循諾貝爾獎的足跡反溯人類對原子的探索

前言

從古迄今，人類對於自然未知世界的探 索，由直覺的感官觀察開始，到有系統的科 學研究活動，絲毫未曾間斷過。在好奇心的 驅使下，人們已經嘗試解開了許多對於自然 世界的 " 謎 "；在儀器的不斷進步下，人類屢 次突破生理上的極限，向極端浩瀚與渺小的 未知國度前進。於是，科學的發展與知識的 成 長 也 在 這 一 連 串 的 探 索 的 歷 程 中 逐 漸 形 成。 諾貝爾獎（Nobel Prize）－由因為發明炸 藥而成為鉅富的瑞典化學家阿爾弗列特．諾 貝爾（Alfred B. Nobel, 1833-1896）死後， 家屬依其遺囑所創立的獎－在科學的研究領 域中，它可以說是科學社群對於一個科學研 究活動的認同與肯定；對鎮日鑽研於研究中 的物理學家而言，獲頒諾貝爾獎應該是研究 生涯中的最大殊榮。故筆者認為：若是我們 循著諾貝爾獎得獎者的研究足跡，應該可以 尋覓出某些特定領域中，相關之科學的發展 與知識成長的脈絡。 從歷史的史實觀點切入，進而分析科學 發展歷程的研究中，孔恩（Thomas S. Kuhn, 1 9 2 2 - 1 9 9 6 ），可說是相當具有代表性的人 物。雖然他的經典之作－《科學革命的結構》

循諾貝爾獎的足跡反溯人類對原子的探索

－兼論 Kuhn 之科學革命觀

羅豪章

國立高雄師範大學　科學教育研究所

－在公開後，遭致許多批評與質疑的聲音， 但是其異於維也納學圈的科學哲學觀點，著 實為二十世紀上半個世紀的科學史哲研究， 帶來了極大的衝擊與創新。為了捍衛自己的 理 論 ， 並 且 為 該 書 中 所 遭 受 的 困 境 尋 求 解 套，孔恩在後續的研究與科學哲學家們的互 動中，不斷地修改想法和論點的過程，是可 以被理解的。本文在介紹原子理論發展的同 時，也希望嘗試能否在人類對原子探索的歷 史洪流中，找到孔恩透過科學史與科學哲學 相互結合的分析模式中，所獲得寶貴理論的 影子呢？

壹、二十世紀前的原子觀

原子（a t o m ）一詞起源於希臘文中的 atomos ，是「不可分割者」的意思。人類對 於物質的原子觀，應該可以溯源自十八世紀 前德默克利圖（Democritus）與魯克雷修斯 （Lucretius）所產生的原子概念開始，一直到 了道爾吞（John Dalton, 1766-1844）提出了 原子（Atomicity）的觀念後，人們開始對原 子有了初步的認識。道爾吞於 1808 年所提出 的「原子論」認為元素由微小、不可分割、不 可 毀 滅 的 粒 子 所 組 成 ， 此 微 小 粒 子 即 為 原 子；同一種元素的每一原子重量相同，而不 同元素的重量總是不同；原子和原子組成化

合物中的「複合原子」- 即分子，其組合比數 通常是固定的；不同元素的原子能以一種以 上比數組合；如果兩種元素只能組成一種已 知化合物，則此化合物一定各含有此二元素 之一個原子，這些便是當時所謂的「簡易通 則」。 於是，十九世紀的原子科學便以上述道 爾吞的原子論觀點為理論基礎，發展了原子 量、分子量、原子序、元素週期表…的相關 研究成果，也為物理與化學的基礎理論奠下 重要的根基。

