歷史的故事科學大師

立體動畫的先驅 視覺藝術大師--布魯斯特

布魯斯特是歷史上最奇特的老師之一。
他本來是要去教堂當牧師的,
為了當時偏差的兒童教育,
留在課堂裡當老師,
在他課堂裏,所有的教材都是日常的小東西,
給學生帶來無限的驚奇與啟發,例如他
用肥皂泡,教光的折射
用吹汽球,證明氣體的運動,
用放風箏,顯示風與浮力,
用日晷,追蹤太陽運轉的角度,
用六片玻璃的組合,製造萬花筒,
用水車的轉動,計算能量的互換,
用幾塊的磁體,讓鐵釘去疊羅漢……
以小實驗的教育方式,
為後來舉世中、小學教育所仿傚。
更特別的是,他為了吸引學生的注意力,
他還設計製造出,世界上第一部的「立體攝影機」,並能
拍出三度空間的照片,
他製作第一部的立體電影,名叫
「雞的孵化?」
今天,很多人在科學博物館或是兒童遊樂場
看到二度空間的銀幕上,
立體的恐龍,自山洞中衝出來,
快速戰鬥機,在山谷之間追逐,
探險隊員,進入火山岩漿之中,
多麼的真實與刺激,
但是,不要忘了,這些立體動畫電影,
都是這個醉心於教育的老師,
首先想出來的。

科學與藝術的結合
  對學藝術的人,布魯斯特(David Brewster)是一個陌生的名字,對愛看立體動畫的孩子,可能根本沒有聽過這一個人。但是布魯斯特在光學裏,是響叮噹的人物。在物理課本裏,以偏光(polarization)去分析金屬礦物的特性、光學儀器裏的濾光器製作、光在不同材質表面的反射係數(reflective index)與偏光的關係、物質的左旋光特性與右旋光的差異性,都是布魯斯特最早提出的。他一生發表過四百篇的光學研究報告,並以傑出的光學研究在一八一五年,被選為英國國家科學院院士,一八三一年被封為爵士,一八五九年被選為「愛丁堡大學」(Edinburgh University)校長,實在很難想像這樣一個德高望重的學術泰斗,去搞什麼立體攝影藝術,去跟一堆不喜歡上課的學生混在一起。這是布魯斯特最吸引人的地方,他在「立體攝影機」(The Stereoscope)一書中寫道:「科學能以精確的方法去捕捉藝術神蹟,藝術能以深練的情感去表達科學的發現,當這二者結合時,大自然會成為讓學生認識基督的最好教室。」

戰爭的前哨站
  打開世界地圖,在英倫三島上,能找到蘇格蘭,沿著蘇格蘭的中央山脈南下,會看到一條名叫笛維河(Tweed River)的河流,這裏是以前羅馬帝國時代,羅馬大道的末端點,過了這裏就是刀劍與騎兵難以攻下的天險。帝國衰亡後,十五、十六世紀英格蘭與蘇格蘭,也在這山河交界之處,有一場慘烈的戰役。蘇格蘭人雖被打敗了,這裏的蘇格蘭人仍以豪放熱情、勇敢著稱,只要高地的風笛吹起,滿山遍野的牧羊人又會聚在一起。一七八一年十二月十一日,布魯斯特就是生在笛維河畔的小鎮。


