在上一页中我们已经介绍了物理学家伦琴做出其重大发现的历史背景。现在我们要来看一看伦琴这个人以及造就了其性情和性格的事件与环境。考虑到他一生中所遭受的挫折与磨难,他能实现这样惊人的成就实在是很不简单。对伦琴产生影响并决定他能够继承科学财富的人可以分为两类:
(1)其发现或发明在伦琴的发现中起着重要作用的科学家; (2)以及在伦琴的性格形成的过程中对其产生直接影响、使其完善和起到榜样作用的人。 在生于德国的美籍物理学家奥托格莱塞(Otto Glasser,1895-1964)的若干本原创的、权威性的、通俗易懂的书籍和文章中已经对前者做了详尽的描述。在这里我们也将介绍其中的部分人物。伦琴和雷纳德(Lenard)之间的备受争议的关系我们会在一个独立的章节中予以简述。
在伦琴的青少年时期,有些人对他的世界观和他对工作的强烈而持久的献身精神起到了重要作用。其中第一个要提到的就是他的母亲。伦琴自己曾说过,他的母亲和他是“心意相通的”。在他的职业生涯中他常常与他的母亲探讨问题,之后他写道:“在这样或那样的困难处境中,我的母亲会作出什么样的反应,会对我说什么,这样的自我发问往往会将我引导向正确的方向”。伦琴总是和他的父母保持密切联系,他的父母为了陪伴他而先后搬往斯特拉斯堡和吉尔森。伦琴的父亲是一位守旧的成功的商人。伦琴作为家中的独子,总是和父母很亲近,并且经常得到父母的鼓励和支持。
伦琴很早就对物理科学表现出了浓厚的兴趣,而在他的一生中直接受到数位科学家的影响。试图去一个个地详细描述他们已经超出了本章的范围,不过读者们可以按照本章的提示去寻找便可以很好地了解伦琴的经历。
或许第一个培养了青少年时期的威尔海姆·伦琴在物理科学方面的兴趣的人是一位名为简·威廉·冈宁(Jan Wilhelm Gunning)的高中化学教师,当小威尔海姆在荷兰的乌德勒支的技术学校上学时曾住在他的家里。这位老师和他的夫人对这个年轻的学生来说就像父母亲一样,当冈宁编写一本化学教科书时,他让这位年仅二十岁的学生参与编写了其中一部分——这是伦琴的著作首次被出版。
威尔海姆·伦琴接受教育的过程并非一帆风顺,在相当于现在的高中期间,他与学校主管发生了摩擦,被赶出了学校。没有高中文凭他没办法进入大学。一时间他的教育之路看似已经终结,他只能继承他父亲的纺织事业了。然而天无绝人之路,还有一种看似可行的办法,即独立的大学入学考试。如果学生能够通过这项考试,就可以被大学录取。可是威尔海姆·伦琴又一次很不走运:一位考官曾经在判其退学的委员会中任职,于是他没能通过考试。
在这个时候威尔海姆·伦琴已经快二十岁了,遭受了两次重大打击,而且看似无路可走。他下定决心要继续接受教育,因此他接受了到乌德勒支大学的旁听课程的邀请,在那里上了两个学期没有学分的课程。通过一个朋友,他打听到苏黎士的综合技术学校(这是一所针对学习专门技术而建立的大学)开设了对没有普通文凭学生的入学考试。尽管这个学校免试录取了他,并给他学分,威尔海姆·伦琴不得不从头学起。这个时候他比他的同学们正好大两岁。
威尔海姆·伦琴最初感兴趣的是力学工程,而他最终找到了一个他有能力做好的学术领域。在他的苏黎士的大学生涯中,他有幸得到了物理教授奥古斯特·孔特(August Kundt)的赏识,后者很可能为他提供了他在物理生涯中的转折点。传记作者Nitske引用了伦琴的话:当他(孔特)问我说,“你到底想以什么为生呢?”我回答他说我不知道。他回应道,我应该试试投身物理。我不得不承认我在这个研究领域完全无用武之地。他认为我能很快赶上来。
奥古斯特·孔特(1839-1894)。苏黎世理工学院物理学教授,他鼓励工程学学生威尔海姆·伦琴学习物理学。
奥古斯特·孔特一定引起了伦琴内心的共鸣,尽管他原本的打算成为一名工程师(他的专业是力学工程,论文是如何为一座工厂配备新的蒸汽机),他被“热力学之父”鲁道夫·克劳舒斯(Rudolf Clausius)的气体热力学讲座所深深地吸引。伦琴通过进修并在1869年获得了物理学博士学位,他的学位论文正是关于气体的动力学。克劳舒斯和孔特在他成为物理学家的道路上起到了启蒙作用。
鲁道夫·克劳舒斯(1822-1888),苏黎世理工学院物理学教授,热力学之父。他撰写的关于热学理论的文章深深的吸引了年轻的伦琴;这是伦琴第一次接触物理学。
