從X射線的發現看倫琴的人格特質和創新型人才培養

［摘要］在回顧X射線的發現及其早期研究歷史基礎上，剖析了倫琴的人格特質及其對我國當前大學創新型人才培養的啟示。探索并初步提出了以大學課程教學為載體、充分利用科學史資源實施創新教育的途徑。

［關鍵詞］X射線發現創新型人才創新教育課程教學

［中圖分類號］G640［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）08-0001-04

1895年德國物理學家倫琴（W. C. Rontgen）在研究陰極射線過程中“偶然”發現了X射線。X射線及接踵而來的一系列新發現揭開了現代物理學革命的序幕。1912年勞厄（M. Von Laue）發現晶體對X射線的衍射及隨后1913年布拉格父子（W. H. Bragg 和W. L. Bragg）X射線晶體結構測定技術的發展，為X射線晶體學和X射線光譜學奠定了基礎。這些開創性工作不僅使物理學中關于物質結構的認識從宏觀進入微觀、從經典過渡到現代，而且開拓了現代化學、生物醫學等，并在上述領域相繼產生了數十位與X射線相關的諾貝爾獎獲得者。在眾多領域密集產生與某一特定主題相關的諾貝爾獎，在諾貝爾獎歷史上絕無僅有。可以毫不夸張地說，X射線發現及其研究的歷史就是一部絕佳的科技創新史。

X射線的發現及相繼的一系列研究不僅對自然科學的發展產生了深遠影響，作為科學創新的典范，杰出科學家群體在發現和研究 X射線的過程中所展現的敏銳的創新思維和科學洞察力、高超的實驗方法和獨特的人格魅力，同樣蘊涵著豐富創新教育資源。不僅是我們學習的榜樣，也是實施創新教育的絕佳案例。剖析杰出科學家的人格特質，思考和挖掘蘊涵的科學精神和人文精神，并在科學研究和人才培養過程中自覺踐行，對我國高校正在大力推進的創新型人才培養具有迫切的現實意義。本文從倫琴對X射線的發現及其早期研究，剖析其作為杰出科學家的人格特質，以期對當前大學創新型人才培養有所啟示。

一、X射線發現的科學背景、過程

眾所周知，X射線是倫琴發現，而且，對其在醫學上的應用（X射線透視、照相、X-CT檢查等）也不陌生，甚至是親身經歷。由于現代大多數相關教科書僅直接引用X射線研究的結果，很少提及其發現的背景、過程等，盡管有一些研究論文論及這些主題，但其中蘊含的科學意義及其對后人的啟示并不廣為人知。

（一）陰極射線―X射線發現的基礎

陰極射線是從低壓氣體放電管陰極發出的電子在電場加速下形成的電子流，是1858年由德國物理學家普呂克（J. Plucker）在利用低壓氣體放電管（蓋斯勒放電管）研究氣體放電時發現的。隨著真空技術的進步，在蓋斯勒放電管基礎上相繼發展了真空度更高的希托夫管（1869年）和克魯克斯管（1879年）。在希托夫管基礎上改進的克魯克斯管的真空度可達百萬分之一大氣壓（約0.1Pa）。陰極射線是十九世紀末物理學研究的熱點之一，而真空技術的進步，為高真空陰極射線管實驗和X射線的發現奠定了基礎。從事陰極射線研究的主要科學家有：德國的普呂克（J. Plucker）-希托夫（J. Hittorf）師徒、哥爾德斯坦（E. Goldstein）、赫茲（H.R. Hertz）和勒納德（P. Lenard）師徒，英國的瓦爾利 （ C．F．Varley）和克魯克斯（W. Crookes）等。十九世紀后三十年，物理學界對陰極射線本質的爭論形成了兩種對立的觀點，科學家相應分為兩大學派。以克魯克斯為代表的英國科學家認為陰極射線是帶負電的“分子流”，因為它可以被電場或磁場偏轉。支持者包括湯姆遜（J. J. Thomson）、法國物理學家佩蘭（ J. B. Perrin）等。而以赫茲和勒納德為代表的德國物理學家則認為陰極射線是電磁波，即類似于紫外輻射的“以太的某種表現”。雙方爭執不下，各自為證實己方觀點而開展實驗研究。倫琴注意到他們的研究仍有許多問題需要解決，特別是勒納德的研究結果“射線在較遠距離處仍能產生放電效應”，于1894年6月開始研究陰極射線。

