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2-2 1920年前的物理学

一下子就从现代的观点开始讨论是有些困难的,因此我们先看一下,在1920年前后事物看起来是什么样子,然后再从这幅图像中挑出几件东西来讲。1920年前,我们的世界图像大致是这样的:宇宙活动的舞台是欧几里得几何描绘的三维空间,事物在叫做时间的媒质中变化。舞台上的基本元素是粒子,例如原子,它们具有若干属性。头一个属性是惯性:如果一个粒子在运动,它将继续沿同一方向运动下去,除非它受到力的作用。于是第二个基本元素就是力,当时以为有两种:第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力,它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中,它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些。另一种当时已知的力是一种长程相互作用,一种变化平缓的、悄悄的吸引力,与距离的平方成反比变化,叫做万有引力。引力定律很简单,当时已为人们所知。至于为什么运动的物体会保持运动下去,为什么存在万有引力定律,当然当时还不清楚。

这里我们关心的是对自然的描述。按照原子论的观点,气体和实际上一切物质,都是大量运动着的粒子。这样,我们站在海边看见的许多事物立即就可以联系起来。首先是压强,它来自原子与器壁或别的什么东西的碰撞。原子的移动如果平均而言沿着一个方向运动,那就是风;而无规的内部运动则是热。过多的粒子积聚在一起使密度超过平均值,它们将成堆的粒子不断向外散开,这就生成了波,这种过剩密度的波就是声音。能够理解这么多的事物,这是一个重大的成就。这些事物我们在上一章里已经讲过一些。

粒子的种类有多少?当时认为有92种,因为最终发现有92种不同的原子。它们有不同的名称,不同的化学性质。

下一个问题是,短程力是什么?为什么碳原子会吸引一个或者也许两个氧原子而不是三个氧原子?原子间的相互作用的机制是什么?它是万有引力吗?不是。万有引力太弱了。但是想象一种力,它与万有引力相似,也随距离的平方成反比变化,但强得多,并且有一个重要差别:在万有引力下一切物体都相互吸引,但现在想象存在有两类“东西”,这种新力(当然它就是电力)具有同类相斥、异类相吸的性质。携带这样强的相互作用的“东西”叫做电荷。

那么,我们会得到些什么结果呢?假设我们有两个相异的、相互吸引的电荷,一正一负,紧紧地贴在一起。假设另外还有一个电荷,离它们若干距离。这个电荷会感到任何吸引吗?它实际上不会感受到任何作用,因为如果前两个电荷大小相等,那么一个的吸引和另一个的排斥会抵消。因此在任何可观的距离上的力都很小。但是,如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近,就会产生吸引,因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些,并使同号电荷远离。这样排斥力就将小于吸引力。这就是由正电荷和负电荷组成的原子,在它们相隔一个可观的距离时,相互作用的力很小(除万有引力外)的原因。当它们靠近时,它们就能够互相“看到内部”,重新安排它们的电荷,结果它们之间就产生了很强的相互作用。原子之间的相互作用的终极原因是电的作用。由于这个力是如此之大,一切正电荷和一切负电荷通常会结合成一个尽可能紧密的组合。万事万物,包括我们自己,都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成,正电荷和负电荷相互抵消。偶尔,我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子(通常擦下带负电的粒子比较容易些),这时电力不再抵消,我们就会看到电的吸引作用。

电力比万有引力到底强多少呢?考虑两粒沙子,大小为1毫米,距离30米。如果它们之间的力不被抵消,也就是说,如果所有的电荷都互相吸引而不是同号电荷相斥,因此没有抵消,那么,它们之间的力有多大呢?有300万吨!你瞧,正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点,就足以产生可观的电效应了。当然,这就是你(用非电学方法)看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及的粒子数目如此之少,它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别。

有了这幅图像,原子就比较容易理解了。人们设想在原子的中心有一个“原子核”,它带正电并且有很大的质量,周围环绕着一定数目的“电子”,电子很轻并且带负电。现在我们稍微超前一点,预先指出原子核本身也包含两种粒子:质子和中子,它们的质量几乎相同,非常重。质子带电而中子不带电。如果我们有一个原子,它的原子核里有6个质子,外面环绕着6个电子(通常的物质世界中的负电粒子都是电子,它们比组成原子核的质子和中子轻得多)。这是元素周期表中的第6号元素(或者说其原子序为6),叫做碳。第8号元素叫做氧,等等。因为化学性质取决于核外的电子,并且事实上只取决于那里有多少个电子。因此,一种物质的化学性质完全取决于一个数,电子的个数。(化学家的全部元素清单实际上可以用编号1,2,3,4,5,……来表示,我们可以不说“碳”而说“第6号元素”,意味着它有6个电子。但是当然,当元素初发现时,并不知道它可以用这种方式编号,而且这还会使事物看起来相当复杂。让这些元素各自有自己的名称和符号,这比用数字来称呼一切东西要更好一些。)

