歷史 物理

理研的故事之明治的物理學家

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-08-30
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  • 暑假拜訪了位在東京附近的理化研究所,(全名是「國立研究開發法人理化學研究所Institute of Physical and Chemical Research」簡稱「理研」或「RIKEN」) 。一般大眾大概只知道前陣子發生該所研究員小保方晴子的STAP細胞醜聞,導致理化學研究所再生中心副所長笹井芳樹自殺。但是對唸物理學的阿文來說,RIKEN 是塊不折不扣的金字招牌。因研究量子電動力學而得到諾貝爾物理獎的朝永振一郎就是在這裡展開他的研究生涯。這幾年日本物理學家接連拿到諾貝爾物理獎,讓周遭的其它亞洲國家猛流口水。理研算是日本近代物理學開端的一個最好見證,追溯源頭可以讓我們一窺日本成功經驗的要訣。

    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424理研的誕生

    1913年發現了”腎上腺素”的科學家高峰讓吉倡議設立「國民科學研究所」,這個構想獲得澀澤榮一的支持並開始研議。澀澤榮一是幕臣出身的實業家。兩年之後第36屆帝國議會決議成立理化學研究所,隔年由日本皇室及政府補助經費,加上民間的捐款,財團法人理化學研究所正式於現今東京都文京區本駒込設立,由伏見宮貞愛親王擔任總裁、菊池大麓出任所長。菊池大麓是著名的數學家,可惜就任後不久就因腦溢血過世。第二任所長是土木學的權威古市公威,但是當時面臨一戰後日本的不景氣造成的經費不足,古市公威所長又擺不平當時的物理與化學部門的衝突,到了1921年古市所長就掛冠求去了。

    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424理研的推手

    真正帶領理研走入黃金時代是第三任所長大河內正敏。這位被稱為百年一見的英豪的大河內所長到底是何方神聖?其實他可是有著相當驚人的家世。他的父親是上總的大多喜藩末代藩主大河内正質。正質其實是大河內家的婿養子,他本人是間部詮勝的五男。間部詮勝是井伊直弼派去京都鎮壓尊攘派的老中,井伊被稱為”赤鬼”而間部被稱為”青鬼”。佐幕背景濃厚的大河内正質還是幕府與薩摩長州軍關鍵一役的鳥羽伏見之戰幕府軍的總指揮。據說他曾把敵軍士兵的頰肉當下酒菜!不過幕府軍在鳥羽伏見之戰大敗,將軍慶喜在敗戰後溜回江戶城,他也跟著回去,幸虧恭順得快,最後雖然領土被削減,但藩保住了。廢藩制縣後正質還受封子爵。大河內正敏是長子,出生在東京。他在學習院的時候還是皇太子嘉仁親王(日後的大正天皇)的”御學友”呢。大河內正敏在第一高等學校畢業後進入東京帝國大學工學部。畢業之後他到歐洲自費留學,他的專精乃是彈道學。1911年回日本後就回母校任教。1921年他在東京大學總長山川健治郎的推薦下成為理化研究所的所長。

    大河內正敏最重要的貢獻是建立理研的研究室的制度,每個研究室由主任研究員負全責,並賦與主任研究員完全的學術自由以及研究室的財政人事的大權。為了解決傷腦筋的經費問題,大河內正敏大力推動”研究成果事業化”。當時理研有三個”太郎”,即鈴木梅太郎,本多光太郎以及長岡半太郎。鈴木的研究室可以說是大河內的金雞母,因為鈴木是維生素專家,也是世界第一個成功提取硫胺的科學家,他本人兩度名列「日本十大發明家」。他的研究室成功地製造出富含維生素A的肝油,光這個產品就讓理研大發利市,棘手的經費問題於是迎刃而解。本多光太郎則是赫赫有名的KS鋼的發明者。KS鋼是一種特殊的鋼材,它的”保磁力”(coercivity)是一般鋼材的三倍。理研在大河內的領導下,研究人員由一百人成長到1925年的三百人。1927年大河內成立了理化學興業株式會社,到了二戰末期,整個理研集團底下有六十三間公司,十二間工廠。結果被盟軍佔領時,理研集團居然成了被勒令解散的十五個財閥之一。大河內正敏在以”產學合作”為辦學最高宗旨的臺灣,應該被當作神來拜吧!
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    大河內正敏(Wikimedia Commons)
     
