19世纪末20世纪初的物理学
2012-11-24 14:29阅读：
1.19世纪末的物理学三大发现
在大多数物理学家看来，19世纪末的物理学是一项有点单调的事业，它坚实而令人满意地建立在牛顿及其追随者们的决定论的机械世界观之上。在这一时期，与机械世界观相对应，也存在一种非力学趋势，这种趋势是以电磁理论为基础的，而这只是广泛地挑战机械世界观并探寻新基础的一个标志。这些新基础不是反对就是根本修改机械世界观。按照经典力学的世界图像——牛顿主义的拉普拉斯版本——世界是由原子组成的，原子是各种长程或短程力的源头并受其作用。这些力跨越空虚的空间超距地作用，万有引力就是其范例。随着场论的到来，力的传播机制改变了，但是，麦克斯韦和大多数其他的场物理学家继续为他们的模型寻找一种力学基础。最重要的概念移位是普适以太的凸现，它是一种连续的、穿透一切的、带假设性质的媒质，力以有限速度在其中传播。
19世纪的后四分之一世纪中，有许多试图说明或者校正神圣的牛顿引力定律的努力。有些人试图以电动力学为基础，另一些人则以流体动力学模型为基础。可是，电动力学是当时人们关注的焦点，流体动力学模型未能激起人们太多的兴趣。流体动力学的以太模型不同于物理学中的拉普拉斯纲领，但是，它们仍然以力学为基础，并不试图推翻牛顿的世界观。归根结底，流体动力学是流体的、力学的科学。热力学，作为热和能的其他显示的科学对经典世界观构成了大得多的困难问题。这个物理学的分支有时被认为不仅原则上不同于力学，而且，作为一个更为令人满意的、一切物理学均可建于其上的基础，它是优先于力学的。就所涉及的基本问题而言，作为力学的竞争者，电磁学、热力学一道进入了19世纪90
年代。在这个十年里，关于物理学的统一问题有着连续的讨论，可是，究竟哪个学科能够最佳地用作这种统一的基础，是一点也不清楚的，因为所有的物理学家都相信他们自己的理论必定行。
尽管能量守恒定律被成功地用力学的语言描述了，但是，热力学第二定律不肯屈尊于力学原理。例如，力学定律是可逆的，或者说，关于时间是对称的；而热力学第二定律则表达了熵的一种不可逆变化。在其著名的关于熵的统计理论中，路德维希·玻尔兹曼深信，他已经把第二定律归结于分子－力学的原理了。但是，他的解释受到挑战，并成为许多纷争的焦点。按照两位德国科学家乔治·赫尔姆和路德维希·奥斯特瓦尔德的观点，能量是物理科学统一概念中最为重要的概念，因此，广义的热力学应取代力学而成为物理学的基础。他们的观点称为唯能论。唯能论纲领被认为足以挑战传统的分子力学观。玻尔兹曼攻击唯能论，而赫尔姆和奥斯特瓦尔德则反对机械世界图景。
在19世纪90年代，机械世界观已不再被视为进步的了，甚至传统者们也不得不承认它并非普适地成功。20世纪早期崛起的新物理学不是反对一个失去活力的牛顿世界观的叛逆，有点类似于伽利略反对亚里士多德主义的叛逆。到1905年，力学世界观已经受攻击十多年了；仅此而论，爱因斯坦与牛顿的冲突也绝不是太多的。甚至可以说，比热力学与唯能论所激起的反对更为重要的是：电磁理论中新而有活力的趋势，是19世纪90年代的特征。或许，19世纪后期物理学的基本问题是以太与物质之间的关系。以太是否为物质之构造的基本基础？或相反，物质是一更基本的本体范畴，以太只是它的一种特例？第一种观点把以太中的结构置于优先位置。在世纪的转折期，当力学以太模型被电动力学模型所取代时，这一观点变得越来越为人们所采纳。
原子不可分、原子是物质的最小微粒，是从古希腊德谟克利特到近代道尔顿原子论中铁一般的概念。但是，在19世纪末，几千年来神圣不可分的原子的大门被打开了，从此，人们开始了对原子内部奥秘的探索。而打开原子大门的功劳要归于19世纪末的物理学三大发现：X射线、放射性、电子。
