Science 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第十章 物理学的新时代 2
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:33:48 2003)

量子论

    1923年康普顿发现，当X射线为物质所散射时，波的频率变小。他用辐射的光子单元理

论，来解释这个效应。这种光子单元可以和物质或电荷的电子与质子相比。电子在原子轨

道中运动自然不免发放辐射能量。按照牛顿动力学，这个效应将使其轨道缩小，从而使其

转动周期变短，使其发射的频率增高。在这个过程的所有阶段中，都会有原子存在，所以

在一切光谱里都应该可以发现一切频率的辐射，而不是我们在许多元素的线状光谱中所看

到的少数确定不变的频率的辐射。

    就是在白炽固体的连续光谱内，能量也不是均匀分布的，而是在某些频率之间为最强

。这个最强辐射的区域随温度增高，在光谱里由红端至紫端移动。这些事实很难用原子或

电子辐射的旧理论去解释。事实上，数学的计算表明频率高的振子应该比频率低的振子发

出更多的能量；因此，可见光比不可见的红外线应该发出较多的热，而紫外线又应该比可

见光所发的更多。但是这一切都是与众所周知的事实相反。

    为了解决这些困难，1901年普兰克提出了“量子论”，主张辐射不是连续的，而象物

质一样，只能按个别的单元体或原子来处理。这些单元的吸收与发射，服从在物理学与物

理化学的其他分支中早已广泛地使用的概率原理。辐射出来的能量，其单元大小并不是一

样的，而与其振荡频率成正比。所以只有当拥有大量可用的能量的时候，振子才能拥有和

发射出高频率的紫外线；因为振于拥有许多这样的单元的机会很小，所以其发射的机会和

发射的总能量也都很小。反之，频率低的辐射是以小单元射出的，振子拥有许多小单元的

机会较多，因而其发射的机会也可以较多；但由于其单元甚小，其总能量也甚小。只有在

某段适中的频率范围内，单元的大小适中。机会也好，于是发出的单元数目可以相当大、

而其总能量便得达到其最高值。

    为了解释这些事实，必须假设普兰克的能量子e与频率成正比，或者说与振荡周期成反

比。因此我们可以写成

E＝hv＝h/T，

式中v表频率，T表振荡周期，而h是一常数。因此，普兰克常数h等于能量与时间的乘积。
E
T，这个量被称为作用量。这个守恒的作用单位，当然不随频率而改变，事实上是不随任何

