編譯 李威

巴黎先賢祠是法國最受尊崇公民的最后安息之地。四位著名的物理學家長眠在那里：皮埃爾·居里（Pierre Curie）、瑪麗·居里（Marie Curie）、讓·佩蘭（Jean Perrin）和保羅·朗之萬（Paul Langevin）。在生活中，這四位科學家關系也很親密，他們因對科學、人性和彼此的熱愛而團結在一起。與埋葬在先賢祠的三位同胞不同，朗之萬從未獲得過諾貝爾獎。也許正因為這一點，他并未獲得與居里夫人相同的標志性地位。

20世紀初，朗之萬在電磁學、抗磁性、雙折射和相對論等領域作出了許多貢獻。為了紀念朗之萬150周年誕辰，本文重點介紹他在一個方面的工作：第一次世界大戰(zhàn)期間，他發(fā)現石英的壓電特性可用于產生和接收超聲波。盡管他的工作也會在壓電現象、電聲轉導和水下探測相關的歷史評論中被提及，但朗之萬在戰(zhàn)時對超聲的研究是我們不可忽略的。

第一次世界大戰(zhàn)期間，協約國的軍隊使用炫目的偽裝試圖使德國U型潛艇難以探測到目標艦艇的位置和速度。亞瑟·利斯默（Arthur Lismer）于1919年的畫作《奧林匹克號與歸來的士兵》描繪了奧林匹克號（泰坦尼克號的姊妹船）?？吭谛滤箍粕崾」怂勾a頭上的場景。這艘船有著令人眼花繚亂的迷彩涂裝

早年生活

朗之萬1872年1月23日出生在巴黎的一座小房子里，那里靠近今天的圣心大教堂。此時的巴黎人剛剛承受了1870—1871 年普法戰(zhàn)爭期間城市被占領的創(chuàng)傷，也經歷了 1871 年 5 月上層對短命的巴黎公社的血腥鎮(zhèn)壓。作為1881年法國引入免費公共教育的受益者，朗之萬一生都致力于普及教育對社會的重要性。

1914年8月，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，此時朗之萬在科學上已經有了國際性的影響力。他曾代表法國參加1904年在美國密蘇里州圣路易斯舉行的國際藝術與科學大會。作為一名優(yōu)秀的語言學家，他可以與參加1911年在比利時布魯塞爾舉行的第一屆索爾維物理學會議的各國物理學家輕松交談。朗之萬是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的密友，并且在德國和英國都有可以共事的同伴。對他來說，與德國人作戰(zhàn)和與他在英國的朋友作戰(zhàn)沒什么區(qū)別：作為一個和平主義者，他不相信戰(zhàn)爭是解決沖突的手段。因此，戰(zhàn)爭爆發(fā)時，他加入了預備役擔任中士，在凡爾賽執(zhí)行非戰(zhàn)斗任務。

1911年10月30日至11月3日在比利時布魯塞爾舉行的第一屆索爾維物理學會議的與會者。朗之萬站在最右邊，他的旁邊是愛因斯坦

居里夫人認為，這是對朗之萬創(chuàng)造性思維的巨大浪費。1914年底，她正在前線操作第一臺X射線檢測機。而朗之萬則因無法回到巴黎市工業(yè)物理化學學院教授學生而焦頭爛額。正如居里夫人在1915年1月給朗之萬的一封信中所寫的那樣：“我們正在經歷一段艱難的時期，像你這樣的人需要立刻承擔你該完成的任務。你可以而且必須做很多事情?！?/p>

超聲波水下探測

不久之后，朗之萬的辦公桌上出現了一份報告。它的作者是年輕的俄羅斯工程師康斯坦丁·奇洛夫斯基（Constantin Chilowski），他建議使用高頻聲音脈沖的回聲來探測水下物體。雖然回聲探測的想法并不新鮮，但朗之萬意識到奇洛夫斯基的想法很有原創(chuàng)性。來自低頻源的聲音通常會向各個方向傳播，但是如果聲源很大并且頻率足夠高，我們就可以制作出類似探照燈的聲音束。

