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标 题: 第十章 物理学的新时代（2）�
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月10日15:27:11 星期天), 站内信件
相对论
光线传播需要时间，是丹麦天文学家勒麦（Olaus Romer）在1676年发现的。勒麦
发现木星的一个卫星两次被食之间所经历的时间，在地球背木星而行时较长，在地球向
木星而行时较短。他由此估计光速为每秒192，000英里。
五十年后，英国皇室天文学家布莱德雷从恒星的光行差求得与此一致的结果。从地
球轨道面上的远星看地球，好象每年左右摆动一次，在相继的两个半年中，它的摆动方
向是相反的。如果这颗星射出的光线击中地球，那么这条光线的瞄准方向必须在地球的
前面少许，正如射击飞鸟必须瞄准飞鸟的前面一样。所以，如果星光现在射到地球真正
位置的右边，则六个月以后便会射到它的左边。这意味着：我们在不同的时季所看见的
远星射来的光线，不是互相平行的，在一年内看见虽好象在空间往返运动。从这个表面
的运动，可以计算光速与地球在其轨道运行的速度之比。
斐索（Fizeau）在1849年首先对光经过地球上的短距离的速度作了测量。他将一束
光通过齿轮上两齿间的凹处，再于三、四英里之外，用反光镜将光反射回来。如果齿轮
不移动，则反射回来的光束通过轮上的同一凹处，可在对面看到。但如果将齿轮急速转
动并调节其速度，则最后可找到一个速度，使射回的光束恰被下一个齿轮所遮住。齿轮
旋转这个小角度所需的时间，显然即是光束往返于齿轮与反光镜之间所经历的时间。
弗种设计了一个更好的方法。使从S缝（图14）射出的光束略成会聚的形式，然后
在平面镜R上反射，而聚焦于凹面镜M上。这束光由M循原点射回。如果R是静止的，则S
缝的影象将形成于S缝的本身上。然后以已知的速度使R急速转动，当光线往返于RM的距
离时，R镜已经转过了一个小的角度，因此光的回程RS’与RS不复叠合，而转动了二倍
于R镜所转的角度。于是测量SS’间的距离，便可计算光往返于RM间所需的时间。
光速最新的测量结果，比从前测量的稍小，即在真空内，为每秒186，300英里或2．
998×1010厘米，或在1／1000的误差内取为3×1010厘米。
如果的确有光以太那样性质的东西，那么由于它对于通过它的光要产生影响，显然
应该可以测定其运动。如果地球在以太中运动，而不扰动它，则地球与以太之间必有相
对运动。那么光随以太顺行时，其速度必较其反以太逆行时为大；而总计起来，它往返
横过以太流时，也当较其一次顺流、一次逆流时为大。好象游泳一样，往返对岸一次，
必较顺流、逆流同游相等距离的情形为速。
这就是迈克尔逊（Michelson）和莫利（Morley）在1887年所作的有名实验的要点。
他们将一块石头浮于水银之内，然后将仪器装置在石头上面，以防振动。光束SA（图比）
行至玻璃片A时，一部分为其所反射，一部分透射过去。这两部分光在B和D处又为B与D
两镜所反射。如果AB＝AD，则两道光的行程也相等，而在E处的望远镜内必可察见有干
涉效应。今若没想地球朝SAD方向运动，而不拖曳以太同行，那么以太将流过实验室，
也如风之流过树林，于是将使光经过ABA与ADA两行程的时间发生差异，而所得的干涉条
纹，将和以太相对静止时不在同一位置。今若将这仪器转过一个直角，则AB成为运动的
方向，而AD和它垂直，这时，干涉条纹应向相反方向移动。移动的总量为以上所说的两
倍。
但是迈克尔逊和莫利并没有观察到干涉条纹有可以度量的移动，于是断定地球与以
太之间并无可以察觉的相对运动。重复做这个实验的结果表明，在他们的假设下，这种
相对运动，必然小于地球在其轨道上的速度的十分之一。地球好象拖曳着以太同行。
可是在以先行差计算光速时，我们假设以太不被地球在以太中的运动所扰动。而且
洛治1893年在两个以（或超过）最大安全速度转动的重钢版之间，测量光的速度，也未
发现光速有任何改变。由此可见，质量这样大的东西并不拖着其附近的以太同行。那末
光行差的理论和从洛治实验中得出的推断，似乎又和迈克尔逊及莫利的实验结果完全不
一致了。
当我们得到这样相反的结果时，如果我们还相信自然的统一性，使我们就可以断定：
我们的实验和我们对于起作用的原因的看法，总有一个发生了错谬；一个富有兴趣而且
必需的观念上的革命就在我们的眼前，只看我们能否领悟。
解决这个矛盾的第一个有用的看法是菲茨杰拉德（G．F．Fitz-Gerald）提出来的，
又经过拉摩与洛仑兹加以发展。如果物质在根本上是带电的，或者物质的确是靠电力结
合在一起的，那么，物质在带有电磁性的以太中运动时，在其运动的方向上或有收缩的
可能。这种收缩除上述的现象之外，别无他法观察；一则因为效应太小，再则因为我们
用以测量的尺度本身也受同样的收缩，因而在其运动的方向上，长度的单位也变短了。
所以迈克尔逊与莫利的仪器，于转变方向后，也变更其大小，以至与地球经过以太时所
产生的干涉条纹的移动相抵消了。
这种必需的收缩是容易计算的。物体在以太流的运动方向上将按（l－u2/c2）1/2
均告的比例收缩，式中u为物体和以太的相对速度，c为不变的光速。
地球在其轨道上的速度为光速的万分之一。如果在一年的某时这是它经过以太的速
度，则迈克尔逊与莫利的仪器于转动一直角时将收缩二万万分之一，这种微量的改变足
以解释他们的结果。
这个问题停顿在这里若干年。无论其原因何在，所有测量光速的企图，不管是以太
流顺行或逆行，都得到相同的结果，即测得的速度没有可以觉察的改变。
1905年，爱因斯坦教授对于这问题，从另外一个完全新颖的方向加以考虑。他指出：
绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，一种形而上学的概念，而不是直接由物理
学的观察和实验得来的。我们经验所能及的唯一空间，是用尺度上二刻度间的距离所规
定的长度标准来测量的，唯一时间是用天文现象所规定的时钟来测量的。如果我们的标
准也发生了菲茨杰拉德收缩这样的变化，这种变化是我们觉察不到的，因为我们和这些
标准一道前进，也发生相同变化，但是，以不同方式运动的观察者却是可以觉察到这种
变化的。所以时间与空间，不是绝对的，而只是与观察者相对的。
这样看来，用任何仪器、在任何情况下测量，所得的光速总是一样的事实，便不须
解释了。必须承认，这个结果是新物理学第一次发现的定律。这样，可知由于时间与空
间的性质，相对于任何观察者，光总是以所测得的相同的速度进行。
这个测定的速度总是一样的，但是我们对空间、时间与质量作个别测量时，不论是
时间、空间或质量都没有表现出我们习惯于预期的那种但常不变性。迈克尔逊与莫利的
仪器，用我们不变的标准（光速）对它加以检验，在转动时并不表现长度上有变化。这
是由于我们跟随着它运动。但是，如果在枪弹飞过时，我们能足够准确地测量其长度，
我们应发现它较静止时为短，而且它的速度愈近光速，它的长度也就愈短。
这个实验很难实行，但用相对性原理很容易证明：射弹的质量对于静止的观测者表
现增大，而且依照长度缩短的比例而增大。设mo为低速时的质量，则高速u时的质量为