孔特雇用威尔海姆·伦琴博士做他的实验室助手。在他的指导下伦琴学会了物理学研究中所使用仪器的制造和保养,尽管他所在的实验室很小,仪器也很简陋。孔特在之后的很多年内都继续对伦琴的职业生涯产生深远的影响。孔特在1870年带着伦琴去了伍兹堡,那个时候那里的实验室同样规模很小,装备简陋。之后,在1872年他又带伦琴去了斯特拉斯堡。在那里伦琴得到了认可,而且得到了能够施展其实验技巧的一套设备。在孔特的指导下,伦琴展现出他作为独立研究员的才能,发表了十五篇文章,其中四篇是同孔特一起发表的。在他们的工作关系中,伦琴找到了大展拳脚的空间。
在他苏黎士的大学生涯中,威尔海姆·伦琴遇到了贝莎·路德维格(Bertha Ludwig),他后来的妻子。他们的婚姻在绝大多数情况下是充满幸福的,但贝莎的健康状况渐渐地每况愈下,这限制了她的行动,并使他们的旅行被迫减少了。伦琴夫妇没有自己的子女,因此他们过继了贝莎的哥哥汉斯的女儿。
那是1895年11月8日的夜晚,他把放电管封在一个又黑又厚的纸盒里,隔绝任何光线。实验是在暗室里进行的。他发现用黑纸板盖紧的放电管附近的荧光屏上,发出了亮光。他惊愕,但抓住这个“特殊的现象”,继续实验。他让妻子将手放在射线和照相底片之间,经过片刻便取出底片显影,这便是世界上首张“X光照片”。那上面清晰可见伦琴夫人安娜·路德维格的手之骨骼,还有手上所戴的一只戒指阴影。
另一位科学家赫尔曼·路德维格·斐迪南·冯·赫尔姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz)的工作也对伦琴产生了重大影响。他不仅是一位杰出的物理学家,还是医生、生理学家和数学家。他把解剖作为了解眼球功能的方式,同时他还意识到他要学习生物视力的生理学过程,以及光的物理学特性。需要是发明之母,赫尔姆霍兹发明了眼底镜。他指出了将物理学和数学结合起来的必要性。
赫尔曼·路德维格·斐迪南·冯·赫尔姆霍兹(1821-1894),柏林大学物理学教授,他发现到了伦琴的天赋。他的支持对伦琴的职业生涯极为重要。
1847年,赫尔姆霍兹发布了能量守恒定律,该定律的形式通俗易懂,因而被科学界广泛接受——但他们中的很多人自始至终对其持怀疑态度:自然界作为一个整体,它的能量储备不可能以任何方式增加或减少……因此自然界的能量总量是永恒的,不会发生变化的,正如物质总量一样……我把这种普遍适用的定律称作“能量守恒定律”。
尽管在此之后爱因斯坦对能量守恒定律做出了很多的修正,赫尔姆霍兹的定律对物理学家了解和预测分析现象起到了很大的推动作用。伦琴正如其他的物理学家一样,不得不对他的阴极射线管消耗的所有能量做出解释。它们不会凭空消散,而是得转化为热量、动能或是某种形式的能量。伦琴对于他的新射线的第一个想法就是它必定是一种沿直线传播的辐射能,要么是电磁波,要么是粒子。
柏林大学的物理学领袖,伟大的赫尔姆霍兹本人对处在事业早期的年轻的伦琴产生了兴趣,并且很明显地对他的事业产生了推动作用。正是赫尔姆霍兹在1879年任命伦琴为吉尔森的物理学主管,也正是他将伦琴最有影响力的一篇论文发表在普鲁士皇家科学研究院的官方杂志上(柏林)。这篇论文是年轻科学家伦琴的《关于在匀强电场中移动电介质产生的电动力》,这种力随后被人们称作“伦琴电流”。这篇发表于1888年的论文使伦琴首次享有国际声誉。理论物理学家阿诺德·萨玛菲尔德于1915年写道:伦琴电流……为物质的电介质特性依赖于电流(电子)的存在这一概念建立了坚固的基础……这项工作间接地引出了洛伦兹的理论和相对论,这一结果还组成了现代电学研究的基础。
萨玛菲尔德的热情有多少成分是受到伦琴后来声望的影响已经不得而知了,但很明显的是,到了1888年,伦琴已经建立了他作为一流物理学家的地位。也许没有赫尔姆霍兹他也能做到这一点,但这位著名的科学家显然给了他很大的帮助。
赫尔姆霍兹在他们的发现之前就已经通过某种方式含糊地预测了X射线的性质。通过对麦克斯韦的电磁辐射理论进行研究,他发表了一篇论文,预期足够高频率的电磁辐射可以穿透固体。伦琴也对这项工作有所了解,或许这影响了他,使他尝试将各种各样的物体放在他的玻璃管和荧光屏之间,并引出了那个广为人知的结果。“高频辐射”这个词或许同样影响到了雷纳德,因为他用这个词来描述X射线而不愿用伦琴的名字来命名它。
