爱因斯坦-物理学的进化-第10章

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如上所述，我们只是为了可以用仪器很容易地测量电势差，所以介绍了由若干个玻璃杯组成的电池组。但在以后的讨论中，用一个玻璃杯装成的单电池就够了。我们可以证明铜的电势比锌高些，这里所谓〃高些〃的意思是等于说＋2比较－2要大些。假使把一个导体连接到那个空着的铜片上，另一个导体连接到空着的锌片上，则两个导体上都会有电荷，前一个有正电荷，后一个有负电荷。到此为止，还没有发现有什么了不起的新的现象，我们还可以应用以前关于电势差的观念。我们已经知道两个电势不同的导体用导线连接起来以后，可以使电势差消失，因此电流体是在从一个导体向另一个导体流动的。这种过程与由于热的流动使温度相等的现象是相似的。但是伏打电池中的电流是否也是这样流动的呢？
伏打在他的实验报告中曾说过，金属片的作用和导体一样：
……微弱地带电，它们不断地作用，或者说在每一次放电之后，又立刻有新的电荷。总而言之，它所供给的电荷是无穷尽的，或者说，会发生一种永远不断的电流体的作用或冲动。
这个实验的结果是令人惊异的，因为用导线把两个带电导体连接起来，电势差就会消失，而铜片和锌片之间的电势差是不会消失的。电势差既然维持不变，那么根据电流体的理论，便有电流体不断从较高的势位（钢片）流向较低的势位（锌片）。我们姑且不放弃电流体理论，可假定有一种经常的力，使电势差不断再生，因而引起电流体的流动。但是从能的观点看来，整个现象是令人惊奇的。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，假使导线比较纤细，甚至会被熔化。由此可知，在导线中产生了热能。但是这整个伏打电池组构成一个孤立的系统，因为没有能从外部加进来。假使我们不愿放弃能量守恒定律，便必须找出能的转换发生在什么地方，热是由哪种能转换出来的。我们很容易理解，在电池中产生着很复杂的化学变化过程，在这个过程中溶液及浸在其中的铜片和锌片都是起作用的。从能的观点看来，转换的程序是这样的：化学能流动的电流体即所谓电流的能热。一个伏打电池组不能永远使用下去，化学变化和电的流动经过一个相当时期以后，便会使电池组失掉效用。
有一个实验，它把应用机械观的巨大困难揭露出来了。这个实验初听起来是很奇怪的，它是奥斯特（Oersted）约在120年前所做的，他这样写道：
这些实验似乎已表明，我们可以用一个伽尔伐尼装置使磁针移动自己的位置，但是只有在伽尔伐尼电路闭合时才有这种现象，而不是在电路断开时。几年以前某些非常有名的物理学家仍想在电路断开时使磁针移动位置，但毫无结果。
假设我们有一个伏打电池组和一根金属导线，如果把导线连接在铜片上，而不连接在锌片上，便会发生势差，但是却不会有电流。假设把导线弯成一个圈，在它的中央放上一根磁针，导线和磁针都在同一平面上。在导线不接触锌片时，不会有什么现象发生。没有任何力在作用，所存在的势差对磁针的位置不会产生任何影响。我们简直不懂为什么奥斯特所说的那些〃极有名的物理学家〃会去期待这种感应的到来。
现在让我们把导线连接在锌片上，奇怪的现象立刻发生，磁针离开了它原来的位置。假使把书的平面代表圈的平面，则磁针的两极中有一个极正指向读者（图31）。这个效应表明，有一种垂直于圈平面的力作用在磁极上。在实验的事实面前，我们不可避免地会作出结论，认为力作用的方向是垂直的。
这个实验之所以重要，第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象，即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要，磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力，不是在沿连接金属线和针的直线上，也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上，力是与这些直线垂直的。按照机械观，我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型，而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。我们记得那些服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁力都是沿着连接于相互吸引或相互推斥的物体的一条直线而作用的。
在差不多60年以前，罗兰（Rowland）做了一个很精巧的实验，把这种困难显示得更厉害了。我们把实验的技术细节丢开不谈，只叙述实验的大意。设想一个小的带电圆球（图32），再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动，在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的，惟一不同的是他不用通常的电流，而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同，磁针受一个垂直的力的影响而发生偏转现象。