对于元素和原子本质的进一步理解，来自对稀薄气体放电实验的研究。这项技术是通过气体发光以进行光谱学研究。不过物理学家和化学家也注意到，放电的类型与气体放电管中气体被抽空的程度有关。他们尤其对玻璃管壁上的一种辉光感兴趣，这种辉光似乎是从管端处的一个金属针（即电极）上发出的某种东西产生的。这里所说的电极是负电极，即阴极。随着真空技术的发展，物理学家进一步发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。伦敦的物理学家威廉·克鲁克斯试图把这些“阴极射线”解释成残留在管子里的气体分子，因为带电而受到阴极排斥。19世纪末，关于阴极射线的本质问题吸引了许多科学家投入研究。
1879年，英国人威廉·克鲁克斯假设阴极射线是颗粒的——一股荷电的分子流或他所谓的“物质第四态”。德国维尔茨堡大学的物理学家威尔海姆·伦琴也加入到这一研究之中。1895年11月8日，伦琴用抽气后的管子进行各种实验。他用黑纸将实验管包住，并把实验室弄成暗室。伦琴惊讶地注意到，放在椅子上的一块涂有氰化铂的纸发出闪光，而关闭管子的电源后，闪光立即停止。使明显，必定是某种有贯穿力的射线从管子射出并穿过空气落到氰化铂上。由于真空管是被包在黑纸板内，没有光或阴极射线能从里面透出。这一现象使他感到极为困惑，他甚至不敢相信自己的发现。他在真空管和纸屏之间放了几样东西，但所有这些东西看来像是透明的一样。当他在真空管前移动他的手时，他在纸屏上看到了他手的骨胳。这种射线不会是粒子，因为它们在电场和磁场中没有偏转，而如果它们是射线，也一定是一种性质怪异的射线，因为它们通过透镜时没有发生折射。他继续进行研究，并终于将他的研究结果记录到照相底片上去，最后肯定了他的发现。伦琴的结论是它们可能是波长非常短的射线，由于仍然感到迷惑，他将它们称之为“X射线”。12月底，伦琴在他的论文中描述了他的研究所得到的结果：物体对他的“新射线”在不同程度上是透明的；照相底片对X射线感光；他不能观察到任何可感觉到的射线的反射和折射，他也不能用磁场将它们偏转；X射线来自放电管上被阴极射线击中的那块管壁。伦琴的发现立即震惊了全世界。X射线的发现，也为后来物理学的发展提供了一个十分有力的工具。1901年，伦琴因为X射线的发现而荣获第一个诺贝尔物理学奖。
关于X射线本质的讨论持续进行着，直到证据积累到人们认识到：它们是一种特殊的电磁波，可能具有极长的波长。正是这种对X射线研究空前的热情，使得人们对X射线源也发生了兴趣，从而导致了元素放射性和放射性元素的发现。1886年1月法国科学院讨论伦琴的发现，在研讨会上，庞加莱提出产生射线的原因可能不是电波而是玻璃管的荧光部分，假设如此，有理由假定荧光物体除了照射光线外还发射X射线。庞加莱的话引起了法国物理学家亨利·贝克勒尔的注意并开始进行这方面的研究。贝克勒尔选定了铀盐作实验。他用黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐，在其中一块和底片之间放了一枚银元。然后他把这些东西在阳光下曝晒几小时。当他打开黑纸包封的底片时，就可以分辨出银元的影像。随后连着几天阴云密布，没有阳光，他只好把实验用的东西锁在抽屉里。天气放晴后，他决定做完中断的实验，当他检查密封的底片时，他发现了明显的感光现象。铀盐未经日光照射、不发荧光时，依然可以使底片感光，说明负本身在不断地自行发光。为了探索这种射线的来源，贝克勒尔试验了大量有磷光和荧光效应的晶体，发现只有含铀的晶体才有这种“穿透辐射”；而且，纯铀所产生的辐射比铀盐强3－4倍。他宣布：发射穿透射线的能力，是铀的一种特殊的性质。铀是人们发现的第一种放射性物质。