（二）X射線發現的過程和早期研究

1895年11月8日晚上，倫琴使用克魯克斯管重復前人研究陰極射線的過程，為避免克魯克斯管發光的干擾，用不透光材料遮蓋克魯克斯管，“偶然”發現距陰極射線管約1m處、做其它實驗用的涂有熒光物質鉑氰化鋇的紙板發出的綠色熒光。而陰極射線僅能穿透幾cm的空氣，倫琴立刻意識到這種導致熒光出現的輻射具有極強穿透能力而不同于所謂的陰極射線，此即他所稱謂的“X”輻射。倫琴沒有急于發表這一神秘輻射，而是在接下來的近兩個月的時間里重復驗證并探索該神秘輻射的性質。研究了不同物質對X射線的阻擋能力，發現X射線可以穿透上千頁的書籍，卻不能穿透很薄的金屬板，并成功拍攝了他妻子的手骨照片。1895年12月28日，以短短10頁的報告將這一發現公之于眾。倫琴發現X射線的消息立即在全球范圍引起了轟動，成為包括紐約時報、英國泰晤士報等在內的新聞媒體追蹤的熱點。一段時期內，新聞記者的追蹤、采訪使得倫琴無法進入實驗室開展研究，不得不離開住所躲避。1896年1月6日，倫琴妻子的手骨X射線照片傳到一位外科醫生手上，立刻開始了X射線在醫療診斷中的應用。商業公司紛紛希望與倫琴合作注冊X射線及相關產品專利，遭到了倫琴的斷然拒絕。在接下來的時間里倫琴繼續研究X射線的性質，相繼發表了3篇研究論文，實現了當時設備所能企及的所有研究結果，以至于后來十幾年里，人們對X射線本質的認識無突破性進展。

二、倫琴的完美人格特質

（一）X射線發現的完美性

事實上，在倫琴發現X射線以前，一些科學家已經“看見”過X射線。1876年和1877年克魯克斯多次發現放在通電的陰極射線管附近的照相底片曝了光，但誤認為是底片質量不好，便到廠家退貨了事。1880年哥爾德斯坦也發現陰極射線管會發出一種特殊輻射，使管內熒光屏發光，但并未對此追根求源而錯失發現X射線良機。1890年兩位美國物理學家在陰極射線管附近偶然發現一張奇特的線圈的照片，但他們并沒有在意，而是把這世界上第一張、比倫琴拍攝的手骨照片早5年的X射線照片隨手扔進了廢紙簍。1894年湯姆遜在測量陰極射線速度時，也觀察到了X 射線，但他當時“沒有工夫”研究這一現象，只在論文中一筆帶過。

眾多大名鼎鼎、而且一直從事陰極射線研究的物理學家，紛紛與X射線擦肩而過，為何對剛介入該領域研究不久的倫琴“情有獨鐘”？此發現引起的轟動效應及其在醫學領域的迅速應用吸引了世界范圍的科學家競相開展該領域的研究，為何在以后的十幾年中，直到1912年勞厄發現晶體對X射線的衍射，人們對X射線本質的認識竟然沒有顯著進展？深知X射線的科學意義和巨大應用價值的倫琴，為何能放棄一切利益，將發現奉獻給全人類？深入剖析倫琴發現在科學研究方面的“完美”之處及其人格特質，對我們正在實施的創新教育有重要啟迪。

從科學研究角度看，倫琴發現的完美性主要體現在偶然性、正確性和窮盡性等三個方面。首先，偶然性體現在是倫琴從事陰極射線研究的“意外”收獲，而且其快速且持久的影響在醫學領域的廣泛應用完美體現了以興趣和探索真理為驅動的基礎研究的價值。無法想象在利益驅動的科研立項體制下，某醫療機構向倫琴下達研發醫療器械的任務，會是一種什么樣的結果和情形；其次，正確性方面，研究者對新發現的描述，不少有這樣或那樣的錯誤，而倫琴對X射線發現及性質的認識幾乎在每個細節都正確；窮盡性，倫琴對X射線的研究窮盡了當時所能達到的認識水平，以至于在此后十幾年中，本領域的研究無顯著進展。

