1929 年一個夏天中午，德國艾伯斯華德（Eberswalde）小鎮的奧古斯特-維多利亞（Auguste Viktoria）醫院裡，大夥兒正在休息用餐時，昏暗漆黑的手術室突然閃進兩個人影。領頭的是資深護士狄森（Gerda Ditzen），後面跟著新進的住院醫生福斯曼（Werner Forssmann），他們回頭確定沒人看見後，趕緊將門關上。 福斯曼於 1904 年 8 月 29 日 在柏林出生，高中畢業後進入弗里德里希-威廉大學（即現在的柏林洪堡大學）醫學院就讀，1928 年通過國家考試後，先在大學的附屬醫院待了一年，隔年便來到奧古斯特-維多利亞醫院。他在外科主任施奈德（Richard Schneider）的指導下開了幾次刀，不過他最想做的卻是心導管的實驗。 這個念頭源自他之前讀到上個世紀中葉，法國幾位科學家曾在馬的頸靜脈切開一個小口，然後插入一條細管，沿著血管一路抵達馬的心臟，以測量心臟的血壓變化。馬在實驗過程中一直保持清醒，實驗後也安然無恙，福斯曼因此認為這方法也可以用於人身上，如此便可直接對心臟投藥進行搶救，無需高危險性的開刀手術，也不用全身麻醉。 福斯曼向主任施奈德提出這個醫療實驗，施奈德要他先提動物實驗計畫。福斯曼心想就算做完動物實驗，在這不到四萬人的小鎮，也不見得有合適的病患可進行人體實驗，為了避免曠日廢時，他主動表示志願當第一隻白老鼠。施奈德怎麼可能允許這麼危險的事，當場嚴詞拒絕。 福斯曼不肯死心，決定私下偷偷進行，但手術器具與材料平常都鎖在手術室的櫃子裡，因此他特意接近掌管手術室的狄森護士，向她推銷這個點子，描繪將來可以造福多少病患。沒想到狄森雖然同意助他一臂之力，但堅持必須是由她來當白老鼠。為了能進行實驗，福斯曼便點頭答應了。 他們兩人溜進手術室後，狄森熟門熟路地只開啟幾盞必要的燈，然後打開櫃子拿出相關器材，消毒後放在檯子上。接著福斯曼示意她躺到手術台上。 「不是坐著就好嗎？」狄森疑惑地問道，畢竟福斯曼之前是說從左手肘的靜脈插入導管。 「呃……雖然是局部麻醉，還是躺著比較安全。」福斯曼哄她躺好後，又將她的手臂與雙腳牢牢固定在手術台上。見到她狐疑不安的表情，他趕緊安撫她：「安全起見。以免你下意識亂動。」 狄森已經幫他這麼多了，他怎麼可以再讓她冒險接受實驗。福斯曼背對狄森，偷偷在自己左臂注射麻藥後，再慢條斯理地假裝檢視狄森的手肘、用碘酒消毒，其實是要爭取時間等麻藥生效。 確認麻藥發揮作用後，福斯曼退到狄森視線以外，在左手肘處劃開一道傷口，將靜脈固定好後再切開來，然後拿起 65 公分長的導尿管插入靜脈，往上推進約 30 公分後，將傷口包紮好，走近手術台。他用右手解開狄森手腳的束縛，狄森瞄到福斯曼左手臂露出一截導管，立刻明白了怎麼一回事，不禁哭了出來，同時不停地數落他。 福斯曼請她趕快打電話給 X 光室的護士艾娃（Eva）做好準備，兩人隨即快步走去照 X 光。此時福斯曼的同事羅梅斯（Peter Romeis）聞訊也趕來 X 光室，一見之下就要把導管給拉出來，福斯曼好不容易才說服他讓自己完成實驗。 福斯曼站到 X 光機與螢光屏幕之間，艾娃拿著一面鏡子讓他可以看見螢光屏幕上的影像。福斯曼見到導管已經進到肩關節的位置，他估算還能再推進 30 公分，於是在導管上做好記號，在身旁三人驚惶的目光下，繼續將導管推往心臟。導管就定位後，果然看見導管末端就在右心房內，福斯曼請艾娃拍下 X 光照片；人類史上前所未有的壯舉就這樣被記錄下來。 施奈德知道這件事後原本大為震怒，但看了 X 光照片後，不得不信服心導管的可行性。不久之後有位患者病危，施奈德允許福斯曼用心導管將腎上腺素與洋地黃製劑投入患者的心臟，果然得到不錯的成效。施奈德鼓勵福斯曼寫成論文，並推薦他到德國最負盛名的夏里特（Charité）醫院。 福斯曼於 1929 年 10 月前往任職，孰料 11 月論文刊出後，夏里特醫院的外科主任看了反而覺得這是兒戲，立刻將他解雇。福斯曼只好回到原來的醫院，在施奈德的支持下，繼續用兔子、狗等做心導管的實驗。不過他發現德國心臟科醫界的噓聲也遠大於掌聲，考慮到未來的發展，他只好放棄心臟醫學，轉往泌尿科發展。 二次大戰後，福斯曼帶著妻小搬到黑森林一帶，在鄉間擔任醫生。他萬萬沒想到自己的論文被法國醫生考南德（André Cournand）與美國的理查（Dickinson Richards）醫生發現，他們兩人共同合作，將心導管技術應用於心臟醫療上，使得心導管逐漸普及。1956 …
Author Archives: 瑞棋 張
發現同位素的人
同位素指的是同一種化學元素，卻有不同的核種，也就是原子核裡的質子數相同，但中子的數量不一樣。以往科學家都認為每個元素都是獨一無二的，從不曾設想過同位素的可能性，加上同一種元素的同位素所表現出來的化學性質都毫無二致，也不可能在化學實驗中發現異狀，那麼同位素是怎麼發現的？ 元素蛻變 1901 年的某一天，24 歲的索迪（Frederick Soddy）在實驗室中興奮地喊道：「拉塞福，這是蛻變現象 (transmutation)！」，拉塞福聽到後眉頭一皺，回說：「看在上帝的份上，不要叫它蛻變吧！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」 是的，蛻變是煉金術士長久以來追求的聖杯，也就是將某種元素轉變為另一種元素，以求將一般金屬變成黃金。