一戰中的美國物理學(上):黑爾、密立根及「芝加哥幫」

一戰中的美國物理學(上):黑爾、密立根及「芝加哥幫」
由AIP EmilioSegrè 視覺檔案館提供
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第一次世界大戰,傳統的觀點認為這是「化學家的戰爭」,因為在戰鬥當中大量使用了惡名昭彰的化學武器。然而,其它科學,包括物理學在內,也扮演了至關緊要的角色。

撰文者:Johannes-Geert Hagmann
譯者:常雲惠,Teacher in Cambridge Primary School, Cambridge, New Zealand

美國於1917年4月6日正式對德宣戰並加入戰局,此即眾所周知的第一次世界大戰。傳統的觀點認為這是「化學家的戰爭」,因為在戰鬥當中大量使用了惡名昭彰的化學武器。然而,其它科學,包括物理學在內,也扮演了至關緊要的角色。其中最顯著的是偵測與干擾技術的發展。

儘管物理學在第一次世界大戰時的成就不如化學那麼顯著,但是戰時的經歷卻改變了整整一代的美國物理學家。本文旨在追溯大戰期間,物理學家動員的歷史以及科學參與的故事。這場衝突大幅提升了美國物理學家的地位與政治影響力。他們的成就所造成的影響,到了戰後更是顯而易見。

為戰爭而做的科學準備

「對於你被迫離開實驗室,參加軍隊的工作,我心裡的遺憾真是無以言喻。這場戰爭所造成駭人聽聞的損失,令我深切地同情所有被迫必須忍受的人。但願和平盡快來臨,讓我們能再次回到從前幸福的時光。」

美國天體物理學家黑爾(George Ellery Hale,參見圖一)在1914年底對一位德國同事寫的那些話,表達出遠觀者的簡單願望:希望盡速恢復戰前的科學生活常態。但是,黑爾的願望未能立即實現。在損失了令人驚駭的數千萬條生命之後,整個歐洲地區徹底崩解,加上在停戰後政治的急遽變化,因此不論是世界局勢或是科研生活,都不可能再回到戰前的狀態。

作為美國國家科學院(National Academy of Science,NAS)院士的外交大臣,黑爾在開戰後的第一年,仍舊與德國及其它國家的科學家們保持密切聯繫。但是,黑爾和他的同事們並未置身事外太久。儘管在1917年整個春季,美國仍舊維持著政治中立,但美國的科學家和工程師們,早就已經開始針對戰爭所引起的軍事問題尋求解答,並積極備戰。

美國的科技動員,在歐陸戰爭爆發不久之後便開始了。1915年5月,德國海軍擊沉西塔尼亞號(Lusitania)這艘搭載了一千二百名乘客,其中包括一百二十八名美國人的英國遠洋郵輪之後,這個動員的熱度達到了一個新的高點。此次攻擊事件發生不久之後,愛迪生(Thomas Edison)倡議為美國海軍籌組一個實驗室,這個提議,促成了海軍諮詢委員會(Naval Consulting Board)的設立。

由於組成委員的偏見,認為學術研究無法提供任何實際用途,因此刻意地避開與學術機構合作,轉向民間徵求各項發明與改進技術,從而收到超過十萬件以上的提案。不幸的是,大多數的提案品質都很差,以至於在整個大戰期間只有魯戈斯定向儀(Ruggles Orientator)這一個計畫得以落實;它是一個懸掛於空中,可以三百六十度翻轉的載人容器,用於訓練新進飛行員的飛行模擬訓練器。簡而言之,愛迪生期望從普羅大眾中尋求軍備知識或技術的願望,以失敗告終。

另一項科技動員,是由黑爾在1916年4月透過國家科學院所發起的。在美國參戰期間,科學院批准了支持威爾遜總統的臨時法案。最終,國家科學院成立了國家研究委員會(National Research Council,NRC),專職協調以國防為目的之基礎與應用研究,並支持科學家和工程師的跨學科合作。黑爾成為委事會的第一任主席。

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照片由加洲理工學院和AIP EmilioSegrè 視覺檔案館提供。
圖一,黑爾,攝於威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)。照片由加洲理工學院和AIP EmilioSegrè 視覺檔案館提供。
黑爾、密立根以及「芝加哥幫」