    妙的是在大河內所長時代,理研成了日本理論物理的溫床,大河內所長跟臺灣那些口口聲聲”產學合作” “就業優先”的教育界人士不同的是,大河內本身是有著慧眼的優秀學者,不是拿”管理”兩個字當護身符的不學無術之士。所以理研將研究室產品拿去大賣,盈餘卻拿來支持許多基礎研究,其中最為人津津樂道的就是與核子物理相關的加速器的建立,以及邀請仁科芳雄建立他的理論量子物理研究室。但是理研會往這個方向發展與創始三太郎之一的長岡半太郎有著密不可分的關係。長岡半太郎於1865年生於日本肥前國大村藩,父親是大村藩士長岡治三郎。(熱衷幕末史的讀者大概知道1865年是元治二年,也是慶應元年,這年發生了禁門之變,長州藩進軍京都的大事件。大村氏是平安時代以來的豪族,也是極少數從平安時代一直延續到江戶時代的豪族勢力。第12代藩主大村純熙決定尊皇倒幕,結合在鄉家臣團組成倒幕軍,和薩摩藩、長州藩,一同參與倒幕,因此大村純熙在明治維新成功後加封至3萬石。) 1874年時長岡半太郎與家人遷往東京,小學時成績不好還被留級過。經過一番波折才在1882年進入東京帝國大學理學部就讀,中間休學一年,於1887年畢業。畢業後曾經和當時訪問日本的英國物理學家Cargill Gilston Knott研究磁學。1893年長岡半太郎前往歐洲,在柏林、慕尼黑和維也納等地學習,回國後進入東京帝國大學任教。一開始長岡的興趣是在磁學。但是1900年時他出席了在巴黎舉辦的第一屆國際物理學家會議(First International Congress of Physicists),在會議上聽到了居禮夫婦關於放射性的演講後,開始對原子物理學產生興趣。就在幾年前J. J. Thomson發現了帶負電的電子,這表示中性原子內也應該有帶正電荷的粒子。1903年Thomson提出「梅子布丁模型」。認為原子應該是一個帶正電且電荷均勻分布的圓球,而電子則像梅子分散在布丁上一樣分布在正電圓球內。1904年長岡半太郎提出了自己的模型,這應該是亞洲人第一篇跟原子物理相關的工作吧。他的模型是正電球旁圍繞著一圈類似土星環的電子。因為他認為正負電荷無法相互穿透,不能合在一起。

    他的模型是基於重力與靜電力都是反平方力,所以原子的穩定性可以用土星環穩定的事實來解釋,他的模型還預測了一個質量極大的原子核(類似極大質量的行星)。而電子環繞原子核,並且受到電磁力束縛好比土星環受到重力束縛環繞土星一般。這兩個預測都成功地被拉塞福著名的金箔實驗所確認,而拉塞福在1911年發表的論文中也提及了長岡半太郎的模型。不過該模型中帶負電的環將會因為靜電力的排斥力而不穩定,這不會在土星環中出現,因此長岡在1908年放棄了這個模型。長岡半太郎於1925年從東京帝國大學屆齡退休後,不只擔任理化學研究所主任研究員、還擔任了大阪大學的首任校長、日本學術振興會會長、貴族院議員、第13任帝國學士院院長等職務。精力充沛地令人嘆為觀止。長岡半太郎在東京大學的門生更是成為日本物理界的骨幹,除了下一篇要介紹的仁科芳雄外,最有意思的算是寺田寅彥,就讓阿文好好地介紹這位奇人吧。
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    長岡半太郎(Wikimedia Commons)
     
    喜歡讀日本文學的讀者應該對夏目漱石這位明治大文豪不陌生吧。夏目漱石本來是熊本第五高等學校的英文老師,後來到東大接替極受歡迎的小泉八雲的教職。夏目漱石是個非常神經質的人,跟學生關係相當不佳,要是在現在臺灣的大學他評鑑鐵定會不過吧。於是他將一股鬱悶之氣以特殊的江戶風格寫成了「我是貓」,由於內容實在太過有趣,一時大為轟動,後來漱石索性辭去教職,成了專業的作家。「我是貓」中的主人翁苦沙彌當然就是漱石本人,而小說裏頭那位不食人間煙火,天天專心研究”上吊力學”,然後日日到研究室磨玻璃珠來研究”青蛙眼球水晶體”的”帥哥書生(當時貧窮的學生會到老師家打雜號稱”書生”)水島寒月就是以寺田為模特兒寫出來的。 「我是貓」中還描寫到苦沙彌的一位土豪鄰居的太太(被苦沙彌戲稱為”鼻子太太”因為她的鼻子甚為壯觀)為了想把女兒嫁給水島,特地到苦沙彌家打探水島的虛實,結果被玩世不恭又不通曉世情的苦沙彌趕出去的絕妙情節。令人不禁莞爾。

