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為何是倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線？ X射線(X光)于1895年11月8日被德國物理學(xué)家倫琴(Wilhelm C. Röntgen，1845—1923)意外發(fā)現(xiàn)，他因此在1901年獲得了史上第一個諾貝爾物理學(xué)獎——瑞典化學(xué)家諾貝爾正巧于X射線被發(fā)現(xiàn)的半個多月前立下遺囑，捐贈遺產(chǎn)設(shè)立諾貝爾獎。但是，倫琴拒絕為X射線申請專利，謝絕同事和朋友的建議用自己的名字命名(雖然后人有時仍將X射線稱為倫琴射線)，并且婉拒了在諾貝爾獎頒獎典禮上致詞。倫琴又在遺囑中，將他獲得的諾貝爾獎金捐贈給了維爾茨堡大學(xué)(University of Würzburg)做為研究資助，但可惜由于第一次世界大戰(zhàn)之后嚴(yán)重的通貨膨脹，他捐贈的獎金后來幾乎形同廢紙。X光一被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時的醫(yī)學(xué)界立即認(rèn)識到它的無限醫(yī)療價值，馬上應(yīng)用到醫(yī)院中。1900年德軍便已配備了移動式X光機(jī)，在戰(zhàn)場上醫(yī)療傷兵。 1發(fā)現(xiàn)X射線 19世紀(jì)下半葉，由于工業(yè)革命后的電氣工程以及科學(xué)研究的雙重發(fā)展與迫切社會需求，(真空管中的)“陰極射線”和“氣體放電”研究成為了一支顯學(xué)，無數(shù)科學(xué)家參與其間，包括了歐洲的赫茲(Heinrich Hertz)、萊納德(Philipp Lenard)和湯姆孫(J. J. Thomson)等青史留名的物理學(xué)家，以及遠(yuǎn)在美國的發(fā)明家特斯拉(Nikola Tesla)。在發(fā)現(xiàn)X光之前，倫琴未曾做過任何和陰極射線相關(guān)的實驗，換句話說，他是一位陰極射線和氣體放電領(lǐng)域的新手。而且，在進(jìn)行X射線實驗之前一年，他因為學(xué)術(shù)聲譽(yù)卓著，被學(xué)校長聘教授推選為維爾茨堡大學(xué)校長，擔(dān)任繁重的行政職務(wù)一年。1895年10月，他卸下校長職務(wù)之后，才開始進(jìn)行陰極射線實驗。所以，值得探問為何是倫琴而不是他同時代的其他經(jīng)驗老到、功力深厚的競爭對手，率先發(fā)現(xiàn)X射線？尤其，可以相當(dāng)肯定的一件事是，在倫琴進(jìn)行實驗之時甚至之前一些年，在各地的幾個陰極射線實驗室中，必定已經(jīng)反復(fù)出現(xiàn)了X光，而且有人看到了。只是，他們因心有成見，又不知其所以然，故“視而不見”，大意失荊州，與珍貴的科學(xué)發(fā)現(xiàn)及千古榮譽(yù)失之交臂。 為何是倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線？有一個合理的解釋如下：倫琴是一位優(yōu)秀的實驗物理學(xué)家，他對儀器的掌握與運(yùn)用得心應(yīng)手，在測量過程中觀察入微，又能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿炞C及論證。倫琴在大學(xué)時主修機(jī)械工程，專精于氣體的導(dǎo)熱性質(zhì)和蒸汽機(jī)的原理及構(gòu)造(他的熱力學(xué)課程受教于“熱力學(xué)之父”克勞修斯(Rudolf Clausius))，他因此喜歡自己設(shè)計和組裝(簡易)實驗儀器，并且自己進(jìn)行測量(圖1)。這種研究取向與習(xí)慣，一方面是當(dāng)時的歐洲學(xué)術(shù)氛圍使然，讓倫琴有里仁為美之利，得以取法乎上；另一方面則是因為倫琴的人格特質(zhì)的確與同儕有別，他有很強(qiáng)烈的精確實驗意識及偏好，并且很少請助手幫助測量。