变化的东西而改变。这是一个真正的自然单位，和从电子中求得的物质和电的自然单位类

似。

    我们可以把一种专为解释某一系列事实而创立的理论加以调整，使其与那些事实相适

合，但不论怎样适合，以及其形式怎样新颖，这个理论可以普遍适用的证据也许并不充分

。可是，如果有另一套完全不同的现象，也可以用同一的理论去解释，尤其是在这些现象

没有别的合理的解释的时候，这种证据的价值必大为增高，而我们也就开始相信，我们可

以依赖这个理论去解释更多的关系。

    普兰克的理论本来是为了解释辐射的事实而创立的。因为与传统的动力学有抵触，所

以一般学者虽非怀疑，也以审慎的态度对待，亦属当然。但当其为爱因斯坦、条恩斯特与

林德曼（Lindemann），特别是德拜（Debye）用以解释比热现象之后，它广泛应用的可能

性便大为增加了。

    普通的分子运动论以为，固体中单原子分子的原子热，应为气体常数的3倍，或约为每

度6卡，而且此数不受温度的影响。金属都含有单原子分子，其原子热在普通温度下大致不

变，等于6。但在低温下，则此数值便减小了。

    解释这个现象首先获得成功的是爱因斯坦。他指出，如果能量只能以一定的单元或量

子而被吸收，则吸收的速率必随单元的大小而改变，因而必随振荡的频率与温度而改变。

德拜从量子论推出一个与实验符合的公式，特别显著的例子是碳元素，其原子热即使在普

通温度下，也随温度而改变，比较金属的数值小得多。

    依照量子论，光在发射与吸收的刹那间，即不是弗雷内尔的稳定以太波，也不是麦克

斯韦与赫兹的连续电磁波。它好象是一团一团的微量的能量所组成的流；这些细团的能量

几乎可以看做是光的原子，虽与牛顿的微粒不同类，而却与之相当。这个现象与干涉现象

的协调是留待将来解决的难题。如果将一线光分为两道，而使其经过长短不同的路程，则

这二路程虽相差至数千个波长，但在这两道光的最后会合处，也可见干涉的条纹。又在大

望远镜里看见的星像的衍射花样，表明每个原子所发的光都充满着整个物镜。以前，人们

认为这些事实足以证明光是以稳定的“波列”前进的，均匀地分布于几千个波长的距离之

内，而且在横向上扩展，足以充满望远镜全部空间。

    可是，如果使这颗星的光线落在钾的薄膜上，则被星光所发出的电子，每个都有与该

星光相当的量子的能量。这里，光的行动不象是波，而象是能量集中的枪弹。距离增大，

则一定面积上所受到的枪弹必减少，但是枪弹冲击的动量还是相等。另外一个现象即X射线

使气体发生电离，也是光的旧理论难于解释的。如果波阵面是均匀的，它对于其行程上所

遇到的分子应发生相同的效应，但实际上每百万个分子当中或者只有一个被电离。有许多

理由说明，这大概不是由于不稳固的分子太少。J．J．汤姆生等人说这现象是由于X射线与

光并不按宽的波阵面，而只沿局部的以太丝（法拉第的力管）前进的缘故。

接着，量子论又表示光在另一方面也不是连续的。为了解释全部事实和调和互相矛盾的观

点，汤姆生设想“光是由质点组成的，每一质点为一闭合的电力圈，并伴有一列的波”。

德布罗意引用新近的概念建立一个理论，将波的性质和微粒的性质联系起来，而成立一种

新型的“波动力学”。一个运动的质点的性能像一个波群，其速度v与波长入和质点的速度

u及其质量m的关系为λ＝h／mv，式内h为普兰克常数。波的速度为c2／v，式内c为光的速

度，而u为质点与波群的速度。于是我们不能不注意到这些现代的光的理论与牛顿想像的微

粒和波的综合体很相似。

原子结构

    现代的原子理论开始于1897年，当时发现各元素都有阴电微粒，并且查明这些微粒即

是电子。这一发现，也说明原子之所以有电的性质是由于其所含电子多于或少于电子的正

常数目，而其光学性质则可以解释为电子的振荡。

勒纳德早期的观察表明，阴极射线能通过真空管内铝窗而至管外。根据这种观察，他在19
0
3年以吸收的实验证明高速的阴极射线能通过数千个原子。按照当时盛行的半唯物主义者的

