圖片：波以耳。以1661年的《懷疑派化學家》（The Sceptical Chymist）一書開創了化學實驗的先河。他認為月亮一如一般的自然事物，也是一個大機械。
明天即將要中秋節，我們也來看看這四百多年來，不同的科學家在看到月亮時曾有過怎樣的想法。曾經說過我思故我在的近代哲學之父笛卡兒(René Descartes)其實也是啟蒙後世許多科學家的重要學者。在他的眼中，月亮其實是一個龐大的機械。笛卡兒是機械論(Mechanism)的主張者。在機械論當中，一切現象皆可依照機械的原理來解釋；換句話說，所有的現象都是物質運動的結果，而且都能以運動的觀點來解釋。也就是，一切事物只要根據動力因(Efficient Cause)而不須依據目的因(Final Cause)就可以完全解釋宇宙當中的所有現象。『自然(nature)』的本身就像是一部機器。雖然機械論的本身其實不是笛卡兒所首創，早在古希臘哲學家留奇伯(Leucipas，也是古典原子論─萬物皆由原子所構成的提出者)和他的學生德模克利特斯(Democritus，原子論的繼起提出者，並以原子論為基礎建立了認識論)就以建立了機械論。但在笛卡兒進一步的擴充和推廣下，影響了更多人。
崇尚笛卡兒機械論的勞勃‧波以耳(Robert Boyle)後來以這樣的思考觀點逐漸從物質的研究當中創立了『化學』這樣的全新學門，並且獲得當時反煉金術的貝歇爾(Johann Joachim Becher，油土學說的創立者，油土學說後來經由史塔爾發展為《燃素說》)、約翰．約阿希姆．帕克(Johann Joachim Becher，《地下的自然哲學》的作者，其論點有部分促成了史塔爾的燃素說)、史塔爾(Georg Ernst Stahl，貝歇爾和約阿希姆的集大成者，他的燃素說使得化學進一步打擊煉金術，但卻也構成日後正確的氧化燃燒學說發展的重大障蔽)等人的支持，化學成為一們新興的學問。波以耳這一生不是經常探討月亮，但是他有一項實驗卻間接解說了月光的傳遞。那個實驗原本應該是用來探討聲音的，他以一個鈴鐺放到玻璃罩當中，當玻璃罩內的空氣被幫浦抽掉而真空之後，鈴聲就傳不出來了。這證明了聲波的傳遞是需要介質的。但在這實驗的另一方面，卻也間接映證了光的傳遞不需要介質？？因為光線仍然可以穿透真空的玻璃罩而傳遞過來？？我們現在知道無論是陽光或是月光，光在宇宙當中的傳遞確實不需要介質，不過，這在古典物理時期，這不是一個容易被解釋的對象，因為這和日常的經驗很不吻合。早期人們所認識的波動，無論是音波或是水波，總都有一個介質作為傳播的媒介。因此也都很自然而然地認為波動都必需要有介質來協助傳播。光波太不尋常了，居然可以穿過沒有介質的地方？沒有物質的擺動來協助波的前進那不是很奇怪嗎？不過波以耳當時並不引以為意，畢竟他的實驗目標是音波，而不是光波，目的已經達到了。波以耳所看的月光也覺得很正常，他可能沒有特別去懷疑。
圖片：羅伯特虎克。虎克除了是物理學家。也同樣是極為量產的發明家。他以虎克定律和顯微鏡的發明而聞名。他對月光的看法是：光就是一種波動。與牛頓的光粒子說相互敵對。
不過時間來到了波以耳的兩個後輩，一個是波以耳的忘年之交─艾薩克‧牛頓(Isaac Newton)(這個小他16歲的牛頓是他經常書信往來討論煉金術的小友)，另一個則是曾被波以耳邀請作為助手，真正協助波以耳完成許多實驗的羅伯特‧虎克(Robert Hooke)，他們可就真的在光的定位問題方面產生很嚴重的分歧，甚至是爭鬥。虎克和牛頓並未認真探索過光在宇宙是否需要介質作傳遞。但是他們卻陷入了光本身定位上的衝突，牛頓認為光是『粒子』，所以他所看到的月光也是由好幾個粒子所組成的。而虎克則認為光是『波動』，在他的眼中，月光就是一種波，這是再正常不過了。