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医学影像学概论:伦琴的遗产

时间:2016-07-04 12:26来源:杨宁医学影像学网 作者:Pro.Yang 点击:
在科学发展的历史长河中,抛弃那些作假、虚伪、子虚的乌有,切实、的确、可靠和真实的事情莫过于科学现象和科学理论的发现者,这些发现不仅得到历史的延续,并仍然深深地影响我们迄今为止的现代化的人类生活。但即使是最伟大的发现者也不过是其所研究领域中
  在科学发展的历史长河中,抛弃那些作假、虚伪、子虚的乌有,切实、的确、可靠和真实的事情莫过于科学现象和科学理论的发现者,这些发现不仅得到历史的延续,并仍然深深地影响我们迄今为止的现代化的人类生活。但即使是最伟大的发现者也不过是其所研究领域中诸多先贤们的继承人,在本质上也无法摆脱是其所处时代的影响。就如我们现今的从事医学影像工作的一族,享受着伦琴发现X线以来所有相关科学成果的遗产,也受制于科学发展的时代限制(我们并非无所不知),更肩负着应用这些成果为人类服务和前赴后继的重任。


        当我们回顾一百多年前科学史上最著名的发现之一:X射线。我们不由得提问,是什么成就了伦琴这一伟大的发现?当然不是伦琴(Roentgen)  无中生有地创造了X射线。那他,从他的科学界前辈那里继承了什么呢?伦琴在工作中运用了什么样的器械,他知道多少,掌握了多少知识,了解多少物理学原理,有多少经验?他被其所处的时代塑造成什么样子?作为一个科学家和一个人,他的性格都是怎样的?他把什么样的观念带去了地处伍兹堡(Würzburg)的实验室?
  
  伦琴确乎是十九世纪的代表人物,他受到了当时科学、技术、哲学、经济、政治和宗教发展潮流的影响。鉴于物理学的发展受到了其他领域的巨大影响,本栏目作者希冀回顾当时物理学的一些进步,也同样涉及到其他领域。介绍伦琴所继承的那个时代的物理学和他的世界观。当时伦琴所生活德国的发展情况将在本栏目中被重点介绍,虽然许多其他的国家也为该世纪的惊人进步做出了贡献。栏目作者通过对《History of Radiology》一书的编译和摘选试图让读者感受一下那个时代的生活和工作状况,了解一下伦琴继承了什么样的财富,哪些人和事件对他的影响最大。并借此对这位时代先驱和他的工作表示崇高的敬意。




威廉·康拉德·伦琴,Wilhelm Conrad Röntgen,1845年3月27日-1923年2月10日,德国物理学家,1895年1月5日,他发现伦琴射线即X射线,又称X光。为此在1901年获诺贝尔物理学奖,是世界上第一位获这特殊荣耀的人。这种光有非常强的穿透力,伦琴就根据《圣经》希伯来书4:12,取希腊文“基督”的第一个字母X为名,称为X光,即基督之光。
 
  
十九世纪概观
 
  和伦琴生活在同时代的,写过《汤姆历险记》的马克·吐温(Mark Twain),绝非仅仅是美国著名的现实主义作家。他曾指出,十九世纪最意义深远的发展是新思想的价值得到了普遍的公认。如果说那个时代具有一个潜在的主题,那就是:愿意接受新的思想。很快,新思想就蓬勃地出现了,充满智慧的好奇和满足好奇的手段都有了巨大的进步,虽然有的一开始就来自错误的开端。那时有人甚至宣称,十九世纪见证的人类生活和思想的变化超过了之前两千年的总和。十九世纪末,西方文明已完成了(至少是自以为完成了)对整个世界的征服。与达尔文(Darwin)共同建立了自然选择的进化理论的阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士(Alfred Russel Wallace),把十九世纪称为 “神奇的世纪”。改革过的大学在新思想和培养的研究和创新方面要求更高。科学杂志和学会开始向整个西方世界散播信息,科学家在交流网络中的参与程度是迄今难以想象的。


查尔斯·罗伯特·达尔文,英国生物学家,进化论的奠基人。曾乘贝格尔号舰作了历时5年的环球航行,对动植物和地质结构等进行了大量的观察和采集。出版《物种起源》这一划时代的著作,提出了生物进化论学说,从而摧毁了各种唯心的神造论和物种不变论。 阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士,OM,FRS(Alfred Russel Wallace,1823年1月8日-1913年11月7日)是一位英国博物学家、探险家、地理学家、人类学家与生物学家。华莱士因独自创立“自然选择”理论而著名,促使达尔文出版了自己的演化论理论。

 
  
  与此同时,十九世纪早期的科学家对物理法则的理解,和当今大学生的标准相比实在是非常有限。我们如今视为理所当然的现象也使他们饱受挫折。他们缺少数学、统计学和计算的工具,这些本可以节省他们若干年时间的工作,并使他们的思考取得更大的进步。(例如标准差和方差在1920年才被引入,那之前科学家都只能谈论均值和均差)
  
  他们常常受到世俗观念和必需品的约束,要么单干,要么只能同一两个人合作,所得到的支持少的可怜并且需要为此花费大量的时间。新认知的交流缓慢而艰难,在十九世纪初更是如此。许多科学家纠缠于重复别人的工作,甚至与其他人的工作方向背道而驰。尽管如此,十九世纪出现的一些科学家成为了历史上最富有创新精神,最具有洞察力和最多产的科学家。
  
  如今我们认识的科学的形式,造就于十九世纪的大学和工业实验室。工业革命孕育了目标明确的研究,对可以满足实际需要的发明和发现的要求,在大量机器被用来生产手工不足以满足需求的产品的工厂里,在苯胺之类的人工染料被制造出来以解决靛青进口问题的十九世纪初的德国实验室里,目的驱使的研究应运而生。纯理论性的科学研究从未被废弃,但公众开始期待科学家能做出更多的实际贡献,使人们能生活得更好或更加安全。
  
  十九世纪后半叶,科学家和大众对待科学的态度是,如果加以合理发展和应用,科学只会给人类造福。直到20世纪,随着诺贝尔的发明—炸药在战争中的运用,科学对于造福人类的中立性才逐渐明朗化:科学可以救人,也可以杀人;可以用于建设,也可以用于毁灭。但科学的这后一面绝非十九世纪的景象。而在十八世纪,科学被看作是完全无害的,科学只为人类造福。
 
 
  十九世纪科学技术的蓬勃发展:工业越来越以科学为基础,尤其是有机和无机化学、电磁学和动植物生物学。科学技术为人们带来新的交流方式,比如著名的电报和电话,为人际和国际事务带来重大改革。与此同时,人类无知的面纱被掀开,恒星的组成,人类的起源和传承,动植物的进化,物质的组成,地球的岁数和形成过程,自然界力和能量的相变性,电磁学的定律,以及似乎囊括一切的光的电磁学理论……都被人们所认知。正是在十九世纪,科学发展成为一门完全被人们所认识的专业,有正规的职位,以及研究实验室和职业助手和技师构成的支持体系。这种状态的标志就是威廉·休厄尔(William Whewell)在1841年有意识地创造了“科学家”这个词。

William Whewell

 
  从亘古至今,有一个反复出现的奇妙主题,也就是关于蜕变的思想。关于“蜕变”最为人们熟知的表达就是把普普通通的金属变成金子,也许得借助于“哲学家之石”来点石成金。可是它还有许多其他的表达方式:无药可救的病人可以在某种秘方药剂的帮助下获得痊愈(吃了那种东西还能痊愈?),杰基尔(Jekyll)可以化身海德(化身博士),猿猴可以通过进化变成人,沙漠有了水就可以变成农田,恐龙可以变成石油,电和磁可以相互转化,一种化学物质可以大量转化成另一种,多到令人眼花缭乱。只要环境合适,X可以顺理成章地转化成Y,这种可能性对于科学家形成了巨大的驱动力。他们不再像亚里士多德(Aristotle)那样,认为X生来就是X,也将永远是X,他们把X当成Y(谁知道呢,也可能是Z的前身。
  
  十九世纪的科学家肯定十分注重形象。在那个时代的插图中,他们永远被描绘成穿得一丝不苟,神情庄重的大胡子男人,绝对不会穿防护用的围裙或是眼罩。很明显他们做试验的时候也穿得跟要参加婚礼或是去教堂一样。十九世纪末和20世纪初流行的杂志里展示了哪怕是小男孩儿,在做科学实验的时候也无一例外地穿正装打领带。
 
 
  
工业革命留下的产物:实用主义
 
  工业革命在历史进程中造就了一个影响深远的变化。18世纪末起源于英国,受到法国大革命的新思想推动的工业革命,引发了对于可创造实际利益(也就是可以市场化的)的新思想和新技术的与日俱增的需求。工业革命见证了从生物能源(如马拉车)到非生物能源(如蒸汽机)的转变,从良莠不齐的人力手工到可以精确复制的机器的转换,生产被分割成一个个单独的任务,在工厂里由人工操作的机器来完成,新材料的发展(钢铁以及各种新奇的化学材料),这一切使得欧洲社会逐渐从农业社会进入到城市化的阶段。 工业革命时期典型的工厂模式是厂房中聚集着大批的农民工人,他们中的大多数后来成为了职业工人。
  
  这场革命对于科学的影响也同样深远。历史上首次出现了将新知识运用到工业生产中去,提高生产效率的迫切需求。对于科学家来说,只要他们能想出自己研究结果的实用价值,他们就有机会获得更多的资金和帮助来支持他们的研究。有意思的是,尽管伦琴继承了科学的工业实用价值的观念,而且作为日耳曼人本身就有使用主义的倾向,然而他本人却不愿去追求X射线的发现这件事本身代表的多种可能性,包括它的商业价值。
  
  工业革命教给人们,他们的力量远远超出自己的想象。他们对环境的控制能力大大地超出从前。哪里有什么限制呢!这种头脑发热的想法在当时的文学中也有所反映。在科幻小说的先驱儒勒·凡尔纳(Jules Verne)的《海底两万里》和埃德加·艾伦·坡(Edgar Allan Poe)的《怪诞故事集》作品中,我们就能读到那种超越世俗羁绊的天马行空的奇思妙想。
  
  正如人们所料,工业革命也同样影响到了高等学府。在工业革命时期产生了大量的技术岗位,从事这些工作必需要经过高等院校专门的学习和培训。大学完成了其历史使命的转变。从前它们是为了培养牧师和僧侣,使之能胜任其修道院的工作,而从那时起,大学的新使命变成了训练人们能够更好地投入于社会的工作和生活。给予渴求教育的人的机会也相应增多。伦琴时代的大学正是以此当作自己的使命,这不仅影响到伦琴自己所受的教育,也影响到他本人作为院士的职业生涯。
  
