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想象力是卓越的发现能力，它深入我们周围的不可见世界以及科学世界，感受与发现那实在，那我们通过感官无法得见的真实。
——引自阿达·洛夫莱斯1841年1月写给拜伦勋爵的信
我们的故事要从1895年德国维尔茨堡的一间实验室讲起，这里看起来并不太像现代科学家使用的那种整洁的白色空间，而是铺着漂亮的镶木地板，从高高的窗户望出去，可以俯瞰园林和葡萄园。物理学家威廉·伦琴
合上百叶窗，着手工作。在一张长长的木桌上，他放了一个小酒瓶大小的玻璃管，用真空泵把里面的绝大部分空气抽了出去。
导线从金属电极上垂下来，一根在管子的末端（阴极），另一根大约在管子中间（阳极）。加上高压电时，里面会出现名为“阴极射线”的亮光，“阴极射线管”由此得名。目前为止，一切都在伦琴的预料之中。然而，他的余光注意到，实验室另一端的一块小荧光屏上出现了亮光。
他走过去仔细审视，磷涂层的屏幕正发出绿色的光。关上阴极射线管，光就消失，再打开，光又出现。也许这只不过是眼睛的错觉，是阴极射线管发出的光反射过来的？他把玻璃管用黑纸板挡住，但荧光屏上的光还在。他可从没遇到过这种情况，但感觉这也许会很重要。
从那一刻起，物理学由此改变。从那个偶然发现开始，阴极射线管将引领物理学进入崭新的领域，开始颠覆千百年来人们已经接受的关于自然界的观念，最终会带来改变人们生活、工作、交流方式的技术。一切都从那里开始，从那个发光的荧光屏和一个人的好奇心开始。
和19世纪末世界上绝大多数科学家一样，威廉·伦琴也认为，物理学的课题已经基本完成。宇宙由“原子”组成的物质构成，他们发现存在着不同类型的原子，对应不同的化学元素。从树木到金属，从水到毛发：物质世界的复杂性，不管是软硬、颜色还是质地，全都是因为它们由不同的原子组成，这些原子看起来就像一个个小球，像乐高的零件。只需拥有正确的操作指南，你就可以用一套原子创造出任何喜欢的东西。
他们也知道存在几种万物间相互作用的力。万有引力让恒星待在我们的星系里，并且让我们的行星绕太阳转。即便是最为神秘的电力和磁力，最终也被归结为一种力：电磁相互作用。宇宙是可以预测的：如果你掌握它内在运作的全部细节，并且让它运转起来，那么万物的运动都可以被精准预测。
如今剩下要去探索的仅仅是一些细枝末节——比如阴极射线管的工作原理，这是他们还无法解释的几件小事之一。当然也有理论试图解释它，比如有的观点认为，射线管内部的光线与人们假定的以太波纹有关，人们认为光通过以太这种介质传播，就像声音通过空气传播。在对阴极射线管的研究中，伦琴似乎碰上了更复杂的问题。不仅是射线管内部的有些事情无法解释，他还在射线管外发现了一个奇怪的现象。
伦琴小时候看起来平平无奇。他是个布料商人的儿子，喜欢在乡村和森林里探索大自然。
如果说在有件事上他确实展现出了一些天赋的话，那就是制作机械
，这一早期的能力对他日后的实验工作很有帮助。成年后，黑发在他前额竖起，“好像他的热情一直让他通着电”。
伦琴是个很害羞的人，发表演讲时声音很小，对自己的学生要求十分严格，甚至对实验室要有助手这件事都有点不适应。但他热爱科学，有时会引用伟大的工程师维尔纳·冯·西门子
的话：“学术生活能够带给我们的，也许是人类能够企及的最纯粹最高级的愉悦。”
如今他发现了一些从未有人见过的事情。看到这个奇特的发光荧光屏，他认为他看到的并不是使阴极射线管发光的同种“射线”，因为这种效应似乎发生在射线管内部。他发现的是一种全新的不可见射线，似乎可以传播得更远。他立刻全心投入研究，把全部时间和精力都花在了实验室。后来当被问及那时他都想到了什么时，他说：“我并没有去想什么，而是做研究。”实验室里有很多类似的玻璃管
，他细致入微地调试了荧光屏和玻璃管，希望搞清楚这种新射线的本质。他在玻璃管和荧光屏之间放了各种东西，尝试了纸、木块，甚至硬橡胶，射线都可以从中穿过，几乎没有衰减。他又让射线射向隔壁实验室厚厚的木门，结果在另一边仍然可以探测到这种射线。只有在玻璃管前面放铝箔的时候，射线才无法穿过。
他花了七周时间在实验室全神贯注地工作，有时候吃饭都需要妻子安娜·伯莎提醒。除了这点交流以外，他几乎都是独自工作，对自己的研究只字不提，连助手都没告诉，更别提国外的同行了。他深知，如果不能率先宣布这一发现，其他上百位在做类似实验的科学家就会抢先一步。据记载，他唯一一次谈及自己的工作，是对一位好友，但也只是谈道：“我发现了些有趣的东西，但也不确定观测结果是否正确。”
后来，他把手放到射线前，记录中写道：如果把手放在放电管和荧光屏之间，在手的影子之中，就会看到更暗的骨骼的影子……他又有了新点子——用射线在照相底片上记录下伯莎手的影像，这也印证了他的想法：射线能轻易穿过皮肉，但无法轻易穿过骨骼或金属。从肉眼来看，她的手骨和婚戒看起来要比皮肉更暗一些。挡住新射线的程度与物体的密度有关。据说，伯莎看到自己的手骨时尖叫道：“我看到了自己的死亡！”此后再未踏入她丈夫的实验室半步。
伦琴需要给这种新射线起个名字，记在笔记本上。在科学上，我们通常用字母X表示未知的事物，所以伦琴想出了也许是物理学史上最不刻意的命名，把他的新发现称为“X射线”。
伦琴理解了X射线的运作，对此感到非常满意，但需要做个决定：应该将自己的想法申请专利，把自己的发现公之于众，还是在宣布发现之前做更多的工作？他还对很多问题充满好奇：比如X射线与光和物质有着怎样的联系，X射线是由什么构成的，以及是怎样形成的。他觉得X射线的宣布一事不能再拖延了，其他人发现X射线的可能性太大了。如果在申请专利之前就公开自己的发现，那当X射线在医疗上派上用场时，他就一分钱也挣不到了。但伦琴是物理学家，不是医生，他并不清楚医师们对他的想法感不感兴趣。他认为让X射线发挥作用的最好办法，就是公布自己的发现，把它告诉医学界。
1896年1月23日这天，伦琴克服了自己的羞怯，在离实验室没多远的维尔茨堡医学物理学会的大讲堂里摆上了一张桌子，放上了X射线的实验装置。人们已经通过报纸得知了他的发现，来观看的人非常多，过道上都站了人。伦琴第一次做演讲，讲述了他的发现，给观众展示了X射线能够穿过木头和橡胶，但不能穿过金属。他展示了伯莎手的照片，把自己的想法告诉他们，认为可以用X射线看到人体内部。为把问题讲清楚，他决定要演示一下，创造出这样的影像有多么容易。
在讲堂前面，伦琴邀请医学物理学会会长——一位著名解剖学家，让他把手放在X射线的路径上。伦琴打开阴极射线管，拍摄了会长手部的X射线影像，在场的医生都大为震惊，他们立刻明白了这项发现的价值所在，会长本人更是深受震撼，他让大家为伦琴欢呼了三次，人们甚至提议以伦琴的名字来命名这种新射线。
关于这个新现象的消息像野火般传遍了全世界，有鼓舞人心的赞美之词，也有恐惧，甚至还有诗歌。当时，儒勒·凡尔纳
的《地心游记》正引发公众的想象，伦琴突然发现了透视人体的能力，这还带来了一些有趣的误解，比如有人认为用X射线可以透视女士的衣服（透视男性衣服的想法未被提及），当时的创业者开始售卖防X射线的铅制内衣，可能是专供女士吧。许多戏院里也禁止戴“X射线眼镜”，尽管并非真有这种眼镜。哲学家则担心X射线会暴露一个人最深处的自我。
