編譯 李威

巴黎先賢祠是法國(guó)最受尊崇公民的最后安息之地。四位著名的物理學(xué)家長(zhǎng)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(wàn)（Paul Langevin）。在生活中，這四位科學(xué)家關(guān)系也很親密，他們因?qū)茖W(xué)、人性和彼此的熱愛(ài)而團(tuán)結(jié)在一起。與埋葬在先賢祠的三位同胞不同，朗之萬(wàn)從未獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)。也許正因?yàn)檫@一點(diǎn)，他并未獲得與居里夫人相同的標(biāo)志性地位。

20世紀(jì)初，朗之萬(wàn)在電磁學(xué)、抗磁性、雙折射和相對(duì)論等領(lǐng)域作出了許多貢獻(xiàn)。為了紀(jì)念朗之萬(wàn)150周年誕辰，本文重點(diǎn)介紹他在一個(gè)方面的工作：第一次世界大戰(zhàn)期間，他發(fā)現(xiàn)石英的壓電特性可用于產(chǎn)生和接收超聲波。盡管他的工作也會(huì)在壓電現(xiàn)象、電聲轉(zhuǎn)導(dǎo)和水下探測(cè)相關(guān)的歷史評(píng)論中被提及，但朗之萬(wàn)在戰(zhàn)時(shí)對(duì)超聲的研究是我們不可忽略的。

第一次世界大戰(zhàn)期間，協(xié)約國(guó)的軍隊(duì)使用炫目的偽裝試圖使德國(guó)U型潛艇難以探測(cè)到目標(biāo)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(hào)與歸來(lái)的士兵》描繪了奧林匹克號(hào)（泰坦尼克號(hào)的姊妹船）?？吭谛滤箍粕崾」怂勾a頭上的場(chǎng)景。這艘船有著令人眼花繚亂的迷彩涂裝

早年生活

朗之萬(wàn)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(shí)的巴黎人剛剛承受了1870—1871 年普法戰(zhàn)爭(zhēng)期間城市被占領(lǐng)的創(chuàng)傷，也經(jīng)歷了 1871 年 5 月上層對(duì)短命的巴黎公社的血腥鎮(zhèn)壓。作為1881年法國(guó)引入免費(fèi)公共教育的受益者，朗之萬(wàn)一生都致力于普及教育對(duì)社會(huì)的重要性。

1914年8月，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，此時(shí)朗之萬(wàn)在科學(xué)上已經(jīng)有了國(guó)際性的影響力。他曾代表法國(guó)參加1904年在美國(guó)密蘇里州圣路易斯舉行的國(guó)際藝術(shù)與科學(xué)大會(huì)。作為一名優(yōu)秀的語(yǔ)言學(xué)家，他可以與參加1911年在比利時(shí)布魯塞爾舉行的第一屆索爾維物理學(xué)會(huì)議的各國(guó)物理學(xué)家輕松交談。朗之萬(wàn)是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）的密友，并且在德國(guó)和英國(guó)都有可以共事的同伴。對(duì)他來(lái)說(shuō)，與德國(guó)人作戰(zhàn)和與他在英國(guó)的朋友作戰(zhàn)沒(méi)什么區(qū)別：作為一個(gè)和平主義者，他不相信戰(zhàn)爭(zhēng)是解決沖突的手段。因此，戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)時(shí)，他加入了預(yù)備役擔(dān)任中士，在凡爾賽執(zhí)行非戰(zhàn)斗任務(wù)。

1911年10月30日至11月3日在比利時(shí)布魯塞爾舉行的第一屆索爾維物理學(xué)會(huì)議的與會(huì)者。朗之萬(wàn)站在最右邊，他的旁邊是愛(ài)因斯坦

