上一回我們介紹了游走於物理與文學之間的傳奇人物，東京大學出身的寺田寅彥。接下來我們來介紹寺田寅彥的徒弟，中谷宇吉郎（1900年7月4日－1962年4月11日），他還有一個響亮的稱號，就是「雪博士」。中谷宇吉郎與寺田寅彥一樣，都擅長用讓一般人容易理解的方式，向公眾來傳達科學，當然也包括他自己的研究。 他的著作包括《冬花》和《立春の卵》。 他還曾說過一句名言：「雪是來自天堂的一封信。」會講出這麼詩情畫意的評語的科學家是什麼樣子的人呢? 請聽阿文細細道來...

 

中谷宇吉郎於明治33年(1900)出生於溫泉鄉石川縣惠沼郡片山津町（現加賀市）。 英年早逝的考古學家中谷治宇二郎是他的弟弟。他們家是片山津的庄屋的分家。江戶幕府時代的庄屋就相當是村長，是介於武士與農民之間的一個獨特階層。但是中谷宇吉郎的父親身體不好，所以到了上學的年齡，他就在母方親屬的照顧下，搬到了大聖寺町（現在的加賀市）。當他從大聖寺町錦城初中畢業後不久，他的父親過世了。 同年，他進入舊制的小松中學（現為石川縣立小松高中），並在宿舍度過了五年。 父親去世後，照當時的習俗，宇吉郎應該去找份工作，負擔家計，但是他的母親卻堅持獨自經營家族的和服與雜貨生意，並且鼓勵宇吉郎繼續升學，所以宇吉郎下定決心繼續升學，他的目標是考上在金澤的第四高等學校。當時上了高等學校就等於進了帝國大學一般，可以算得上鯉魚躍龍門，反過來說，競爭非常激烈，名落孫山的機率很高，宇吉郎第一年就沒有考上， 當了一年的浪人，他跑去東京的預科學校學習了大約半年後，終於於次年（1919年）考上四高，進入該校的理科甲類。理科甲類主要是以英語為主，德語為輔，理科乙類則是以德語為主，英語為輔。在學期間，他完成了顯微鏡和解剖方面的訓練，他一度渴望未來能研究動物學或生物學，但是他在讀了田邊元的《近代自然科學》一書後，開始對理論物理產生了熱情。 有趣的是田邊元是哲學家，雖然進東京大學時念的是自然科學，但是1908年時轉入哲學系，從學於井上哲次郎、柯貝爾等人，1913年於東北大學擔任講師。1918年他受聘至京都大學，與西田幾多郎逐漸形成京都學派。1922年至24年，田邊元以文部省在外研究員的身份，赴德跟隨胡塞爾學習現象學，後來又轉向海德格的哲學。看來明治時代游走在文組與理組之間的人還真不少!當宇吉郎於1922年從高校畢業後，真的就選擇就讀東京帝國大學理學部的物理系，走上他的物理之路。

 

但是宇吉郎的人生再次受到外界的巨大影響!1923年9月1日，當他還是大學二年級的學生時，發生了關東大地震，整個關東地區都遭受了嚴重的地震災害。宇吉郎身心受到很大的打擊，讓他決心投入地震相關的研究。由於他在東大曾經被寺田寅彥指導過，所以他轉而從事實驗物理學，並成為他一生的志業。 1925年他從東京大學畢業後，立即進入理化研究所，成為寺田實驗室的助理。寺田寅彥在前一年就在好友大河內正敏力邀，成為理化研究所的兼任研究員。寺田寅彥是個很有魅力的老師，所以有不少仰慕他的學生來到他的門下，除了宇吉郎之外，還有地球物理学者坪井忠二，以及物理學家平田森三。他們後來也都成了科學家兼散文作家。

 