看法，原子的大部分体积是空无所有的空间，而刚性物质大约仅为其全部的10－9（即十万

万分之一）。勒纳德设想“刚性物质”是散处于原子内部空间里的若干阳电和阴电的合成

体。

    这个关于必需的阳电荷的说法不能使人满意，于是J．J．汤姆生又进行了更有系统的

尝试来描绘原子结构。

    汤姆生以为原子含有一个均匀的阳电球，若干阴性电子在这个球体内运行。他按照迈

耶尔（Alfred Mayer）关于浮置磁体平衡的研究证明，如果电子的数目不超过某一限度，

则这些运行的电子所成的一个环必能稳定。如果电子的数目超过这一限度，则将列成两环

，如此类捱以至多环。这样，电子的增多就造成了结构上呈周期的相似性，而门得列耶夫

周期表中物理性质和化学性质的重复再现，或许也可得着解释了。

    但是1911年盖格（Geige）和马斯登（Marsden）关于α射线撞击物质时形成散射的实

验，使卢瑟福对于原子的性质采取另外一种看法。α质点的雾迹通常多是直线的，有时也

有突然改变其方向的。阴电子加于α质点上的力势必很小，不能造成这种散射。但如果假

定原子为空格结构的复杂体，含有一个凝聚为小核的阳电荷，而阴电子在原子内的空处围

绕着核转动，则上述的效应便可得着解释。由于正常原子是中性的，所以，核里的阳电荷

，必与所有电子的电荷之和量相等而性相反。而且由于电子的质量远远小于原子的质量，

所以原子的质量几乎全部凝聚于原子核。

    这一理论形成时，人们把原子看做是一个太阳系，把质重的核比拟为处于中心的太阳

，而质轻的电子则类似绕核运转的行星。长冈（Nagaoka）于1904年研究了类似系统的稳定

性，但首先用实验证据去支持这个看法的是卢瑟福。勒纳德关于阴极射线的吸收的研究与

后来其他的实验表明，如果将原子比拟为以电子为行星的小太阳系，则原子内的空间，照

比例说也必定象太阳系里的空间那么大。在这个行星式的电子理论中，牛顿物理学给予我

们的先入之见，或许引导我们走得太远了，以至超过事实所能保证的境界，但是，就阴极

射线与放射质点的贯穿性而论，原子确是一个很空松的结构。

    一个运动的电荷带着一个电磁力场。由于它有能量，因而也必有惯性。所以一个电荷

具有一个类似质量的东西，也许就具有我们所谓物质的基本成分的本质。如果以电荷为中

心，画一小球以代表电子，则与这球外的力场相联系的有电磁质量。J．J．汤姆生据数学

分析表明，除非电荷以极大速度运行，其电性质量为2e2／3r，式内e为电荷，r为其半径。

因此，如果假定所有的电磁能量都在电子之外，则根据已知的质量与电荷值，便可计算出

其半径。这样算得电子的半径为10[－18]厘米。如果假定半径r很小，换言之，如果将电荷

浓聚，则某有效质量也增大（参看下面所说的新的研究）。与电子相当的阳性单元，即氢

的原子核，叫做“质子”。它的质量，基本上等于原子的质量，即阴电子的质量的1800倍

。因此，如果假定所有质量都是有电性的，而原子核是围绕着一个点状阳电荷的球，则原

子核的半径就仅是电子半径的1／1800，或约为5×10－17厘米。但须在此申明，这些估计

是根据一项关于电荷分布的武断假定。现在，这些估计的价值已经很可疑了。

    这些概念在当时虽有帮助，而现在已经经过修改。但是我们仍须假定氢原子是由一个

单位的阳电核和其外围的一个阴电子所组成的。氨的原子核为四个质子及两个与之紧联的

电子所组成。因为氢的原子量为1．008，而氦的原子量，如阿斯顿所测量的，为4．002，

所以这个复核的形成，意味着一份质量的消失：4×1．008－4．002＝0．03及与之相当的

能量的发射。重原子的放射性分裂，放出能量。因此我们认为一切原子部储有能量，当其

分裂之时，例如铀的原子分裂时，都能释放能量。但是这里的推论又表明，氦还原为氢要

吸收能量——要使氦核分裂就必须做功。看来，轻的原子核形成时放出能量，而重的原子

核分裂时也放出能量。这就可以解释：为什么重的原子核有放射性，为什么自然界没有比

铀更重的原子存在：它太不稳固了。由于a射线是飞行的氨原子群，所以，氦原子大概是组

