隨想 物理

為何是倫琴發現了X射線?

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撰文者:林志忠(台灣陽明交通大學電子物理系)
發文日期:2021-09-13
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  • 「科學發現(scientific discoveries)有無規律可循」是一個哲學問題,但宇宙及大自然的奧妙和一切物質的特性需由定量的系統性實驗和測量拍版定案,則無可置疑。


    X射線(X光)於1895年11月8日被德國物理學家倫琴(Wilhelm C. Röntgen, 1845–1923)意外發現,他因此在1901年獲得史上第一個諾貝爾物理獎——瑞典化學家Alfred Nobel正巧於X射線被發現的半個多月前立下遺囑,捐贈遺產設立諾貝爾獎。但是,倫琴拒絕為X光申請專利,謝絕同事和朋友的建議用自己的名字命名(雖然後人有時仍將X光稱為倫琴射線),並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符茲堡大學(University of Würzburg)做為資助研究之用;但可惜由於第一次世界大戰之後的嚴重通貨膨脹,他捐贈的獎金後來幾乎形同廢紙。X光一被發現,當時的醫學界立即體認到它的無限醫療價值,馬上應用到醫院中。1900年義和團之亂,德軍(八國聯軍之一)便已配備了移動式X光機,在戰場上醫療傷兵。


    發現X射線

    19世紀下半葉,由於工業革命後的電氣工程以及科學研究的雙重發展與迫切社會需求,(真空管中的)「陰極射線」和「氣體放電」研究成為了一支顯學,無數科學家參與其間,包括了赫茲(Heinrich Hertz)、萊納德(Philipp Lenard)以及湯姆森(J. J. Thomson)等青史留名的物理學家。在發現X光之前,倫琴未曾做過任何和陰極射線相關的實驗;換句話說,他是一位陰極射線和氣體放電領域的新手。而且,在進行X射線實驗之前一年,他因為學術聲譽卓著,被學校長聘教授推選為符茲堡大學(University of Würzburg)校長,擔任繁重的行政職務一年。1895年10月,他卸下校長職務之後,才開始進行陰極射線實驗。所以,值得探問為何是倫琴而不是他同時代的其他經驗老到、功力深厚的競爭對手,率先發現X射線?尤其,可以相當肯定的一件事是,在倫琴進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,必定已經反覆出現了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,故此「視而不見」,大意失荊州,與珍貴科學發現及千古榮譽失之交臂。


    為何是倫琴發現了X射線?有一個合理的解釋如下:倫琴是一位優秀的實驗物理學家,他對儀器的掌握與運用得心應手,在測量過程中觀察入微,又能夠對測量數據進行嚴謹的驗證及論證。倫琴在大學時主修機械工程,專精於氣體的導熱性質和蒸氣機——他的熱力學課程受教於「熱力學之父」克勞修斯(Rudolf Clausius)——他因此喜歡自己設計和組裝(簡易!)實驗儀器,並且自己進行測量(圖1)。這種研究取向與習慣,一方面是當時的歐洲學術氛圍使然,讓倫琴能近取譬;另一方面則是因為倫琴的人格特質的確與同儕有別,他有很強烈的精確實驗意識及偏好,並且很少請助手幫助測量。再者,倫琴非常重視歐洲近代科學興起與發展過程中的實驗傳統,他高度肯定自16世紀以來實驗和觀測以及客觀邏輯推理(科學方法)所扮演的關鍵性和批判性角色。


    1894年1月倫琴就任符茲堡大學校長時,他一反當時的學界慣例,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)近代科學的發展歷程。其中,他強調從16世紀以來,自然科學家群體就「逐漸形成了這麼一個信念,認知實驗是發覺(拷問)自然奧秘的最強有力又最可靠的手段,實驗更代表了判定一個假說(hypothesis)的是否應該被保留或是被揚棄的最高權威。」倫琴肯定的科學實驗是指那些經過精心設計、嚴謹執行、而且對其現象解釋都根基於測量數據(客觀證據)的實驗。後世科學史家認為,倫琴是一位非常嚴謹,做事一絲不茍,又觀察敏銳、思路清晰的實驗物理學家。


    1895年11月8日星期五晚上——倫琴喜歡在週末晚上做實驗,因為可以集中心神,不受同事或學生的干擾——倫琴首先在陰極射線管外約1米處(一個陰極射線到達不了的距離)的螢光屏上發現了亮光。他很快地意識到,這個亮光不是任何已知的物理現象或射線(或粒子流)所造成的光點。他隨即幾度開關陰極射線管的電源,從而明確判定這個螢光的出現或消失是瞬間的,來自於陰極射線管的開或關。這時,他排除了亮光不是燐光(phosphorescence),因為燐光的明暗變化是逐漸地,需要一點緩衝的反應時間。


