他是“电影之父” 失明后竟开创了泡沫物理学

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-09-13

虽然他的身体沉浸在无边的黑夜中,但他强大的思想带来了伟大的发现,为比利时科学界赢得了不朽的荣誉!

由于一心扑在科学研究上,比利时根特大学的物理教授约瑟夫·普拉托直至39岁才完成婚姻大事。迈入不惑之年的他,接连迎来两个孩子的出生,自是喜不自禁。1841年底的一天傍晚,普拉托在结束繁忙的教学和实验任务后,迫不及待地飞奔回家。

回到家,当他像往常一样弯腰逗引孩子时,却突然眼前一片漆黑。随后几天,普拉托的视力虽略有好转,但眼前总会浮现挥之不去的彩色光晕。显然,自己的眼睛出了问题。医生诊断他得了慢性葡萄膜炎,可他却不以为然,坚信伤害自己眼睛的罪魁祸首另有其“人”。

事儿还得从头说起……

图1 - 约瑟夫•普拉托,摄于1843年(图片来源:en.wikipedia.org)

约瑟夫•普拉托,摄于1843年(图片来源:en.wikipedia.org)

坎坷少年路

1829年初夏,在比利时列日大学攻读博士的普拉托终于拿到了梦寐以求的物理学位。他苦读七载,入学时读的明明是法律,毕业时却拿了物理学位,这是咋回事呢?

普拉托于1801年出生于布鲁塞尔的一个艺术家庭,他的父亲是当地小有名气的画家。小普拉托沉浸在浓厚的艺术氛围里,最喜欢的事儿就是安静地看父亲作画和观察路边的花花草草。

可是,好景不长,普拉托13岁时,母亲和父亲相继不幸去世,他只好带着两个妹妹投奔舅舅。突如其来的变故让普拉托格外伤感,看着昔日活泼的小外甥日渐消沉,舅舅心急如焚,便带着他和妹妹们住到了乡下。恬静的乡村生活让普拉托重新开朗起来,更激发了他对自然科学的浓厚兴趣。他喜欢收集形形色色的蝴蝶标本,每天都到村里的铁匠伯伯家摆弄各式机械装置。

然而,舅舅见他如此却大为不悦。

图2 - 乡村生活激发了普拉托探索自然科学的兴趣(图片来源:www.mskgent.be)村生活激发了普拉托探索自然科学的兴趣(图片来源:www.mskgent.be)

原来,普拉托的舅舅是一位德高望重的律师,非常希望外甥能继承自己的衣钵,没承想他竟对“奇技淫巧”情有独钟。于是,在乡下待了没多久,舅舅便匆匆将普拉托拉回了城里。

普拉托深知舅舅的良苦用心,尽管中学时依旧喜欢搞发明、做实验,并结识了一生的老师与挚友——物理学家凯特勒(注[1]),但1822年,他仍然进入了列日大学法律系。然而,冗长的法律文本着实令普拉托难以忍受,在凯特勒的建议下,一年后,他终于下定决心违背舅舅的意愿,转而修读物理。

图3 - 数学家阿道夫•凯特勒,普拉托在他的鼓励下转学物理(图片来源:www.sciencesource.com)

数学家阿道夫•凯特勒,普拉托在他的鼓励下转学物理(图片来源:www.sciencesource.com)

直视骄阳

好不容易进了物理系,普拉托十分珍惜难得的学习机会。他当时对人类的视觉感知颇感兴趣,决定以此作为博士论文的研究内容。

1829年,普拉托已经28岁,在大学里也已待了7年。毕业大计迫在眉睫,他开始疯狂地做实验。有一次,为了考察人眼的耐光极限和物象在人眼中的滞留时间,他目不转睛地盯着太阳足足25秒,此后好几天都无法看清物体。视力刚刚有所好转,他就又立刻投入到光学实验中。12年后,普拉托坚信,正是这一系列的实验伤害了自己的眼睛。事实上,在19世纪之前,许多科学家都因长期观测太阳而罹患眼疾,最著名的例子莫过于科学先驱伽利略,他就是在用望远镜长期观察太阳后失明的。

图4 - 比利时列日大学,普拉托曾在此求学七载(图片来源:www.wikidata.org)

比利时列日大学,普拉托曾在此求学七载(图片来源:www.wikidata.org)

不过,在当时,这一切对于普拉托而言都十分值得。普拉托注意到,每当直视太阳数秒后,眼睛中都会残存一个强光源的影像。经过反复直视太阳,他测算出物象在人眼中滞留的时间约为三分之一秒。在此基础上,他进一步研究了运动图像在人眼中的几何叠加与重构原理。当年6月,他顺利完成了博士论文,题目为《论光在视觉器官中产生的像的若干性质》。尽管论文只有27页,却第一次详细阐释了视觉暂留现象。

在今天,视觉暂留现象作为动画与电影的理论基础,似乎已经成为一种生活常识,人们对其见怪不怪。但在200年前,它的提出却是轰动性的。仅仅五年后,普拉托便凭借在视觉暂留等领域的杰出研究成果,成为比利时皇家学院院士。

图5 - 这种常见的DIY动画正是利用了视觉暂留原理(网络图)【备注:此图为gif动图】

这种常见的DIY动画正是利用了视觉暂留原理(网络图)

