第五章19—20世紀(jì)之交物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)和物理學(xué)革命

§5.1歷史概述從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的1895年開始,到1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表三篇著名論文為止,在這10年左右世紀(jì)之交的年代里,具有重大意義的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下頁(yè)表。圖5－1一幅描述1896年英國(guó)電力工業(yè)的圖片§5.1歷史概述§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)5.2.1電子的發(fā)現(xiàn)5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)5.2.3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)5.2.1電子的發(fā)現(xiàn)德國(guó)科學(xué)家1858年就由德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)他看到正對(duì)陰極的管壁發(fā)出綠色的熒光。1876年,另一位德國(guó)物理學(xué)家哥爾茨坦認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種射線,并命名為陰極射線。他根據(jù)這一射線會(huì)引起化學(xué)作用的性質(zhì),判斷它是類似于紫外線的以太波。這一觀點(diǎn)后來(lái)得到了赫茲等人的支持。赫茲在1887年曾發(fā)現(xiàn)電磁波,就把陰極射線看成是電磁輻射,實(shí)際上和哥爾茨坦的主張是一樣的。這樣就形成了以太說(shuō)。贊成以太說(shuō)的大多是德國(guó)人。

圖5－4陰極射線遇到障礙產(chǎn)生陰影§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)英國(guó)科學(xué)家1871年,英國(guó)物理學(xué)家瓦爾利(C.F.Varley,1828—1883)從陰極射線在磁場(chǎng)中受到偏轉(zhuǎn)的事實(shí),提出這一射線是由帶負(fù)電的物質(zhì)微粒組成的設(shè)想。他的主張得到本國(guó)人克魯克斯(WilliamCrookes,1832—1919)和舒斯特的贊同。

圖5－5克魯克斯演示陰極射線聚焦§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)的后30年,形成了兩種對(duì)立的觀點(diǎn):德國(guó)學(xué)派主張以太說(shuō),英國(guó)學(xué)派主張帶電微粒說(shuō)。英國(guó)帶電微粒說(shuō)--克魯克斯證實(shí)陰極射線不但能傳遞能量,還能傳遞動(dòng)量。他認(rèn)為陰極射線是由于殘余氣體分子撞到陰極,因而帶上了負(fù)電,又在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成“分子流”?！?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)德國(guó)以太論者不同意這一說(shuō)法,用實(shí)驗(yàn)加以駁斥。哥爾茨坦做了一個(gè)很精確的光譜實(shí)驗(yàn)。他用一根特制的L形放電管,電極A、B可以互換,輪流充當(dāng)陰極,用光譜儀觀測(cè)譜線。如果陰極射線是分子流,它發(fā)出的光應(yīng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),即光的頻率應(yīng)與分子流速度方向有關(guān)?？墒?不管是那一端發(fā)出陰極射線,譜線的波長(zhǎng)都沒(méi)有改變。這就證明了分子流之說(shuō)站不住腳。以太論者認(rèn)為這是對(duì)以太說(shuō)的一個(gè)支持。§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)帶電微粒說(shuō)--舒斯特則將帶電微粒解釋成氣體分子自然分解出來(lái)的碎片,帶正電的部分被陰極俘獲,電極間只留下帶負(fù)電的部分,因而形成陰極射線。1890年,他根據(jù)磁偏轉(zhuǎn)的半徑和電極間的電位差估算帶電微粒的荷質(zhì)比,得到的結(jié)果在5×106庫(kù)侖/千克至1×1010庫(kù)侖/千克之間,與電解所得的氫離子的荷質(zhì)比108庫(kù)侖/千克相比,數(shù)量級(jí)相近。§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)以太論學(xué)說(shuō)--赫茲和他的學(xué)生勒納德(PhilippLenard,1862—1947)也做了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)證明自己的以太理論。赫茲做的真空管中電流分布的實(shí)驗(yàn),“證明”陰極射線的走向與真空管中電流的分布無(wú)關(guān)。他還在陰極射線管中加垂直于陰極射線的電場(chǎng),卻沒(méi)有看到陰極射線受到任何偏轉(zhuǎn)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不成功的原因是因?yàn)楫?dāng)時(shí)不了解低壓狀態(tài)下氣體導(dǎo)電機(jī)制的復(fù)雜性。遺憾的是,赫茲以此作為陰極射線不帶電的證據(jù),更加堅(jiān)持以太說(shuō)。

