书名：物理学的进化

    作者：【美】阿尔伯特·爱因斯坦【波】利奥波德·英费尔德

    出版社：中信出版集团

    出版时间：2019年3月

    ISBN：9787521701418

    本书由中信出版集团授权得到APP电子版制作与发行

    版权所有·侵权必究原序

    在开始阅读以前，你一定期望我们回答几个简单的问题：写这本书

    的目的是什么？它是为什么样的读者写的？

    一开始便要明确地回答这些问题是很困难的。如果在你读完本书后

    来回答便会容易得多，但到那时候这又将是多余的了。我们觉得，说这

    本书没有什么企图倒简单些。我们不是在编写物理学教科书。这里没有

    系统地讲述基本物理论据和理论。说得更恰当一些，我们的目的在于用

    粗线条描绘出人类如何寻找观念世界和现象世界的联系。我们试图说明

    是什么样的一种动力迫使科学建立起符合客观实在的观念。但是，我们

    的叙述必须简单。我们应当选择那些我们认为是最有特色和最有意义的

    重要路径来穿过论据和概念的迷宫。那些不在我们选择的道路上的论据

    和理论，我们都把它们略去了。本书的总的任务是叙述物理学的进化，因此我们不得不对论据和观念做一定的选择。一个问题的重要性不应该

    根据它所占的篇幅来判断。有几种主要的思想方法没有得到反映，这并

    不是因为它们不重要，而是因为它们不在我们所选择的路径上。

    在写这本书的时候，关于我们所想象的读者的特征，我们曾做过很

    长时间的讨论，并且处处都在替他着想。我们想象他完全缺乏物理学和

    数学的实际知识，但是却具有很强的理解能力，足以弥补这些缺憾。我

    们认为他对物理学和哲学的观念很感兴趣，同时他对努力钻研书中比较

    乏味和困难的部分很有耐性。他认识到，要理解任何一页，必须细读前面的每一页。他也知道，即使是一本通俗的科学书，也不能像读小说一

    样去读它。

    这本书是你我之间的亲切的交谈。你也许会觉得它讨厌或有趣、枯

    燥或令人激动，但是，如果本书能使你多少知道一些人类有发明能力和

    智力，以及人们为了更完善地了解、掌握物理现象的规律所进行的无穷

    尽的努力，我们的目的便达到了。

    阿尔伯特·爱因斯坦

    利奥波德·英费尔德1

    机械观的兴起奥妙的侦探故事

    我们设想有一个完美的侦探故事。这个故事告诉我们所有重要的线

    索，使我们不能不提出自己对事件真相的见解。如果我们仔细研究故事

    的构思，不要等作者在书的结尾做出交代，我们早已得到完满的解答

    了。只要不是低劣的侦探故事，这个解答就不会使我们落空；不但如

    此，它还会在我们期待它的一刹那立刻出现。

    我们是不是可以把一代又一代不断地在自然界的书里发现秘密的科

    学家比作读这样一本侦探小说的人呢？这个比喻是不确切的，以后得放

    弃它，但是它多少有些比得恰当的地方，它应当被加以扩充和修改，以

    便更适于识破宇宙秘密的科学企图。

    这个奥妙的侦探故事，至今还没有被解答。我们甚至不能肯定它是

    否有一个最后的答案。但是，阅读这本书已使我们得到许多收获。它教

    会了我们自然界的基本语言。它使我们了解到许多线索，而且它是科学

    的历次艰苦发展中精神愉快和奋发的源泉。但是我们体会到，尽管读过

    和研究过的卷帙已经不少了，但如果肯定有一个答案的话，那我们离最

    后的答案还很远。在每一个阶段，我们都想找出一个能符合已发现的线

    索的解释。我们所接受的各种推测性的理论虽然说明了许多情况，但是

    还没有引申出符合所有已知线索的一般解。往往有一个看来似乎很圆满

    的理论，但是进一步来读就发现它还是不适当的。新的情况出现了，它

    们跟旧的理论相互矛盾，或者不能用旧的理论解释它们。我们读的愈多，对这本书的理解也就愈充分；虽然我们不断地往前迈进，但是圆满

    的解答却似乎在不断地向后退。

    从柯南道尔 写出动人的故事以来，几乎所有的侦探小说都是这

    样开始的：侦探首先搜集他所需要的，至少是他的问题的某一方面所需

    要的一切事件。这些事件往往是很奇怪的、不连贯的，并且是毫不相关

    的。可是这个大侦探知道这时不需要再继续侦查了，只要用纯粹的思维

    把所有搜集起来的事件连贯起来。于是他拉拉小提琴，或者躺在安乐椅

    上抽抽烟。突然间，他灵机一动，就找到了事件之间的关系。他现在不

    仅能解释现有的线索，而且知道还有其他许多事件一定也已经发生。因

    为现在他已十分准确地知道在哪里可以找到它，如果他愿意的话，他可

