1 發(fā)現(xiàn)X射線
19世紀下半葉，由于工業(yè)革命后的電氣工程以及科學研究的雙重發(fā)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(shù)科學家參與其間，包括了歐洲的赫茲(Heinrich Hertz)、萊納德(Philipp Lenard)和湯姆孫(J. J. Thomson)等青史留名的物理學家，以及遠在美國的發(fā)明家特斯拉(Nikola Tesla)。在發(fā)現(xiàn)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維爾茨堡大學校長，擔任繁重的行政職務一年。1895年10月，他卸下校長職務之后，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(fā)現(xiàn)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，必定已經反復出現(xiàn)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“視而不見”，大意失荊州，與珍貴的科學發(fā)現(xiàn)及千古榮譽失之交臂。
為何是倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線?有一個合理的解釋如下：倫琴是一位優(yōu)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(shù)據(jù)進行嚴謹?shù)尿炞C及論證。倫琴在大學時主修機械工程，專精于氣體的導熱性質和蒸汽機的原理及構造(他的熱力學課程受教于“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，并且自己進行測量(圖1)。這種研究取向與習慣，一方面是當時的歐洲學術氛圍使然，讓倫琴有里仁為美之利，得以取法乎上;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，并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(fā)展過程中的實驗傳統(tǒng)，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。
圖1 倫琴在維爾茨堡大學發(fā)現(xiàn) X 射線的實驗室，照片來自“德國倫琴博物館”(German Röentgen Museum)
1894年1月倫琴就任維爾茨堡大學校長時，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(fā)展歷程。其中，他強調從16世紀以來，自然科學家群體就“逐漸形成了這么一個信念，認知實驗是探究(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(zhí)行，而且對其現(xiàn)象解釋都根基于測量數(shù)據(jù)(客觀證據(jù))的實驗。后世科學史學家認為，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(倫琴喜歡在周末晚上做實驗，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 m處(一個陰極射線到達不了的距離)的熒光屏上發(fā)現(xiàn)了亮光。他很快地意識到，這個亮光不是任何已知的物理現(xiàn)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，從而明確判定這個熒光的出現(xiàn)或消失是瞬間的，來自于陰極射線管的開或關。這時，他排除了亮光是磷光(phosphorescence)的疑慮，因為磷光的明暗變化是逐漸的，需要一點緩沖的反應時間。
猜想X光是一種穿透性很強的新射線(或粒子流)之后，倫琴立即采取一系列步驟，努力進行各種測量，想方設法綜合和歸納它們1)的物理性質。這是即將降臨的確立和鞏固倫琴的X光發(fā)現(xiàn)者地位的關鍵一步，因為事實勝于雄辯，讓全面的實驗證據(jù)說話是判定自然科學真假的不二法門。在隨后的6周里，倫琴不斷實驗，他反復自問，試圖回答下列問題，包括X射線是直線前進的嗎?它們會反射或折射嗎?它們與陰極射線有何區(qū)別嗎?它們(的本質)到底是什么?倫琴很快驗證了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，以及除了產生熒光之外，還能在攝影底片上感光成像。因為能夠在底片上成像，眼見為憑，所以X射線的發(fā)現(xiàn)一經公布，就在大西洋兩岸的科學家與公眾和媒體之間造成轟動。此外，如眾所周知，倫琴更驚訝地發(fā)現(xiàn)，除了穿透紙張、書本、木頭，和薄金屬片之外，X光還能夠穿透人體肌膚。
