歷史 物理

隱身幕後的科學大金主:魯米斯

Print Friendly and PDF
撰文者:高崇文
發文日期:2021-01-19
點閱次數:593


  • 在科學發展的歷史上,不乏腰纏萬貫的貴紳,自掏腰包設立實驗室來研究科學,甚至卓然有成者。遠者如波義耳,近者如亨利·卡文迪許,都是其中的佼佼者。然而隨著科學的飛躍發展,到了二十世紀之後,這類的”業餘”科學家就如同鳳毛麟角了。這裡阿文要來介紹的這位算是這種貴紳科學家的parade’s end (勉強翻作殿後吧)雖然他沒有博士學位,也未曾在自己的實驗室以外任職,但是,他的科學成就足以選上美國國家科學院的院士。(魯米斯於1940年當選為美國國家科學院院士。)而他在二戰時對戰爭的貢獻更讓他成為一頁傳奇,他就是阿爾弗雷德·李·魯米斯(Alfred Lee Loomis,1887-1975)。

     
    Alfred_Lee_Loomis_(Berkeley,_March_29,_1940)
    Alfred Lee Loomis,1887-1975  圖片來源:wikimedia common


    魯米斯出生於紐約曼哈頓,他的父親亨利·帕特森·魯米斯(Henry Patterson Loomis)是康乃爾醫學院的教授,他的祖父阿爾弗雷德·勒比博斯·魯米斯(Alfred Lebbeus Loomis)則是十九世紀美國首屈一指的結核病的權威。他的母親是茱莉亞·約瑟芬·斯汀森(Julia Josephine Stimson)也是來自醫學世家。阿爾弗雷德很小的時候就父母離異了,父親在阿爾弗雷德上大學時去世。他的親表兄是亨利·斯汀森(Henry Stimson)。亨利·斯汀森在威廉·霍華德·塔夫脫(William Howard Taft)、赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)、富蘭克林·羅斯福(Franklin Roosevelt)和哈裏·杜魯門(Harry S.Truman)的政府都擔任內閣要職。從童年開始,亨利·斯汀森就對魯米斯產生了重大影響。他是美國在兩次大戰時的戰爭部長,阿爾弗雷德在二戰時的許多活動都與他的表哥有關。


    魯米斯就讀於菲利普斯學院,菲利普斯學院建校於1778年,是全美歷史最悠久的高中之一。接著他在耶魯大學學習數學和科學。魯米斯於1912年以優異的成績從哈佛大學法學院畢業。他之所以去念法學院據說是當時有位朋友對自己未來該念哪一科猶豫不決而來請教魯米斯。魯米斯心血來潮,滔滔不絕地建議他朋友去念法學院,因為法律專長不管在哪個領域都派得上用場。不僅他朋友接受了他的建議,連魯米斯自己都覺得自己這個說法太有道理了,所以自己也去念法學院。法學院畢業後,他開始在Winthrop和Stimson公司執業,在那裡他非常成功。他的表哥正是這個公司的老闆。他也在此時娶了馬薩諸塞州達德姆市的艾倫·霍爾曼·法恩斯沃思(Ellen Holman Farnsworth),她是來自波士頓一個著名的上流社會家庭,被稱為是波斯頓第一美人。她也是亨利·韋斯頓·法恩斯沃思(Henry Weston Farnsworth)的妹妹,他們於1912年6月22日結婚。他們有三個兒子:小阿爾弗雷德·李,威廉·法恩斯沃思和亨利 。他的大舅子亨利是頗富盛名的記者,當第一次世界大戰爆發時,美國尚未參戰,但是亨利卻自願加入法軍,於1915年英勇戰死沙場。
    美國在1917年,終於加入第一次世界大戰的戰局,盧米斯自願加入了陸軍。他被任命為上尉,後來晉升到中校。他在馬里蘭州的亞伯丁試驗場從事彈道工作,在那裡他發明了亞伯丁計時碼表,這是一種精確測量砲彈砲口速度的儀器,非常容易攜帶,可以在戰場上使用。與他同事的軍官都被他廣博的科學知識給嚇壞了,他們沒有料到一位在華爾街上班的律師懂得比他們還多。在亞伯丁試驗場任職的時候,魯米斯認識了約翰·霍普金斯大學的物理學家羅伯特·伍德,伍德的生平還請各位參考阿文之前寫的與諾貝爾物理獎擦身而過的發明家一文。兩人的合作是在戰後才開始的。1924年當魯米斯去紐約長島的東漢普頓(East Hampton )拜訪親戚時巧遇伍德,相談甚歡後兩人開始合作。在伍德的影響下,魯米斯長期以來對發明小工具的興趣演變成對實驗物理學的認真追求。伍德的生平還請各位參考阿文之前寫的與諾貝爾物理獎擦身而過的發明家一文。兩個人的合作主要是在高強度超音速波下液體與固體形成乳狀液和霧狀,結晶和成核,化學反應,以及高強度超聲速波的干涉圖樣以及駐波。這些經驗對魯米斯後來的研究非常寶貴。


