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羅拔·虎克

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羅拔·虎克
FRS
一藝術家對羅拔·虎克的印象畫。迄今尚未有經過驗證的虎克像
出生格里曆1635年7月28日［儒略曆1635年7月18日］[註 1]
英國懷特島郡弗雷什沃特
逝世格里曆1703年3月14日［儒略曆1703年3月3日］（67歲）
英國倫敦
母校牛津基督教堂學院
知名於虎克定律
顯微鏡學
提出「細胞」一詞
科學生涯
研究領域物理學和生物學
機構牛津大學
FRS
學術指導者約翰·威爾金斯、羅拔·波以耳
受影響自李察·巴芙比（英語：Richard Busby）
簽名

羅拔·虎克FRS（英語：Robert Hooke，1635年7月18日—1703年3月3日[註 1]），英國自然哲學家、通才、發明家。在物理學研究方面，他提出了描述材料彈性的基本定律——虎克定律，且提出了萬有引力的平方反比關係。在機械製造方面，他設計製造了真空泵、顯微鏡和望遠鏡，並將自己用顯微鏡觀察所得寫成《微物圖誌》一書；「細胞」的英文：cell，即由他命名。中文翻譯後即稱為細胞。在新技術發明方面，他發明的很多設備至今仍然在使用。除去科學技術，虎克還在城市設計和建築方面有着重要的貢獻。但由於與牛頓的論爭導致他去世後鮮為人知，近來對虎克的研究方逐漸興起。虎克也因其興趣廣泛、貢獻重要而被某些科學史家稱為「倫敦的李奧納多」。

生平

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早年生活

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虎克於1635年生於英國懷特島西端的弗雷什沃特，父親約翰·虎克是當地英國國教派諸聖教堂（英語：All Saints' Church, Freshwater）的助理牧師[1][2] 。虎克有一個哥哥和兩個姊姊，在手足間排名最小[3][4]；他的身體虛弱，家人們原本都以為他不會活下來[1]。

儘管虎克的父親給了他一些英語、拉丁文法和神學方面的指導，但對他的教育基本受到忽略[1]。虎克從小就表現出對機械製造和繪畫的濃厚興趣和創造力，畫家約翰·霍斯金斯（John Hoskins）曾看過小虎克用他自己從煤炭，紅土和白堊作出的顏料作畫，認為他有繪畫天賦[5]。虎克也會為自己製作機械玩具。在目睹一座拆開的時鐘後，他便用木頭造了一個能夠順利運轉的複製品[1]。

1648年虎克父親去世，在遺囑中留給他40英鎊（加上虎克祖母留下的另外10英鎊）[註 2]和父親自己的藏書[7]。年僅十三歲的虎克帶着這些財物到倫敦謀生，成為肖像畫家彼得·萊利的學徒[8]。然而油畫的氣味讓他無法適應，甚至加劇了他的頭痛問題[9]。

不久虎克離開畫室進入西敏公學就讀。校長李察·巴芙比（英語：Richard Busby）很看重他的天賦，讓虎克住在他的家中，後來兩人成了一輩子的朋友。[10]虎克在西敏公學裏學習了拉丁文、希臘文、幾何和音樂等[11]；據傳他在一星期內便精通了歐幾里德《幾何原本》的前六冊，並學會演奏管風琴[8]。

牛津時期

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波以耳－虎克牆，兩人最早的實驗室所在

1653年，虎克進入牛津大學基督堂學院。演奏管風琴的能力加上唱詩班歌手的身分，使虎克得以免除學費並享有學院住宿；他並且透過擔任學院侍從（英語：Servitor）獲取基本收入[12][註 3]。儘管如此，他直到1658年才被正式列入學籍[12]。虎克於1663年獲文學碩士學位[14]。