當然一直沒有人能做到，如今索迪發現密封的放射性元素釷竟然自發性地蛻變為鐳，才不禁這麼脫口而出。 索迪出生於 1877 年 9 月 2 日，大學畢業後在牛津大學做了兩年的研究員，接著於 1900 年來加拿大的麥基爾大學（McGill University），追隨拉塞福做放射性的研究。 放射性是法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）於 1896 年無意間發現的，他將底片用黑色紙板密封後，跟鈾鹽一起放入抽屜，幾天後底片拆封，竟然感光了，因而發現鈾鹽會放射出某種神祕的能量。從此科學界掀起研究放射性的熱潮，拉塞福也是其中之一。他於 1899 年，進一步區分出放射線有 α 與 β 兩種，不過仍沒有人知道放射線究竟是什麼。 索迪跟著拉塞福做了兩年研究後，回到英國繼續研究放射性，他發現存放鐳的密封罐中竟憑空出現惰性氣體氦，寫信向拉塞福報告，拉塞福進一步實驗後，才於 1907 年確認鐳發出的 α 射線原來就是氦原子核，因此才產生氦氣。 鈾的衰變鍊 索迪後續研究鈾的衰變時，發現鈾在最終變成鉛之前，大約有 40 種衰變反應，問題是，鈾和鉛在週期表上中間只有 9 種元素，那麼在這麼多不同反應中出現的新原子究竟是什麼元素？又該如何放進週期表？ 當時週期表仍是按原子量的大小排列，雖然有少數金屬元素的位置得重新調換，化學性質的規律性才能符合，但大致上已知元素都已在週期表各安其位，實在沒有理由再予推翻。因此索迪的發現受到大家質疑，認為他的實驗有問題。 1913 年，拉塞福另一位門生莫斯利（Henry Moseley）以陰極射線（高速電子）撞擊不同金屬元素，發現若按所產生X光的頻率高低順序，重新排列週期表，便會呈現化學性質的週期性。這是一項重大突破，元素週期表從此可以用客觀的數據制定，而不是靠人為介入調整。 索迪發現在新的週期表上，放射性元素的衰變鍊便有了明確的路徑，元素釋出一個 α 粒子，會變成它左邊第二格的元素；釋出一個 β 粒子則會變成緊鄰它右邊的元素。他便依此在 1913 這一年發表「位移法則」。 根據位移法則，不同元素可能會經過不同路徑而衰變成同一元素，但原子量卻不一樣；例如鈾-235釋出會 α 粒子而衰變成釷-231，但錒-230經過 β 衰變卻成為釷-230，兩者都是釷，但原子量不同。索迪便把不同原子量的同一元素稱為「同位素」。 …
發明電視的人
1922年的某一天，美國愛達荷州一個人口不到兩千人的小鎮里格比（Rigby）裏，16歲的方斯渥斯（Philo T. Farnsworth）正在父親的農場上幫忙。他用馬拉著耙子在地上耙出準備施種的植溝，中途他回頭看著地上一道道的植溝，突然冒出一個想法：電子如果這樣一行一行地，由上往下畫出一幅畫，速度就會快到肉眼無法分辨，看起來宛如實在的圖像……。 方斯渥斯於1906年8月19日出生，從小就對電特別有興趣，常自己動手做實驗，並不時從科學雜誌學習新知，電視這念頭便是源自他在雜誌中讀到的文章。 波蘭裔的德國工程師尼普考（Paul Nipkow）曾在1884年發明一種裝置，沿著圓盤周圍以螺旋狀鑽許多小孔，圓盤旋轉後，前方光線穿過一個個小孔，依序打到光感測器，轉換為電子訊號後，傳輸到可隨訊號強度而變的光源，便能重建黑白影像。不過這要到1906年，可放大訊號的三級真空管發明後，才能付諸實現。而且即使許多人再加以改良，解析度仍非常低，另外還有個致命的缺點：由於圓盤的轉動是機械動作，再怎麼快也無法如實呈現動態畫面。 方斯渥斯在農場上想到以電子產生影像的點子後，第二天連忙去找科學老師托曼（Justin Tolman）請教，沒想到老師根本連電視這名詞都沒聽過。於是方斯渥斯拿起粉筆，在黑板上一邊畫一邊說明自己的構想：透鏡將物體的影像聚焦到感光元件，感光元件再將一個一個畫素轉換成電子訊號後，傳送到可控制陰極射線管電磁場的裝置，讓電子一行一行地在螢光幕上打出物體影像。托曼聽得興味盎然，特地在筆記本上畫下黑板上的圖，他沒料到這張紙未來將會成為方斯渥斯發明電視的有力證據。 第二年方斯渥斯全家搬到猶他州，他進入楊百翰大學就讀後，仍繼續研發理想中的電視。有次他遇見從加州過來的兩位慈善家，他們聽了他的構想後，竟立即願意投資，於是方斯渥斯便於1926年搬到柏克萊，在那裏設立實驗室。隔年9月7日，方斯渥斯成功從柏克萊傳送影像到舊金山，雖然只是一條直線，但已足以讓他興奮地大叫：「這就是了，電子電視！」。 方斯渥斯提出專利申請，同時繼續加以改良。1928年9月3日，他在媒體記者前展示了第一個圖像——1美元的紙鈔，據說是為了回應他的投資人想知道能不能從他的發明看到錢。第二年，他的太太艾瑪（Elma）成為首度透過電視傳送的臉孔。方斯渥斯樂觀又自信地期待光明前景，卻渾然不知威脅已悄悄迫近。 原來西屋公司的俄裔工程師佐利金（Vladimir K. Zworykin）在1923年已申請了電子式電視的專利，只不過一直未能做出成品。他於1930年被挖角到有意發展電視的美國無線電公司（簡稱RCA）後沒多久，便前來造訪方斯渥斯，停留了三天之久。隔年，佐利金就取得重大突破，發明了與原來專利大不相同的「光電攝影管」。更令方斯渥斯吃驚的是，RCA竟然還反過來控告他侵犯了佐利金的專利。 方斯渥斯提出抗辯，稱自己更早就提出構想，RCA的律師嗤之以鼻：哪有可能一個十來歲的高中生能發明這麼複雜的電子裝置？所幸方斯渥斯的老師托曼當年畫的那張草圖一直保存著，成為有力證據。