    猜想X光是一種穿透性很強的新射線(或粒子流)之後,倫琴立即採取一系列步驟,努力進行各種測量,想發設法綜合和歸納它們的物理性質。這是即將降臨的確立和鞏固倫琴的X光發現者地位的關鍵一步,因為事實勝於雄辯,讓全面的實驗證據說話是判定自然科學真假的不二法門。在隨後的六週裡,倫琴不斷實驗,他反覆自問,試圖回答下列問題,包括X射線是直線前進的嗎?它們會反射和/或折射嗎?它們與陰極射線有何區別嗎?它們(的本質)到底是什麼?倫琴很快地驗證了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光的強大穿透力,以及除了產生螢光之外,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射線的發現一旦公布,就在大西洋兩岸的科學家與公眾和媒體之間造成轟動。此外,如眾所周知,倫琴更驚訝地發現,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。

     
    截圖 2021-09-13 下午11.00.45
    圖.  倫琴在演講當場拍攝的著名解剖學家Albert von Kölliker的手的射線照片,取自X-ray | Psychology Wiki | Fandom (wikia.org)
     



    雖然很肯定自己發現了一種新射線(或粒子流),但是倫琴心中還是非常焦慮忐忑,他深恐萬一這些螢幕上的亮光只是因為長時間在暗室中工作,由於眼睛疲乏而造成的幻覺(眼纈)。他擔心倘使輕率發表了不真實的虛幻測量結果,豈不就聲名掃地,學術生涯告終了。因此在反覆自問與測試的過程中,他恍如失魂落魄,不與人交談,並且禁止任何人進入實驗室。直到12月22日,倫琴終於邀請他的太太到實驗室,請她允許他用X光拍攝她的手,這就是科學史上著名的倫琴太太的手指頭及結婚戒指射線照片的由來。(在拍攝她太太的手之前,倫琴已經無意間發現了X光會穿透他自己的肌膚,但他一則不願告訴別人,二則仍些許擔心這是來自眼睛疲勞所造成的幻覺。而當毫無心理準備,突然看到了自己的手骨頭的照片之後,倫琴夫人似乎驚嚇過度,從此拒絕再進入實驗室。倫琴此時決定立即公開他的實驗結果,他對著太太說「特大麻煩來了」(“Now the devil will be to pay.”)。)


    迅速發表 孤篇壓卷

    確立了X光的穿透性和拍攝了手指與戒指影像之後,倫琴迅速地簡短寫出他的驚人發現,他把論文題目訂為“On a New Kind of Rays: A Preliminary Communication”。而且,倫琴並沒有把論文投遞到當時的學術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(聖誕節假期期間)交由當地的Proceedings of the Würzburg Physical Medical Society出版,並且叮嚀他們破例即日印行和發送。這時的倫琴年滿50歲,他雖然僅是陰極射線領域的一位新手,卻已經不是一位學術界的泛泛之輩,或芸芸眾生而已。顯然,倫琴深知優先發表在科學史上的無可替代指標性與絕對意義。他想必經過深思熟慮及一番內心煎熬,在斟酌現實之後,腳踏實地地明智選擇當地(地方性)期刊順利完成發表任務,從而摘取了不容改寫的「X射線發現者」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、也是最後一次關於X射線的正式演講。接著,他在1896和1897兩年,又同樣在Proceedings of the Würzburg Physical Medical Society各發表了一篇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」,此後倫琴就未曾再就X射線留下任何隻字片語。——1900年,倫琴離開符茲堡大學,轉任慕尼黑大學「實驗物理研究所」所長,並拾回他早年的興趣,再度集中於晶體物理性質的研究。
    在Würzburg Physical Medical Society的會議中,倫琴當場為出席演講的當時著名解剖學家科力克(Albert von Kölliker)拍攝了他的手,這張射線照片即使以100多年後的今天的標準來說,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」。


    推動慕尼黑大學「理論物理研究所」的成立


    筆者認為,倫琴的兩大科學貢獻,一是發現X射線(這一貢獻是大眾所熟知的),二是於1900年代中期在慕尼黑大學費力爭取,成立了「理論物理研究所」(這一貢獻可能是鮮為人知的)。先是1890至1894年短暫四年期間,波茲曼(Ludwig Boltzmann)曾經擔任慕尼黑大學的理論物理講座教授,但自Boltzmann離開之後,慕尼黑大學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)應聘成為它的第一任所長。由於Sommerfeld的到來(1906年),幾年後「慕尼黑學派」形成了上與「哥廷根學派」和「哥本哈根學派」三峰並峙的輝煌局面,為20年後量子力學的發展完成,寫下了燦爛多彩的英雄事蹟。倫琴的鼎力爭取在「實驗物理研究所」之外,慕尼黑大學也應該設立「理論物理研究所」,以便理論與實驗相互切磋,彼此密切合作,這是他對近代物理學發展的又一項重大貢獻,值得後人的敬佩與懷思。

    後記: 倫琴在遺囑中要求銷毀他生前的所有個人的及科學方面的通訊,他(在發現X射線之後)內心所呼喚嚮往的,似乎是一種功力深厚而默默無聞的學者人生,有如(唐)盧照鄰〈長安古意〉詩中寫的:「寂寂寥寥揚子居,年年歲歲一床書。獨有南山桂花發,飛來飛去襲人裾。」
    (2021.08.31)
     
     
     
     
     

     
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