貳、諾貝爾獎榮耀的第一頁－ 1901~

1905 年

十九世紀物理學領域自從法拉第於 1836 年發現稀薄氣體的放電過程中，會伴隨著彩 色的輝光開始，科學家便進行著有關真空放 電及陰極射線的實驗，這股對於陰極射線的 本質探索持續至十九世紀的 90 年代初期，產 生了兩大學說-以太振動說及粒子說。當時位 居德國維爾茲坦堡大學校長的倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen, 1845-1923），對於陰極射線 的研究自然不遺餘力， 1895 年他意外地在實 驗室中進行陰極射線實驗時，觀察到具有強 穿透力的不知名放射線，由於當時對此放射 線的性質無所知悉，故稱其為「x 射線」。這 個重要的發現也為倫琴在諾貝爾獎始創便拔 得頭籌，揭開諾貝爾物理學獎的序幕，成為 第一位的諾貝爾物理學獎得主（1901）。同 時， x 射線的發現揭開後續許多有關原子探 索的新契機。 由於倫琴的發現，觸發了法國物理學家 貝克勒爾（H. Becquerel）對 x 射線的研究， 致使他從鈾鹽中發現了放射線，隨後居里夫 婦（P. Curie & M. Curie），也為此而發現放 射線元素鐳。在 1903 年，貝克勒爾和居里夫 婦一同獲頒諾貝爾獎的殊榮。 1905 年的諾貝 爾 物 理 學 獎 則 落 在 德 籍 科 學 家 雷 納 德 （Philipp E. A. Lenard, 1862-1947）的手上， 他也是致力於陰極射線的研究， 1892 以自製 的裝置 " 雷納德窗口 " 從事相關研究，並證實 陰極射線是由帶負電的粒子所組成。不過， 在此要特別強調的是：科學發展至此，人們 尚不知帶負電的粒子（即現今的電子）為何 物，其實早在十九世紀中期，一些科學家便 對這種帶有負電的荷電質點產生想法，甚至 荷蘭科學家洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928）也在 1892 年在其經典金屬電子論 的偉大著作「電子學說」中，明白指出光是原 子中的電子運動所造成的，並且利用他的電 子論在 1896 年解釋了塞曼效應，因而兩人共 登 1902 年的諾貝爾物理學獎寶座。 話說這一波十九世紀末、二十世紀初的 研究，倫琴與貝克勒爾的經驗是值得我們特 別注意的，因為從文獻記載中，他們的研究 是源自於 " 意外發現 " 的，也就是他們是在進 行一項實驗的過程中，卻意外地觀察到非預 料的現象，而觸發其研究的新動機。在科學 實驗中， " 意外發現 " 的意涵究竟為何？如果 實驗是檢證假設的過程，那實驗應該是去發 現 " 意料中 " 的現象，然而他們卻是在 " 意料 之外 " 的部分獲得成就與榮耀。當代美國物 理學家費曼（Richard P. Feynman, 1918-1988） 便強調科學的本質是來自於「存疑」和「不確

定性」，觀測、數據才是判斷某個想法是否 包含真理的終極大法官。所以，對於科學的 實驗而言，嚴謹細心的科學態度，以及對未 知世界探索的科學精神，遠比其表面所呈現 的科學知識來的有價值與意義。若是從這個 角度切入，我們不難發現倫琴與貝克勒爾的 成就絕非偶然，而是在科學態度和科學精神 的引領之下所得到的，這種例子在往後的數 十年原子科學探索之旅中，時有所聞。

