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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。
化学
光线传播需要时间,是丹麦天文学家勒麦(OlausRomer)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,在一年内看见星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。
弗科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。
①
A。Einstein;Vier Vorlesungen uber Relativitatsthearie; Braunschweig,1922;The Meaning of Relativity; London,
1922。A。S。Eddington, The MathemalicalTheory of Relativity; Cambridge,1923and1924。
然后以已知的速度使R 急速转动,当光线住返于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。998x l0 厘米,或在1/1000 的误差内取为3x10 厘米①。
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401 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15)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。今若设想地
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402 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。
可是在以光行差计算光这时,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,也未发现光这有任何改变。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
①
M。E。J。G。de Bray,“TheVelocityofLight”Isis,No。 70; 1936。p。437。
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
1
(1 …v2 /c2)2 的比例收缩,式中V 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