因为发现了无线电波而为人们所知的物理学家辛里奇·赫兹(Heinrich Hertz)在1888年把他具有历史意义的论文给伦琴寄了一份。赫兹在电磁学理论方面的工作使得伦琴自己也对这个领域产生了兴趣。赫兹发现了一种全新的电磁辐射,他认为这种电磁辐射正如其他的电磁辐射那样,是在以太中传播的某种波。伦琴在他发现X射线之后,曾试图将他的新射线套入赫兹的模型。伦琴对赫兹很赞赏,当他在1888年准备离开吉尔森去伍兹堡时,曾经邀请赫兹接替他的职位。但赫兹选择了波恩大学。
海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857年2月22日-1894年1月1日),德国物理学家,于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献,故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。
另一位物理学家,路德维格·策恩德尔(Ludwig Zehnder)于1887年在瑞士东南部的蓬特雷西纳的韦瑟斯克罗伊茨酒店首次遇见了伦琴,那个地方是学术界人士携妻子度假旅游的胜地。事实证明他们有着非常多的共同点:都没拿到高中文凭;都经历了千辛万苦才进入大学;都在苏黎士上过技术学校;都是先选择了力学工程专业,然后转到物理专业;而且两个人的夫人都是瑞士人。正如伦琴一样,策恩德尔没有获得大学教师职位所必需的学位凭证。通过先担任孔特的助手,然后再通过自己杰出的论文建立声望,伦琴跨越了这个障碍,因此1879年在吉尔森大学,伦琴作为资历充分的教授成功地得到了认可。策恩德尔很偶然地成为了伦琴的合著者,他是伦琴的助手中唯一得到这项殊荣的。当伦琴在1888年移居伍兹堡时,策恩德尔也随同前往。然而策恩德尔始终没能像伦琴那样,克服他没有学位凭证的缺陷。他一直得不到晋升,只好在别处接受了一个职位。策恩德尔直到退休时都只是位教授助理。
路德维格·策恩德尔(1854-1949)物理研究员,他与伦琴有许多相似之处。他们是毕生的挚友。
策恩德尔对伦琴的影响并不体现在科学上,而是友谊。伦琴和其他的独生子一样,并不合群,性格也很内向。但是他和策恩德尔之间形成了一种密切而长久的个人情谊,他们的妻子也是如此(她们是同乡)。这两对夫妇总是一同出游,一同度假。这两位科学家一直交换信件,直到1923年伦琴去世。伦琴给策恩德尔的信件暴露了他最私密的想法和感受。毫无疑问策恩德尔在伦琴的一生中扮演了重要的角色,1930年他出版了一本伦琴的传记。
伦琴谈自己
伦琴自己觉得什么事件和什么人对他影响最大呢?他没有留下自传,而他所有的文字资料在他去世时都焚毁了,因此我们缺乏可供参考的资料。他的传记向我们展现了一些当时对他产生影响的人和事物,而从当时对他的工作十分必要的物理学发展中寻找蛛丝马迹也不是难事。
他在1894年1月2日的伍兹堡大学演讲中,提供了一些个人的看法。1893年的秋季,他被伍兹堡的终身教授们选为校长,这是伍兹堡大学仅此于最高职位的职务,伦琴在1894至1895学年担任了这一职务。他显然很受同事们敬重。在他的就职演说中,他摈弃了在演讲台上慷慨激昂地谈论自己工作的寻常做法。那个时候伦琴名下已经有四十四篇著作,而他完全可以向深深被他吸引的台下观众们重提一下他的一些原创性的工作。伦琴没有这样做,而是谈论了伍兹堡大学的物理学史。通过他选择提到的科学家先辈们,我们可以看出那些人对他影响最大。
从十六世纪的转折点讲起,伦琴总结了亚里士多德时代之后,科学是如何首次得到重大发展的。
直到十六世纪的转折期,人们才能首次谈论科学的发展,在那之前除了极其偶尔的局部发展以外,我们的科学像一具冰冷的尸体一样,尸斑遍布。科学的复苏始于一连串伟大科学家的极具创造力的思想和工作,这些人正是现代自然科学的始祖。他们的数目如此巨大,他们的成就又是如此的多样化和难以计数,以至于我在这里只能提到其中的一小部分人,也就是所谓的“亚里士多德的反对者”:吉尔伯特、开普勒、伽利略、格里马尔迪、笛卡尔、冯·格瑞克、马里奥特、惠更斯和牛顿。
伦琴所谓的“亚里士多德的反对者”指的都是哪些人,他们又有什么共同点呢?我们有必要做个简单的介绍。
