温度计的四位发明者

17世纪早期的人们发明了许多测量工具，望远镜、显微镜和温度计一一问世，稍晚一些还出现了摆钟。然而，只有当观察能够证明或者推翻某个理论时，测量才具有科学意义。所以，最后为我们所知的是那些理解了测量的重要意义的人，而不是测量工具的发明者。不过，要不是因为有了合适的测量工具，那些科学上的观察和发现就很难实现。

温度计在问世之后没有立刻改变我们的世界观，也没有很快引出重大发现，在这一点上，它的身世更像显微镜，而不是望远镜。我们这就来比较一下这三种工具。

第一台望远镜大约是公元1600年左右由几个荷兰眼镜师中的一个发明的。汉斯·李普希（Hans Lippershey）、詹姆士·梅修斯（James Metius）和萨卡里亚斯·扬森（Zacharias Jansen）都自称是望远镜的发明者。然而在更深层的意义上，当伽利略在1610年1月7日将望远镜指向天空时，它才算真正被发明了出来。伽利略将焦点对准木星，并在木星附近发现了四个他认为是恒星的天体。他会这么认为并不奇怪，因为他在那段时间里发现了数百颗恒星，也第一次指出了银河系是大量遥远恒星的集合。1月8日，那四颗“恒星”和木星的相对位置发生了变化。1月9日天上多云。10日再度晴好，伽利略发现它们的位置又变了。换作别人，或许会觉得这个变化微不足道，但是伽利略却以他一贯的自信断定这些不是恒星，而是环绕木星转动的卫星，每隔几天就有一颗运行一周。伽利略描述了这个现象，但他使用的词语依然是“恒星”而不是“卫星”：

有一个发现超越了一切奇观，也值得我们向所有天文学家和哲学家鼓吹一番，那就是在夜空之中，有四颗前人不曾察觉的漫游恒星。就像水星和金星按着各自的周期围绕太阳转动，这四颗恒星也在按着各自的周期，围绕着已知天体中的一颗亮星转动，它们时而超越其前，时而跟随其后，但是始终保持在某个范围之内，不曾游离。

在十年前的1600年，你还可以有理有据地否定哥白尼，并继续认为地球是宇宙的中心，而太阳和其他行星都围绕地球转动。因为在当时，相反的理论还没有确凿无疑的证据。然而那四颗卫星一旦发现，情况就不同了：它们围绕的对象是木星，不是地球。当时对哥白尼的理论有一种反驳，说地球如果围绕太阳转动，月球就不可能跟上地球。然而伽利略的发现却指出了别的行星也可以拥有卫星，就像地球拥有月球一样。如果他的解释没错，那么地球就不再是宇宙的中心。

在我看来，伽利略对木星卫星的观测称得上是现代科学的源头之一。首先，这次观测之前已经有了模型——哥白尼的日心说。伽利略接受了这个模型，因为他认为这给当时的数据提出了最好的解释。接着，他开始寻找更多证据以证明这个模型的对错。最后他找到了证据，也意识到了自己的发现对于那个模型的意义。作为史上第一位光学天文学家，伽利略显然是个天才，但他的主张还是需要观察来证明或是推翻，而他已经有了合适的观察工具。

显微镜同样是17世纪早期的荷兰镜片师发明的，但当时还没有一种可供检验的微生物模型，于是显微镜成为了一件稀奇的玩具、一扇通向肉眼看不见的世界的窗户。这种仪器的第一位普及者是罗伯特·胡克，他在1665年出版了《显微图集》（Micrographia）一书，畅销欧洲。在书中，胡克收录了自己绘制的七十五幅插图，将他在显微镜中看见的妙趣一一呈现，包括一只苍蝇的眼睛和一只跳蚤的解剖结构。他还在显微镜下观察了一只木头瓶塞，并指出它是由更小的结构组成的，他把那些结构称为“细胞”。正如历史学家丹尼尔·布尔斯廷（Daniel Boorstin）所说，胡克用一则声明奏响了一个新时代的基调：“……自然科学向来只是大脑和想象的研究，这种局面已经持续了太久，现在它应该回归本源，回到对物质，对显而易见的对象的朴实、可靠的观察。”话虽如此，显微镜却仍然只是一件玩具，没有用处，也没有目的。

胡克是一位杰出的人物，他的名声本该更加显赫，却无奈消失在了牛顿的光环之中。在阅读牛顿的《自然哲学的数学原理》之后，他宣称重力的反平方律是牛顿从他这里偷去的。他的确在牛顿之外独立发现了这条定律，甚至还想到了物体坠向地面和地球坠向太阳属于同一种运动，但是他缺乏牛顿那种惊世骇俗的数学天才，没能从这些假设中推出开普勒的行星运动定律。说到吵架，牛顿也不是等闲之辈，这一点从他和莱布尼茨关于谁发明了微积分的争论中可见一斑。他立刻从《原理》中删除了提到胡克的所有文字，还与胡克的雇主皇家学会一刀两断。直到1703年胡克逝世，他才同意出任学会主席。在那之后，学会里悬挂的那幅胡克肖像就神秘失踪了。

