2-2 1920年以前的物理学

一开始就从现在的观点讲起是有点困难的，所以让我们先来看一下在1920年左右人们是怎样看待世界的，然后再从这幅图像中挑出几件事情来。在1920年以前，我们的世界图像大致是这样的：宇宙活动的“舞台”是欧几里得所描绘的三维几何 空间 ，一切事物在被称为 时间 的一种介质里变化，舞台上的基本元素是 粒子 ，例如原子，它们具有某些 特性 。首先它具有惯性：如果一个粒子正在运动，它将沿着同一方向继续运动下去，除非有 力 作用其上。此外，第二个基本元素就是 力 ，当时认为共有两类力。第一类力是一种极其复杂细致的相互作用，它们以复杂的方式将各种各样的原子约束在不同的组合之中，它们决定当温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些；另一类已知的力是一种长程的相互作用，它是与距离平方成反比而变化的平缓的吸引力，称为万有引力。这条定律已为我们所知，它是很简单的。当然， 为 什么 物体的运动一经开始就能保持下去，或者 为什么 存在一条万有引力定律，我们则不清楚。

对自然的描述正是我们在这里要关心的。从这个观点出发，气体以及实际上 所有 的物质都是无数运动着的原子。这样我们站在海边所见到的许多东西马上可以联系起来了。首先是压力，它来自原子与壁或者某个东西的碰撞；如果原子的运动平均而言都沿着一个方向，这种原子的漂移运动就是风；而无规则的内部运动就是热。某个地方有过多的原子集结在一起时，就形成过剩密度的波，当波前进时，把成堆的原子推向更远的地方，等等。这种过剩密度的波就是声波。能够理解这么多事情的确是惊人的成就。在前一章里我们已经说明过一些这样的事情。

粒子有哪些种类？在当时认为有92种。那时已发现有92种不同的原子，各按其化学性质而被赋予不同的名称。

其次的问题是，“短程力”是什么？为什么碳吸引一个（有时两个）而不是三个氧？原子间的相互作用的机制是什么？是万有引力吗？答案是否定的。万有引力实在太弱了。于是让我们来设想一种类似于万有引力那样的与距离平方成反比的力，不过它在强度上远远超过前者，此外还有一个差别：在重力作用下，每个物体彼此吸引，但现在我们设想有两类“东西”，而这种新的力（当然就是所谓电力）具有同类相斥而异类相吸的特性。具有这样强的作用的“东西”就称为电荷。

那么，我们会得到什么结果呢？假定我们有两个异类电荷，一正一负，并且彼此十分靠近。现在，在若干距离之外，还有另一个电荷。它会感到吸引吗？ 实际上 它几乎 不 会感到什么作用，因为如果前两个电荷的大小相等，来自一个电荷的吸引被来自另一个电荷的排斥所抵消，所以，在任何可估计的距离上只有很小的一点作用力。另一方面，如果我们使第三个电荷 非常靠近 前两个时，就会发生吸引作用。因为同类电荷的斥力与异类电荷的引力倾向于使异类电荷靠近而使同类电荷远离。这样，排斥作用就将小于吸引作用。这就是为什么由正、负电荷组成的原子相互离开较远时只感受到很小一点作用力（重力除外），而当它们彼此靠近时，就能够互相“看到内部”而重新安排其电荷，结果产生极强的相互作用的原因。原子间作用力的最终基础是电的作用。由于这种力是如此巨大，以致所有正的与负的电荷通常都以尽可能紧密的方式结合在一起。所有的事物，甚至我们自己，都由极精细的和彼此强烈作用着的正、负微粒所组成，所有正的微粒与所有负的微粒正好抵消。有时，碰巧我们“擦”去了一些负电荷或正电荷（通常擦去负电荷较为容易），在这种情况下将会发现电力 不 再平衡 ，于是就能看到电的吸引作用。

为了对电力作用究竟比引力作用大多少有个概念，我们举出大小为1 mm，相距为30 m的两粒沙子为例。假如它们之间的作用力没有抵消，每个电荷都吸引所有其他电荷而不考虑同类电荷间的斥力，那么，两颗沙粒之间的作用力会有多大呢？两者间将会产生 3×106 t 的力！你瞧，只要正电荷或负电荷的数目有一点点极 小 的过剩或欠缺，就足以产生可观的电效应。当然，这就是你们为什么不能看出带电体与非带电体之间的差别的原因——所牵涉的粒子数目少得无论在物体的重量上或者形状上都很难造成什么差别。

有了这样的图像，对原子就比较容易理解了。人们认为原子的中心是一个带正电的质量甚大的“原子核”，核周围围绕着一定数量的很轻而带有负电的“电子”。让我们稍稍超前一点提一下：在原子核里也发现了两类粒子——质子和中子，它们的重量几乎相同，并且十分重。质子带正电，中子则呈中性。如果我们有一个原子，其核内有六个质子，从而四周环绕着六个电子（在通常的物质世界中负粒子都是电子，与组成原子核的质子和中子相比，它们是很轻的），在化学周期表上这个原子的序数是6，名称是碳。原子序数为8的物质叫做氧，等等。因为化学性质取决于核外的电子，实际上它只取决于核外有 多少 个电子，所以一种物质的 化学 性质只由电子的数目所决定（化学家的全部元素的名称实际上可以用1，2，3，4，5，等等编号来称呼）。我们可以说“元素6”，表示六个电子，以代替“碳”这个名称。当然，在先前发现元素时，人们并不知道它们可以用这种方式来编号。此外，这又会使事情复杂化，因此，宁可对这些元素定一个名称和符号，这比用编号来称呼元素来得更好。