1935年RCA被判敗訴，但仍繼續多次上訴，直到1939年才終於同意支付方斯渥斯100萬美元，向他取得技術授權。 但二次大戰爆發後，電視的商業化也暫時中止，等到戰爭結束後，原本就壟斷無線電發展的RCA延續其優勢稱霸電視市場，方斯渥斯眼見難以匹敵，終於在1951年接受國際電話與電報公司（簡稱ITT）併購。方斯渥斯逐漸被淡忘，人們則以為電視的發明人是佐利金。 方斯渥斯成為ITT的員工後，繼續做出各種發明，包括潛艇偵測器、雷達顯示器、……等。但他最投入的卻是核融合的研究，這是他在研究電視時得到的靈感。他設計了名為「融合器」(Fusor)的裝置，利用陰極射線管的原理，讓正離子互撞而產生核融合。不過ITT眼見沒有具體成果，便在1966年中止了這項研發計畫。 1967年，方斯渥斯搬回猶他州，繼續研發融合器，為此除了出售ITT的持股，還用保單向銀行貸款。過沒幾年方斯渥斯就耗盡資金，也無力償還貸款與稅款，以致實驗室遭到查封。他開始酗酒，最終感染肺炎，於1971年病逝家中。死前兩年，他和太太艾瑪在家中透過電視轉播，看到阿姆斯壯踏上月球表面時，轉頭對艾瑪說：「Pem（方斯渥斯稱她的小名），這使得一切都值得了。」 艾瑪在方斯渥斯死後不斷為他應有的歷史地位而努力。1999年，《時代》雜誌將法恩斯沃斯納入「時代100：本世紀最重要的人物」之列。 按：若以最早成功傳送圖像做為標準，發明電子式電視的人應該是日本的高柳健次郎，他在1926年12月25日就成功傳送了片假名「イ」，比方斯渥斯還早了八個多月，但這件事在日本以外鮮為人知。 參考資料：
發明迴旋加速器的人
在電影中，歐本海默走進勞倫斯（Ernest Lawrence）的實驗室時，見到他正在打造迴旋加速器。沒錯，迴旋加速器就是勞倫斯發明的，剛好今天是他的冥誕（1901年8月8日），來分享一下他如何發明這個影響深遠的裝置。 天然放射源 1909年，拉塞福於用鐳所輻射出來的α粒子轟擊金箔，赫然發現α粒子竟會反彈，按他自己的形容：「簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈，結果砲彈卻彈回來打到你自己！」。面對此一事實，拉塞福才提出原子的絕大部分質量集中於原子核，週遭圍繞著電子的原子模型。 十年之後，拉塞福又用α粒子轟擊氮氣，竟出現原本沒有的氫原子核（拉塞福便命名為質子）與氧氣。顯然既然氧是由氮變成的，那麼是不是可以也用同樣方法，將別的元素轉化成另一種元素，甚至鍊土成金或是製造出尚未發現的元素？ α粒子實際上就是氦原子核，本身帶正電，而越重的元素其原子核內部的質子越多，對α粒子的正電排斥力也就越強，使得天然放射源所產生的α粒子難以接近，無法一探究竟。拉塞福便在1927年大聲疾呼，要物理學家找出產生高速粒子的方法。 直線加速器 就在1927這一年，從挪威來到德國攻讀物理博士的威德羅（Rolf Widerøe）發現了一篇的論文。這篇論文是瑞典科學家伊辛（Gustaf Ising）於1924年發表的，裡面描繪出直線加速器的構想，也就是在帶電粒子的行進方向上安置多個高壓電場，來推動粒子加速前進。 不過伊辛並沒有把機器做出來，也不知道直線加速器的構想是否真的可行。威德羅便決定以此做為博士論文的題目，結果他藉由轉換電場的正負極方向，先推後拉地加速鈉離子和鉀離子，而於1928年成功將這兩種粒子的速度提高兩倍到5萬電子伏特，完成世上第一台直線加速器。 不過物理學家所需的粒子至少要達百萬電子伏特以上，威德羅這台加速器所能賦予的能量遠遠不足，只能算是完成概念驗證，並不具實用價值。但若要做出百萬電子伏特以上的直線加速器，不但需要很大的空間，也要很高的電壓，建造費用與運作成本都相當高昂。正當歐洲的物理學家試圖克服困難，打造更高能量的直線加速器時，在大西洋的另一端，未滿30歲的美國物理學家勞倫斯卻另闢蹊徑，想出另一種加速粒子的方法。 迴旋加速器 勞倫斯出生在南達克達州的一個小鎮，憑藉著優異的學術表現，24歲就取得耶魯大學的物理博士學位，並在隔年獲聘為助教授。1928年他轉往加州大學柏克萊分校任教，隔年春天，他在圖書館翻閱期刊時，看到威德羅的博士論文。雖然勞倫斯只懂一點德文，無法全然了解論文內容，但還是從插圖看出來粒子加速的原理。他興起也來造一台直線加速器的念頭，但計算後發現要將粒子加速到一百萬電子伏特，所需的距離遠超過現有的實驗室空間。 他尋思是否可能讓加速器擺得進實驗室，忽然靈機一動：把直線改成螺旋狀，用磁場引導帶電粒子的行進方向，如此就能縮小加速器的尺寸，而且不必用到很高的電壓，就能讓粒子逐步加速到極高的能量。勞倫斯立刻找了研究生李文斯頓（Stanley Livingston）幫忙打造，他們先做出直徑僅4吋的迴旋加速器（Cyclotron），於1931年1月把質子加速到8萬電子伏特，只用到1,800伏特的電壓。 李文斯頓憑此成果拿到博士學位後，繼續和勞倫斯合作，著手把迴旋加速器的尺寸加大到11吋。1931年8月3日，出差在外的勞倫斯收到一封電報，寫著：「李文斯頓博士要我告訴你，他已經獲得1,100,000伏特的質子。他還要我加上”Whoopee!”。」這無疑是勞倫斯預先收到的最佳生日禮物。 達成這個重要里程碑後，勞倫斯在8月26日就向學校爭取到設立「輻射實驗室」，繼續打造更大的迴旋加速器。他們陸續完成27吋、37吋的尺寸，到了1939年5月已達60吋，可將粒子加速到16百萬電子伏特。 