全球成百上千的科学家已经拥有了阴极射线管，它成了物理实验室标配的设备。他们首先验证了伦琴的实验，然后开始将阴极射线管投入使用，大概花了几个月的时间。1896年，距离被发现还不到一年时间，在意大利和阿比西尼亚的战场上，X射线就已被用来定位士兵骨折或体内弹片的位置，格拉斯哥皇家医院则设立了世界上第一个X射线影像科。
在其他社会领域，商人将X射线另作他用。当时比较流行的有“鞋镜”，在人们试鞋的时候拍摄X射线影像，但这一做法后来消失了，因为有证据表明，X射线有时会对皮肤或细胞组织造成伤害——这个话题我们后边会再谈到。伦琴本人提出另一种X射线在工业上的潜在应用，比如一个不透明的箱子里装有金属重物，用X射线可以拍出金属重物的照片。这些早期的“X射线影像”也为现在机场里安全扫描仪的发明做好了铺垫。
由于伦琴决定不为他的发现申请专利，不使之成为其医学应用的潜在阻碍，他本人并未从中得到任何收入。他巧妙地将开发这些技术的职责留给了医学界，宣称自己要忙于其他研究，但如果有需要的话，他会继续提供帮助。
伦琴看起来也许是个奇特的人：一位“孤独的天才”，做出了一个不知从哪儿冒出来的“偶然发现”，毕竟任何一个拥有荧光屏的人如果走运的话，都可能会有同样的发现。但如果我们再仔细审视一下，就会发现还有其他因素在起作用。他有机会接触世界上的很多专家，有着多年的实验训练，即使十分兴奋，也能保持耐心与谦逊。在注意到发光的显示屏时，他有足够的知识来理解其中的含义，也有好奇心深入挖掘。
尽管被大肆宣传，但仍然没有人真正了解X射线究竟 为何物 。伦琴已经证明，与可见光和可见光谱以外的紫外线、红外线相比，X射线并没有完全相同的反射和折射性质。人们并不十分清楚，X射线是怎样从阴极射线被创造出来的，以及它与其他物质——比如荧光屏，有怎样的相互作用。他的发现引发了一系列关于物质与光由什么构成、它们怎样相互作用的新问题。要回答这些问题，需要进一步用阴极射线管做实验，而阴极射线管在接下来的发现中将继续扮演重要角色。
在1897年早春的英格兰剑桥，身为世界上出类拔萃的物理实验室的主任，约瑟夫·约翰·汤姆孙
正致力于解决一个长达二十年的争论。他并没有把注意力放在玻璃管外的X射线，而是想搞清楚玻璃管内的阴极射线是由什么构成的。
汤姆孙的猜想并不受欢迎，他认为阴极射线是某种微粒或粒子。在这点上，伦琴和他的德国同行并不认同，他们认为阴极射线并不是一种物质，而是某种形式的光。
汤姆孙之前用实验室里的玻璃管研究气体中的电，但现在他设计了一系列新实验，试图回答这个问题：阴极射线的本质究竟是什么？
汤姆孙是曼彻斯特一个书商的儿子，他很腼腆，十一岁时就宣称想要做基础研究，这有些少年老成的愿望不知从何而来。他的父亲在他只有十六岁时就过世了，没有给他的教育留下任何积蓄。由于物理系没有奖学金，他就进入了剑桥三一学院学习数学。他那种沉静的幽默感——经常表现为孩子气的咧嘴笑——再加上那种不可动摇的学术自信，把他的同学都吓跑了，他们看待他几乎有种敬畏感。 [1]
年仅二十七岁时汤姆孙就被评为教授，被任命为剑桥大学卡文迪什实验室主任。他个子不高，留着杂乱的胡须，黑色的头发从中间梳开，几乎毫不在意自己的穿衣风格。一位老友后来回忆起，他的领结有时会挂在耳朵上，而汤姆孙本人四处走动，浑然不知。他的家庭生活也很简单，但涉及对物质和宇宙本性的推测，他却非常具有革命性。
汤姆孙的研究始于仔细重复前人的实验。他首先想要确认的是阴极射线具有电荷。他用磁铁让阴极射线发生偏转，击中计量电荷的验电器。令人惊讶的是，仪器显示存在大量负电荷， [2] 射线具有电荷的观点得到了证实。
随后他又设计了一个实验，让他的助手在特制的真空管里装上一对平行金属板，在两板间加上电压，尝试用电场让射线偏转。如果这种射线是他所认为的粒子，那么它就会因为电压而偏转。而如果射线是光的话，它就会沿直线传播，丝毫不会偏转，就像手电筒发出的光不会因加上电压而受到影响。
汤姆孙希望能发现，与加较高电压相比，加较低电压时阴极射线偏转的角度会小一些。之前发现电磁波的德国物理学家海因里希·赫兹
在汤姆孙之前就做过同样的实验，但他发现高电压会让射线偏转，而低电压对射线没有任何影响。汤姆孙刚开始尝试这个实验时，沮丧地得到了和赫兹相同的实验结果。阴极射线似乎在高电压下表现得像粒子，而在低电压下表现得像光。对汤姆孙的粒子假说而言，这可是个巨大的挑战。
汤姆孙用他的仪器进行实验，试图搞清楚他的发现。首先他把玻璃管中的气体换成另一种，但实验结果并没有改变。下一步他尝试改变气体的数量，给玻璃管抽真空，发现结果产生了变化：低电压时偏折较小，高电压时偏折较大，和他预料的一样。为了确定这点，他又放进一些气体，低电压造成的偏折又消失了。留存在玻璃管中的少量气体带上了电，抵消了低电压，但抵消不了高电压。结果就是，当有气体时，低电压对阴极射线不会有什么作用。正是这点导致了赫兹的实验结果，也让汤姆孙的实验失败了。正如汤姆孙后来在回忆录中写道：“在彻底掌握使用技巧之前，物理实验室的精密仪器，也许第一天给出一个结果，第二天又给出相反的结果，这恰恰证明了这种说法的真实性：自然的恒定法则从来不是在物理实验室中发现的。” [3]
这些实验结果促使汤姆孙得出结论：“射线的轨迹与气体的性质无关。”
也就是说，他的演示结果与玻璃管中的气体无关，射线也不是其他人所认为的带电气体分子流，射线是远比这更为基本的东西。由此他得出了关键论点：如果射线真是一种带负电的粒子，那么所有实验结果都可以得到解释了。
现在要做的只剩下要弄清楚射线是 哪种 粒子：原子、分子还是其他。为了确定这点，汤姆孙使用电场和磁场测定了其电荷量和质量，特别是二者之比荷质比—— e / m ，得到的数值比他预期的要大很多。这个结果很令人费解，与任何已知的原子或分子都不匹配，而原子和分子是目前人们已知的自然界的最小组成部分。汤姆孙给出了两种可能的解释：要么这种粒子太“重”了，像原子一样，带有非常大的电荷量，要么这种粒子质量极小，带有一个单位元电荷。这两种选择看起来都不吸引人。如果它是具有非常大电荷量的原子，他就需要彻底反思电荷量的概念。另一方面，如果质量极小，就意味着原子并不是不可分的基本粒子。
汤姆孙改变了他能想到的每个变量，在玻璃管里用了不同气体，尝试了不同金属作为电极，还改变了真空程度。每种实验产生的都是同样类型的新粒子，具有相同的荷质比。在对新粒子的本质进行推测时，他还调用了化学实验、星体光谱观测，甚至磁铁结构的知识。虽然进程缓慢，但他确信，要摒弃“新粒子是带有很大电荷量的原子”这一想法。他为公布结论做好了准备。
1897年4月30日，周五，距离伦琴公布他的发现还不到一年时间，在伦敦皇家学会的周五晚间演讲现场，汤姆孙身着晚礼服出现在拥挤的人群前，重现了他的一系列实验。公开演讲在每周五晚进行，吸引了非常多穿着考究的伦敦人
——那时最新的科学发现被视为高等文化。在演讲的高潮，他宣称这种神秘射线实际上是一种带负电的粒子，他测定其质量是最轻的原子（氢原子）的2000分之一。汤姆孙发现了电子，第一个
亚原子
粒子。
这是智性的胜利。汤姆孙深入钻研了阴极射线的神秘发光，对物质本性有了全新的理解。同年十月，他又向前迈进一步：由这种微小粒子组成的不只有阴极射线，实际上这种粒子是至今未知的物质组成部分，这也推翻了“原子是最小不可分实体”的观点。他还无法确定电子来自哪里，但坚信它几乎肯定来自原子内部。在证据面前，即使伦琴和他的德国同事都不得不承认，汤姆孙是对的。伦琴和汤姆孙两人，用了同一套仪器，发现了之前从未被发现的自然界的两个全新方面。