保羅·朗之萬生平大事記 （1872—1946）

1872年：1月23日生于巴黎。

1888年：開始在巴黎市工業(yè)物理化學學院學習，他的老師是皮埃爾·居里。

1894年：開始在巴黎高等師范學院學習。

1897年：獲得巴黎市的獎學金，并在劍橋大學卡文迪什實驗室學習。

1900年：被任命為巴黎大學（今索邦大學）理學院的研究助理。

1902年：完成關于氣體電離的博士論文。

1905年：接替皮埃爾·居里擔任巴黎市工業(yè)物理化學學院的物理學教授。

1909年：被任命為法蘭西學院的名譽教授。

1911—1927 年：參加前五屆索爾維物理學會議。

1925年：擔任巴黎市工業(yè)物理化學學院主任。

1930—1933 年：主持第六屆和第七屆索爾維物理學會議。

1934年：當選為法國科學院院士。

1940—1944 年：在德國占領法國期間被軟禁。

1944年：被任命為戰(zhàn)后法國教育改革委員會主席。

1946年：12月19日在巴黎去世。

這完全取決于聲音在海水中的波長λ。在頻率為 1 kHz 時，人類可以聽到的波長 λ 約為 1.5米。但光源的直徑需要五個λ或更多個才能在水下產生聲束，這意味著1 kHz發(fā)射器的直徑至少需要7.5米——這樣的體積太大了，無法安裝在航行的船只上。但是在100 kHz的超聲波頻率下，λ約為15毫米，因此回聲檢測系統可以在船上安裝并投入使用。人們對水中聲音的特性知之甚少，以至于朗之萬最初考慮了從15 kHz到174 kHz的多個頻率。當然，該方案還取決于聲波在某一頻率下傳播的距離，因為它們會由于衰減得太厲害而無法被檢測到。

有沒有其他超聲波源可以在水下產生聲束？1912年泰坦尼克號沉沒后，物理學家和氣象學家劉易斯·弗萊·理查森（Lewis Fry Richardson）建議使用超聲波在鏡子的焦點處放置一個水下汽笛來探測冰山。另一方面， 奇洛夫斯基設想了一個大型水下揚聲器。經過一番考慮，朗之萬否定了這兩個選擇。他認為應該使用一種低慣量、低損耗的設備，并且可以在水下維持電壓驅動。

應朗之萬的要求，1915 年 3 月，法國海軍開始資助他的巴黎市工業(yè)物理化學學院實驗室的實踐研究計劃。他與奇洛夫斯基合作，設計了一種被稱為發(fā)聲電容器的超聲波發(fā)射器。他們使用一塊薄薄的云母作為電介質，把它固定在金屬板上，作為電容器的一個電極。水形成了另一個電極。海軍借給朗之萬一個實驗用電弧發(fā)射器，用于產生高頻驅動電壓。到1915年7月，他已經可以制造出大約100 mW/cm2的超聲波強度。他通過觀察輻射對薄膜的驅動來確認超聲波的發(fā)射效果。

朗之萬曾設想過一個集成脈沖回波系統，但沒有使用聚光鏡作接收器。奇洛夫斯基和工程師馬塞爾·圖尼爾（Marcel Tournier）設計了一種特殊的基于炭精麥克風的碳顆粒水聽器，用于接收空氣中的音頻。為了提高靈敏度，他們將麥克風安裝在拋物面鏡的焦點上。朗之萬讓圖尼爾負責構建和測試工作系統。測試在塞納河取得了成功，于是他們在 1916 年 4 月將工作轉移到土倫的海軍基地。

“一塊石頭，兩盤錫紙”

盡管法國人對水下探測很感興趣，但對于他們的英國盟友來說，解決這個領域的科研問題可能更為緊迫，因為他們的補給線正受到德國U型潛艇的威脅。英國皇家海軍的任務之一就是改進潛艇探測的方法。朗之萬在英國的科研對手是物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。盡管盧瑟福更喜歡使用水聽器作為監(jiān)聽設備，但他仍然對其他選擇持開放態(tài)度。

1916年5月，盧瑟福團隊的一部分人員應物理學家莫里斯·德布羅意（Maurice de Broglie）的邀請，訪問了朗之萬在法國組建的超聲研究小組。訪問進行得很順利。八月，盧瑟福對與英國海軍部合作的加拿大物理學家羅伯特·博伊爾（Robert Boyle）在探索超聲技術方面的工作進行了指導。 博伊爾首先專注于接收器，他在 1916 年秋天制作并測試了幾種麥克風。但他同時也在努力尋找可靠的超聲波來源。

1917年初，朗之萬向德布羅意提交了一份進度報告，德布羅意于當年2月將其帶到英國。在報告中，朗之萬描述了他在超聲項目上取得的進展。他意識到大面積扁平炭精麥克風可能比小型麥克風更有效，于是使用了一個帶有發(fā)聲電容和兩個用于無線電接收器的附加組件：音頻放大器和外差檢測器。但他承認，他的設計仍然需要一些技術調整。例如，發(fā)射器經常因為1微米云母膜產生火花導致出現故障。如果海洋條件不平靜，靜水壓力也會在炭精麥克風中產生噪聲。盡管存在這些問題，朗之萬還是建議英國科學家繼續(xù)他的方法。