1927年，宇吉郎與東京帝大的學弟藤岡由夫的姊姊，著名的文學研究者藤岡作太郎的長女，藤岡綾結婚。隔年宇吉郎奉命赴英國倫敦國王學院留學。 他師從歐文·威蘭斯·理查生爵士(Sir Owen Willans Richardson)，理查生出身劍橋三一學院，在卡文迪希實驗室開始研究熱物體的電子發射現象。1902 年，理查生遴選為三一學院的院士。從 1906 到 1913 ，在普林斯頓大學擔任物理教授。1914 年，理查生回到英國，成為倫敦國王學院的惠斯登物理教授。稍後，晉升為研究主任。他最著名的成就是在 1901 年證實，從受熱金屬線放射出來的電子，其電流量與金屬線的溫度成指數關係。這關係的數學形式類似阿瑞尼斯方程式。這個關係式後來被稱為理查生定律。除此之外，理查生在光電效應、迴轉磁效應 (gyromagnetic effect) 、化學反應的電子發射、軟 x-射線、氫元素發射光譜等等物理領域也貢獻良多。 就在宇吉郎投入門下那年，理查生得到諾貝爾獎。但是就在他在英國深造的時候，故鄉傳來不幸的消息，留在日本的新婚妻子竟然不幸死於白喉，宇吉郎與他的恩師寺田寅彥一樣，遭受失去愛妻的人生悲劇。傷心的宇吉郎也只能強忍悲痛，繼續學業。

 

兩年後宇吉郎從英國留學回來後，就任北海道帝國大學新設的理學院的助教授。 雖然北海道帝國大學是1918年成立的帝國大學， 但是要等到1930年北海道帝國大學的理學部才正式設立。說起北海道帝大學，雖然是次於東京。京都。仙台，福岡的第5所帝國大學，但是它的前身札幌農學校，可是日本第一所頒授學士學位的大學、也是全日本第一所以英語為主要教學語言的學校。札幌農學校首任校長為威廉·史密斯·克拉克博士（William Smith Clark），他曾任美國麻薩諸塞州農科大學校長。克拉克博士返美途中經過札幌附近的島松時，騎在馬上，對送別的師生們大聲說了一句話：「青年們，要胸懷大志」（少年よ、大志を抱け、Boys, be ambitious）。從此這句話就成了北海道大學的校訓流傳至今。也就是由於克拉克博士的影響，北海道帝大特別以自由主義的傳統而自豪。1952年，東京大學校長矢內原忠雄這樣評價： 明治初年，日本的大學教育中有兩個中心。一個是東京大學，另一個就是札幌農學校。這兩個學校打下了日本教育的國家主義和民主主義兩大思想的基礎。 這所大學的風格與中谷宇吉郎十分合拍，他終其一生都在北海道大學工作。但是後來宇吉郎也吃了不少來自此地抱持和平主義態度同事的苦頭，這就留到後頭再來細說。

 

要晉升教授需要學位，所以宇吉郎在1931年獲得京都帝國大學理學博士學位。標題是“論不同元素的軟 X 射線發射，參考吸附氣體的影響。”1932年左右，他升等成為教授，並開始研究雪花，在北海道研究雪花，似乎再自然不過，可是雪花背後的物理可不簡單。雪花主要由飽和水蒸氣的零下空氣團中的無機和有機顆粒形成。冰晶透過將水分子以六邊形對稱排列附著在生成的冰晶上而生長。其中作用的內聚力主要是靜電力。儘管雪花從來都不是完全對稱的，但它們通常表現出大約六重對稱性，這是因為冰的晶體結構是六方的。 新鮮冷凍的冰晶是微小的六角形。 六花雪花的枝條（樹突）由獨立生長的六角形角和從枝條兩側獨立生長的小枝組成。 當雪花穿過雲層時，其生長微環境會動態變化，溫度和濕度的微小變化會影響水分子的附著方式。雪花的形狀多樣且複雜，據說「沒有兩片雪花是相同的」。 威爾森·本特利 (Wilson Bentley, 1865-1931 年) 是第一個嘗試尋找相同形狀雪花的人，他從 1885 年開始在顯微鏡下拍攝了無數雪花，並發現了我們今天所知道的各種形狀。從1933年開始，中谷宇吉郎開始觀察自然雪，並且製作了3000張清晰的雪花照片版本， 他拍攝天然雪並根據天氣條件對其外觀進行分類，並將它們分為幾種類型。他還在將空心玻璃管中的水蒸氣加以冷卻，形成了冰晶，這讓他認為有可能可以製造人造雪。但是製作雪花比他最初的預期還要困難多了，並不是一件容易的事。 因為冰晶並不會如他所想形成雪花，而是像毛毛蟲一樣生長，黏在他用作核心的棉繩上。為了突破實驗的難關，中谷宇吉郎在1935 年開設了低溫實驗室，並繼續使用各種材料製作冰芯進行實驗。 這些實驗表明，羊毛線比棉線更好，但它們仍然沒有產生期待產生的雪花形狀。 這一年他與陸軍騎兵中佐・寺垣丹蔵的女兒靜子再婚。中谷不屈不撓，終於在1936 年 3 月 12 日，也就是他第一次嘗試之後三年，他利用大學的低溫實驗室的設備，在兔子皮毛上的一根毛髮的尖端上創造了一片雪花!這是科學家首次實現了人造雪花的生產，是一項重大的突破。他持續研究試圖闡明了天氣條件與晶體形成過程之間的關係。 1937 年 12 月，他在實驗室裡拍攝了多種人造雪花的照片。 