政治、战争和经济
 
  伦琴诞生的那个年代,德国还处于从一系列重大打击中慢慢恢复的过程。十九世纪,如同现代欧洲社会的其他世纪一样,充斥着重大变革,战争和动荡不安。两个世纪前的一场毁灭性的战争——三十年战争(1618—1648年)在德国历史上留下了难以抹去的痕迹。直到十九世纪德国仍旧未从这场欧洲历史上最惨绝人寰的战争中彻底恢复。整个欧洲大陆的疆域,宗教和动态形势十分紧张,德国、奥地利、匈牙利、意大利和西班牙的王储争斗不断,他们背后的支持者有法国、瑞典、丹麦和英国,当然还有天主教和新教势力的参与。宗教势力把各国的王储当作替身明争暗斗。战争翻来覆去地折腾着德国。
  
  经历了八十来场战役之后,这场战争终于接近尾声了。此时德国已经损失了四分之一的人口,差不多达到四五百万人。成千上万的村庄被毁,占到整个德国房屋的三分之一。农业受到的打击尤其巨大,饥荒蔓延开来。更为严重的是,十七世纪三十年代德国大部分地区发生并流行瘟疫,夺去了一多半战争幸存者的生命。
  
  这场战争的众多后果之一包括德国分裂成天主教势力为主的南方和新教势力为主的北方,这一局势至今尚存。至今人们还能轻易发现三十年战争给德国造成的诸多后遗症,更何况生活在那个时代的伦琴和他的祖先。伦琴的父辈于战争结束后定居伍珀塔尔(Wuppertal),而他母亲的家族原本居住在现在的北意大利,由于他们信仰新教,在当地受到排斥而不得不移居到荷兰,这差不多是在同一个时期发生的事情。
  
  考虑到这样的背景,尽管伦琴的家族在伦内普(Lennep-莱茵河区域)居住了一个半世纪,他对于德国不存在难以割舍的情感联系也就不足为奇了。伦琴的家庭在德国扎根的时间并不长,当伦琴三岁的时候,他们举家搬往荷兰。之后他的父母又随他移居到斯特拉斯堡(Strasburg)和吉森(Giessen)。伦琴本人由于工作变动迁居过七次,这在当时的德国学术界,甚至现在都是很少见的。对于伦琴的这种辗转移居的生活,我们可以理解为他对于尚未取得所有传统学术势力的认可感到不安,当然也有其家庭的因素,显然他们对于反复搬迁和安顿下来这件事本身就不反感。
  
  十九世纪同样见证了战争带来的动荡不安。数不清的德国州政府、领地和城市为了权利之争不断爆发局域冲突。在法国大革命前夕,德国几乎难以形成一个统一的政权,因为神圣的罗马帝国的德国已经分裂成了不少于1790个独立的城邦。拿破仑横扫了这一团乱麻的局面,在一系列的血腥战争中征服了这些德国城邦,将它们纳入自己旗下,划分成了数量少的多的城邦。德国西部和南部的城邦形成莱茵河联盟,在法国的统治下,国民议会形成了,教堂和贵族失去了他们的势力和特权,被代表大部分群众的中心集权政权所取代。
  
  拿破仑法典于1804-1806年间在法国,德国西部和其他法国统治的地区开始生效,这是一部国家立法大纲,它体现了美国民族革命的影响:所有公民一律平等;长子继承权,贵族世袭制和阶级特权一律被废除。教堂和政权分离,人的自由权、合同自主权和私人财产不受侵犯成为立法的基本原则。
  
  新成立的德国城邦对拿破仑的统治产生了不满,而成立一个统一的,完全由德国城邦构成的政治体的想法获得了大众的支持。莱比锡之战中,拿破仑的莱茵河军队联盟里的很多德国士兵临阵倒戈,投奔了普鲁士人的军队。拿破仑的大军在经历了冬季进军俄国的惨败之后本来就元气大伤,结果被新形成的德国联军打了个措手不及,溃不成军。这或许就是现在我们所知道的德国的雏形,尽管由于势力强大的城邦想要保持独立而阻挠了联盟的最终实现,而德国联邦始终是一个由多个王朝构成的松散联盟。虽然如此,德国作为一个国家有了新的含义,这在音乐(贝多芬、修曼和瓦格纳)和诗歌中(歌德及海因)都有体现。
  
  在政治以外的各条阵线也在进行联合。联邦在自由贸易联盟、广阔的运输系统和统一的邮政服务方面达成了共识。然而这种经济上的进步受到了席卷德国大陆的工业革命的影响而停滞不前。在十九世纪三四十年代,成千上万的手艺人被干活儿更快、更好、成本更低的机器所取代而失业。解放的农奴要求农场主割让部分土地,可是无论是农场主还是农奴都拿自己名下的小块土地无计可施,因为那不足以使他们维持生计。于是双方都沦落成农业劳动者,而农业社会正在解体,于是顺理成章的,他们都成了工业社会的无产阶级。在这暴风骤雨一般的年代孕育的产物中,最出名的可能就是卡尔·马克思(1818-1883)了。他是共产主义运动的提倡者,可是同他自己的祖国相比,他的事业在欧洲的其他国家进展更为顺利。1848年的改革使拿破仑法典最终得到批准,同时也使贸易联盟和许多和《美国权利法案》有着惊人相似度的社会改革最终合法化。
  
  1862年,身为王储又支持帝国主义的完美政治家奥托·冯·俾斯麦(Otto von Bismarck)继国王威廉一世(1815-1898)之后,被任命为普鲁士的首相。俾斯麦统一了所有的德国北部城邦,这对法国造成了威胁,直接引发了1870年的战争。战争结束后(1871年),俾斯麦巩固加强了这个国家并把它分离出来。威廉一世被推举为德国皇帝。尽管如此,德国仍然是一个由多个王国(普鲁士、巴伐利亚、萨克森和伍兹堡)、公国、侯国和汉撒城市组成的联合体。




伦琴的出生地-德国的雷姆沙伊德-伦纳珀(Remscheid-Lennep)
  
  1845年,伦琴出生在莱茵河联盟的小城镇伦内普上,距离拿破仑法典颁布恰好二十年。这部法典使得德国的政治、社会、经济和家庭生活发生了难以想象的变化。伦琴从小就自然而然地接受了平等和相亲相爱的理想,而如果他提早一百年出生,他的生活和想法很可能会大不一样。伦琴的爱国之心与生俱来,尽管他人生的前二十五年中,大半时间都是漂泊在外。1870年他回到了德国,他的导师奥古斯特·孔特(August Kundt)带他去伍兹堡(Würzburg)待了一段时间,正好赶上法普之战以及德意志帝国的建立。那个时候,德国人的民族自豪感正与日俱增,伦琴的余生都对他的祖国表现出强烈的忠诚,尽管从某种角度来说这个国家早已与以往大不相同了,正在逐渐走向帝国主义。
  
天文学、生物学和地质学的研究进展:人类和他们在宇宙中占有的一席之地
 
  天文学完全称得上是第一门从一开始就得到政府全力支持的科学。到了十九世纪,人们已经认识到恒星和地球之间以及恒星和恒星之间的距离比我们想象的还要远得多。人们不得不重新思考人类在宇宙中的位置,同样的,还有神在宇宙中的位置。神不再被想成是悠闲地俯瞰着这个宇宙,星星围绕在他身边,随手一勾就抓得到。神所拥有的宇宙如此空旷,无限广大。十九世纪两种关键的天文学技术——光谱学和摄影技术被引入,天文学家开始能够研究恒星的化学本质。人们发现太阳和遥远恒星的原子波谱和地球在本质上是一致的,虽然表面上看有所不同。这项惊人的发现表明,尽管宇宙大到令人难以想象,在地球上适用的物理学原理也同样可以应用于整个宇宙。这样看来宇宙就变得易于接近得多了。也许这使物理学家们感到很宽慰,因为他们对于物理现象的解释不仅在地球上是可信的,也可以推而广之用到整个宇宙上。
 
  
  在达尔文之前,生物学在科学界长期处于比较尴尬的地位。甚至在达尔文之后的很长一段时间,生物学也只是个人或者私立学院的一大堆私有珍藏品。也只有这些人或机构有财力到处旅行,见识到许多新奇有趣的物种。那个年代的生物学家都是出发去野外,找到一些从未见过的生物,然后替它们命名的人。然而达尔文的生物进化理论对人们的自我认识产生的影响是不可低估的。生物进化理论一出,即遭到了强烈的反对。而该理论的支持者忽然意识到他们自己和地球上所有的生物都或多或少有着血缘关系,这种观点对社会有着深远的影响。如今的生物学早已不仅仅是一门描述性的学科,人么可以先根据进化理论提出假说,在通过对不同物种如何适应变化中的环境的研究来检验这一假说的正确性。人类和动物在生物学上的血缘关系,这一颇受争议的理论在人类探究自身的方面拓展了一个新的方向。
 
 
  地质学有着特殊的魅力,它既有实用价值,又有理论研究价值,因而吸引了许多很有头脑的人。人们从一场野外旅行中归来,既获得了有关自然资源的有用信息,又能对地球的起源产生新的认识。地质学在很长一段时间内仅仅以描述性的矿产学为主,同生物学一样,大部分是由个人爱好,而不是基础理论构成的。古代生物的化石向已经受到生物进化理论熏陶的大众提出了自身起源的问题,而天文学和生物学也提出了同样的问题,可是这些学科都无法给出明确的答案。然而社会的期望值大大地提升了。科学观念根据有所改进,我们应该能够解密我们在宇宙中的位置之谜,至少大众是这样期待的。天文学、生物学和地质学的巨大进步加强了人们对于科学的期望。
  
  伦琴在他的职业生涯中长期保持着对于科学其他分支领域的强烈兴趣。他的好友中包括植物学家(Enderlin, von Sachs)、生物学家(Boveri)、生理学家(Fick)、组织学家(von Kolliker)、数学家(Prym)、化学家(Tafel),以及几位内科医生。
  
远距离相互作用之谜;发光的以太
 
  那个时代的科学家总是为这样一个事实感到疑惑不解:物体之间没有明显的介质时也能发生相互作用。(比如磁铁,太阳和地球的相互作用以及地球和月球的相互作用)。直到今天这种相互联系还未彻底弄清楚。在十九世纪,这个主题非常热门,伦琴就曾经尝试去弄清楚阴极射线的原理。
  