英国物理学家威廉·吉尔伯特(1540-1603)在磁学领域进行了开创性的研究。 德国天文学家强尼斯·开普勒(Johanns Ke-pler, 1571-1630)建立了天体运动定律,并运用天文学技术测量了光速。 意大利天文学家,数学家及物理学家伽利略·加里雷(Galileo Galilei1564-1642)发明了望远镜,并且在运用望远镜进行观察后得出了地球围绕太阳运动,而不是太阳绕地球运动的结论。而后者正是当时的学术权威(那个时候的天主教会)所宣称的。伽利略还推崇物理学定律的数学表达,但他宣称实验证据才是最最真实可信的。 意大利物理学家弗朗西斯科·玛利亚·格里马尔迪(Francesco Maria Grimaldi,1618-1663)让光通过两个相邻的小孔,并由此发现了光的衍射现象。 法国哲学家及数学家雷伊·笛卡尔(René Descartes,1596-1650)发展了解析几何体系,并且将推理论证应用于实验观测结果。 德国物理学家奥托·冯·盖立克(Otto von Guericke,1602-1686)因为他展示了大气压力(1654年的马德堡半球实验)以及发明真空泵而闻名于世。 法国物理学家伊丹·马里奥特(1620-1684)得出了恒定温度下压力和体积的关系(马里奥特定理)。] 荷兰数学家和物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)研制出了改进的棱镜,并运用它们发现了土星环和一些光学定律。 英国物理学家和哲学家伊萨克·牛顿(1642-1727)因为将他在机械力学、万有引力、光谱以及其他领域的创造性的思想公式化而闻名,而他的这些理论全都有实验证据支持,这正是他的过人之处。 伦琴所谓的“亚里士多德的反对者”,他们脱离了亚里士多德物理学原理和形而上学的桎梏,带来了科学的进一步发展:
伦琴为何要特地提到这些人呢?他继而这样说:人们越来越相信,实验是最强大而可靠的手段,依靠它我们可以将自然界的秘密全部揭示出来,实验同时也是决定我们是接受还是抛弃一个假说的最权威依据。
这就是伦琴的观点:真理蕴藏于实验当中,这个实验得是计划周密,谨慎实施的,不能有心理上的合理化作用,不能有先入为主的观念,不能仅仅是逻辑上可行,不能是受到传统或是试验者的阶层影响,不能有形而上学或是其他权威思想的影响。
让伦琴眼中的英雄们自己来说吧。威廉·吉尔伯特说,“在发现秘密和研究隐藏的原因时,去定性地进行实验和诠释充分的论据比可能的猜想和一般的哲学思考所得出的意见更有说服力”。伽利略说,“起初看起来不可能的,甚至难于解释的事实,也会脱去一直用来遮身的斗篷,走上前去便可以展示其简单明了的美感”。冯·盖立克说,“修辞学,也就是语言的艺术,雄辩的能力,在自然科学领域完全无用武之地”。牛顿说,“我从来不构建假说,如果把任何非事实中推理出的东西叫做假说的话。而假说,无论是形而上学的还是实践物理学的,无论是超自然的还是力学的,在实验科学中都难有容身之处”。
在那次演讲中,伦琴略去了三位他最欣赏的物理学家的名字,或许是因为他们对于科学的贡献的重要性在当时还没有得到大家的公认。他们是孔特、赫兹和冯·赫尔姆霍兹。如果伦琴事先知道1894年会是悲剧性的一年,这三位他心目中的英雄在这一年先后逝世,他一定会修改他的演说词,将他们三位的名字添进去的。
当他站在演讲台上,接受伍兹堡大学校长的职务,这个大学能够提供给他这个教授的最高职位的时候,伦琴一定会想到他的同事们,以及他们的支持是如何将他带到了他人生中最为荣耀的时刻。他在之前的六年内发表了十七篇论文,当他五十岁的时候,已经赢得了他的大部分同僚的尊重。他的邮寄名单——他将他发表的论文的复制本分别寄给这些同事——涵盖了九十二位当时最著名的科学家。伦琴已经功成名就了。他或许考虑过成为伍兹堡大学的校长已经是他的学术生涯中的最高点了。
1894年的伦琴,这年伦琴成为伍兹堡大学校长。在他五十岁的这一年,伦琴成为了一位众人瞩目的物理学家,他或许考虑过成为伍兹堡大学的校长已经是他的学术生涯中的最高点了。(感谢美国放射学历史中心,来斯顿,弗吉尼亚州)