§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)赫茲做的另一實(shí)驗(yàn)則是成功的。1891年,他注意到陰極射線可以象光透過(guò)透明物質(zhì)那樣地透過(guò)某些金屬薄片。1894年,勒納德發(fā)表了更精細(xì)的結(jié)果。他在陰極射線管的末端嵌上厚僅0.000265厘米的薄鋁箔作為窗口,發(fā)現(xiàn)從鋁窗口會(huì)逸出射線。在空氣中穿越約1厘米的行程。他們認(rèn)為這又是以太說(shuō)的有力證據(jù),因?yàn)橹挥胁ú拍艽┰綄?shí)物。圖5－8勒納德的鋁窗實(shí)驗(yàn)

§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)微粒說(shuō)者--1895年法國(guó)物理學(xué)家佩蘭(JeanBaptistePerrin,1870—1942)將圓桶電極安裝在陰極射線管中,用靜電計(jì)測(cè)圓桶接收到的電荷。結(jié)果確是負(fù)電。他支持帶電微粒說(shuō),發(fā)表論文表示了自己的觀點(diǎn)。圖5－9佩蘭測(cè)陰極射線的電荷（其中B是陽(yáng)極，C是陰極，F(xiàn)是法拉第圓桶）§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)陰極射線的本性作出正確答案的是英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室教授J.J.湯姆生(JosephJohnThomson,1856—1940)。他從1890年起,就帶領(lǐng)自己的學(xué)生研究陰極射線。克魯克斯和舒斯特的思想對(duì)他很有影響。他認(rèn)為帶電微粒說(shuō)更符合實(shí)際,決心用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行周密考察,找出確鑿證據(jù)。為此,他進(jìn)行了以下幾方面的實(shí)驗(yàn):

§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)1.直接測(cè)陰極射線攜帶的電荷。圖5－18J.J.湯姆生測(cè)陰極射線所帶電荷的實(shí)驗(yàn)裝置§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)1.直接測(cè)陰極射線攜帶的電荷。2.使陰極射線受靜電偏轉(zhuǎn)。3.用不同方法測(cè)陰極射線的荷質(zhì)比。

圖5－19J.J.湯姆生靜電偏轉(zhuǎn)管§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)1.直接測(cè)陰極射線攜帶的電荷。2.使陰極射線受靜電偏轉(zhuǎn)。3.用不同方法測(cè)陰極射線的荷質(zhì)比。4.證明電子存在的普遍性。圖5－20J.J.湯姆生在做實(shí)驗(yàn)圖5－21J.J.湯姆生的實(shí)驗(yàn)裝置§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

1897年4月30日,J.J.湯姆生向英國(guó)皇家研究所報(bào)告了自己的工作,隨即又以《論陰極射線》為題發(fā)表論文，寫道：“陰極射線的載荷子比起電解的氫離子,m/e值小得多。m/e小的原因可能是m小,也可能是e大,或兩者兼而有之。我想,陰極射線的載荷子要比普通分子小。這可從勒納德的結(jié)果看出。”

§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)接著,J.J.湯姆生和他的學(xué)生們用幾種方法直接測(cè)到了陰極射線載荷子所帶的電量,證明的確跟氫離子的帶電量相同。1899年,J.J.湯姆生采用斯坦尼(G.T.Stoney,1826—1911)的“電子”一詞來(lái)表示他的“載荷子”。“電子”原是斯坦尼在1891年用于表示電的自然單位的?！?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)J.J.湯姆生進(jìn)一步又研究了許多新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象,以證明電子存在的普遍性。光電效應(yīng)、熱電發(fā)射效應(yīng)、β射線J.J.湯姆生掌握了大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí),果斷地作出判斷:不論是陰極射線、β射線還是光電流,都是電子組成的;不論是由于強(qiáng)電場(chǎng)的電離、正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受灼熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射,都發(fā)射出同樣的帶電粒子——電子。這種帶電粒子比原子小千倍,可見(jiàn),電子是原子的組成部分,是物質(zhì)的更基本的單元。

§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日,他又到實(shí)驗(yàn)室工作,一個(gè)偶然事件吸引了他的注意，倫琴用了6個(gè)星期深入地研究這一現(xiàn)象。1895年底,他以通信方式將這一發(fā)現(xiàn)公之于眾。由于這一射線有強(qiáng)大的穿透力,能夠透過(guò)人體顯示骨骼和薄金屬中的缺陷,在醫(yī)療上和金屬檢測(cè)上有重大的應(yīng)用價(jià)值,因此引起了人們的極大興趣。圖5－10倫琴在做實(shí)驗(yàn)圖5－11倫琴用過(guò)的陰極射線管