  古希腊哲学家米利特斯(Miletus)的泰尔斯(Thales)(公元前640?- 公元前546)被普遍认为是第一个系统性研究物体的远距离相互作用的人。他注意到从一个叫做玛格雷斯亚(Magnesia)的小镇上采来的铁矿标本能吸引铁片靠近(最有意思的是只有铁,别的物质都没有这种现象)。他发现就算在两者之间摆上薄木片或者铜片,这种吸引力仍然存在。这种力是怎么通过空气甚至障碍物来传递的呢?泰尔斯假定这种铁矿有生命力或者灵魂。泰尔斯还发现琥珀经过摩擦后可以吸引某些物体,因此他认为琥珀也是有生命力的,这件事同样使他很出名。历史喜欢这些简洁明晰的事实,因此基于这两件事,把电和磁的发现都归功于泰尔斯。然而如果泰尔斯真的是第一个研究电磁现象的人的话,那他可真算得上是历史上最伟大的人物之一了。



泰勒斯,古希腊时期的思想家、科学家、哲学家,希腊最早的哲学学派——米利都学派(也称爱奥尼亚学派)的创始人。希腊七贤之一,西方思想史上第一个有记载有名字留下来的思想家。
  
  这个谜团持续了几个世纪。占星学家解释不了行星和黄道十二宫(黄道十二宫(zodiac)一词来自希腊语zodiakos,意思是动物园。在希腊人眼里,星座是由各种不同的动物形成,这也就是十二个星座名称的由来)对人的影响。不同的行星代表不同的吉凶,这是怎么回事呢?当天文学家门发现行星和恒星实际上距离我们非常遥远,彼此之间距离也非常遥远,而黄道十二宫的星座实际上只是毫不相干的恒星被随机分组而成时,占星术遭受了重大打击,从此走向了没落。但实际上,太阳、地球和月球在它们各自的运动过程中确实是相互影响的。这种影响是什么样的呢?牛顿推断出了重力的概念,并且通过数学计算预测天体的运动规律,他的理论为人们所接受。有一点很关键:科学家们相信了牛顿的理论,是因为他能够预测天体的运动规律,而不是因为他很有权威,或是因为他通过玄学或是直觉得出结论。欧洲开始与亚里斯多德划清界限了。
  
  然而牛顿的万有引力是怎样从一个天体传递到另一个天体的呢?一定有一种载体,某种介质来传递这种力的作用。人们推测这种介质是这样的:它没有重量,不会被人们的感官所察知,它无处不在。人们把它叫做“以太”(ether,希腊语“清新的上层空气”的意思)。不少历史上最伟大的科学家都满脑子想着要找到以太这种宇宙介质。直到十九世纪末,还有许多科学界的带头人坚信宇宙的以太模型,并试图拿自己的发现往这个模子里面套。
  
  人们认为以太是传递光的介质(所以它得名“发光的以太”)。以太是气体,液体还是固体呢?行星可以轻易地穿过它,说明它必须得是种相当稀薄的气体。光波是横向的还是纵向的呢?光具有偏振性的发现说明光有横波的成分,那么以太一定得是种固体。因为横波只能在固体或者液体表面传导。此外,要想解释所有已知的现象,以太既得是种特别稀薄的气体,又得是种比钢铁还坚硬的固体。也许世界上还存在别的物质形式,只是人们还没发现而已。
  
  因果物理学家威廉·克鲁克斯爵士(William Crookes)(1832-1919)在十九世纪八十年代对阴极射线进行了初步的研究工作。他无法对它们进行分类,只好把他们称为“物质的第四种形态”。这在物理学家中间引起了极大的兴奋,因为他们正试图弄清楚以太的本质,而对阴极射线能够从某个角度解释所有问题充满期待。伦琴发现X射线后就曾沿着这个思路进行研究。继他的发现之后,关于X射线和阴极射线是否正是在以太中的振动,以及这两种放射线能否用于证明以太的存在,人们展开了热烈的讨论。沿这个思路提出的疑问占用了许多科学家研究生涯中的大量时间,像克鲁克斯、雷纳德(Lenard)、汤普逊(Thompson)等人均是如此。对于以太的研究所引发的问题远远多于研究本身回答的问题。1887年,物理学家迈克尔孙(Michelson)和摩尔利(Morley)证明了以太是不存在的,他们的实验结果与当时的常识如此背道而驰,以至于他们的结论很多年内都不被人们所接受。尽管他们的实验是在1887年完成的,伦琴到底有没有受到这个的影响还很难说。因为他始终相信以太的存在,还以之为基础来解释他的全部理论。

         阴极射线本质的谜团引起了物理学家的兴趣。这些射线是光波还是物质,甚至是否为物质的第四种形态?

威廉·克鲁克斯爵士,OM,FRS(Sir William Crookes,1832年6月17日-1919年4月4日),英国著名物理学家与化学家。他于1859年创办并主编《化学新闻》。1863年当选英国皇家学会院士,1913年至1915年间担任皇家学会会长。是铊元素的发现和命名者。其研制的阴极射线管(克鲁克斯管),为1895年X射线的发现,和1897年电子的发现提供了基本实验条件。威廉·克鲁克斯同时也发明闪烁镜等实验仪器和防护射线的特种玻璃,以及研究稀土元素及其光谱、空气中固氮等问题,并以此发明了辐射计。
 
 
  
工具的应用和测量方法的重要性
 
  十七世纪人们造出了望远镜和显微镜,借助这些工具,人们认识到世界是极其复杂的,无论是极其微小的事物还是无比庞大的事物,而在这之前人们并未意识到这一点。人体本身不再像人们以往所想象的那样无所不能。借助于各种工具,人们听到了以往从未听到过的声音,看到了以往从未见到过的颜色,感受到了以往从未感受到的振动。工具成了人们身体和思想的延展体,带领人们去了解不可思议之大和不可思议之小。十九世纪见证了工业革命带来的极大的技术进步,这使得科学研究的工具也获得了惊人的发展。这大大地拓展了人们的视野,从人们感知到的有限的世界进入到无限的现实世界。
  
  科学家们对于精确可靠的仪器和准确的观察比以往更加看重,而对于造就了他们科学研究方向的工具制造者深怀感激。再也没有比十九世纪后半叶更能体现工具制造技术的重要价值的了,因为特尔沙(Tesla)、爱迪生(Edison)、克鲁克斯(Crookes)、杜尔(Dewar)、雷纳德(Lenard)、法拉第(Faraday)和其他许许多多科学家的发现都依赖于他们涉及和制造的测量仪器。那是个工具制造者的黄金年代。
  
  现代电脑的先锋查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)(1792-1871)的分析仪就是构思绝妙,但因为没有精密的仪器制造工艺支持而未能实现的最好例子。1834年,巴贝奇设计了一台完全程序化的机械计算器,有记忆和分支指令,由线圈和打孔卡构成。由于这台分析仪是由十分精密的机械组件运作的,所以它需要对零件进行极为精确地加工,而对于巴贝奇来说非常不幸的是,在那个时代最好的工具制造者也造不出强度符合要求的零件。巴贝奇和他手下的工作者不得不亲自动手去制作所有的零件,可是零件过于繁多,想靠手工来完成谈何容易。巴贝奇在有生之年都没能看到他的分析仪被制作出来,然而十九世纪晚些时候,随着高精度的工具被人们制造出来,有人造出了这样的分析仪,而且运转良好。

巴贝奇(Charles Babbage,1792—1871) 巴贝奇发明的分析机 巴贝奇发明的分析机
查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage,1792—1871):科学管理的先驱者巴贝奇出生于一个富有的银行家的家庭,曾就读于剑桥大学三一学院。巴贝奇在1812~1813年初次想到用机械来计算数学表;后来,制造了一台小型计算机,能进行8位数的某些数学运算。1823年得到政府的支持,设计一台容量为20位数的计算机。它的制造要求有较高的机械工程技术。于是巴贝奇专心从事于这方面的研究。他于1834年发明了分析机(现代电子计算机的前身)的原理。在这项设计中,他曾设想根据储存数据的穿孔卡上的指令进行任何数学运算的可能性,并设想了现代计算机所具有的大多数其他特性,但因 1842 年政府拒绝进一步支援,巴贝奇的计算器未能完成。斯德歌尔摩的舒茨公司按他的设计于1855年制造了一台计算器。使真正的计算机时至到电子时代才制成。 巴贝奇在24岁时就被选为英国皇家学会会员。他参与创建了英国天文学会和统计学会,并且是天文学会金质奖章获得者。他还是巴黎伦理科学院、爱尔兰皇家学会和美国科学学院的成员。

  
  精确的仪器带来精确的测量结果。科学家们通过比先辈们更为精确的数字测量,得出许多关键的发现,例如通过对天王星运行轨道的精确测量,人们发现了海王星的存在(1846年),菲佐(Fizeau)在地面上测得了光速(1849年),著名的迈克尔孙·摩尔利实验证明了以太风是不存在的(1887年)。也许常常被引用,威廉·汤姆森爵士(之后的开尔文勋爵)在1883年的评论能够为这种强调精确测量的现象的本质做一个总结:
“当你能够测量你所谈论的东西,并且用数据表达出来时,你确确实实对这样东西有所了解,而当你无法测量它,无法用数据来表达它时,你的知识就属于一种贫乏而难以令人满意的状态。这可能是知识的开端,然而你的思想就很难进展到科学之境,无论什么事物都是如此。”


威廉·汤姆森(William Thomson),受勋后的名为凯尔文男爵一世或领主凯尔文(1st Baron Kelvin或Lord Kelvin)。生于1824年6月26日的爱尔兰贝尔法斯特,卒于1907年12月17日的苏格兰拉格斯。为爱尔兰的数学物理学家、工程师。也是热力学温标(绝对温标)的发明人,被称为热力学之父。
 
  
  威廉爵士受到人们的普遍敬仰和尊重,因此他的这番评论使物理学家们更加坚定了要最用心地进行测量,得到最准确的数据的决心,因为他们希望自己的工作可以被称为真正的科学。然而自然科学(生物学、博物学等)没有为测量提供太多机会,而且生物多样性在生物学中扮演了非常重要的角色,使精确的测量显得可有可无。生物学家感到被孤立了,对精确测量的固执使一些生物学家感到孤立无援;他们进行测量,但却极少能到相对应的确切的模型。而物理学家们开始质疑这种生命科学究竟算不算的上是科学——这种争论在生理学、经济学和社会科学领域至今仍然存在。不管用哪种方式来衡量,好的科学的标准之一是好的测量数据,这一点是毋容置疑的。
  