再者，倫琴非常重視歐洲近代科學(xué)興起與發(fā)展過程中的實驗傳統(tǒng)，他高度肯定自16世紀(jì)以來實驗和觀測以及客觀邏輯推理(科學(xué)方法)所扮演的關(guān)鍵性和批判性角色。 1894年1月倫琴就任維爾茨堡大學(xué)校長時，他一反當(dāng)時的學(xué)界慣例，不在就職典禮上宣讀自己的主要研究成果，而是演講他心目中的(歐洲)近代科學(xué)的發(fā)展歷程。其中，他強(qiáng)調(diào)從16世紀(jì)以來，自然科學(xué)家群體就“逐漸形成了這么一個信念，認(rèn)知實驗是探究(拷問)自然奧秘的最強(qiáng)有力又最可靠的手段，實驗更代表了判定一個假說(hypothesis)是否應(yīng)該被保留或是被揚(yáng)棄的最高權(quán)威”。倫琴肯定的科學(xué)實驗是指那些經(jīng)過精心設(shè)計、嚴(yán)謹(jǐn)執(zhí)行，而且對其現(xiàn)象解釋都根基于測量數(shù)據(jù)(客觀證據(jù))的實驗。后世科學(xué)史學(xué)家認(rèn)為，倫琴是一位非常嚴(yán)謹(jǐn)，做事一絲不茍，又觀察敏銳、思路清晰的實驗物理學(xué)家。 1895年11月8日星期五晚上(倫琴喜歡在周末晚上做實驗，因為可以集中心神，不受同事或?qū)W生的干擾)，倫琴首先在陰極射線管外約1 m處(一個陰極射線到達(dá)不了的距離)的熒光屏上發(fā)現(xiàn)了亮光。他很快地意識到，這個亮光不是任何已知的物理現(xiàn)象或射線(或粒子流)所造成的光點。他隨即幾度開關(guān)陰極射線管的電源，從而明確判定這個熒光的出現(xiàn)或消失是瞬間的，來自于陰極射線管的開或關(guān)。這時，他排除了亮光是磷光(phosphorescence)的疑慮，因為磷光的明暗變化是逐漸的，需要一點緩沖的反應(yīng)時間。 猜想X光是一種穿透性很強(qiáng)的新射線(或粒子流)之后，倫琴立即采取一系列步驟，努力進(jìn)行各種測量，想方設(shè)法綜合和歸納它們1)的物理性質(zhì)。這是即將降臨的確立和鞏固倫琴的X光發(fā)現(xiàn)者地位的關(guān)鍵一步，因為事實勝于雄辯，讓全面的實驗證據(jù)說話是判定自然科學(xué)真假的不二法門。在隨后的6周里，倫琴不斷實驗，他反復(fù)自問，試圖回答下列問題，包括X射線是直線前進(jìn)的嗎？它們會反射或折射嗎？它們與陰極射線有何區(qū)別嗎？它們(的本質(zhì))到底是什么？倫琴很快驗證了X光的路徑不受磁場影響，因此它們不是陰極射線。倫琴也證實了X光的強(qiáng)大穿透力，以及除了產(chǎn)生熒光之外，還能在攝影底片上感光成像。因為能夠在底片上成像，眼見為憑，所以X射線的發(fā)現(xiàn)一經(jīng)公布，就在大西洋兩岸的科學(xué)家與公眾和媒體之間造成轟動。此外，如眾所周知，倫琴更驚訝地發(fā)現(xiàn)，除了穿透紙張、書本、木頭，和薄金屬片之外，X光還能夠穿透人體肌膚。 雖然很肯定自己發(fā)現(xiàn)了一種新射線(或粒子流)，但是倫琴心中還是非常焦慮忐忑，他深恐萬一這些屏幕上的亮光只是因為長時間在暗室中工作，由于眼睛疲乏而造成的幻覺(眼纈)。他擔(dān)心倘使輕率發(fā)表了不真實的虛幻測量結(jié)果，豈不就聲名掃地，學(xué)術(shù)生涯告終了。因此在反復(fù)自問與測試的過程中，他恍如失魂落魄，不與人交談，并且禁止任何人進(jìn)入實驗室。直到12月22日，倫琴終于邀請他的太太到實驗室，請她允許他用X光拍攝她的手，這就是科學(xué)史上著名的倫琴太太的手指頭及結(jié)婚戒指X射線照片的由來。(在拍攝她太太的手之前，倫琴已經(jīng)無意間發(fā)現(xiàn)了X光會穿透他自己的肌膚，但他一則不愿告訴別人，二則仍有些許擔(dān)心這是來自眼睛疲勞所造成的幻覺。而當(dāng)毫無心理準(zhǔn)備，突然看到了自己的手骨頭的照片之后，倫琴夫人似乎驚嚇過度，從此拒絕再進(jìn)入實驗室。