居里夫人認(rèn)為，這是對(duì)朗之萬(wàn)創(chuàng)造性思維的巨大浪費(fèi)。1914年底，她正在前線操作第一臺(tái)X射線檢測(cè)機(jī)。而朗之萬(wàn)則因無(wú)法回到巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院教授學(xué)生而焦頭爛額。正如居里夫人在1915年1月給朗之萬(wàn)的一封信中所寫的那樣：“我們正在經(jīng)歷一段艱難的時(shí)期，像你這樣的人需要立刻承擔(dān)你該完成的任務(wù)。你可以而且必須做很多事情?！?/p>

超聲波水下探測(cè)

不久之后，朗之萬(wàn)的辦公桌上出現(xiàn)了一份報(bào)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(lái)探測(cè)水下物體。雖然回聲探測(cè)的想法并不新鮮，但朗之萬(wàn)意識(shí)到奇洛夫斯基的想法很有原創(chuàng)性。來(lái)自低頻源的聲音通常會(huì)向各個(gè)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(wàn)生平大事記 （1872—1946）

1872年：1月23日生于巴黎。

1888年：開(kāi)始在巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院學(xué)習(xí)，他的老師是皮埃爾·居里。

1894年：開(kāi)始在巴黎高等師范學(xué)院學(xué)習(xí)。

1897年：獲得巴黎市的獎(jiǎng)學(xué)金，并在劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。

1900年：被任命為巴黎大學(xué)（今索邦大學(xué)）理學(xué)院的研究助理。

1902年：完成關(guān)于氣體電離的博士論文。

1905年：接替皮埃爾·居里擔(dān)任巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授。

1909年：被任命為法蘭西學(xué)院的名譽(yù)教授。

1911—1927 年：參加前五屆索爾維物理學(xué)會(huì)議。

1925年：擔(dān)任巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院主任。

1930—1933 年：主持第六屆和第七屆索爾維物理學(xué)會(huì)議。

1934年：當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士。

1940—1944 年：在德國(guó)占領(lǐng)法國(guó)期間被軟禁。

1944年：被任命為戰(zhàn)后法國(guó)教育改革委員會(huì)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(zhǎng)λ。在頻率為 1 kHz 時(shí)，人類可以聽(tīng)到的波長(zhǎng) λ 約為 1.5米。但光源的直徑需要五個(gè)λ或更多個(gè)才能在水下產(chǎn)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(wú)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(cè)系統(tǒng)可以在船上安裝并投入使用。人們對(duì)水中聲音的特性知之甚少，以至于朗之萬(wàn)最初考慮了從15 kHz到174 kHz的多個(gè)頻率。當(dāng)然，該方案還取決于聲波在某一頻率下傳播的距離，因?yàn)樗鼈儠?huì)由于衰減得太厲害而無(wú)法被檢測(cè)到。

有沒(méi)有其他超聲波源可以在水下產(chǎn)生聲束？1912年泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)后，物理學(xué)家和氣象學(xué)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(diǎn)處放置一個(gè)水下汽笛來(lái)探測(cè)冰山。另一方面， 奇洛夫斯基設(shè)想了一個(gè)大型水下?lián)P聲器。經(jīng)過(guò)一番考慮，朗之萬(wàn)否定了這兩個(gè)選擇。他認(rèn)為應(yīng)該使用一種低慣量、低損耗的設(shè)備，并且可以在水下維持電壓驅(qū)動(dòng)。

應(yīng)朗之萬(wàn)的要求，1915 年 3 月，法國(guó)海軍開(kāi)始資助他的巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐研究計(jì)劃。他與奇洛夫斯基合作，設(shè)計(jì)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(zhì)，把它固定在金屬板上，作為電容器的一個(gè)電極。水形成了另一個(gè)電極。海軍借給朗之萬(wàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)用電弧發(fā)射器，用于產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)電壓。到1915年7月，他已經(jīng)可以制造出大約100 mW/cm2的超聲波強(qiáng)度。他通過(guò)觀察輻射對(duì)薄膜的驅(qū)動(dòng)來(lái)確認(rèn)超聲波的發(fā)射效果。