现在我们可以把他们的观点放在一起，来解释阴极射线管内部到底发生了什么了。阴极在高压下发射出高速电子，被吸引到带正电的阳极，但有些电子没有击中阳极，而是从一旁高速飞过，撞击气体与玻璃管，这个过程中转移的能量产生了光——这让科学家们困惑了数十年。这一过程被称为韧致辐射，即“刹车的辐射”，就像电子在玻璃管上刹车了一样。只要电子损失足够的能量，就可以产生X射线：一种高能光——电磁辐射——具有穿透手部（以及人体其他部分）的能力。
和X射线不同的是，汤姆孙的发现的用途在当时还不明确。汤姆孙很好奇，像电子这样极小又微不足道的东西，怎么可能会让物理学界以外的人感兴趣。20世纪早期，在他做出发现的卡文迪什实验室，一次年会记录中有这样一首半开玩笑的祝酒词：“敬电子！愿它永不为人所用！” [4] 然而在电子被发现后的二十年，汤姆孙再次在皇家学会发表了周五演讲，这次的题目是“电子的工业应用”，此后我们发现，他的发现以及我们对它的理解，将构成整个电子学领域的基础。
这一切是怎样发生的呢？从表面来看，似乎讲得通，毕竟电子学——就像名字所表明的——依赖于电子的运动。但汤姆孙的发现与此有什么关联？我们真的需要他的研究，还是说电子学早晚都会出现？为了理解汤姆孙的好奇心与电子学变革之间的关系，我们需要把他的工作放到当时的背景中。
在英国科学博物馆里，有个名为“创造现代世界”的常设展厅。通道中间一个很小又不起眼的玻璃橱窗里，有一些带有简洁说明牌的玻璃仪器，其中一个就是汤姆孙发现电子时所使用的阴极射线管。这个橱窗里还有个早期的电灯泡，另一侧有两个长相奇特的仪器，叫作弗莱明管，看起来就像电灯泡，只不过底部有三只管脚。这个展示柜就是早期电子学发明的历史缩影。
附近的一件陈列让我们注意到另外一位著名发明家——托马斯·爱迪生
。1880年，像汤姆孙这样的科学家在认真钻研阴极射线管时，爱迪生和他的助手在实验时无意中发现了一项相似的技术，可以把电转化为光。那时爱迪生三十三岁，比汤姆孙年长九岁，由于被其他动机驱使——希望通过发明来赚钱，他采取了与实验科学家截然不同的方法。爱迪生的团队采用了“试错法”这一有点蛮力的策略，尝试了尽可能多的物质和构造。绝大多数类型的灯丝会立刻烧坏，但团队里的一位成员，刘易斯·拉蒂莫，一位非裔美国人，确定了一种方案，他使用碳丝制作电灯，可以维持大约14个小时。
[5]
然而还有个问题：在工作时，灯泡玻璃表面会变黑，就好像碳粒子被从灯丝“搬运”到了玻璃上。尽管他们已经尽可能提升了真空的程度，灯泡仍会烧坏。现在我们知道这是由于灯丝的蒸发，但爱迪生当时并不了解。为了解决问题，爱迪生在灯泡里放了个电极，试图在中途抓住碳粒子，结果意外发现可以产生电流，但是只能朝一个方向。虽然没有解决发黑问题，但是这个装置似乎可以控制电流，就像阀门控制水流一样，他称之为“爱迪生效应”。对于控制电流流动的原理，他毫无兴趣，只是知道可以控制。爱迪生为“爱迪生效应电灯”申请了专利，然后就放弃了这个想法，因为他看不到它能有什么用途。他继续灯泡的工作，一点一点改善，最终把碳丝的寿命延长至600个小时，后来有人询问其中的原理，他告诉他们，他没有时间去研究工作中的“美学”部分。 [6]
对美学——工作中所蕴含的原理，有时间进行研究的人是汤姆孙。1899年，在发现电子两年后，汤姆孙证明，和阴极射线管一样，灯泡中的灯丝也在发射电子。按照爱迪生的方法来加热灯丝，会使电子跳出来，我们现在把这个过程称为“热电子发射”。这与灯丝蒸发有很大区别，是揭示爱迪生效应的关键。爱迪生看似无用的发明闲置了快二十年后，汤姆孙的工作最终揭示了电极产生电流的原理。当电极带正电时，会在真空中吸引电子流，完成回路，但电极带负电时，会排斥电子，电流就断了。有了这样的充分理解，爱迪生的“阀门”将会在这个飞速发展的世界里找到其用途所在。
我们故事的下一站要来到1904年，涉及马可尼无线电报公司顾问的工作，无线电和电信就发源于这家公司。
为了让电话工作，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明
需要把微弱的交流电转换为直流电。他在1889年偶然发现了爱迪生效应，意识到爱迪生发明的阀门正好可以做到这点，当时他正是爱迪生&斯旺电灯公司
的顾问。无线电传输时发出的微弱信号足以引起阀门电流的开或关。这种联系突然浮现在他脑海中，之后他写道：“令我高兴的是，我们从这种奇怪的电灯中发现了答案……”
阴极射线管的知识与电灯相结合，第一个“热电子二极管”，或“弗莱明阀”被发明出来：这是第一个电子设备。电气设备涉及电子在导线中的流动，电子学则涉及电子在真空中的运动，它能够被简便快速地操控，无须早期电器设备的机械运动。弗莱明的发明引发了一场技术革命。几年以后，一位美国发明家在热电子二极管里加上了第三个电极，每一步都遵循汤姆孙理论的指导。 [7] 1911年，“三极管”被用作放大器，不久后，真空管中的电子流被用作振荡器、电信号的调节器等等。这些早期的电子设备催生了远距离无线电通信、雷达和早期的电脑。电子工业由此诞生了。
对这个故事中呈现的两种不同路径稍做审视，还是很重要的。一方面，对理解真空管的运作来说，汤姆孙这种由好奇心驱动的路径看起来当然很重要，但除了知识，他并没有计划创造其他东西。另一方面，爱迪生的试错法会带来企业家式的成功，但对于这些技术按照目前方式运作的原理以及原因，他并没有兴趣进行详尽了解。在某种意义上，弗莱明将这两种路径结合起来，创造出一种复杂精妙的技术。在电子工业形成的过程中，毫无疑问他们所有人都是不可或缺的，但如果没有那些不以商业为目的去做阴极射线管实验的科学家，这一切都将无从谈起。
与通过试错法发明新产品相比，在科学进程中追求知识与理解常常会有累积效应，随着时间推移，经常会带来越来越多的应用。对电子来说如是，对X射线来说也是如此，因为这两者是相关联的。由于电子工业的诞生，制造产生X射线的特制玻璃管成为可能，为医疗与工业用途的X射线管创造了一个繁荣的市场。这些玻璃管的样品就陈列在科学博物馆的展厅，挨着汤姆孙的阴极射线管和早期的弗莱明阀。
X射线剩下的故事只需在博物馆里多走几步，电子工业和X射线让这种大型医疗仪器成为可能，也就是被称为计算机断层扫描仪（CT）的救命技术。
20世纪70年代以前，如果病人需要脑部扫描，医生会进行“气脑造影术”。在脊柱底部打个洞，或直接在头骨钻洞，病人的大部分脑脊液会排出来，然后打入空气或氦气，在大脑和头骨间创造一个气泡。病人会被绑在椅子上，四面八方旋转，还要有不同的姿势（倒过来或侧着都有），这样气泡才能在大脑和脊柱里游走，与此同时在各个位置照射X射线。已经患病的人要被迫忍受极度的痛苦、恶心与头痛，而且整个过程通常没有麻醉。这一切只不过是为了在X射线影像中得到充分对比，以便能够区分大脑和（已经排出的）脑脊液。在这痛苦的经历后，医生会检查X射线影像，希望可以辨别出大脑的形状由于损伤或肿瘤是否有轻微变形。这个手术极其野蛮，却是1919年到20世纪70年代的唯一选择。
当时X射线只能产生二维影像。如果把身体想象成一盒液体，其中有一系列物体（骨头、器官、肌肉），在盒子里用X射线看到一个物体是非常困难的，因为任何前面和后面的物体都会挡住它。以二维去呈现三维结构，医生理解起来十分困难。真正需要的是革新，可以创造真正三维影像的革新。