虎克在鐘錶發明的競爭者，卻也是光波動學說的盟友惠更斯在解釋光波如何因相互干涉而形成波前的方面有著非常深入的觀察。他認為在波前的每一點都可以視為產生球面次波的點波源，而之後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。惠更斯的論點中，可以為光波的直線傳播與球面傳播給予良好的定性解釋，並且還可推導出反射定律與折射定律。虎克以惠更斯的學說為基礎，將兩道光束交疊在一起，他認為如果光是粒子，則粒子打在一起應該會散開，但兩道光束卻可以在互不影響的情形下各自仍維持原來的路徑，因此光更像是個波，而不是粒子。
1672年牛頓在皇家學會發表自己光粒子說的觀點，他認為白光經過三稜鏡會產生色散，並區分成七色光，這是因為不同顏色的混合微粒受到三稜鏡的作用而分開，但此論點遭到主張光波動說的虎克嚴厲的批評。兩人從此結下極大的樑子。牛頓由於受到了打擊，因此一直不斷收集更多的實驗數據，才在虎克過世之後 ，將《光學》這本書加以出版。《光學》出版後，由於牛頓在科學界的聲譽日榮，加上牛頓時常打擊與其對立的光波動說。因此牛頓雖然奠定了光粒子說的統治地位，但直到一百多年之後才由奧古斯丁•菲涅耳(Augustin Fresnel)重新發現虎克的光波動說。
圖片：艾薩克牛頓。月亮對牛頓的啟發可能有兩個向面。一個是光的粒子說。另一個則是藉由月球和地球的運動關係而讓牛頓闡發了萬有引力定律以及充實了三大運動定律。
在古典物理學當中，自然界的運動經常被明確區分為『純』粒子與『純』波動，其中前者組成了『物質』(並與化學相互產生關聯)，而後者則是各類的波動。由於科學家還沒有能夠突破兩者之間的聯結，因此粒子與波動的對立面也就變得很麻煩。十九世紀早期，由於光粒子說有一些物理上的實驗難以解釋。因此由奧古斯丁·菲涅耳(Augustin Fresnel)和托馬斯‧楊格(Thomas Young)所重新闡述和重啟的光波動理論便顯得相當重要。楊格完成的雙狹縫實驗顯示出繞射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光粒子說所無法解釋的波動行為。這實驗確切說明了光的波動性質。之後，菲涅耳更提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠金斯原理的基礎上假設次波與次波之間會彼此產生干涉，並假設次波的波幅與方向有關。這項原理能夠解釋光波朝前方傳播與繞射等現象。新的波動學說與實驗的發現使得十九世紀有一段很長的時間，科學家都重新探討光的波動。
圖片：惠更斯。惠更斯雖然曾因改良時鐘的發明而和虎克有過爭鋒相對。但在光學上他仍是和虎克站在同一陣線的。惠更斯為人比較溫和，他和理論相對的牛頓其實也有一些交往，同時也曾是微積分另一位發明者萊布尼茲的數學老師。
圖片：楊格。這是一位十九世紀非常博學的科學家。除了著名的雙狹縫實驗。楊格的本科其實是醫學。他闡述了人體眼睛晶狀體的調節，並且發現人類的色覺來自於眼睛的三種不同神經，可分別感受紅光、綠光與紫光。
最後來到了詹姆斯•馬克士威(James Clerk Maxwell)成為集大成者。他以馬克士威方程組將電、磁、光等統整為電磁場中的現象。這個方程組能夠分析電磁學的種種現象。並且還可以推導出電磁波方程式。馬克士威以電磁波方程式還計算獲得了電磁波波速等於做實驗測量到的光波速度。因此猜測光波其實和電磁波是一體的。並進而將電磁學和光學聯結成統一理論。1888年，海因里希•赫茲(Heinrich Hertz)以實驗證實馬克士威的猜測正確無誤。自此，光波動說正式打倒了光粒子說。科學家可以證明月光確實是一種波動的現象。