mo／[1-u2/c2]，式内c为光速。因此速度达到光速时，质量为无穷大。质量的改变可以
用实验证明。测定以近于光速的速度经过我们身边的射弹的质量，是现代科学的奇迹之
一。爆裂的放射原子所射出的B质点，可以使其经过电场与磁场，而测量其速度与质量，
象测量阴极射线质点的速度和质量时一样。假设以速度不大的B质点的质量为1，则下表
第二行为：根据相对论计算的、速度近于光速的B质点的质量，第三行为考夫曼根据实
验测量所得的B质点的质量：
质量与缓行质点质量之比
table10-3
B质点为阴性的电子，运动时等于电流。所以它们能产生具有能量与惯性的电磁力
场。J．J．汤姆生与西尔（G．F．C．Searle）按照这个推理的路线，计算过质量随速
度增加的数值，得到了相同的结果。所以质量的增加，象菲茨杰拉德的收缩一样，是与
电磁理论相符合的。
而且根据相对性原理，质量与能量是等价的。一份质量m，若以能量表之，则为mc2，
这里c是光速。这也是与麦克斯韦的电磁波理论相符合的。按照这个理论，电磁波具有
的动量等于E／c，这里E表示它们的能量。而动量为mc，于是我们便又提出E＝mc2了。
由此可见，这些原理引出了新奇意外的结果。如果我们在飞机（或以太机）内，能
以近于光速的速度飞行，则我们在运动方向上的长度，据地上观测者的测量，似已缩短，
我们的质量似已增大，而我们的时计也较一般的变慢。但是我们自己并不觉察有这些变
化。我们的尺子或已收缩，但是我们和我们四周的一切均已收缩，所以我们不觉其变化。
我们的法码或已增加质量，但我们也是一样地增加了。我们的时钟或许走得较慢，可是
我们脑里的原子也运动得慢了，所以并不知时钟走慢了。
但是，因为运动是相对的，地上的观测者也正以我们对他运动的相等速度，对我们
运动。所以我们对他加以测量时，便会发现他的尺度、质量与时间，也对我们表现变化，
正如我们的这些量对他表现变化一样。自我们看来他好象在运动的方向上，产生了畸形
的收缩，具有与其身体不相称的质量，而在身心方面迟钝得可笑；同时他对我们也有同
样的观感。双方都不觉得自己的缺陷，而对于对方的悲惨变化却看得很清楚。
我们不能说两方的观测者哪一个是错误的。的确，双方都是对的。长度、质量与时
间并非绝对的量。它们真正的物理数值，就是由测量所表示的。它们对双方不一样这一
事实说明，它们的意义只能相对于某一观测者而规定。绝对长度、绝对空间、绝对时间
或甚至时间流动的观念都是形而上学的概念，远远超过观测或实验所表示或证明的。
虽然如此，如柏格森（Bergson）所指出，在哲学的意义上，对于一个随着某系统
运动或在某系统内运动的人来说，所度过的那段时间，即用以测量这个系统中的事件的
时间，具有其特殊的、独一无二的重要性。但是在物理的意义上，时间与空间，单个来
考虑，则是随观测者的位置而定的相对的量。不过，明可夫斯基（MinkoWski）于1968
年指出，时间与空间的变化互相补偿，因此，这两者的结合，就是在这新世界里对于所
有的观测者也都是一样的。我们惯于想象的空间，有长、宽、高三维，而明可夫斯基指
示，我们必须把时间看做是“时空结合体”里的第四维，一秒钟相当于186，000英里，
即光在这时间内所行的距离。正如欧几里得几何的连续空间中，两点的距离，无论如何
测量都不变更一样，在这新的时-空连续区里，两个“事件”之间可以说有一个包括时
间与空间的“间隔”，这间隔无论何人测量，都有它真正绝对的数值。我们觉得在这个
变化不定的世界中，在这里找到了一种稳固的东西，因而想在这个相对性的王国内去寻
求其他能保持其绝对性的量。在我们已知的量里，我们认为下面几个仍属绝对的量：数，
热力学的熵，以及作用（作为量子的能量与时间的乘积）。
在空间与时间互不相干的旧世界里，人们习惯于把三度空间的整体看做是同时随着
时间过去的。世界的过去和将来之间，好象隔着一个“现在的平面”，这个平面在同一
刹那间伸展至空间的全部。但自1676年勒麦发现光以有限的速度进行以后，人们必定认
识到，同时出现的星星实际上存在于不同的过去时间（现其不同的距离而定），至今才
同时为人所看见；这样“同时”的意义便消失了。昔人信念中的绝利的“此时”变成仅
仅是相对的“所见的此时”了。
科学中最近的发展已增强了相对性的观念。假设一位以光速旅行的人，游历星球，
而在一年以后重返地球。在我们看来，在他飞行对，其质量好象大至无穷，而其脑筋的
反应慢至无穷。我们觉得长了一岁，而他则以为时间毫未过去，他还停留在我们去年的
“此时”。由此可知，认为过去与未来为一平面所划分，这个平面对于所有地区和所有
人类都一样，这一类概念必须摈弃。必须从爱丁顿所谓的“此地－此时”（here－now）
的一点，在空间绘出几条“所见的此时”（seen－now）线，与时轴（time－axis）成
一角度，而这个角的正切等于光速。在这样绘出的三维面（类似于二维的一对锥形或滴
漏形的曲面）内任何一处，我们可以找到一个绝对过去与绝对未来。在此以外，事物可
以在任何观测者都觉得是不同的时间中同时存在。将过去和未来分开的劈形中立区可以
叫做绝对的现在或绝对的地处，视我们从时间的角度还是从空间的角度去看它。
我们凭直觉意识到的时间自过去到未来的流动，在可逆的物理学中，是没有对应的。
普通动力学系统（无论其为地上的或天文的）的运动方程式，从正反两个方向去了解都
一样；我们不能从牛顿的公式说明行星朝哪一方向围绕太阳运行。
但是，在热力学第二定律和孤立系统中熵循一个方向向极大值增加的例子里，我们
可以找到一个只能向一方进行的物理过程。因为互相冲撞而形成的分子的无规律散射，
只能使这些分子接近于误差律所规定的分配速度。除非我们召唤麦克斯韦的“魔鬼”把
各个分子控制起来，或守候长久的时期，以待分子因巧遇而联合成群，否则，只有赖时
间的倒流才能使这个混杂的过程逆转。如果我们看见速度相等的分子逐渐类聚成群，我
们可断言时间在倒流。热力学第二定律，熵增大的原则，说明一个重要无比的自然过程，
相当于人类意识中时间一去不回头的前进。
相对论与万有引力
1894年，都柏林的菲茨杰拉德说：“重力可能是由于物质的存在使以太结构发生变
化所致。”这句用旧物理学的语言说出的话，表达了爱因斯坦1915年把广义相对论应用
于万有引力所得的结果。他证明空间的性质，尤其是光的传播现象表明，除非是在无穷
小的区域内，明可夫斯基的时－空连续区和黎曼的空间相似，而不是和欧几里得的空间
相似。
在这种时－空里，有些天然路线，同三维空间里，我们所惯于想象的，物体不受外
力作用时所走的直线一样。既然抛射体向地球坠落，行星围绕太阳运行，可见这些路线
靠近物体时即发生弯曲。因此，在物质的附近，必定有某种类似“时－空曲率”的东西
存在。另一物体进入这弯曲的区域时，即循一条一定的路线走向或环绕这团物质而运行。
的确，当我们从质量的角度而不是从电的角度去着想时，现今所谓物质的意义，不过是
有这种曲率存在的时－空区域而已。如果我们阻止这第二物体的自由行动，如借椅子或
地面的分子的冲撞使其停止的话，我们就是对它施力，但这物体却觉得这是由于它自身
的“重量”所造成的。
这种效应容易用电梯加以说明。当电梯开始上升时，它受到一个加速度。这加速度
在乘客看来，好象是其体重的暂时增加；增加之量，的确象普通重量一样，可用弹簧秤
去衡量的。加速度的效应与所谓万有引力场中的暂时增加的效应完全相同，而且现在还