19世纪60年代，供职于EMI（电子与音乐工业公司，一家英国大型公司，也经营电子器件和其他设备）的戈弗雷·豪斯菲尔德
，正在寻找计算机可以发挥作用的领域，他提出了一种全新方法，使计算机成了更好的X射线医疗设备。他想到可以在病人周围旋转发射源与探测器，进而收集一系列X射线影像，用计算机进行数据重建。这使得创造一幅完整的人体内部3D影像成为可能，被称为“计算机断层扫描”或CT。
要实现这个想法，他首先开发了一个脑部扫描仪的试验性装置。为了测试，他前往当地屠宰场，切下了奶牛的大脑，用来采集图像。
在一次访谈中，他用典型的英国式低调说法这样形容道：“用纸袋搬着这些大脑，穿越伦敦，最后放到机器上，这可真是个大工程。”
[8]
初期测试得到了有机组织内部的全3D图像，清晰程度令人震惊。CT扫描仪甚至可以显示出组织中的细微差别，这在伦琴看来绝不可能：在他早期的X射线影像里，组织是透明的，现在却有很多影像混合，说明现在可以看到了。这需要计算能力、一台旋转设备和一些熟练的数学运算，但这项技术真的很有效。1971年，脑部扫描仪开始在伦敦的阿特金森·莫利医院进行试验，它由一个特制的可活动床组成，病人躺在上面，头部处于一个环形孔径中，其中装有扫描设备——实际上和今天的样子没有太大不同。
1971年，第一位接受扫描的病人是一位女士，左前额叶疑似有肿瘤。CT扫描仪成功识别出肿瘤，由此进行手术，病人重获健康。直到此刻，豪斯菲尔德和他的团队才“像足球运动员攻入制胜球一般欢呼雀跃”。
他终于意识到自己工作产生的影响：他的发明给传统头颅X射线的痛苦画上了句号。
1972年，脑部扫描仪向世界公布，但豪斯菲尔德并未止步于此，他继续制造了一台机器，可以揭示人体其余部分的内在机制。1973年，第一台CT扫描仪安装在美国的医院里，截至1980年，全世界已有300万台投入使用。随着时间推移，CT扫描仪已十分普遍，截至2005年，扫描仪的数量达到了6800万台。
从那时起，新思想带来了实时影像，并与其他影像技术相结合（我们后续会见到），CT应用成了急诊室里的一线技术。20世纪70年代，得到一个影像要花费半小时，现代机器只需不到一秒。现在，在植入支架时，CT技术甚至可以帮助医生3D定位心脏，提升手术成功率。此外，CT显示的内部结构可以用3D打印机打印出来，在为手术和移植做计划时，可以帮助医生了解病人体内的真实情况，而这一切都不会在皮肤上留下刀口。技术与性能持续提升，聚焦于加快扫描速度，减少辐射剂量，以及得到更为精细的3D影像。
从发现X射线到现代CT扫描仪，这趟旅程用了超过七十年才得以完成。这需要一系列发明，数学技巧的突破，计算机的出现，需要这一切整合在一起。在世界上任何一家医院，你都可以找到某种形式的这项技术。如果问伦琴时代的医生，怎样能够增进人体的内部知识，他们也许只能拿出一把更好的手术刀。对于这个看似鲜为人知的物理学领域，正是伦琴和汤姆孙为了理解它所做出的探求，才使得他们的发现带来了一项全新的工具，日后由豪斯菲尔德和其他人不断完善，最终彻底改变了医学。
医学当然不是受益于X射线的唯一社会领域。一旦明确用途，就会发现到处都有对它的应用。下次去机场时，留意下X射线行李扫描仪：其源头同样来自维尔茨堡的一间实验室。除了安全应用，我们的物质和物理世界也仰赖于X射线知识。企业制造的东西，从输油管道到飞机，从桥梁到楼梯，现在都使用X射线影像来确保产品达到标准。出现裂缝或存在气泡，X射线都会显示出来，就像伦琴所做的原始实验那样。这种“无损测试”技术是我们的人造世界里不易察觉的部分，但也正是源于此，管道才很少爆裂，也罕有飞机从天空坠落。无损测试技术是个价值130亿美元的产业，并且在持续增长，X射线占有其中30%的份额。
要将可能变为现实，电子学花费了半个世纪，而X射线几乎用了一个世纪，但即便是本章中所讲的故事也只是个简介。完整的故事要回溯知识与技术在数个世纪的逐渐积累，从1643年埃万杰利斯塔·托里拆利
的第一个实验室真空，到1654年奥托·冯·格里克发明的第一个真空泵，也需要专业的吹玻璃工人造出严丝合缝的精密仪器来保持真空，还需要设备提供足够高的电压，把电子从金属电极打出。整个过程持续了几代人的时间，即便看起来突破就发生在眨眼间。
1895年至1897年间进行的阴极射线管实验，拓展了我们的电磁波谱视野，推翻了“原子是自然界的最小粒子”这一观念，导致了第一个亚原子粒子的发现，阴极射线管实验是如何做到这些的，让人惊讶不已。如果让人预测这些实验的成果，在评估这些实验对物理知识的影响上，人们肯定会彻底失算，如果预测其社会影响的话，甚至会错得更离谱。
伦琴和汤姆孙的发现中另一个相同的脉络，就是它们都迅速被技术采纳。在后续几十年电子学和救生医疗设备出现的革新中，这些观念都是不可或缺的，然而这些技术的基础概念并不来自工业，而来自好奇的头脑，他们进行实验，努力增进我们的集体知识。如今许多人把“阴极射线管”和老式电视机联系在一起，但它远不止于此。它代表着某种力量，好奇心驱动的研究将带来开创性的革新。
阴极射线管实验推翻了物理学已几近完成的观念。随着亚原子物理学的兴起，新的前景为充满好奇心的科学家敞开。后续几个重要实验将来自汤姆孙的学生，物理学家开始追问：原子内部还有什么？
[1] Lord Rayleigh（J. W. Strutt）, The Life of Sir J.J.Thomson OM ，Cambridge University Press，Cambridge，1943，p. 9.
[2] J.J.Thomson，‘XL. Cathode Rays’， Philosophical Magazine Series 5 ，vol.44，1897，pp. 293-316.
[3] J.J.Thomson， Recollections and Reflections ，G.Bell，London，1936.
[4] Proceedings of the Royal Institution of Great Britain ，vol. 35，1951，p. 251.
[5] Lewis H.Latimer，‘Process of manufacturing carbons’， US Patent 252，386，filed 19 February 1881.
[6] P.A.Redhead，‘The birth of electronics：Thermionic emission and vacuum’， Journal of Vacuum Science and Technology ，vol. 16，1998.
[7] 1906年，李·德福雷斯特发明了三极管，一种早期的音频放大器。参见Lee De Forest，‘The Audion：A new receiver for wireless telegraphy’， Transactions of the American Institute of Electrical and Electronic Engineers ，vol. 25，1906，pp. 735-763.
[8] S.Bates et al.， Godfrey Hounsfield ： Intuitive Genius of CT ，British Institute of Radiology，London，2012.