成其他较重原子的一部分材料。氦原子本身虽是四个质子或氢核所组成，但其结合很牢固

，即使在a质点的冒险生涯中，也不能使它分离。所以其他原子大概是若干阳电单位（大概

是氦核，有时还带有氢质子）与若干数目较少的阴电子结成的复核所组成的。因为核内的

电子的数目较少，核上呈现纯净阳电荷的数目n，即等于莫斯利的原子序数。其余的电子存

在于核心的外围。因为在中性原子内，这些外围电子所荷的阴电的总和必须与核内的纯净

的阳电中和，所以n也代表原子外围电子的总数。

    因为原子可被电离，而且依其化学价，可获得一、二、三甚至四个单位的电荷，所以

可以在一个原子中加入或减去少数电子，而使其性质无根本的改变。我们可以假设这些电

子位于原子的外围，别的电子在其内圈，更有些电子则成为原子核的必要的部分，而且一

般是其稳固的部分。

以上说过，多数放射变化发射a质点。而a质点又是质量为4的氦原子，带有两单位的阳电荷

。所以这种变化是原子核的崩溃变化。变化后的剩余物质量较原有的少四单位，而且变化

时放出两个阴性电子，以恢复其中性状态：结果便成为一个新原子与新元素了。

玻尔学说

    哥本哈根的玻尔（N．Bohr）于1913年在曼彻斯特的卢瑟福实验室工作时，首先将普兰

克的量子论应用于原子结构的问题。他的工作是以当时物理学家所公认的行星式电子论为

根据的。

    当时已经知道：如果我们所考虑的不是光谱中通常的谱线波长，而是其在一厘米中的

波数，则氢的复杂光谱呈现若干规律。当时发现，所谓“振荡数”可以用两个项的差数表

示。第一项以发现者得名，叫做里德堡常数，即每厘米109，678个波。

这些关系完全是从经验得来的，最初是靠揣测，最后才求得一项符合于实验结果的算术规

则。但是玻尔却根据量子论提出了解释。他指出：如果“作用量”只能以单位的整倍数被

吸收，则在电子可以运行的全部轨道中，只有某些个是可能的。在最小的轨道上，作用量

为一个单位或h，在第二轨道上，作用量为2h，如此类推。

    玻尔假设氢原子的一个电子有四个可能的稳定轨道，相当于以单位数递增的作用量，

如图13所表示的那样。图中的圆圈表示这四个稳定轨道，而其半径表示电子从一个轨道跳

至另一个轨道可能的六种跃迁。这里，玻尔抛弃了牛顿的动力学，而值得注意的是平方反

比律仍可应用于假设围绕原子核运行的电子，但是这些轨道本身又表现十分新奇的关系。

一个行星可以在无穷多个轨道当中的任何一个轨道上围绕太阳运动，其实际的轨道为其速

度所决定。可是，玻尔假定一个电子只能在几个轨道当中的一个轨道上运动。它如果离开

一个轨道必须立刻、好象不经过二轨道间的空间那样，跳到另一轨道上去。由这个假设得

出的理论上的结果，与通过实验所确立的关于振荡数的经验规则相当符合。还可从这里计

算出常数R的绝对值为每厘米109，800波，与上面所说的最近测定的里德堡常数之值异常符

合。在这一阶段，玻尔学说表现有其长远而成功的前途。

    辐射的各种不同的类型可以归因于原子结构的各不同部分。X射线的光谱大都不受温度

或原子的化合状态的影响。而可见光与红外及紫外光的光谱则与这两者有关。放射现象，

上面说过，是原子核的爆裂造成的。现今所得的数据表明X射线起源于原子核外的内层电子

，而可见光与红外及紫外线则来自最外层的电子；这些外层电子比较容易脱离，因而是和

凝聚力与化学作用有关系的。

    假设一个或多个电子同时存在于互相化合的二原子内，则可给化合作用以很好的解释

。但如果围绕原子核而转动的电子理论来表示这种结合，则未免困难，因此在1916至1921

年间，有人，特别是科塞尔（Kossel）、刘易斯（Lewis）与兰格缪尔试图创造静止的原子

模型。这种模型对于原子价与化学性质的解释是成功的，但要想阐明光谱则不得不创设牵

强附会的假设了。无论如何，当时的物理学家总是偏向于玻尔的动力的原子模型的。

    无论采取哪一种原子模型，电离电位的事实，确是能级的基本观念的有力的证据。19
0
2年勒纳德首先证明，电子经过气体时，必具有一定最低限度的能量，才足以产生电离。这