伦琴所继承的两种伟大思想开始合流:自然科学在传统上始终认为实验和实验证据是揭示真理的唯一途径,以及对他产生直接影响的,实验方法的拥护者,他的导师孔特、赫兹和冯·赫尔姆霍兹。伦琴的好日子来了。很快他将开始他作为校长的学年。可以料想到,行政管理和职务本身带来的工作任务会使他不得不从一整年的研究工作中抽出一些时间。直到1895年5月他才能象以前那样投身到他的实验室工作中去。他重新开始了早在一年前就开始吸引他的工作:对于阴极射线本质的研究。
见证了各个科学领域的快速发展以及作为将人们从亚里士多德的形而上学思想中解脱出来的、科学家的有力武器——人们对于思考过程的认识在这个世纪中达到了顶峰,这同样也是伦琴在开始他的著名实验之际所继承到的伟大财富。他的先辈们已经在对电学、磁学、光学、化学和仪器制造的认识方面做出了杰出的贡献。新的思想已经不仅仅是能够被接纳,事实上人们积极地寻求新的思想,尤其是那些有实际利用价值的新思想,并且在科学客观性的基础上对他们进行检验。精确的测定再加上公正无偏的怀疑论的思想,就构成了那个年代有成就的科学家的标志。尽管伦琴在科学界的起步略嫌迟缓,但却不妨碍他很快就成为了历史上最伟大的科学家之一。
1895年11月8日
有些人在描述历史上伦琴的印象时,则是把他当作一个默默无闻的教授,偶然地得到了一个伟大的发现,但这与事实真相相差得太远了。他是位著作等身的终身教授,并且受到他的同事们,以及更广大的学术群体的极大尊重。最重要的是,他对理论科学和实验科学的各个领域都有广泛涉猎,并且有意将很大范围的科学理论运用到观察到的现象中去。如果像某些人所说的,X射线的发现是“果实早已成熟,只等人来采撷”,那么伦琴就是一位应时而生的,能够意识到并且看重它的重要性的科学研究者。
伦琴在结束了他的校长任期之后重返实验室,用氰亚铂酸盐钡荧光屏和带铝窗的雷纳德管来着手重建雷纳德的研究。他碰巧用不带铝窗的希托夫-克鲁克斯管做了同样的实验。那是1895年11月8日,星期五的傍晚。伦琴很享受星期五的晚上,因为此时他不必受到学生或同事的打扰而可以专注于工作。尽管外面天已经黑了,伦琴还是用遮光罩使房间更加昏暗,从而更有利于观察到荧光。
通过激励阴极射线管,然后观察射线管玻璃壁上的荧光。荧光过于明亮,干扰了他对氰亚铂酸盐钡显示屏的观察,因此他将整个希托夫-克鲁克斯管用黑纸板包裹起来,来屏蔽这个光源。为了检验纸板隔绝光线的效果,他重新激励射线管,仪器中没有光线透出来。他对屏蔽效果很合适感到满意。随后他注意到一米远处的长凳上有什么东西发出微弱的光线。那是氰亚铂酸盐钡显示屏。
伦琴打开射线管又关上。显示屏上的荧光相应地一明一暗。他证明了显示屏发光和电流有关。他迅速排除了那是磷光的想法,因为显示屏在他开关射线管的时候立刻就有响应,而磷光物质在打开和关上射线管时都有滞后现象。那也不可能是发射光,因为伦琴已经给整个屋子遮光了。人们知道阴极射线最多只能穿行几厘米,因此伦琴无法把他观察到的荧光归因于阴极射线。那这种荧光可能是紫外线吗?这个想法同样也被推翻了,因为管内产生的紫外线不可能穿过黑纸板。伦琴在之后的著作中写道,这时他已经意识到,他发现了一些全新的东西。
这种未知辐射的特性为对它的解释提出了挑战。伦琴发现这种射线可以穿透某些物质,而透不过另一些物质。他证明了这种射线是在阴极射线管内产生的,沿直线传播,并在氰亚铂酸盐钡荧光屏上投射出金属物体的影像。他断定这不是阴极射线,因为它们在电场或磁场中不发生偏转。可是到底什么样的射线能够穿透纸张,书本甚至木材呢?
活生生的骨头还是幻觉?
当伦琴拿着一块铅靠近荧光屏时,他被看起来像是他自己手的骨骼的影像吓得要死。读者们可以想象一下他当时的想法。那之后他没有对任何人提到过他的工作。屏幕上的图像会不会是在戏弄他的大脑?他在之后的几天内花费了大量的时间来证明他看到的正是其认为自己所看到的,他并不是产生了幻觉。如果他宣布他发现了一种可以透视活人肉体的新射线,而最后事实证明这只是由于他长期在实验室里工作,眼睛过度疲劳而产生了幻觉的话,他的科学家生涯和他的名声就毁于一旦了。伦琴的困惑是很好理解的,因为他似乎是观察到了完全无法用物理学常识来解释的现象。这到底是真实的还是幻想?伦琴有他的物理学知识,他也知道以往从来没有过对这种现象的描述。他非常担心他已经患有严重的精神失常了。他写信给他长久以来的好友策恩德尔:
除了我妻子,我对任何人都没有提到过我的工作,我正在做的工作会让人们说,“伦琴真是疯了!”