嘿!你畫錯了那一隻羊
  布魯斯特從小就展露一種特殊的觀察力,有一天老師帶他與同學到博物館看畫,大多數人只會讚賞畫很好看,布魯斯特卻指著其中一幅人物像說:「這一幅畫錯了!」博物館的解說員嚇一跳,很少聽到有人這樣反應,何況對方只是一個小學生。「為什麼呢?」解說員問道。「因為從臉的角度看起來,畫家只能畫出那人的嘴巴、鼻子、眼睛,但不應該畫到耳朵。耳朵應該看不到才對。」「也許那人耳朵特別大,容易被看到。」解說員硬駁。布魯斯特不為所動,「耳朵到眼睛的距離,比眼睛到鼻子的距離長,你看他鼻子是畫在這位置,耳朵就不應該在離眼睛那麼短的地方出現。」布魯斯特是正確的,他後來又指出一幅世界名畫,畫得不對,因為「羊的骨頭粗細有一定的排列,所以羊不會有這種起伏的體毛。」這個畫家以為羊是毛茸茸的,工於一根根毛的纖細,卻在整片毛的形狀上疏忽了。
  這個讓畫家心中膽寒的學生,後來進入愛丁堡大學就讀。幸好布魯斯特不是讀藝術系,他唸的是神學,他當時想當一個牧師。他在讀大學時,認識了一個畫家,名叫湯姆森(John Thomson),他們經常一起討論信仰與藝術。布魯斯特後來寫道:「全世界最優美的幾何圖形,就在我們的周圍:葉子的網脈、花瓣的邊緣、蝸牛背的圖案、樹皮的紋路,上帝一定是個最偉大的雕刻家,是藝術靈感的泉源,藝術是上帝放在人心中最深的邏輯。」他開始研究攝影,因為他寫道:「有了照相機,就可以拍下最有智慧的所羅門王想知道的,大自然的每一個細節。」後來想當畫家的湯姆森反而去當牧師,想當牧師的布魯斯特反從事攝影藝術,他又寫道:「攝影是靜態的藝術,能夠在瞬間捕捉到大自然的風采。」


與眼睛一樣的攝影機
  布魯斯特花很多時間攝影石頭的紋路,蕨類的葉子與大自然。不同於一般的攝影家,布魯斯特是注意相機的鏡頭,他經常咕嚕:「為什麼沒有一種相機,能夠像眼睛一樣,拍出立體的影像?」他的想法引來周遭的嘲笑「拍立體的影像?這是絕對不可能的,怎麼會有這種愚昧的妄想呢?」布魯斯特的答覆是:「那是個人藝術品味不同罷了!」為這獨特的藝術品味,他轉而研究光學與人的眼睛結構,他希望能拍出與眼睛所看一樣立體的照片。
  布魯斯特不是活在自己夢想世界的人,他也注意十九世紀初期開始流行的「教育世俗化」運動。這個運動的基本看法是認為信仰是主觀的,教育是客觀的,因此教育不談信仰。布魯斯特寫道:「信仰是人類價值、抉擇的中心,教育若以鏟除信仰來代替客觀,叛逆會進來取代,最後引進的是道德的淪喪與犯罪的浪潮。我看到在教育世俗化的運動中,牧師已經成為邊緣人物,除了教堂以外,牧師對大眾教育的功能,已經被抽離殆盡。為此,我決定投入這場戰役,成為老師。」


為什麼上帝造人是有兩個眼睛?
  布魯斯特把他獨到的科學見識,藝術的愛好與對正確教育的負擔給合在一起,他成了當時課堂上最受學生歡迎的老師。聽啊!布魯斯特的上課內容!「各位同學們,為什麼上帝造人的時候,是給了兩隻眼睛,而不是一隻眼睛?」底下一片茫然,很多人用了一輩子眼睛,也不會去想這個問題。布魯斯特在黑板上畫上兩點代表人的眼睛,以眼球為中心畫出一個視覺區間,他總喜歡用畫來教課,有時還邊教書邊在黑板上畫漫畫。
  他繼續說道:「假設我們所看物體的正面。你會發現左眼的視覺區,是涵蓋正面與正面左邊的範圍,右眼的視覺區,則涵蓋正面與正面右邊的範圍,有兩隻眼睛的好處,是看物體,除了看到物體的正面以外,也可以同時看到左右兩個側面,這使我們看東西,看得更立體。」「一隻眼睛也可以看得立體啊!」底下有人反問道。「不一樣,左眼可以看到右眼看不見的死角,右眼可以看到左眼看不見的死角。因此兩隻眼睛看物體的立體感,優於單眼。」「但是愈遠的物體,即使有兩隻眼睛,不是與一隻眼睛所看的,一樣是平面的嗎?」繼續有人反問。「不一樣的平面,左眼會看的平面,右眼也會看的。所以當一隻眼睛的視覺較弱時,另外一隻眼睛自動會來補強。這是雙眼視覺(binocular vision)的好處。難怪在自然界裏,也很少有一隻眼睛的動物。再量兩眼之間的距離,你會發現如果這距離太窄,兩隻眼睛就與一隻眼睛的功能一樣,距離太遠,兩隻眼睛各看各的,也失去了視覺互補的功能。所以我們兩隻眼睛的距離是恰到好處。」這種上課教材,現在已經很少聽到了。