下面该说说温度计了。对热的研究始于公元1600年之前，早在公元前2世纪，拜占庭的费隆（Philo）就思考了气体的膨胀和收缩。在那之后两百年，亚历山大的希罗（Hero）又写了一本名叫《气体力学》（Pneumatics）的书，它在文艺复兴时代被译成拉丁文，重新引起了读者的兴趣，在意大利再版了好几次。1594年，伽利略读到了它。希罗的一个实验里用到了一种叫“测温器”（thermoscope）的装置，能够显示一种气体在加热或冷却时的变化。比如在一个封闭的容器中充满空气，并在空气上面放水，当容器加热，气体就会膨胀，推动水位上升。这类现象和温度有着某种联系，但是未必和温度的测量有关。

有一件事说来啼笑皆非：伽利略没有发明望远镜，却有许多人将望远镜归功于他；也常有人说他发明了温度计，其实他很少使用温度计，即便使用也是为了无关紧要的目的。和伽利略一同“发明”温度计的至少还有三个人，这大概是因为，和望远镜一样，在温度计的发明中，也有好几个人同时提出了多少有些相同的创意。

在这四位可能的发明者中，有两位来自阿尔卑斯山以北，另两位来自意大利。北边的两位发明家，一位是威尔士人罗伯特·弗拉德（Robert Fludd），他居于牛津，在那里获得了一个医学学位。弗拉德曾在牛津大学的博德利图书馆读到过一份13世纪的手稿，其中描述了希罗的测温器，他可能就是在那之后制作了一部类似温度计的装置。另一位北方的发明家是荷兰人科尔内留斯·德雷贝尔（Cornelius Drebbel），他从荷兰迁居英国，受雇于詹姆士一世，做了份类似宫廷发明家的工作。为了在盛夏时节给威斯敏斯特大教堂降温，他制作了好几种装置，其中可能就有一部温度计。

两位意大利发明家，有一位当然就是伽利略，另一位是他的朋友，名叫桑托里奥。这位桑托里奥·桑托里奥（Santorio Santorio）比伽利略年长三岁，1561年生于威尼斯的一个富裕家庭，按照当时的风俗，家里给他起了和姓氏一样的名字。他在附近的帕多瓦学习哲学和医学，然后回到威尼斯行医。当时的威尼斯已经从巅峰开始慢慢衰落，不再是地中海上的一方霸主、通向东方的贸易门户了，但它依然是一座文化与艺术的重镇，不远处的帕多瓦坐落着威尼斯共和国的优秀大学。威尼斯与教皇国距离较远，且怀有敌意，因此和意大利的其他地区相比，威尼斯及其周边在学术上更为自由——当伽利略离开帕多瓦前往佛罗伦萨之后，他对这一点有了痛切的体会。

桑托里奥先是想到了将体液医学量化。他要继承盖伦在一千五百年前提出的那一套冷热、干湿、胆汁和黏液的概念，并为它们赋予新时代的含义。盖伦的观点在一千五百年中被奉为真理，但是从来没有人像开普勒演绎行星运动定律那样，对它们进行过严格的检验。桑托里奥打算用新式的科学仪器将体液医学改造成一门科学。他在自己身上试验，小心翼翼地称量了自己在进食、饮水、睡眠和锻炼前后的体重。他记下自己摄入和排泄的质量，并将两者的差异归结为“无从察觉的汗水”。他还把自己的体温变化写进了日记。

桑托里奥的《静态医学医疗术》（Ars de Medicina Statica）初版于1612年，后来翻译成多国文字，在欧洲广为流传。在后来一百多年里，人们一直将它看作是现代医学的两大支柱之一——另一根支柱是哈维关于血液循环的著作。我们现在知道，哈维关于血流的洞见十分高明，而桑托里奥关于体液的观点就不怎么高明了。我在上一章写到，今天的医院仍在定期记录病人的体温和脉搏，但它们已经不再表示体液的失衡了。不过桑托里奥的观点虽然有其缺陷，他的方法却称得上巧妙。比如，伽利略曾指出长度固定的钟摆会以固定的周期摆动，桑托里奥利用这个发现，通过调节钟摆的长度使它的周期和病人的脉搏一致，然后以此为基准测量病人的心律变化。

桑托里奥尝试“用科学方法”证明体液医学的计划终究失败了，但是在这个过程中，他却为代谢活动的研究奠定了基础。他制作了一台测温器，原理和一千五百多年前希罗的描写相仿，他还在上面制作了刻度，以测量病人的体温与正常体温的差值。一台带有刻度的测温器，其实就是一部温度计了，它能以一个定点为基准，并用定量的方式测量温度的变化。做出这部装置，桑托里奥应该记上一功；而且以任何标准来看，他都是系统测量人体温度的第一人。