业余科学家
 
  十九世纪早期,科学在很大程度上是有独立经济来源的绅士们的一种业余爱好。专职科学家几乎没有,倒是有医生、工程师等专业人士在他们的闲暇时间进行科学研究。随着时间的流逝,工具的精度越来越好,天文学、显微科学和其他科学的魅力逐渐吸引了范围更广的人群。到了十九世纪中叶,不仅仅是专业的科学家,业余人士也能用上好的测量工具了。只需花上为数不多的钱,一位业余爱好者就能买到显微镜、望远镜或是阴极射线管,而这些仪器的质量同最杰出的教授使用的一样好。业余科学家为我们的天文学、电磁学、化学、医学和很多其他领域的知识做出了杰出的贡献,这种情况至今仍是如此。
  
  英国科学家是很有意思的一个群体,因为他们中间很多人,包括最有名的一些人,都是把科学当作业余爱好的业余人士,而他们往往成果丰硕,影响深远。这些著名的英国业余科学家包括达尔文(生物进化理论),巴贝奇(电脑概念的提出者和首位制造者)和焦耳(热能和其他形式能量守恒理论)。也许业余科学家大量涌现的原因之一是缺乏公共机构提供研究职位。具有讽刺意味的是,在工业革命的发源地,最富裕的地方,用于科学发展的经费却少的可怜。
  
科学的普及
 
  科学知识一度为大学和修道院所专有,然而到了十九世纪早期,科学的大门已经向普通人敞开了。科学研究的精髓在于实验结果和观察者无关(这个原则后来因为相对论而受到挑战),一个设计良好的实验,由任何人来做都会得到相同的结果。随着科学杂志和期刊的大量涌现,随便哪个业余科学家都能了解到学术界最杰出的科学家做了什么实验,而且只要有合适的资源,他们尽可以重复实验过程,甚至在其基础上加以改进。
  
  欧洲的第一份科学期刊是1664年于伦敦发行的《皇家学会学报》(Transactions of the Royal Society)。因为专业的科学家很少,大多数还是业余的,所以这份期刊既包含专业的科学知识,也包括科普知识。第一份专门致力于向大众传播科学类文章的期刊应该算是《科学家》(The Scientist)杂志,它是在莱兹堡出版发行的,不过只办了一段时间(1747-1748年)就停刊了。随后继承它的是在柏林出版的《物理的乐趣》(Physikalische Belustigungen),它在1751到1757年间发行。这两份期刊都是由具有强烈进取心的克雷斯丁·米留斯(Christian Mylius)出版的。在美国,第一份科普出版物是《科学美国人》(Scientific American)(1845年出版)。科学在自我推销方面做得相当不错:十九世纪中叶,一大批博物馆、天文馆、植物园以及其他的科学陈列馆如雨后春笋一般涌现,激起并满足了公众的好奇心。1851年伦敦的水晶宫展览(Crystal Palace Exhibition)是世界上首次科学进步成果展,紧随其后的是1855年的巴黎展览。之后世界上每一次的展览会都少不了科学的身影。

 
 
 
  公众对于科学与日俱增的兴趣也在小说文学中有所反映。法国小说家儒勒·凡尔纳(1828-1905)在很短的时间内连续推出了三本引起巨大轰动的小说:《地心游记》(1864年),《从地球到月球》(1865年),《海底两万里》(1870年)。凡尔纳在作品中幻想了火箭和太空旅行,潜水艇、水下呼吸器和电视。他的作品对启发科学思考有着深远的影响。对于这些新的科学前沿的兴奋感促使许多人选择了科学相关的行业。
  
  很有意思的是,基于当时以假乱真的号称是“科学常识”的假说而写就的两本通常篇幅的科幻小说正是埃德加·爱伦·坡(1809-1849)所著。《万·汉斯·法尔的无以伦比的冒险》(Te Unparalleled Adventure of One Hans Pfaall)(1835年)是一部科幻小说、讽刺文学和幽默的奇妙混合体。它讲述的是坐着热气球去月球旅行的故事。另一本《亚瑟·戈登·皮姆记事》(The Narrative of Arthur Gordon Pym)(1838年)则要严肃得多,它讲的是前往当时还罕为人知的大西洋的海上探险,小说写就时距离人们发现大西洋仅仅十八年。爱伦·坡的其他著作同样显示了他在建立故事线索时使用逻辑推理的娴熟技能。与儒勒·凡尔纳所不同的是,爱伦·坡的作品没有引起群众对科学日益增长的兴趣,也就没有起到促使公众支持科学的作用。
  
科学与宗教
 
  与历史相比,如今科学已经普遍为教堂所接受的事实确是令人感到欣慰。自中世纪以来,宗教组织与科学之间总是关系非常紧张,因为科学提供了另一种易于接受的,客观的解释,在很多情况下威胁到,甚至取代了传统的教育。渐渐地这种紧张的形势得到了缓解。以往仅由修道院提供的教育和知识,当前确可以在大学里自由传播。尤其是在德国,改革鼓励人们独立思考,这自然而然地影响到了科学家。一个人可以在接受教堂庇护的同时追求独立的科学调研工作。想要了解十九世纪科学家们的生活,很重要的一条是不要忘记他们是有宗教信仰的人(除了少数相当有名的例外),他们研究科学是为了对神的举动做出解释,而不是驳斥。伦琴和同时代的其他科学家一样,从教堂接受独立的科学研究一事中获益匪浅。
  
  十九世纪早期,科学的加速发展使教会感到不安。科学会对宗教产生什么样的影响,是增光添彩还是使之受创?1859年,随着达尔文和沃利斯(Wallace)提出生物进化理论,这种紧张的形势达到了顶峰。许多接受了这一理论的科学家发现他们面临着两难的境地:要么否认这一理论,要么离开教会。一百多年过去了,如今神学和科学两者并存的局面早已为人们所接受,而早年教会对这一科学分支的明显敌意也已经消退得差不多了,尽管还是有一些痕迹残留。
  
  公众对科学日益浓厚的兴趣对教会,特别是新教的教会产生了很大影响。双方相互促进的思想正说明了这一点:“神学是一门不断进步的科学,它有能力在新近发现的事实引导下不断地改进自己,并逐渐接受关于物质世界的不断更新的知识理论。”到了十九世纪末,教会和科学已经逐渐达成了和解,紧张的形势缓和下来。教会又开始欢迎科学家的加入了。
  
  伦琴出生于一个宗教信仰较为中立的路德教家庭。他的祖父约翰·辛里奇·伦琴是他诞生地伦内普的路德教教会的元老之一。科学家伦琴在自然界中看到神意。用传记作者W. 罗伯特·尼斯克(W. Robert Nitske)的话来说,“伦琴坚信万物的存在都是完全有序的,创造不是偶然的巧合,而是冥冥之中早就有所安排。人们发现的任何事物都是早已存在的,所有的发现都仅仅是人们以前疏于关注的现象。”神学界对于科学态度的软化为伦琴铺好了台阶,使他可以相信科学而完全不用为背叛自己的信仰而感到愧疚。伦琴能够很好地容忍其他宗教,他有一回暗示说,多熟悉熟悉天主教的观点对他的新教徒朋友不会有什么害处。
  
科学和哲学
 
  无论科学家们多么小心谨慎,他们都很难将自己的观察和分析的结果从他们在科学研究中的基本思想框架中分离出来。十九世纪的科学家们有好几种截然不同的哲学思想,每种哲学思想都为其信仰者塑造了特定的世界观。尽管一概而论往往会具有偏向性,包括这个观点也是如此,但笔者还是要提醒大家注意,十九世纪早期的英国,法国和德国科学家绝对不是一个统一的、坚定的,在基本观念上达成共识的群体。他们中间的每一位都或多或少地受到了激发他们对科学产生最初的兴趣的哲学环境的影响。
  
  亚历山大·波普(Alexander Pope)有句格言,“对人类最有意义的研究是人性”,类似地我们可以说,对自然科学最有意义的研究是密切的观察,仔细的测量,详尽的记录和数据单,以及将经验性的观察总结归纳成理论。十九世纪的英国科学以经验主义和谨慎引出的推论为主要特征。这个年代见证了大英帝国在电学、磁学、光玄学、化学和生物学领域的巨大进步。


亚历山大·蒲柏(Alexander Pope,1688年5月21日 - 1744年5月30日)是18世纪英国最伟大的诗人。蒲柏出生于一个罗马天主教家庭,由于当时英国法律规定学校要强制推行英国国教圣公会,因此他没有上过学,从小在家中自学,学习了拉丁文、希腊文、法文和意大利文的大量作品。他幼年时期患有结核性脊椎炎,造成驼背,身高没有超过1.37米。
 
  
  与英国相比,法国的数学家们则享有令人称羡的不朽声名。拉格朗日(Lagrange)、 拉普拉斯(Laplace)、庞加莱(Poincaré)和帕斯卡(Pascal,虽然还从事概率论方面的研究)把宇宙看作一个遵循有序的数学规律的有序世界。法国科学家坚信一切事物都符合数学规律。让·巴蒂斯特·约瑟夫·傅立叶(Jean Baptiste Joseph Fourier,1768-1830)的工作就是一个最好的例子。他对热能传递的数学处理创造了一个强大的数学工具,这个工具如今在医学影像学应用的越来越多。非康德学派的法国科学家不喜欢把各种形式的能量联系在一起,这种倾向性在安托万·亨利·贝克勒耳(Antorine Henri Becquerel,1852-1908)的著作中就有所体现。安托万·亨利·贝克勒耳发现了铀的放射性,但他在很长一段时间内把它当成某种形势的荧光,因为荧光正是他和他的前辈们做出杰出贡献的领域。
  
  尽管在现存的伦琴的著作中并未特别提出恩斯特·马赫(Eenst Mach,1838-1916)对他的影响,但毋容置疑的是恩斯特·马赫或多或少对他产生了影响。恩斯特·马赫是一位非常有名的奥地利物理学家和哲学家,他呼吁科学家把自然规律用最简单经济的方式构建出来。(“物理学就是用最简洁的顺序整理出来的经验总结”)。马赫的观点可以追溯到英国哲学家奥卡姆·威廉(Occam William,c.1285-1349),甚至更早,此人强调对科学原理的解释一定要遵循简练的原则。他的极简哲学被称作“奥卡姆快刀(Occam’s Razor)”。伦琴在他的著作总是力图达到最简练的解释和最简朴的假设。奥卡姆同样试图排斥因果论的概念,而这一点对于伦琴来说就很有难度了。


