看不見的陰極射線，摸得到的幽靈 │ 科學史上的今天：6/17

兩百年前，法國數學家暨天文學家拉普拉斯寫下這段流傳千古的話：

「如果一個智能知道自然界所有物體當下的位置與作用力，而他也能對這些資料進行分析，那麼從宇宙最大的天體到最小的粒子的運動都可以被囊括在一個簡單的公式之中。對他而言，沒有什麼是不確定的，未來就像過去一樣清楚的展現在他眼前。」

這不但是拉普拉斯個人的信念，這段名言也成了「因果決定論」最具代表性的註解，屢屢被後人引用。其中這個全知的智能就以「拉普拉斯惡魔」或「拉普拉斯精靈」著稱。

拉普拉斯的確證明了他對天體運行的瞭若指掌，他解決了牛頓始終無法解釋的難題：行星彼此的攝動長期累積下來應當影響甚鉅，但為何太陽系仍能維持穩定？他還是首位提出「星雲說」成功解釋太陽系起源的科學家；並且在愛因斯坦提出廣義相對論的一百二十年前就預言黑洞的存在。當拿破崙問他為何在所著的五巨冊《天體力學》中都沒提到上帝，他回答：「陛下，我不需要那個假設。」

拉普拉斯對天體的掌握當然是建立於數學的高深造詣。他一些開創性的研究留下許多以他為名的數學名詞，例如拉普拉斯轉換、拉普拉斯方程、拉普拉斯展開、拉普拉斯定理、⋯⋯等等。就連機率也是他在 25 歲時率先給出古典機率的明確定義，使機率走向公式化與公理化，日後他還出版了第一本結合微積分與機率理論的《機率分析論》。身為因果決定論的忠實信徒，怎麼研究起機率這種看似隨機無法預測的事件？其實隨機事件大量累積之後仍會出現一定的規律，也就仍然可以預測，還是逃不出拉普拉斯惡魔的手掌心。

以牛頓力學為起點，將因果決定論推到極致，視宇宙萬物如機械鐘錶的拉普拉斯於 1827 年三月逝世於巴黎，而牛頓恰恰於一百年前的三月過世；同樣間隔一百年的未來，1927 年 3 月 23 日，正是拉普拉斯冥誕這一天，海森堡發表了「不確定性原理」，終於替拉普拉斯惡魔敲了喪鐘。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

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十九世紀初，倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒，他握著剛領到的工資，興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打（Alessandro Volta）所作電學實驗的書給吸引住，但他身上的錢不夠，而且這是本法文書，他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金，並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後，他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池，但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃，根本不用買，就拿手上的便士銅板取代就行啦！這就是惠斯登（Charles Wheatstone, 1802－1875），從小就努力追求新知，並展露發明的天份。

1834 年的今天，就在他受聘至倫敦國王學院講授實驗物理沒多久後，惠斯登發表論文，這是史上首度有人想出測量電流速度的方法，距離萊頓瓶發明已八十八年，伏打堆問世也已三十四年。這麼久的時間，沒有人知道電流的速度，因為它實在太快了！

惠斯登將八百公尺長的電線從中切開，一端接上萊頓瓶（奇怪為什麼不是用伏打堆？莫非惠斯登仍拮据到買不起銅片？），再用快速旋轉的鏡子觀測跳過電線缺口的火花相較於電線兩端的火花有多少延遲，而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度快了 50%，但在方法學上卻是正確無誤的。他所發明的旋轉鏡後來也成為物理學家測量光速所用的關鍵工具。

惠斯登繼續在電磁學上做出貢獻。1837 年，他和庫克（William F. Cooke）共同發明電報，不但成為最早的發明者之一，並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。1843 年，他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」（Wheatstone bridge）至今仍被廣泛用來測量電阻。他還是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵，而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登的發明與發現橫跨不同領域。除了在自己的老本行上發明六角形手風琴、研究聲波，他還是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45度角的反射鏡，而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花，透過稜鏡會呈現各自特有的光譜，為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法（Playfair cipher），廣被軍隊採用，直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

憑藉著熱情與努力，惠斯登從一個樂器行的學徒成為英國皇家學會的一員，如願成為科學家與發明家，可說是事在人為的最佳例證。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

1895 年 11 月，已經半百的德國物理學家侖琴仍然興致勃勃的也想研究神秘的陰極射線。打從 1869 年希托夫 (Johann Hittorf) 用陰極射線管發現它後，至今二、三十年以來，大家仍不清楚陰極射線究竟是什麼，就連它是粒子還是波都還爭論不休。侖琴打算重做前輩們的各種實驗，看看能否瞧出甚麼端倪。

他先試萊納德 (Philipp Lenard) 的實驗。萊納德在陰極射線管之陽極那端的玻璃開了個小窗，再用鋁箔封住，如此就可以在維持管內於真空狀態下。然後萊納德用一張塗了氰亞鉑酸鋇 (barium platinocyanide) 的紙板靠近鋁箔窗，發現紙板會發出螢光，證明了陰極射線可以穿過鋁箔，因而支持赫茲的主張：陰極射線是波，不是粒子。侖琴如法炮製，證實萊納德所言不虛，接著進行下個實驗。

他將紙板放在一旁，改用希托夫最初的陰極射線管。他接上電，關了燈，卻赫然發現黑暗之中，不只管內的玻璃發出綠色螢光，一、二公尺外也有一小片螢光！他開了燈才發現原來就是他剛剛放在一旁的那塊塗了氰亞鉑酸鋇的紙板。這怎麼可能？！希托夫管是完全密封的，從沒有人在管外測到陰極射線，而萊納德之前也已經證明陰極射線在空氣中頂多行進幾十公分。侖琴索性將希托夫管用黑布整個包住，但紙板仍會發光，這絕對不是陰極射線造成的。

接下來六個星期，侖琴鎮日窩在實驗室中做各種測試。他用紙板、木頭、金屬、⋯⋯等等不同材料來阻隔，發現這神秘的射線仍能穿透，只是在紙板上留下深淺不一的陰影，似乎只有鉛能完全隔絕。最令他震撼的，莫過於當他拿著一小片鉛塊時，紙板上竟出現他的手骨的影像！他在年底對外公布他所發現的 X 射線，並附上他的妻子戴著戒指的左手的 X 光照片，立即震驚全世界。

法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）就是大受震撼之下企圖研究 X 射線，而在兩個月後就無意發現了放射性，同時為居禮夫婦開啟了研究方向。愛迪生在第二年就做出 X 光機賣給醫院使用，居禮夫人也在一次大戰期間打造了 X 光巡迴車，幫忙診斷戰場上受傷的士兵。歷史上沒有其他科學新發現像 X 射線這樣，如此迅速地產生重大影響並且馬上付諸實際應用，也因此 1901 年，侖琴理所當然的成為第一屆諾貝爾物理獎的得主。

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