    在1920年代,魯米斯並沒有重返法律界,而是與他的姐夫蘭登·K·索恩(Landon K.Thorne)合作,投入商界。他們收購了Bonbright and Company,將其從破產的邊緣變成了一家卓越的投資銀行公司,專門投資公用事業。當電力公司開始建立美國鄉村地區的電力基礎設施時,Bonbright and Company融資給電力公司融資而變得非常富有,而魯米斯則成為多家銀行和電力公司的董事會成員。魯米斯和索恩率先合併了許多在美國東海岸經營的電力公司。後來摩根大通(J.P. Morgan&Company)想要合併兩家大型公用事業公司以及一些小型公用事業公司,以創建一家控股公司,他們向Bonbright and Company尋求幫助。每個公司就合併達成協議後,只需確定新控股公司股票的發行價即可。摩根大通的合夥人堅持要求魯米斯和索恩接受連魯米斯都認為太高的股價,令魯米斯感到驚訝的是,公眾居然很高興地購買了新股。對魯米斯來說,這代表該退場了。


    1928年,魯米斯的合夥人和他的公司預見到1929年華爾街即將崩潰,就將他們的投資轉換為黃金,因為他們心理有數,市場的大幅上漲不可能持續下去的,股市崩潰無法避免。1929年10月24日開始,美國股市的突然崩盤,就是有名的黑色星期四真的發生時,大多數投機者破產,華爾街陷入困境,魯米斯和他的公司反而變得更加富有,這是由於股票價格暴跌之後他們大量進場低價購買股票,因為當時很少有人還擁有現金來進行再投資。參議院聽證會對甚至想將他起訴,但未能提出任何實質性指控。不過魯米斯不是黑心商人,反倒是有著濃濃的仁情味的金主。在大蕭條期間,魯米斯還曾匿名為無法負擔的作者匿名支付了《物理評論》期刊的費用呢。


    大蕭條之後魯米斯和索恩購買了位於南卡羅來納州的希爾頓黑德島(Hilton Head Island)17,000英畝(69平方千米)的土地,他們將其建立為私人莊園,拿來騎馬,划船,釣魚和狩獵。魯米斯的愛好包括開汽車和遊艇,他還參加過美洲杯帆船賽呢。過著富豪的生活。他繼續幫助索恩經營Bonbright and Company直到1933年。在接下來的一年中,他辭去了眾多董事會席位。從此他離開華爾街,不再回頭。


    此時的他,已經擁有足夠的錢去做任何他想做的事。 因此,他退回到私人實驗室,做他想做的科學研究或是去資助他覺得有價值的研究。不過憑著他的財富,也解決了意想不到的困難。在美國正式與軸心國宣戰前,魯米斯後來與羅斯福政府緊密合作,利用他在紐約金融界的許多往來以及他個人相當可觀的巨額資金,為美國的戰爭技術基礎做準備,以便為雷達的早期發展籌集資金,而無需政府提供資金。


    魯米斯的私人實驗室就蓋在紐約州塔西多公園(Tuxedo Park,Tuxedo是紳士參加正式設交活動穿的燕尾服)的宅邸附近。他在塔克塞多公園的實驗室被暱稱為“塔樓”和“科學宮”。他把這個塔西多公園的實驗室變成了二十世紀最有遠見的人物聚會的場所。他的實驗室是同類實驗室中最好的,包含的設備幾乎是一般大學買不起的。這讓他的聲譽迅速傳播,特別是在歐洲,那裡科學的資金可是嚴重地缺乏。 魯米斯經常向歐洲著名科學家送頭等艙機票,這樣他們就可以前往美國,與合作者見面並展開合作。他們在機場或火車站被專人接走,並被他的豪華轎車直接帶到塔西多公園。最初,科學界中的一些人稱他為“怪人”(eccentric dabbler),但不久之後,他的實驗室就成為了當時最傑出科學家的聚會場所,例如愛因斯坦,海森堡,波爾,詹姆斯·法蘭克和費米等人都曾是他的座上賓。 與他親密合作的科學家對他的能力深信不疑。 他的財富,人脈和魅力都讓他極具說服力。只是大家大概想像不過他即將為美國做出多大的貢獻吧。


