第一章
阴极射线管：X射线与电子

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. VMz2/y6Lv5OupynvFf17U7EZmhlwwm1Pu7JqegOKJK7kRPxNN9Mq7AYZ3gYZr73A