貢獻與影響 自1938年起，輻射實驗室就轟出許多前所未見的放射性同位素，同時也用來進行腫瘤的醫療實驗。1939年的諾貝爾物理獎便頒給勞倫斯，以表揚他在「迴旋加速器的發明和發展及因此取得的成果，特別是在人造放射性元素方面」。不過由於第二次世界大戰爆發，勞倫斯直到隔年二月底才在柏克萊校園內接受頒獎。 曼哈頓計畫啟動後，勞倫斯也扮演了重要角色。他除了向上層力薦歐本海默，本身也負責製備原子彈所需的鈾燃料，所用的便是迴旋加速器改裝而成的巨型質譜儀，以「電磁分離法」將鈾-235與鈾-238分開來。。 第二次世界大戰結束後，輻射實驗室的物理學家麥克米蘭（Edwin McMillan）針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應，於1945年打造出同步加速器，再次突破迴旋加速器的能量瓶頸；到1974年，這所實驗室已經發現16種新元素，另外還發現了反質子與反中子。 輻射實驗室後來改為隸屬於美國能源部的「勞倫斯柏克萊國家實驗室」（Lawrence Berkeley National Laboratory），至目前為止，這所實驗室誕生了十五名諾貝爾獎得主，除了勞倫斯本人，我國的李遠哲也是其中之一。 另外勞倫斯於1952年在柏克萊東方60公里處設立的分支實驗室，後來獨立為「勞倫斯利佛摩國家實驗室」（Lawrence Livermore National Laboratory）去年在核融合上也取得重要突破。他們於2022年12月首度達成輸出能量（3.15 百萬焦耳）大於輸入能量（2.05 百萬焦耳）的「能量淨增益」里程碑，前天（8月6日）又宣布，獲得比上次更多的輸出能量。 這些科學成就都需要政府挹注鉅額經費才能達成，而這正是勞倫斯在戰後不斷鼓吹的「大科學」。1968年獲諾貝爾物理獎得主、也曾在柏克萊為勞倫斯效力的阿瓦瑞茲（Luis Alvarez）便在悼念他的文章這麼說：「他一定會被記得是迴旋加速器的發明人，然而更重要的是，他應該被記得是現代科研方式的發明人。」 按：本文改寫自發表於本月（8月號）的《工業材料》雜誌 參考資料：
1941年哥本哈根密會的另一個疑點
關於1941年海森堡拜會波耳的羅生門，除了我在上一篇〈為什麼海森堡未造出原子彈〉所分析的，還有個蠻奇怪的史料，這件事在電影《奧本海默》所改編的原著傳記《奧本海默——美國的普羅米修斯》中也有寫到。1943年12月30日波耳抵達美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）後，向歐本海默等人轉述海森堡在那次會面所透露的訊息： 「波耳不只告訴他們海森堡證實了德國炸彈計畫的存在，他還展示了一張他說是炸彈的草圖，聲稱是海森堡本人畫的。不過只看了一眼，每個人就都認為草圖描繪的不是炸彈，而是鈾反應器。『天啊，』貝特看見那張草圖時說：『德國試圖對倫敦投擲反應器。』」 為什麼我覺得奇怪？因為波耳當時受到蓋世太保的監視，海森堡怎可能留下一張親筆所繪的反應器給波耳，萬一被蓋世太保拿到，海森堡肯定會因洩漏軍事機密而觸犯叛國罪，他何必留下會危及性命的證據？ 如果這張圖不是海森堡所繪，那麼就是波耳自己畫的了。他應該是在事後才憑記憶畫下海森堡向他描述的裝置（或者波耳辦公室有黑板的話，海森堡也可能畫在黑板上再擦掉），但因為誤把反應器當成原子彈，才會氣憤地對海森堡下逐客令，並在多年之後仍堅持海森堡當時的意思是正在全力研製原子彈。 那麼波耳為什麼要說是海森堡本人畫的？只因為他太害怕德國先造出原子彈，所以希望藉此讓美國更卯足全力趕工？（不過這張圖反而讓歐本海默第二天向葛羅夫斯將軍報告說：一個爆炸的鈾堆實際上是沒什麼用處的軍事武器。） 不過在電影《奧本海默》中，並沒有讓波耳展示這張圖，只是讓他以口頭說海森堡透露他們用的減速劑是重水。為什麼諾蘭在這裡反而沒有忠於原著？讓波耳從口袋拿出一張紙，聲稱是海森堡畫的原子彈草圖，這樣不是更有戲劇張力嗎？難道諾蘭也覺得海森堡不可能畫這張圖，才棄而不用這則史料？另一方面，波耳這樣的大師竟然看不出反應器不等於炸彈，似乎也有違他的人設？ 總之，這則史料還蠻耐人尋味的，不管就實際歷史或是就這部電影而言。
為什麼海森堡未造出原子彈？
如電影《奧本海默》所演的，由於德國物理學率先發現鈾的核分裂並釋出超乎預期能量，引起美國擔心納粹若有核武，後果將不堪設想，於是全力投入曼哈頓計畫，務求盡快做出原子彈對付德國。 結果後來發現德國在核能的研究根本還差得遠，按理說德國不乏這方面的專家，所佔領的地區又有開發原子彈所需的豐富資源，為什麼反而落後美國這麼多？德國主持核武計畫的是海森堡（Werner Heisenberg），有人相信他也不樂見納粹擁有原子彈，所以基於良心而故意拖延；有人則認為他始終為虎作倀，只是能力不足才做不出來。究竟哪個才是真相？ 矩陣力學 1924年，前一年剛獲得博士學位的海森堡也順利取得大學任教資格，他原本要在哥廷根大學擔任講師，同時擔任玻恩（Max Born）的助手，但一筆突來的獎助金，讓他得以前往丹麥跟隨波耳（Neils Bohr）做研究。波耳才於1922年獲頒諾貝爾物理獎，獲獎原因是九年前提出電子軌道量子化的原子模型；這正是吸引海森堡研究原子物理的原因，如今有機會蒙大師親炙，他當然要好好把握。 沒想到海森堡在哥本哈根待不到一年就取得巨大成果。