将放射性的研究深入进行下去的是波兰籍女科学家居里夫人。贝克勒尔射线的发现使她意识到问题的重要性，她当即将“放射性物质的研究”作为其博士论文题目。居里夫人首先深入研究铀的放射特性。经过几个星期的实验，居里夫人提出了令人惊奇不已的结论：铀的辐射强度正比于所用的数量，不受铀与其他元素的影响；而这类辐射也不受光和温度变化的左右；它们与人们所知的其他任何东西不同，也没有东西会影响它们。居里夫人立即提出了一个问题：是否还有别的元素也具有这种性质。于是她继续系统地研究和试验当时已知的各种元素和化合物。1898年4月，居里夫人再度提出一个惊人的发现：“钍”也具有铀那种光线。她建议把这种能力叫做“放射性”，这就表明放射性不是个别元素才具有的现象。
居里夫人在对铀和钍的混合物进行研究时，观察到有些铀钍混合物的辐射强度比其中的铀和钍的含量所应发射的还要强得多。那么，这种特别强大的射线又是从何而来呢？一定还有一种未知的新元素。皮埃尔·居里立刻意识到这一研究的重要性，放下自己正从事的晶体的研究，和玛丽一起投入寻找这种新元素的艰巨的化学分析工作。他们从已提炼出铀的矿渣中终于发现了一种新的放射性元素，它比铀的放射性强400倍。这种新发现的元素被他们命名为“钋”。同年12月，他们又发现了另一种放射性更强的新物质，命名为“镭”，并测定出镭的原子量为225，放射性比铀强200百多万倍。
X射线发现后，全世界的科学家都把注意力集中在X射线上。在剑桥大学的卡文迪许实验室，英国物理学家J·J·汤姆逊和他的研究生欧内斯特·卢瑟福一起研究这种射线。他们注意到当射线通过气体时会使气体导电，于是汤姆逊提出气体是“被电离了的”，因为这种现象和液体中存在离子或带电分子时引起导电的效应相似。
德国物理学家菲利普·莱纳德在1894年曾指出，阴极射线能贯穿金属薄片，因此它们不会是如克鲁克斯所设想的气体分子。莱纳德相信它们是某种形式的电磁辐射。另一方面，汤姆逊测量出它们的速度只有光速的1/1600，因而认为它们是粒子。到1897年，通过一系列的实验之后，他确定它们的大小必定“比通常的原子和分子要小”。这就导致了阴极射线的本质问题的争论，德国物理学家大多认为是一种以太波，英国人大多认为是一种带电粒子流。这种争论促成了汤姆逊在19世纪末发现了电子。
1890年，汤姆逊就开始了对阴极射线的研究。首先他测定阴极射线所带电荷的性质。通过实验，他发现阴极射线与负电荷在磁场和电场作用下遵循同样的路径，因此它是由带负电的粒子组成。接着他发现阴极射线在电场和磁场作用下均可发生偏转，其偏转方式与带负电粒子相同，这就说明阴极射线确实是一种带负电的粒子流。1898年，汤姆逊进一步测定了带电微粒的荷质比。使他惊奇的是，通过计算求出的荷质比，比最轻的氢原子的荷质比要大得多，这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多，前者大约是后者的1/1840。他把这种粒子称为“电子”，意即它是电荷的最小单位。
X射线、放射性、电子三大发现完成后，原子不可分的古老信念被打破了，加上开尔文所称的两朵乌云，整个经典物理学的大厦开始动摇了，建立新物理学理论体系的条件已经成熟。
2.原子的结构的研究
关于原子构成的特殊观念可追溯到电子发现之前的几十年，但有了这种新粒子之后，原子模型才获得一种更为实在的地位。电子作为物质的建筑基块，它直接导致关于原子内部的第一个精细模型。汤姆逊的“葡萄干布丁”重要模型，由因受正电流体作用而处于平衡位置的电子组成。这个模型的一个重要来源是涡旋原子论，按照这理论，原子被想象成理想而渗透一切的流体中的涡旋。