 

也許是積勞成疾，到了1938年，宇吉郎被診斷出患有肝硬化，只好暫時停止實驗室的工作，乖乖地在武見太郎的指導下接受治療。 說起武見太郎，他可是曾在理化學研究所，在日本知名物理學家仁科芳雄的指導下，研究核子科學在醫學上的應用。1937年，他建造了第一台可攜式心電圖儀，並在1939年發明心向量圖機，而為人知曉的科學家。據說武見太郎當年醫學院畢業，進入內科研習時與教授不合而被迫退職，才會到理研去。後來他在銀座開業，成了許多政商名流的醫生。中谷雖然在這段時間不能作實驗，卻也沒閒著。他在當年的12月26日在《北海道帝國大學理學院學報》第2卷第1號上發表有關人造雪晶的內容。他的第一本散文集《冬花》和《由紀》（岩波新書初卷之一）也在這一年出版。

1939年，中谷宇吉郎執導了日本第一部科學電影《雪晶『Snow Crystals』》（東寶文化映畫）。這部電影的配樂是伊福部昭所製作的，伊福部昭是北海道帝國大學農学部林学実科学校（森林科学科）的學生，雖然在學時就對音樂非常有興趣，不但嘗試作曲，還跟同好組成樂團，不過他倒是把大學念完以後才投入音樂事業，他後來替日本電影「哥吉拉」系列寫配樂而聲名大噪呢。這部科學短片被送到華盛頓特區的第三屆雪委員會，在那裡放映，宇吉郎還收到委員會的致謝函呢。

當然雪博士不是只研究雪花而已，他還在低溫科學方面取得了重大成就，包括凍脹和防結冰研究。沒錯，你沒看錯，他研究的是凍脹，不是凍縮!寒帶地區發現土地在寒冬時會膨脹，解凍後會下沉的現象，會發生凍脹的原因是當大氣溫度低於冰點時，由於冰在地下形成結晶，土壤中的冰從凍結的表面開始，並沿著熱量損失的方向生長（即垂直向上朝向地面）所造成。冰的生長需要供水，由土壤中的毛細作用將水輸送。由於上覆土壤的重量，限制了冰的向上生長，就在土壤內形成一個透鏡狀冰區域。這些冰透鏡的形成能讓土壤，上升高達 1 英尺（0.30 米）或更多。土壤必須有足夠的孔隙度讓水性通過毛細管作用上升，但孔隙度又不能太高到破壞毛細管的連續性。這種土壤被稱為「易凍層」的土壤。冰透鏡的生長能不斷消耗在冰凍前沿的上升水。不同的凍脹會導致路面開裂——導致春季坑窪的形成——並損壞建築地基。日本寒冷地區的鐵路凍脹損害尤其嚴重，所以凍脹研究是有其實用價值的。 中谷宇吉郎被認為是這方面最重要的專家之一。 戰爭期間，凍脹成為重要的研究議題，1939年11月，北海道鐵道局成立了凍脹對策研究委員會，宇吉郎成為委員。 宇吉郎主要對凍膨問題發生的機制進行了調查和研究，工程學院的教員和鐵路局的工程師制定了技術對策，並取得了一些成果。中谷受札幌鐵路局（現為JR北海道）委託進行凍脹研究。 所以雪博士的研究不單是基礎科學的研究，對於工程也有很大的價值呢。