不可能用我们已知的任何实验方法把这两个原因区别开来。
不过，如果现在让这电梯自由坠落，乘客将不会感觉他们在运动。如果有一乘客释
放其手中的苹果，它不会比电梯坠落得更快，而仍将留在乘客身旁。这个首次把相对论
运用于万有引力的“等价原理”，是爱因斯坦在1911年提出来的，数学上的困难是几年
以后才得到解决的。
由此可见，牛顿关于万有引力的假设可以是不需要的。物体向地球坠落或围绕地球
而运行，也许只是跟着它在时-空弯曲区域内的自然路径运行而已。
计算表明，这个理论的推论与牛顿的理论大致相同，——就一般观测的精确度而言，
大体上是一样的。但是，对于一两个现象，却可以设计一种决定性的实验。其中最有名
的一个是光线为太阳所偏折的观测。根据爱因斯坦的理论，算出的这种偏折度是根据牛
顿的理论算出的二倍。观测这种微小偏折的唯一方法，是在日全食时拍照太阳圆面附近
的星象。1919年日全食时，爱丁顿、克罗姆林（Crommelin）分别在几内亚湾的普林西
比岛和巴西两处进行了这一观测。结果表明接近太阳的星象，同远离太阳的星象相比，
有所移动，而且移动之量适与爱因斯坦的理论相符合。
其次，水星轨道每世纪有42角秒的差异，是牛顿的理论所不能解释的，但为爱因斯
坦所阐明。他算得的数字为43角秒。
第三，按照相对性原理，原子在万有引力场内振荡应当较缓慢。平均说来，太阳光
谱中的谱线，由于太阳上的重力较强，与地上相当光谱的谱线相比，应该向红色一端移
位。这个预期的移位很难查出，但是实验数据的比较。表示其确实存在。在密度大的恒
星的光谱内这种位移较大，有人已经在假定其为真确的前提下，应用这一学说来测量恒
星的密度。
由此可见，要想作精密的计算，牛顿的理论是不及爱因斯坦的理论的。在量子论与
相对论两个方向上，现代物理学似乎正在摆脱伽利略时代以来一向指导物理学而卓有成
就的基本概念。新的思想须有新的工具去表达。在某些方面，事情已经很清楚，领导现
代科学经过两个光荣世纪的牛顿动力学，已经证明不足以担负现今知识所赋予的任务了。
就连原来是古典力学基础的物质的概念，至今也归于消失。所谓物质占有空间而历时不
灭的基本观念，今已失其意义，因为空间和时间既非绝对的，亦非实在的了。现今所谓
物质，只是时－空中发生的一串事件，以未知的而或有因果关系的方式相联系。由此可
知，相对论已加强了最新原子理论所得的结果。牛顿的动力学仍能预测物理现象至高度
的精确，仍能解决天文学家、物理学家与工程师的实际问题，但作为最终的物理概念，
他的理论只留其荣誉于历史中了。
从广义相对论推导自然定律的最好方法或许就是1915年希尔伯特（Hilbert）所应
用的最小原理。亚历山大里亚的希罗曾发现反射光所走的路线，常使其所经行的总距离
为最小值。十七世纪费马把这一原理发展成为一个普遍性的原理——最短时间原理。百
年以后，莫佩屠斯、欧勒与拉格朗日又把它发展为动力学的最小作用原理，而哈密顿于
1834年表明，一切万有引力的、动力学的和电的定律都可以表达为最小值的问题。希尔
伯特证明：按照相对论原理，万有引力的作用在于使时－空的总曲率成为最小值，或如
惠特克（Whittaker）所说：“万有引力不过是代表宇宙要伸直自己的一种连续努力而
已。”
广义相对论马上就废弃了由万有引力而生机械力的观念，重力成为时－空的一种度
规性质。但是带电或磁化的物体仍然必须看做是受了力的作用。韦耳（Weyl）等人曾企
图把电磁体纳入广义相对论理论中，但未完全成功。1929年，爱因斯坦宣布，他研究出
一种新的统一力场理论。这种理论认为空间是一种介乎欧几里得空间和黎曼空间之间的
东西，这样一来，电磁力也就成了时－空的一个度规性质。
1929年，爱丁顿宣布，他在另一个问题上把不同概念协调起来。电子的电荷e以hc
／2xe2的组合形式出现在两个电子的波动方程式里，式内h为量子的作用量，c为光速。
爱丁顿根据量子论与相对论算得这个组合式的数值为136，而根据米利根最近测得的e值，
算得这个组合的值为137．1。这里的误差已超过实验的可几误差，但其近似也颇饶兴趣。
的确，所有这一切现代的概念很有可能在一个新的物理的综合下统一起来。
物理学近况
本书第六章所叙述的热力学的基本原理引导汤姆生与焦耳对气体的自由膨胀进行实
验，因而促成绝对温标与氢和氨的液化（234页）。以后的年代里，这些方法被应用到
工艺上去，于是为工业提供大量的液态空气与其他液态气体，并使物理学家、化学家、
工程师得到极低的温度。在大气压力下，氢的沸点为－252．5℃，氦的沸点为－268．
7℃。这里可以有趣味地指出，1931－1933年间，卡皮查（P．L．Kapitza）为液化氢与
氦设计了一种新型的绝热仪器。这是一种具有松弛活塞的往复机。气体在液态空气或氮
里冷却，在机器内受到25－30个大气压，然后使其从活塞和圆筒之间的缝隙间逃逸出去。
这样气体就得到进一步的冷却，终于为汤姆生－焦耳的方法所液化。利用现代仪器所造
成的低温，离绝对零点还不到一度的几分之一。
泰勒（Geoffrey Taylor）爵士用数学方法与实验方法研究，而且接近于提出一种
完善的理论。他的研究结果在很多方面可以应用于湍性流体在管道里的流动以及晶体的
受范形变，在气象和航空上，用途尤广。
卡皮查于1924、1927年和以后的年代中，先在剑桥、后在莫斯科提出了一个测定金
属的磁性和其他某些磁效应的新方法。这个方法的基本特点是在若干分之一秒的时间内，
给绕在试件上的测试线圈通以强大电流，快速工作的目的是为了避免过热；在通电时间
内，实验是依靠自动装置来进行的。起初，电源是用一组缓慢充电、快速放电的蓄电池；
后来用一台2000千瓦的单相交流发电机，当发电机通过测试线圈短接时，电能量的供给
是依靠储藏在发电机转子里的动能。当电动力等于零时，自动开关接通了电路；当电动
力再一次等于零时，自动开关就将电路断开。这样一来，仅仅半周波交变电流起作用，
作用时间大约为1／100秒。发电机的绕组经过特殊的设计，可以产生顶部平坦的电流脉
冲波，因此在这很短的时间内，磁场几乎保持不变。磁场可以达到几十万高斯的程度。
实验装置的造价很高，需要大规模工艺设备制造，需要建造特殊的实验室来安放它们。
线圈和发电机相距20米，在短路冲击到来前，整个实验就结束了，而这种冲击以每秒
2000－3000米的速度，通过地面传向实验装置。
卡皮查与斯金纳（H．W．B．Skinner）在第一个厂房用13万高斯的磁场研究了塞曼
效应。卡皮查在第二个厂房测量了铋和黄金的晶体的电阻率。他们发现磁场的变化弱的
是按平方律，强的是照线性律；在室温到液态空气温度之间的温度范围内测量了35个金
属元素。1931－1933年间，利用卡皮查设计的液化氢和氦的新仪器，在相当大的温度范
围内，测定了许多物质的磁化率。
本书376页介绍过热离子学的初期研究工作。理查森爵士首先详细地研究了电子在
真空里从热体逃逸的现象，而且给以完整的说明。同时他在光致发射方面的研究也有助
于解释物质与辐射间的相互作用。他也研究了和化学作用有关的电子发射，对于填补紫
外光谱与X射线光谱之间的缺隙也有相当的贡献。最近理查森更应用新量子论去解决氢
光谱和氢分子结构的问题。
人们为了研究现代物理学，发明了许多新仪器，这些新仪器也引出不少新的问题与