在牛津就學期間，虎克成為湯馬士·威利斯的助理，威利斯同時也是牛津哲學社團（英語：Oxford Philosophical Club）的一員[15]，牛津哲學社團即為皇家學會的前身。虎克由此和其他牛津的重要學者如約翰·威爾金斯、克里斯答福·雷恩和塞斯·沃德（英語：Seth Ward (bishop of Salisbury)）等人相識[16]。虎克自承在牛津的這段時日啟發了他對科學一生的愛好[17]。他在牛津的朋友們深刻影響了他後續的職業生涯，特別是雷恩。

威利斯也在這段期間內將虎克介紹給羅拔·波以耳。1655年，波以耳應威爾金斯的邀請前往牛津建立實驗室，虎克則成了波以耳的研究助手[18]。當時波以耳正在從事氣壓相關的研究，並為此訂做了一個仿造德國發明家奧托·馮·居禮克所設計的氣泵[19]。然而原始的氣泵設計實在過於笨重，虎克於是對此進行改良。兩人用這台出自虎克之手的氣泵進行了多次氣體實驗，並在1662年提出了波以耳定律[20][註 4]。

波以耳和虎克也用氣泵做了多次燃燒實驗，並得出結論認為火僅是一種化學反應的現象，而非如亞里士多德所主張，是四元素之一[22]。

兩人合作期間，虎克也教導波以耳歐幾里德的《幾何原本》和笛卡兒的哲學[23]。

皇家學會

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皇家學會於1660年成立，並在1662年獲得皇家特許狀[24]。1661年末，在皇家學會會長羅拔·莫雷（英語：Robert Moray）的提議和波以耳的推薦下，虎克就任皇家學會的實驗負責人（Curator），負責維護實驗儀器，驗證和演示實驗[23][25]。亨利·羅賓森（Henry W. Robinson）曾在1935年任皇家學會圖書館員，根據他的說法，虎克每周在皇家學會進行的各種實驗奠定了學會的傳統：

如果沒有他［虎克］每週的實驗和豐碩的研究成果，學會幾乎不可能生存，或至少會以完全不同的方式發展。毫不誇張地說，他​​在歷史上是英國皇家學會的創始人。[26]

虎克在1663年正式獲選為皇家學會院士[27]。然而虎克作為學會實驗負責人的薪水卻一直不穩定，直到約翰·卡特勒（英語：Sir John Cutler, 1st Baronet）為了在格雷瑟姆學院設立一個機械（Mechanick）的講師職位，於1664年起開始每年資助皇家學會50英鎊[28]。卡特勒（英語：Sir John Cutler, 1st Baronet）這麼做的原因是他很清楚皇家學會將會指定虎克擔任此職務[29]。虎克在1665年1月11日被任命為終身實驗負責人，年薪80英鎊[註 5]，其中包括來自學會的30英鎊和卡特勒（英語：Sir John Cutler, 1st Baronet）的50英鎊[29][註 6]。

虎克也從1665年起開始擔任格雷瑟姆學院的幾何學教授[30][31]。皇家學會秘書亨利·奧爾登伯格在1677年過世後，虎克短暫承擔起學會秘書的職務[32]，並在同年12月19日與尼希米·格魯共同獲任命為學會秘書[33]。

晚年與身後

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Bishopsgate教堂中的虎克紀念窗，1993年爆炸中被毀

虎克自幼便患有偏頭痛、耳鳴和失眠[34]。他也有脊椎畸形的毛病，其病徵和舒爾曼病的症狀相符[35]。虎克試圖以科學方法治療這些病痛，他在自己身上嘗試各種療方，並詳細在日記中紀錄了使用的物質和效果。他時常服用鹵砂、嘔吐、瀉藥和鴉片類藥物，這些物質也深刻影響了他的身心健康狀況[36]。

虎克終身未婚，他的侄女作為女主人，和他一起接待賓客，1687年她的去世使虎克受到很大打擊。[來源請求]