1941年，北海道大學決定以人造雪研究為基礎，成立低溫科學研究所，並於1943年成立，中谷成為首席研究員。 由於當時已經是太平洋戰爭打得火熱之時，軍事研究自然是該研究所的主要目的。成立後，中谷進行了「飛機防冰」和「北海道和千島群島的霧」的研究應軍方要求。 後者的目的是消除機場跑道上的霧氣。當軍方急於將研究成果投入實際應用時，中谷仍堅持強調基礎研究的立場，他說：「基礎研究是解決問題的唯一途徑。」1943年，新雪谷山頂建成了一座冰觀測站，但隨著戰爭的結束，它在1945年被拆除。 更糟糕的是，宇吉郎領導的北海道帝國大學低溫科學研究所的研究設施被1945年10月進駐札幌的佔領軍徵用，研究人員無處可去。 與軍方和技術學院共同建造的新雪谷山頂的研究設施即將被拆除。 於是，宇吉郎與澀澤慶三、石黑忠篤、武見太郎、鳥井信二郎聯繫，籌集捐款，於1946年2月匆忙成立了農業物理研究所。 據稱，該研究所的目的是將物理學應用於農業，特別是人為地克服天氣的影響，並為增加戰後所需的農產品產量做出貢獻。設立這個研究所的目的是為了維持戰爭期間在該研究所工作的眾多員工的生計。該研究所的總部將設在札幌市宇吉郎的家中，分支機構將設在新雪谷（當時的關塔村）。 此外，在同村的有島農場等北海道5處設立了分公司。 宇吉郎一家也從札幌搬來，住在有島農場的角落。 然而，在那裡，他們11歲的大兒子生病了，雖然他們一家回到札幌讓大兒子接受治療，他的長子最後仍然回天乏術。遭到喪子之痛的宇吉郎仍然必須在物質短缺的戰後日本努力主持農業物理研究所。直到1950年，由於戰後一直在農業物理研究所工作的許多工作人員開始找到新工作，農業物理研究所最後被解散。 在此期間提供管理支援的農林林業部農業研究所接管了宇吉郎在札幌的家，並在那裡設立了北海道分所。 

雖然研究所被解散了，所幸宇吉郎在這一段時間還是開創了一個新的活動領域。農業物理研究所對1947年8月15日發生的石狩川支流和忠別川造成的水災進行綜合調查，期間與低溫科學研究所、理學院、農學院、工學院、札幌氣象台都有合作。 1948年，宇吉郎在題為《洪水災害綜合研究》的研究報告中總結了這些成果，並以此為參考制定了《國土科學》的研究計畫。 這與日本國內開始在經濟穩定部下設立資源委員會，並根據美國TVA的水資源綜合開發政策制定綜合河流開發計畫有關。

1948年9月，宇吉郎一家從北海道搬到東京原宿，宇吉郎開始獨自在北海道大學工作。同時，1948 年 2 月左右，宇吉郎收到了一封來自國際冰雪委員會主席丘奇的信，邀請他參加9月在挪威的奧斯陸舉行的委員會全體會議並介紹他的最新研究成果。 宇吉郎開始為他的出席做準備，包括製作一部戰前電影進一步演變的電影並進行放映。1948年與日本映畫社合作完成了科普片《霜の華》和《大雪山の雪》，隔年又與日本映畫的工作人員吉野馨治、小口禎三合作成立了Laboratory Production ，它是岩波岩波映画製作所的前身。然而，在這部影片在製作過程中卻引發喧然大波，依據《北大百年史》的記載，由於美國的通用(GE)研究所向中谷提供的電影膠片是用美國空軍的研究經費所購買的，戰後北海道大學反戰氣息濃厚，跟美軍扯上邊是不得了的醜聞，這讓他受到不少詆毀，再加上他與低溫研究所的年輕成員開始時有扞格，所以後來他辭去低溫研究所的兼職，專任北海道大學教授。