欧内斯特·卢瑟福
收到当地物理学会的邀请，参加一场辩论时，才刚到蒙特利尔几个月时间。那是1900年，辩题为“比原子还小的实体的存在”。卢瑟福热切参会，并给他之前的导师汤姆孙写信，表示希望驳倒他的对手——弗雷德里克·索迪
，一位比他小6岁、牛津大学培养的化学家。索迪一直对物理与化学的交叉领域感兴趣，但他将会发现，卢瑟福是一位撼动化学基本原理的物理学家。
这场辩论将引发科学上最令人震惊的系列实验之一，使得不只科学家，还有艺术家、哲学家、历史学家彻底重新思考关于身边世界的假设。
索迪首先发言。他很高大，表情严肃，金发碧眼。他出生在英国南部，是七个孩子里最小的，上学时他克服了口吃，把之前的儿童房变成了一间可以做实验的化学实验室，偶尔会差点让整个房子起火。他有两条坚决持有的价值观：求真与致美。 [1]
索迪是来为原子辩护的。他的观点是：汤姆孙和其他人发现的电子，肯定不同于他和其他化学家所知的“物质”。他说：“化学家保有一种信念与崇敬，认为原子是具体的永恒的实体，就算不是永恒不变的，也肯定不是可以转化的。”他向卢瑟福提出挑战：“也许卢瑟福教授可以让我们相信，他所知的物质与我们所知的是同样的物质。”
卢瑟福接着为他的观点辩护。在卢瑟福看来，电子就是普通物质的一部分。他描述了汤姆孙以及之前科学家的工作，比如德国的海因里希·赫兹和菲利普·勒纳
，法国的让·佩兰
，英格兰的威廉·克鲁克斯
。他回顾了汤姆孙发现电子的实验，并解释说，既然电子来源于物质，也就必然是组成原子的一部分。卢瑟福把新的实验结果解释得非常好，使得麦吉尔大学的学生和教职工都相信，关于原子是物质最小的不可变的组成部分这一观念，应该转变了。即便卢瑟福赢得了辩论，关于物质的内部图景仍然留有很多问题。化学家和物理学家的意见仍存在分歧。
卢瑟福——朋友叫他埃尔恩，是一位物理学家，但与你通常想象的那种物理学家很内向的刻板印象相比，他却截然不同。他又高又壮，说话声音很大，大到会打扰到实验室里敏感的科学仪器。他的学生很懊恼，最后制作了一个精心设计的发光标识，挂在仪器上方，写着“请轻声说话”。据科学作家理查德·P.布伦南描述，卢瑟福有一条“深信不疑的信念，认为咒骂仪器会让它更好地工作，鉴于他的成果，也许他是对的”。 [2]
卢瑟福来到麦吉尔大学，作为物理学教授，他看起来有点太年轻了，由于前导师汤姆孙的强烈推荐，他的职业生涯就像进入了快速通道。就在几年前，卢瑟福从故乡新西兰来到英格兰，赶上了辐射领域的新发现浪潮，这个睿智的年轻人带着热情投入其中，证明了自己，很快脱颖而出，成为剑桥大学的明星校友，展现了自己研究的独立性，而他的导师正忙于他事（不过，公平地说，他的导师当时正忙于发现电子）。
1896年，放射性的发现有些偶然，当时法国物理学家亨利·贝克勒尔
正在研究铀晶体的发光效应。1898年，玛丽·居里发现了钍元素发出的射线，她的丈夫也加入她的研究，他们宣布发现了钋
与镭元素，并在这重要的一年命名了“放射性”。在剑桥的研究生学习期间，卢瑟福就加入这个行列，证明至少有两种不同类型的射线：可以被一张纸挡住的α射线和可以被一块木头挡住的β射线。
[3]
α、β，以及几年后的γ射线，用了希腊字母表的前三个字母来命名。人们最初并不了解它们的本质，没过多久，1899年贝克勒尔就确认β射线是电子。1907年，卢瑟福指出α射线由失去两个电子的氦原子组成——使其具有两个单位正电荷。不过当时并不清楚γ射线由与X射线类似的高能光构成。卢瑟福关于放射现象的发现当然引起了汤姆孙的注意。
有了麦吉尔大学的新教授职位，以及自己的第一个研究小组和自己的实验室，卢瑟福想要更深入地探究放射现象。和剑桥相比，加拿大提供了相当不同的氛围，其中一点似乎是把他从老派英国大学的社交约束中解放出来，他可以做他想做的了。他把目光放得很高：想要了解原子的结构。
1900年早些时候的辩论之后，索迪和卢瑟福彼此间产生了真正的兴趣与合作，他们对理解对方的工作有了更强烈的好奇心。索迪对了解更多关于射线的内容很感兴趣，他参加了卢瑟福讲授的一门高阶课程，学习X射线、铀和钍的射线，以及怎样使用静电计的实际操作。作为化学家，他印象最深的是静电计，根据钍的辐射量可以探测出其极微小的质量。与化学使用的简单称重相比，这个办法灵敏得多。事实上，电学方法能够探测的物质的量，是最好的分析天平能够探测的物质的量的10 12 （1万亿）分之一。
在此期间，卢瑟福招收了自己的第一位研究生：名叫哈丽雅特·布鲁克斯的女生。即便玛丽·居里的成功可能带来了一些影响，但那时女研究生仍然非常少见。布鲁克斯在家里九个孩子中排行第三，来自西部安大略省的一个小镇。她的父亲是一位做面粉生意的旅行商人，经常没有足够食物满足孩子们的需求。遗憾的是，对于她如何发现对物理学的热爱，以及她的性格和风度，我们不得而知：这些事情没有记录下来。 [4] 看起来比较明确的是，她意识到更高等的教育会带给她什么：逃离家乡与变得独立的能力。在麦吉尔大学学习四年后，她取得了优异成绩，获得数学和德语的很多奖学金，缓解了家里供她读书的负担。她是一位满怀雄心壮志的学生，卢瑟福本人对女性做研究也没有任何疑虑，因此邀请她一起工作是十分自然的事。
布鲁克斯与卢瑟福一起研究了钍元素，发现它会发射一种神秘的“放射物”，一种他们从未见过的气体。这点太奇特了，但他们还发现，放射物似乎会使附近物体具有放射性。也就是说，当放射物与一个物体接触时，它似乎会影响到物体，使它自发地发出α、β或γ射线，与镭和钋这样的天然放射性物质一样。
1902年，布鲁克斯凭借与卢瑟福合作所完成的博士工作赢得了奖学金，并用它从加拿大旅行到英格兰，与汤姆孙一起工作，她成了第一位在卡文迪什实验室做研究的女性。基于她的研究成果，卢瑟福开始觉得，擅长化学技巧的人可以帮助他理解出现的情况，于是邀请索迪与他合作，索迪立即放弃了先前的研究工作，欣然接受。 [5]
索迪使用化学方法继续完成布鲁克斯的工作，尝试搞清楚钍的放射物是否会与不同的化学药剂发生反应，但徒劳无功。他发现实验的温度没有影响，用二氧化碳取代空气做实验也没有影响。放射物看起来似乎是某种惰性气体，并确认不是钍，而是由钍通过某种方式创造的。
终于，一切豁然开朗。钍正变成气体，钍原子自发地转变了形式。并不像炼金术师的梦想那样，把铅转化为黄金，而是原子在改变。索迪“站在那里，呆住了，被这件意义非凡的事震惊了”，惊叫道：“卢瑟福，这就是嬗变！”
现在我们知道，卢瑟福和索迪观察到的是放射性元素的衰变，通过发射α和β粒子转变为其他元素，最终形成稳定的物质。自然界一直在免费施展炼金术。几年以前索迪还坚持认为化学原子是不能改变的，现在却发现了彻底颠覆世界观的证据。
他们接着发现，放射性衰变遵循 指数律 。经过一段被称为“半衰期”的时间，一堆放射性物质中的一半原子会变成另一种原子。如果一开始有一百个氧-15原子（氧的一个放射性类型，原子质量是氢原子的15倍），两分钟后就只剩下50个原子，另外50个转变为氮-15原子。再过两分钟，只有25个原子（50÷2）。再过两分钟就剩下12.5个原子，等等。（严格来说，无法得到半个原子，但是两分钟的“半衰期”时间保持不变。）物质不再像以往那样稳定而不可改变。
以20世纪早期的标准，卢瑟福和索迪的观点十分激进，因此科学共同体有各种反应。在伦敦，作为英国物理学界最年长的人物，开尔文勋爵（威廉·汤姆孙）
完全拒绝相信原子的衰变。坚信物质不灭的化学家，也竭力反对这项工作的意义。在麦吉尔，卢瑟福的古怪和他的放射性理论也开始困扰到其他教授，其他教师认为，他关于物质的非正统观念可能会给大学带来不好的名声：与他和索迪辩论的物理学会成员对此提出了强烈批评，建议他延期宣布，应该更谨慎些。
[6]
他的教授同事们一度把他拉去参会，直言不讳告诉他要把事情放缓。卢瑟福气冲冲地走出房间，无法掩饰自己的怒气。
