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第1章 现代物理革命的序曲——X射线

物理

今天,再简陋的医院里也少不了透视方面的设备;患者不必受开膛破肚之苦,就可看到自己的五脏六腑;有没有毛病,有什么毛病,都能在极短的时间内,以极高的效率得以确认。我们是否想过,这样的恩泽来源于哪里呢?这样的恩泽来源于德国一个叫伦琴的科学家,是他发现X射线,才使今天的透视成为可能。

X射线的发现,既具有偶然性又具有必然性。科学家们是在有关阴极射线的研究中,偶然发现X射线的。阴极射线的发现也带有一定的偶然性——它是科学家们在研究真空放电现象时无意中发现的,但一经发现,阴极射线立即成为19世纪下半叶各国物理学家普遍关心的一个课题。最早研究真空放电现象的是法国的法拉第,他在19世纪30年代时就发现,稀薄气体在放电时会发生辉光。但限于当时的科研条件,他无法获得只有千分之几的大气压的高真空,因此无法对此课题进行更加深入的研究,颇有些“英雄无用武之地”的悲哀。随后,德国许多科学家都在这个方面作了持久的努力,并取得了相应的成就。这期间,盖斯勒、普吕克、希托夫、哥尔德施泰因功不可没:盖斯勒是德国波恩大学管理科学仪器方面的技术工人,却研制成了简易水银泵,并把金属电极封进玻璃管内,由此制成的放电管在真空度方面提高了一个数量极,为以后的研究打下了基础。普吕克是一位数学家和物理学家,他利用“盖斯勒管”进行真空放电实验,并有新的发现。希托夫是普吕克的弟子,他在实验中发现放电源于阴极,并以直线运动。哥尔德施泰因则顺水推舟地把这种源于阴极的射线,命名为“阴级射线”。以此为契机,英国物理学家克鲁克斯进一步改良了真空泵,研制了真空度更高的阴极射线管,发现阴极射线是一种带电的粒子流。不久,德国的实验物理学家勒纳德在放电管的玻璃上开了一个小薄铝窗,使阴极管射线成功地射出窗外,但他认为阴极射线不是一种带电的粒子流,而是一种以太波。

虽然这些科学家都有所创造,在发现X射线的历史上留下了不灭的足迹,但他们均功亏一篑。真正作出了实质性发现并轰动世界的,是至今名扬寰宇的德国物理学家伦琴,他改变了人们对阴极射线的看法,准确地确认了阴极射性的本质。他首先使用勒纳德管重复了勒纳德实验,以确证阴极射线能使放电管近旁的荧光屏发光,并达到了目的。随后他又改用克鲁克斯管,继续这项实验。他用黑色纸板把放电管密封起来,然后露出一条缝隙。当检查是否漏光时,他意外发现一米之外的荧光屏上有神秘的闪光。他感到惊奇:何以如此?很显然,这无法用阴极射线的有关理论予以恰当的解释:当时科学家们普遍认为,阴极射线的穿透力很差,只能在空气中穿行几厘米。他震惊了,决心搞他个水落石出。于是反复实验,连续进行了几个星期之久,然后他确信这不是一般的阴极射线,而是一种具有极强穿透力的神秘射线,是由阴极射线打到玻璃管壁上产生出来的。因为当时整个科学界对这种神秘光线的性质还所知甚少,所以他很谨慎地将之命名为“X射线”。尽管伦琴对这种神秘光线所知同样不多,但这种光线的穿透力给他留下了极其深刻的印象:它能穿透厚达1000个页码的图书、2~3厘米厚的木板、15毫米厚的铝板,相当神奇。此外,用X射线照相,可以照出木盒中的法码、有绝缘包皮的金属线等;他还给他夫人的手照了相,手骨根根可见,手指上戴的戒指历历在目,令人啧啧称奇,觉得不可思议。有了这个重大发现,他很快写出相关论文,提交给维尔茨堡物理医学学会出版,3个月内印刷5次。很快,发现了X射线的消息便传遍了全世界文明国度的每一角落,并引起巨大的轰动和强烈的反应,出现了科学史上极其罕见的一幕。伦琴夫人的手骨照片更是一石激起千层浪,成了当时世界上最具轰动效应的新闻。医学界深受启发:既然X射线可以穿透皮肉,让人看到里面的骨头,那么当然可以用X射线透视人体任一器官,而不再需要“隔皮猜瓜”,一味地“望闻听切”了。因此医学界中的骨科和内科,最早获得X射线的恩泽,开始为无数人造福。今日的医疗保健事业依然得益于X射线的发现;我们难以想像,如果没有X射线,今天的医疗保健事业将会变成怎样一副模样。X射线的发现还打破了当时物理学家踌躇满志、洋洋自得的自满情绪,向科学家们展示出尚待探索的未知领域,因而打开了物理学革命的大门,为日后众多的发现发明奠定了基础。

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