當時出入境手續嚴格，外幣取得困難，所以宇吉郎不得不放棄前往奧斯陸，但是他還是出國了一趟。1949年7月到10月，宇吉郎不僅訪問了美國和加拿大的研究設施以及丘奇博士等研究人員，還訪問了TVA(Tennessee Valley Authority)。 9月的時候，他在湯川秀樹紐約的臨時住所住了三天，當時湯川秀樹剛從普林斯頓研究所來到紐約，擔任哥倫比亞大學的客座教授。一個月後，秀樹就被宣布獲得諾貝爾物理學獎。新聞出來時《讀賣新聞》還借用了宇吉郎和秀樹當時的照片，刊登在報紙上呢。回到日本的隔年1月，日本藝畫社教育電影部因製作《霜の花》而榮獲1945年朝日獎，以此為契機，宇吉郎開始認真製作科學教育電影，並與後來成為岩波書店社長的小林勇和羽仁進在1950 年 5 月。共同創立了岩波映画製作所。

回到日本的宇吉郎擴大了他的研究興趣，開始與他的學生井上直一 合作進行海洋研究，特別是潛水探測器的開發。 宇吉郎熱衷於推動北海道的漁業發展，他與 1949 年在函館成立的北海道大學水產學部教授井上直一等人合作，將這個想法付諸實踐。從1952年6月開始的兩年時間裡，宇吉郎受邀前往美國芝加哥附近伊利諾州威爾梅特成立的雪與永凍土研究所（簡稱SIPRE，現為美國陸軍冷岩土工程研究實驗室（CRREL））擔任客座研究員，並計劃進行為期一年的冰研究。 SIPRE是美國軍方的一個組織，同時也與明尼蘇達大學的研究人員合作，專注於基礎研究。 

宇吉郎很喜歡SIPRE的研究氣氛，所以向北海道大學申請將海外研究再延長一年。 獲得批准後，他在美國又待了一年。 研究接近尾聲時，宇吉郎向北海道大學低溫科學研究所所長吉田順五詢問可否利用該研究所的設施進行「冰晶生長的定量研究」。這個計畫將在美國空軍的研究經費支持下近型。 這個提議遭到校內外的激烈反對。 5月10日，該研究所的工作人員會議完全拒絕了宇吉郎的請求，並表示「接受此類研究經費進行研究是不可接受的」。 特別是，隨著東西方冷戰體系的強化，日本也開始談論建立軍隊，據說許多人擔心會再次開始科學家的軍事動員。 同一天，民主科學家會札幌支部發表了題為《不要成為造成死傷的科學家》的聲明（發表於1954年7月號《學園孝論》）。回過來看，這簡直是小題大作，但是戰後的北海道大學氣氛可見一斑。

雖然遇到這些挫折，中谷繼續他對雪花的研究，並闡明了自然界中如何產生各種圖案的雪花。 也是在1954年，哈佛大學出版社出版了他的《雪晶：天然與人工Snow Crystals: Natural and Artificial, 》，這是一本有眾多插畫的巨著，總結了他從北海道大學的工作開始對雪花晶體的研究。 儘管早已絕版，但它仍然是晶體形狀的經典參考，展示了科學研究如何透過系統觀察來準確描述自然現象。後來他發表了中谷圖(Nakaya diagram)，描述了水蒸氣、溫度、過飽和度和雲中多餘水蒸氣的密度之間的關係。從1957年起，中谷宇吉郎開始研究格陵蘭冰蓋(ice sheet)。從那時起，他每年都會前往格陵蘭島繼續他的研究，直到1960年。1962年4月11日，他因攝護腺癌在東京大學醫院去世。 他享年 61 歲。 

今天，中谷宇吉郎的研究所所在地北海道大學校園內矗立著一座六角形石碑，用來紀念中谷先生的成就。 他的第一台設備被保存下來在低溫科學研究所展出。這位來自溫泉鄉的雪博士經歷了喪妻喪子之痛，也曾受到高唱反戰的同事辛辣的批判，也許在他心中，滿天紛飛的雪花是他最大的安慰吧

 

參考資料

1. 中文 日文 英文維基相關條目