诺贝尔物理学奖史演义(一)——伦琴和X射线

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-10-17

混沌初开奠乾坤,力声光热迹可寻。诺氏遗嘱奖物理,百年科学话深情。

享誉世界的“炸药大王”诺贝尔生前拥有355项专利发明,在世界各国开设有约100家工厂或公司;他逝世后,按其遗嘱,将大部分遗产及税利作为奖金奖励对人类做出贡献的各领域的科学家。“各领域”中,当首推自然科学的基础学科——物理学。诺贝尔逝世5周年纪念日,即1901年12月10日,诺贝尔基金会首次向物理、化学等领域的杰出科学家颁发诺贝尔奖。诺贝尔物理学奖由此诞生。

诺贝尔奖章(来源:百度)

23K金的诺贝尔奖章(来源:百度)

从1901年到现在,诺贝尔物理学奖共走过了119年历程。诺贝尔奖物理学奖有着严格的评选流程。唯严格方显权威,唯权威方显杰出,诺贝尔物理学奖200多位获奖名单中,就有耳熟能详的居里夫人、伦琴、爱因斯坦等。今年10 月 8日,最新一届诺贝尔物理学奖公布,又增加三位在宇宙演化史和地球位置研究中做出重要贡献的物理学家,他们是詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹。

翻开厚厚的获奖科学家档案,我们仿佛看到了他们坚忍不拔的品质和精益求精的技术。或许,他们背后的“人理”比所掌握的“物理”更可贵。

诺贝尔物理学奖是现代物理学史上伟大成就的缩影,折射出现代物理学的发展脉络。值诺贝尔物理学奖诞生119周年之际,我们有必要以故事形式来纪念这条路上的获奖科学家。

第一章 伦琴新奖拔头筹  

1901年12月10日下午,首届诺贝尔奖颁奖典礼在瑞典的斯德哥尔摩音乐学院隆重举行。按照流程,各奖项的获奖者领完奖牌和奖金后要依次发表“获奖感言”。当主持人准备宣布物理学奖的获奖者威廉·康拉德·伦琴上台演讲时,发现他居然不在现场。刚领完奖牌,又跑哪去了?

去后台打听,才知道那位惜时如金的伦琴已打道回国。而且,当初组委员工作人员通知伦琴领奖时,他说不想浪费时间在漫长的旅途中,建议邮寄到德国的单位。工作人员苦口婆心地解释道,诺贝尔奖牌是23K金,奖金有15万克朗(捷克的货币),都价值不菲不便邮寄。伦琴勉强答应前去领奖,但并没关注领奖的流程和细节。

伦琴的诺贝尔物理学奖证书 (来源:腾讯网)

伦琴的诺贝尔物理学奖证书 (来源:腾讯网)

听完,主持人耸耸肩,嘀咕道:“他真是天下第一怪人!”

其实,伦琴并不怪,他只是太忙。虽然他发现的新射线刚让他获得诺贝尔奖,但他对这种新射线还存在许多疑问,想着早点弄清楚。

伦琴发现这种新的射线极其偶然。

那是1895年11月8日傍晚,49岁的伦琴像往常一样来到位于德国的维尔茨堡的实验室(现位于伦琴大街8号的伦琴博物馆)。这是一个只有十几平方米的简陋小屋,简陋得与他当时的名声极不相称。他因1879年发现“伦琴电流”,用实验记录磁效应的存在而扬名于世,1894年起担任维尔茨堡大学的校长,著作等身,受人尊敬。最为人称道之处是他对物质和金钱极不看重,连后来领回的诺贝尔奖金也转手捐给了维尔茨堡大学物理研究室。

伦琴的实验小楼,现伦琴博物馆(来源:腾讯网)

伦琴的实验小楼,现伦琴博物馆(来源:腾讯网)