參、原子新視野 -1906~1915 年

回頭來看， x 射線的發現對於原子的認 識有什麼貢獻呢？英國物理學家 J. J.湯木生 （J . J . T h o m s o n ）於 1 8 9 7 年在卡文迪西 （Cavendish）實驗室中，利用陰極射線管作 為工具，證實電子的存在。在其《論陰極射 線》一文中曾這樣描述道： 陰極射線的載荷子與電解的氫離子比 起來， m/e 值小的多了，這可能是 m 小，也有可能是 e 大，或兩者兼有之 。… 在上述中的載荷子， J. J.湯木生在 1899 年便採用斯坦尼（G. T. Stoney, 1826-1911） 在 1891 年對帶負電的最小粒子所提議的「電 子」一詞，這是人類所發現的第一個基本粒 子。 依據 J. J.湯木生實驗證據顯示：電子比 原子小了上千倍，電子應屬於原子的一個組 成份子。在J. J.湯木生的眼中，原子是由正電 荷所形成的膠狀體所構成，電子則只是鑲嵌 於其中宛如布丁中的葡萄乾，故人們又稱其 為「葡萄乾布丁模型」。於是原子不可分割的 概 念 隨 之 被 打 倒 ， 顛 覆 了 道 爾 吞 原 子 的 觀 點。1906年，J. J.湯木生便因研究氣體內電子 的傳導研究獲頒諾貝爾物理學獎。 然而，這種原子的模型到了 J. J.湯木生 的 學 生 拉 塞 福 （ E r n e s t R u t h e r f o r d , 1871~1937）-1908 年因證實α粒子性質即為 帶 電 的 氦 原 子 核 而 獲 頒 諾 貝 爾 化 學 獎 - 在 1909 年指導蓋革（H. Geiger）和馬斯登（E. Marsden）進行α粒子的散射實驗之後， 1911 年依據其α粒子大角度的散射實驗結果，臆 測α粒子必定是受到了極大的斥力才會產生 如此大角度的散射，故推論帶正電的粒子是 集中於原子中的某一個很小的區域，並依據 實驗預估這個區域的尺度約略為原子直徑的 萬分之一。於是，他提出了原子是一個具有 非常小的核之原子模型結構，而大部分的金 原子質量以及正電荷都集中於這個原子核， 建立類似太陽行星系的有核原子模型，駁斥 了 J. J.湯木生的原子模型。 隨後，在 1 9 1 4 年拉塞福經由實驗證實 1907 年 J. J.湯木生所發現的陽極射線事實上 就是氫的原子核，並稱其為「質子」。原子發 展史至此，人們對氫原子的認知是由具質子 的原子核以及核外的電子所組成。

肆、顛覆傳統的量子理論 -1916~1925

年

1918 年因發展量子理論的卓越貢獻，獲 頒 諾 貝 爾 物 理 學 獎 的 德 國 科 學 家 普 朗 克 （M a x K a r l E r n s t L u d w i g P l a n c k , 1 8 5 8 -1947），早在 1900 年 12 月 14 日所發表的論 文中，首度引用量子的概念以解決傳統古典 物理在解釋黑體輻射時的窘境，為二十世紀

物理學的量子理論打下基礎。隨後，美籍的 德國科學家愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）也於 1905 年，依據光電效應與古典理 論的衝突，適時引進光量子的觀點，並運用 量子的概念於固體比熱的解釋上，得到相當 成功的結論。無疑地，量子理論的出現，為 近代科學的發展歷程，解決了許多從十九世 紀以來懸而未決的問題，也為二十世紀的科 學展開全新的一頁。

丹麥的科學家 - 波爾（Niels Henrik David Bohr, 1885-1962）- 被後人譽為量子理論主要 的奠基人之一，同時也是哥本哈根學派的領 袖，他的一生可說是為原子的探索而進行的 奮鬥史。他利用劃世紀的量子理論，建立起 赫赫有名的波爾原子模型；1913 年，年僅 27 歲的他，提出一篇有關氫原子研究的論文， 開啟了現代原子物理世紀之門；1922 年，因 為他在原子結構與輻射上的卓越貢獻，獲頒 諾貝爾物理學獎；1936 年，提出了原子核的 「液滴模型」，並與惠勒（W i l l i a m M o r t o n Wheeler, 1865-1937）建立了核裂變理論。 說到波爾的原子理論，基本上是融合了 普朗克、愛因斯坦以及他的老師拉塞福三者 的想法，將量子理論的概念加入拉塞福的原 子理論模型之中，而提出了以下兩條假設： 原子中的電子在庫侖力的作用下，在某些 許可的軌道上運動 當電子在這些許可的軌道間躍遷時，就會 發出相應頻率的光波 基 於 這 兩 個 假 設 所 建 立 的 原 子 模 型 理 論，成功地解決了經典理論在拉塞福原子模 型所顯露出的原子穩定性問題，建構了一個 真 正 經 得 起 理 論 及 實 驗 雙 向 考 驗 的 原 子 模 型。 更值得我們注意的是，波爾並未就此暫 停其研究的腳步，他將原先對氫原子的研究 結合巴耳末（Johann Jakob Balmer, 1825-1898）氫光譜可見光部分所得的波長經驗公 式，以及斯塔克（Johannes Stark, 1874-1957） 對原子動力學的觀點，清晰地描述價電子在 其軌道中躍遷所產生的輻射，成功地將價電 子軌道的角動量和原子能量量子化，甚至預 測了當時尚未觀察到的紫外區和遠紅外區之 光譜的存在，這使得原子結構穩定性與原子 光譜間的關係明朗化，並且讓人們對於原子 中的價電子有了進一步的認識。