圖片：馬克士威。這是十九世紀物理學的集大成者，在電磁學與熱力學均有推展出重要的方程式。
在同一時期，科學家終於注意到當年波以耳實驗中所未被人們進一步探討的怪現象─光能夠穿越真空嗎？由於光能夠穿越真空並不被科學家所認可，主流的物理學始終認為這世界上一定有一種特殊的物質承載光波的傳遞，因此科學家援引了古希臘哲學家亞理斯多德所曾設想的一種特殊物質『以太』(Luminiferous aether；aether或 ether）)，並且認為每一個星球的外圍其實都包覆著『以太海』，這個怪東西無所不在，甚至難以測量。不過1887年亞伯特密西根(Albert A. Michelson )和愛德華莫雷(Edward W. Moley)設計一套設法測量以太和地球相對速度的實驗，但是他們當時不管怎麼量就是量不出來。最後只好承認實驗失敗。由於科學家在幾次探究以太的過程都獲得失敗，這終於讓科學家認為以太鷹該是不存在的。光其實是『一種特殊的波』，它可以不需要介質來傳遞。但真正奇怪的還在後面。
時間進展到二十世紀，愛因斯坦進行了光電效應的研究，並且發現古典物理中的光波動說無法解釋光電效應的現象。於是愛因斯坦，重新將光束描述為一群離散的量子，也就是光子，而不是連續性波動。並且依據普朗克的黑體輻射定律，愛因斯坦推論組成光束的各個光子所具備的能量E等於頻率ν再乘以普朗克常數，此即「愛因斯坦光電方程式」。愛因斯坦的新發現也促成了後續『波粒二象性』這個光波所同時具備波與粒子兩項特點的原理正式被發現，並且更促成了後來量子力學這個近代物理學新領域的進一步發展。但是愛因斯坦在望向月亮的時候時常不是很滿意這個結果，因為他不相信量子力學。
圖片：愛因斯坦。讓牛頓的光粒子說從敗部復活的關鍵者。也是近代闡述光具有粒子和波動兩個特點，並開啟量子力學的重要巨匠。但他本人很討厭量子力學。
量子力學是描述微觀物理現象的領域，在量子力學的微觀世界當中粒子的運動是有點類似鬼魅一般的瞬間「量子跳躍」，其間甚至沒有軌跡。因此海森堡的『測不準原理』才會表示想要同時精確測定粒子的位置和動量幾乎是不可能的。然而傳統哲學上如果一個事物不能被觀測，其實相當於不存在，那麼波和粒子到底是怎樣的存在？還是兩者都不存在？這進入到令人匪夷所思的哲學難題。於是愛因斯坦曾這樣說：「我不相信月亮只有在我去看它的時候才存在。」於是牛頓和虎克的數百年爭議，最後其實誰都沒有獲勝。反而是物理學演變到眾人都難以想像的複雜程度。不過至少牛頓在另一個世界不會哭泣，因為他的粒子說在十九世紀之後的一百多年雖然曾經有過衰頹，但卻又讓愛因斯坦重新闡發了。於是人們看月光，既可以看成是一個波，也可以把光當成是粒子打在身上。
其實提到月亮，有的時候，我們會發現月亮好像看起來比較大，有的時候月亮則看起來比較小。這也是古代的科學家所曾關注過的問題，尤其月亮的大小其實最常受到大氣折射的影響，關於大氣折射，中國宋朝的沈括(Shen Kuo)以及古代阿拉伯的海什木(Ibn al-Haytham)都曾有過對於大氣折射的探討和研究。海什木的一系列研究更是日後啟發西方光學研究的直接先驅。我們在平常之所以看到不同時間點的月亮似乎大小有所改變，這是因為大氣折射的原因，以月亮出現在地平線和接近天頂之時的比較，前者因角度關係，光線穿透大氣的厚度比較厚，光線受到空氣分子與其他懸浮微粒的折射和漫射的影響效應較明顯，因此月亮看起來會比較大一些。而在同一天當中，高緯度區域的人所看到的月亮會比低緯度區域的人所看到的月亮要大一些，這也是受到仰角的影響。前者的仰角比較低，接近地平線；後者的仰角比較高，接近天頂。此外，月球與地球的相對位置『近地點』和『遠地點』(星球軌道是橢圓形)，也會影響我們所觀察到的月亮大小。甚至某些地面景物的搭配影響，也可能影響我們所對月亮觀察時的視覺大小，但後者常常是心理因素。