    以出去收集他的理论的进一步证明。

    我们再来一句老生常谈：科学家读自然之书必须由他自己来寻找答

    案，他不能像某些无耐性的读者在读侦探小说时常做的那样，翻到书末

    先去看最后的结局。在这里，他既是读者，又是侦探，他得找寻和解释

    (哪怕是部分地)各个事件之间的联系。即使是为了部分地解决这个问

    题，科学家也必须搜集漫无秩序地出现的事件，并且用创造性的想象力

    去理解和连贯它们。

    在下面的叙述中，我们的目的是用粗线条的轮廓说明物理学家的工

    作必须像侦探那样用纯粹的思维来进行。我们主要是叙述思维和观念在

    探求客观世界的知识中所起的作用。第一个线索

    人类自有思想以来，便想读这本奥妙的侦探故事。但是直到三百多

    年以前，科学家才开始懂得这个故事的语言。从那个时代，即伽利略和

    牛顿的时代起，这本书就读得快多了。侦查技术、有系统地寻求线索和

    了解线索的方法都发展了。某些自然之谜已经被解开了，但是进一步研

    究之后，人们发现，其中有许多只是暂时的和表面上的解答。

    有一个基本问题，几千年来都因太复杂而含糊不清，那就是运动的

    问题。我们在自然界中所见到的各种运动，例如抛到空中的石子的运

    动，在海上航行的轮船的运动，在街上行驶的车子的运动，事实上都是

    很复杂的。为了了解这些现象，最好从最简单的例子着手，然后逐渐研

    究更复杂的例子。设想有一个静止的物体，没有任何运动。要改变这样

    一个物体的位置，必须使它受力，例如推它、提它，或由其他的物体，例如马、蒸汽机作用于它。我们的直觉认为运动是与推、提、拉等动作

    相连的。多次的经验使我们进一步深信，要使一个物体运动得更快，必

    须用更大的力推它。结论好像是很自然的：对一个物体的作用愈强，它

    的速度就愈大。一辆四匹马拉的车比一辆两匹马拉的车运动得快一些。

    因此，直觉告诉我们，速率主要是跟作用有关。

    凡是读过侦探小说的人都知道，一个错误的线索，往往把情节弄糊

    涂了，以致迟迟得不到解决。凭直觉的推理方法是不可靠的，它导致了

    对运动的虚假观念，这个观念竟然保持了很多个世纪。亚里士多德在整个欧洲享有至高无上的威望，这可能是人们长期相信这个直觉观念的主

    要原因。在两千年来公认为是他所写的《力学》(Mechanics)中，我

    们读到：

    推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。

    伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟

    大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，根

    据直接观察所得出的直觉的结论常常是不可靠的，因为它们有时会导致

    错误的线索。

    但是，直觉错在哪里呢？说一辆四匹马拉的车比一辆两匹马拉的车

    走得快些难道还会有错吗？

    让我们更加严格地来检查运动的基本论据，先从简单的日常经验检

    查起，这些经验是人类自开化以来就已熟悉了的，而且是在为了生存而

    做的剧烈的斗争中得来的。

    假如有人推着一辆小车在平路上行走，然后突然停止推那辆小车。

    小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。我们问：怎样才

    能增加这段距离呢？这有许多办法，例如在车轮上涂油、把路修得很平

    滑等。车轮转动得愈容易、路愈平滑，车就可以继续运动得愈远。但

    是，在车轮上涂油和把路修平有什么作用呢？只有一种作用：外部的影

    响减小了，即车轮里以及车轮与路之间的那种所谓的摩擦力的影响减小

    了。这已经是对观察得到的现象的一种理论解释，实际上，这个解释还

    是武断的。再往前检查一下，我们便将得到正确的线索。假想路是绝对

    平滑的，而车轮也毫无摩擦，那么就没有什么东西阻止小车，而它就会永远运动下去。这个结论是从一个理想实验中得来的，而这个实验实际

    上是永远无法做到的，因为不可能把所有的外界影响都消除。这个理想

    实验指出了真正建立运动的力学基础的线索。

    比较一下对待这个问题的两种方法，我们可以说，根据直觉的观念

    是这样的：作用愈大，速度便愈大。因此速度本身表明有没有外力作用

    于物体之上。伽利略所发现的新线索是：一个物体，假如既没有人去推

    它、拉它，也没有人用别的方法去作用于它，或者简单些说，假如没有

    外力作用于它，此物体将均匀地运动，即沿一条直线永远以同样的速度