朗之萬(wàn)曾設(shè)想過(guò)一個(gè)集成脈沖回波系統(tǒng)，但沒(méi)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(shè)計(jì)了一種特殊的基于炭精麥克風(fēng)的碳顆粒水聽(tīng)器，用于接收空氣中的音頻。為了提高靈敏度，他們將麥克風(fēng)安裝在拋物面鏡的焦點(diǎn)上。朗之萬(wàn)讓圖尼爾負(fù)責(zé)構(gòu)建和測(cè)試工作系統(tǒng)。測(cè)試在塞納河取得了成功，于是他們?cè)?1916 年 4 月將工作轉(zhuǎn)移到土倫的海軍基地。

“一塊石頭，兩盤錫紙”

盡管法國(guó)人對(duì)水下探測(cè)很感興趣，但對(duì)于他們的英國(guó)盟友來(lái)說(shuō)，解決這個(gè)領(lǐng)域的科研問(wèn)題可能更為緊迫，因?yàn)樗麄兊难a(bǔ)給線正受到德國(guó)U型潛艇的威脅。英國(guó)皇家海軍的任務(wù)之一就是改進(jìn)潛艇探測(cè)的方法。朗之萬(wàn)在英國(guó)的科研對(duì)手是物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。盡管盧瑟福更喜歡使用水聽(tīng)器作為監(jiān)聽(tīng)設(shè)備，但他仍然對(duì)其他選擇持開(kāi)放態(tài)度。

1916年5月，盧瑟福團(tuán)隊(duì)的一部分人員應(yīng)物理學(xué)家莫里斯·德布羅意（Maurice de Broglie）的邀請(qǐng)，訪問(wèn)了朗之萬(wàn)在法國(guó)組建的超聲研究小組。訪問(wèn)進(jìn)行得很順利。八月，盧瑟福對(duì)與英國(guó)海軍部合作的加拿大物理學(xué)家羅伯特·博伊爾（Robert Boyle）在探索超聲技術(shù)方面的工作進(jìn)行了指導(dǎo)。 博伊爾首先專注于接收器，他在 1916 年秋天制作并測(cè)試了幾種麥克風(fēng)。但他同時(shí)也在努力尋找可靠的超聲波來(lái)源。

1917年初，朗之萬(wàn)向德布羅意提交了一份進(jìn)度報(bào)告，德布羅意于當(dāng)年2月將其帶到英國(guó)。在報(bào)告中，朗之萬(wàn)描述了他在超聲項(xiàng)目上取得的進(jìn)展。他意識(shí)到大面積扁平炭精麥克風(fēng)可能比小型麥克風(fēng)更有效，于是使用了一個(gè)帶有發(fā)聲電容和兩個(gè)用于無(wú)線電接收器的附加組件：音頻放大器和外差檢測(cè)器。但他承認(rèn)，他的設(shè)計(jì)仍然需要一些技術(shù)調(diào)整。例如，發(fā)射器經(jīng)常因?yàn)?微米云母膜產(chǎn)生火花導(dǎo)致出現(xiàn)故障。如果海洋條件不平靜，靜水壓力也會(huì)在炭精麥克風(fēng)中產(chǎn)生噪聲。盡管存在這些問(wèn)題，朗之萬(wàn)還是建議英國(guó)科學(xué)家繼續(xù)他的方法。

朗之萬(wàn)很快就開(kāi)始使用石英代替碳顆粒。石英是二氧化硅的常見(jiàn)結(jié)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(xiàn)的那樣，它還具有壓電特性：當(dāng)石英晶體被壓縮或拉伸時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；相反，在晶體上施加電壓會(huì)導(dǎo)致晶體尺寸略有變化。