黑爾在1916年時給一位同僚的信中寫道:「戰爭應該是意謂著做研究,而非寫報告。」這個簡短的表述,強烈地顯示出他在組建NRC,以及推動科學動員方面的目標。

NRC以歐洲學院與組織為典範,由中央統籌協調各項研究計畫。1916年7月,黑爾前往英國考察,學習英國和法國科學家的動員方式。他在對威爾遜的調查結果報告中指出:「為了取得和平,我們現在正急需這些能對生產軍備武器有幫助的頭腦,其實,早在過去,甚至在未來,我們一直都需要他們」。黑爾對NRC的定位,是一個更加強大並能延續至戰後的永久組織。因此,科學史家將他視為美國戰後科學研究系統的奠基者。

與外國科學家之間的私人情誼,幫助了黑爾和他的同事為新成立的NRC奠定了政治上的影響力。1917年5月,來自英國和法國的一批物理學家到美訪問,隨行人員當中包括了1908年諾貝爾化學獎得主拉塞福(Ernest Rutherford)。他們向美國的科學同僚們分享了潛艇偵測技術上的研究。這個知識的分享,為美國科學家隨後自行研發的偵測技術開啟了先河。此外,這個外國團體還鼓吹動員美國的科學研究。

為了支持這一項志業,拉塞福發了一份備忘錄給威爾遜總統以及美國戰爭部長貝克(Newton Baker),其中描述了他的一位優秀學生莫斯利(Henry Moseley)死於加利波利之役(Battle of Gallipoli)的故事。莫斯利的死亡,實為科學人才流失的範例。而黑爾則利用拉塞福的故事,敦促美國確保有才華的研究人員被動員於戰時科學,而非白白在戰場上失去生命。

黑爾是創建NRC的首腦,但擔任副主席的物理學家密立根(Robert Millikan,圖二)則是大部分戰時工作的決策者。密立根和黑爾曾與邁克生(Albert Michelson,圖三)一起在芝加哥大學服務;邁克生是瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)的主任,於1887年時與莫立(Edward Morley)合作設計精確測量光速的光干涉實驗。

黑爾與密立根二人在NRC成立之後,便放下了手邊的科研工作,而專注於管理這個位在華盛頓特區的新組織。黑爾於1917年8月時離開首都,前往帕薩迪納(Pasadena)的威爾遜山天文台,監督一架100英寸,當時世界上最大的望遠鏡的安裝工作。這個天文台成為黑爾口中「帕薩迪納戰爭實驗室」的一部分;這個「戰爭實驗室」由包括這個天文台在內的幾個研究機構所組成,旨在協助美國陸軍和海軍製造精密測量儀器。截至戰爭結束之前,天文台中負責製作測距儀、潛望鏡和大地量測儀器的工作人員,已然多達60餘名。

密立根在華盛頓擔任黑爾的左右手,在處理NRC的日常業務之餘,他仍與過去瑞爾森物理實驗室的老同事及學生們保持聯繫。1916年,芝加哥大學物理系的成員,共由密西根、他的前導師邁克生、三位年輕的教授、一名講師與四名助理所組成。這群成員在該年稍後受到徵召,分別前往法國服役,或到美國信號軍團(US Signal Corps)進行研究工作,或者是與NRC的化學部門合作。通過對部隊勤務派令的干預,密立根很有可能幫助過幾位研究人員避免在戰鬥中受傷或死亡。然而,在1918年時,勤勉治學的物理學家朱伊特(Frank Jewett)認為,這場戰爭宛如一座「科學的血汗工廠」,大量動員了學術界與工業界的科學家,以至於打亂了基礎科學研究以及下一代科研人才的養成。

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照片由加洲理工學院檔案館提供
圖二:密立根(左二)攝於1918年,華盛頓特區的國家科學研究委員會辦事處面前。(由加洲理工學院檔案館提供)
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由AIP EmilioSegrè 視覺檔案館提供
圖三:瑞爾森物理實驗室的成員合照,攝於1916年6月。其中較有影響力的成員包括密立根(第一排右),邁克生(第二排右)和柯普(Otto Koppius,第四排右)。(由AIP EmilioSegrè 視覺檔案館提供)
物理科學委員會

在NRC成立之後,依業務需求,下面再分設七個委員會,每個委員會專門負責某一門科學。密立根除擔任副主席外,還兼任物理科學委員會(Physical Sciences Committee)主任。由於分權制度的設計,加上沒有自己的設施,各項計畫只能依靠與工業實驗室、大學、學院和軍事研究單位的合作來進行。為了方便NRC與軍隊的聯合工作,密立根被任命為信號兵團的少校,並穿上軍裝。起初,他對於自己的這個新身分感到相當有趣,在參加相關的軍事訓練時,也會自我調侃或摸魚,這包括每週例行的打靶練習。然而事後證明,當他需要在學術界與軍方之間進行談判協調時,這個「少校官階」起了相當大的作用。

