夜空中最亮的星|大器晚成的实验物理学家伦琴——发现X射线
夜空中最亮的星|大器晚成的实验物理学家伦琴——发现X射线来源：湖北科学技术出版社
作者：梁军
在1894这一年，德国有3位杰出的物理学家因病逝世。先是验证了电磁波的天才物理学家年轻的玻恩大学教授——赫兹在年初去世，年仅37岁。然后是伦琴的恩师，柏林大学的物理学教授——55岁的奥古斯都·孔特，在5月去世。8月8日，德国物理学界的老前辈，柏林夏洛腾堡的国立物理技术学院院长——亥姆霍茨辞世。这一年，伦琴当选维尔茨堡大学校长。就任这个职位的时候，伦琴发表了演说，表达了对他的这3位师长、同事和朋友的缅怀：
大学是科学研究和思想教育的培养园地，是师生陶冶理想的地方。大学在这方面的重大的意义远远超过了它的实际价值。由于这个缘故，必须努力在既是卓越的教师又是卓越的科学研究者与科学倡导者之中，遴选硕彦之士，以补职位的空缺。
对于每一个认真工作的真正的科学家来说，不论所治的学术部门如何，从根本上追随纯粹理想的目标，就是名副其实的理想家。本校师生应以成为本校的成员引以为最大的荣誉。对于自己职业的光荣感是必要的，但并不是对职业的自命不凡、唯我独尊或是学术垄断——所有这些都是由于对自己有一种错误估计的原因，而不是属于一种为自己所献身的职业必不可少的感情，这个职业虽然赋予许多权利，但也要求履行许多义务。我们所有的抱负都应不仅致力于忠实履行对自己的义务，同时也应该致力于履行对别人的义务。只有如此，我们的大学才会被尊重；只有如此，我们对于这种学术自由的职业才能当之无愧；只有如此，这种可贵的、不可或缺的权利才会保持下去。
……
实验是最有力最可靠的手段，能使我们揭开自然界的秘密，实验是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定。这种信念只是逐渐地受到人们的重视，把推论的结果与实际的事实来比较，几乎总是不可能的，而这就给从事实验研究的工作者以所需的保证。如果结果与事实不相符合，即使引导到这个结果的推论很巧妙，它也必然是错误的。如果我们考虑到为了取得结果而需要巨大的脑力劳动和大量的时间，而在此进程中许多美好的希望一定会破灭，那我们也许从这种必然性中可以看出某种严酷性。可是自然科学的探讨者能有这种考核真伪的标准，同时也是幸运的，虽然它有时也会带来很大的失望。
维尔茨堡大学
这时候，经典物理学已经发展得十分成熟，几个主要分支——牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在实验和应用上也取得了巨大成果。很多物理学家都认为物理学已经臻于完美了，以后的任务只是在细节上做些补充和修正而已，而不久后伦琴发现的X射线将像一声春雷，唤醒沉睡的物理学界，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，掀开现代物理学的序幕，揭示科学永无止境的发展空间和潜能。
1650年德国物理学家奥托·冯·格里克发明了活塞式真空泵，又在1657年设计并进行了著名的马德堡半球实验，推翻了亚里士多德提出的“自然界厌恶真空（自然界不存在真空）”的假说。在那之后，物理学家开始在接近真空的稀薄空气中做关于电的实验。1705年人们发现在稀薄空气中的电弧比在一般空气中的长。1838年法拉第在充满稀薄空气的玻璃管中输送电流，发现在阴极和阳极之间可以产生光弧。1857年德国玻恩大学的玻璃工盖斯勒，发明了更好的泵和相应的方法来给放电管抽真空，发明了并制成了盖斯勒管。1858年，德国物理学家J·普里克在研究盖斯勒管低压气体放电时发现，管壁在阳极的一端会发光。随后，英国物理学家克鲁克斯在研究闪电现象时，改进了盖斯勒管，在阴极和阳极之间加上几千伏的电压，发现当玻璃管内的空气稀薄到一定程度时阴极对面阳极背后的玻璃壁上闪烁着绿色的光辉。这种现象引起了克鲁克斯的浓厚兴趣，他进行了很多实验研究。他在阴极和对面玻璃壁之间放置一个十字形云母片时，玻璃壁上就会出现形状清晰的十字形；如果在管中部放置一个马蹄形的磁铁，十字形的阴影会发生偏移。现象表明，从阴极发出了某种粒子流，就像看不见的射线一样，人们称这种不明射线为“阴极射线”。这种抽成真空的高压放电玻璃管被称为克鲁克斯阴极射线管。
克鲁克斯管和阴极射线引起了很多物理学家的兴趣，英国物理学家汤姆逊（开尔文勋爵）、德国物理学家赫兹和他的助手莱纳德，对此都做了不少研究。莱纳德在赫兹的启发下发明了带铝窗（莱纳德窗）的阴极射线管——莱纳德管，并因此获得1905年的诺贝尔物理学奖；而汤姆逊在1897年证实阴极射线由带负电的电子组成，并因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
然而，第一个作出突破性贡献的是也被这个课题吸引的伦琴。1894年，伦琴得到了几个质量很好的阴极射线管，既有克鲁克斯管也有最新的雷纳德管。他开始重复雷纳德的一些实验，研究阴极射线在非真空环境和氢气之中的效应，这些发出各种美丽荧光的实验让他越来越感兴趣，最终决定放弃其他研究，专心致志进行阴极射线的实验。