关于电力还有更多的发现。电相互作用的一个自然的解释是,两个物体简单地互相吸引,正的吸引负的。但是,后来发现,用这个概念来表示电相互作用并不恰当。对电相互作用的一个更恰当的表示是,正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”,或在空间产生了一种新“状态”,使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。把一个电子放进电场,它就会受到一个“拉力”。于是我们就得到两条规则:(1)电荷产生一个电场,(2)电场中的电荷会受到力的作用而运动。讨论下述现象,用电场来表示电作用的理由就更清楚了。如果我们使一个物体比如一把梳子带电,然后把一张带电的纸放在离梳子一段距离外。前后移动梳子,纸片会有反应,总是指向梳子。如果把梳子摇动得更快,就会发现纸片的运动要落后一些,即作用有所滞后。(在第一个阶段,当我们相当慢地移动梳子时,我们还看到一种并发症,那就是磁。做相对运动的电荷必定有磁作用,因此磁力和电力实际上可以归结为一个场,就像同一事物的两个不同的侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。)如果我们把带电的纸片移到更远的地方,滞后就更大。这时观察到一件有趣的事:虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化,但却发现,当我们摇动一个电荷时,其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多。这就是说,这个效应下降得比平方反比律慢。

这里有一个类比:如果我们在一个水池里,近旁有一个漂浮的软木塞。用另一个软木塞划水,可以直接使前一个软木塞运动。如果你只注意看两个软木塞,你将会看到一个软木塞的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种“相互作用”。当然,实际上我们所做的是搅动水,然后水再去扰动另一个软木塞。我们可以建立一条“定律”:如果轻轻地划动水,水里邻近的物体就会运动。当然,如果第二个软木塞离得更远,它就几乎不动,因为我们只是局部地搅动水。反之,如果我们使软木塞上下运动,就发生一种新现象,水的运动带动了周围的水,形成了向外传播的波,因此通过上下运动,就有一种影响范围大得多的效应,波的效应,它无法从直接相互作用的观点理解。因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念,或者在电的情况下,代之以所谓的电磁场。

电磁场能够传送范围广泛的波;其中的一部分是光波,别的则用在无线电广播中,它们总的名字是电磁波。这些振荡的波可以有各种频率。一种波与另一种波的惟一真正的差别就在于振荡的频率。如果我们把一个电荷摇动得越来越快,看它产生的效应,我们将得到整整一系列不同的效应,它们由一个数,即每秒钟的振荡次数,统一在一起。建筑物墙上的电线中的电流产生的“干扰信号”的频率大约是每秒100次。如果我们把频率增加到500赫兹或1000千赫兹,那就是无线电广播所用的频率范围。(英文中“正在广播”是on the air,当然广播和空气(air)毫无关系!没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播。)如果我们再度提高频率,我们就进入了调频广播和电视所用的波段。频率进一步增高就是短波,例如雷达用的波。频率再高,就不需要仪器来“看”这些波了,我们可以用肉眼来看。在5×10 14 ~5×10 15 赫兹的频率范围内,我们的眼睛能够看见带电梳子的振荡,只要我们能够把梳子摇得这么快。我们将看到红光、蓝光或紫光,依它们的频率而定。低于这个范围的频率叫做红外光,高于这个范围的叫紫外光。从一个物理学家的观点看,我们能够看见特定频率范围内的波这一事实,并不使这一段电磁波谱比别的波段更特别,但是从一个人的观点看,当然这个波段更令人感兴趣。如果频率再高,我们就得到X射线。X射线不是别的,只不过是频率很高的光。频率再高,就得到γ射线。X射线和γ射线这两个名称,几乎是当作同义语来使用。通常把从原子核发出的电磁波射线叫做γ射线,而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线,但是不论它们起源在哪里,当它们的频率相同时,它们在物理上是无法分别的。频率更高的波,比方说10 24 赫兹,我们可以人工生成,比方用我们加州理工学院的同步加速器。在宇宙线中,我们可以发现频率极高的波,其振荡频率甚至更快1000倍。这些波我们还不能控制。

表2-1 电磁波谱 /o1cEigz0Z3QoCs6HX8FfuDU5TDPR23YKfP+KLKd/skeh/yVDQ1I0B7O/qHMejrw

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