他深入探討波耳的原子模型，發現其實根本無從得知電子軌道半徑的大小，唯一能觀測到的只有電子躍遷到另一軌道的前後，所吸收或釋出的電磁波頻率及能量差異。因此，他主張無需行星軌道這種古典模型的假設，而應該用觀測到的能量與頻率來描述粒子的行為。 第二年海森堡回到哥廷根大學後，經由玻恩與同僚約爾丹（P. Jordan）的協助（幫他用數學本來就有的矩陣運算處理複雜的計算），發表矩陣力學，為量子力學奠定數學基礎。 不確定性原理 1926年，海森堡受波耳之邀，重返哥本哈根大學講課，同時擔任波耳的助手。第二年他就發表了更令古典物理搖搖欲墜的「不確定性原理」（他用的德文原本是Ungenauigkeit，相當於英文的inaccuracy）──不可能同時精確測量出粒子的位置與動量。因為要知道粒子愈精確的位置，就得用波長更短的光來「照射」粒子，但光的波長越短，能量就越強，也就更會影響粒子的動量，所以永遠都會顧此失彼。 但波耳隨即給予當頭棒喝：這樣的解釋仍未脫古典物理的觀念，因為這等於承認粒子有確切的位置和動量，只是我們無法精確測量出來，但並非如此！波耳主張「互補原理」是萬物的本質，某樣性質總是和另一項性質互補，就像「波粒二象性」，粒子特性越明顯，波的特性就越不明顯，反之亦然，但這兩個互補的特性永遠存在。因此問客觀的位置與動量是什麼是沒有意義的，我們能掌握的只有觀測到的結果。 海森堡大澈大悟：並非測不準，而是原本就具不確定性；他隨後也改用德文的Unsicherheit與英文的uncertainty稱之。海森堡與波耳就此開創了哥本哈根學派，連同稍早玻恩對薛丁格方程式的機率詮釋，徹底改變了量子物理。海森堡成為物理界耀眼的新星，1932年獲頒諾貝爾物理獎後，更是躋身大師之列，他萬萬沒想到有一天亦師亦友的波耳會與他決裂。 哥本哈根之會 1941年9月中旬的某一天，海森堡來到哥本哈根大學拜會波耳。此時二次大戰已開打兩年，德國已閃電戰席捲歐陸，包括丹麥也在一年半前淪陷，海森堡深信無需原子彈，德國肯定也會取得最後勝利。（此時德國在東西戰線都勢如破竹，美國尚未參戰，要到年底在蘇聯的德軍受制於嚴寒天候，以及日本偷襲珍珠港迫使美國宣戰後，戰局才開始扭轉。） 是的，海森堡和同事們正在研究核反應器以及原子彈，儘管目前仍無太多進展，但戰爭結束後勢必會繼續進行。屆時不僅德國，包括英美等國的科學家，也都要面對是否應該研發武器的道德問題。這正是他特地來拜訪波耳的原因，希望恩師明白他並不願意也不會做出原子彈給德軍用於這次戰爭，但更重要的是，是否有可能也讓所有的物理學家都能同意不要致力於製造原子彈。 然而海森堡知道蓋世太保一直在監聽波耳，為了避免這番談話危及自己，因此他並未明白說出，而是以間接的方式小心謹慎地向波耳暗示。但大概他表達得太過隱晦了，反而造成波耳誤解，竟然憤而對他下逐客令，匆匆結束這場會面。海森堡沮喪地離開，心裡明白恩師從此與他恩斷義絕了……。 波耳記得的並非如此 不過當波耳看到歷史作家容克（Robert Jungk）在1958年出版的書中，按海森堡如上所述記載哥本哈根那次會面後，氣憤地下筆寫信給海森堡，要提醒他事實並非如他所言。波耳寫了好幾封，但一封都沒有寄出去，這些塵封的信稿直到2002年才公開，其中一封寫道： 「……。你在那裏的含糊其辭只讓我確信，在你的領導下，德國一定會盡全力研製原子彈。」 在另一封信中，波耳也說： 「你告訴我，你堅信這場戰爭如果持續夠久，最後的勝負關鍵將是核子武器，而我沒有感覺到你給了我任何暗示，說你和你的朋友正在往另一個方向努力。」 究竟海森堡是想避免各界指責他為虎作倀，才故意扭曲與波耳的談話內容，來美化自己的在戰爭中的角色？抑或波耳原本就對海森堡為納粹效力感到不悅，所以聽不進他的婉轉表態？ 如果說海森堡和波耳的此次會面因為沒有第三人證，成了各說各話的羅生門，那們是否有其它證據佐證德國未能開發出原子彈，真的是如海森堡戰後好幾次宣稱的，他是故意拖延，而不是不知道怎麼做？ 秘密錄音 1945年5月到6月之間，包括海森堡在內的十名負責核能研發的科學家被美、英兩國的特遣隊擄獲後，於7月初安置到英國劍橋附近的「農場會館」（Farm Hall）。他們渾然不知建築物內到處都安裝了竊聽器，錄下他們的對話。 當他們於8月6日晚餐前得知美國在廣島投下原子彈時，每個人都驚駭不已，他們在餐桌上的討論當然也被錄了下來，以下是摘錄其中的譯稿。 （前略） 哈恩（Otto Hahn，就是他最先發現核分裂）：「……。如果美國人有個鈾彈，那你就是二流的了，可憐的過氣海森堡。」 勞厄（Max von Laue）：「無知的！」 海森堡：「他們提到原子彈時有用到鈾這個字嗎？」 眾人：「沒有。」 海森堡：「那就跟原子沒有關係。雖然相當於兩萬噸的巨爆是很驚人。」 ……（眾人討論，略） 哈恩：「他們領先我們有五十年。」 海森堡：「整件事我一點兒也不相信。他們得把他們全部的五億英鎊用來分離同位素才有可能。」 魏茨澤克（Carl von Weizsäcker）：「如果這很簡單而且同盟國也知道有多簡單，那麼他們就會知道我們繼續往下做的話，很快就會找出方法。」 哈恩：「我覺得再二十年也做不到。」 魏茨澤克：「我不認為它和鈾有關係。」 哈恩：「它一定是顆相當小的原子彈——像手那樣。」 海森堡：「我願意相信它是顆高壓炸彈，但我不相信它和鈾有任何關係。它只是化學的東西，他們大幅增加反應速率，才大幅提高了爆炸威力。」 ……（眾人討論，略） 海森堡：「關於那顆炸彈我還是一個字也不信，雖然我可能是錯的。我認為他們頂多有10噸的濃縮鈾，但絕不可能有10噸的鈾-235。」 哈恩：「我想一顆（原子彈）只需要很少的235。」 海森堡：「如果他們只能慢慢地濃縮鈾，他們是可以打造持續下去的引擎（指核反應器），但不可能用來產生那樣的爆炸——。」 哈恩：「但如果他們有，假定說30公斤的純235好了，他們不能拿它來製造炸彈嗎？」 海森堡：「但這仍不足以爆炸，因為平均自由路徑還是太大了。」 …