最低的能量可以用电子为了获得其速度所必须降落的电位的伏特数来量度。最近实验的结

果，如弗兰克（Franck）与赫兹关于汞蒸气的实验（1916－1925），证明当电位达到某一

定伏特的倍数时，电离便达到某些明确的极大值。同时气体的光谱也发生了变化。例如弗

兰克与赫兹证明，具有4．9伏特所产生的速度的电子使低压的汞蒸气发出具有一条明线的

光谱。可以设想，这条谱线相当于玻尔原子内电子从第一外层回到其正常状态的跃迁。自

那时以后，正象玻尔学说所预期的，已经发现许多“临界电位”，同突然出现的若干条或

若干群谱线相当。萨哈（Saha）、罗素（Russell）、福勒（Fowler）、米尔恩（Milne）

等研究了温度与压力对于光谱的影响。他们用热力学的方法应用了这些新概念。所得结果

在天体物理学上有很大重要性，而且在恒星温度的测量方面揭开了新的一页。

    图13所表示的圆形轨道，仅是氢原子的一个初浅的模型。玻尔与索末菲（Sommerfeld

）都证明椭圆轨道也可产生同样的系线光谱。他们也研究了其他更为复杂的原子系统，但

数学上的困难很大，因为互相吸引的三体的运动不能以有限的项数来表达。

关于玻尔原子的文献很多，进展也很不少。其结果与光谱的粗略结构大体相合，很足以使

人相信这个学说在正确的途径上前进。但是这个学说虽然能说明氢和电离氦的线状光谱，

却不能解释中性氦的原子光谱的精细结构，以及其他重原子的复杂结构。谱线的数目与电

子从一能级到另一能级的可能跃迁数，不再相符。于是一时极为成功的玻尔原子学说渐露

破绽，到1925年就显然逐渐破产了。

量子力学

    玻尔的原子模型，把电子比拟为运转的行星。这个模型远离观察到的事实，超出万无

一失的范围。对于原子，我们只能从外面进行考察，观察进去的与出来的东西，如辐射或

放射质点等。玻尔所描绘的是至少可以产生原子的某些性质的一种机制。但是别的机制或

许也可以产生同样的作用。如果我们只见时钟的外面，我们可以想象有一套推动时钟指针

的齿轮，使指针的转动与我们所看见的相同。但是别人也可想象有另一套齿轮，与我们所

想象的一样有效。二者孰是孰非，无人可以断言。此外，仅仅研究一个体系中热量与能量

的变化的热力学，也并不能利用原子观念所描绘的内部机制的图象。

    1925年，海森堡只根据可以观察到的事实，即原子所吸收或发射的辐射，创立了量子

力学的新理论。我们不能指定一个电子某一时刻在空间中所占的位置，或追寻它在轨道上

的行踪，因而我们无权假设波尔的行星式轨道的确是存在的。可以观察到的基本数量是所

发出的辐射的频率与振幅以及原子系统的能级。这些数量正是这个新理论的数学公式的依

据。这一理论已经由海森堡、玻恩（Born）和约尔丹（Jordan）迅速加以推进，并从另一

观点由狄拉克（Dirac）迅速加以推进，而且证明，从这一理论可以推出巴尔默关于氢光谱

的公式，以及观察所得的电场与磁场对这一光谱的效应。

    1926年，薛定谔从另一个角度来解决这个问题。他发挥了德布罗意关于相波与光量子

的研究成果，根据“质点由波动体系组成，或者说只不过是波动体系而已”的观点，导出

另外一个理论。这个理论，在数学上实与海森堡的理论等价。他以为，运载这种波的介质

具有散射性，如透明物质之于光，或高空电离层之于无线电波（413页）一样。所以周期愈

短，速度愈大，而两种频率不同的波有同时共存的可能。

    正如在水中一样，一个单独的波的速度与波群或浪的速度并不相同。薛定谔发现：计

算两个频率组成的波群的运动的数学方程式，与具有相当动能与位能的质点的通常的运动

方程式相同。由此可知，波群或浪在我们面前表现为质点，而频率则表现为能量。这就立

刻导致最初出现在普兰克常数h中的能量与频率的不变关系。

    两个振荡很快、以至不能看见的波，可以因为相互干涉，而产生表现为光的一些“拍

”，正如两个音调相差不远的声晋，可以产生音调比任何一个都低的拍一样。在含有一质

子与一电子的氢原子里，波一定依照方程式的规定而存在。而薛定谔发现，只有在确定的

频率，即与观察到的谱线相同的频率的情况下，这些方程式才有解。遇到较复杂的原子，

玻尔学说本来已经失去效用，薛定谔却还能求得频率的正确数目，以解释光谱的现象。


    如果薛定谔的波群中的一个很小，则无疑地可以指出表现这个波群的电子的地位。但

随着群的扩大，电子可在波群之内任何地方，因此位置便有某些不确定。这些原理在1927