虎克在生命的最後一年裏雙目失明、臥床不起。他在1703年3月3日[註 1]於倫敦離世，終年67歲。

虎克過世後，在他格雷瑟姆學院的房間中發現一個鐵箱，其中藏有近八千英鎊的積蓄和價值約三百英鎊的貴金屬[37][註 7]。虎克去世後，葬於聖海倫主教門教堂（St.Helen's, Bishopsgate）[38]，19世紀遷葬於倫敦北部[來源請求]，具體墓地已無法知曉。

外貌、個性與私生活

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外貌與肖像

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虎克沒有留下任何肖像。根據歷史學家Lisa Jardine的研究，虎克肖像的缺乏肇因於牛頓對虎克的敵意。在牛頓影響下，皇家學會取下了虎克的肖像。牛頓還試圖燒毀大量虎克的手稿和文章，但被阻止。[來源請求]

然而歷史學家Felicity Henderson指出，沒有明確證據顯示皇家學會擁有虎克的肖像，虎克死後兩年出版的傳記中也沒有他的肖像。因此Henderson認為皇家學會本來就沒有虎克的肖像，虎克肖像的缺乏和牛頓沒有任何關係。[39]

虎克的同代人約翰·奧布里（英語：John Aubrey）如此描述他的外表：

他［虎克］的身材中等，略顯駝背，臉色蒼白，臉的下半部比較小，但頭部卻很大，眼睛圓而凸出，而且不太靈動；他的眼睛是灰色的。他有一頭柔順的棕色捲髮。他在飲食方面一直都很節制。[23]

虎克最早的傳記作者，李察·沃勒（英語：Richard Waller (naturalist)）在1705年出版的《羅拔·虎克的遺作》中描述虎克晚年的外表：

至於他的外貌，實在稱不上討喜，他的駝背很嚴重，儘管我從他和別人的口中聽說，他的背在16歲之前都還是直的，直到常常練習使用車床後才開始變得歪斜。他的臉色一直都很蒼白，身形瘦削，晚年更是瘦骨嶙峋，面容憔悴。他的眼睛灰而凸出，年輕時目光敏銳；鼻子較細，大小適中；嘴巴不算寬，上唇較薄；下巴尖，前額很大，頭部大小中等。他沒戴假髮，深棕色的頭髮長而隨意地垂落在臉上，未經修剪，平直而稀疏……[40]

2003年歷史學家Lisa Jardine宣稱發現了虎克的肖像[41]，隨後被證明這一畫像實際上是尼德蘭化學家海爾蒙特。虎克所用的印章上的人頭像也被人認為是虎克的像。1728年的錢珀斯百科全書的首頁插畫也被認為是虎克的半身像。

主要貢獻

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顯微鏡

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虎克觀察到的跳蚤，出自《顯微術》
虎克顯微鏡

1664年虎克根據英國皇家學會一院士的資料設計了一台複雜的複合顯微鏡。他使用複式顯微鏡研究昆蟲，觀察到了昆蟲的複眼。1665年，有一次他從樹皮切了一片軟木薄片，並放到自己發明的顯微鏡觀察。他觀察到了植物細胞（已死亡），並且覺得他們的形狀類似教士們所住的單人房間，所以他使用單人房間的cell一詞命名植物細胞為cellua。是為史上第一次成功觀察細胞壁。

同年虎克出版了《微物圖誌》一書，該書包括了一些他使用顯微鏡或望遠鏡進行的觀察，包括上述的軟木切片。虎克所用的顯微鏡至今仍然保存在國家衛生與醫學博物館中。荷蘭工匠雷文霍克受《微物圖誌》一書啟發，對虎克的顯微鏡鏡片進行了改進，對微生物進行了細緻的觀察，被稱為微生物學之父。虎克隨後被皇家學會要求確證雷文霍克的發現並予以發表。

天文學與望遠鏡

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1663年蘇格蘭天文學家格里高利設計了格里高利望遠鏡，但在製造時失敗了。10年後虎克利用自己高超的機械設計技術成功建設了第一個這種反射望遠鏡，並使用這一望遠鏡首次觀測到火星的旋轉和木星大紅斑，月球上的環形山和雙星系統。