伍、原子核別有洞天 中子的發現

-1926~1935

從 J. J.湯木生的「葡萄乾布丁模型」、拉 塞福的有核原子模型一直到波爾的原子理論 模型，原子可被解構成更小成分結構的觀點 在科學實驗室中已成事實，科學家的研究方 向 很 明 顯 地 紛 紛 轉 移 至 原 子 內 部 結 構 的 探 索。然而對於原子核的瞭解仍僅止於正電荷 的集中區域，但是對於原子核中究竟有多少 電荷？與核外的電子間存在何種關係？除了 正電荷之外，原子核內是否仍存在其他的物 質 或 粒 子 ？ … 這 一 連 串 的 問 題 始 終 尚 待 解 決。 在文獻記載中最早提出原子核仍有其內 部結構的科學家為居禮夫人，即 1903 年因發 現放射線元素鐳而與貝克勒爾一同獲頒諾貝 爾物理學獎、又於 1911 年獲得諾貝爾化學獎

的瑪麗居禮（Marie Sklodowska Curie, 1867-1934）。她在 1913 年布魯塞爾國際會議中， 基於放射性物質既可放射出α射線，又可放 出β射線的事實，提出了原子核是由帶正電 的粒子與帶負電的電子所組成的想法，由於 這 種 α 、 β 衰 變 顯 然 是 僅 存 在 於 原 子 核 之 中 ， 故 得 到 了 許 多 科 學 家 的 認 同 。 隨 著 在 1914 年拉塞福證實質子的存在，科學界便興 起以「質子－電子」（p- e）模型來描繪原子 核的結構，基於原子不帶電的觀點，我們可 以預測氦原子核中有四個帶正電的質子、兩 個帶負電的電子，核外則有兩個帶負電的電 子。 然而這種「質子－電子」模型漸漸又受到 許多科學家的質疑，主要原因有二：第一個 是科學家們在考慮原子核的穩定性時，非常 懷 疑 同 樣 帶 正 電 的 質 子 聚 集 於 一 個 小 區 域 時，可觀的庫侖靜電斥力應會造成原子核內 部結構的不穩定；第二個是基於量子力學的 興起，庖立（Wolfgang Pauli, 1900-1958）－ 1955 年獲得諾貝爾物理學獎－於 1924 年提出 「核自旋」的概念，利用原子核內的粒子數可 以 預 測 原 子 總 自 旋 數 ， 並 經 由 實 驗 證 實 無 誤，但這個觀點卻造成「質子－電子」模型的 矛盾。以氮原子為例，其總自旋為 1 ，然而 依據「質子－電子」模型所述：核內應含有14 個質子以及 7 個電子，粒子總數 21 為奇數， 以庖立核自旋理論顯示其總自旋不可能為零 或整數，結果與事實相左。 上述的質疑與矛盾最後是由查兌克（Ja-mes Chadwick, 1891-1974）於 1932 年發現了 中子後得到解答。「中子」的觀點是來自於拉 塞福於 1920 年在貝克講座所提出的，當時拉 塞福認為應該存在著質量與質子相仿的不帶 電 粒 子 ， 到 了 1 9 2 1 年 美 國 化 學 家 哈 金 斯 （William Darper Harkins, 1873-1951）才正式 將這個尚未被實驗發現，僅止於想像的粒子 稱為「中子」。一直到 1930 年國物理學家博 思（Wahher Wihelm Georg Bothe, 1891-1951） 和貝克爾（H. Becker）以α粒子撞擊金屬鈹 時發現了一種穿透力強的放射線，並將其誤 判為γ射線。之後，經過了約里奧-居里夫婦 （F. Curie, 1990-1958 & Irene Joliot-Curie, 1897-1956）的實驗證實博思的判斷為 誤，並於 1932 年由查兌克發現了「中子」， 為原子核物理開啟一扇大門，並為查兌克自 己拿下 1935 年的諾貝爾物理學獎。 人類對於原子的探索活動到了這裡，才 真正對原子建構出一個較完整的藍圖，也由 於對於原子核內部的興趣，引發一連串如慢 中子、人工放射及核蛻變等重要的研究，醞 釀了日後的原子核物理，也為核能理論與應 用找到出路。同時，更因為研究技術和儀器 的 不 斷 改 良 ， 使 得 二 十 世 紀 中 期 以 後 對 於 「基本粒子」的研究持續發燒，不斷找尋到新 的基本粒子（如：π、μ、 j/ ψ、 z 、 w 、 ν 、 τ … ） 之 存 在 ， 建 立 了 許 多 相 關 的 理 論，當然也造就了許多的諾貝爾獎得主。