关于电的作用人们还发现了更多事情。对电相互作用的自然解释是，两个物体简单地互相吸引：正的吸引负的。然而后来发现用这种观点来描述电的相互作用并不妥当。更合适的描述这种情况的观点是：在某种意义上，正电荷的存在使空间的“状况”发生畸变，或者说在空间造成了一种“状况”。于是当我们将负电荷放到这个空间里后，它就会感受到一个作用力。这种产生力的潜在可能性就叫做 电场 。当把一个电子放入电场时，我们就说它受到“拉曳”。于是我们就有了两条规则：（1）电荷产生电场；（2）电荷在电场中会受到力的作用而运动。如果我们讨论下述现象的话，建立这两条规则的理由就清楚了：假如我们使某物体（比方说梳子）带电，然后把一张带电的纸片放在一定距离之外，当我们来回移动梳子时，纸片就会有反应，并且总是指向梳子。如果我们使梳子晃动得快些，就会发现纸片的运动有一点滞后，即作用有所延迟（起先，当我们相当慢地晃动梳子时，我们发现一种错综复杂的现象，这就是磁。磁的影响与作相对运动的电荷有关，所以磁力和电的作用力实际上可以归之于一个场，就像同一件事的两个不同的方面。变化的电场不能离开磁而存在）。假如我们把纸片移得更远，滞后就更大，这时能观察到一件有趣的事：虽然两个带电体之间的作用力应当与距离 平方 成反比，但是我们发现，当摇动一个电荷时，电作用的影响范围要比起初所猜想的 大得多 。这就是说，作用的减弱要比反平方的规则来得慢。

这里有一个类比：如果我们在水池里，而在近处漂浮着一个软木塞，我们可以用另一个软木塞划水来“直接”移动那个木塞。如果现在你只注意两个 软木塞 ，你能看到的将是一个立即响应另一个的运动——在软木塞之间存在着某种“相互作用”。当然，我们实际上所做的只是搅动了 水 ；然后水又去扰动另一个木塞。于是我们就能提出一条“定律”：如果稍微划一下水，那么水中附近的物体就会移动。当然，假若第二个软木塞离得较远，则它将几乎不动，因为我们只是 局部地 搅动水。另一方面，假如我们晃动木塞，就会产生一个新的现象，即这部分水推动了那部分水，等等，于是波就传播开去，这样，由于晃动，就有一种波及 十分远 的影响和一种振荡的影响，这是无法用直接相互作用来理解的。所以那种直接作用的概念必须用水的存在来代替，或者，对于电的情形，用我们所谓的电磁场来代替。

电磁场能传送各种波，其中的一些就是 光波 ，另一些波用在 无线电广播里 ，但它们的总名称是 电磁波 。这些振荡的波可以有各种 频率 ，一种波和另一种波之间的唯一的真正差别只是 振荡的频率 。假如我们越来越快地来回晃动电荷，并且注视着所产生的效应时，我们将得到一系列不同的效应，只要用一个数，即每秒钟振荡的次数，就能把这些效应统一起来。通常在我们住房墙上电路里流动的电流所产生的扰动约为100 Hz。如果我们把频率提高到500 kHz或1 000 kHz，我们就“在空气中了” ，因为这正是无线电广播所用的频率范围（当然，广播与 空气 毫无关系！没有任何空气也能进行广播）。假如再提高频率，那么就进入调频广播和电视所用的波段。再上去，我们使用一种极短的波，比如雷达所用的波。频率再增高，我们就无需用仪器来“看”这种波了，而用眼睛就能够看到它。在频率范围为5×10 ¹⁴ ～5×10 ¹⁵ Hz的时候，只要有可能使带电的梳子晃动得这样快，我们的眼睛就能见到带电梳子的振动，像红光、蓝光或紫光，视振动的频率而定。低于上述频率范围的称为红外，高于此范围的称为紫外。从物理学家的观点来看，我们能看见某种频率范围的波这个事实并不使这一部分电磁波谱比其他部分有什么更令人注意的地方，但是从人类的观点来看，这当然是更有趣的。如果我们把频率提得更高，于是就得到X射线。X射线不是别的，只是频率极高的光而已。如果再提高频率，就得到γ射线。X射线与γ射线这两个名称在使用时几乎是同义的，通常将原子核发出的电磁射线称为γ射线，而从原子中发出的这种高能的电磁射线就称为X射线。但是不论它们的起源如何，当频率相同时，它们在物理上是无法区别的。如果我们进到更高的频率，比如说10 ²⁴ Hz，我们发现可以人工制造这样的波，例如用加利福尼亚理工学院的同步加速器。我们还可以在宇宙线里发现频率出奇的高的电磁波——具有甚至比它还快1 000倍的振荡，而这些波目前还不能由我们来控制。