光學

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力學與萬有引力

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機械與虎克定律

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萬向接頭，又稱虎克接頭

虎克對當時的機械進行了很多改造，並發明了很多新裝置。他發明了錨形擒縱機，也發明了擺輪游絲，通過這一裝置，可以按週期控制發條寬緊，至今仍是鐘錶製作中的關鍵部件。他也因為這一裝置的優先權問題和荷蘭物理學家惠更斯產生了長期的爭論，直到2006年在英國咸頓郡一家人的保險櫃

中發現了虎克的關於皇家學會會議的記錄，提供了對虎克有利的證據。[42]他第一個製造出了萬向接頭，有時候被叫做虎克接頭，可以允許剛性杆向任意方向運動，現在仍廣泛應用於車輛的傳動裝置中。雖然意大利數學家卡爾達諾一世紀前就提出了萬能接頭的想法，但是沒有製造出。還有風向儀，水平儀等裝置的發明權也常常歸功於他。

虎克定律

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主條目：虎克定律

1676年虎克對金屬器件，特別是彈簧的彈性進行研究後，發表了一條拉丁語字謎，ceiiinosssttuv。（這是當時慣例，如果還不能確認自己的發現，則先把發現打亂字母順序發表，確認後再恢復正常順序。）兩年後公佈了謎底ut tensio sic vis，意思是「力如伸長（那樣變化）」即應力與伸長量成正比的虎克定律。

化學

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氣象學

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地質學

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心理學

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漢學

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建築

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Willen教區教堂，唯一一座完全由虎克設計且保存完好的建築，被認為是早期英國巴洛克風格的典範

1666年9月倫敦大火，大部分倫敦建築被毀。查理二世命令克里斯多佛·雷恩爵士負責城市建築重建，雷恩提名虎克負責受災情況的調查和統計。在隨後的重建過程中，虎克負責了近一半的調查，測量和調解地產糾紛的工作，並協助設計了倫敦大火紀念碑，格林威治天文台等建築。虎克曾在皇家學會提出一個重建方案:主張將倫敦的道路改建成類似香榭里舍大街的寬敞的林蔭道風格，但由於地產所有人對劃界問題爭論不休，使得這一方案未能實行，於是重建後的倫敦仍保持了中世紀的道路風格。但後來新興的利物浦和很多美國城市都使用了虎克提倡的風格。

其他

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與同時代人物的關係

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波以耳

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雷恩

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牛頓

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虎克和牛頓的關係問題一直充滿了爭論。一般認為，兩人彼此存在較大的敵意。

光學爭議

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兩人的爭端起源於光學。1671年末，牛頓將自己的反射型望遠鏡設計寄至皇家學會，並獲選為皇家學會院士。[43]牛頓在隔年初向皇家學會提交一份光學論文闡述自己的光線與色彩理論。他認為白光經過稜鏡產生色散，會分成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫共七種顏色的原始色光。牛頓並且暗示光的本質為實體物質[44][45]。

牛頓的論文受到學會成員的普遍讚賞[46]。與此同時，學會要求塞斯·沃德（英語：Seth Ward (bishop of Salisbury)）、波以耳和虎克提供對此文的評論報告。前兩位並未特別作出評論，虎克則在短短一周後便提交了報告[47]。在學會會議上朗讀虎克措辭尖銳的報告後，學會成員決議將虎克的文章延後印刷，「以免如此突然地印刷一篇對他［牛頓］的論文之反駁，會使牛頓先生將其視為冒犯，畢竟這篇論文幾天前才在學會獲得如此廣泛的讚賞。」[48][47]