伦琴在他的荧光屏上花费了大量时间,试图推翻他自己的观察结果。他的好朋友波瓦利(Boveri)问他为何在实验室里花这么多时间,他回答说,“我发现了一些很有趣的事,可我不知道我的观察结果到底对不对”。他回忆起雷纳德曾用拍照技术来记录自己关于阴极射线的工作,他很想知道这种新的放射线是否也能使胶片曝光。当他成功地拍出了一些金属盘的影像的照片后,他终于得以长长的舒一口气。。
伦琴拍摄了很多“隐藏物体”的放射照片(很快其他科学家们也做了类似的工作)。在这张照片中,钱包里的金属砝码和硬币显现出来,这无疑展示了这种神秘射线的威力。
可是对于看到骨头这件看似完全不可能的事,伦琴仍然心存疑虑。为了再次证明自己在这一点上是对的,他请求他的妻子贝莎让他用这种新射线来拍摄她手的照片。暴露在这种射线下十五分钟后,胶片上清晰地显示出了她手部的肌肉,骨骼以及她手指上的戒指。这张经典的照片对于每一位放射学家来说都不陌生,但它的意义却不是每个人都了解的:它令伦琴确信他确实看到了其认为自己所看到的东西,而不是他精神出了问题。他终于可以尽情享受只有少数几位科学家才享受过的兴奋感:他意识到自己所看到的是人类以往从未见过的事物。他终于‘恢复’了正常的神智,他满怀自信地继续进行他的工作,经过几个星期的紧张实验证实后,他终于在1895年12月28日充满自信地宣布了他的发现。
1985年12月28日,伦琴将他的《一种新的射线》和他妻子手的实验放射照片交付给Wurzburg Physical -Medical of the Society 的主席
从实验室走向世界
伦琴是科学界富有经验的一员。他深知尽快发表经过严谨验证的实验结果的重要性,尤其在这样一个很多研究者应用着类似的器械每天都在进行研究的领域。事实上伦琴在进行了一段时间和这种射线有关的实验后就会发现别的科学家极有可能也生成了这种射线,只是从来没有注意到它的特性。在1896年新年的前三天,伦琴递交给伍兹堡物理医学学会的秘书一份简短的手稿,题目是《关于一种新的射线:初步的交流》。由于这篇手稿的内容的不同凡响,伦琴要求学会在一月份召开下次会议之前就发表这篇论文,而不是像常规的论文那样先当众宣读再发表。伦琴将这篇文章的复制本寄给许多科学界的熟人,其中在许多份中还附有X光照片。伦琴于1896年发表的手稿最终发表了三个版本。
与这项新发现有关的消息迅速传遍了整个科学界,尽管有些人一开始和伦琴自己一样感到难以置信。到了1月23日,当伦琴在伍兹堡物理医学学会的常规会议上出现时,他的实验结果已经在世界各地被人们重复进行了很多次。在这次会议上,伦琴向他在科学界的先辈们致敬,并通过给解剖学家A. 冯·克里克尔(A. von Kölliker)的手拍了一张十分清晰的放射学照片而演示了这种新的射线。尽管整个世界都对他的工作产生了广泛的兴趣,这是伦琴第一次,也是最后一次就X射线发表正式演讲。
在这种氛围中,提到伦琴在发现X射线后的职业行为就相当有趣了。他那个年代的许多别的科学家受到了工业革命之后对于实用性的强烈要求的影响,而伦琴完全不是那样,他看上去完完全全不为所动,根本没有想到去把他的X射线应用于医学,这在当时看来本是种很明显的趋势。骨骼的放射学照片在几乎任何一家书店的橱窗中都看得到。舆论不遗余力地鼓吹这项新发现。与此同时,伦琴将他的时间花在进一步研究这种新射线上,他又发表了两篇重要的论文(1896,1897)来描述这种射线的特性,而试图忽略由这一发现引发的公众的喧哗。与他同一时代的物理学家菲利普·雷纳德(Philipp Lenard)和伦琴一样是一位纯粹的物理学家。他为公众对于X射线所表现的实际运用的美妙幻想(很显然这没有影响到伦琴,他把这些看的很淡)深感遗憾。对他来说公众应该为物理学的一个全新的现象被发现,一个新的科学定理产生了而感到欣喜。“关于伦琴的发现,乱哄哄的喧哗几乎无处不在,手部骨骼的照片出现在每个书店的橱窗里”。雷纳德对此嗤之以鼻,“可是他们看到的只是骨头而已!”伦琴在1901年谦逊地接受了第一个诺贝尔物理学奖,这个发现屈指可数地带给了他几个荣誉,这是其中的一次。