（二）倫琴的完美人格特質

完美的研究成果是研究主體——科學家本人完美人格的體現。倫琴完美的人格特質主要體現在如下方面。

積極的創新意識，跟蹤學科發展動向。從1869年6月以《各種氣體的研究》的杰出論文獲博士學位開始，倫琴先后在多所大學和氣體、晶體的熱傳導、電磁學、光學多個物理學領域開展研究，其開拓性的研究成果充分顯示了他超人的智慧、深邃的學識和獨特的構思，在世界范圍建立了崇高的實驗物理學家的聲望。1888年~1893年擔任維爾茨堡大學物理研究所所長，1894年50歲的倫琴眾望所歸擔任維爾茨堡大學校長，足以表明其學術上的輝煌。然而，他在承擔大學校長繁重管理任務的同時，仍能持續關注物理學研究的熱點并將研究方向轉向全新領域。對在自己熟悉領域已建立崇高學術聲望的倫琴，涉足全新研究領域，充分顯示了其開拓創新意識和探索未知世界的勇氣。

敏銳的觀察力和準確的洞察力。在重復他人陰極射線研究過程中，敏銳的觀察到距陰極射線管約1m處、做其他實驗用的涂有熒光物質鉑氰化鋇的紙板發出的熒光，而陰極射線僅能穿透幾cm的空氣。從幾cm和1m距離的差別，他馬上意識到可能是陰極射線以外的“新的輻射”導致熒光屏發光。并以此為突破，成就了后來的發現。成分展現了他作為實驗物理大師的敏銳觀察力和深刻洞察力。

不拘偏見、不囿于傳統。其他科學家錯失發現X射線的機遇，一個重要原因是他們受制于傳統觀念或局限于自己關注的問題，糾結于陰極射線本質的爭論。倫琴則不同，正如在慕尼黑大學為他舉辦的慶祝大會上，倫琴曾平靜地說：“對科學家來說，最大的快樂是無論對什么問題，都不能拘泥于偏見，要自由地繼續進行研究，對研究者來說，沒有比問題得到解答時那樣心滿意足、無比喜悅的了，無論外界怎樣承認或夸獎都比不上它” 。

嚴謹、求實，追求完美的品格。倫琴意識到自己觀察到一種新的輻射后并沒有立即公布自己的實驗結果，而是在接下來的六個星期內，幾乎與世隔絕，獨自工作，密集開展了對這種“新的輻射”性質的探索研究。研究了不同物質，書本、木板、橡膠板、不同種類和厚度的金屬板等，對新射線的阻擋能力，并拍攝了妻子手骨照片，直到給出“完美無瑕”的結果才公之于眾。倫琴在接受新聞記者采訪時曾說：“我不是預言家，也不喜歡預言；我繼續我的實驗研究，我從不發表沒有把握的結果”，也充分體現了他“精益求精、追求完美”的科學品格。

鍥而不舍，追求卓越，最大限度地窮盡本領域研究，對發現的描述完全正確。倫琴公布發現后，面對引起的迅速、廣泛和規模空前的轟動效應，并沒有沉浸在激昂的興奮中，而是以巨大的自制力保持鎮靜和理智，繼續開展X射線性質的研究。倫琴1895年~1897年三篇關于X射線研究的論文，幾乎窮盡了本領域當時設備可能實現的所有結果，而且對X射線性質的預測幾乎毫無錯誤，致使隨后的十年中對X射線性質的認識沒有顯著進展，充分體現了這位杰出實驗物理學家對科學的忠誠、高超的實驗技術和縝密的科學思維能力。正如勞厄在評價倫琴時所說：“這三篇論文對事物敘述得如此詳盡無遺，以至在整整十年中不可能補充任何新的東西。據我所知，在所有論述發現的文章中，疏漏如此之少者寥寥無幾，倫琴的論文寫得何等精心。”