     
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                      2004年11月以前發行的日元1000元紙幣上的夏目漱石頭像(Wikimeida Commons)
     
    寺田寅彥本人的確是位非常有趣的人物,他寫過像「金平糖的角」的研究、 「線香花火」的研究這種充滿江戶風的科學論文。他在東京大學的博士論文居然是「尺八的音響学」的研究。他在歐洲遊學後被農商務省的水産講習所請去研究與潮汐相關的研究。此時他對X光繞射也產生興趣,他的研究成果送去Nature 發表卻因路途遙遠比Bragg父子晚了一步,無緣得到諾貝爾獎。1923年關東大地震發生當天寺田正在上野參觀展覽會,地震發生時,他人正在喫茶店喝紅茶呢。震災之後他全力投入地震相關的研究上。1924年寺田也成為理研的主任研究員,兩年後他主導成立東京帝大地震研究所。他在1935年病逝,享年五十七。寺田是夏目漱石在熊本高校的學生,寺田的老家卻是在土佐。雖然寺田看起來充滿歡笑,其實他的家庭在幕末時期曾遭逢巨變,他的父親曾親手將自己的弟弟的首級砍下,這是怎麼回事呢?

    寺田寅彥的父親是宇賀市郎兵衛的兒子,過繼給寺田家前叫宇賀知己之助。他的弟弟叫宇賀喜久馬。文久元年(1861年)宇賀喜久馬與朋友中平忠次郎在土佐永福寺門前遇到土佐的上士山田広衛以及益永繁斎。中平忠次郎因天暗擦撞到山田,兩人發生爭吵,山田居然當場將中平給殺了。

    宇賀喜久馬連忙跑去告知中平的哥哥池田虎之進,不料池田到了命案現場,二話不說,當場將爛醉的山田與益永砍死。由於中平家是土佐的下士,而山田與益永是上士,一場火拼一觸即發,連傳奇人物坂本龍馬都跑到池田家商議。這就是「井口刃傷事件」。為了平息風波,殺人的池田與通風報信的宇賀喜久馬都被要求切腹。當時宇賀喜久馬才十九歲,聽說還是個大帥哥。所以寺田寅彥的父親只好擔任切腹儀式中的”介錯”,親手砍下弟弟的腦袋。這是寺田寅彥出生十七年前的事,但是這件事引發很大的風潮。痛恨上士的土佐下士們在半年後組成了”土佐勤王黨”。因為土佐的上士是當年被德川幕府封到土佐的山內家的家臣,而土佐的下士則是原先的藩主長宗我部家的家臣。長曾我部家在關之原之戰站到與德川敵對的西軍一邊,戰後遭到滅藩。所以土佐的上士擁護德川家,而下士則對幕府恨之入骨。土佐勤王黨在武市瑞山的領導下曾掌握藩權,在京都為倒幕展開相當血腥的殺害政敵的活動,但是後來土佐藩改換方向,武士瑞山被迫切腹,土佐勤王黨成為長州藩的夥伴,在幕末的腥風血雨中因為沒有藩的保護,死傷最慘。而維新成功之際,土佐藩又識時務地站在薩長這邊。土佐上士如板垣退助,後藤象二郎都成了高官。「我是貓」中水島回述為了學拉小提琴但怕被其它學生認為學琴太過柔弱,千方百計要偷偷去買小提琴的情節,放在土佐的背景,的確不假!

    理研在大正時期的歷史,彷彿是明治維新的一個縮影,藩主的長子與受冤鄉士的姪子,都扮演吃重的角色。理研在二戰前後又發生過什麼樣的故事? 這個就有勞各位看倌稍候,有待下回分解了。

     
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