他肯定不会一直听命于此。1904年，在校园里遛弯时，他偶遇了地质学教授弗兰克·道森·亚当斯，开门见山问道地球的年龄应该是多少。亚当斯说，根据当时的各种估算方法，猜测有一百万年。卢瑟福把手伸进口袋，拿出一个黑色石块，说道：“亚当斯，毫无疑问，我知道我手中的这块沥青铀矿有七百万年历史。”然后就离开了。
卢瑟福意识到，可以用自然界中持续衰变的放射性物质估测地球的年龄。石块含有少量他和索迪正在研究的放射性原子。如果知道一种原子衰变为另一种原子的比率，他就可以算出与“子代”粒子相比，有多少未衰变的原子，从而计算出物体已经存在了多久。卢瑟福想出了“放射性定年法”的主意。他之前的估测基于铀-238，其中238指的是原子质量数。具有不同质量数的元素被称为“同位素”，虽然它们是相同的化学元素，但可以有不同的放射性质（1913年索迪发现了同位素，并发明了这个术语）。通过实验室对半衰期的粗略估测，卢瑟福比较了沥青铀矿样品中铀和铅的数量，发现地球的年龄比预想中要大得多。
向地质学教授炫耀是一回事，但他还需要说服物理学家和化学家，他关于原子转化的想法是正确的。卢瑟福去了英格兰，1904年5月20日在皇家学会发表了演讲，展示了有关放射性的发现。在观众中，他发现了开尔文勋爵。开尔文一直在与原子衰变的观念做斗争，卢瑟福清楚，他演讲的最后一部分要谈到地球的年龄，这部分会十分困难。有关地球的年龄问题，开尔文被视为权威人物，他根据地球的冷却速率做出过计算。
卢瑟福回忆说：“让我感到庆幸的是，开尔文很快睡着了，但当我谈到关键点时，我看到这个老油条坐起来，睁开眼睛，凶狠地瞪了我一眼！我突然来了灵感，我说，开尔文勋爵限定了地球的年龄，前提条件是没有发现新的（能量）来源。这一预言涉及的，正是我们今晚正在讨论的，镭！看吧！老男孩对我笑容满面。”
其他实验室也得到了证据，确认了许多元素不稳定且具有半衰期这一想法。在英国科学促进协会的一次会议上，开尔文勋爵公开放弃了先前反对放射性的观点，结果不得不向另一位物理学家瑞利勋爵支付了赌注。共同体的其他人也逐渐认可，确实像卢瑟福和索迪猜测的那样，出现放射现象。
卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖，他评论说，在实验室里他见证了很多变化，但都没有从物理学家突然变成化学家那样快。由于卢瑟福的提名，索迪凭借对放射化学的贡献获得了1921年诺贝尔奖。谈到哈丽雅特·布鲁克斯，当索迪和卢瑟福1902年发现嬗变时，她正在剑桥，但汤姆孙过于专注自己的事，没有注意到她的工作。1903年她回到加拿大，继续对放射现象做出了出色研究，一直到1905年，她订婚了，而任教的大学告诉她，如果结婚就不得不离职。
她解除了婚约，继续工作。1907年，在巴黎见到居里夫人并与其工作后，布鲁克斯面临艰难的抉择。另一位加拿大教授，她之前的实验室助教，开始用浪漫的方式写信给她。她已经31岁，结婚生子的社会压力很大。卢瑟福那时在曼彻斯特，尝试聘用她，竭尽所能确保她可以经济独立。在推荐信里他作证说，她是在放射性领域仅次于居里夫人的最杰出的女物理学家。最终，布鲁克斯选择接受求婚，搬回加拿大，生了三个孩子。她的物理生涯结束了。直到20世纪80年代，她的工作才得到认可，被视为卢瑟福和索迪关于元素衰变和转化发现不可或缺的一部分。
[7]
对绝大多数人而言，诺贝尔奖就是他们职业生涯的巅峰，但对卢瑟福来说，这仅仅是第一步。他仍然没有回答最初的问题：原子的结构是怎样的？想象力的飞跃，以及用简单但有效的实验来实现，这项能力让他颇具盛名。1907年他返回英国，掌管曼彻斯特大学物理系。接下来他的发现，需要物理学家和化学家做出思维上更大的跳跃，基于物理学里最简单但最著名的研究之一：金箔实验。
尽管卢瑟福已经实现了很多进展，但他在1908年搭建的实验仍然十分简陋。对于他的方法，他自己的描述最为贴切：“我们没有钱，所以不得不思考。”卢瑟福研究小组的学生和同事因为使用像锡罐、烟盒、封蜡这样的东西而十分出名，当然还需要很多艰苦工作。使用如此简单但聪明的办法来找到检验自然的方式，其中大有乐趣。他的学生，澳大利亚物理学家马克·奥利芬特后来写道：“他满是想法，但一般也仅仅是想法。他喜欢用语言描述发生的情况。” [8] 他对原子的看法也是如此。
20世纪初，卢瑟福把他的原子观念描述为“一个和蔼的硬汉，根据个人口味，颜色有红色或灰色”。微小的原子构成了我们的食物、身体以及星球，我们很容易把原子想象成小台球，通常学校里教的就是这幅图景。
1908年，即便距离汤姆孙发现电子已经过去了十年，物理学家仍然不清楚原子的内部结构究竟如何。但卢瑟福已经开始有了一丝头绪，认为原子的构成与放射现象密切相关。
汤姆孙和其他许多物理学家认为，原子是一个带正电的球体，带负电的电子嵌入其中——这被称为“葡萄干布丁模型”。还有其他几种观点，比如日本物理学家长冈半太郎
提出的“土星”模型，认为“中心是有引力的物质，被一圈圈旋转的电子环绕”。但没有任何证据表明这种模型有任何准确性。
[9]
卢瑟福非常尊重汤姆孙，但他开始怀疑前导师了。
卢瑟福的领域在拓展，职责也变多了，现在他在曼彻斯特大学监管着一整个院系，就在一个令人印象深刻的红砖建筑里，里面有专门打造的实验室和办公室，卢瑟福给自己留出了一间，作为私人实验室。和很多其他实验室一样，这里有厚木地板，墙面贴着瓷砖：地面附近是浅黄色的瓷砖，桌子高度是深红色的条纹，淡黄色的瓷砖一直延伸到天花板。可能感觉有些朴素，但绝对是特别务实的风格。卢瑟福可以在这儿认真工作，研究原子的内部结构问题。更确切地说，他的同事和学生可以。
作为实验室主任，卢瑟福实在太忙了，就算他想，但是大部分实验他也没时间亲自动手操作。他的工作是召集一个团队，让大家朝着实验室的目标一起工作，而他顺道过来巡视下，看看实验结果，提些建议，给大家鼓鼓劲。在实验室巡视时，卢瑟福遇到了欧内斯特·“欧内”·马斯登，一名20岁、来自兰开夏郡、充满能量和热情的本科生。与稍微有点矮的马斯登相比，卢瑟福要高不少，当然和其他人相比卢瑟福也更高一些。马斯登是棉纺织工人的儿子，成长过程中非常喜欢音乐、文学和科学，在高中老师的影响下选择了学习物理。他的笑声很具有感染力，据同事说，他经常是大家的开心果。 [10] 马斯登正需要本科论文的研究课题，卢瑟福给出了一个想法。
之前在加拿大，卢瑟福就已经观察到，让α粒子通过金属薄片时，它们会在照相底片上形成一幅很模糊的图像。如果拿走金属片，照相底片上的图像就清晰了。α粒子似乎被散射了，也许是被金属中的原子偏折了，但他不清楚原因。这个效应非常微小，绝大部分人很可能会忽略掉。卢瑟福鼓励马斯登做实验，更细致地检验这个效应。
为了指导马斯登，卢瑟福让他在汉斯·盖革的监督下工作。盖革是一位出生在德国的物理学家，比卢瑟福小6岁，出生于莱茵兰巴拉丁的诺伊施塔特，一个非常美丽的葡萄酒产区。他对自然界十分着迷，以做实验为乐趣并感到自豪。他已完成博士学位，在卢瑟福到曼彻斯特的时候来到了这里。后来，他因发明以他名字命名的盖革计数器而闻名于世。卢瑟福把自己的实验室提供给两位年轻人做实验。
卢瑟福的团队成员已经研究了电子通过金属时的散射情况，他们发现电子会经历一系列与金属原子的碰撞，一些电子会在前进的方向上反弹回来。现在的问题是，在相似的实验中α粒子会有怎样的反应。α粒子（或是我们现在所知的氦原子核）大概是电子质量的7000倍，这样重的粒子意味着它在行进过程中需要受到非常大的力才会改变路径。凭直觉来看，它们应该沿直线通过金属薄片。然而事实却是，卢瑟福让α粒子穿过金属片时，观察到α粒子形成了模糊的图像，这点十分有趣。现在问题就明确了：如果将α粒子一个一个向金属发射，金属的厚度将怎样影响它们散射和偏折的路径？
