92铀U238．029　　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。ET，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1903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。1902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2．998×1010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2．36×10101.651.52．48×10101.831.662．59×10102.042.02．72×10102.432.422．85×10103.093.1　　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（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：名称质量（单位：电子）电荷电子（β粒子）1－e正电子1＋e介子200±e质子1800＋e中子1800氘核3600＋eα粒子7200＋2e　　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