    运动下去。因此，速度本身并不表明有没有外力作用于物体上。隔了一

    代以后，牛顿将伽利略这个正确的结论表述成了惯性定律。这个定律通

    常是我们在学校里开始学习物理学时牢记在心的第一条定律，我们有许

    多人还能记得它：

    任何物体，只要没有外力改变它的状态，便会永远保持静止或匀速

    直线运动的状态。

    我们已经知道，这个惯性定律不能直接由实验得出，只能根据思索

    和观察得出。理想实验无论什么时候都是不能实现的，但它使我们对实

    际的实验有深刻的理解。

    从我们周围各式各样的复杂运动中，我们选匀速直线运动作为第一

    个例子。这是最简单的运动，因为没有外力作用于运动物体之上。可是

    匀速直线运动是永远不能实现的，从塔上抛下石子、在平路上推动车子

    都绝不能实现绝对匀速的运动，因为我们不能完全消除外力的影响。

    在好的侦探故事中，一些最明显的线索往往会引导到错误的猜疑上去。同样地，在力图理解自然规律时，我们发现，最明显的直觉的解释

    往往是错的。

    人的思维创造出一个一直在改变的宇宙图景。伽利略对科学的贡献

    就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的

    重要意义。

    但是关于运动的另一个问题马上出现了。假如速度不表示作用于物

    体上的外力，那么什么才是呢？伽利略发现了这个问题的答案，而牛顿

    又把这个问题回答得更为精确；它成了我们侦查中的另一个线索。

    为了得到一个正确的答案，我们必须更深入一些想想在绝对平滑的

    道路上的小车。在我们的理想实验中，运动的均匀性是由于没有任何外

    力。现在我们设想有人把这辆匀速运动着的小车朝它的运动方向推一

    下。这时会发生什么呢？很明显，它的速率会增大。同样很明显，如果

    朝相反于运动的方向推一下，则它的速率会减小。在前面的例子中，小

    车因被推而加速；在后面的例子中，小车因被推而减速。由此可以立刻

    得出一个结论：外力的作用改变了速度。因此，速度本身不是推和拉的

    结果，而速度的改变才是。一个力究竟是使速度增加还是使速度减小，完全看它是朝着运动的方向而作用还是相反于运动的方向而作用。伽利

    略清楚地看到了这一点，并且在他的著作《两种新科学》(Two New

    Sciences)中写下了这样的话：……一个运动的物体假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小

    速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平的平

    面上才有可能，因为在沿斜面运动的情况中，朝下运动已经有了加速的

    起因，而朝上运动则已经有了减速的起因。由此可知，只有水平的平面上的运动才是不变的，因为假如速度是不变的，运动不会减小或减弱，更不会消灭。

    沿着这条正确的线索进行研究，我们对运动的问题就有了比较深刻

    的了解。因此牛顿提出的经典力学是以力与速度改变之间的联系为基

    础，而不是以人们直觉所想的力与速度本身之间的联系为基础的。

    我们已经应用了在经典力学中起主要作用的两个概念：力和速度的

    改变。在科学的进一步发展中，这两个概念都已经被扩充和推广了。因

    此，我们必须更加细致地考察它们。

    力是什么呢？在直觉上，我们意识到这个名词的意义。这个概念是

    从做推、抛、拉等动作的筋肉感觉而兴起的。但是，这个概念所概括的

    远远不止这些简单的例子。我们可以想想另一些力，它们不能被想象成

    马拉车那样简单。我们讲的是太阳与地球间、地球与月球间的引力，正

    是这种力造成了潮汐现象。我们讲的是地球把我们和我们周围所有的物

    体都限制在它的影响范围内的力，以及产生海浪和吹动树叶的风力。我

    们随时随地只要看到速度的改变，在一般意义上，它一定是由外力引起

    的。牛顿在他的《原理》(Principia)中写道：

    外加力是加在物体上用以改变它的静止或匀速直线运动状态的一种

    作用。

    这个力只存在于作用中，一旦作用过去了，物体中便再没有力了。

    因为物体可以保持它所得到的任何一种新的状态，这仅仅依靠惯性就可

    以做到。作用力有不同的来源，例如打击、压缩和向心力等。

    假如一颗石子从塔顶掉下来，它的运动不是等速的；速度随着石子的下降而增加。我们断定：朝向运动的方向上有外力作用，换句话说，地球在吸引石子。我们再来举个例子。把石子往上直抛，会发生什么情