我們再將時空拉回到牛頓所在的十七世紀。其實，月亮對於牛頓的影響啟發很大。並不是只有光學而已。我們常因為有些傳說故事而認為牛頓是受到蘋果掉到地上的啟發，因此發展出萬有引力定律。但其實除了蘋果，最初引起牛頓對於星球引力關係的興趣者，便是天上掛著的月亮。牛頓對行星運動的探索過程最初是從研究月球環繞地球的運動而展開，並以行星運行軌道大致為圓形來進行推估。在牛頓之前，非常喜好談論離心力現象的惠更斯曾提出過他的離心力定理，惠更斯喜歡研究各類轉動或圓周運動所造成的離心力問題，甚至也曾研究泥球在轉動時變扁的問題。惠更斯雖然和牛頓在光學的議題上相左，但他在離心力問題上的討論卻對牛頓的萬有引力有著重要的啟發。月球要能夠維繫自身的軌道，自然必須能夠克服離心力。牛頓時常在想，如果沒有任何力作用在月球的話，則以伽利略的慣性理論來說，月球應當進行等速的直線運動，但實際上的現象卻是月球繞著地球在轉(圓周運動)，這是一個變加速度、變速度與受變力作用的運動過程。所以月球一定有受到地球的作用力，如果沒有這個力的作用，月球不可能維持自身在公轉軌道上的運動；但如果這個力比維繫軌道所需的力量要小，則它使月球偏離直線的程度不夠，月球又有可能會飛離地球；而如果這個力比維繫軌道所需求的力還大，則它將進一步使得月球偏離直線的程度變大，並促使月球越來越靠近地球。因此正是一個連續的、指向中心的作用力，才能讓月球穩定的繞向地球。並使得月球持續往前直線飛行，卻又不斷受到地球的吸引力而往下落，然後由於地球是圓的，此一進程便形成一個向心力而維持圓形軌道，既不落地又不被拋出去。月球才是那個對牛頓影響最大的思索對象，至於蘋果，大概算是啟發牛頓的最後一丁點力量(壓垮駱駝的最後一根稻草？喔不，是啟發智慧之光的最後一個擊發。)牛頓自此可能覺得自得意滿，終於對於當時的天體運轉(克卜勒行星三大運動定律)以及伽利略所在地面的慣性定律能夠有一整套理想的邏輯與理論能夠串連在一起了。沒錯，這就是萬有引力定論和牛頓三大運動定律的闡發。他當晚可能很自得意滿地看著月亮。而且牛頓日後和虎克在光學的爭論中一度失利，也正是因為他在引力等方面的研究才使得他的聲勢不至於受到影響。
其實牛頓還真的是花了非常多的時間在觀察月球。這方面從他解釋潮汐就可知道他在這方面所下的功夫。漲退潮的大小可能和月相有關，這是古代以來就已有的直觀經驗，也曾有人紀錄過月相和潮汐變化的情形。但是在牛頓以前，卻沒有人能夠切確說明這兩者之間的關係，與牛頓同一時期在光學理論上爭鋒相對的惠更斯甚至還曾認為潮汐與月亮之間的關係只是古代以來的傳聞或迷信而不足為信。但牛頓就不這麼認為了，他很仔細地描述了潮汐受到地球─月球─太陽這三者之間的引力作用關係。牛頓認為地球在太陽和月球二者的引力場作用之間運動，因此距離太陽或月球較近的一側，會造成引力加速度的加大，並足以吸引表面物質的鼓起。相反地，離太陽、月球較遠的一側，則引力加速度較小，但這時會受到離心力的作用，因此也會引發星球表面物質鼓起的情形。牛頓認為月球潮汐力約為太陽的2倍，而地球的潮汐是月球和太陽兩者共同作用的結果。這些的總結，便導致了地球一天應該會出現兩次潮汐。雖然潮汐的問題，後來的地球科學家發現各地的潮汐還受到不同環境因數的影響(最主要是地形以及週邊水流的影響，而且潮汐的水流還會在海域當中分進合擊；台灣中部海域所經常面對的極其複雜的潮流變化以及台中、彰化沿海一帶潮間帶的潮差可達4公尺，比台灣南北兩端的潮差都小。這些也都是區域性的地形以及週邊水流變化有很重要的關係。當然這些變化很複雜已經超過牛頓那個時代所考慮的因子了)。但牛頓的說法大致吻合後來人類在天文學上的觀測。而且也奠定日後天文學與海洋科學對於潮汐研究的基礎。