1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里用一个克鲁克斯放电管做阴极射线的实验工作，一个偶然的现象引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在旁边的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出微弱的荧光。在实验工作中培养出了严谨的工作习惯的伦琴没有放过这随意的一瞥，他开始深入研究这个现象并发现荧光屏的闪光是伴随着放电过程出现的。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等物品，放在放电管和荧光屏之间，发现不同物品的阻挡效果很不一样，它能透过木头、肌肉和其他不透明的物质，但是金属和骨骼能阻止它的穿过。
伦琴意识到这是一种和阴极射线很不相同的、具有特别强的穿透力的特殊的射线，而且这些现象是以前从来没人观察到过的。当他试图给实验现象拍照时，伦琴发现底片洗出来是一片空白，训练有素的伦琴再一次意识到这和他正在实验的未知射线有关，就是这种射线使得密闭在干板匣里的硝酸银干板底片提前曝光变黑了。在接下来的几个星期，他把自己关在实验室里，研究这种未知射线的性质，连助手都不知道他在做什么，平时和他一直很亲密的伦琴夫人也感到他举止反常；直到6个星期之后，伦琴确信这是一种新的射线，就暂时用X射线来命名这种射线。1895年12月22日，伦琴邀请夫人来到实验室，给她的手拍下了第一张人手X射线照片，这时他已经意识到这个发现在医学上的重要意义。1895年12月28日，伦琴以通信方式将这一发现公之于众，把报告交给维尔茨堡物理学医学学会发表，题为《一种新的射线（初步报告）》，X射线正式诞生了。
伦琴发现X射线的论文刊登在《维尔茨堡物理学医学会议报告》1895年卷的最后10页上。这一令人惊奇的科学发现，随着那些有着神秘而有着惊人效果的X光片迅速传播开来。X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，引起了人们的极大兴趣。1个月内许多国家都竞相开展类似的实验，热潮席卷欧美，盛况空前。
而在另一方面，X射线的发现对自然科学的发展也有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。在短短的几个月内就有数以百计的科学家在研究X射线，在1年之内发表的有关论文有将近1000篇。在伦琴发明的直接感召下而进行研究的科学家贝克雷尔，在做X射线的研究时，又发现了更为重要的放射现象。物理学家们继续探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，由此打开了研究晶体结构的大门。X射线的性质也为光的波粒二象性提供了重要证据，X射线的发现打开了近代物理学的大门。
然而，对于许多物理学家来说，伦琴的发现是他们一个巨大的遗憾。1880年德国物理学家哥尔茨坦在研究阴极射线时，注意到阴极射线管壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发光，但他写了一篇用以太波动来解释这种现象的论文之后，没有进一步深入研究和实验，错过了发现X射线的机会。在伦琴之前，很多物理学家就已经知道照相底片不能存放在阴极射线装置旁边，否则有可能变黑。例如，英国牛津的物理学家斯密士就发现搁在克鲁克斯放电管附近的盒中的底片变黑了，他只是叫助手把底片放到别的地方保存，而没有深究原因；而发明克鲁克斯管的克鲁克斯，也在1887年发现过类似现象，他认为是底片质量有问题，就把变黑的底片退还厂家而没有进行深究。汤姆逊曾经更接近X射线，他在1894年测阴极射线速度时，就有观察到X射线的记录；遗憾的是，汤姆逊并没有花工夫继续研究这一偶然现象。研究阴极射线权威的雷纳德，在1905年获诺贝尔物理学奖后还遗憾地说：“其实，我也曾经做过好几个观测，当时解释不了，准备留待以后研究——不幸没有及时开始。”
伦琴和这些同样优秀的科学家的区别正在于他摆脱了任何偏见，在研究中坚持严谨的态度，并用经过长期磨炼的实验技术，抓住了自然和思想的火花，把握了机遇。
在伦琴发现X射线后仅4天，美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。伦琴也因此获得了巨大的荣誉和关注，但他并没有停下研究的步伐，避开了名声带来的骚扰，1896年3月发表了《一种新射线（续篇）》，1897年3月发表了《关于X射线性质的进一步观察（第三次报告）》。伦琴的《一种新的射线》的3篇报告，成为用精练和明晰的方式来阐述科学研究成果的典范；从这三篇著名的报告中，我们可以看到伦琴在观察和测量上所表现的坚持不懈的毅力和实事求是的精神。
严谨的思维、敏锐的洞察力、一丝不苟的态度贯彻在伦琴的研究中：他一次又一次地设计新的对照实验，让所得结果无可置疑；他对于任何不以正确的实验为根据的假设都抱着怀疑态度；在研究一个尚未了解的物理过程时，不会错过任何现象，也不会停留在现象的表面，而是去追究这个现象的本质。X射线的发现，传播得极为迅速，几乎一发现就应用于实际，产生了极为深远的影响。因此1901年，诺贝尔物理学奖首次颁发给伦琴时，大家普遍认为是伦琴为诺贝尔奖增添了光彩，伦琴也很快把奖金捐给了维尔茨堡大学。之后，有许多人觉得伦琴的发现只是一种偶然。哲学家闵斯特贝尔格说过：“假使机会促成了发现，那么世界上充满了这种机会，只是伦琴太少。”
授权方：湖北科学技术出版社
作者：梁军
责任编辑：贺治瑞
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