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

正如同事圖尼爾后來(lái)回憶的那樣，朗之萬(wàn)要來(lái)了居里兄弟的原始x切工石英。朗之萬(wàn)把它放在長(zhǎng)凳上，將電極連接到他們?yōu)樘烤溈孙L(fēng)開(kāi)發(fā)的無(wú)線電接收器上。當(dāng)朗之萬(wàn)把手表放在石英上時(shí)，他通過(guò)揚(yáng)聲器聽(tīng)到了手表的滴答聲。這是非常重要的突破。在幾天的時(shí)間里，朗之萬(wàn)和他的團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)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(gè)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(lái)。盡管朗之萬(wàn)擔(dān)心石英的壓電特性可能會(huì)因高頻振動(dòng)而減弱，但實(shí)際上該器件既靈敏又穩(wěn)定。由于并沒(méi)有證據(jù)表明存在與頻率相關(guān)的損耗因子，朗之萬(wàn)對(duì)這一優(yōu)雅簡(jiǎn)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(guó)學(xué)習(xí)更多切割石英相關(guān)的知識(shí)，并參觀了土倫的海軍造船廠。6月15日，英法聯(lián)合考察團(tuán)在華盛頓特區(qū)全面介紹了他們的進(jìn)展，這促使幾個(gè)美國(guó)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)。11月，朗之萬(wàn)的壓電石英接收器成功通過(guò)了水下回波檢測(cè)和通信測(cè)試。它仍然使用云母?jìng)鞲衅鱽?lái)產(chǎn)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(wàn)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(dāng)博伊爾于1917年4月抵達(dá)法國(guó)拜訪朗之萬(wàn)時(shí)，這位法國(guó)物理學(xué)家正開(kāi)始研究使用石英作為壓電發(fā)射器。他很快發(fā)現(xiàn)x切工石英可以成功地傳輸超聲波。朗之萬(wàn)激發(fā) 16 毫米的純石英晶體切片，產(chǎn)生厚度共振，估計(jì)可以產(chǎn)生約 1 kW的聲功率。來(lái)訪的美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·伍德（Robert Wood）后來(lái)指出，朗之萬(wàn)的聲波束殺死了游過(guò)它的小魚，并對(duì)將手放在其路徑上的人造成了“幾乎無(wú)法忍受的痛苦”。朗之萬(wàn)建立了后來(lái)所有超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)。

在邁向現(xiàn)代超聲波電路的重要一步中，朗之萬(wàn)的團(tuán)隊(duì)用可調(diào)諧振蕩器取代了電弧發(fā)射器。之后，他意識(shí)到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率與石英的自然共振頻率相同時(shí)，電能向聲能的轉(zhuǎn)移效率最高——類似于鐘發(fā)聲的原理。他通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)石英片的厚度正好是石英彈性介質(zhì)中聲波波長(zhǎng)的一半時(shí)，就會(huì)發(fā)生初級(jí)共振。

但朗之萬(wàn)只能通過(guò)估算聲速來(lái)設(shè)置正確的厚度。他測(cè)試的第一個(gè)晶體共振頻率約為150 kHz，這比他想要的頻率高。他通過(guò)測(cè)量聲束中聲信號(hào)和電磁信號(hào)之間的干涉波長(zhǎng)來(lái)估計(jì)超聲波的頻率。這種直接測(cè)量的方式使他能夠精確地將晶體厚度與諧振頻率聯(lián)系起來(lái)。

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

朗之萬(wàn)還面臨著另一個(gè)問(wèn)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(zhì)量需要增加。從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的體積擴(kuò)大到船只內(nèi)需要的傳感器體積，這并不容易。

為了解決這些問(wèn)題，他開(kāi)發(fā)了后來(lái)被稱為朗之萬(wàn)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(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)面積足夠大的傳感器。博伊爾、朗之萬(wàn)和團(tuán)隊(duì)成員之間繼續(xù)保持著密切的聯(lián)系，他們都在努力尋找難覓蹤跡的石英。最終，法國(guó)海軍武官在波爾多找到了一家枝形吊燈供應(yīng)商，博伊爾驚訝地發(fā)現(xiàn)它的倉(cāng)庫(kù)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(guān)于超音速的聯(lián)合會(huì)議上，朗之萬(wàn)公開(kāi)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(shè)計(jì)，并討論了折射和聲空化方面的難題。朗之萬(wàn)計(jì)劃在7艘法國(guó)船只上安裝他設(shè)計(jì)的超聲波系統(tǒng)，并在12艘英國(guó)船只上安裝博伊爾設(shè)計(jì)的超聲波系統(tǒng)。