倫琴此時決定立即公開他的實驗結(jié)果，他對著太太說“特大麻煩來了”(“Now the devil will be topay”)。) 2迅速發(fā)表，孤篇壓卷 確立了X光的穿透性和拍攝了手影像之后，倫琴迅速地簡短寫出了他的驚人發(fā)現(xiàn)，他把論文題目定為“On a New Kind of Rays：A Preliminary Communication”。而且，倫琴并沒有把論文投遞到當(dāng)時學(xué)術(shù)地位崇高的全國性著名物理期刊，如Annalen der Physik，而是在12月28日(圣誕節(jié)假期期間)交由當(dāng)?shù)氐腜roceedings of the Würzburg Physical Medical Society出版，并且叮嚀他們破例即日印行。這時的倫琴年滿50歲，他雖然僅是陰極射線領(lǐng)域的一位新手，卻已經(jīng)不是一位學(xué)術(shù)界的泛泛之輩，或蕓蕓眾生而已。顯然，倫琴深知優(yōu)先發(fā)表在科學(xué)史上的無可替代的指標(biāo)性與絕對意義。他想必經(jīng)過深思熟慮及一番內(nèi)心煎熬，在斟酌現(xiàn)實之后，明智地選擇當(dāng)?shù)?地方性)期刊順利完成發(fā)表任務(wù)，從而摘取了不容改寫的“X射線發(fā)現(xiàn)者”的頭銜。 1896年1月23日，倫琴在Würzburg Physical Medical Society的例行會議上宣讀了他的論文，這是他一生中第一次、也是最后一次關(guān)于X射線的正式演講。接著，在1896和1897兩年，他又同樣在Proceedings of the Würzburg Physical Medical Society各發(fā)表了一篇X射線論文。這三篇論文和唯一 一次公開演講有如是他的“孤篇壓卷”2)，此后倫琴未曾再就X射線留下任何片言只字。1900年，倫琴離開維爾茨堡大學(xué)，轉(zhuǎn)任慕尼黑大學(xué)“實驗物理研究所”所長，并重拾他早年的興趣，再度集中于晶體物理性質(zhì)的研究。 圖2 倫琴在演講當(dāng)場拍攝的著名解剖學(xué)家科力克的手的X射線照片，取自 X-ray|Psychology Wiki|Fandom (wikia.org) 在Würzburg Physical Medical Society的會議中，倫琴當(dāng)場為出席演講的當(dāng)時著名的解剖學(xué)家科力克(Albert von Kölliker)拍攝了他的手，這張射線照片即使以100多年后的今天的標(biāo)準(zhǔn)來說，仍是影像清晰透徹的(圖2)。也是在這一場演講中，Kölliker建議把X光命名為“倫琴射線”。 3推動慕尼黑大學(xué)“理論物理研究所”的成立 筆者認(rèn)為，倫琴的兩大科學(xué)貢獻(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)X射線(這一貢獻(xiàn)是大眾所熟知的)，二是于1900年代中期在慕尼黑大學(xué)費力爭取成立了“理論物理研究所”(這一貢獻(xiàn)可能是鮮為人知的)。先是1890至1894年短暫4年期間，玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)曾經(jīng)擔(dān)任慕尼黑大學(xué)的理論物理講座教授，但自玻爾茲曼離開之后，慕尼黑大學(xué)的理論物理教授職位就懸缺多年，直到“理論物理研究所”成立，索末菲(Arnold Sommerfeld)應(yīng)聘成為第一任所長。由于索末菲的到來(1906年)，幾年后“慕尼黑學(xué)派”形成了上與“哥廷根學(xué)派”和“哥本哈根學(xué)派”三峰并峙的輝煌局面，為20年后量子力學(xué)的發(fā)展完成，寫下了燦爛多彩的英雄事跡。倫琴鼎力爭取在“實驗物理研究所”之外，于慕尼黑大學(xué)設(shè)立“理論物理研究所”，便于理論與實驗相互切磋，彼此密切合作，這是他對近代物理學(xué)發(fā)展的又一項重大貢獻(xiàn)，值得后人的敬佩與懷思。 腳注 |