朗之萬很快就開始使用石英代替碳顆粒。石英是二氧化硅的常見結晶形式，它的晶體是具有不同末端的六角棱柱。正如雅克·居里（Jacques Curie）和皮埃爾·居里兄弟在1880—1881年發(fā)現的那樣，它還具有壓電特性：當石英晶體被壓縮或拉伸時，其表面會產生電荷；相反，在晶體上施加電壓會導致晶體尺寸略有變化。

極性電荷在三個特定方向上會出現極大值，每個方向都平行于晶體的三對棱柱面，并且位于垂直于棱柱軸的平面上。當石英用作壓電器件時，電極總是放置在垂直于這樣一個極軸的平面上，該極軸被定義為x軸。居里兄弟讓巴黎光學儀器制造商伊萬·韋萊因（Ivan Werlein）為他們切割了兩片特定的石英。第一個即為右圖中顯示的圓柱體，后來被稱為x切工，其加工方式是沿 x 軸壓縮或拉伸。第二個被稱為 y 切工，即右圖中的矩形棱柱。它具有一對垂直于 x軸的電面，沿 y 軸施加應力。

正如同事圖尼爾后來回憶的那樣，朗之萬要來了居里兄弟的原始x切工石英。朗之萬把它放在長凳上，將電極連接到他們?yōu)樘烤溈孙L開發(fā)的無線電接收器上。當朗之萬把手表放在石英上時，他通過揚聲器聽到了手表的滴答聲。這是非常重要的突破。在幾天的時間里，朗之萬和他的團隊建造了一個原型超聲波接收器，該接收器采用居里的 x 切工石英板作為傳感器。

很快，一個新的10厘米乘10厘米的x切工石英傳感器從韋萊因提供的大型晶體上切割了出來。盡管朗之萬擔心石英的壓電特性可能會因高頻振動而減弱，但實際上該器件既靈敏又穩(wěn)定。由于并沒有證據表明存在與頻率相關的損耗因子，朗之萬對這一優(yōu)雅簡單的解決方案贊不絕口，他將其描述為“僅有一塊石頭、兩盤錫紙的器件”。

博伊爾于 1917 年 4 月前往法國學習更多切割石英相關的知識，并參觀了土倫的海軍造船廠。6月15日，英法聯合考察團在華盛頓特區(qū)全面介紹了他們的進展，這促使幾個美國實驗室也開始研究這項技術。11月，朗之萬的壓電石英接收器成功通過了水下回波檢測和通信測試。它仍然使用云母傳感器來產生超聲波束。

x切工和y切工石英示意圖。晶體底部的圓柱體是朗之萬在石英傳感器中使用的x切割板。矩形棱鏡l×b×d是y切割板

石英發(fā)射器

當博伊爾于1917年4月抵達法國拜訪朗之萬時，這位法國物理學家正開始研究使用石英作為壓電發(fā)射器。他很快發(fā)現x切工石英可以成功地傳輸超聲波。朗之萬激發(fā) 16 毫米的純石英晶體切片，產生厚度共振，估計可以產生約 1 kW的聲功率。來訪的美國物理學家羅伯特·伍德（Robert Wood）后來指出，朗之萬的聲波束殺死了游過它的小魚，并對將手放在其路徑上的人造成了“幾乎無法忍受的痛苦”。朗之萬建立了后來所有超聲波技術的基礎。

在邁向現代超聲波電路的重要一步中，朗之萬的團隊用可調諧振蕩器取代了電弧發(fā)射器。之后，他意識到，當驅動頻率與石英的自然共振頻率相同時，電能向聲能的轉移效率最高——類似于鐘發(fā)聲的原理。他通過實驗確定，當石英片的厚度正好是石英彈性介質中聲波波長的一半時，就會發(fā)生初級共振。

但朗之萬只能通過估算聲速來設置正確的厚度。他測試的第一個晶體共振頻率約為150 kHz，這比他想要的頻率高。他通過測量聲束中聲信號和電磁信號之間的干涉波長來估計超聲波的頻率。這種直接測量的方式使他能夠精確地將晶體厚度與諧振頻率聯系起來。

朗之萬專注于研究晶體在機械共振下所產生的額外增益，并將其添加到調諧放大器的諧振增益中。但有一個迫在眉睫的問題：頻率越高，水中熱黏性效應產生的吸收就越多。100 kHz的頻率太高了，朗之萬通過計算得到，將其降低到40 kHz可以使范圍增加6倍。但是產生該頻率所需的石英晶體厚度就需要超過50毫米。這種大小的自然形成晶體很少見，因此這種方法有些不切實際。