恩斯特·马赫(Ernst Mach,1838年~1916年),奥地利物理学家、哲学家、心理学家、生物学家,1838年2月18日生于奇尔利茨。马赫在研究气体中物体的高速运动时,发现了激波。马赫确定了以物速与声速的比值(即马赫数)为标准,来描述物体的超音速运动,在力学上做出了历史性贡献。在哲学上,马赫是逻辑实证论者,并提出经验主义。
 
  
  德国科学家受到以马内尔·康德(Immanuel Kant,1724-1804)(或许还有其他人)的影响。康德认为,人对于空间、时间、物体、能量的感受,对于因果律的认识,甚至推理过程本身,都不是脱离其思想所存在的客观特性,而是其头脑在其本人的经验和个人的世界观影响下所形成的概念。康德学派小心翼翼地避免过多地运用推导的证据,而是主张谨慎地运用数学工具。康德学派的学者还明白自己的感觉是不可信的,至少他们的感觉传达给他们的信息是如此。他们试图把各种各样的法则融会贯通,形成综合的观念,比如说他们意识到能量的概念是一个统一体,不同形式的能量之间有着某种联系,一种形式的能量能够向另一种形势的能量发生转化。这种想法为从某些先入为主的观念下解放思想而起到很大作用,就像人们从前认为电和磁本是完全不相干的两个概念。十九世纪早期康德学派的影响最大,到了该世纪的后期,其影响就小得多了。很有意思的是,对于伦琴来说,他不费吹灰之力就能把他的新射线同其他形式的放射线联系起来,这个过程中他并没有借助于数学工具的力量。
  
  伦琴可能通过他的导师而受到康德学说的影响。康德教育他的追随者说,我们的经验会根据我们如何理解我们自己的感觉而得到积累,并对我们的推理过程产生影响,因此感觉和推理都是有局限性的,我们不应该太相信它们。伦琴在他的职业生涯中更多的是依赖于客观的仪器测量,而不是主观的观察结果。在他的一些观察结果中,他深知自己的色盲对他造成了很大限制。但事实上这并没有对他达到的成就设置任何障碍。至少有一次,伦琴对他的感觉和推理都产生了质疑。当他发现X射线的时候,他的怪异表现说明他害怕出现来自他本身的某些主观感觉的问题,并且害怕在他那阴暗的实验室中所获得的神奇结果只是他的一种错觉。
  
决定论
 
  科学家们日渐感受到人的力量和个人的主观能动性,这使得他们对自己能预料并最终控制自然现象寄予厚望。许多以往现实中被完全认为是神化的事件和过程,而现在人们已经越来越清楚它们本来的根源是自然过程,而这个过程是可以研究、测量、描述甚至有些情况下是可以预测的。维勒(Wöhler)合成尿素(1828年),证明“生命力”并非有机物所必需;达尔文的生物进化理论(1859年),以及用自然选择作为物种多样性的合理解释的逻辑;地球的年纪是以数十亿年来计算的这一认知,以及通过研究地质学标本来确定其年代的技术;机械学的进步,特别是在物理学和数学结合以预测复杂体系的运动状态和位置方面的进步,都可以作为极好的例证。
  
  随着科学工具,主要是在物理学和化学领域的巨大发展,科学家们发现他们对于自己所观察的现象在很大程度上可以进行掌控。科学从着重通过观察和描述来获取知识,逐渐过渡到通过控制和预测来理解事物。这种变化不是一蹴而就的,而是一种潜移默化的过程。科学家们越来越擅长于把对现象产生影响的因素分离出来,并且控制实验条件,每次改变一个因素来进行研究。物理和化学领域开始进入十九世纪标志着技术进步的高潮。
  
  法国数学家皮埃尔·拉普拉斯(1749-1827)沿着这条线索写道:“如果有一种智慧能够领略到自然界是如何焕发生机,以及构成它的物体的各自位置,如果这种智慧足够宽广,足以对这些数据进行分析,那么只要套用同一种模式,他就能同时了解到宇宙中最大天体和最微小的原子的运动模式,对他来说没有什么是不确定的,未来和过去一样被他尽收眼底。这样的智慧哪怕只出现一刻,该有多好啊!”
 
  拉普拉斯的观点是贯穿于力学的决定论的体现。如果一个人通过某种方式能够同时了解所有的位置和瞬时速度,他就能预测所有将来会发生的事,同样也能重建所有过去发生过的事。这种观点更多的是体现了数学思维而不是控制论,但它很清晰地阐述了决定论的观点。
  
  1865年,德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(Gustav Robert Kirchoff)写道:“自然科学竭尽全力想要实现,而决计无法达到的最高目标是决定自然界中存在的力的作用,以及任意给定时刻的物质的状态。总之一句话,这个目标就是把自然界中所有的现象归纳为力学问题。”
  
  对于决定论的定律日益增强的依赖性,使得科学家们坚信,只要他们的实验是确实有效的,其他实验员按照同样的方法进行实验,就一定会得到同样的结果。从我们现在的观点出发,很难想象科学家会有别的什么想法。然而对于十九世纪早期的科学家来说,他们尚未完全做到只要了解了影响事物发展过程的所有因素,就能通过改变影响因素而改变结果。也许这可以看作科学事业中的达尔文自然选择论在起作用:依靠自身力量来寻找事物的决定因素,并通过实验来验证自己假说的科学家们成功了,而把事物的结果看作是神的旨意或是位置力量的影响的科学家们一无所成。
  
  决定论的理论对物理学家的影响是可想而知的。力学领域成了大热门。物理学家们从化学家那里获得了灵感。化学家们推导出化学公式和配方,只要照着这些指示做,无论谁都能造出想要的化学药品,想要多少都没问题。把整个十九世纪初到十九世纪末的科学杂志从头翻到尾,就会发现很有意思的现象。潮流导向从仅仅是描述性和纯理论的记叙文,明显地转向了描述实验细节,提供给读者重建该实验的所有必需的信息。读者的信念十分坚定,只要照着杂志上写的做,就一定能得到与之完全一致的实验结果。
  
  作为一名物理教授,伦琴因为在准备和进行教学实验时技巧娴熟而广受赞誉,这项技能即使是很多最有天赋的科学家也望尘莫及的。伦琴在自己的论文中时常扮演一个讲演者的身份,对自己的实验过程进行讲解。他为讲演者写了好几篇文稿,来阐述“怎么做”,他于1883年发表的论文《关于在演示泊松定律的讲座上使用的仪器》就是一个很好的例子。在他经典的于1895年发表的关于X射线的文章中,伦琴的风格与其说象是个试图研究问题的物理学家,倒不如说像是某个解释如何进行论证的人。在这篇文章中,伦琴对于使他跻身第一流科学家之列的问题,以及他开始这项实验的最初动机绝口不提。
  
  决定论在科学界的滋长同时也带来了压力。教会声称人类正在篡夺神的位置,通过解释自然现象而使神无处安身。当时绝大多数的顶尖科学家是有宗教信仰的,为了化解这种负面的意见,他们态度十分诚恳地澄清说,神绝不同人类开玩笑,也不会操纵实验,科学只是对神的工作的一种理性的解释,而实验正是这种解释的依据。科学是为了展示神操纵世界的方式。
  
  为了证明这一点,他们指出物理学定律放之四海而皆准,不论什么时候,对所有人一视同仁。而倘若神有意直接对实验进行干预,那结果就绝不是这么一回事了。
  
  决定论在医学界站稳脚跟,很大程度上要归功于路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)的微生物致病理论被证实。一些至今得不到解释的疾病的根源可以被研究,而有潜力的治疗方案可以在实验室而非濒死的病人身上进行实验。疾病和死亡已经不再是完全未知的谜,基础的理论已经建立,而了解病因会为疾病的治疗打下基础,这带给人们很大的希望。这个理论至今仍然适用。医学界的决定论是神借力于人的观点。也许微生物将人击倒是神的意愿,可是科学家应当击败微生物拯救世人也许同样是神的旨意。就算是疾病也是某个确定的原因的结果,这个观点得到了证明,大大加强了众多科学家寻找尽可能多的现象的原因的决心。
  
科学和欧洲的大学
 
  伦琴的一生,从十几岁开始就是在作为科研机构的大学里度过的。从伦琴还很小的时候起,他就把自己视为一位科学家或是某个专业的工程师,并且深知就读大学是他唯一可走的路。研究机构在他生命中所扮演的角色,说的再重要也不过分。他想要上大学的决定给他带来了许多麻烦,可是他做到了,而他的整个职业生涯就是在一所又一所大学内度过的。这些大学院校对于伦琴的自身形象是如此的重要,以至于我们很有必要来回顾一下伦琴时代大学的发展过程。
  
  大学作为西方社会长期存在的机构,其久远性仅次于罗马的天主教。十九世纪中叶时许多大学发现自己面临着两难的境地:他们究竟应当利用自己的自愿来维持传统的经典教学呢,还是使他们的课程更加丰富多样,教授新的实用技术呢?
  