对马斯登而言，帮忙设置实验是一项很棒的训练，这个实验在卢瑟福实验室里相当有代表性。这种实验需要一小时一小时盯着显微镜屏幕，数着α粒子微弱的闪光。这需要时间与精力，盖革和马斯登开始了工作。
实验要依靠各种真空管，但需要的并不是产生电子的阴极射线管，因为他们要用的是α粒子。他们在玻璃管一端放了一个由镭构成的α粒子强放射源，然后把另一端用一片云母封住，α粒子可以穿过这个薄片材料。他们让玻璃管和厚金属片成45度角，在45度角反射方向上放置一个硫化锌探测屏，如果α粒子击中它就会发出闪光。在α放射管和探测器之间放置了铅块，防止走丢的α粒子直接打到探测器，影响实验结果。装置这样设计的目的是只有被金属反射的α粒子才能被记录下来。盖革和马斯登找到合适的位置，观察屏幕上的闪光。
首先，他们观察了α粒子击中厚金属片表面时的情况。和电子一样，少量α粒子被反射了。对于厚金属片，α粒子表现得很像电子。在金属内部，他们预期每个原子造成的α粒子的偏折会很小。厚金属片包含很多层原子，即使α粒子比电子重7000倍，结果仍然证实了他们的预测，甚至这些很重的发射物有时也会在足够的碰撞后反弹回来。金属的类型会有影响吗？似乎有。比起更轻的铝元素，像金这样由较重元素构成的金属会反射更多α粒子。
下一步，盖革和马斯登要检验金属的厚度是否有影响。他们推理说，如果让金箔足够薄，α粒子就会全都沿直线运动，但有可能偏折一点，就像卢瑟福已经观察到的那样。他们选择用金来做这部分实验，因为把金做得很薄比较容易。他们逐渐改变金箔的厚度，检验在屏幕上能观测到多少“闪光”。金箔厚度减小时，α粒子似乎像预期那样开始沿直线穿过。但之后他们注意到了奇特的现象：不管把金箔做得多薄，硫化锌屏幕上仍然不时出现闪光。平均大概8000个α粒子中有一个会被金箔弹回，击中屏幕。这可不是轻推一下，让α粒子稍微改变方向；这个影响非常大，使α粒子完全发生了偏折，被送到屏幕上，就好像被金箔反射了一样。但这怎么可能呢？据他们所知，金原子内部没有任何东西可以产生这样的影响，这似乎违反了所有已知的物理定律。较重的α粒子怎么可能被微小的电子或原子里弥散的正电荷偏折呢？
盖革和马斯登把这个消息告诉了卢瑟福，卢瑟福后来这样描述道：“这是我生命中发生的最不可思议的事，不可思议的程度，就像你朝一张很薄的纸发射一枚15英寸
的炮弹，它居然返回来，又击中了你。”得知实验结果后，卢瑟福不得不思考每一种符合数据的合理解释，然后又一一排除。如果葡萄干布丁模型是正确的，α粒子的偏折就会非常小，但这与盖革和马斯登的观测结果并不相符。他们必须弄清α粒子是怎样被弹回的，而这需要金原子里存在非常大的力。可以考虑的选择有几种：有可能是实验出现了错误；有可能是α粒子被原子吸收又发射出来；或者还有一种可能，原子所有的正电荷都被压缩在内部的中心区域。
这个实验在1907年至1908年进行，1909年公布，但对原子而言这个实验究竟意味着什么，卢瑟福的理论要等到1911年才成熟。在此期间，卢瑟福暂时离开去进行计算工作，还利用这段时间报名参加了一个数学课程，来确保他的计算准确无误。他不断发现与数据相符的解释只有一种：原子一定是由极小而致密的原子核和绝大部分真空组成的。
卢瑟福如果想要推翻公认的原子模型，就必须证明新模型是正确的。随后几年，在盖革发明的测量计数器的协助下，马斯登和盖革进行了另外几个系列的实验，才终于理清了其中的头绪。在此之后卢瑟福才把他的新理论公之于众。原子并不是一个点缀着负电子的葡萄干布丁：其中心部分是一个极小的带正电的原子核，密度大到可以在α粒子靠近时使其偏折。电子也是原子的一部分，但它们在很远处环绕原子核运动。如果原子有教堂那么大，电子在墙的位置，那么原子核则有苍蝇那么大，二者之间空无一物。
盖革和马斯登的实验彻底改变了人们关于原子的观点，进而改变了对宇宙的看法。原子根本不是几千年来人们所认为的坚固实体，而是绝大部分均为真空。这一实验结果让人惊讶的程度难以预估，正如亚瑟·爱丁顿
在1928年写道：
当我们把如今所推断的宇宙与平常预想的宇宙进行对比时，最醒目的变化并非爱因斯坦对时间与空间的重构，而是我们所认为的最坚实的物质消融为漂浮于真空中的小颗粒。对那些认为事物大致如其所见的人而言，这给了他们当头一棒。与天文学揭示的星际的无垠真空相比，现代物理学所揭示的原子内部的真空要更加令人不安。 [11]
理解原子的内部结构看起来也许只是个有趣的细节，然而这项发现和理解放射性衰变与嬗变的机制却在数十年间左右了科学、技术，甚至政治。原子由极小、致密、带正电的原子核与周围环绕的带负电的电子组成，这一事实产生了整个“核物理学”领域。
如此简单的实验居然有可能得到海量知识，这使卢瑟福非常兴奋。化学家C. P.斯诺
（他也是卢瑟福在剑桥的合作者之一，后来成了知名作家）回忆说，有一次在英国科学促进会的会议上，卢瑟福突然激动起来，大喊道：“我们生活在科学的伟大时代！”而房间里的其他人目瞪口呆，坐着一言不发。
他的热情理所当然：他看到了理解原子核与放射现象原理的潜力所在。如今，很多人将“原子核”与“放射性”一词，以及这些发现几十年后出现的核能与核武器联系在一起，我们对原子核的探索以及放射现象的隐秘本质所释放的威力，有时会引起恐惧。然而如果不存在放射现象，如果所有元素都是稳定的，如果原子核不是如此复杂，我们、我们的星球和星球上的一切就全都不会存在于此。放射现象的出现正是因为原子有结构，这一结构的发现带领我们对物质的本质有了更加深刻、更为根本的理解，我们已为此追寻了上千年。
放射现象是一个自然过程，体现了这样一种观念：我们生命中的一切，甚至物质自身，都处于一种不断演进的变化状态。这种变化在某些情况下极其缓慢，所以我们说有些原子“很稳定”，意思是我们还没见过它们发生衰变，因为它们的半衰期要远远长于宇宙的年龄。但其他原子很明显是不稳定的，它们的半衰期长则几十亿年，短则几天或几分钟，由于这个原因，它们才显得更加有趣，也通常更为有用——于我们而言。
这些放射性元素存在于天然的岩石、空气中，几乎任何地方都能找到。厨房操作台的花岗岩就可能含有铀、钍以及它们的放射性产物。有些元素，比如钾（化学符号为K），同时具有稳定和不稳定同位素，在原子质量上有区别，因为它们的原子核具有不同数量的中子，比质子的数量多或少都有可能。同种元素的同位素可以具有不同的放射性质。比如，绝大部分钾是稳定的K-39，而0.0012%是多一个中子的K-40，发射的绝大部分是β射线（电子），半衰期为十三亿年。这意味着从理论上讲，即便是香蕉也具有放射性，然而辐射的剂量微不足道，你得一口气吃掉五百万根香蕉才能感受到其副作用。我们的身体也不可避免地含有这些同位素，我们都具有放射性。
如今很多技术都依靠天然放射性元素，比如烟雾报警器（其中有镅作为α粒子放射源，产生微弱的电流，一旦烟雾使α粒子散开，就会触发报警器），还有下放到深孔中用来探测周边岩石成分的放射源，这项技术被称为“钻孔测井”，会激发岩石中元素的γ射线，让使用者用最少的挖掘就可以评估地下深处是否埋藏着重要的矿物、石油、天然气或其他有价值的东西。其他放射源在癌症治疗上已应用多年，也应用于给邮件灭菌，尤其2001年有人试图通过邮件传播炭疽病毒，此后美国政府就采用放射线来给邮件灭菌。
天然放射现象在社会其他领域的应用已经成为我们世界的重要组成部分，我们很容易忘记的是，在卢瑟福、索迪、布鲁克斯、盖革、马斯登的发现之前，它是不存在的。只需看一看卢瑟福的老实验室不远处的博物馆——曼彻斯特博物馆，就足以为证。这里并没有任何陈旧的物理仪器，而是有很多化石（包括名为“斯坦”的巨大霸王龙骨架）。还有个巨大的上石炭纪林木根系的复制品，标牌上显示其年龄在2亿9000万—3亿2300万年。还有一条蛇颈龙，是一群大学生在北约克郡找到的，巨大的玻璃橱窗底部摆放着它1亿8000万年的骨骼化石。我们很容易认为测定化石、岩石、古代文物绝对年龄的技术一直就有，但卢瑟福与地质学教授亚当斯的交流提醒我们，事实并非如此。几乎任何未被记录的历史文物，我们都能够客观地知道其年代，主要原因在于我们拥有关于放射现象的知识。