朗之萬還面臨著另一個問題。為了保持定向聲束，傳感器的直徑必須與頻率成反比。這意味著傳感器的總質量需要增加。從實驗室內的體積擴大到船只內需要的傳感器體積，這并不容易。

為了解決這些問題，他開發(fā)了后來被稱為朗之萬三明治傳感器的器件。他將一塊 4 毫米厚的 x 切工石英板粘在兩塊 3 厘米的鋼板之間，從而創(chuàng)造了一種新的裝置，其中的共振頻率由整個結構所決定而不僅僅取決于石英。他將較小的石英碎片鑲嵌成直徑 10 厘米的大小，從而為40 kHz定向波束創(chuàng)造了一個面積足夠大的傳感器。博伊爾、朗之萬和團隊成員之間繼續(xù)保持著密切的聯系，他們都在努力尋找難覓蹤跡的石英。最終，法國海軍武官在波爾多找到了一家枝形吊燈供應商，博伊爾驚訝地發(fā)現它的倉庫里裝滿了像煤一樣堆積著的天然石英晶體。

兩次世界大戰(zhàn)間隔期間的超聲波

1918 年 10 月，在巴黎舉行的一次關于超音速的聯合會議上，朗之萬公開了自己的研究思路。作為創(chuàng)新者，他提出了一種用于淺水區(qū)的扇形梁設計，并討論了折射和聲空化方面的難題。朗之萬計劃在7艘法國船只上安裝他設計的超聲波系統，并在12艘英國船只上安裝博伊爾設計的超聲波系統。

法國海軍擁有的共振石英夾層傳感器。該儀器直徑為10厘米，現在在巴黎市工業(yè)物理化學學院展出。它內部右側的鋼板上附有石英馬賽克

戰(zhàn)爭在兩國海軍都無法利用超聲波探測敵方潛艇之前就已經結束了。從這個角度上說，朗之萬做的是一件失敗的工作。用于開發(fā)新技術的財政投資并沒有挽救生命，也未能阻止協約國在1917年因U型潛艇而損失總計約600萬噸的船只。但超聲波慢慢開始引起學術界、工業(yè)界和軍方的注意。

朗之萬拒絕了移居美國的邀請，而是將注意力轉向了他發(fā)明的技術在和平時期的應用。他與電氣工程師查爾斯-路易斯·弗洛里松（Charles-Louis Florisson）合作，開發(fā)了第一臺商用超聲波深度探測設備，并申請了專利。第一次探測于 1920 年 10 月在尼斯附近進行。到 1920 年代后期，他們的超聲波深度探測儀已獲得廣泛認可并安裝在商船和客船上。1930年代，朗之萬最初的發(fā)現被用于生產薄而小的石英板，這些石英板可以產生頻率超過1 MHz的超聲波束，并且不需要粘基板或馬賽克。

朗之萬的超聲技術專利很快在英國和美國法院遇到了問題。盡管在美國的案件拖延了20年，但他的知識產權最終在這兩起案件中都得到了成功的辯護。對這些案件提出異議的決定引起了學者們的注意，因為這似乎與他們的觀點相沖突，即科學是一項共同的努力，其結果應該是公共資產。但朗之萬的專利申請似乎很可能是出于他的合作伙伴的愿望，也是出于他自己的愿望： 奇洛夫斯基想在俄羅斯以外推廣他的職業(yè)成就；弗洛里松需要為他的深度探測設備提供商業(yè)保護；朗之萬的妻子珍妮可能希望改善家庭的財務情況。

朗之萬慷慨地將與專利相關的部分收入分配給雅克·居里和皮埃爾·居里的女兒伊雷娜和埃芙。他通過這種方式感謝居里兄弟發(fā)現了石英的壓電互易性，這對于其在超聲檢測中的使用至關重要。

第一次世界大戰(zhàn)后的所有超聲工作都源于朗之萬的科研突破。博伊爾回到加拿大阿爾伯塔省，在那里他繼續(xù)研究超聲波計量和超聲波空化。在英國，與博伊爾合作的物理學家之一弗蘭克·勞埃德·霍普伍德（Frank Lloyd Hopwood）在倫敦圣巴塞洛繆醫(yī)院進行了許多基于朗之萬工作的生物物理實驗。