圖片：大潮(spring tide)與小潮(neap tide)的太陽─地球─月球的大致對應位置(圖片引自維基共享資源)。現今我們知道半日潮的潮差(在半天當中水域的最高與最低位置的變化)各自有大約14天的週期不同變化。在新月與滿月，當太陽、月球和地球大致在一條線上，也就是朔望時期，太陽和月亮的潮汐力疊加，潮汐的潮差會達到最大，也就是大潮(spring tide)。當月球在上弦或下弦的位置，從地球觀測到的太陽與月球相距90度， 太陽會抵銷掉部分的月球拉力，使兩者的合力效果影響最小。與此月相週期相對應的便是潮差最小的小潮(neap tide)。大潮與小潮的時間間隔大約是7天。
不過話說回來，從1687年牛頓受到月球運行地球以及某顆蘋果等因素的啟發而寫下了《原理》一說闡述萬有引力，但到了二十世紀有件事情又超乎牛頓的想像了。那就是月球其實正在慢慢離地球而遠去。而且這是從太古時代就在發生至今的情形。月球會在地球的海面上引起潮汐作用，其實反過來，地球也會在月面上引起潮汐作用。只是月球沒有液態的海洋，因此作為彈性體的月球會出現固體潮這個奇特的現象。在地球引力的作用下，月球的形狀會產生些微的改變，甚至還能從球形變成更為橢圓一點的形狀。而這些也都會逐漸影響到月球繞地旋轉的作用。
二十世紀晚期，地球科學家與天文學家逐漸發現，其實月球對地球產生的潮汐作用會對地球轉動產生剎車的情形(雖然影響極小，但卻不斷在累積)，同時地球的自轉角動量也會逐漸轉移到月球的軌道角動量。當這些因素累積起來的情形使得科學家發現，喔，原來月球正遠離我們而去呢。1994年，Dickey等人在《科學》(Science)雜誌上發表研究報告，指出目前月球遠離地球的速度大約是每年3.82±0.07公分。如果假設月球遠離地球的速度始終保持恆定，那麼10億年後地月之間的距離應該會增加大約38200千米。這樣也許有一天，我們將會再也看不到日食了。因為月亮終有一天不管怎麼遮也無法在某個區域完全遮蓋太陽。當然，這還久得很。而且人類對於月球如何形成的，直到現在都還不是非常篤定。但我們可以知道月球一直和我們的關係相當密切。就以海洋來說，我們每天所看到的潮汐也是月球的傑作，可能因為月球和潮汐的關係是這麼緊密，以至於早期還有過學者曾認為當年月球的形成也牽動地球原始大洋的形成。現今，天文學上還有一個月球成因的災變說，是將一顆假設中的原始星球命名為「忒亞」。根據該項理論，是因為忒亞與地球的碰撞和融入，殘餘的部分才產生了月球。但是關於月球的形成仍然至少有三到五種不同的假說。
說到這，還有一個有趣的話題。月球其實一直都是只有一面看著我們。關於她的背面的坑坑疤疤的影像，是直到1959年才被蘇聯的『月球三號』傳回給地球上的人們。月球的自轉和公轉週期是一樣的，因此我們會一直只看到她的正面。如果有一天月球不自轉，理論上我們將會在月球的一次公轉週期當中把月球的每一面看光光，嗯，當然這是不可能的。有一段時間，我們覺得月球很神奇，因為永遠只看到一個面。不過後來人們發現，太陽系的其他衛星也很多都是如此，因此這世界總是充滿巧合。其實月面的另一面也不是全然看不到啦，因為橢圓形的公轉軌道會讓我們多多少少看到另一面少許的東西邊緣，這也是古代以來天文物理學家會逐漸發現月球老是以一面對著我們的重要端倪。
我們對於月亮到底還有多少是不知道的？科學家眼中所看到的月亮始終都還保持著各類的謎題，也正是如此，月亮其實也算是某種程度的科學之母吧。大家中秋節快樂囉！
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