虎克當時已是著名的學者，他的光學理念卻與牛頓多所衝突。首先，虎克主張光線由波傳播，此與牛頓主張之光線為實體物質不合[49]。第二，虎克早在1665年的《微物圖誌》中便主張所有光線皆可由兩種顏色的色光組成[50]，亦與牛頓的色散理論衝突。第三，虎克認為顏色不過是光線在折射過程中受到擾動而產生的現象，牛頓則明確指出顏色是光線的固有屬性[51]。

牛頓閱讀虎克的評論後，在給皇家學會秘書亨利·奧爾登伯格的信件中稱他很「高興如此尖刻的反對者沒有提出可以削弱［牛頓的論文］其中任何一部分的言論」[47]，並聲稱自己很快就會提供針對虎克評論的答覆[52]。然而除了虎克以外，其他學者如羅拔·莫雷（英語：Robert Moray）、伊格納斯-加斯頓·帕迪斯（英語：Ignace-Gaston Pardies）等也紛紛對牛頓的理論提出疑問[53]，使得牛頓拖延數個月才對虎克做出回應[47]。

在針對虎克的回應中，牛頓解釋了如何統整虎克的波動理論和自己提出的色彩理論：牛頓強調，他僅要表達光線隨着顏色不同而有無限種變化和折射率，並沒有斷定光線本質是波還是物質。儘管如此，他批評虎克的波動理論「不僅不夠充分，在某些面向上也難以理解。」[54]

與此同時，基斯頓·惠更斯也透過通信向牛頓提出質疑，後者由此體認到當時歐洲最負盛名的幾位學者都不願全盤接受他的理論[55]。種種來自學界的壓力使得牛頓一度向皇家學會秘書請求退出學會[56]。最後他並未退出學會，但是獲准無須出席每週在倫敦舉辦的皇家學會例行會議。

自此之後的將近一年半，牛頓都未再與皇家學會秘書聯絡。直到他於1674年造訪倫敦並出席皇家學會例行會議時，他才得知虎克已經接納他的色彩理論，認同光線根據波動脈衝（pulse）的大小而有不同色彩[57][58]。

此後牛頓開始更積極地和學會通信。彼時其他學者對他的光學理論發起又一波攻擊，牛頓因此向皇家學會提交了自己幾年前寫就的光學論述，虎克卻在學會會議上宣稱牛頓的成果「都包含在他［虎克］的《微物圖誌》中，牛頓先生只不過是在某些特定主題上研究得更深入了點」[59][60]。牛頓在三周後對此作出反駁，虎克隨後致信牛頓並釋出善意。

虎克在信中暗示此前兩人間種種不愉快都是因為有心人（例如皇家學會秘書奧爾登伯格[註 8]）從中攪和，並提出私下通信的請求[62]。牛頓同樣禮貌地回了信，在信中承認笛卡兒和虎克對他的影響，但依然堅持自己的研究成果絕大部分皆出自他本人。這封信中出現了時常受引用的名言：「如果我看得遠一些，那是因為我站在了巨人的肩膀上。」句中「巨人」指的就是笛卡兒和虎克[63]。

至此，兩人的光學爭論告一段落。儘管虎克與牛頓在光學上的爭端較小，兩人後續關於力學的爭論最終促使牛頓將已完成的著作《光學（英語：Opticks）》延遲到虎克過世後才出版[64]。《光學（英語：Opticks）》出版後，奠定了光微粒說的統治地位，直到一百多年以後的菲涅耳等人才重新改良光波動說，並使光波動說成為學界的主流理論[65]。

由瑪莉·比爾（英語：Mary Beale）繪製的〈數學家肖像〉，其描繪人物據稱為虎克，但也有可能是艾薩克·巴羅

力學爭議

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1674至1679年間兩人曾通信討論物體的圓周運動問題，虎克給牛頓寫信，說明了他從1660年以後就有的平方反比定律（見萬有引力定律）的思想，但是他無法從中推導出開普勒的行星運動定律。1684年1月虎克在和愛德蒙·哈雷及雷恩的談話中聲稱他已經完成推導，但是哈雷和雷恩並不相信，哈雷隨後告訴了牛頓。牛頓則表示在他已經完成的《自然哲學的數學原理》中有推導，哈雷隨後促成此書出版，這件事使得虎克十分懷疑牛頓剽竊了他的成果，並從此不願意公開自己的任何發現。牛頓也因此刪去了手稿中所有引用虎克工作的聲明。