圖5－12第一張人手X照片圖5－131896年英國(guó)的廣告§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴在他的論文中把這一新射線稱為X射線,因?yàn)樗?dāng)時(shí)確實(shí)無(wú)法確定這一新射線的本質(zhì)。直到1912年,他的同胞勞厄(MaxvonLaue,1879—1960)才從晶體衍射的新發(fā)現(xiàn)判定X射線是頻率極高的電磁波。隨后,莫塞萊(H.G.J.Moseley)證實(shí)它是由于原子中內(nèi)層電子躍遷所發(fā)出的輻射。§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)—倫琴過(guò)人之處1880年,那位主張以太說(shuō)的哥爾茨坦在研究陰極射線時(shí)就注意到陰極射線管壁上會(huì)發(fā)出一種特殊的輻射,使管內(nèi)的熒光屏發(fā)光。當(dāng)時(shí)他正在為陰極射線是以太的波動(dòng)這個(gè)錯(cuò)誤論點(diǎn)辯護(hù)。§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)—倫琴過(guò)人之處1895年以前許多人都知道照相底片不要存放在陰極射線裝置旁邊,否則有可能變黑。例如,英國(guó)牛津有一位物理學(xué)家叫斯密士(F.Smith),他發(fā)現(xiàn)保存在盒中的底片變黑了,這個(gè)盒子就擱在克魯克斯型放電管附近,他只叫助手以后把底片放到別處保存,沒(méi)有認(rèn)真追究原因。§5.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)—倫琴過(guò)人之處1887年,早于倫琴發(fā)現(xiàn)X射線8年,克魯克斯也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)類似現(xiàn)象。他把變黑的底片退還廠家,認(rèn)為是底片質(zhì)量有問(wèn)題。1890年2月22日,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的古茨彼德(A.W.Goodspeed)也有過(guò)同樣的遭遇,甚至還拍攝到了物體的X光照片,但他沒(méi)有介意,隨手把底片扔到廢片堆里,被他遺忘了。6年后,得知倫琴宣布發(fā)現(xiàn)X射線,古茨彼德才想起這件事,重新加以研究?！?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)—倫琴過(guò)人之處1894年,J.J.湯姆生在測(cè)陰極射線的速度時(shí),也作了觀察到X射線的記錄。他當(dāng)時(shí)沒(méi)有功夫?qū)ｉT研究這一現(xiàn)象,只在論文中提了一筆,說(shuō)看到了放電管幾英尺遠(yuǎn)處的玻璃管上也發(fā)出熒光。勒納德是研究陰極射線的權(quán)威學(xué)者之一。他在研究不同物質(zhì)對(duì)陰極射線的吸收時(shí),肯定也遇到了X射線。他后來(lái)在1906年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的演說(shuō)詞中說(shuō)1:“我曾做過(guò)好幾次觀測(cè)。當(dāng)時(shí)解釋不了,準(zhǔn)備留待以后研究。不幸沒(méi)有及時(shí)開始?！薄?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)