電影《奧本海默》中的真與假
諾蘭這部電影主要是根據 ”American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer” 這本書（中譯本書名和電影相同也叫《奧本海默》，由時報出版發行）。這本書的兩位作者蒐集了數千份記錄、信件和大量的機密文件，並採訪近百位奧本海默的朋友、親屬和同事，花了二十五年時間才完成這本上千頁的巨著，堪稱是最具代表性的歐本海默傳記， 2006 年也獲得普立茲獎以及美國國家書評獎的肯定。 那麼電影《奧本海默》是否符合書中所記載的史實？我得佩服的說：是的，除了少數幾處之外，幾乎都忠於史實，甚至很多對白完全就是當事人當初的原話。電影中有些情節觀眾可能會以為是特意塑造的戲劇效果，其實也都是真的，例如：（以下涉及電影情節，僅適合已看過電影者。） 歐本海默真的曾在教授桌上的蘋果下毒。 泰勒真的計算出核爆可能引發失控的連鎖反應，點燃整個大氣層。 歐本海默的情人瓊真的服藥之後，頭埋入浴缸中溺死，引起各方猜測是否真屬自殺。 最後一次的內爆測試的確顯示核試爆可能失敗。 原子彈試爆前夕的確暴風雨來襲，直到清晨四點才開始放晴。 歐本海默真的和太太約定以「收床單」為暗號，通知她核試爆結果。 費曼真的沒用黑玻璃，在軍車內以裸眼直視核試爆的光芒。 歐本海默真的在出口同位素給挪威的聽證會中講了那些話，引起哄堂大笑，讓在場的史特勞斯又窘又怒。 不過也有幾處就與史實不符了，包括： 波耳差點吃下毒蘋果 並沒有。毒蘋果事件發生在 1925 年晚秋，1926 年春天，拉塞福才將歐本海默介紹給波耳認識。 建議歐本海默前往哥廷根大學的人也不是波耳，而是是哥廷根大學的理論物理研究所主任玻恩。玻恩到劍橋訪問時遇見歐本海默，認為他頗有天分，便邀請他來自己的學校，玻恩也就成為他的指導教授。 歐本海默去找愛因斯坦驗算大氣層是否有可能被引爆 並沒有，他是去芝加哥大學請康普頓驗算。（康普頓於1923年以實驗證明X光散射的數據只能用粒子碰撞解釋，證明愛因斯坦的光量子假說。他在曼哈頓計畫中負責領導芝加哥大學的冶金實驗室。） 事實上，歐本海默在 1947 年接任普林斯頓高等研究院院長前，對愛因斯坦這些抗拒哥本哈根學派的老頑固是相當不以為然的。1945 年，歐本海默被高等研究院列入終身教授的候選人名單，愛因斯坦也不贊成，認為包立更適合。不過九年之後歐本海默面臨聽證會調查時，愛因斯坦仍和其他教授聯名聲援歐本海默。 波耳說海森堡於 1941 年來訪時，告訴他德國使用重水做減速劑 波耳的確於 1943 年底來到洛斯阿拉莫斯，也真的曾在往英國的飛機上沒戴氧氣罩而昏厥過去，但是他並不知道德國研發原子彈的情況，反而以為海森堡向他保證德國正全力研製原子彈。美國直到 1944 年 11 月，才由派往歐洲搶奪德國科學家的特遣隊確認德軍並無原子彈，短期內也造不出來。 至於海森堡當初到丹麥跟波耳說了什麼，原本領先的德國又為什麼沒做出原子彈，可參考下一篇〈為什麼海森堡未造出原子彈？〉。
當青年奧本海默遇上物理大師們
電影《奧本海默》相當沉重，這一篇來講講奧本海默年輕時與幾位物理大師有趣的互動。1925 年奧本海默遠赴英國劍橋大學留學，卻因不善實驗物理而勉強熬過沮喪的一年。第二年，奧本海默轉往德國哥廷根大學，轉攻量子物理的理論，結果就像從陸地回到水中的魚突然發現自己可以大展身手，整個人煥然一新、充滿自信。他在德國結識了許多量子物理的重要人物，除了學術上的討論，也留下不少令人莞爾的對話。 玻恩 (Max Born) 奧本海默的指導教授玻恩當時已是大師級的人物，他於 1925 年協助海森堡完成矩陣力學的數學基礎，第二年還石破天驚地用機率詮釋薛丁格方程式，相當不以為然的愛因斯坦才寫信給他說：「無論如何，我確信祂（上帝）不會擲骰子。」 不過玻恩有時會在冗長的計算中犯些小錯誤，所以常請他的研究生複查他的數學。有一次，玻恩給了奧本海默一組計算。幾天後奧本海默交回來，竟對玻恩說：「我找不到任何錯誤——你真的是自己一個人做的嗎？」 奧本海默拿到博士學位要回美國時，玻恩對他說：「你可以離開，但我可不行。你留給我太多作業了。」 狄拉克 (Paul Dirac) 狄拉克於 1927 年來到哥廷根大學時，對於量子電動力學已做出許多重要貢獻。他大奧本海默不到兩歲，兩人可說完全相反，奧本海默博學多聞、熱愛文學藝術，但狄拉克只專注於物理。事實上，狄拉克是個典型的亞斯伯格症患者，完全沒有浪漫情懷，他曾劈頭就問奧本海默：「他們告訴我你除了研究物理也寫詩。你怎麼會兩種都做？物理是我們試圖向人們說明，讓他們得以明瞭本來不知道的事，詩歌卻恰恰相反。」（意指詩是把本來就知道的事寫得沒人能懂。） 狄拉克對於奧本海默有能力閱讀各種原文的文學作品也無動於衷，還說：「為什麼你要浪費時間在這些垃圾上面？我認為你付出太多時間給音樂和你的繪畫收藏品了。」儘管如此，他們兩人仍是好朋友，奧本海默最開心的就是見到狄拉克，聽他分享最新的量子理論。 