“讨厌”的费纳奇镜

实际上,视觉暂留现象的提出,不仅在物理学和生理学领域引起轰动,在当时的欧洲民间也很快妇孺皆知。这都要归功于普拉托发明的一种小装置。

1832年,普拉托在一次研究中发现,如果在一个旋转圆盘的边缘沿径向挖去一些等距的狭缝,并在圆盘正面放置一面镜子,那么从圆盘背面透过狭缝看去,圆盘在镜子中的像几乎是静止的。他突发奇想:如果将运动的不同阶段画在圆盘背面,不就能看到连续运动的画面了吗?如此一来,人们就能更直观地感受到视觉暂留现象。普拉托请来画家帮忙,很快就制作出一款新奇的装置,他将其命名为费纳奇镜(phenakisticope)

图6 - 透过圆盘狭缝,便可在镜子中看到连续动画啦!(图片来源:insaneclopedia.com)

透过圆盘狭缝,便可在镜子中看到连续动画啦!(图片来源:insaneclopedia.com)

图7 - 普拉托早期制作的费纳奇镜,现藏于根特大学(图片来源:www.ugentmemorie.be)

普拉托早期制作的费纳奇镜,现藏于根特大学(图片来源:www.ugentmemorie.be)

费纳奇镜与我国古代的走马灯有些类似,能产生连续动画,一经推出便深受小孩子们的喜爱,一时间竟出现了许多仿冒商品。许多公司找到普拉托,希望能将费纳奇镜商业化,结果都吃了闭门羹。普拉托对商业毫无兴趣,他甚至开始讨厌费纳奇镜,认为它扰乱了自己平静的生活,此后再也没有接触过它。

然而,普拉托却没有料到,费纳奇镜竟成了后来无声电影的雏形,让他成了后人口中的“电影之父”。

图8 - 各式各样的费纳奇镜(图片来源:www.amazingbelgium.be)

各式各样的费纳奇镜(图片来源:www.amazingbelgium.be)

图9 - 费纳奇镜呈现的连续动画(图片来源:wakest.info)【备注:此图为gif动图】

费纳奇镜呈现的连续动画(图片来源:wakest.info)

生命的张力

1840年,“书呆子”普拉托结婚了。可搞笑的是,当他和妻子前往巴黎度蜜月时,他居然一下车就径自跑去找一位物理学家讨论问题,完全忘了自己刚刚结婚,身边还有位妻子。尽管后来孩子的出生给普拉托带来了无尽喜悦,但他仍一心扑在自己的实验上。

一天,一位助手不慎将一滴橄榄油掉进了乙醇溶液中,普拉托惊讶地看到,油滴并未溶于乙醇溶液,而是变成了许多离散的球型油滴。经过一番研究后,他发现,油滴与乙醇溶液界面处的分子力是形成这种现象的主要原因,而且分子表面张力只存在于界面附近的薄层内。为了排除重力的干扰,进一步揭开表面张力的庐山真面目,普拉托决定改用质量极轻的肥皂泡做研究。然而,他的视力却每下愈况。1843年,普拉托彻底失明了。

图10 - 失明后的普拉托(图片来源:www.amazingbelgium.be)

失明后的普拉托(图片来源:www.amazingbelgium.be)

失明后的普拉托根本没工夫自怨自艾,他旋即找来自己的侄子做助手。他让侄子把不同几何形状的金属框架浸入肥皂水中,然后不断地询问泡沫的形成结构和色彩。就这样,在侄子的耐心帮助下,普拉托发现肥皂泡由完全光滑的表面组成,肥皂泡表面的交界总是由3个表面相接构成的曲线。在大量实验观测的基础上,普拉托于1873年出版了著作《仅受分子力作用的静态液体实验及理论》,并提出了著名的普拉托定律。自此,泡沫物理和表面张力作为崭新的研究领域登上了科学舞台。

图11 - 普拉托用于研究表面张力的装置,图中可见金属框架及形成于其间的肥皂泡(图片来源:文献[1])

普拉托用于研究表面张力的装置,图中可见金属框架及形成于其间的肥皂泡(图片来源:文献[1])

普拉托一生研究成果颇丰,先后被选为英、法、德等多国皇家学会会员。尤其是他在失明后开创的泡沫物理学,为他赢得了广泛赞誉。英国物理学家法拉第曾在给普拉托的信中由衷地称赞道:“虽然你的身体沉浸在无边的黑夜中,但你的头脑却比以往更敏锐,你强大的思想带来了伟大的发现,为比利时科学界赢得了不朽的荣誉!”

图12 - 陈列于根特大学的普拉托像(图片来源:www.ugentmemorie.be)

陈列于根特大学的普拉托像(图片来源:www.ugentmemorie.be)

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人物小档案:

约瑟夫·普拉托(Joseph Plateau,1801.10.14 – 1883.9.15),比利时物理学家,1829年毕业于列日大学,获医学、物理学和数学博士学位,后成为根特大学物理教授。普拉托首先发现了快速运动物体的视觉暂留现象,为后来动画与电影的产生奠定了理论基础,因此被誉为“电影之父”。他根据视觉暂留原理发明的费纳奇镜可播放连续动画,被认为是早期无声电影的雏形。他还致力于研究表面张力、毛细管作用等,在中年失明后,凭借顽强的毅力,于1873年开创了泡沫物理学这一崭新的研究领域。

注释:

[1] 阿道夫·凯特勒(Adolphe Quetelet,1796-1874),比利时数学家、物理学家,十九世纪最具影响的统计学家之一,被誉为“近代统计学之父”。

参考文献:

[1] Wautier K, Jonckheere A, Segers D. The life and work of Joseph Plateau: father of film and discoverer of surface tension [J]. Physics in Perspective, 2012, 14(3): 258-278.

[2] Verriest G. Life, eye disease and work of Joseph Plateau [J]. Documenta Ophthalmologica, 1990, 74(1-2): 9-20.


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