与此同时，伽利略的传记作者维维安尼（Viviani）也宣称，温度计是伽利略早年在帕多瓦居住时发明的，时间在1592年到1597年之间。他写道：“他就是在那段时间发明了温度计，这种仪器用玻璃制成，内部填充了水和空气，能用来测量冷热的变化。”照我的猜想，伽利略在1594年阅读希罗的《气体力学》之后，的确制作过一台测温器，他也肯定改善了希罗的设计，就像他改善望远镜一样。他还很可能在那台测温器上画了刻度。1613年，正在试验温度计的朋友萨格雷多（Sagredo）给伽利略写了一封信，信中也提到了温度计是他的发明。

虽然数字温度计在近些年大行其道，但伽利略时代诞生的现代温度计却仍在使用，它在玻璃管内封存一段液体，外面标有刻度。最常用的液体是汞，它在1700年就已启用，那之前用的则是酒精、各种烈酒甚至是清水，有的彩色，有的透明。这个管道状的设计大概是1640年左右在佛罗伦萨问世的。它的发明者一般认为是托斯卡纳大公斐迪南二世，伽利略的《关于两个世界体系的对话》就是献给他的。伽利略1642年在佛罗伦萨逝世时，大公还将他誉为“我们这个时代最灿烂的光”。他本想在埋葬伟人的圣十字大教堂为伽利略修一座大理石陵墓，但教皇乌尔班八世否决了这个想法，说这会触犯教皇的权威。

伽利略虽然受到了宗教裁判所的压制，但佛罗伦萨却依然出现了一个活跃的科学集团，这一方面是因为美第奇家族的慷慨援助，另一方面也是因为伽利略的几位门徒贡献了力量，其中包括卡瓦列里（Cavalieri）、维维安尼（Viviani）以及气压计的发明者托里拆利（Torricelli）。1657年，九名佛罗伦萨人组成了一个学会，名叫“实验科学院”（Accademia del Cimento）。它的成员遵从伽利略的教诲，自己制作设备，自己开展实验，以此追求新知。十年之后，他们将研究成果汇集成了一本《实验科学院自然实验报告》（Saggi di naturali esperienzefatte nell'Accademia del Cimento）出版。第一篇报告题为《如何用仪器揭示由冷热造成的空气变化》，其中详细介绍了温度计的制作，还描述了吹玻璃工是如何制作温度计末端的玻璃球的。

这批早期的温度计今天仍可以在佛罗伦萨的科学史博物馆看到，其中的一些格外美丽。它们的玻璃外壳吹制成了不同的形态，有管状、螺旋状，甚至还有精美的动物形状。它们都遵循同样的原理：温度上升，封存的液体就会膨胀。膨胀由精确的刻度记录，也可以由温度计中的一只只自由移动的小球标识，这些小球的密度各不相同，而且对于温度变化时液体的密度变化十分敏感。

可惜的是，实验科学院在1667年被迫解散，距创立不过十年。现在看来，学院之所以解散，当是它的赞助者莱奥波尔多·德·美第奇出任红衣主教之故。此前伽利略因为维护哥白尼的日心说受到天主教会的审判，已经是对科学界的沉重打击；现在实验科学院再一解散，更使得自由的科学探索在意大利境内就此凋零。这次衰落当然也有别的原因，比如意大利当时分裂成许多更小的城邦，但如果科学院能够继续繁荣，那么科学的历史或许就会改写。

在这之后，温度计经历了有趣的历史，但是它对科学已经没有多少新的贡献了。胡克制作了几部温度计，牛顿也是。1701年，牛顿提出用亚麻籽油作为温度计内的液体，还引入了0到12的刻度。他将“压紧的雪融化的温度”定为0度，将“温度计与人体接触后获得的最大热量”定为12度。牛顿一向行事机密，这次甚至没有透露自己是这部仪器的作者，在其他人猜到之后，他才终于承认。

几年之后，一个名叫奥勒·罗默（Ole Romer）的丹麦人（他最出名的成就是测量了光速）提出，用冰的熔点和水的沸点作为刻度更加合理。他将两者的温度分别定为7.5度和60度。一个名叫丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）的仪器制造商拜访了罗默，他吸收了罗默的想法，并重新设定了这两个刻度，它们现在分别是华氏32度和212度（即摄氏0度和100度）。这两个数字看起来实在有些随意，大概是因为华伦海特用水、冰和盐的混合物定义了0度，又用人体的大致温度定义了100度。华氏温标在英国与荷兰流行开来，但是大多数国家并未接受，它们虽然也将水的冰点和沸点作为标准，但采用的却是摄氏温标。这个温标由安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）提出，和华氏温标相比，它更符合法国大革命之后采用的公制，也就是十进位的度量单位。

度量的意义，只有在了解了度量的对象之后才会显现出来——换句话说，度量需要目的。我们都知道长度为0、时间为0是什么意思，那么温度为0又代表了什么呢？虽然我们很容易分辨两个物体的冷热（至少在神经的感受范围之内），但是长度和时间都具有我们能够直观把握的绝对度量，温度却似乎没有。当研究者开始用“科学”的方法衡量温度时，我们自然要问一问他们衡量的究竟是什么。要回答这个问题，就需要对热有更深的理解。