卢瑟福发现原子核后，物理学家又花了些时间才把核物理学理解透彻，才得以了解不同原子半衰期不同的原因。与此同时，人们发现了自然界许多具有不同半衰期的不稳定原子，带给我们多种工具与技术，可以测定年代的不局限于化石，而是几乎任何东西。要列出用放射性定年法测定的所有已知的东西肯定不可能，但我们可以讨论以下几个。
我们知道都灵裹尸布是中世纪的伪造品， [12] 我们可以确定死海古卷的年代。我们知道智人从非洲迁移出来并非一蹴而就，而是经历了多个时期。 [13] 我们知道他们如何传遍全球，是因为我们可以确定人类遗迹的年代，比如在俄勒冈州一个洞穴中发现的距今14300年的遗址。 [14] 考古学中，我们不仅可以确定物品在当地的时期，还可以比较不同国家甚至不同大陆的时期，从而构建出世界的史前史。我们可以通过冰芯确定冰块的年代，最远可追溯到150万年前， [15] 从而理解古代气候。也正是由于放射性定年法，我们才知道恐龙在地球上漫步的时间，以及6500万年前疑似恐龙灭绝的小行星的年代。 [16] 继续回溯，我们可以识别出可能为最早动物的化石证据：在南澳大利亚特雷佐纳岩层中发现的距今6亿6500万年的一种早期海绵。 [17]
这一知识构成了我们生活与物种的历史文化中丰富的一部分。我们能够把所有这些故事整合在一起，不只因为我们可以将岩层与骨架相互比较，还因为原子可以自发衰变为其他原子：因为卢瑟福，因为他的团队，以及在他之后发展与改进这些方法的其他科学家。在当时看来，寻求理解自然界最小的物体也许是物理学一个复杂难懂的部分，但它构成了我们理解文化、艺术、地质学，以及我们在世界史中位置的基础。
又是几个人做的非常简单的实验，带来了开创性的新知识：在物质的中心位置存在一个极小的原子核。这一发现也提出了很多问题，未来继续解决这些问题十分重要。原子核是怎样聚合在一起的？电子在原子中处于怎样的状态？这些问题的最初答案来自量子力学初期，源于设计研究光的本质以及与物质相互作用的实验。随后，物理学将会发展为越来越复杂的领域，卢瑟福喜欢的那种简洁实验无法再揭示原子的奥秘。即便是自然界中发现的放射性物质，也不再足够有效或足够灵活，最终变成了限制，而非发现的手段。技术与理论将会与实验携手并肩，一起向前。在自然界一些看似不相干的方面，物理学家将开始在它们之间构建惊人的联结。现在，我们的故事要来到这些惊奇中的第一个，光与物质的相互作用，使物理学家在最基本层面上采用一种惊人的全新方式看待我们的世界。
[1] Muriel Howorth，Pioneer Research on the Atom： The Life Story of Frederick Soddy，New World Publications，London，1958.
[2] Richard P. Brennan， Heisenberg Probably Slept Here ： The Lives ， Times and Ideas of the Great Physicists of the 20th Century ，J.Wiley，Hoboken NJ，1997.
[3] Ernest Rutherford，‘Uranium radiation and the electrical conduction produced by it’， Philosophical Magazine ，vol. 57，1899，pp.109-163.
[4] M.F.Rayner-Canham and G.W.Rayner-Canham， Harriet Brooks ： Pioneer Nuclear Scientist ， McGill-Queen’s University Press ，Montreal，1992.
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[10] C.A.Fleming，‘Ernest Marsden 1889-1970’， Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society ，vol. 17，1971，pp. 462-496.
[11] Arthur Eddington， The Nature of the Physical World ，Macmillan，London，1928.
[12] P.E.Damon et al.，‘Radiocarbon dating the Shroud of Turin’， Nature ，vol. 337，1989，pp. 611-615. https：//doi.org/10.1038/337611a0.
[13] C.J.Bae，K. Doouka and M. D. Petraglia，‘On the origin of modern humans：Asian perspectives’， Science ，vol. 358 6368，2017. 10.1126/science.aai9067.
[14] Sarah Zielinski，‘Showing their age：Dating the fossils and artifacts that mark the great human migration’， Smithsonian Magazine ，July 2008. Available online at https：//www.smithsonianmag.com/hist ory/showing-their-age-62874/. Accessed 29 March 2021.
[15] C.Buizert et al.，‘Radiometric 81Kr dating identifies 120,000-year old ice at Taylor Glacier，Antarctica’， Proceedings of the National Academy of Sciences ，vol. 111，2014，pp. 6，876-881. https：//doi.org/10.1073/pnas.1320329111.
[16] 小行星假说最初由物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨（见第八章）和他的儿子提出。从那时起就有一场争论，认为那只是火山作用，而非小行星。但在2020年，对这些猜测的建模重新确认了小行星模型是最有可能的，详见Chiarenza et al.，‘Asteroid impact and not volcanism caused the end-Cretaceous dinosaur extinction event， Proceedings of the National Academy of Sciences ，vol. 117，2020，pp. 17，84-93. https：//doi.org/10.1073/pnas.2006087117。
[17] Adam C. Maloof et al.，‘Possible animal-body fossils in pre-Marinoan limestones from South Australia’， Nature Geoscience ，3，2010，pp.653-659.https：//doi.org/10.1038%2Fngeo 934.