伦琴的发现为物理学带来了无与伦比的促进作用,这也说明了物理学领域已经陷入一个停滞不前的状态,而物理学家们万分期盼能有新的研究方向。伦琴最初的研究,在1896年和1897年发表的三篇论文中初见端倪,是如此的精确和易于理解,以至于尽管物理学研究领域新的研究活动层出不穷,这三篇文献还是在十六年内成为了整个世界了解X射线的主要资源。这千真万确,尽管在这项发现之后的一年内就有将近一千篇关于这个新现象的论文付诸发表。X射线在世界各地以空前的速度被应用于医学实践:不到一年之内,X线用于诊断和治疗的基本技术都被研究出来。经历了一场极有创造力的科学生涯,原本起步缓慢的伦琴已经跻身于历史上最杰出的实验物理学家行列。
伦琴于1923年去世,直到在其临别之际,他仍然一如既往地淡泊名利,在他退休后的日子里,伦琴钟情于在阿尔卑斯山脉中闲散的生活。甚至年迈的伦琴为拍照的摄影师献上一朵鲜花。(感谢美国放射学历史中心,来斯顿,弗吉尼亚州)
伦琴和雷纳德
伦琴和与他同时代的德国物理学家菲利普·雷纳德之间的关系迄今为止都是历史上富有争议的问题。想要了解雷纳德对伦琴的影响,我们要不能局限于仅考虑1895年之前情况来看待几年之后的事情。雷纳德本身就是一个复杂而具有两面性的人。他在阴极射线方面的工作使他获得了1905年的诺贝尔物理学奖。他为我们对阴极射线的理解做出了巨大贡献,在其成果的基础上人们研究出了示波器、计算机显示器和电视机。他在荧光物质方面的工作展示了如何控制它们的颜色、亮度和余辉,这为荧光灯、电视显示屏,以及夜光物质的发展做出了重大贡献。1921年,爱因斯坦由于他在光电效应方面的研究工作而获得诺贝尔物理学奖,而他把光电现象的发现归功于雷纳德。雷纳德是第一个描述电子特性的人,他还展示了原子主要是由空隙构成的。
人们或许会认为,这样一位为科学知识和实践做出了如此重大贡献的诺贝尔奖得主,一定在科学荣誉的殿堂里占有举足轻重的地位。然而雷纳德始终没有那么大的名气。世间没有关于他生平的传记,而是只有一些描述他的轶事的文字存在。雷纳德对于伦琴的发现态度刻薄,丝毫不肯多加赞誉,这可能是他名声不够显赫的原因之一,而他之后的政治活动更是对其名声起到了雪上加霜的作用-他热情地拥护纳粹运动,并成为了一个丝毫不加讳饰的反犹太种族主义者。二十世纪三十年代的德国的许多科学家都为他的行为感到震惊和困惑,在杰出的德国物理学家中只有约翰尼斯·斯塔克(Johannes Stark)追随他的步伐。这些因素无疑为他的形象抹黑,在物理学家和历史学家之间都令他变得很不受人待见。尽管这些事件距离伦琴发现X射线还有好长一段时间,人们不愿将雷纳德在1886至1929年间的科学成就与他在1931至1945年间的政治行为分裂开来看,因此历史景象遭到了一定的扭曲,误导我们低估了雷纳德对科学的贡献。
伦琴和雷纳德之间的关系在其它一些文章中得到了详细的回顾。在伦琴发现X射线之前,这两位科学家就阴极射线的研究工作中的各个方面交换了若干信件。在这些信件中流露出彼此对对方的尊重。当伦琴做出他的划时代的发现时,他正是在重复雷纳德关于阴极射线的实验,而他在他最初发表的三篇关于X射线的文献中,他反复地引用雷纳德的工作作为参考。
伦琴常常重复别的物理学家所做过的实验,只要他在这些实验中发现了有意思之处。1894年雷纳德发表了论文,详细描述了他关于阴极射线的实验的细节和结果。在研究阴极射线的本质的过程中,他发明了一种一端带有薄的铝窗的阴极射线管。管中产生的阴极射线可以穿透铝窗进入外面的空气中,这样就可以脱离真空、高压和管内玻璃发出的荧光而对阴极射线本身进行观察。他发现阴极射线和可能是由极其微小的带负电的粒子(后来人们称之为电子)构成的,而这些粒子可以穿透的物质似乎是主要由空隙构成的。雷纳德的工作后来为他赢得了1905年的诺贝尔物理学奖。雷纳德在他的试验中用荧光物质来感应阴极射线,将射线管包裹起来以隔绝外源光线,并用摄影胶片来记录实验的结果。很难想象如果不是受到雷纳德的影响,伦琴会如何建立他自己的实验。
伦琴起初想运用雷纳德管,一端带有薄的铝窗的,可以使阴极射线透过铝窗进入空气中去的阴极射线管。雷纳德管在市面上是买不到的,因此伦琴写信给雷纳德,问他从哪里可以得到合适的铝(那个时候铝是一种很稀少的原料),而雷纳德的回应是从自己的库房里找出几件很好的雷纳德管寄给他,并且让该射线管的制造者,布龙斯维格的穆勒-翁开尔(Müller-Unkel)再寄一个好的雷纳德管给他。很明显这个时候雷纳德对伦琴倍加赞赏,因为后者在做出他的伟大发现之前就已经建立了杰出的实验物理学家的地位。1895年,雷纳德就在伍兹堡大学任职之事询问伦琴,而伦琴记挂着他的朋友和同事路德维格·策恩德尔,想把这个职位留给他。虽然对于伦琴在他的发现中究竟有没有使用雷纳德管还存在着很多争议,但这种互通有无的交往在他们之间建立起一种持续的联系,并且维持了好些年。