    魯米斯在1927年至1939年之間單獨撰寫或與他人合著了29篇科學論文,這些論文在主要期刊上發表。一開始魯米斯主要是與伍德合作,合作的主題是超音波。他們合作的第一篇文章在1927年發表,後來又陸續發表了七篇。之後相關的論文雖然是用他的實驗室的儀器完成的,但是魯米斯就不掛名了。與職業科學家不同,魯米斯對掛名論文這種事相當淡泊。不過魯米斯只對有原創性的題目有興趣,而他的興趣也不斷地轉變,可以說是相當自由自在。魯米斯隨著伍德在光學也頗有興趣。他與哈佛大學的物理學者George Kistiakowsky 曾合著一篇名為A large grating spectrograph(大型光柵光譜儀)的論文描述他所發明的精巧光譜儀。雖然塔西多公園實驗室後來出了不少光譜相關的論文,但是魯米斯全都沒有掛名。另外一項激起魯米斯興趣是精密計時。這起源於當魯米斯與伍德在1928年一同去英國旅行時,他在著名的鐘錶匠Frank Hope-Jones的工坊第一次看到新型的蕭特同步擺鐘(Shortt–Synchronome free pendulum clock)這種新型的擺鐘友兩個擺,一個放在真空箱中,一個放在鐘面下,兩個擺用電路連結保持同步。一般擺鐘的主要誤差是來自於鐘面與擺的耦合,所以真空箱的擺是用來矯正這種機械因素造成的誤差。魯米斯一眼就看上蕭特鐘,當他得知一個蕭特鐘價值240鎊(相當於今天14,567美金,折合臺幣約四十萬),魯米斯當場訂了三個!後來這三個蕭特鐘就放在他的實驗室的三個角落。當時貝爾實驗室開發出石英振盪器比蕭特鐘更準,所以魯米斯利用蕭特鐘會受重力影響而石英振盪器不會受到影響而用蕭特鐘來測量月球對擺產生的效應。魯米斯寫了一篇名為時間的精準測量(The Precise Measurement of Time.)緊接著一篇論文Analysis of Records made on the Loomis Chronograph by Three Shortt Clocks and a Crystal Oscillator. 則是由Ernest W. Brown 和 Dirk Brouwer 兩人用這三個蕭特鐘測量的分析結果,這一篇魯米斯就沒有掛名了。


     
    Lawrence_Compton_Bush_Conant_Compton_Loomis_83d40m_March_1940_meeting_UCB
    A March 1940 meeting at the University of California at Berkeley concerning the planned 184-inch cyclotron (seen on the blackboard), from left to right: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, and Loomis(圖片來源:By U.S. government - see this government sitearchived, Public Domain, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=19458041)

    魯米斯的興趣非常廣泛,連生物相關的研究也在內。這也許與他來自醫學世家有關吧他與生物學者埃德蒙·牛頓·哈維(Edmund Newton Harvey)合作發明了顯微鏡離心機,開創了可以觀察在高速旋轉的狀態下細胞的方法,除了第一篇論文外,後續十餘篇魯米斯就不再掛名了。1934年,他與哈維一起獲得了富蘭克林研究所 (Franklin Institute) 的約翰·普賴斯 (John Price Wetherill) 勳章。富蘭克林研究所成立於1824年,是美國歷史最悠久的科學教育和發展機構之一。後來哈維也被選為美國國家科學院的院士。
    魯米斯雖然對論文掛名相當淡泊,但是腦波的研究相關所有的論文他全都掛名,可見他對這個主題情有獨鍾。其實早在1924年發明腦電圖 ( EEG ) 的德國醫生Hans Berger ( 1873 – 1941)  就成功紀錄了人類的腦波,但是美國的生理學家卻一直無法複製出Hans Berger 的結果。魯米斯用了最好的電流放大器,並且使用遮蔽籠才終於複製成功。不僅如此,1937年他還發現了之前沒有被發現的睡眠K複合腦波。什麼是K複合腦波?這得需要花一點時間來解釋了。