包立 (Wolfgang Pauli) 包立絕對是天才型的人物，高中畢業那年就寫了關於廣義相對論的論文，距離愛因斯坦發表廣義相對論還不到三年；他在 1924 年 24 歲時，提出「包立不相容原理」，建構了電子軌域的模型，不同元素為何有相似的物理與化學性質也獲得解釋。不過絕頂聰明的包立卻總是與物理實驗相剋。每當他走進實驗室，不知為什麼，實驗儀器總是會故障甚至爆炸，後來就有「包立效應」這個詞來描述此一奇特現象。 奧本海默是在 1929 年到瑞士跟大他四歲的包立學習。毒舌的包立曾批評奧本海默：「他的想法總是非常有趣，但是他的計算總是錯誤。」還故意叫他「喃–喃–喃先生」(Nim-Nim-Nim man)，只因奧本海默演講中途要思考如何講的時候，會發出「喃–喃–喃」的聲音。奧本海默也會拿「包立效應」來開包立玩笑，但奧本海默還是非常崇拜包立的。 愛因斯坦 對於那些不願接受新的量子理論的保守大老們，年輕的奧本海默可就毫無敬意了。他曾在 1935 年造訪普林斯頓高等研究院，回來後寫信給他弟弟說：「普林斯頓是個瘋人院。那些自大的啟蒙者只能在這與世隔絕的地方發光。愛因斯坦根本頭殼壞去。(Einstein is completely cuckoo.)」 奧本海默大概完全想不到有一天他會擔任高等研究院的院長。 參考資料： 1. 《奧本海默》，時報出版 2. 《愛因斯坦的辦公室給了誰》，天下文化出版
看電影《奧本海默》前，先來科普一下
簡單說，這次諾蘭的《奧本海默》並不燒腦，可是資訊量龐大。不但出現很多科學家與歷史事件，又是以倒敘與順序交叉進行，不熟悉的觀眾大概很難立即掌握整個來龍去脈。為了幫助讀者在看這部片時能進入狀況，我就以奧本海默為主軸，盡量不劇透地依時間順序，簡單介紹片中比較關鍵的科學家及其背景。 1924年，奧本海默到英國劍橋大學留學 當時最先進的物理研究都在歐洲，「核子物理之父」拉塞福在劍橋大學主持的卡文迪許實驗室更是聚集了青年才俊。不過奧本海默未能獲得拉塞福指導，偏偏他的指導教授偏重實驗物理，讓手腳笨拙的奧本海默痛苦不堪。這一年海森堡也到丹麥哥本哈根大學跟波耳學習。波耳當時已是量子物理的大師，他於1913年用量子理論修正了拉塞福的原子模型，指出電子只能在特定的一些公轉軌道上，除非吸收或輻射足夠的能量，才會躍遷到另一個軌道。波耳的原子模型成功符合許多光譜實驗，因而獲頒1922年的諾貝爾物理獎。奧本海默曾說波耳是他的上帝。 1926年，奧本海默轉往德國哥廷根大學 哥廷根大學是當時量子理論的聖地。奧本海默在這裡結識了年紀相差不多的海森堡、費米、泰勒與許多後來成為量子物理大師的年輕學者；其中費米與泰勒二人之後都加入曼哈頓計畫。1927年奧本海默取得博士學位；海森堡則發表「不確定性原理」，指出粒子的位置與動量不可能同時獲知，打破古典物理的認知，而於1932年獲頒諾貝爾物理獎。 奧本海默返美短暫一年後，於1928年到荷蘭任教；他在這裡有了「奧比耶」(Opje)的暱稱，回到美國後就成了「奧比」(Oppie) 。他造訪德國萊比錫大學時結識同樣來自美國的物理學家拉比，成為他一輩子情義相挺的好友。拉比後來因為核磁共振的技術獲頒1944年的諾貝爾物理獎 1929年，奧本海默到加州大學柏克萊分校任教 奧本海默和比他早一年來的物理學家勞倫斯很快成為知交。勞倫斯未曾留學歐洲，算是美國土生土長的實驗物理學家，兩年之後他發明迴旋加速器，以前所未有的能量撞擊粒子，開啟了人造放射性元素的研究，因而獲頒1939年的諾貝爾物理獎。 從1929年到1933年，美國陷入經濟大蕭條，很多人失去工作。同情勞工的奧本海默因此支持工會與共產主義，勞倫斯雖然相當不以為然，但仍相信奧本海默的忠誠，後來還力薦他加入曼哈頓計劃。 1939年，奧本海默得知德國發現核分裂 這件事得從費米講起。他於1934年用慢中子轟擊各種元素，得到具有放射性的同位素，甚至發現比鈾重的超鈾元素，而於1938年獲得諾貝爾物理獎。孰料德國科學家重做費米的實驗，卻發現他根本搞錯了，鈾原子核吸收中子後並沒有變成超鈾元素，而是分裂成兩個較輕的原子核，並再釋出2~3個中子，而減少的質量依E=MC^2公式換算後恰好就是產生的能量。 這消息是波耳於1月初來美國參加研討會時透露的，剛移居美國的匈牙利物理學家西拉德得知後立刻覺得大事不妙。他幾年前就想過核反應若產生兩個以上的中子，可以引發連鎖反應，產生巨大的能量，倘若德國用來發展原子彈，後果將不堪設想。於是他一方面找費米進行實驗確認，一方面擬了封信請愛因斯坦一起背書，促請羅斯福總統展開核連鎖反應的研究。 9月，德國入侵波蘭，開啟了第二次世界大戰。10月羅斯福簽署成立「鈾諮詢委員會」，著手評估多少鈾才能產生連鎖反應。結果花了將近兩年的時間，才確認原子彈可以小到掛在轟炸機上，羅斯福終於在1941年10月批准原子彈研發計畫。兩個月後日本偷襲珍珠港，美國正式參戰。 1942年到1945年，奧本海默領軍開發原子彈 這段故事就請直接觀看電影。但有件事電影裡沒特別交代，那就是羅斯福於1945年4月病逝，才由副總統杜魯門接任總統。杜魯門希望在7月17日舉行的波茲坦會議前確認手上有什麼籌碼，才要求核子試爆要在會議前完成。 1947年，奧本海默應史特勞斯之邀，擔任普林斯頓高等研究院院長 普林斯頓高等研究院是由幾位猶太商人出資於1930年設立，並不隸屬於普林斯頓大學，只是成立之初借用數學系的辦公室。