伦琴的实验构想和设施与雷纳德的有些不同,而且事实证明是在关键细节上有所不同,这一点是巧合还是故意设计成这样的已经不得而知了。雷纳德用锌来包裹他的射线管,而伦琴用的是纸板(雷纳德在他1894年的论文中曾提到过阴极射线可以被0.3毫米厚度的纸板挡隔)。在雷纳德用了有机物质(酮)的地方,伦琴不知道为什么用了氰亚铂酸盐钡。这些替换带来的结果是极其显著的,其中最重要的是后者能够被紫外线、阴极射线和X射线所激发而发出荧光,而前者被X射线照射时完全不会发光。
因此雷纳德所采用的锌板包围方式也许将他的射线管可能产生的X射线都给挡住了,而就算有X射线产生,他用的酮也完全无法显示X射线的存在。在雷纳德的实验中,他确实发现了一些难以解释的现象:摄影胶片变黑了,而验电器放电了,这些现象用阴极射线没法解释,因为胶片和验电器距离阴极射线管的距离太远了,而阴极射线在空气中只能穿行8厘米。回想起来,雷纳德在1894年就制造了X射线,然而,他没有意识到这个发现的重要性,也没有刨根问底地继续进行研究,因此他与这项伟大的成就失之交臂。
伦琴自己对于雷纳德比他更早制造出X射线,只是没能很好地识别它这件事的说法并没有得到普遍认可。参照雷纳德1894年的论文,伦琴在他的第二次交流报告中写道:
在我发表第一篇论文时,我已经知道了X射线可以使带电物体放电,而我怀疑在雷纳德的试验中,是X射线而非阴极射线,在穿透他仪器中的铝窗后,性质没有发生变化,继续传播一段距离,使远处的带电物体产生效应。然而我还是等到能够制造毋容置疑的实验结果后,才将我的实验发表出来。
伦琴还有什么理由认为他的新射线能使胶片曝光呢?仅有的另一种“新射线”是赫兹的电磁振荡,而它们显然不会对摄影胶片产生效应。伦琴知道雷纳德的胶片能够说明它们是从远距离曝光的,因此他可能预感到对于雷纳德来说,答案已经呼之欲出。或许正是这一点促使他尽快发表实验结果,究竟事实是否如此,我们可能永远无法知道答案了。
X射线被发现之后,雷纳德一开始为伦琴的闻名感到高兴,但他感到伦琴应该更多地提到他在这个发现中所起到的重要作用。他仍然与伦琴保持联系,在公共场合对他的成就表示认可。然而当伦琴在1901年独自被授予诺贝尔物理学奖时,雷纳德的失望之情溢于言表。他变得万分刁难,将他的余生—直到1947年—全都用来到处宣扬是他指点伦琴发现了X射线。非常有趣的是,瑞典科学学会的诺贝尔物理学奖评审团认为伦琴的工作受到了雷纳德的极大影响,因此他们建议奖金由二人平分。然而由于某些未被记载的原因,这个评审团的意见被学会压了下去。
古德斯皮德(Goodspeed)和詹宁斯(Jennings):后知后觉的发现
伦琴想要尽快发表他的实验成果的想法非常明智,因为无论是在规模庞大的大学还是小的学院实验室里,不计其数的研究者都能生成X射线但却对此毫无所知。这个现象早已存在,只待人们发现。事实上威廉·克鲁克斯(William Crookes)已经注意到在研究阴极射线时,摄影胶片出现了一些恼人的云雾状阴影,他同样把这个令人恼火的现象归咎于胶片质量太差。雷纳德发现在阴极射线的射程之外,验电器丢失了电荷,可他没能继续追踪这个现象。在宾夕法尼亚州一张真正的X线照片甚至被制作了出来,却被当作实验的偶然误差而丢在一边。1890年2月22日,宾夕法尼亚大学的教授亚瑟·古德斯皮德(Arthur Goodspeed)正在为摄影师威廉·詹宁斯(William Jennings)演示克鲁克斯管。詹宁斯把他的车费(两枚硬币)放在靠近实验装置的一叠摄影胶片上。后来古德斯皮德无法解释胶片上出现的盘状阴影和奇特的云雾状阴影,只好把它们丢在一边。直到关于伦琴的发现X射线的消息在1896年1月上旬传到了美国,古德斯皮德才意识到那张图像是怎么形成的。他和詹宁斯在2月原原本本地展示了那张原始的图片:这是美国的第一张放射学图片,但它的制造者却并没有因为这个“第一次的发现”而为人所知,好在他们本来就不是追名逐利之人。
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