伦琴来实验室的主要目的,是继续研究阴极射线。半个世纪以前,英国物理学家法拉第发现稀薄气体放电时,会从阴极发出一种绚丽的光辉。而用这种叫“阴极射线”的都不例外。

伦琴在做阴极射线实验时,为了不受可见光和紫外线的影响,他用一块厚厚的黑色硬纸板将玻璃电管封得严严实实的。当他接通电源后,突然发现一米外的硬纸板上发出微弱的绿光,断电后绿光就消失了。他又把硬纸板的距离依次变大,结果一直移到两米之外,通电后硬纸板上仍然发光。他确认这是一种从未发生过的物理现象,绿光也绝不是阴极射线,或许其间伴随着重大的发现。

发现X射线的实验室 (来源:腾讯网)

发现X射线的实验室 (来源:腾讯网)

接下来一个多月里,伦琴除了主要的教务工作外,就把自己独自关在物理实验里,几乎断绝与同事、家人的联系,全力以赴投入到实验中。他喜欢用艰苦工作换来“完美无暇的结果”,未经证实的结论也不会公布。

进一步通过实验,他发现把笔记本、厚书、木头等放在放电管与硬纸板之间时,板上依旧闪光;而把1.5毫米厚的铅板放在它们中间时,板上没有光,明显是被铅板挡住了。为了研究方便,他把这种尚未人知的新射线称为“X射线”。

伦琴使用过的阴极射线管(来源:腾讯网)

伦琴使用过的阴极射线管(来源:腾讯网)

“既然X射线可以穿过厚橡皮、上百页的书,那它可以穿过人体吗?”12月22日晚,面对不请自来的妻子,伦琴没有过多解释,而是请她帮助做一个实验。妻子知道伦琴的脾气,便爽快答应了。她用黑布把右手包得严严实实,然后放在装有照相底片的暗盒后面,等待伦琴接通电源。约15分钟后,她被一张打印出来的照片震惊了,因为照片上清晰地呈现出她的手骨像,以及一枚结婚戒指。这张照片成为X射线史上最早、最著名、最有纪念意义的照片,它标志着人类可以借助X射线透视骨骼!

有了实验结果,接下来的事就好办多了。一周后,伦琴向本国物理学会提交了一篇名叫《关于一种新的射线》的论文,文中将数星期的研究结果按16个专题进行详细解说。次年年初,伦琴公布X射线后,引起了巨大轰动,实为科学史上之罕见。他举行公开报告会,会上他用X射线拍摄了维尔茨堡大学的解剖学家克利克尔的一只手。片刻后,实验仪器显影以后出现了老人的手骨,全场爆发掌声。克利克尔当场建议把这种射线命名为“伦琴射线”。

左图为伦琴妻子的手,右图为解剖学家克利克尔的手(来源:贤集网)

左图为伦琴妻子的手,右图为解剖学家克利克尔的手(来源:贤集网)

这一年伦琴正好50岁,他在知命之年送给科学界一份最珍贵的礼物。

X射线的应用,开创了医疗影像技术的先河,使医疗诊断水平大大提高,被誉为19世纪末物理学三大发现之一。后来的科学家对以X射线为主的影像技术进行研究和改进,终于于20世纪70年代发明了CT扫描仪。由此,我们现在进医院时可以选择照X光或照CT。

成立没多久的诺贝尔奖基金会,考虑到急需寻找著名科学家来提高此奖的知名度,便把首届物理奖的桂冠颁发给做出巨大贡献的伦琴。落花有意,流水无情。谁知伦琴对这个奖励并不在意,只是看到奖金的份上才有了前文到瑞典只领奖不演讲的故事。

伦琴先生照(来源:百度)

伦琴先生照(来源:百度)

受伦琴的影响,另一位西方科学家在发光材料的实验中发现一种具穿透性的新射线。还因此与居里夫妇平分了1903年的诺贝尔物理学奖。(敬请期待)

诺贝尔物理、化学奖委员会处理完伦琴的颁奖事宜后,接下来又要遴选1902年度的诺贝尔物理学奖人选。如前文所述,前半个世纪物理学家们都在为研究阴极射线而奔忙,那么在阴极射线方面做出卓越贡献的物理学家们,有谁有机会获此殊荣呢??欲知后事如何,且听下集分解。

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