    腦波變化有幾種基本形式分別為:清醒時的γ波(25次/秒以上)與β波(12~38次/秒)注意力不集中時的α波(8~13次/秒),其他的θ波(4~7次/秒)為高幅慢波、δ波(3次以下/秒)以及睡眠紡錘波(11~16次/秒)和"K-複合波"則是在睡眠時出現的腦波。人類睡眠的分期,可劃分為兩大時相:一個是非速眼動睡眠 (non-rapid-eye-movement sleep;NREM Sleep );還有一個是快速眼動睡眠( Rapid-eye-movement sleep;REM Sleep )。就成人來說,非速眼動睡眠劃分為四個階段。由第一階段(淺層睡眠)進入第二階段,再進入深層睡眠的第三及四階段(又稱為slow wave sleep),完成了深層睡眠時大約為入睡後的一小時,這時候睡眠階段向後回轉,重回到第三階段,然後第二階段,第二階段後進入快速眼球移動階段。通常是突然出現的一次上下大波幅振動的大慢波組成。紡錘波(sleep spindles)和"K-複合體波"都出現在第二期。"K-複合體波”通常是突然出現的一次上下大波幅振動的大慢波組成。δ波出現於第三與第四期睡眠,或是大腦損傷或昏迷病患的睡眠。魯米斯與哈維以及G.A.Horbat 合著的論文”Cerebral states during sleep, as studied by human brain potentials”登在Journal of Experimental Psychology,魯米斯對這個發現顯然十分得意,他甚至在1939年曾到柏克萊發表相關發現的演講呢。除了腦波之外,魯米斯也對建築有興趣。建築師威廉·萊斯卡茲(William Lescaze)在塔西多公園中的1937年為他蓋的房子被認為是最早有雙層外牆(double-skin facade)的實驗之作。 該房屋包括“精心製作的雙層表面”,帶有2英尺深的空氣空間,這個空間由與房屋本身不同的系統調節。設計的目的是保持室內的高濕度。


    1939年,魯米斯(Loomis)開始與歐內斯特·勞倫斯(Ernest Lawrence)合作,並為勞倫斯建造184英寸(4.7 m)迴旋加速器的項目提供了融資。到那時,魯米斯已成為實驗物理學領域的傑出人物,並將塔西多公園的工作地點移至馬薩諸塞州的劍橋,在那裡他與麻省理工學院合作。勞倫斯與魯米斯也成為莫逆之交。魯米斯可以說是勞倫斯”大科學”(Big science)背後重要的推手呢。


    在1930年代後期,魯米斯的科學團隊將注意力轉向了無線電檢測研究,他們製造了一個簡單的波雷達,並將其部署在貨車後部。他們開車將它帶到高爾夫球場,然後瞄準附近的高速公路以跟蹤汽車,然後將其帶到當地的機場,在那裡他們跟蹤了小型飛機。但是二戰爆發後,對微波的研究就不再是業餘的興趣而變成攸關國家存亡的重大事項了。第一個實用的雷達系統是由英國物理學家羅伯特·沃森·瓦特爵士 (Robert Watson-Watt)在1935年生產的,到了1939年,英國已經在其南海岸和東海岸建立了一系列雷達站,可以探測空中或海上的侵略者。但是以幾公尺範圍內的波長運行的Chain Home雷達網絡的精準度不足以檢測小型目標,例如一架戰鬥機。防空所需要的是在利用窄波束上的雷達系統,該系統可以用輻射扇掃掠天空,像鉛筆筆尖一樣指向黑暗。 為達到這個目的,必須產生非常短的波長的微波,但這並非易事。1940年四月在奧利馮特教授領導伯明翰大學的物理學家Henry Boot和生物物理學家John Randall發明了巴掌大小的無線電發射器,能以極高的功率產生高頻波。這個設備將使微波雷達系統能夠跟蹤敵機和地面目標。為了使新技術進入該領域並扭轉戰局,英國需要美國的工業實力以及美國研究機構的電子專業知識。所以英國決定要與美國分享這個最高機密,雖然美國仍未參戰。


