倫琴發現「X射線」成為史上第一個諾貝爾物理獎得主,不但把獎金捐助研究還拒絕申請專利

倫琴發現「X射線」成為史上第一個諾貝爾物理獎得主,不但把獎金捐助研究還拒絕申請專利
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我們想讓你知道的是

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?

文:林志忠(台灣陽明交通大學電子物理系)

「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。

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倫琴

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。

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)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,想方設法綜合和歸納它們(ref.1)的物理性質。這是確立和鞏固倫琴的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6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。