor 数学史档案——伊本·基夫提所记尼罗河故事及其他版本
- 11.哈利利(Jim Al-Khalili)《「第一位真正的科学家」》,BBC 新闻,2009 年 1 月 4 日