其解答。在这些新仪器之中，我们必须提到电子显微镜。上面讲过，电子流在磁力作用
下，离开其直线路径而偏折，正如光线为透镜所偏折一样。而且正象透镜可以借光线而
形成一个放大的像一样，磁力也可以用来在照片底版上形成一个图案。因为与电子有关
的波的波长是光波波长的百万分之一，所以这些波能够给微小的物体造成一个明晰的形
象。例如病毒，已被拍照下来，还有人尝试把分子那样大小的结构，拍照下来。
电磁波的理论应归功于麦克斯韦（1870），电磁波的第一次发现归功于赫兹
（1887）。电磁波在无线电报与电话上的使用靠了两种发明：（1）马可尼（Marconi）
将天线用于发播和收集信号，并使足够的能量发生作用；（2）上述热离子管研究成果
的应用。
赫兹和早期的实验者所用的电磁波是感应圈所发出的电振荡；这些电波因阻尼大，
很快便消失了。但无线电波的传递需要连续而无阻尼的列波。如果将热的灯丝和电池的
阴极联接，再使灯泡里的一个金属板和阳极联接，灯丝所发出的电子便会形成连续的阴
电流，从灯丝传到金属板。可是将电极互易，使无显著的电流通过。可见热离子管可以
用作整流器，使半波通过，半波受阻。如果用铁丝网作成栅极，放在热灯丝与板极之间，
而且使其带阳电，它便加强电子的发射，因而增加了热离子流。但是，相反地，如使其
带阴电，则会使热电子减少。当电位发生逆转时，电流往返振荡，于是交流便重合在直
流上。将这些往返的振荡通过变压器的原电路，再从剧电路回去，给栅极以其固有的交
流电位，这样便维持住仪器的作用。由此可见热离子管有两种用途，即发射稳定的无阻
尼的列波，并于接收时起整流的作用。使这些调整后的电流产生每秒100至10，000次的
断续，再使其经过电话机，便可发出一个相当于音频的声音，因而形成了无线电话。
从无线发射出去的能量，可以分为沿地面传播的地波和在地平线上空传播的天波。
天波，保持其能量的距离比较其在空间自由传播时所可以预期的要大得多。电波之所以
能在长距离上传递，是由于日光使地球高空大气电离，而成为了导体。这一部分大气叫
做电离层，也叫做肯涅利-亥维赛层（Kennelly－Heaviside layer）。这个名称是按照
首先发现它的两个人的名字命名的。电波进入这一导电区，受到反射与折射而回到地面，
如果距离相当长，电波又由地面反回电离层，如是往返数次，好象在甬道里传达一般。
靠了研究长距离无线电波的形态，获得许多关于电离层或多层电离层的知识。从事这一
工作的先有阿普顿（Appleton）爵士与巴尼特（Barnet），后（1925）有美国的布赖特
（Breit）与图夫（Tuve）。后两人使用的是短暂的脉冲波。1926年，阿普顿证明，高
出地面150英里还有一个反射或折射层，比其他层的电性更强。这种反射使无线电波的
行径发生弯曲，因而使环球传递成为可能。同一原理也应用于无线电定位，即现今所谓
的雷达技术。
固体反射电波，因而在发射处产生回波。这一原理在战争时期有极大的价值，导至
1939－1945年间雷达在各方面的惊人发展。
脉冲方法可用于大多数目的。一个电振荡器发出一个厘米波的猝发辐射，有时历时
不过百万分之一秒，由磁控电子管供给以足够的能量。这种磁控电子管是伯明翰大学的
一个工作组设计的一种装置。利用天线使能量集中于一个十分确定的波束里。这束波在
空间搜索，正如探照灯之照亮远物一般，因而可以发现远处的船只、飞机、飞弹、地形，
甚至即将来临的风暴中的雨点。回波被他拍接收机所捕获，而在阴极示波器上表现出来。
1940年，英国的雷达发现了敌人飞机的来袭，在不列颠战役中起了很大的作用，使
少数人能够拯救很多人的生命，继后与美国合作，证明盟军的雷达的优越性，大有助于
赢得最后的胜利。
海战与航海也因此发生了革命性的变化。由于雷达可以定出远处的船位，因而可以
在敌舰还没有出现在视线内时便开始攻击。雷达不受黑暗的妨碍，它可以导引船只穿过
雾气，安全入港，且可以导引飞机到达轰炸目标而又返回基地。
核型原子
上面说过，放射物质所发射出的带有阳电荷的质点在云室里的踪迹，通常都是直线
的，但是偶尔也可以观察到方向的骤然改变。1911年，卢瑟福根据比较间接的测量导出
这些罕见的偏折，因而他想象原子的中心有一个微小的阳电核，在碰撞时把a质点排斥
出来。
起初原子被看做是一个行星系的结构，阴电子环绕核心，在牛顿式的轨道上运行。
但是上面说过，量子论的创立与应用，在原子的概念上引起了一场革命。新理论的主要
特点在上述的那个时期里已经建立。但是在以后的年代里又掀起另外一场观念上的革命，
主要是由于发现了原子内新型粒子并且发现了产生、计数和使用它们的方法。
在叙述这些新的粒子以前，我们必须追溯一下阿斯顿等人在元素及其同位素的原子
量的知识方面所取得的巨大进展。阿斯顿的质谱仪（第一部质谱仪规时陈列在南肯辛顿
科学博物馆内），是根据J．J．汤姆生研究阳射线的仪器的原理制成的。玻璃球B（图
17）为水银唧筒维持在低压下，其中盛有要研究的元素的挥发性化合物，或者是这种元
素的卤盐所构成的阳极。阳极在A，阴极在C，其中穿有一隙缝S1。从阳极来的经过阴极
隙缝的阳射线，再经过第二隙缝S2形成一个狭窄的阳射线束。这一窄束又经过两绝缘板
E1和E2之间，这两极同200－500伏的电池组的两极联结，这样，这一射线束就展开成为
一个电波谱。再利用两个光栏将这波谱的一部分隔离，然后使它在电磁铁M的两极之间
经过。两个接地的铜版F保护这些射线，不受偶然的电场的影响，于是射线形成隙缝的
聚焦像，而落在照相底片上。电磁力所造成的偏折，使速度不同而有相同的e／m（电荷
-质量比）值的射线，聚焦在底片的同一点上。
如果取一条谱线作为已知，把它与未知电磁场里的其他谱线比较，便可测定原子射
弹的相对质量。或者将磁场维持不变，调整电场，使未知谱线占据已知谱线先前所占的
位置，也可以根据电场的强度算出相对质量。这两个方法均可以将已知和未知粒子的质
量加以比较。这个仪器所给出的测量值仅仅取决于质量，所以叫做“质谱仪”是很恰当
的。第一台仪器所测得的质量，误差为1／1000，第一台改进到1／10，0000芝加哥的登
普斯特（Dempster）发明了另一种仪器，内有磁场使射线弯曲成半圆形。还有一种质谱
仪是哈佛的班布里奇（Bainbridge）所设计的，可以用来进行很精密的测量。
1919年，阿斯顿的第一台质谱仪使用之后，研究成果纷至沓来。两条确定的谱线证
实了汤姆生研究氖的结果，在某一时规里差不多每个星期都有新的同位素发现。1933年，
阿斯顿在他的《质谱与同位素》（Mass Spectra and Isotopes）一书中说：“在一切
已知有相当数量存在的元素里，现在只有18个还没有分析过”。到1935年，人们已经知
道有250种稳定的同位素了。最复杂的元素好象是锡，它有11种同位素，其质量数目112
至124。根据这些实验，普劳特首先提出的原子量是整数的规律，已经得到证实。210这
个数字以下，差不多每一个数字都有一个稳定的基本原子。许多位置，两次或三次被某
些同位素占去，它们叫做“同量异位素”，换句话说，即是重量相同而化学性质不同的
原子。
如上所述，α和β粒子的性质已为卢瑟福早期关于放射现象的研究所肯定了。a粒
子是氦原子核，根据阿斯顿的测量，它包含一个4．0029（氧取为16）的核质量和一个