5.2.2X射線的發(fā)現(xiàn)—倫琴過(guò)人之處1894年,J.J.湯姆生在測(cè)陰極射線的速度時(shí),也作了觀察到X射線的記錄。他當(dāng)時(shí)沒(méi)有功夫?qū)ｉT研究這一現(xiàn)象,只在論文中提了一筆,說(shuō)看到了放電管幾英尺遠(yuǎn)處的玻璃管上也發(fā)出熒光。勒納德是研究陰極射線的權(quán)威學(xué)者之一。他在研究不同物質(zhì)對(duì)陰極射線的吸收時(shí),肯定也遇到了X射線。他后來(lái)在1906年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的演說(shuō)詞中說(shuō)1:“我曾做過(guò)好幾次觀測(cè)。當(dāng)時(shí)解釋不了,準(zhǔn)備留待以后研究。不幸沒(méi)有及時(shí)開始?！薄?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)5.2.3“電磁質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)1878年羅蘭用實(shí)驗(yàn)演示了運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)的事實(shí),促使人們開始研究運(yùn)動(dòng)帶電體的問(wèn)題。1881年,J.J.湯姆生首先提出,帶電體應(yīng)具有更大的質(zhì)量。后來(lái),人們用“電磁質(zhì)量”來(lái)代表這一部分增加的質(zhì)量。1889年,亥維賽(OliverHeaviside)推導(dǎo)出當(dāng)運(yùn)動(dòng)帶電體的速度接近光速c時(shí),物體能量可達(dá)無(wú)窮大?！?.2X射線和電子的發(fā)現(xiàn)1901年考夫曼(WaltherKaufmann,1871—1947)用β射線做實(shí)驗(yàn),證實(shí)電子的質(zhì)荷比確隨速度的增大而增大。第一次觀測(cè)到了電磁質(zhì)量。1903年,阿伯拉罕(M.Abraham)用經(jīng)典電磁理論系統(tǒng)地研究了電磁質(zhì)量問(wèn)題,導(dǎo)出了電磁質(zhì)量隨速度變化的關(guān)系:1904年,洛侖茲把收縮假設(shè)(見(jiàn)下節(jié))用于電子,推出如下關(guān)系:§5.3“以太漂移”的探索5.3.1光行差的觀測(cè)“以太漂移”問(wèn)題是從光行差的觀測(cè)開始提出的。1725—1728年,英國(guó)天文學(xué)家布拉德雷(JamesBradley,1693—1762)對(duì)恒星的方位作了一系列的精確測(cè)量?！?.3“以太漂移”的探索5.3.2阿拉果的望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)阿拉果(D.F.J.Arago,1786—1853)是法國(guó)著名物理學(xué)家。由于他曾從事過(guò)大氣折射的光學(xué)研究,引起了對(duì)光速的興趣。他從牛頓力學(xué)速度疊加原理出發(fā),認(rèn)為如果發(fā)光體和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度不同,光速應(yīng)有差別,布拉德雷的觀測(cè)精度有限,沒(méi)有顯出有這種差別。§5.3“以太漂移”的探索5.3.3以太觀念的興起以太觀念的提出可以追溯到古希臘時(shí)代。亞里士多德認(rèn)為天體間一定充滿有某種媒質(zhì)。笛卡兒1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為“虛空”是不可能存在的,整個(gè)宇宙充滿著一種特殊的易動(dòng)物體——以太。由于太陽(yáng)周圍以太出現(xiàn)旋渦,才造成行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。

§5.3“以太漂移”的探索1678年惠更斯把光振動(dòng)類比于聲振動(dòng),看成是以太中的彈性脈沖。但是后來(lái)由于光的微粒說(shuō)占了上風(fēng),以太理論受到壓抑。牛頓就認(rèn)為不需要以太。他主張超距作用,傾向于微粒說(shuō)?！?.3“以太漂移”的探索1800年以后,由于波動(dòng)說(shuō)成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象,以太學(xué)說(shuō)重新抬頭。在波動(dòng)說(shuō)的支持者看來(lái),光既然是一種波,就一定要有一種載體。光能通過(guò)萬(wàn)籟俱寂的虛空,證明在虛空中充滿這種載體,這就是以太。他們把以太看成是無(wú)所不在、絕對(duì)靜止、極其稀薄的剛性“物質(zhì)”。例如:1804年托馬斯·楊寫道:“光以太充滿所有物質(zhì)之中,很少受到或不受阻力,就像風(fēng)從一小叢林中穿過(guò)一樣”。

§5.3“以太漂移”的探索5.3.4菲涅耳提出部分曳引假說(shuō)菲涅耳提出了部分曳引假說(shuō),即在透明物體中,以太可以部分地被這一物體拖曳。他再假設(shè)透明物體的折射率決定以太的密度,令ρ與ρ1分別表示真空中和透明物體中以太的密度,假設(shè)這些密度與折射率的平方成正比。菲涅耳進(jìn)一步假設(shè),真空中的以太是絕對(duì)靜止的,透明物體運(yùn)動(dòng)時(shí),物體只能帶動(dòng)多于真空的那一部分以太。