淡泊名利、謙虛謹慎。X射線的發現不僅在科學上揭開了物理學革命的序幕，它在醫學界的迅速和廣泛應用也堪稱基礎研究價值的最完美體現。倫琴發現X射線的消息傳到美國僅僅4天，美國人就用X射線發現了留在受傷者身體里的子彈。100多年來，其在醫學領域的應用關乎每個人。倫琴清楚地知道自己的發現在科學上和醫學上的巨大價值。然而，他不曾有過任何謀求金錢上利益的想法，放棄了所有關于X射線產品的專利。他說：“我認為任何科學工作者的發現或發明都應屬于全人類，這些發現和發明不應以任何形式受到專利、證書和合同的約束，也不應受到任何集團的控制。”同時，他是迄今為止唯一放棄在諾貝爾頒獎典禮上演講的獲獎者，并把相當于其20年薪水的15萬瑞典克朗獎金全部捐贈給維爾茨堡大學做研究基金，即使在退休后生活清貧，也未曾動過存在銀行里的5萬元獎金，執著持守捐贈的承諾。正如他的好朋友鮑維利（Boveli）說，“他的突出性格是的正直，我們可以這樣說，從哪種意義上講，他都是19世紀理想的化身：堅強、誠實而有魄力；獻身科學，從不懷疑科學的價值；他對人民，對記憶中的事物以及對理想具有一種少有的忠誠和犧牲精神……”倫琴以發現、認識自然的真理為最大快樂，并把自己的發現貢獻給全人類，堅守豐富的學術世界和精神追求，為社會公眾和現代學人樹立了光輝典范。

三、倫琴的人格特質對創新型人才培養的啟示

（一） 追求真理和道德情懷——創新型人才培養的標桿

創新型人才是時代的迫切需求，大學是培養和造就高素質創新型人才的搖籃。推進創新教育，造就契合國家時代需求的各類創新型人才，不僅是高校永恒的主題， 也是大學的核心使命和重要職責。盡管國內外對創新型人才的內涵的理解不完全相同，但比較廣泛認可的基本內涵是創新型人才是指具有創新素質（包括創新意識、創新思維、創新知識、創新能力和創新性人格等）并能夠創造性地解決問題的人才。創新教育即是在先天素質基礎上，通過后天環境熏陶、教育和訓練，激發強化創新意識、開發培養創新性思維、構建合理知識結構、發展形成創新人格。其中，發展、形成創新人格是創新教育的目標和歸宿。

當前，十分強調從科學創新角度探討創新人才的素質和培養，但對創新人才人格的培育和塑造重視不夠。回望和反思倫琴作為杰出科學家的人格特質，在一定范圍內存在的所謂創新型人才追名逐利、浮夸浮躁、甚至不惜造假的現象和可悲實例令人汗顏。因此，在創新人才培養過程中，不僅要重視創新素質的熏陶和培育，更應培養創新人才的悲憫情懷和胸懷天下的人格。科學至上、道德情懷應成為創新人才培養的標桿。

（二）探索創新教育在課程教學中的實現途徑

創新教育，不是獨立于課程、專業教育之外的一種全新形式的教育，而是相對于傳統模式的教育，在培養環節上更加注重創新素質的培養。實施創新教育，除了應充分遵守人才成長規律，在宏觀上進行教育思想、教育體制、課程體系、教育管理等方面進行大膽創新外，更重要的是將先進的成才理念、措施在微觀層次上落實在具體的人才培養環節和過程之中。如前所述，X射線發現和早期研究的歷史蘊含寶貴的創新教育資源，倫琴的人格特質為社會公眾和學人樹立了典范。另一方面，由于X射線相關技術應用廣泛，在高校多個學科和課程中涉及，包括物理、化學、材料科學、醫學影像等。如能在課程教學中，適時滲入相關史料，讓學生在概念形成和演化過程中理解科學家的創新思維和精妙實驗方法，在構建自己的知識體系過程中與偉大的同行進行心靈對話，感受杰出科學家追尋理想、嚴肅求實和無私奉獻的人格魅力，使學生在掌握方法和技能的同時，找到榜樣和偶像，激發創新欲、責任感和使命感，從而實現課程教學和創新教育的“雙贏”效果。遺憾的是，幾乎所有的教材均沒有提及X射線早期研究的歷史。限于學時，專業課程中往往也無法詳細挖掘其內涵。作者在《X射線衍射技術》課程教學中，在課程的引言及相關概念（如X射線本質、吸收系數、晶體對X射線的衍射等）的引入過程中，嘗試適時插入相關科學史料，試圖刺激學生對課程內容產生有意義的構建，感受杰出科學家追求真理的勇氣、敏銳的洞察力、靈感創新思維和胸懷天下的道德情懷，取得了較好效果，但仍迫切需要進一步探索在課程教學中融入創新教育的途徑。

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［責任編輯：雷艷］