法國(guó)海軍擁有的共振石英夾層傳感器。該儀器直徑為10厘米，現(xiàn)在在巴黎市工業(yè)物理化學(xué)學(xué)院展出。它內(nèi)部右側(cè)的鋼板上附有石英馬賽克

戰(zhàn)爭(zhēng)在兩國(guó)海軍都無(wú)法利用超聲波探測(cè)敵方潛艇之前就已經(jīng)結(jié)束了。從這個(gè)角度上說(shuō)，朗之萬(wàn)做的是一件失敗的工作。用于開(kāi)發(fā)新技術(shù)的財(cái)政投資并沒(méi)有挽救生命，也未能阻止協(xié)約國(guó)在1917年因U型潛艇而損失總計(jì)約600萬(wàn)噸的船只。但超聲波慢慢開(kāi)始引起學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和軍方的注意。

朗之萬(wàn)拒絕了移居美國(guó)的邀請(qǐng)，而是將注意力轉(zhuǎn)向了他發(fā)明的技術(shù)在和平時(shí)期的應(yīng)用。他與電氣工程師查爾斯-路易斯·弗洛里松（Charles-Louis Florisson）合作，開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商用超聲波深度探測(cè)設(shè)備，并申請(qǐng)了專利。第一次探測(cè)于 1920 年 10 月在尼斯附近進(jìn)行。到 1920 年代后期，他們的超聲波深度探測(cè)儀已獲得廣泛認(rèn)可并安裝在商船和客船上。1930年代，朗之萬(wàn)最初的發(fā)現(xiàn)被用于生產(chǎn)薄而小的石英板，這些石英板可以產(chǎn)生頻率超過(guò)1 MHz的超聲波束，并且不需要粘基板或馬賽克。

朗之萬(wàn)的超聲技術(shù)專利很快在英國(guó)和美國(guó)法院遇到了問(wèn)題。盡管在美國(guó)的案件拖延了20年，但他的知識(shí)產(chǎn)權(quán)最終在這兩起案件中都得到了成功的辯護(hù)。對(duì)這些案件提出異議的決定引起了學(xué)者們的注意，因?yàn)檫@似乎與他們的觀點(diǎn)相沖突，即科學(xué)是一項(xiàng)共同的努力，其結(jié)果應(yīng)該是公共資產(chǎn)。但朗之萬(wàn)的專利申請(qǐng)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(cè)設(shè)備提供商業(yè)保護(hù)；朗之萬(wàn)的妻子珍妮可能希望改善家庭的財(cái)務(wù)情況。

朗之萬(wàn)慷慨地將與專利相關(guān)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(guò)這種方式感謝居里兄弟發(fā)現(xiàn)了石英的壓電互易性，這對(duì)于其在超聲檢測(cè)中的使用至關(guān)重要。

第一次世界大戰(zhàn)后的所有超聲工作都源于朗之萬(wàn)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(jì)量和超聲波空化。在英國(guó)，與博伊爾合作的物理學(xué)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(jìn)行了許多基于朗之萬(wàn)工作的生物物理實(shí)驗(yàn)。

也許受朗之萬(wàn)工作啟發(fā)最著名的研究人員是伍德，他在戰(zhàn)時(shí)訪問(wèn)法國(guó)圖盧茲實(shí)驗(yàn)室期間對(duì)超聲波產(chǎn)生了興趣。戰(zhàn)后，美國(guó)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(gè)實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)盧米斯詢問(wèn)研究意向時(shí)，伍德想起了朗之萬(wàn)的工作，并建議他們探索“超音速”。利用以非常高功率驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)了巨大的宣傳效果。