§5.3“以太漂移”的探索1846年,英國(guó)物理學(xué)家斯托克斯(GeorgeGabrielStokes,1819—1903)對(duì)菲涅耳的假設(shè)表示異議,他認(rèn)為把以太分成不動(dòng)和可動(dòng)的兩部分不如假設(shè)物體能夠完全拖曳以太,在物體表面附近有一速度逐漸減慢的區(qū)域,在空間中以太完全靜止?！?.3“以太漂移”的探索5.3.5斐索的流水實(shí)驗(yàn)1851年斐索在流水中比較光速的實(shí)驗(yàn)證明了菲涅耳公式。實(shí)驗(yàn)原理如圖。圖5－24斐索的流水實(shí)驗(yàn)§5.3“以太漂移”的探索5.3.6霍克實(shí)驗(yàn)菲涅耳的部分曳引假說(shuō)在1868年又一次得到霍克(Hoek)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。地球沿軌道繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn),也必沿相反方向形成以太風(fēng)。這就給人們提供一種可能的途徑,通過(guò)測(cè)量以太相對(duì)于地球的漂移速度,來(lái)證實(shí)以太的存在和探求以太的性質(zhì)。

§5.3“以太漂移”的探索5.3.7麥克斯韋的建議直到1879年還沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)出上述漂移速度。麥克斯韋很關(guān)心這件事,他在為《大英百科全書》撰寫的《以太》條目中寫道1:如果可以在地面上從光由一站到另一站所經(jīng)時(shí)間測(cè)到光速,那么我們就可以比較相反方向所測(cè)速度,來(lái)確定以太相對(duì)于地球的速度。然而實(shí)際上地面測(cè)光速的各種方法都取決于兩站之間的往返行程所增加的時(shí)間,以太的相對(duì)速度等于地球軌道速度,由此增加的時(shí)間僅占整個(gè)傳播時(shí)間的億分之一,所以的確難以觀察?！?/p>

§5.3“以太漂移”的探索5.3.8邁克耳孫的干涉儀實(shí)驗(yàn)邁克耳孫當(dāng)時(shí)是美國(guó)安那波利斯(Annapolis)海軍學(xué)院的一名物理教師,擅長(zhǎng)光學(xué)測(cè)量。1879年靠紐科姆的幫助,赴歐洲學(xué)習(xí)。1880年,他在柏林大學(xué)的赫姆霍茲實(shí)驗(yàn)室,利用德國(guó)光學(xué)儀器生產(chǎn)發(fā)達(dá)的優(yōu)越條件,創(chuàng)造性地進(jìn)行了干涉儀實(shí)驗(yàn)。

圖5－25邁克耳孫干涉儀原理圖圖5－26邁克耳孫解釋以太漂移影響觀測(cè)的用圖（由于以太的漂移，光線ab1實(shí)際走的路線是aba1）圖5－27第一臺(tái)邁克耳孫干涉儀§5.3“以太漂移”的探索5.3.91887年的邁克耳孫?莫雷實(shí)驗(yàn)邁克耳孫1881年在波茨坦做的實(shí)驗(yàn)遭到人們的懷疑,他自己也覺(jué)得不滿意。只是由于著名物理學(xué)家瑞利(LordRayleigh,1842—1919)和開爾文的鼓勵(lì)與催促,他才下決心跟莫雷(EdwardWilliamsMorley,1838—1923)合作,進(jìn)一步改進(jìn)干涉儀實(shí)驗(yàn)。1886年開始,他們?cè)诿绹?guó)克利夫蘭州的阿德爾伯特(Adel?bert)學(xué)院繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖5－28邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)裝置圖圖5－29邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)光路圖圖5－30邁克耳孫和莫雷得到的實(shí)驗(yàn)曲線圖5－31邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)照片§5.3“以太漂移”的探索5.3.10洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)英國(guó)物理學(xué)家洛奇(OliverJosephLodge,1851—1940)在1892年做了一個(gè)鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),以試驗(yàn)以太的漂移。圖5－32洛奇鋼盤實(shí)驗(yàn)裝置§5.3“以太漂移”的探索5.3.11收縮假說(shuō)的提出費(fèi)茲杰惹是愛(ài)爾蘭物理學(xué)家,他是麥克斯韋理論的積極支持者,也很關(guān)心從以太漂移實(shí)驗(yàn)對(duì)以太進(jìn)行的各種探討,所以當(dāng)邁克耳孫?莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果發(fā)表后,他立即進(jìn)行了周密的思考。