惠更斯

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虎克大約在1658年左右，他對計時器產生了興趣，當時伽利略已經發明了擺鐘，但是這樣附有擺錘的鐘攜帶起來並不方便，因此，虎克想用彈簧來代替擺錘，利用彈簧的振動來計時，他的構想得到幾位有威望的科學家的支持，也申請到專利，卻不知為何沒有進行下去。1674年，惠更斯用螺旋彈簧製成了一個鐘，虎克一聽到這個消息，又急又氣，擔心自己的發明權被惠更斯搶去了，馬上找了專門作時鐘的師傅湯平合作製成了一台彈簧鐘，上面刻上『羅拔·虎克發明於1658年，托馬斯湯平製作於1675年』，並且馬上公開展示。之後，虎克對彈簧的性質作了周密的研究，進行了很多實驗，得到一條重要的結論，1676年，他用字謎的方式把這個結果公佈在他的一本書中，這個字謎就是：ceiiinosssttuv。二年後，虎克正式發表了《論彈性的勢》這本書，在書中論述了彈性和力的關係，並公佈了字謎解答：彈性與力成正比(ut tensio sic vis)。

雷文霍克

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沙德威爾（英語：Thomas Shadwell）與《大師（英語：The Virtuoso (play)）》

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註釋

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 這些日期皆為儒略曆日期。在虎克生活的時代，英國等地仍然通行儒略曆。正規儒略曆將3月25日訂為新年第一天，然而隨着大多數西歐地區改用格里曆，也有人將1月1日視為新年第一日。維基百科遵循多數現代歷史著作的慣例，保留當時曆法日期，但將1月1日視為一年伊始。因此虎克的法定死亡日期雖為1702年3月3日，在此記作1703年3月3日，按照十七世紀的慣例則會記為1702/3年3月3日。 （在格里曆中，虎克生於1635年7月28日，於1703年3月14日逝世。這是因為十七世紀時，格里曆的日期比儒略曆快十天；到了格里曆1700年3月1日後，兩者日期差距更增加至十一天。）
  2. ^ 根據史家計算，十七世紀50英鎊的購買力等同現代兩萬英鎊[6]。
  3. ^ 由於當時清教徒政府禁止教堂演奏音樂，虎克基本上不需要做任何工作來換取這些優待。另外，由於他受指定提供侍從服務的對象是已經畢業的校友卡戴爾·古德曼先生（Cardell Goodman），因此他同樣不需做任何侍從工作。古德曼同時也是弗雷什沃特的教區牧師，以及虎克父親的遺囑執行人[13]。
  4. ^ 有歷史學家稱「現在人們普遍認為是虎克發現了現在所謂的波以耳定律」[21]。波以耳在 1662 年的書中發表了該定律，但並未聲稱該定律是他自己發現的。
  5. ^ 以消費力來計算，80英鎊在今日大約等於16200英鎊。
  6. ^ 卡特勒後來在1670年時停止付款，虎克不得不兩次把對方告上法庭以確保自己得到應有的款項。[29]
  7. ^ 換算成現代幣值大約是170萬英鎊。
  8. ^ 現代史家指出，奧爾登伯格確實盡了全力以緩和兩人之間的衝突。虎克在與惠更斯的鐘錶專利爭議中懷疑奧爾登伯格向惠更斯透漏了自己的鐘錶設計機密，因此對奧爾登伯格抱有深刻敵意[61]。

參考文獻

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引用

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  63. ^ Koyré 1952，第315頁.
  64. ^ Koyré 1952，第312頁.
  65. ^ Frankel 1976，第143-154頁.

書目

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