阳电荷＋2e，即两倍于电子上的阴电荷-e。a粒子运动的速度在每秒2×109厘米或10，
000英里左右。氢原子核或质子，包含1．0076的质量与一阳电荷＋e。伯奇（Birge）指
出，事实表明有氢的重同位素存在，同时吉奥克（Giauque）与约翰逊（Johnson），继
后有梅克（Mecke），根据观察带状光谱的结果，取得质量为17与19的重氧存在的证据。
1932年尤雷（Urey）用分馏法发现氢的同位素，其质量为2，等于正常氢的两倍，
在一般氢元素里仅占1／4000。这种重氢（2H）叫做“氘”（D）。如果使电荷从其中通
过，有些原子失掉一个电子，而成为正离子，被人叫做“氘核”。它们好象是质子和中
子联系在一起的结构。瓦什伯恩（Washburn）把普通水电离，得到一种新物质：重水，
其中氢为其同位素氘所代替。重水为刘易斯所分出，密度比寻常水大11％，而其冰点与
沸点也不相同。现在已能制造重水，中性氢（1H）的质量可以更准确地测定，其值为1．
00812。
还有另外一些时常穿过大气而来、贯穿力更强的射线，可以在威尔逊云室内探测出
来。它们的来源好象在宇宙空间里。这些年来有很多人去研究它们，特别是米利根和他
的同事们。这问题可以说开始于1909年，起初是格克耳（Gockel），后来是海斯（Hess）
与科赫斯特（Kolhorster），都发现验电器放在升空气球上，比在地面放电更快。这说
明位置愈高，造成电离的射线愈多。1922年，包温（Bowen）与米利根将这些实验拿到
55，000呎的高空去做，1925年米利根与卡梅伦（Cameron）将验电器逐渐下沉到70呎深
的没有镜的水里而发现放电率连续减少。在以后的年份里，有些观测者走得更远。这些
射线的贯穿力比地上任何射线都大。地磁对于这些射线的效应，说明其来源不在高层大
气里。而且，这些射线的强度昼夜都是一样，因而它们不是从太阳而来的。当银河不在
南半球的地平线上时，仍然有这些射线，因而它们的来源也不在我们的星系里，所以它
们当是从银河系以外的天体或自由空间而来。
这些宇宙射线的能量可以根据其穿透力加以粗略估计。安德生（Carl Anderson）
与米利根首先做了比较精确的测量。他们使宇宙线通过很强的磁场，而观测其偏折。能
量在6O亿（6×10[9]）电子伏特左右相当确定的范围内变化。安德生于1932年利用这仪
器发现具有阴电子质量的阳性粒子。这种阳电子，早由狄拉克据理论预言其存在。这种
粒子后来被命名为正电子。读者当记得，以前已知的最小的阳性粒子是氢原子的核（质
子），其质量约2000倍于电子。正电子的发现又使我们对于物质的概念发生根本性的改
变。
和其他带电粒子一样，正电子穿过物质时产生电磁波。宇宙线的频率比X和Y射线为
高，其范围在每秒1022至1024周，而可见光的频率只有1014周。这些频率不是直接测定
的，而是将能量除以普兰克常数h而算出的。
1923年，康普顿根据量子论，提出可以和电子与质子相比拟的辐射单位的概念，他
将这个单位命名为光子。如果一个光子以足够的能量打击一个原子核，特别是重原子核，
一对正-负电子同时出现于云室里。这是1933年布莱克特（Blackett）与奥基亚利尼
（Occhialini）首先提出，不久即为安德生所证实的。这类成对的电子的动能约为160
万电子伏特，而入射光子的能量为260万电子伏特。这100万电子伏特的差数可以量度电
子对的“固有能量”，是具有辐射能量的光子的物质化，这表现辐射转化为物质。反之，
假设正负电子互相湮灭，就有两个电磁辐射的光子，每个的能量为50万电子伏特，从相
反的两个方向射出。这个设想于1933年经提博（Thibaud）与约里奥（Joliot）由实验
加以证实。
在海平面处已经发现具有三、四十亿（109）电子伏特的宇宙线。它们常以簇射
（阵雨）的形式出现。在14，000呎高的尖峰山（Pike’sPeak），这现象尤其常见。根
据贝特一海特勒（Bethe－Heitler）的簇射形成理论，一个入射高能电子先将其能量转
化为“冲击光子”，这光子产生电子对，每个电子重演这一过程，直到所有的能量一律
降低，成为低能的光子与电子。从地球外面来的正射线可能不会达到海平面，至于在云
室里所观测到的高能正负射线，可能是在大气里形成的次级宇宙线。1934年，安德生与
尼特迈耶尔（Neddermeyer）假设具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒
子的踪迹，这种粒子经安德生命名为“介子”。这两位物理学家于1938年证实了他们的
假设，测量得这些粒子的质量为电子质量的220倍，1939年别的观测者又量得为200倍，
而质子的质量约为2，000倍。由此可见，要说明物质的结构，需要一个多么复杂的图案！
在大多数的情形中，宇宙线里的粒子多是电子而很少质子。这表示宇宙线在进入太
阳系以前不可能穿过很多物质；这样它们的来源好象不可能在银河系里的恒星上，而必
须在银河系外的空间。
宇宙线的成因与来源仍然是一个只能猜度的谜。人们提出的假设有如下几种：（1）
电子经过某一天空静电场降落而形成说，（2）经过双星磁场形成说，（3）按照爱因斯
坦方程式mc2＝E，物质质量一部或全部转化为宇宙辐射说。蕴藏量最丰富的元素可能释
放的能量由110至280亿（1．1至2．8×1010）电子伏特，一半射向一方，另一半射向反
对方向。所以一半所给出的能量在5至14×109电子伏特之间，观测所得的数值大致也是
这样。
上面讲过，1919年卢瑟福发现，用a粒子轰击某些元素，例如氮，引起原子的变化，
因而发射出运动迅速的氢原子核（质子）。这发现不久即为布莱克特所证实。他在威尔
逊云室里拍照了质子的踪迹。这发现是在受控原子变化实验方面取得巨大进展的起点。
这些受控原子变化实验取得了惊人的成果。当波特（BO比）使质量为9的铍元素受到这
样的轰击时，他得到一种贯穿力比铀射出的最硬的Y射线还强的新辐射。1932年，查德
威克（James Chadwick）爵士证明这种辐射的主要部分不是Y型的射线，而是一些运动
急速不负电荷的粒子流，其质量大约与氢原子相等。取得这些粒子的方便办法就是，将
几毫克的铀盐与粉末铁混合，而封闭在一管内，这种粒子即从管壁逸出。由于这些粒子
不负有电荷，因而称为中子，在其行程里，它们可以自由地通过原子，而不造成电离。
下表列举了1944年已知的粒子，无疑以后还有更多的发现：
table10-4
除了这些算作物质的粒子之外，还有作为辐射单元的光子。宇宙真是复杂而神秘。
费瑟、哈金斯（Harbins）与费米（Fermi）证明中子，特别是慢中子，虽然不能引
起电离化，但却可以十分有效地促进原子核变化。它们不象a粒子那样受带正电荷的原
子核的排斥，因而容易进入较密的原子核，而改变其性质。例如使用渗透有锂盐的底片
进行实验时，在显微镜里便可看见相反的两个踪迹。使用硼，特别是用一种铀的轻的同
位素，也可发现类似的变化。
居里－约里奥夫妇用a射线直接轰击这些轻粒子，得到一些新的放射物质。例如硼
受了a射线轰击一会之后，便发出正电子流。其放射性的衰变和正常的放射性相似，是
时间的几何级数，在11分钟内衰减一半。这种植变可以下列化学方程式表示：
10B＋4He→14N→13N＋中子。