陸、孔恩的科學革命觀

二十世紀初，維也納學圈興起一股以嚴 謹的邏輯檢證標準檢視科學的方法，這種不 重視實際科學歷史，而致力於發展一套邏輯 與語意的分析工具，以作為規範科學家的行

為、評判科學工作真偽的做法，似乎將科學 哲學一步步地帶離了科學本身，而這股風氣 卻也引領著二十世紀英美科學哲學前半世紀 的發展。直至二十世紀中葉，沉寂已久的科 學史加入了研究行列，讓科學哲學家由歷史 的角度，重新去思考科學的進展及其興衰歷 程 。 孔 恩 ， 便 是 此 一 時 期 的 代 表 性 人 物 之 一。 孔恩嘗試以常態科學、危機、革命三部 曲詮釋科學傳統生命的過程，他認為這種三 部曲的微妙互動關係，不僅可以忠實反映出 西方科學史中許多傳統的沿革與變遷，也最 有助於科學知識的成長。基於孔恩的這個論 點，科學社群應該遵循著此一發展模式去發 展科學的事業，延續科學的生命，增長科學 的知識。那我們是否能在前述的原子物理發 展 過 程 中 ， 尋 獲 這 種 三 部 曲 發 展 模 式 的 蹤 跡？ 依據孔恩的科學發展模式，當科學處在 常 態 科 學 時 期 ， 科 學 社 群 會 在 典 範 的 規 範 下，進行著所謂解謎的科學活動，其目標在 於穩定地擴張科學知識的精度及廣度，是一 個具有高度累積性的活動。所謂的「典範」， 是一個成熟的科學社群在某一段時間內，所 共同採納之研究方法、問題領域以及標準答 案的源頭活水（Kuhn,1962）。當科學研究進 展 到 一 個 瓶 頸 的 時 候 ， 最 明 顯 的 特 徵 便 是 「異例」的出現（典範未能合理地解釋或解決 問題所造成之異常現象），進而產生了科學 危機（舊典範理論逐漸崩潰，新典範理論紛 紛出籠，形成百家爭鳴的情景），一但新的 理論若是成熟發展到足以消納舊有理論所無 法 處 理 的 問 題 時 ， 科 學 革 命 於 是 乎 發 生 了 （新的理論取代了舊有的理論，這也意味著新 的常態時期來臨了）。誠如孔恩在其《科學革 命的結構》一書所述，異例是出現於常態時 期典範未能消納的現象，危機是新理論出現 的必要先決條件，而事實則是決定一個陳述 為真（或為假）的唯一判準。 反觀二十世紀原子物理的發展過程，向 上承接了道爾吞的原子學說理論，從證實電 子存在進而確立了原子中的次級結構開始， 隨後相關的放射線研究、電子荷質比測定、 α粒子散射實驗、中子的發現、量子力學理 論的加入…，這一連串的科學研究活動，讓 人們對原子結構的探測，由外而內地接續展 開。在這個過程中，雖然有許多的理論相繼 出現、被推翻，但似乎很難從其中清楚地勾 勒 出 一 個 如 同 孔 恩 所 描 述 的 常 態 科 學 、 危 機、革命三部曲之過程模式，畢竟這些科學 家們的研究大多是延續前面科學家的工作， 佐以新的技術和實驗設計，逐步地描繪出原 子的輪廓。 誠如上述，科學家們從視原子為組成物 質的最基本不可分割粒子，到抽絲剝繭般地 逐 一 解 構 原 子 ； 由 均 勻 散 佈 的 原 子 模 型 想 法，到具有中心核的原子模型觀點；從連續 性經典理論的描述，到非連續性量子理論的 詮釋，他們在原子物理的研究上似乎有了全 新的世界觀，對於原子的觀點和認知也已經 做了一百八十度的轉變，人們不再視原子為 物質的最小組成單位，而是積極地去探索原 子內部的結構，並且相信原子內部必另有其 不為人知的秩序存在。然而，這種轉變在筆