雖然很肯定自己發(fā)現(xiàn)了一種新射線(或粒子流)，但是倫琴心中還是非常焦慮忐忑，他深恐萬一這些屏幕上的亮光只是因為長時間在暗室中工作，由于眼睛疲乏而造成的幻覺(眼纈)。他擔心倘使輕率發(fā)表了不真實的虛幻測量結果，豈不就聲名掃地，學術生涯告終了。因此在反復自問與測試的過程中，他恍如失魂落魄，不與人交談，并且禁止任何人進入實驗室。直到12月22日，倫琴終于邀請他的太太到實驗室，請她允許他用X光拍攝她的手，這就是科學史上著名的倫琴太太的手指頭及結婚戒指X射線照片的由來。(在拍攝她太太的手之前，倫琴已經無意間發(fā)現(xiàn)了X光會穿透他自己的肌膚，但他一則不愿告訴別人，二則仍有些許擔心這是來自眼睛疲勞所造成的幻覺。而當毫無心理準備，突然看到了自己的手骨頭的照片之后，倫琴夫人似乎驚嚇過度，從此拒絕再進入實驗室。倫琴此時決定立即公開他的實驗結果，他對著太太說“特大麻煩來了”(“Now the devil will be topay”)。)
2 迅速發(fā)表，孤篇壓卷
確立了X光的穿透性和拍攝了手影像之后，倫琴迅速地簡短寫出了他的驚人發(fā)現(xiàn)，他把論文題目定為“On a New Kind of Rays：A Preliminary Communication”。而且，倫琴并沒有把論文投遞到當時學術地位崇高的全國性著名物理期刊，如Annalen der Physik，而是在12月28日(圣誕節(jié)假期期間)交由當?shù)氐腜roceedings of the Würzburg Physical Medical Society出版，并且叮嚀他們破例即日印行。這時的倫琴年滿50歲，他雖然僅是陰極射線領域的一位新手，卻已經不是一位學術界的泛泛之輩，或蕓蕓眾生而已。顯然，倫琴深知優(yōu)先發(fā)表在科學史上的無可替代的指標性與絕對意義。他想必經過深思熟慮及一番內心煎熬，在斟酌現(xiàn)實之后，明智地選擇當?shù)?地方性)期刊順利完成發(fā)表任務，從而摘取了不容改寫的“X射線發(fā)現(xiàn)者”的頭銜。
1896年1月23日，倫琴在Würzburg Physical Medical Society的例行會議上宣讀了他的論文，這是他一生中第一次、也是最后一次關于X射線的正式演講。接著，在1896和1897兩年，他又同樣在Proceedings of the Würzburg Physical Medical Society各發(fā)表了一篇X射線論文。這三篇論文和唯一 一次公開演講有如是他的“孤篇壓卷”2)，此后倫琴未曾再就X射線留下任何片言只字。1900年，倫琴離開維爾茨堡大學，轉任慕尼黑大學“實驗物理研究所”所長，并重拾他早年的興趣，再度集中于晶體物理性質的研究。
圖2 倫琴在演講當場拍攝的著名解剖學家科力克的手的X射線照片，取自 X-ray|Psychology Wiki|Fandom (wikia.org)
在Würzburg Physical Medical Society的會議中，倫琴當場為出席演講的當時著名的解剖學家科力克(Albert von Kölliker)拍攝了他的手，這張射線照片即使以100多年后的今天的標準來說，仍是影像清晰透徹的(圖2)。也是在這一場演講中，Kölliker建議把X光命名為“倫琴射線”。
3 推動慕尼黑大學“理論物理研究所”的成立
筆者認為，倫琴的兩大科學貢獻，一是發(fā)現(xiàn)X射線(這一貢獻是大眾所熟知的)，二是于1900年代中期在慕尼黑大學費力爭取成立了“理論物理研究所”(這一貢獻可能是鮮為人知的)。先是1890至1894年短暫4年期間，玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)曾經擔任慕尼黑大學的理論物理講座教授，但自玻爾茲曼離開之后，慕尼黑大學的理論物理教授職位就懸缺多年，直到“理論物理研究所”成立，索末菲(Arnold Sommerfeld)應聘成為第一任所長。由于索末菲的到來(1906年)，幾年后“慕尼黑學派”形成了上與“哥廷根學派”和“哥本哈根學派”三峰并峙的輝煌局面，為20年后量子力學的發(fā)展完成，寫下了燦爛多彩的英雄事跡。倫琴鼎力爭取在“實驗物理研究所”之外，于慕尼黑大學設立“理論物理研究所”，便于理論與實驗相互切磋，彼此密切合作，這是他對近代物理學發(fā)展的又一項重大貢獻，值得后人的敬佩與懷思。
1) X光的英文時常寫為復數(shù)X rays，所以這里中文用“它們”。
2) 全唐詩中，張若虛僅存兩首，他的《春江花月夜》被譽為是“孤篇壓全唐”。
倫琴在遺囑中要求銷毀他生前的所有個人的及科學方面的通訊——來往信件，他(在發(fā)現(xiàn)X射線之后)內心所呼喚向往的，似乎是一種功力深厚而默默無聞的學者人生，有如(唐)盧照鄰《長安古意》詩中寫的：“寂寂寥寥揚子居，年年歲歲一床書。獨有南山桂花發(fā)，飛來飛去襲人裾。”