  法国大革命对于欧洲的大学产生的后续影响是极其深远的。它显示出旧的秩序应当彻底被推翻——这显然是变革思想的老调重弹。法国的大学进行了重组,来满足人们(或者说是国家)的需求,而科学技术的教学享有很高的地位。解放的思想使得大学的政治气息越来越浓厚,并且孕育了众多带有社会和政治任务的学生运动。教授们再也指望不上学生理所当然地接受他们的观念,他们必须努力说服学生。伦琴在他吉尔森(Giessen)和伍兹堡(Würzburg)的教授生涯中从这场学生自由运动中获益匪浅,那时学生们通过多种途径表达了对他的尊重和喜爱之情。
  
  学者兄弟威廉·冯·洪堡(Wilhelm von Humboldt)和亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)按照他们的“自由大学”理念对德国的大学体系进行了重塑。这种理念培养了自我表达和个人自由的观念,教授们在大学里可以自由传授他们认为合适的内容,不用受到来自国家、宗教组织和资金支持机构的限制,而学生们可以自主选择他们研究学习的方向,他们的生活与大学保持相对独立。1809年他们建立了柏林大学,截至1840年柏林大学已经是德国各城邦中最大的一所大学了。尽管这种自由大学的理念没有受到继任的若干位教育部部长的支持,但这种思想持续下来,当伦琴任教于吉尔森(1879-1888年)和伍兹堡(1888-1900年)时,他寻求到了一种以前闻所未闻的学术自由氛围,这令他欣喜不已。
  
  在德国,高等教育的费用十分昂贵,因此从实际情况出发,受教育的对象仅限于有权有势的富人。所有需要高等教育的好职位实际上都是为上等阶层的人保留的。从某种程度上来说,教育成了一种社会等级的划分屏障。威利斯·鲁迪(Willis Rudy)对此作出了解释:“在1885年的德国,高等教育的费用为四千到八千马克不等,而一位小学教师的年薪平均只有一千五百马克。在1885年,七百五十万人进入了德国小学,238,000人上了中学,而德国所有的大学加起来,也只招收了27,000名学生。” 
  
  在最早的有史可考的时候,科学实验室就已经存在了,可是在法国大革命之前,科学实验室从未和大学建立过特别的联系。在十九世纪早期,法国、英国和德国出现了大学实验室,它们有的是为了教学,有的是为了研究而设置。德国大学最先将这两个概念合二为一,成立一个合教育与研究为一体,给予博士学位的项目,这个体系与我们现在的体系十分相思。十九世纪三十年代,吉尔森的化学家贾斯特斯·李比希(Justus Liebig)很可能是最早实现这一点的。当伦琴加入吉尔森的教学团队时,这个研究-教学融合的主旨已经很好地实现了,当他1888年移居伍兹堡时,情况也与此类似。
  
  想要对十九世纪的德国大学的气象有所了解,理解“文教”的概念自当有所裨益。这个概念代表了教育、纪律、塑型、自我发展、学者精神,以及道德和感情的成熟。这个概念表达了人作为他的理想社会的一份子的形象。学者把知识作为仅有的追求目标是远远不够的。洪堡兄弟在这个基础上更进一步,他们推崇“全民文教”的理念,也就是说教育不是针对个人或是社会的某种特定需求,而是为教育而教育。正如亚历山大·冯·洪堡在文中提到的,“对于大学本质的深入了解点亮了智慧之光,将自由的观念带给世人,这是任何命运的打击或是邪恶的势力所难以摧毁的。”
  
期刊和学会
  
        印刷期刊的发明,使得文字可以广泛传播,从而给人与人的交流带来了翻天覆地的变化。而科学期刊的发展通过首次创造了科学家之间的交流,而对科学造成了巨大的变革。通过科学期刊,学会和国际会议的发展,科学家之间的交流变得轻松多了,每个国家都为建立一个更普适的欧洲科学模型贡献出自己的力量。数学原理、归纳和推理的哲学工具,以及精确测量的重要性的认知的巧妙结合,给科学带来了期盼已久的养分。十九世纪,在化学、生物学、物理学甚至地质学领域,理论和数学模型被建立,并通过实验加以验证,因而各个领域都获得了以往从未有过的大幅发展。
  
  或许德国是最早发起跨学科的联合以促进科学进步的国家。在1870年之前,德国还远不是现在的样子,那个时候的德国是一个由松散结合的、不稳定的,经常互相争斗的王国和公国组成的结合体。尽管德国科学家从他们的政治家或工业家赞助人那里获得了支持,但那时还没有国家的联合。从一个德国公国进入到另外一个是相当不便的,甚至相当危险。更可怕的是各国之间的界限根本不为人知。然而德国科学家感受到了一个联合学会的必要性。第一个为科学发展而建立的学会是由一群来自莱比锡(萨克森(Saxony))的以德语为母语的科学家于1822年建成的,它被称作“德国科学协会”,实际上是讲德语的自然科学研究者同盟。继德国科学协会之后,英国人也迅速建立了“英国科学发展协会”(1831年),在美国则是“美国科学发展协会”(1842年)。

        协会中的科学家们,不论是专业的或是业余的,为了科技的发展紧密地联系在一起。这个二十世纪早期的团体似乎将迎来一段美好的时光。伦琴也曾经是这类协会的坚实支持者。
  
  这些学会(在整个欧洲形成了相当多的学会)在发展思想和信息方面起到了重要作用。他们出版的杂志当然也起到了举足轻重的作用。这样说来,想想那个时候的科学杂志编辑是多么的一手遮天,都会觉得很有意思。他们完全不借助于编辑小组或是评论家同行的意见,就擅自决定采用哪篇文章,丢弃哪篇文章。科学杂志的编辑们常常征求宣传某种特定观点的文章并加以采用,甚至自己创作这样的文章也不是罕事。值得强调的是反对社评的正是这些编辑写就的科学文章。
  
  科学杂志常常用现任编辑的名字来命名。因此德国的物理学年报的称呼变来变去,有时被叫做波根多夫(Poggendorff)杂志,有时被称为德鲁得(Drude)杂志,有时又被叫做维德曼(Wiedemann)杂志,取决于谁是当时的主编。这种令历史学家十分费解的混乱情况,恰恰反映了那个年代科学家数量虽少,彼此却更为亲密无间的关系。
  
  科学杂志的网络对于伦琴来说是十分珍贵的财富,他是这些杂志的热心读者。奥托·格拉瑟(Otto Glasser)在他的伦琴传记中描述了伦琴热衷于阅读而疏于写作的强烈对比:“伦琴之所以能在物理学的不同领域成功解决如此多的问题,都要归功于他渊博的文学知识,他常常读书到深夜,来保持对最新刊物内容的了解。他对于物理学研究的竭诚贡献以及他在研究实验室的杰出技艺,为他带来了极好的结果。然而只有把他自己逼到极限,他才愿意写下自己的研究成果以供出版。他的兴趣很快就转向了别的实验,并很快沉浸其中,以至于他根本无暇出版之前的研究成果。”
  
  尽管如此,伦琴还是为科学文学贡献出了五十八篇文稿,其中绝大多数发表在物理学年报上。在他1895年的发现之前,他的四十八篇文献中,有三十七篇是在这份权威性的杂志上发表的,他在物理学界的地位由此可见一斑。
  
  科学学会,尤其是莱比锡学会,所起到的不仅仅是交流科学思想论坛的作用。他们不仅对当时最具盛名的科学家开放,只要是对科学怀有热忱兴趣的人士都受到欢迎。莱比锡学会吸引了众多小有名气的科学家以及献身科学的非专业人士来参加会议,这一点使他们的社会联系极其广阔。到了最后一个不是科学家,仅仅是对科学报以真诚兴趣的人都可以参加科学会议,与最顶尖的科学家擦肩而过,首次目睹他们究竟长得什么样儿,聆听他们的谈话。公众对于科学研究的支持从未达到这样的高度。政府开始发现支持科学家能够带来实际收益。由于受到了来自与其学会的同样的在大学工作经历的鼓舞,科学家们比以往更多地开始携手共同进行研究,当然最高级别的科学家除外。直到十九世纪末他们还是独立地以自己的名义发表文章。
  
关于光的本质
 
  一个反复被提起的主题贯穿了整个十九世纪的物理学研究,那就是难以解释的光的本质。光到底是一种粒子还是一种波呢?有时它表现得像粒子,有时又表现得像一种波。一周七天,三天有人说光是粒子,三天有人说光是光波,剩下一天,干脆大家都偃旗息鼓,谁也别挑起争论。人们发现光谱中红光远端的射线(红外线)能够对温度计产生影响,而紫光远端的射线(紫外线)则能使硝酸银产生化学反应。因此,尽管电磁波谱的概念尚未诞生,人们已经接受了红外线和紫外线是某种形势的光的观念。1886年赫兹把他的“电波”加入了光的定义范围内。之后直到1895年,都没有新的内容加进我们现在所熟知的电磁波谱的范围里。
  
       甚至到了十九世纪晚期,科学家们发现的电磁波谱也是极为有限的。已知的只有可见光、近紫外线、近红外线以及“电振荡”(赫兹的无线电波)。
 
  光的粒子理论可能起源于中世纪,从获得巨大成功的宇宙的力学观点中得到了主要的支持。十八世纪,决定物体特性的最主要性质是它的质量这一观点深入人心,因此光是由质量极其轻微的极小微粒所构成的这种观点看上去是不证自明的。可是这种理论还是遇到了难以解释的问题:微粒如何能够轻易穿过玻璃呢?
  
  英国科学家罗伯特·虎克(Robert Hooke,1635-1703)发展了光波理论,并在1665年付诸出版。1690年荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)应用这一理论来解释光的反射和折射现象,并且形成了至今仍在使用的法则:光波前沿的任意一点都是一个新的波源。
  
  但光的粒子理论仍然没有被动摇。虎克和惠更斯的工作被视为数字化的假说,缺乏实验证据加以支持。而光的微粒学说则看起来更符合宇宙万物运行的规律,因而更加合理。科学家开始积极寻找能够解决这个问题的实验。
  
  英国物理学家和医生托马斯·杨(Thomas Young,1773-1829)的简单而极具说服力的实验解决了这个争端。杨在1801年以一个简单的实验决定了光究竟是由波还是粒子构成,为十九世纪制造了一个良好的开端。他推理说,如果光是一种波的话,它应当象声波或是水面波一样,表现出干涉的特性,这是粒子不会存在的现象。(杨假定光是一种纵波而不是横波。除了这一点,他的大部分观点都是正确的。随后伦琴推断X线可能是以太中的纵波,而不是像光那样是种横波。当然,那个时候人们已经知道光是横波了)。
  
  杨让光线通过一个狭窄的裂隙,投射到一个平面上。这个平面上有两条并行的,彼此非常接近的狭窄裂隙。通过这两条裂隙的光线在平面后的屏幕上彼此重叠。如果光线是由粒子成的,从两条裂隙中透过的光波将彼此干涉,相互加强或削弱,从而形成明暗相间的条纹。正如任何一个物理专业的学生耳熟能详的,杨发现这个推论得到了证实,这种现象只能由光波理论来解释。光的粒子模型遭受了重创(图1.13)。
  
        杨氏经典双缝试验说明光也存在干涉现象,因此光的性质更像是波,而不是粒子。
 
  杨运用简单的几何学知识在试验中测量出了光的波长,他报道说,光的波长大约是五千分之一英寸,换句话说,将近500纳米。我们现在知道了可见光的波谱在400到700纳米之间。因此杨在1801年测量出的结果可以说是准确无误的。他还研究了薄层油膜的色彩干涉环,这是艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1642-1727)注意到却没能做出解释的现象。杨认识到,只有假定每种颜色的光波有着不同的波长,并且遵循自己的干涉途径,才能解释光波干涉造成的色彩环现象。由此他在光的颜色和波长之间建立了联系。