在其1897年10月的论文中，汤姆逊提出原子是由大量微粒子（电子）组成的，可能被中心力束缚在一起。他指出电子位形是一种环状结构，而且这种位形可能说明周期系统。两年后，汤姆逊提出了一个更确定的假设，在其中他明显表述了不久后被称为汤姆逊原子模型的东西：“我把原子视作是包含大量我将称之为微粒子的小物体。……在正常原子中，这些微粒子的集合形成一个电中性的系统。虽然个别微粒子行为像负离子[电荷]，当它们被组装在一个中性原子之中时，其负效应依然被某种引起空间的东西所平衡，通过空间电子被摊开，俨如它具有一种总量等于微粒子的负电荷总量的正电荷。”
愈来愈多的证据表明汤姆逊是正确的，电子确实是一种亚原子粒子。电子的电荷是负的。鉴于原子在正常条件下是电中性的，卢瑟福于1911年提出了一种能协调所有结果并且符合布拉格电离气体实验证据的原子理论。卢瑟福假设原子的质量基本上集中于原子核上，绕核旋转的电子所带负电正好与核所带的正电相等量，原子表现出电中性。根据经典的电磁理论，旋转的电子必定向外发射电磁波，从而损失能量，使电子最终落入原子核中，原子就毁灭了。这样，这一模型就是一个不稳定的模型。可是事实并非如此，原子的寿命是很长的，并未因电子运动而毁灭。另外，原子光谱是不连续的。这些事实连卢瑟福本人也不能自圆其说，使他不得不说原子的稳定性问题还有待探索。
卢瑟福的有核原子被认为是物理学历史上的一个里程碑。可这年春天它被引入时，很少有人把它视为一个关于原子组成的理论。开始对有核原子缺乏兴趣是有其原因的，因为卢瑟福原本是作为一种散射理论提出他的研究的，把它作为一种原子理论只是第二位的。作为一种散射理论，它取得了适度的成功，但其实验支持是有限的和间接的；作为一种原子模型，它是不完全的，甚至可能显得是无望的和特设的。卢瑟福利用散射资料论证原子的质量集中于很小的核上，但他提不出电子配置模式。
1912年，即卢瑟福的原子模型提出一年之后，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔来到曼彻斯特卢瑟福的实验室，在这里，他开始建立自己极具说服力的原子理论的基础，并于次年完成了他的原子理论。玻尔意识到：有核原子需要用一种电子结构使之完善，而这又要求某种非力学假设来使原子稳定。玻尔受到普朗克量子论和爱因斯坦光量子说的启示，把卢瑟福的原子模型加以改进，提出了“玻尔原子模型”，一种量子化的结构理论。他认为，电子只是在一些特定的轨道上绕核运行，在这些特定的轨道上运行时并不发射能量，只当它从一个较高能量的轨道上向一个较低能量的轨道跃迁时才发出辐射，反过来则吸收辐射。这个理论不仅在卢瑟福模型的基础上解决了原子的稳定性问题，而且用于氢原子时，与光谱分析所得实验结果完全符合，因此引起了物理学界的震动。
玻尔原子模型能够解释氢原子光谱波长何以能呈现为简单的数字序列，这一现象是1885年由瑞士物理学家约翰·巴尔末发现的。不过更有意义的是，它与德国物理学家普朗克和爱因斯坦的某些工作相呼应。1900年，普朗克提出，辐射并非是连续流，而是表现为离散的能量包，或者具有能量的“量子”，量子的数目以及能量总量——后者随着对应的辐射波长变短而增强。爱因斯坦分析了短波紫外辐射照射到金属表面导致电子发射的“光电效应”。若假设光线是以量子形式即以离散能量包的形式传播，就可以导致这样的结果。于是，这里既有了观测事实，又有了理论分析，两者一起表明光和所有电磁辐射应当既可视为波，也可视为粒子。布拉格在1910年的研究结果也证实了这一点。玻尔理论被爱因斯坦誉为“最伟大的发展之一”。