氦核14N因具有过多能量，是不稳定的，于是分裂为比较稳定的13N与中子。然后
13N更缓缓地转变为稳定的碳原子与正电子：
13N→13C＋Σ＋。这种放射性的氦可以作为具有氦的化学性质的放时气体收集起来。
人们已经利用a射线、速质子，特别是慢中子使很多种物质变成放射物质，其中慢
中子就是对于最重的元素也是有效的。以上只叙述了用直接间接由放射物质得来的各种
粒子轰击元素而造成元素的受控嬗变的情况。这样直接间接由放射物质得来的粒子为数
不多，因此多年来物理学家希望发明人工制造有效的强粒子流。后来这种希望是实现了。
在氢或其同位素氘里放电，可以得到大量的质子与氘核，但要使它们达到造成嬗变
所必需的高速度，必须在很强的磁场里把它们加速。要取得高达百万伏特的高电压，便
需要大型的工艺装置，并需用现代的高速唧筒，以维持高度的真空。
科克拉夫特（Cockcroft）与瓦耳顿（Walton）在剑桥进行的实验是这方面的开路
先锋。他们利用一套电容器与整流器将变压器的电压增高，现在所期望的是用大型装置
取得具有200万伏特电压的直流电，它能产生长20呎的火花。还有一种静电装置是华盛
顿的范·德·格拉夫（Van de Graaff）所设计制造的，这装置内有一传输器，不断地
将电荷送入一个中空金属绝缘球去，以致达到500万伏特的高电位。
加利福尼亚的劳伦斯（E．Lawrence）教授发明一种加速器，名叫“回旋加速器”，
离子在这装置里经过一个交流电场，和与之正交的磁场。这个装置使质子和氘核循半径
递增的螺旋形的路径而运动，间续地进出于电场。为了达到交流电位的某一特定频率，
离子总是在电力处在可以把离子进一步加速的运动方向上的时候进入电场。这样，劳伦
斯得到了质子和氘核的强粒子流，其能量高达1600万伏特，而具有100微安的电流。这
样获得的效果等于16公斤的纯镭所射出的α粒子。
这一类的装置无异是将极强有力的武器放在实验者的手里。科克罗夫特与瓦耳顿证
明，可以用大约十万伏特的质子，使锂与硼产生人工的嬗变。从这种电压以至回旋加速
器的几百万伏特，现代的实验室现在有了一系列能量范围很广的可以引起嬗变的射弹。
锂有质量为6和7的两种同位素。在质子的轰击下，有时一个质子进入7Li的梭。这
样产生的8Be不稳定，立即分裂为两个快速的a粒子，即氦核，循相反方向射出。如果用
氘核代替质子去作射弹，6Li捕获一个氘核之后，又产生一个8Be的核，但具有大量的剩
余能量。这种8Be的核也象前一个反应一样，分为两个a粒子，但具有比质子进入7Li而
产生的a粒子有更大的速度。7Li捕获一个氘核之后形成9Be，再立刻分裂为两个α粒子
和一个中子。
这些不过是奥利芬特（Oliphant）和哈特克（Harteck）首先加以研究的嬗变的几
个例子。仅借两万伏特就可以引起这种嬗变，来加速氘核射弹。以后还研究出许多复杂
得多的变化。从实验获得许多新同位素，如质量为3的氢（3H），质量为3的氦氨
（3He）。根据其释放的能量，可以算出这两种同位素的质量：
2H ＋2H ＝1H ＋3H＋E
2．0147＋2．0147＝1．0081＋2H＋0．0042
氢和氘的原子量就是阿斯顿用质谱仪算出的数值。至于上式中所释放的能量E值是
根据观测质子在空气中的行程（14．70厘米）而算出的这种行程说明质子的能量为298
万伏特。释放出的能量的3／4应归于质子的动能，因而E的总值为397万伏特。根据爱因
斯坦的理论，质量与能量是等价的；质量减少dm相当于释放c2dm的能量（这里c表光速，
以每秒厘米数计为3×10[10]），所以与397万伏特相当的质量为0．0042，因而3H的质
量为3．0171。
劳伦斯和他的同事们利用在回旋加速器里形成的、能量为1600万伏特的高速氘核去
轰击铋，把它转变为放射性同位素，同天然放射性产品镭E相同。这是一个很有兴趣的
成果。同样质量为23的钠或钠盐被高速氘核所轰击，产生质量为24的放射性同位素。这
种放射性的钠分裂时，发出一个β粒子，而形成质量为24的镁的稳定核，其半衰期为15
小时。因此劳伦斯得到强的放射纳的源，可以作为镭的代用品，用于医疗工作。
查德威克与戈德哈伯（Goldhaber）使用γ射线将氘核2D分裂为质子与中子。齐拉
德（Szilard）将质量为9的铁（9Be）分裂为8Be与一个中子。这一方法能否发展；取决
于能否取得高能强γ射线。
在这一时期里得到250多种新的放射性物质。这些不稳定的同位素可能存在于太阳
上，也可能存在于刚从太阳分出的地球上，但是随着地球变冷，它们便消失了，只留下
衰变期很长的铀和钍了。
这些人工变化里，有些能量变化甚至比天然放射性分裂中的能量变化还要大。例如
21，000伏特的氘核可以使一个锂原子变化，而发出2250万伏特的能量。因此可以赢得
大量的能量，初看起来好象可以在这里得到原子能的无限源泉。可是在一亿（108）个
氘核中大约只有一个可以发挥作用。所以出入相抵，我们所要供给的能量超过所获得的
能量。而且就中子而论，中子自身只能用效率极低的方法获得。在1937年，的确，看起
来好象用人工改变的方法从原子中获得有用能量，并没有多大希望。在这一点上，我们
应当记得，在应用科学的历史上，以前希望没有这样大的前景，都曾经使得宗教界的先
知们惊恐万状过。事实上，1939年哈恩（Hahn）和迈特纳（Meitner）就发现当铀原子
被中子撞击时，它的核分裂为两个主要成分，各占其质量的一半左右，而且出现二、三
或四个中子。乍一看来，这好象就是我们要寻找的垒集过程，但事实上只有一种铀的轻
的同位素（其原子量为235而不是238）可以分解到有用的程度，可是只有微量的存在。
首先发现质量为235的铀的是登普斯特，明尼苏达的尼尔（Nier）和纽约哥伦比亚的布
思（Booth），邓宁（Dunning）与格罗斯（Grosse）旋即研究了它的分解。同样的过程
也发生于钍。那时许多实验室异常努力地从事这些同位素的分离。虽然困难很大，但是
由于战争的刺激，很快就把这个工作推向高潮。起初轻的铀235须从成分很大的U238分
出，或用小孔弥散法，或用阿斯顿的质谱仪法。分量少时，由于中子的逃逸，不能引起
连锁反应，因而这物质是稳定而无害的。可是如果将无害的两块物质放在一起，而超过
一定的份量，分解就逐渐垒集起来，并引起巨大的爆炸。
化学反应是由原子外围的电子的变化引起的，这种爆炸却是由于原子核的破裂所致，
自然是一件可怕得多的事情。一磅铀所发出的核能等于很多吨煤燃烧时产生的热能量。
原子量为238的铀可用以捕获中等能量的中子，而发射出电子。这个过程形成一种
以前未知的元素，被命名为钚（Pu）。
为了和平的目的，可能需要用“缓和剂”来吸收一些在核反应中释放出来的中子，
借以控制而且减缓核反应。有些轻的原子，如石墨形态的碳，及前面说过的重水里氢的
同位素，都可用作缓和剂。铀238可以插入缓和剂的“堆”中，所释放出来的热能可以
用来发电。
在1939－45的战争期间，美英两国的物理学家、化学家与工程师，群策群力，共同
合作，在制造原子弹方面和德国人展开了生死攸关的竞赛，并且在这一竞赛中取得了胜
利。庞大而复杂的原子工厂在美国一个空旷地区建立起来，1945年投在日本的两颗原子
弹结束了战争。留给各国政治家的工作便是控制核能的使用，以期使它为人类造福而不