托马斯·杨(Thomas Young,1773~1829 )英国医生、物理学家,光的波动说的奠基人之一。他不仅在物理学领域领袖群英、名享世界,而且涉猎甚广,光波学、声波学、流体动力学、造船工程、潮汐理论、毛细作用、用摆测量引力、虹的理论……力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、埃及学……他对艺术还颇有兴趣,热爱美术,几乎会演奏当时的所有乐器,并且会制造天文器材,还研究了保险经济问题。而且托马斯·杨擅长骑马,并且会耍杂技走钢丝。一位真正的顽主。
 
  
  杨的伟大工作并没有就此止步,尽管这些成就足以使他作为医生-物理学家在历史上的杰出人物之列中占有一席之地。1807年,杨发现红光、绿光和蓝光的不同组合可以创造出几乎所有的颜色,从而奠定了三原色理论的基础。他的工作在英国并没有收到良好的回应,英国人认为他不爱国,因为他的理论和牛顿的观点相悖。但在法国和德国,他的理论被人们普遍接受,他的成就得到了公认。
  
电和磁
  
        电和磁的现象从远古时代就为人们所知。十九世纪对于电磁现象的理解远远超出了以往和以后的任何一个时代。1791年,意大利物理学家及医生路易吉·高坎尼(Luigi Galvani,1737-1798)发现,从莱顿瓶放出的静电可以使离体的蛙腿肌肉产生收缩,随后他发现用两种不同金属同时接触离体蛙腿肌肉也可以产生同样的收缩效果。这项发现在不同金属和电流之间建立了联系。意大利物理学家亚历桑德罗·伏特(Alessandro Volta,1745-1827)根据这项发现继续进行研究,于1800年制造出了电池。这是一项独特的发明。伏特的电池是由被盐水隔开的交替的锌片和铜片构成的,这项装置首次提供了流动的电流。伏特的电池模型首次提供了稳定的电流源。
  
  伏特的电池对于十九世纪科学发展的影响是不容小觑的。它在数十年内为不计其数的物理学家、化学家和工程师提供了发展自己的机会。它使不计其数的发现和发展成为可能。1808年英国化学家汉弗莱·戴维(Humphrey Davy,1778-1829)用一个强大的电池组将钠从盐溶液中分离出来,这件事在以前是绝难实现的。戴维又用同样的方式分离出了钾、钡、钙、锶和镁。他能干的助手,米歇尔·法拉第(Michael Faraday,1777-1867)把这项进步发展成为一门有组织的科学:电化学。1820年丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted,1777-1851)发现当电线中有电流通过时,电线附近的磁针会发生偏转。这个发现首次在电和磁之间建立了联系:电流可以产生磁场。法国物理学家安培(Andre-Marie Ampere,1775-1836)抓住时机,沿着这条线索更进一步,为这种联系建立了数学基础。他推理说,如果电和磁有着某些共同的特性的话,那么也许有电流通过的导线会表现得像有南极和北极之分。他发现事实正是如此(1820年):一根带有某一方向电流的导线会对带有同样方向电流的导线产生排斥,而对带有相反方向电流的导线则产生吸引力:电果真具有磁的特性。1831年米歇尔·法拉第发现改变通过传导线圈的磁场方向和大小会在线圈中诱导出电流:磁也可以生电。 伏特电池使得不计其数的工业得到了发展。它是1888年巴黎电话公司的核心设备,其由数以百计的伏特电池提供能源。
  
  苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)的理论工作对人们深入认识电磁现象做出了重大贡献。他在1865年的经典文献中把当时人们已经了解到的电磁现象提炼成了四个有名的公式,并且将它们总结如下:“我们极有理由认为光本身(包括辐射的热量和其他形式的辐射)是一种以波的形式存在的电磁干涉。”
  
  麦克斯韦的研究成果总结性地说明电和磁是不可分离的、密切联系的一个整体,这正是以往人们怀疑过却苦无证据的观点,而人们应当说电磁辐射,而不是电流和磁场,除非是特地要强调这一统一现象的不同侧面。麦克斯韦证明了任何振荡的电流都会产生以光速传递的电磁波。他进一步证明了这种波的波长与振荡的频率成反比(尽管他没能详尽地描述这种振荡的物质到底是什么),而这种关系可以用公式表示为v=c/I, 这里的c是光速,v是振荡的频率,而I是波长。
  
  也许麦克斯韦最有创意的想法,也是对伦琴产生影响的想法,是用数学方法证明了电磁波的频率大小没有限制。光只是一种形式的电磁辐射,麦克斯韦预言说还会有很多种其他形式的电磁辐射。这无疑是激励人们去寻找它们。
  
  麦克斯韦的预言在他去世后七年内都没有实现,直到德国物理学家辛里奇·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolph Hertz)发现无线电波,麦克斯韦预言的多种新的波之一。1886年,赫兹在两个电极之间的已知间隙之间,用电流制造出电火花,这就是他的振荡电流。为了检测振荡电流产生的电磁辐射,赫兹在隔了一段距离的地方放置了一个有着同样间隙的导线圈。理所当然的,赫兹在接受线圈中观察到了电火花,这为麦克斯韦的理论提供了强有力的支持。这是以往未被人知,仅仅是做出预测的电磁辐射的第一个实验方面的证据,而这个实验使科学家们首次得以窥见电磁辐射的潜在的广阔研究空间。到底还有什么未知形式的电磁辐射等待人们去发现呢?
  
        德国物理学家辛里奇·鲁道夫·赫兹(1857-1894),发现了麦克斯韦所预言的长波电磁辐射,并且对伦琴以及其他科学家们产生了巨大的影响。
  
阴极射线
  
        德国物理学家朱利叶斯·普拉克(Julius Plücker,1801-1868)在用盖斯勒管做试验时首次发现了阴极射线。盖斯勒管是封入了两根电极的真空玻璃管。它们的最初用途是展示充入管中的不同气体被通过盖斯勒管的电流电离后产生的绚丽色彩(图1.17)。普拉克注意到阴极附近产生了浅绿色的荧光,而当管中的电压升高时,荧光转移到了远离阴极的玻璃壁上。他同样注意到这种荧光的颜色或强度与阴极是什么金属制成的,或是管中充的是哪种气体都没有关系,只要管内保持良好的真空状态即可,因此这不是一种化学现象,而是一种电学现象。普拉克通过展示磁铁能够使这种光束发生偏转而证明了他的理论的正确性。基于这项实验结果的支持,人们普遍认为阴极射线是一种带电的微粒。
  
         盖斯勒管是阴极射线管的前身。它们的最初用途是展示充入管中的不同气体被通过盖斯勒管的电流电离后产生的绚丽色彩。
  
  然而阴极射线沿直线传播,投射影清晰不发生散射,并且不受电场或重力的影响。这些特性说明它们是波而不是带电微粒。(现在我们知道了阴极射线传播速度极快,大约是光速的十分之一,因此电场或重力对它造成的影响,在当时条件下的实验中是无法被观测到的)。可是毫无疑问阴极射线是带电的,那么是否有可能存在带电的波呢?
  
  英国物理学家克鲁克斯被阴极射线深深地吸引住了,他自己发明了一台阴极射线管来进行研究。他在他的论文和讲座中很好地运用了阴极射线在许多物质(无机盐、玻璃、钻石)中引发的明亮荧光,从而不遗余力地对其进行推广。他展示了这种射线可以对管中封入的轻小物体产生压力。然而即使是克鲁克斯也无法解释阴极射线究竟是粒子还是波。阴极射线既非固体、液体,也非气体,因此他把它叫做“第四种形态的物质”。克鲁克斯是一位难以动摇的神秘主义者,他还试图在这些神秘的射线与玄学之间建立联系,他最后几年的作品被历史刻意忽略了,以保持其一世英名。
  
        威廉克鲁克斯爵士推广了阴极射线,并且在其性质的研究方面做出了重要发现。(作者收藏)
  
电子和原子
  尽管早在公元前430年,德谟克利特(Democritus)就曾提出,所有物质都是由基本的、不可再分的微小单元构成的,他把这个最小单元称为原子(意思是不可分割),然而科学家一直期盼着有一天,有人能够拍到原子的照片,或是能够证明确实有这种东西存在。十九世纪的科学家们清楚地认识到,这一天就快要到来了,因为精确观测的尺度越来越精细。那个时代的显微镜还不能显示原子,但是或许更好的显微镜就可以了。
  
  与此同时,在化学领域,米歇尔·法拉第(1791-1867)发现电流可以通过某些特定的溶液(他称之为电解质,意思是电能使之解离),而其他溶液则不行(非电解质)。他随后发现有电流通过的电解质发生了化学变化,通过这种方式元素可以从它们的化合物中被游离出来。有的单质在阳极出现,有的则在阴极出现。法拉第还发现,刚好能形成一克原子铜(从氯化亚铜中)的电流,能够形成半克原子的锌(从氯化锌中)。法拉第对此解释说,一个原子的铜(不管它是什么)能够和一个原子的氯结合,而一个原子的锌要结合两个原子的氯,制造一个克原子的电流的量一定涉及到某个完整的基本的单位,这个单位后来就以他的名字命名了。一法拉第的电量能够制造出一个克原子的某种单质。法拉第是位化学家,因此在那个时候原子理论主要是化学领域的概念,物理学家对它兴致索然,但他们对于基本的原子结构到底是什么样的很感兴趣。原子理论的化学应用对他们来说过于复杂,过于功利。
  
  法拉第的工作在电与化学之间建立了第一道紧密的联系,他证明了电的基本单位(当时还没有确定)与物质的基本单位(也就是原子,当时还没有找到)之间是有某种联系的。电的基本单位得有个名字,1881年爱尔兰物理学家乔治·史通尼(George Stoney,1826-1911)对它进行了命名:电子。这个名字来自希腊语“琥珀”,因为琥珀具有储存静电的特性。由此又提醒了我们古希腊米利特斯的泰尔斯的早期工作。没人见过电子,更没人见过原子,但是给它们一个名字,使得科学家在谈论问题时可以意有所指。
  
  许多人尝试过分离原子,定义原子或是为它们拍照。伦琴本人也曾做过一个“油滴实验”。1890年他用一种有趣的方式来测量原子直径的上限:他把一小滴已知体积的油滴在水面上,让它扩散开来直至形成一层单分子的油膜。油滴的边界被粉笔灰勾勒出来。体积V和面积A已知的情况下,分子的直径就是V/A。这给原子的直径设置了上限。伦琴的测量结果显示分子的直径在5.6×10-8到1.8×10-7厘米之间。
  