者看來是漸進的、是累積性的，並不如孔恩在 《科學革命的結構》中，所描述科學革命必 經之典範轉換（paradigm shift）的改宗過程 （conversion），即格式塔（gestalt）式之信念 轉換，反而比較像是孔恩在後來為《科學革 命的結構》所面臨困難所作的修正中，傾向 以達爾文演化論式去了解科學社群的演化、 物 種 化 、 與 科 學 革 命 的 觀 點 （ 傅 大 為 ， 1998）。 不可共量性（incommensurability），是 孔恩在《科學革命的結構》中另一個值得注意 的面相。孔恩認為：科學社群在新、舊典範 下，會戴著不同的有色眼鏡進行科學活動， 也就是兩群在不同世界中執業的科學家從同 一點注視同一方向時，他們會看到不同的東 西。若是由這個角度去看原子理論的發展， 個人倒是蠻贊同孔恩的說法，以十九世紀道 爾吞的原子學說以及二十世紀原子具有次級 結構（可以再分割）的觀點為例，若以現今的 科學知識而言，前者理論的誤謬已是不容置 疑的，然而對於兩個不同時期的科學工作者 而言，處於不同的時空、測量技術和社群文 化 之 下 ， 我 們 實 在 很 難 直 覺 地 以 現 在 的 標 準，去衡量這兩者理論之優劣。或許，這正 符合了孔恩對於新、舊典範之間所存在不可 共量性的看法。只是，如同筆者前述一般， 這兩個時期間的典範（理論）轉換是否如孔恩 所主張的激進革命方式進行，個人則採較保 守之態度。 人類對於原子物理知識的進展，究竟是 革命？抑是演化？若是從孔恩 1 9 6 2 年提出 《科學革命的結構》後，一直到 1996 年去世 的整個研究歷程來看，在其科學革命觀點似乎 逐 漸 由 激 進 革 命 轉 向 為 柔 性 演 化 的 趨 勢 來 看，給了我們更大的思考空間去回答這個問 題；若是站在科學知識具有暫時性的基礎來 考量，或許迄今科學家對原子的研究仍在孔 恩所謂的常態科學時期，未來是否有可能出 現新的異例，乃至於引起科學的危機，爆發 科學的革命，我們實在很難妄下斷言！

參考書目

馬文蔚、唐玄之、周永平主編（1999）：物 理學發展史上的里程碑。新竹：凡異出版 社。 曾煥華譯（1989）：從諾貝爾獎談 20 世紀 物理學。台北：銀禾文化事業有限公司。 陳國成審（1993）：原子的奧秘。台北：銀 禾文化事業有限公司。 郭奕玲、沈慧君（1996）：物理通史。新 竹：凡異出版社。 傅大為（1998）：「孔恩一生」的歷史與社 會脈絡 -- 評吳以義著《庫恩》一書。台灣 社會學研究第二期，頁 201-214 。

Jacob Louis Eisberg （1972）. Fundamen-tals of Modern Physics. New York, N. Y.

Kuhn（1962）. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago.

Richard P. Feynman（1998）. The Meaning of it all：Thoughts of a Citizen-Science. California. U.S.A.