是造祸。我们面前摆着可怕的危险，也许核能的威力会使各国恐惧，从而迫使各国走上
和平的道路。战争的消除当是科学的最大胜利。
同时原子研究的和平应用，已经为戴尔爵士等人所开始了。一个最显著的例子便是
所谓“示踪元素”的使用。靠观测这类元素的性质，可以查明它们存在与运动的踪迹，
其中最好的也许是某些放射物质。现今已有数量多得多的同位素作为原子堆的副产物，
供入使用，因此在近年内示踪元素的应用发展异常迅速。放射原子可以混合在有机物内，
作为动物的饲料，这样食物在体内的运动，可以用盖格－弥勒计数器去追踪它。我们可
以不夸大地说，放射性示踪元素为生物物理学与生物化学打开了一个完全新颖的领域，
且给予医疗界一个新的诊断法。
还有，放射物质的大量生产已经使放射治疗变得更容易、更便宜了，例如用以毁灭
癌性组织。
还可以把示踪剂混在肥料里，靠估计农作物内的放射性，来测量肥料在农业生产上
的效果。总之，示踪元素用途之广，差不多可以说是无限的。
物理理论的新发展，通常总是使人们要找到描述现象的数学方程式，比从物理学上
加以解释，要容易。例如海森堡与薛定谔的量子力学，通过解决简单的例子建立起普遍
的数学公式，后来才提出一些物理学的解释，例如状态的叠加和测不准原理，也导致了
一种满意的非相对论的量子论。
要使量子论成为相对论性的，狄拉克也觉得解决数学方面的问题很容易，可是在解
释上却有困难。他的解释最好用初始的与过渡的机遇来表示。这样，物理学如往常一样，
仍然停留在概率演算的领域。
爱丁顿在我们所期待的物理学的新综合方面，取得一些进展。由于他把物理常数，
如质子与电子的质量以及它们的电荷等等的理论数值与观测的数值加以比较，而得到很
显著的符合，他成功地把万有引力、电力和量子论联系起来。关于现代物理学这方面的
问题，可参看弗伦克尔（J．Frenkel）的一篇综合叙述。
化学
化学变化的动力学，在现代是一个不断研究的主题。阿累利乌斯首先提出：在一定
量的物质里，只有一定数目的分子参与化学变化，而且这数目是随温度而增加的。这一
理论现在看来是可疑的。现在人们以为这些分子，是由于“碰撞”，才变得运动迅速，
从而起活化作用，就是在单分子的反应中也是如此。
氨与硝酸盐是农业肥料所需要的。硝酸盐也是制造开矿用的炸药和军用炸药所必需
的。有一个时期，大家害怕（特别是克鲁克斯）智利的硝酸盐矿用完后，化学肥料会变
得不足，世界小麦的供应也会变得不足。我们看见只有在战争时期才发生过这个现象。
在正常和平时期是没有这个现象的。植物育种者已经培养出小麦的变种，可以适应北方
的寒冷区域，因而扩大了种植面积，化学家也用合成方法制出了氨与硝酸盐。
卡文迪什曾将电火花在空气里通过，而得到酸。一百年后挪威的伯克兰
（Birkeland）与艾德（Eyde）把这一方法加以大规模的发展。奈恩斯特（Nernst）与
约斯特（Jost），继后，哈伯（Haber）与勒·罗西诺尔（Le Rossignol）研究了氨、
氮和氢在各种温度与压力下的平衡，并且利用各种催化剂的帮助，于1905年前后研究出
一种实验室方法，从空气制成了氨，而且到1912年，哈伯的方法已经在工业和军事的用
途上取得了成就。这是由于在1914－1918年的战争期间受了德国需要硝酸盐的巨大刺激
的缘故。这个方法就是使氮与氢在200或更高的大气压与500℃的温度下，在一种催化剂
上面流动。再使氨与硫酸或硫酸钙起作用，而变成了硫酸氨，或将加热的氨和空气一道
通过象铂绒那样的催化剂，使氨变成硝酸氨。
一百多年前开始研究的一些催化剂，现在对于化学的动力理论与许多化学工业，起
了很重要的作用。催化剂很久以来就用于象哈伯法那样的反应中，近年来应用得更广。
将氢气通过混有镍屑的热油液，油便氢化，而变成一种熔点较高更可口的脂肪。在高压
下使氢气通过碳粉与煤焦油混合的热糊剂，并用一种适当的催化剂，可使其氢化。生成
物经过蒸馏，便成为汽车用的轻油、中油和重油。催化剂用途的例子，多至难以一一列
举。
莫斯利的元素表中的缺空，现在已经差不多填满了。1925年，W．和I．诺达克
（Nodack）使用X射线分析，发现了43和75号元素，而命名为锝与铼。1926年B．S．霍
普金斯（Hopkins）宣布他发现了61号元素仅（Ⅱ即钷Pm）。这或许还没有得到完全的
证实、周期表上的倒数第二个缺空——一个元素属典类名成（At）——于1940年由加利
福尼亚大学的科森（Corson）、麦肯齐（Mackenzie）与西格雷（Segre）发现。他们在
回旋加速器里，用a质点轰击铋而发现这个元素。
卢瑟福-玻尔的原子理论，经过修改以后，使我们对于化学结构有了一个电子的概
念。电子可以占据的轨道或能级，由主量子数n＝1，2，3等等规定，这也表示壳层里的
电子的数目。这些能级上可以存在的最多的电子数是由下列级数（里德堡级数）给出：
2×12，2×22，2×32等，外层最多的电子数是8。一满了8这个数，使特别稳定；这种
情况发生在除氦以外的一切惰气中；在n＝1时，氦有两个核外电子，而氢只有一个。到
了钠，开始形成量子数为3的另一个新的电子壳层，到了氩而满额。氢的电子结构是2，
8，8。
这一理论给原子价的学说提供了物理学的根据。化合可以看做是电子从一个原子迁
移到另一个原子去。原子价代表一个原子必须获得或放弃的电子数。这个原子必须获得
或放弃这么多的电子，才能形成一个电子结构同最邻近的惰气一样的体系，或者说形成
具有8个电子壳层的体系。化合也可以由于两原子共用一些电子而发生；这种原子价叫
做共价。牛津的西奇威克（N．V．Sidgwick）对这一原子价理论阐释得特别详细。
如果两个原子的轨道共用两个电子，它们便是靠所谓共价键结合起来的。如果两个
电子不是均等地共有，则一个原子具有多余的阳电，另一个具有多余的阴电。这个分子
将具有极性，并且具有偶极矩，这等于一个电荷同两电荷之间的距离的乘积。这些极矩
可以根据介电常数（电容率）或不均匀磁场里磁束的偏折度估算出来。雷德（Wrede）、
德拜，还有西奇威克与包温，都对偶极矩进行过研究，以此作为探索化学结构的指针。
单质分子如H2、O2没有偶极矩，因此是均等地共有电子，但是HCI有一极矩，为1．03×
10-18静电单位，原子间的距离是1．28埃；其他化合物也是这样的。
波动力学在化学上也如在物理学上有其重要性，特别表现在共振原理上。共振的发
生是由于一个分子由一电子结构跑到另一电子结构中，并且表现出两者的某些性质。
原子发射出线状光谱，但从分子可以得到带状光谱，其分子的组态也可以测定出来。
一束单色光经过透明物体时发生散射，由此而形成各种频率的辐射——散射介质的特征
（斯梅卡耳-拉曼效应）。哈特利（W．N．Hartley）等人新近证明，结构相似的化合物
在紫外区有相似的吸收光谱。他们还从分子结构的观点，研究了红外吸收光谱。
劳厄首先提出用X射线考察晶体结构，先后有弗里德里希与基平，布拉格父子（384
页）加以研究。这种研究表明，氯化钠的立方晶体由钠离子组成。每个钠离子为六个氯
离子所包围，相同地每个氯离子也为六个钠离子所包围。金刚石里每个碳原子都处在四
面体的中心，而与角上的四个碳原子互相束缚。这种紧密的结构说明金刚石的硬性。用
X射线对二苯基晶体的分析表明，它具有六个碳原子组成的环形结构，和凯库勒由苯与
其衍生物的化学现象推断的一样。新近罗伯森（J．M．Robertson）等人将傅立叶级数