1889年,他向英國(guó)《科學(xué)》雜志投寄信件,寫道:“我很有興趣地讀到了邁克耳孫和莫雷先生極其精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這個(gè)實(shí)驗(yàn)是要判定地球是如何帶動(dòng)以太的,其結(jié)果看來(lái)跟其它證明了空氣中以太只在不大程度上被帶動(dòng)的實(shí)驗(yàn)(按:指斐索流水實(shí)驗(yàn)或霍克實(shí)驗(yàn))相反。我建議,唯一可能協(xié)調(diào)這種對(duì)立的假說(shuō)就是要假設(shè)物體的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變,其改變量跟穿過(guò)以太的速度與光速之比的平方成正比?！?892年,荷蘭物理學(xué)家洛侖茲在《論地球?qū)σ蕴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)》中獨(dú)立地提出了收縮假說(shuō),他給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系,文中寫道:“這個(gè)實(shí)驗(yàn)(指邁克耳孫?莫雷實(shí)驗(yàn))長(zhǎng)期使我迷惑,我終于想出了一個(gè)唯一的辦法來(lái)協(xié)調(diào)它的結(jié)論和菲涅耳的理論。這個(gè)辦法就是:假設(shè)固體上兩點(diǎn)的聯(lián)線,如果開始平行于地球運(yùn)動(dòng)的方向,當(dāng)它后來(lái)轉(zhuǎn)90°時(shí)就不再保持相同的長(zhǎng)度。”

1895年,洛侖茲發(fā)表《運(yùn)動(dòng)物體中的電和光現(xiàn)象的理論研究》一文,更精確地推出了長(zhǎng)度收縮公式:1902年瑞利提出,長(zhǎng)度收縮可能導(dǎo)致透明體的密度發(fā)生變化,瑞利親自做了實(shí)驗(yàn),他用水和亞硫酸氫碳作媒質(zhì),實(shí)驗(yàn)精度可達(dá)10?10,然而不論是中午還是黃昏,都未觀察到雙折射。煞費(fèi)苦心的修補(bǔ)工作引起了思想敏銳的物理學(xué)家深思,迫使他們作出最概括的結(jié)論:“以太只是一種人為的慣性坐標(biāo)系,”(Cunningham,1907),以太是不可能探測(cè)到的,長(zhǎng)度收縮也是不可能探測(cè)到的。這一切都為狹義相對(duì)論的誕生預(yù)備了條件?！?.4黑體輻射的研究5.4.1熱輻射研究發(fā)展簡(jiǎn)史1800年,赫謝爾在觀察太陽(yáng)光譜的熱效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線,并且證明紅外線也遵守折射定律和反射定律,只是比可見(jiàn)光更易于被空氣和其他介質(zhì)吸收。1821年,塞貝克(T.J.Seebeck,1780—1831)發(fā)現(xiàn)溫差電現(xiàn)象并用之于測(cè)量溫度?！?.4黑體輻射的研究1830年,諾比利(L.Nobili,1784—1835)發(fā)明了熱輻射測(cè)量?jī)x。他用溫差電堆接收包括紅外線在內(nèi)的熱輻射能量,再用不同材料置于其間,比較它們的折射和吸收作用。他發(fā)現(xiàn)巖鹽對(duì)熱輻射幾乎是完全透明的,后來(lái)就用巖鹽一類的材料做成了各種適用于熱輻射的“光學(xué)”器件?！?.4黑體輻射的研究與此同時(shí),別的國(guó)家也有人對(duì)熱輻射進(jìn)行研究。例如:德國(guó)的夫瑯和費(fèi)在觀測(cè)太陽(yáng)光譜的同時(shí)也對(duì)光譜的能量分布作了定性觀測(cè);英國(guó)的丁鐸爾(J.Tyndall,1820—1893)、美國(guó)的克羅瓦(A.P.P.Crova,1833—1907)等人都測(cè)量了熱輻射的能量分布曲線。§5.4黑體輻射的研究其實(shí),熱輻射的能量分布問(wèn)題很早就在人們的生活和生產(chǎn)中有所觸及。例如:爐溫的高低可以根據(jù)爐火的顏色判斷;明亮得發(fā)青的灼熱物體比暗紅的溫度高;在冶煉金屬中,人們往往根據(jù)觀察憑經(jīng)驗(yàn)判斷火候。因此,很早就對(duì)熱輻射的能量分布問(wèn)題發(fā)生了興趣?！?.4黑體輻射的研究美國(guó)人蘭利(SamuelPierpontLangley,1834—1906)對(duì)熱輻射做過(guò)很多工作。1881年,他發(fā)明了熱輻射計(jì),可以很靈敏地測(cè)量輻射能量。為了測(cè)量熱輻射的能量分布,他設(shè)計(jì)了很精巧的實(shí)驗(yàn)裝置,用巖鹽作成棱鏡和透鏡,仿照分光計(jì)的原理,把不同波長(zhǎng)的熱輻射投射到熱輻射計(jì)中,測(cè)出能量隨波長(zhǎng)變化的曲線,從曲線可以明顯地看到最大能量值隨溫度增高向短波方向轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。圖5－36蘭利的熱輻射計(jì)