年由海森堡加以推广，后来又由玻尔加以推广。他们发现：愈是想把质点的位置测定得精

密些，则其速度或动量的测定将愈不精密；反之，愈是想把质点的速度或动量测定得精密

些，则其位置的测定将愈不精密。总之，我们对于位置的必然不确定度与对于动量的不确

定度相乘，无论如何近似地等于量子常数h。要同时确定两者的想法，似乎在自然界中找不

到对应的东西。爱丁顿将这一结果叫做测不准原理，并且认为这一原理与相对论有同等的

重要性。

    新量子力学在习惯于革命的物理科学中又掀起了革命。海森堡、薛定谔和其他学者的

数学公式是等价的。我们如果满足于这些数学方程式，对于这个理论便会有相当的信心。

但是这些方程式所根据的观念，以及某些人给与它们的解释，却根本互不相同。我们很难

说这些观念与解释可以维持很久，不过表现这些观念和解释的数学却是一个永久的收获。


    古典力学已经成为量子力学的极限情况。古典力学之所以不能解释原子结构，是由于

波长与原子的大小相近，正象当光束的宽度，或其行程中所遇的障碍物的大小与波长相近

时，几何光学中所说的直线光束，也就失却其意义一样。即使在这时，要把量子力学与古

典动力学与麦克斯韦的电磁方程式以及与万有引力的相对论联合起来，似乎也有可能。如

果能够把知识作这样广泛的综合，这种理论将成为自然科学中有历史意义的伟大综合之一

。

    薛定谔的理论必须联系电子的实验来考虑。这些实验，如德布罗意的理论所表示的，

证明一个运动的电子伴随有一系列的波。汤姆生的微粒。起初被看做是漫无结构的质点，

继后被认为是电子，一个阴电的简单单位，不管这具有什么意义。但到了1923年和1927年

，戴维森（Davisson）与耿斯曼（Kunsman）以及戴维森与革末（Germer，当时在美国工作

）先后使运动缓慢的电子自晶体的表面反射，而发现它们具有波动系统的衍射性质。同年

稍后，J．J．汤姆生爵士的儿子乔治·汤姆生以一电子束通过一个异常之薄的，比最薄的

金箔还薄的金属片。我们知道，质点流会在薄片后面的底片上产生一块模糊的影家，但波

长与薄片厚度相近的波，会产生明暗相间的圆环，与光线通过薄玻璃或肥皂膜所产生的衍

射花样相似。事实上，乔治·汤姆生所得到的确是这种圆环。这说明，运动的电子伴有一

列的波，这些波的波长仅是可见光的波长的百万分之一，而与有相当贯穿力的X射线的波长

相近。

    根据理论，如果电子伴有一列的波，则电子必须和这些波作协调的振动。因此，电子

也必有它的结构，它也绝不再是物质的成电的最小单位了，即令在实验中也应该是这样。

于是人们开始想象还有更小的部分。数学的研究表明，电子的能量与波的频率成正比，而

电子的动量与波长的乘积为一常数。由于原子中仅有某些波长与频率，所以，电子的动量

也只能有某些数值，并且不是连续地增加，而只能突跃地增加。这个非连续性的表现使我

们又回复到量子论。

    要解释乔治·汤姆生的实验，就需要假定电子具有双重性质：既是质点（或电荷），

又是波列。上面说过，薛定谔走得更远，而认为电子是一种波的系统。波的性质是不确定

的。波必须符合某些方程式，但可能不具有机械式的运动。而这些方程式可能只符合概率

的交替，这一项在正常波里，度量位移量，可以给出电子出现在某一给定点的概率（机遇

）。

于是在原子被分为电子之后三分之一个世纪，电子又被分为一未知的辐射源或一无形体的

波动系统了。昔日的坚硬而有质量的质点的最后一点痕迹已经消失，物理学的基本概念似

乎已经归结为数学方程式了。实验物理学家，特别是英国人，对于这种抽象概念很是感觉

不安，企图设计一种原子模型，而从机械或电的角度去表达这些方程式的意义。但牛顿早

已见到，力学的最后基础绝不是机械的。

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2．9
9
8×1010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。



--
╔═══════════════════╗
║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
╚═══════════════════╝

※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.162]