1917年初,就在美國正式參戰的前幾週,NRC收到來自陸軍與海軍技術部門詢問一大串科學與技術問題的清單。NRC的科學家,從中挑選了二十多個他們認為會影響戰爭進程的物理問題,開始著手進行研究。超過50名的科學家致力於發展無線電通信、各種航程的飛機、不同射程的槍砲、偽裝掩護,以及飛航儀器等。到了戰爭末期,NRC大約進行過70個研發項目。

鑑於德國潛艇對協約國海上船艦的惡意攻擊,物理研究中最迫切的問題,是開發出偵測潛艇的方法。美國的反潛項目被認為是第一個大規模的軍事研發計劃。總計有十個團體參與研發工作。

偵測潛艇的方法分為兩類:用麥克風及其它聆聽裝置進行被動式的監測,以及通過反射聲波進行主動偵測。隨著潛艇技術的進展而變得更為安靜之後,被動的監測方式也逐漸變得困難。法國和英國的研究人員首先考慮到運用超聲波的反射波作為主動偵測的可行性。這種新技術,由負責偵測的船艦主動發送信號,再從潛艇表面反彈回來的信號來定位潛艇的位置。協約國研究委員的法國團隊,報告了由郎之萬(Paul Langevin)使用壓電傳感器(piezoelectric transducer)所進行的超聲波實驗。美國的哥倫比亞和史丹佛大學,以及在加州聖佩德羅(San Pedro)的一個新研究小組,以前述的發現為基礎繼續進行超聲波的研究。不過,儘管如此,具體的超聲波測距裝置在一戰結束之前仍舊未能開發出來。

有一個位於波士頓附近的納罕特(Nahant)很早以前便成立的小組致力於監聽方法的研究。這個單位接受海軍諮詢委員會(Naval Consulting Board)的資助,研究開發能在海上進行的監聽技術。該研究受到通用電氣(General Electric)和西電公司(Western Electric Company)二家公司工程團隊的支援;這群工程師當中,包括了化學家以及未來的諾貝爾獎得主朗繆爾(Irving Langmuir)。

然而,密立根相信「偵測」才是最優先、也是最重要的物理問題。在解決這個問題之後,才進入需要工程師輔助的第二個階段。因此,NRC在康乃狄克州的新倫敦(New London, Connecticut)又另外設立了一個新的物理研究小組,專門負責潛艇問題。這個團隊當中包含了年輕的科學家布希(Vannevar Bush)。他就是後來在第二次世界大戰期間,專責戰時研究的「美國科學研究與發展辦公處」(US Office of Scientific Research and Development)的主管。根據英國和法國科學家的研究成果,數學家梅森(Max Mason)在1917年7月提出了改良型探測器。這是以新的方式重新佈置聽力管的位置,此即所謂的多變量管或M-V管,這個操作原理更激發了日後其它儀器的設計方式。

除了置身實驗室參與戰時研究之外,有些美國物理學家也會到歐洲工作。為了維持協約國之間的科學訊息交流,密立根在1917年底,派遣聯絡官前往英國、法國和義大利,向NRC所屬的「研究訊息委員會」(Research Information Committee)回報科學情報。普林斯頓大學的特羅布里奇(Augustus Trowbridge)和哈佛大學的萊曼(Theodore Lyman),是參戰的美國物理學家中著名的例子。他們在法國負責一項「聲光測距」研究的領導任務。萊曼在朗格爾(Langres)附近組織了一個偵測學校,之後還被指定為一個超過千人的大營隊指揮官。

一戰中的美國物理學(下):物理未能左右戰局,戰爭卻為其留下了遺產

本文感謝Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, August/2017 雜誌內(Physics Today 70, 8, 44 (2017); http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3660);原文作者哈格曼(Johannes-Geert Hagmann)是德國慕尼黑德意志博物館的策展科技部主任。本文是哈格曼於《物理學報》( Physik Journal),2015年11卷14期上發表的〈物理應如何被聆聽〉(Wie sich die Physik Gehör verschaffte) 一文的延伸 。中文譯稿:常雲惠 老師,Teacher in Cambridge Primary School, Cambridge, New Zealand 。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Johannes-Geert Hagmann, and are published on Physics Today 70, 8, 44 (2017); http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3660). The article in Mandarin is translated by Ms. Marleen Charng, Teacher in Cambridge Primary School, Cambridge, New Zealand .

本文經物理雙月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航