（四個(gè)鉑電阻絲1,2,3,4組成電橋，從檢流計(jì)G測(cè)出電阻的溫度變化）§5.4黑體輻射的研究1886年,他用羅蘭凹面光柵作色散元件,測(cè)到了相當(dāng)精確的熱輻射能量分布曲線。蘭利的工作大大激勵(lì)了同時(shí)代的物理學(xué)家從事熱輻射的研究。隨后,普林舍姆(ErnstPringsheim,1859—1917)改進(jìn)了熱輻射計(jì);波伊斯(CharlesVernonBoys,1855—1944)創(chuàng)制了微量輻射計(jì);帕邢(FriedtichPaschen,1865—1947)又將微量輻射計(jì)的靈敏度提高了多倍。這些設(shè)備為熱輻射的實(shí)驗(yàn)研究提供了極為有力的武器。

圖5－37蘭利的凹面光柵熱輻射測(cè)量裝置圖5－38凹面光柵測(cè)量裝置圖5－39蘭利的能量分布曲線（橫坐標(biāo)表示光譜位置）§5.4黑體輻射的研究與此同時(shí),理論物理學(xué)家也對(duì)熱輻射展開了廣泛研究。1859年,基爾霍夫證明熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)e(v,T)和吸收本領(lǐng)a(v,T)的比值與輻射物體的性質(zhì)無(wú)關(guān),并提出了黑體輻射的概念。1879年,斯忒藩(JosefStefan,1835—1893)總結(jié)出黑體輻射總能量與黑體溫度四次方成正比的關(guān)系:E=σT4。§5.4黑體輻射的研究1884年這一關(guān)系得到玻爾茲曼從電磁理論和熱力學(xué)理論的證明。1893年,維恩(WilhelmWien,1864—1928)提出輻射能量分布定律:維恩位移公式:§5.4黑體輻射的研究5.4.2維恩分布定律的研究維恩是一位理論、實(shí)驗(yàn)都有很高造詣的物理學(xué)家。他所在的研究單位叫德國(guó)帝國(guó)技術(shù)物理研究所(PhysikalischTechnischeRei?chsanstalt),簡(jiǎn)稱PTR,以基本量度基準(zhǔn)為主要任務(wù)。

圖5－44維恩圖5－43德國(guó)帝國(guó)技術(shù)物理研究所§5.4黑體輻射的研究1895年,維恩和盧梅爾建議用加熱的空腔代替涂黑的鉑片來(lái)代表黑體,使得熱輻射的實(shí)驗(yàn)研究又大大地推進(jìn)了一步。隨后,盧梅爾和普林舍姆用專門設(shè)計(jì)的空腔爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖5－40盧梅爾等人用于加熱空腔的雙壁煤氣爐§5.4黑體輻射的研究柏林大學(xué)有一位理論物理學(xué)家,叫普朗克(MaxPlanck,1858—1947),也對(duì)熱輻射的研究發(fā)生了興趣。普朗克經(jīng)常參加PTR的討論會(huì)。由于他在熱力學(xué)領(lǐng)域有深厚造詣,很自然地就接替維恩,成了這群實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家中間的理論核心人物。1899他把電磁理論用于熱輻射和諧振子的相互作用,通過(guò)熵的計(jì)算,得到了維恩分布定律,從而使這個(gè)定律獲得了普遍的意義。