    由於魯米斯在該領域所做的工作比美國其他任何人都要多,因此Vannevar Bush任命魯米斯為國防研究委員會的微波委員會主席和D部門(檢測,控制,儀器)的副主席。 1940年9月29日晚上,一小群人聚集在塔克西多公園專屬房舍的客廳裡。大多數是美國人。但是,約翰·考克饒夫(John Cockcroft)和愛德華·鮑恩(Edward Bowen)是英國的物理學家,做為Tizard Mission 的成員,他們是為了執行最高機密任務而來到美國的。他們帶來了一個小木箱,裡面裝的正是腔磁控管,它能產生比美國技術人員已知的任何其他在10釐米的波長下微波的發射器高1000倍的功率的微波,正是防空雷達所需要的。


    在1940年10月1日的美國陸軍信號兵技術委員會會議上,身為微波委員會主席魯米斯提議建立雙曲線導航系統。 他預測,這樣的系統在200英里(320公里)的範圍內可以提供至少1,000英尺(300 m)的精度,而對於高空飛行的飛機則可以提供300-500英里(480-800 km)的最大範圍的精度 。這就產生了“用於製導飛機的精確導航設備”規範。 一個月之內,他在麻省理工學院(MIT)的校園中選擇了一座建築物作為實驗室設備,將其命名為麻省理工學院的輻射實驗室,通常稱為輻射實驗室,儘管陸軍最初持懷疑態度,但他仍敦促研發雷達,並為輻射實驗室安排了資金,直到拿到聯邦的資金。MIT的輻射實驗室由其主管杜布里奇(Lee DuBridge)管理。 同時,魯米斯為消除了研究障礙而努力。在此產生的10釐米雷達是一項關鍵技術,它使U型艇沉沒,為英軍發現德國轟炸機,並為D日登陸提供掩護。魯米斯充分利用了他所有的業務敏銳度和行業聯繫,以確保進行開發時不浪費任何時間。 


    MIT 輻射實驗室效率非常驚人。他們預定在1941年1月6日前要造出微波雷達,在3月前把雷達的試製品裝到Douglas A-20 Havoc轟炸機上去。這兩個目標都達成了;他們逐一克服技術上的難關,生產出能夠運作的雷達裝置。開發出的多腔磁控管能將波長從150厘米降至15厘米,之後甚至降到3厘米。實驗室還繼續開發出探測潛艇用的空對地雷達、可以鎖定目標的火控用的SCR-584雷達以及遠程無線電導航系統叫做LORAN(LOng-RAnge Navigation的簡稱)。許多人認為,雷達是贏得戰爭的最重要的東西。杜布里奇後來評論說:“雷達贏得了這場戰爭;原子彈結束了這場戰爭。”實驗室中的科學家團隊中後來共出現了10位諾貝爾獎得獎者呢。


    魯米斯也為地面控制進近技術 (Ground Controlled Approach, 簡稱 GCA) 的發展做也有重大貢獻,這是當今儀表著陸系統的前身,該系統使用雷達使地面控制器“交談”飛機駕駛員,並在能見度差令時幫助他們安全著陸。發明這個系統的Luis Alvarez 回憶道為了解決GCA的技術難題,他被魯米斯邀請到波斯頓的麗池-卡爾頓飯店 (Ritz-Carlon) 共進晚餐,然後魯米斯跟他說:今晚沒把這個計畫搞定之前不要回家!結果他們真的一起解決了相關的技術問題,這個發明救了許多戰鬥人員的性命,Alvarez後來因為發現許多強子共振態而榮獲諾貝爾獎。日後他在為魯米斯寫傳記時特別提到這件事情。


    盧米斯與艾倫·法恩斯沃斯結婚超過30年。 她美麗,細膩,卻不幸患有使人衰弱的憂鬱症,最終發展為失智。魯米斯於1945年與艾倫離婚,並立即與同事的妻子曼內特·霍巴特(Manette Hobart)結婚,這震驚了紐約的上流社會。魯米斯一直是一個非常低調的人,在關閉輻射實驗並完成其相關職責後於1947年完全退出了公眾生活。他與妻子曼內特退隱到東漢普頓(East Hampton),他也從未接受過任何採訪。


    魯米斯於1975年在東漢普頓安詳辭世,享壽八十八。他被提名諾貝爾獎七次,四次是與索末菲一起,三次與伍德一起,不過都落空了,不過魯米斯的眼中,人生還有更要緊的事要追求吧。像他這樣為國家存亡做出如此重大貢獻的貴紳科學家,恐怕也是絕無僅有的吧。

    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目
    (二)Alfred Lee Loomis, A biographical memoir by Luis W Alvarez, 1980. 


    ===========================
回上一頁