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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第十章 物理学的新时代 3
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:34:12 2003)

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

质点的速度每秒厘米数
 质量与缓行质点质量之比
 
计算值
 实值
 
2．36×1010
 1.65
 1.5
 
2．48×1010
 1.83
 1.66
 
2．59×1010
 2.04
 2.0
 
2．72×1010
 2.43
 2.42
 
2．85×1010
 3.09
 3.1
 

 

    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（Whitta
k
er）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
2
0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19
3
9－1945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。



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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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