圖5－45普朗克§5.4黑體輻射的研究PTR成員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明維恩分布定律與實(shí)驗(yàn)有偏差。1899年盧梅爾與普林舍姆向德國(guó)物理學(xué)會(huì)報(bào)告說(shuō),他們把空腔加熱到800—1400K,所測(cè)波長(zhǎng)為0.2—6μm,得到的能量分布曲線基本上與維恩公式相符,但公式中的常數(shù),似乎隨溫度的升高略有增加。第二年2月,他們?cè)俅螆?bào)告,在長(zhǎng)波方向(他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)到8μm)有系統(tǒng)偏差。圖5?20是當(dāng)時(shí)他們用來(lái)表示偏差的對(duì)數(shù)曲線。圖5－41盧梅爾和普林舍姆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)線）與維恩公式（虛線）比較，可見(jiàn)在長(zhǎng)波方面有明顯的偏離（陰影部分是水蒸氣吸收所致）圖5－42盧梅爾和普林舍姆的等色線§5.4黑體輻射的研究接著,魯本斯和庫(kù)爾班將長(zhǎng)波測(cè)量擴(kuò)展到51.2μm。他們發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)波區(qū)域輻射能量分布函數(shù)(即能量密度)與絕對(duì)溫度成正比。普朗克剛剛從經(jīng)典理論推導(dǎo)出的輻射能量分布定律,看來(lái)又需作某些修正。正在這時(shí),瑞利從另一途徑也提出了能量分布定律?！?.4黑體輻射的研究5.4.3瑞利?金斯定律瑞利是英國(guó)著名物理學(xué)家,他看到維恩分布定律在長(zhǎng)波方向的偏離,感到有必要提醒人們,在高溫和長(zhǎng)波的情況下,麥克斯韋?玻爾茲曼的能量均分原理似乎仍然有效。他認(rèn)為:“盡管由于某種尚未澄清的原因,這一原理普遍地不適用,但似乎有可能適用于(頻率)較低的模式?！薄?.4黑體輻射的研究5.4.4普朗克輻射定律§5.4黑體輻射的研究5.4.5紫外災(zāi)難1908年,盧梅爾和普林舍姆在駁斥洛侖茲的文章中舉了一個(gè)很淺顯的例子:熔融的鋼(T≈1700K)發(fā)出強(qiáng)得令人眼花的光,如果按瑞利?金斯的理論,輻射能量密度與絕對(duì)溫度成正比,則在室溫(T≈300K)下,黑體輻射能量理應(yīng)為高溫下的300/1700≈1/6,但事實(shí)顯然并非如此;1911年,埃倫費(fèi)斯特(F.A.Ehrenfest,1879—1952)用“紫外災(zāi)難”來(lái)形容經(jīng)典理論的困境。因?yàn)榘凑杖鹄?金斯的理論,輻射能量密度與頻率的平方成正比,則在高頻的情況下能量就要趨于無(wú)限大,或者說(shuō),在紫色一端趨于發(fā)散。這當(dāng)然是荒謬的。

1900，開爾文勛爵：

物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來(lái)的物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。黑體輻射邁克爾遜實(shí)驗(yàn)量子論（1900年）相對(duì)論（1905年）§5.5經(jīng)典物理學(xué)的“危機(jī)”1900年4月27日,76歲的開爾文在英國(guó)皇家研究所(RoyalInstitution)發(fā)表了一篇講演1,題為:《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》,開頭的一段話是這樣說(shuō)的:

“動(dòng)力學(xué)理論斷言熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式,現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了。第一朵烏云是隨著光的波動(dòng)論而開始出現(xiàn)的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過(guò)這個(gè)理論,它包括這樣一個(gè)問(wèn)題:為什么地球能夠穿過(guò)本質(zhì)上是光以太這樣的彈性固體而運(yùn)動(dòng)呢?”§5.5經(jīng)典物理學(xué)的“危機(jī)”“如果把以太看成是可伸可縮的固體,就不難回答這一問(wèn)題。我們只要假設(shè)原子對(duì)以太會(huì)產(chǎn)生力,靠這個(gè)力的作用,在原子占據(jù)的空間(以太)被濃縮和稀釋。”他肯定了費(fèi)茲杰惹和洛侖茲的收縮假說(shuō),認(rèn)為已經(jīng)擺脫了困境,邁克耳孫?莫雷實(shí)驗(yàn)的“結(jié)果不能否定以太通過(guò)地球所占空間的自由運(yùn)動(dòng)?！辈贿^(guò),開爾文并不因此而表示樂(lè)觀,他宣稱:“恐怕我們還必須把第一朵烏云,看成是很稠密的?！薄?.5經(jīng)典物理學(xué)的“危機(jī)”接著,開爾文以大量篇幅討論第二朵烏云,這是指的能量均分原理遇到了麻煩。他認(rèn)為這朵烏云應(yīng)該驅(qū)散,二十多年來(lái),麥克斯韋、玻