的方法应用于萘与蒽，以测定许多化合物组成原子的排列方向和化学键的性质。X射线
也被用于考察合金、无机与有机化合物，都有成就。
对于晶体结构的分析，不但可以利用X射线进行，也可利用电子衍射进行，因为以
上讲过，运动的电子挟带有波列，而可表现干涉现象等等。由电子衍射和X射线所得的
结果是相合的。德拜使用X射线研究晶体粉末，后来发现用相似的方法，对液体与气体
也可以得到干涉花样，并且可以测定原子之间的距离。1930年，维耳（Wierl）更使用
了改进的方法。
凯库勒发现的苯的环形结构式以及范特-霍夫和勒·贝尔的碳原子结构成四面体的
理论，成为立体化学的伟大结构的基础。如果承认碳原子的四个价电子作四面体的排列，
则价电子键之间的角度将是109度28’。如果形成环状，由于正五角形的角为108度，一
列五个碳原子，首尾两端必然互相接近，形成环状，键间很少应变，因而很稳定。W．H．
珀金（Perkin）（子）制出了具有3、4、5和6个碳原子的环状的化合物，近年来，化学
家，特别是索普（Thorpe）与英文尔德（Ingold）等人证明，从一个碳原子出来的两个
价电子之间的天然角度，显著地受到所附的基团（如甲基团）的影响，因而应变可以减
少，稳度可以增加。这种环结构出现在许多天然物里。如范特-霍夫所预测的，旋光性
出现于不对称的分子，可是却没有不对称的碳原子。梅特兰（Maitland）和米尔斯
（Mills）已经证明丙二烯型化合物的情况就是这样，它们的分子并不具有对称面。化
学这一分科的大发展是靠了X射线分析的应用，因为这种分析将原子和分子的结构，表
现得异常明白。
建立在煤焦油基础上的化学工业，范围极其广阔。它从理论科学产生，而反转来对
理论科学有很大的影响。翁韦多本（Unver－dorben）与霍夫曼（Hofmann）从煤焦油分
离出一种名叫苯胺（安尼林油）的物质。霍夫曼还证明煤焦油里有苯。W．N．珀金（父）
于1856年用重铬酸钾处理硫酸苯胺，而得到紫色或紫红色的安尼林；这是首创的安尼林
染料，以后发明了很多种这类染料。1878年，在库珀（Coupef）和凯库勒奠定的基础上，
E．和O．费舍（Fischef）首先阐明了它们的化学结构。他们证明玫瑰苯胺（一品红）、
洋红等的来源是碳氢化合物，三苯甲烷。这工作引出许多新染料和合成这种染料所必需
的中间体。后来格里斯（Griess）制成具有偶氮基团（N：N）的偶氯化合物。这又导出
一个新系的偶氮染料。
茜素染料，如土耳其红，于1868年合成，跟着而来的有蒽醌的其他衍生物。约在
1897年，从苯基甘氨酸制出的工业蓝靛，开始将天然蓝靛逐出市场，使印度的种植者破
产。
染料在工业上虽属重要，药物对于人们的福利更有贡献。有机药物的合成时代开始
于解热药，如安替比林（1883），止痛剂非那西汀（1887）与水杨酸，即阿斯匹灵
（1899）。这些药物的发现，创立了现代的化学治疗学硕，主要的创始人当推欧立希
（Paul Ehrlich，1854－1915年）。他制成一种医治马病的药物与一种名叫盐酸二氨基
联砷酚（即六①六）的砷化合物，能杀灭在人体内造成梅毒的螺旋体菌（1912）。尿素
的一种复杂衍生物，于1924年为富尔诺（Four－neau）所制成，能消灭造成昏睡病的寄
生虫。以后几年，一系列以氨苯磺胺和磺胺吡啶等磺胺类药物为基础的合成药，由梅
（May）与贝克（Baker）合成，叫做M.B.693，对于控制伤害人畜引起很多疾病的链球
菌和肺炎球菌都很有效，而磺胺胍成了痢疾的特效药。
起初这些药物并无理论的基础，到1940年菲尔兹（FildeS）、伍兹（Woods）与塞
尔比（Selbie）才证明，磺胺类药物的作用在于阻止病原菌获得它们生长所必需的另一
种同族物质，名叫对氨基苯甲酸。这个成就表明进一步探讨的方向应当是研究细菌的代
谢，寻找细菌所需要的物质，并找出防止细菌利用它们的方法。
青霉素最初是由弗莱明（A．Fleming）爵士在1929年从笔毫霉制出并命名的，后经
牛津的弗洛里（Florey）等人加以研究，并证明比磺胺类药物更有效。
在帝国化学工业的曼彻斯特实验室里，于1945年发现一种抗疟疾的特效药名“白乐
君”（Paludrine）。杀虫药也经人研究，一种能杀昆虫而于人畜无害，名叫六氯化苯
（即六六六）的杀虫药制备成功了。
维生素的最新研究成果要在生物化学栏内作总的叙述，但关于维生素的结构与合成
的叙述，很自然地要放在化学栏里来。维生素A是生长必需物，其成分为C20H30O，卡勒
（Karrer）提出了一个结构式，说明它的化学反应及其与它的前身胡萝卜色素的关系。
维生素B1，有抗神经炎的功能，为哥伦比亚大学的威廉斯（Williams）所合成。抗坏血
病的维生素C，存在于绿色菜蔬与柑属水果里，其结构式比较简单，表示如图18。这种
维生素先经人提取，后于1933年为伯明翰的霍沃思（Haworth）合成，现在称为抗坏血
酸。
以上讲过，有机化学的基础在于碳原子具有互相结合为复杂结构的能力。大致类似
的能力也为硅所具有，近年来也变得很重要。
1872年，冯·拜尔（Von Baeyer）发现酚（石炭酸）与甲醛化合成为一种树脂物。
1908年，贝克兰（Baekeland）发现这种树脂在碱性的催化剂内加热，变成一种有塑性
的物质。这叫做“电木”，在以甲醛为基本材料的反应中还取得了其他塑料物。它们可
以用作漆料、釉料，并可用来制造留声机唱片、飞机骨架等。
橡胶于1892年由蒂尔登（Tilden）用异甲基丁二烯合成。1910年，马修斯
（Matthews）发现金属纳可以促进异甲基丁二烯的聚合化，但现今异甲基丁二烯已经由
碳氢化合物，丁二烯或氯丁二烯取代了。这些合成物常加在天然产品内。
合成有机化学家对照相术作出了很多的贡献。起初，他们制成了显影剂（焦性没食
子酸等），继后制成一些染料，这些染料使胶卷对光谱可见区与不可见区的不同的光线
都具有感光作用。由于制出对于红外光具有感光作用的照相乳胶，几哩以外的对象，也
可摄得清晰的形象，这用普通底片是办不到的。照相术对于许多学科，自天文学以至微
生物学都很有帮助。
费舍对于单醣的基础研究工作（253页），为许多人所继续，他提出一个敞开的链
形结构式，不过，人们现在公认的是霍沃思所提出的六成分型环形结构式。伊尔文
（Irvine）与霍沃思和美国的赫德森（Hudson）使用甲醚研究象蔗糖那样的双糖。开始
了氨基酸的现代研究的也是费舍。但迄今为止用合成方法制出的结构最复杂的多肽类合
成物，虽然分子量超过1300，还是离蛋白质很远。蛋白质可以分为两类，其分子量分别
为35，000与400，000的简单倍数。现在虽然通过动物纤维的X射线研究，得到了蛋白质
分子结构的形象，但仍有相当距离，人们还不能合成蛋白质。
现代的物理与化学仪器，比五十年前的复杂得多了。个人很少能够建立起一个实验
室。业余爱好者虽然在过去对于科学作出了不少的贡献，但他们的时代似乎过去了。现
在大多数文明国家的政府都资助研究工作。英国将补助费送给各大学和皇家学会去进行
基础研究工作，至于工艺的研究则交给科学与工业研究部、医学研究理事会或农业研究
理事会去掌管。
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