也許受朗之萬工作啟發(fā)最著名的研究人員是伍德，他在戰(zhàn)時訪問法國圖盧茲實驗室期間對超聲波產生了興趣。戰(zhàn)后，美國金融家阿爾弗雷德·李·盧米斯（Alfred Lee Loomis）與他接洽，提出想要資助一個實驗室。當盧米斯詢問研究意向時，伍德想起了朗之萬的工作，并建議他們探索“超音速”。利用以非常高功率驅動的簡單石英傳感器，伍德和盧米斯取得了驚人的成果，并為盧米斯在紐約塔克西多公園新建立的實驗室?guī)砹司薮蟮男麄餍Ч?/p>

盡管伍德在法國時便得知了朗之萬的研究成果，但美國大多數其他科學家和實業(yè)家在 1917 年 6 月英法代表訪問華盛頓特區(qū)時才了解到朗之萬的科研突破。那次訪問激發(fā)了亞歷山大·尼科爾森（Alexander Nicolson）對被稱為羅謝爾鹽的壓電晶體特性的研究，以及沃爾特·卡迪（Walter Cady）對石英壓電諧振器的研究。然而，隨著戰(zhàn)爭從記憶中消失，人們對超聲波的興趣也逐漸減弱。直到第二次世界大戰(zhàn)時，掃描聲吶才被廣泛用于定位潛艇。

在兩次世界大戰(zhàn)期間，朗之萬成為歐洲最資深和最受尊敬的物理學家之一。在1920年代，他在法蘭西學院教授了一系列物理課程，主題包括超聲波、量子物理學、磁學和相對論。為了表彰他的資歷，他被選為第六屆和第七屆索爾維會議的負責人，這一會議是當時物理學在國際上的熔爐。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國占領了法國，朗之萬因戰(zhàn)前的反法西斯活動而被軟禁在特魯瓦。1945 年 3 月 3 日，在回到巴黎后，人們?yōu)樗M織了推遲已久的 73 歲生日儀式，資深科學家、政治領袖、教育家和戰(zhàn)時抵抗運動的代表出席了儀式。全球許多國家的代表紛紛前來祝賀，其中包括英國、蘇聯、希臘、南斯拉夫和中國的相關人士。1946年12月19日，朗之萬去世。他在生前和身后受到了廣泛的愛戴和尊重。

朗之萬的遺產：醫(yī)學中的超聲波

超聲波的醫(yī)療用途——包括診斷和治療——是朗之萬留給今天的人們最切實的遺產。1949年，在朗之萬首次從事超聲工作30多年后，第一次醫(yī)學超聲會議在德國埃爾蘭根召開。在會議上，朗之萬的同事弗洛里松回憶說，朗之萬曾預測超聲波有朝一日可能會用于藥物治療。

保羅·朗之萬肖像（1945—1946），作者是巴勃羅·畢加索（Pablo Picasso），目前收藏在巴黎陸軍博物館

具有諷刺意味的是，超聲波治療不是在法國，而是在德國開始發(fā)展起來。與脈沖回波系統一樣，工作頻率約為1 MHz的石英傳感器是技術突破的關鍵。用于治療的超聲波的科學原理是由柏林西門子公司的物理學家雷馬爾·波爾曼（Reimar Pohlman）提出的，他在1939年證明了中等功率的超聲波暴露可能對人體有益而不會造成損害。到埃爾蘭根會議時，至少有10家歐洲公司正在銷售超聲治療設備。除一家外，其他所有人都使用x切工石英壓電傳感器。另一方面，用于診斷的超音波出現在1950年代。最初使用的傳感器仍然是石英，盡管它們很快被陶瓷鐵電體取代。

朗之萬遺留的工作仍然彌漫在醫(yī)學超聲領域。壓電傳感器仍然是超聲設備中使用的主導技術。聲功率依然使用輻射來測量，就像朗之萬所做的那樣。傳感器分層是朗之萬面對的一個主要問題，現在也仍然是一個難題。折射和吸收引起的偽影仍需識別。諧波成像依然需要基于對有限振幅傳播的理解，這是朗之萬在1920年代首次提出的。

卡迪是一位壓電領域的先驅，他在1946年將朗之萬描述為“現代科學和超聲波藝術的鼻祖”。朗之萬的科學天才在于解鎖石英的壓電性，同時令其充當超聲波源和接收器，并開發(fā)了第一個有效的超聲波脈沖回波系統。他的石英發(fā)射器為超聲波清潔、聲化學和手術開辟了道路。他的脈沖回波系統使超聲源、無損檢測和醫(yī)學掃描的發(fā)展成為可能。如今，全球醫(yī)用超聲掃描儀的銷售額每年約為80億美元。超聲掃描是一種經濟高效、安全、便攜且無創(chuàng)的醫(yī)療技術。和平主義者朗之萬肯定會贊許這一點。

資料來源 Physics Today