  通过对阴极射线的研究,人们得到了很多关于原子和电子的知识。1894年德国物理学家菲利普·雷纳德(Philipp Lenard)设计了一项研究阴极射线的仪器,这使得人们对该射线获得了前所未有的了解。这个仪器是一个一端带有铝窗的阴极射线管,通过铝窗阴极射线可以透过射线管进入空气中,甚至进入另一个观察室。通过这种方式人们可以独立于阴极射线产生的真空和电场而独立地对其进行研究。雷纳德发现阴极射线是极其微小的粒子。这种微小粒子带有负电荷,因为它们在磁场中会发生折射,但雷纳德发现它们还有极其微小的质量,大约是一个氢原子的一千分之一(按照今天的数值应当再除以1.8,但对于那个时代来说已经非常不错了,考虑到电子的极小质量:9.1×10-28克,这个发现就更了不起了)。也就是说,雷纳德发现并描述了乔治·史通尼十三年前命名的电子。
 
 
       菲利普·雷纳德(1862-1947),与伦琴同时代的德国物理学家,他对阴极射线进行了理论研究。他的工作为后来伦琴发X射线铺平了道路。雷纳德阴极射线管末端带有铝窗,通过铝窗阴极射线可以透过射线管进入空气中以便于观察和研究。
  
  科学家们忽然发现,他们一直在跟电子打交道而自己完全不知情。电流无非是运动的电子,但当它们在导线里运动时,人们无从对其进行观察。一旦它们进入开放的空间,就会表现的像独立的粒子,这时研究它们的本质就变的容易多了。阴极射线可以穿透几厘米的空气,从这个事实中雷纳德总结出原子或分子主要是由空旷的间隙构成的。他同样说明了为什么我们一直没有观察到原子:它们太小了,直径只在10-8厘米的数量级。雷纳德直到1903年才将他的发现发表出来,三年之后,英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)在α射线通过金箔时发生散射这一实验事实的基础上,建立了更加精确的原子模型。
  
伦琴的辅助器械:泵、线圈、荧光和胶片
 
  伦琴在进行阴极射线管的实验时,还需要一个很好的真空泵,一个带有电压转换器的感应线圈(一个将低压直流电转化成高压交流电或脉冲电流的装置),以及一种可以感知阴极射线的荧光物质。最后他要用摄影胶片来捕捉图像。真空泵被用来排空射线管内的空气,因为阴极射线在空气中只能穿透几厘米,而在真空中可以随意穿行。感应线圈是用于提供产生阴极射线的高电压。感应线圈需要交流电或脉冲电流,而那个年代只有供应直流电的电池,因此直流电被振动的金属簧片“切割”成驱动感应线圈的脉冲电流(高压转换器)。几个微安的电流就可以输出一般在10,000到25,000伏之间的高电压。伦琴是幸运的,他是一个受到良好经济支持的物理实验室的领导,他所在的位置足以使他随心所欲地预订他想要的仪器。他用的是Raps真空泵,带有德普雷转换器的伦可夫感应线圈,以及铂氰化钡的显示屏。
   
(1)真空泵
  
        真空的本质从亚里士多德时代就开始困扰着科学家。亚里士多德曾经断言说根本不存在真空,理由如下:石头在空气中的下落速度比在水中要快,说明物质越稀薄,石头在其中的下落速度就会越快。在真空中(一种无限稀薄的物质)石头应当以极限速度下落,而事实证明这是不可能的。因此真空是不可能存在的。“自然界排斥真空。”令人感到惊奇的是几个世纪以来科学家们一直坚信这个理论是正确的,直到伽利略(Galileo)、托里切利(Torricelli),以及最为人们信服的奥托·冯·葛里克(Otto von Guericke)和他的马德堡半球实验(1654年)最终向科学家们证明了真空不仅仅是存在的,而且是可以人为地制造的。正是冯·葛里克、伦琴所谓的“亚里士多德的驳斥者”,创造了第一台实用的真空泵。不久之后波恩的玻璃工辛里奇·盖斯勒(Heinrich Geissler-因为制造了盖斯勒管而出名)(1814-1879)发明了水银泵,使得阴极射线管能够被抽空到0.0001毫米汞柱,这是伦琴使用的最高的真空水平。伦琴使用的是Raps泵,水银泵的一种。就算用上当时最好的真空泵,也得花上一到四天来抽空阴极射线管,才能在实验中应用。
  
(2)感应线圈
 
  伦琴使用的高压感应线圈是由辛里奇·丹尼尔·伦可夫(Heinrich Daniel Ruhmkorff,1803-1877)改进的。伦可夫出生于德国汉诺威,当他迁居巴黎时,他谦卑地改掉了他的母语口音。1851年的伦可夫线圈模型可以制造5厘米长的电火花。到了伦琴购置这种感应线圈时,它已经可以制造15厘米长的电火花了。在伦琴的年代,这是制造高电压的标准设备。
  
(3)荧光屏
  
        伦琴采用铂氰化钡作为感知阴极射线的荧光物完全是侥幸之举。他不可能事先预料到这种物质对于阴极射线和X射线都能感光,而雷纳德在他早年的实验中用来作为荧光物的酮就仅能在阴极射线下发光,对X射线则无法感知。因此如果伦琴照搬了雷纳德的实验,他可能就会彻底错过X射线的发现了。
  
  铂氰化钡是有德国化学家吉墨林(Gmelin)在1822年首次制备的。它不同寻常的光学特性,以及在紫外线和随后的阴极射线下能发出明亮的荧光的特性吸引了众人的注意,因而它常常被用于物理演示实验。很难解释为什么伦琴选择了铂氰化钡而不是酮,因为当时他的手头两种都有。铂氰化钡的荧光屏在伦琴的发现中所起到的重要作用我们将在其他章节进行详细描述。
  
(4)摄影技术
 
    伦琴一开始建立他的实验时,并没有打算用上摄影技术。但摄影技术在记录实验结果方面起到了重要的作用。法国发明家路易斯·达盖尔(Louis Daguerre,1789-1851)引入了我们至今仍在使用的摄影技术,这一点已经广为人知。到了1895年,摄影技术已被科学家和业余人士广泛用来记录实验和自然观察的结果。然而伦琴在他的实验和发表的文章中很少运用摄影技术。在他发现X射线后的六周内,他的绝大部分工作都是依靠肉眼观察铂氰化钡荧光屏上发出的荧光。他用拍照的方式记录了他的几项观察结果,以作为其论断的客观证据。可能正是因为伦琴在“沿袭雷纳德的实验”,他才会在手头备有摄影材料,而雷纳德业已注意到阴极射线可以使胶片曝光,并且建议用拍照的方式记录阴极射线有关工作的结果。摄影技术在传播伦琴的发现方面所起到的重要作用是毋容置疑的,如果没有图片的话,这项发现不会激起人们如此狂热的兴趣。
 
 
        早期X射线吸引了公众的眼球,从骨骼、戒指到海胆,科学家们拍摄了各种事物的放射线照片,这一“视觉”新发现很快便传开来。
  
  伦琴有机会运用拍照技术来记录他的实验结果还有另一个理由,这是我们以前就提到过的:他首次观察到他自己手的骨骼。这个观察结果实在令人难以置信,以至于他开始怀疑自己已经失去了分辨力,正在遭受幻觉的折磨。这种想法深深地打击了他。但是当他为他的妻子贝莎的手拍了张X光照片时,她也看到了自己的骨头。这张照片把她吓得要死,却给伦琴吃了定心丸。他的妻子同样看到了自己的骨头,这说明他没有产生幻觉。
  
1890年:科学已经走到尽头了吗?
 
  十九世纪走向后半段的时候,科学出现了难以料想的快速发展:它似乎失去了动力。新知识的大量产生已经系统化了。到了1890年,七十五种元素已经为人们所知,而其中超过半数是在十九世纪被发现的。成千上万的恒星被编号记录在案,我们在地球上的存在之谜也有很多被揭开了。在物理学方面,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将所有已知的电磁学规律归结为四条基本公式,其他所有的公式都可以从这四条公式中推导出来。到了1880年左右,人们感受到科学发展的速度开始减慢了,因为科学已经发展到了一个很高的高度,似乎无法再期盼更高的目标了。回首他们所在世纪的开端,科学家们一定会发自内心地为他们所取得的巨大成就感到心满意足。
  
  在1880年到1895年之间,物理学家们开始担忧物理学领域的未来。伦琴传记的作者夏皮罗(Shapiro)表达出了他们的观点:“这个时代的物理学家,包括伦琴本人,已经很好地总结了已被人们发现的自然界所有的基本法则,现在他们除了填完列举物质属性的清单和使测量结果更加精确以外,在未来的十年内完全无事可做。” 
  
  诺贝尔奖获得者,物理学家卡尔·西格巴恩(Karl Siegbahn)回顾了那个时代的自我满足感,认为所取得的成就已达到尽善尽美的感受:“上个世纪末的物理科学已经获得了自然现象和它们之间的相互作用规律的图像,这显然是很令人满意的,并且从某种程度上来说,已经达到了完善的境地。万事万物似乎都遵循宇宙间的力学规律而运行,包括电、磁和光学现象。我们很难期待还会有什么革命性的创举产生。”
  
  诺贝尔奖物理学奖获得者,阿尔伯特 A. 迈克尔孙(Albert A. Michelson)在1894年的芝加哥大学的Ryerson物理实验室的庆典致词中做出了如下评价,当然这个评价后来被证明是绝对缺乏预见性的:“物理学最重要的基本法则和事实都已经为人们所发现,它们已经被稳固地确立了,将来的新发现想要推翻它们几乎是不可能的……我们想要寻求未来的发现就得等到下个世纪六十年代了。”
  
  迈克尔孙可不是说到此就打住了,他在1895年的一次科学家集会上把他的令人气馁的想法和众人分享,而这一年恰恰是伦琴将要做出他的发现的时候:“任何时候说物理科学将要止步不前了都是不明智的,但是似乎绝大多数最重要的定律已经被确立了,因此想要寻求更远在的发展,就应该从这些定律的灵活运用方面下手。”
  
  伦琴自身也没能逃脱这种科学发展开始减速的思想。1888年他致信赫兹,其在德国格丁根市(Göttingen)时更被指定为继任者:“在过去的几年内,选择实用专业的学生数量有一定的减少,也许是因为自然科学家和数学家的前景看上去一片黯淡。”
  
  说得更准确一点,在1880-1895年间,还是有很多重要发现的,但是这些发现不足以使科学家们对于等待开发的领域充满期盼。很显然当伦琴在1895年开始设计他的著名实验时,他只是在“寻求对于已有定律的灵活运用”,而不是在试图开发新的领域。然而这个领域充满了等待被继承的科学、技术和哲学财富。
  

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