鼻子與眉毛
  布魯斯特又繼續深入:「在兩眼之間,有一根逐漸高起的鼻子,這是一個奇妙的設計。沒有一個人能夠用一隻眼睛,同時看到鼻子的左端與右端,因此鼻子有視覺上油標尺的對準功能,提醒我們是經常使用右眼還是使用左眼?常用哪一邊眼睛的人,就會在眼前,常看到哪一半邊的鼻子。」
  布魯斯特的科學藝術教育法,是連鼻子的位置都可以拿來教。布魯斯特還講眉毛:「眉毛為什麼會長在眼睛的上緣?其實那是很好的高度,一方面可以擋住頭上流下來的汗水,另一方面眼球再怎麼往上瞧,也不會被眉毛擋住視線。眼睫毛的位置也很正確,可以攔住灰塵不掉入眼睛,卻又不會攔阻眼睛的視線。」

孩子天使
  一八四四年,布魯斯特發表一篇著名的研究「由雙眼視覺而知距離」(On the Knowledge of Distance as Given by Binocular Vision)。進而由視覺功能研製立體攝影。他仔細的研磨兩個曲率、焦距、反射率完全一模一樣的鏡頭,當做立體攝影機的兩個鏡頭,他發現要製造「完全一樣」的鏡片是非常艱鉅的事。人在出生時就有兩顆完全一樣的眼睛,應該是一件值得感恩的事。他將兩個鏡頭的折射光投射到同一張底片上,就拍出立體照片。不同顏色的光有不同的折射率,三度空間的照片,與一般的照片不同,有不同顏色的光折射後的相位差。當人載上一種特殊材質的眼鏡,這些相位差在人的視覺上就看出立體的影像。一八四九年製造出第一部立體攝影機時,是一件轟動的事。
  布魯斯特在科學上傑出的貢獻,掩蓋了世人對他個人生活層面的認知。在人看來,他逐漸有名,從一八三八年就當大學校長,但是他仍研究兒童科學教育的器材,例如他用六個不同角度的鏡片做成「萬花筒」,他也為燈塔建造輕質的透光玻璃,也用二、三片不同偏振光的薄片組合,隔絕水平方向的光線進入,留下垂直方向的偏振光,這種組合鏡片現在稱為「太陽眼鏡」。


老校長的勸勉
  布魯斯特除了研究光學,他也為學生寫文學。十九世紀的牛頓傳記的經典之作,即是出自他手。他曾寫道:「有人以為,你有你的看法,我有我的看法,所以沒有什麼絕對的看法,講這種話的人,完全不明白『看法』是怎麼一回事?『眼睛』的看法不是這樣,左右兩眼除了各有所看之外,更有很多的重疊,如果沒有這些重疊,人會錯亂。」一八六八年,二月十日,布魯斯特病逝於校長任上。
  他晚年時寫道:「如同一幅立體的圖像,是兩個不同的角度圖案拼出來的。上帝帶我們經過死蔭幽谷,也走過豐盛的宴席,彷彿是兩種截然不同的遭遇,但是拼在一起,上帝恩典的遠近就立體性的呈現出來。我們生命裏的凹凸坑谷,原來是為了填滿祂的恩典。」
資料來源:
1、 Brewster, David. 1971. (Original Published 1856). The Stereoscope. Rudolf Kingslake. London.
2、 Stone, J. M., 1967. Radiation and Optics. University of California-Berkeley. USA.
3、 Hewitt, P.G., 1993. Conceptual Physics. Harper Collins College Publishers. USA.

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