现在我们使带电体运动得更快些，这样，作用于磁极的力增大了，磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。可是我们还能够持保守态度，仍旧在旧的观念范围内找寻解答。
当一个理论在很顺利地发展时，突然会发生一些出乎意料的阻碍，这种困难在科学上常常发生。有时把旧的观念加以简单推广似乎是一个解决困难的好办法，至少暂时解决困难是可以的。例如在现在这个例子中，似乎把过去的观点推广，而在基本粒子之间引入一些更加普遍的力就够了。可是那旧理论往往已无法弥补，而困难终于使它垮台，于是新的理论随之兴起。在这里，不是单单一个小小磁针的行为把表面上很稳固、很成功的机械论打倒了。从一个完全不同的观点上来了另一个更有力的攻击，但这是另一个故事，我们以后再谈吧！
光的速度
在伽利略的《两种新科学》一书中，我们可以听一听教师和他的学生之间关于光的速度的谈话：
沙格勒多（Sagredo）：我们应该认为光的速率是属于哪一类呢？有多大呢？光的运动是即发的呢，还是像其他的物体一样需要时间的呢？我们能用实验来解决这个问题吗？
辛普利娑（Simplicio）：日常经验告诉我们，光的传播是即发的，因为当我们看见远处开炮时，闪光不需时间便传到了眼睛，但是声音却是在一个显著的时间间隔以后才传到耳鼓来。
沙格勒多：那么，根据这一点熟悉的经验，我们只能推论传到我们耳鼓的声音比较光要传播得慢些，它并没有告诉我们光的传播是即发的，或者说它传播得非常快，但总是需要时间的……
萨尔维蒂（Salviati）：这些观察以及其他类似的观察中所得到的一点结论，使我想出了一个可以用来精确地决定光的传播是否即发的方法……
萨尔维蒂还继续解释他的实验方法。为了了解他的观念起见，我们不妨设想光的速度不仅是有限的，而且是很小的，光的运动慢下来了，像慢动作的电影片一样。甲和乙两个人都拿着遮起来的灯相距1公里站着，第一个人（甲）先打开他的灯。这两个人已经预先约好，乙看见甲的光就立刻打开自己的灯。假定在这里所说的〃慢动作〃中的光每秒钟走1公里。甲把灯上的遮盖物拿开，于是一个信号就送出去了。乙在1秒钟之后看到这个信号并发出一个回答的信号，甲在发出自己的信号之后2秒钟收到乙的信号。假使光的速率是1公里每秒，则甲在发出和接到离开他1公里的乙的信号之间要经过2秒钟。反过来说，如果甲不知道光的速度，但假定他的同伴是遵守约定的，他若看见在打开自己的灯以后2秒钟，乙的灯也打开了，他就可以断定光的速率是1公里每秒。
伽利略以当时的实验技术自然无法用这种方法测定光的速度，假使距离是1公里左右，他必须将时间间隔测到3．3×10－6秒的数量级。
伽利略提出了决定光速的问题，但是却没有解决它。提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。惯性原理、能量守恒定律，都只是运用新的和独创的思想去对付已经熟知的实验和现象所得来的。在本书的后续篇幅中，我们还将看到很多这样的例子，其中特别着重用新的观点来研究已知的情况的重要性，并描述一些新的理论。
我们再回到比较简单的决定光速的问题上来吧！很奇怪，伽利略居然没有想到他的实验可以更简单、更准确地由一个人做出来。他不必请一个伙伴站在远处，只要在那里安置一面镜子就够了，镜子接到光以后，便立刻自动地送回一个信号。
大约在250年之后，这个了不起的原理才被斐索（Fizeau）所利用，他是第一个用地面上的实验来决定光的速度的人。在斐索之前，已经有勒麦（Roemer）用天文观察决定了光的速度，可是精确度很差。
这是十分明显的，由于光的速度非常大，要测量它，必须利用一个相当于地球与太阳系中的另一个行星之间的距离那样大的距离，或者需要使用极精巧的实验技术。第一种方法就是勒麦所用的方法，第二种就是斐索所用的方法。在这些最早的实验之后，这个代表光速的非常重要的数字，又作了很多次测定，而且愈来愈精确了。在20世纪，迈克尔孙（Michelson）为了这个目的设计了一种极精巧的仪器。这些实验的结果可以简单地表明为：光在真空中的速度约为300000公里每秒。
作为物质的光
我们再从几个实验论据讲起。刚才所引用的数字是光在真空中的速度，光在真空中以这种速率穿过是不受干扰的。把一个空的玻璃容器中的空气抽去了，我们还可以透过它看东西。我们看到行星、恒星、星云，可是它们的光必须经过真空才能到达我们的眼睛。不论容器中有无空气，我们都能透过它看见东西，这个简单的论据表明空气的有无是无关紧要的。因为这个道理，所以我们做光学实验时，在一间普通的房间内所做的效果，和在没有空气的地方所做的效果一样。
最简单的光学事实之一是光的传播是直线的，我们来描述一个能证明这个事实的原始的简单的实验。在点光源前放一个开有小洞的屏，点光源是一个非常小的光源，例如在一个遮盖起来的灯上的一个很小的缺口就是点光源。由于屏上有缺口，在很远的墙上的暗背景上现出了光斑。图33表明了这个现象跟光的直线传播关系。所有这些现象，甚至出现光、影和半影的更复杂的那些情况，都可以用光在〃真空〃和在空气中沿直线传播的假定来解释。
我们另外举一个光通过物质的例子。假设有一束光通过真空，落在玻璃片上，结果会怎样呢？如果直线传播的定律仍然是有效的，那么光束的路线就应像图34中的虚线那样。但实际上不是这样，光束的路线像图上那样折转了，这种现象叫做折射。把一根棍子的一半浸在水里，看起来这根棍子的中间处像是折断了的，这是大家都