獲邀進駐的科學家可以專心思考，無須教學也不用發表論文。 第一批進駐的六位科學家包括了愛因斯坦、哥德爾、馮紐曼。電影中特別拍攝愛因斯坦與哥德爾一起散步的場景，因為愛因斯坦曾說自己的工作沒啥意思，進研究室就只為了有榮幸同哥德爾一起散步回家。哥德爾在1930年提出不完備定理，隔年發表後震驚各界，因為它徹底粉碎了數學家試圖建立完善的數學體系的夢想。 除了擔任高等研究院院長，奧本海默也在1947這一年成立的美國原子能委員會(AEC)中，擔任總顧問委員會主席。 1954年，奧本海默接受聽證會調查 前一年史特勞斯被艾森豪總統任命為新一任AEC主席後，突然在12月通知奧本海默，說他遭人檢舉危及國家安全，建議他辭去總顧問委員會主席。奧本海默不願蒙受不白之冤，寧可接受聽證會調查，電影便是從這裡開始以奧本海默的角度回顧……。 電影另一條敘事支線則是以黑白畫面呈現史特勞斯的視角，從他1958年中結束AEC主席任期後，接受艾森豪任命為商務部長，也要面對參議院聽證會，開始回顧與奧本海默的交集。 最後兩人接受聽證調查的結果雖然已是史實，這裡就不透露，留待讀者隨著劇情推展去體會奧本海默的情感糾結、良心掙扎、起伏人生以及最終命運囉。
發明雷射的人
「早安，女士先生們，我們今天在此向各位宣布：人類已經成功達成科學家們企求多年的目標。有史以來第一次，出現了同調性（coherent）的光源。換句話說，追尋已久的雷射不再是難以捉摸的夢想，而是已經確立的事實。」1960 年 7 月 7 日，梅曼（Theodore Maiman）博士在紐約的一場記者會中自豪地如此宣告。 的確，自 1950 年代起各路人馬競相研發雷射，卻始終難以突破，沒想到最後拔得頭籌的，竟然不是貝爾實驗室等有著輝煌紀錄的研發機構，而是製造飛機的休斯公司（Hughes Aircraft Company）在二次大戰後才成立的實驗室，而且發明者是加入才第四年的梅曼。 梅曼出生於 1927 年 7 月 11 日，從小就是個過動兒，卻能耐著性子跟在當電子工程師的父親身邊做實驗，也因此十幾歲時便能幫別人修理電器用品來賺取零用錢。他在史丹福大學拿到電機碩士學位後，繼續攻讀博士，但轉向實驗物理，利用微波光學測量氦原子光譜的精細結構，而這也為他日後研發雷射打下基礎。 梅曼拿到物理博士學位後，於 1956 年到休斯公司的原子物理部門上班，負責改良為陸軍打造的邁射（MASER）設備。邁射和雷射都是基於同樣的原理。原子吸收能量（入射光子）後，電子會被激發到較高的能階，但因激發態較不穩定，因此電子會再跳回低能階，同時以光子（放射光子）的形式釋出兩個能階的能量差距。 如果入射光子的頻率剛好對應於兩個能階的能量差距，那麼誘發出的放射光子，無論是頻率、相位、前進方向都會和入射光子完全相同（稱為同調性），於是便有了兩個同調性的光子。這兩個光子又可激發出另兩個光子，如此不斷倍增便產生能量極強又集中的光束。這種方式產生的光束就叫「受激輻射造成的光增強」（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡稱雷射（LASER）。若光束是波長比可見光長（因此能量較低）的微波，就叫「受激輻射造成的微波增強」，把 Light 換成 Microwave，簡稱邁射。 雷射和邁射的理論基礎最早是由愛因斯坦在 1917 年發表的論文中所提出，此後又有許多物理學家進行相關實驗，並提出如何付諸實現的構想，但要到 1953 年，美國物理學家湯斯（Charles Townes）才利用激發態的氨分子成功產生邁射。不過湯斯的邁射無法連續發射，反倒是蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Basov）和普羅霍洛夫（Alexander Prokhorov, 他的生日很巧和梅曼一樣是 7 月 11 日）在前一年同樣利用氨氣，產生可連續輸出的邁射，只是外界直到 1954 年才知道這項成果。 湯斯不以邁射為滿足，打算朝能量更強的雷射邁進，他和貝爾實驗室的蕭洛（Arthur Schawlow）合作，於 1958 年提出發表雷射的論文並申請專利。在此同時，IBM、RCA、西屋電氣，以及麻省理工學院、哥倫比亞大學等學術機構也都投入雷射的研發。 鑒於邁射的成功，大家都繼續用氣體分子做為激發介質，但梅曼卻是採取完全不同的進路。首先，他採用的激發介質是紅寶石（當然不是昂貴的天然紅寶石，而是用人工合成的），這是因為他在改良給陸軍的邁射設備時，發現紅寶石的效果更好，也可大幅縮小設備的體積。其次，他還另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射，而不是像其它團隊那樣，一直地持續不斷地輸入能量。 梅曼在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡，紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子，這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射，又激發出更多同調光子，如此不斷倍增；其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出，產生波長 694 奈米的紅光雷射。1960 …