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將導尿管伸進自己心臟的人

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…

8月19日—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：

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）…