盡管伍德在法國(guó)時(shí)便得知了朗之萬(wàn)的研究成果，但美國(guó)大多數(shù)其他科學(xué)家和實(shí)業(yè)家在 1917 年 6 月英法代表訪問(wèn)華盛頓特區(qū)時(shí)才了解到朗之萬(wàn)的科研突破。那次訪問(wèn)激發(fā)了亞歷山大·尼科爾森（Alexander Nicolson）對(duì)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(duì)石英壓電諧振器的研究。然而，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)從記憶中消失，人們對(duì)超聲波的興趣也逐漸減弱。直到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，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(wàn)成為歐洲最資深和最受尊敬的物理學(xué)家之一。在1920年代，他在法蘭西學(xué)院教授了一系列物理課程，主題包括超聲波、量子物理學(xué)、磁學(xué)和相對(duì)論。為了表彰他的資歷，他被選為第六屆和第七屆索爾維會(huì)議的負(fù)責(zé)人，這一會(huì)議是當(dāng)時(shí)物理學(xué)在國(guó)際上的熔爐。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)占領(lǐng)了法國(guó)，朗之萬(wàn)因戰(zhàn)前的反法西斯活動(dòng)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(xué)家、政治領(lǐng)袖、教育家和戰(zhàn)時(shí)抵抗運(yùn)動(dòng)的代表出席了儀式。全球許多國(guó)家的代表紛紛前來(lái)祝賀，其中包括英國(guó)、蘇聯(lián)、希臘、南斯拉夫和中國(guó)的相關(guān)人士。1946年12月19日，朗之萬(wàn)去世。他在生前和身后受到了廣泛的愛(ài)戴和尊重。

朗之萬(wàn)的遺產(chǎn)：醫(yī)學(xué)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(wàn)留給今天的人們最切實(shí)的遺產(chǎn)。1949年，在朗之萬(wàn)首次從事超聲工作30多年后，第一次醫(yī)學(xué)超聲會(huì)議在德國(guó)埃爾蘭根召開(kāi)。在會(huì)議上，朗之萬(wàn)的同事弗洛里松回憶說(shuō)，朗之萬(wàn)曾預(yù)測(cè)超聲波有朝一日可能會(huì)用于藥物治療。

保羅·朗之萬(wàn)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(guó)，而是在德國(guó)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。與脈沖回波系統(tǒng)一樣，工作頻率約為1 MHz的石英傳感器是技術(shù)突破的關(guān)鍵。用于治療的超聲波的科學(xué)原理是由柏林西門子公司的物理學(xué)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(duì)人體有益而不會(huì)造成損害。到埃爾蘭根會(huì)議時(shí)，至少有10家歐洲公司正在銷售超聲治療設(shè)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(xiàn)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(wàn)遺留的工作仍然彌漫在醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域。壓電傳感器仍然是超聲設(shè)備中使用的主導(dǎo)技術(shù)。聲功率依然使用輻射來(lái)測(cè)量，就像朗之萬(wàn)所做的那樣。傳感器分層是朗之萬(wàn)面對(duì)的一個(gè)主要問(wèn)題，現(xiàn)在也仍然是一個(gè)難題。折射和吸收引起的偽影仍需識(shí)別。諧波成像依然需要基于對(duì)有限振幅傳播的理解，這是朗之萬(wàn)在1920年代首次提出的。

卡迪是一位壓電領(lǐng)域的先驅(qū)，他在1946年將朗之萬(wàn)描述為“現(xiàn)代科學(xué)和超聲波藝術(shù)的鼻祖”。朗之萬(wàn)的科學(xué)天才在于解鎖石英的壓電性，同時(shí)令其充當(dāng)超聲波源和接收器，并開(kāi)發(fā)了第一個(gè)有效的超聲波脈沖回波系統(tǒng)。他的石英發(fā)射器為超聲波清潔、聲化學(xué)和手術(shù)開(kāi)辟了道路。他的脈沖回波系統(tǒng)使超聲源、無(wú)損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)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(jīng)濟(jì)高效、安全、便攜且無(wú)創(chuàng)的醫(yī)療技術(shù)。和平主義者朗之萬(wàn)肯定會(huì)贊許這一點(diǎn)。

資料來(lái)源 Physics Today