    况呢？它的速度逐渐降低，等到它到达最高点时就开始下坠。上抛物体

    的减速和下坠物体的加速是由同一个力引起的。不过在一种情况中是力

    朝着运动的方向而作用，而在另一种情况中是力相反于运动的方向而作

    用。力只有一种，它造成加速或减速，全看石子是下坠还是上抛。矢量

    我们在上面所说的所有运动都是直线的，也就是沿着一条直线运

    动。现在，我们必须再往前走一步。我们要理解自然规律，应该先分析

    最简单的情况，在最初阶段先放下较复杂的情况。直线比曲线简单。但

    是，仅了解直线运动是不够的。月球、地球和行星的运动正是那些成功

    应用力学原理的运动，它们都是沿着曲线轨道的运动。从直线运动过渡

    到曲线运动会遇到许多新的困难。如果我们要理解经典力学的原理，就

    必须有勇气克服这些困难。经典力学给了我们第一个线索，因而它成为

    科学发展的起点。

    我们再来考察另一个理想实验。设想有一个完全圆滑的球在平滑的

    桌子上滚动。我们知道，假如推一下这个球，也就是说，如果对它施加

    外力，那么它的速度就会改变。现在假定跟前面小车的例子中所说的不

    同，推的方向不是和运动的方向在一条路线上。假定推力朝着另一个方

    向，譬如跟这个路线垂直。结果球会发生什么情况呢？运动可区分为三

    个不同的阶段：初始的运动、施加外力和外力停止作用后的后期运动。

    根据惯性定律，在外力作用以前和以后，速度都是绝对均匀的。但是外

    力作用以前和以后的匀速运动之间有区别：方向改变了。球的初始运动

    的路线和外力作用的方向是相互垂直的。后期的运动完全不在这两条直

    线的任何一条上，而在它们二者之间。如果推力强而初速度小，那么它

    就靠近力的方向；如果推力小而初速度大，那么它就靠近初始运动的路线。我们根据惯性定律所得到的新结论是：一般说来，外力的作用不仅

    改变速率，还改变运动的方向。对这个事实的理解使我们为物理学中引

    入矢量这个概念做好了准备。

    我们可以继续应用直接的推理方法，思想的出发点仍然是伽利略的

    惯性定律。我们还可以应用这个在解决运动的难题中极有价值的线索从

    而推出许多结论来。

    让我们观察在平滑的桌子上朝不同方向运动的两个球。为了想象得

    清楚些，假定这两个方向是相互垂直的。因为没有任何外力，所以球的

    运动是绝对均匀的。再假定它们的速率也相等，即这两个球在相同的时

    间间隔内经过相同的距离。但如果说这两个球具有相同的速度是否正确

    呢？可以答是，也可以答否!假使两辆汽车的速率计上都表示每小时40

    英里 ，我们通常便说它们的速率或速度相等，而不管它们是朝哪一

    个方向行驶的。但科学必须创造自己的语言和自己的概念，供它本身使

    用。科学的概念最初总是日常生活中所用的普通概念，但它们经过发展

    就完全不同了。它们已经被改变了，并失去了普通语言中所带有的含糊

    性质，从而获得了严格的定义，这样它们就能被应用于科学的思维。

    根据物理学家的观点，这样说更合适：朝不同方向运动的两个球的

    速度是不同的。虽然这纯粹是习惯上的说法，但这样说更为方便：从同

    一点出发、沿不同的道路行驶的四辆汽车，尽管速率计上所记录的速率

    都是每小时40英里，但它们的速度是不同的。速率(只考虑绝对值)和

    速度(还考虑方向)的区别说明物理学如何从日常生活的概念出发，然

    后把它加以改变，使它更适于科学的进一步发展。

    如果长度已经被测量出来，那么这个结果可以用若干单位来表示。

    一根棍的长度也许是3英尺 7英寸 ，某件东西的重量也许是2磅 3盎司 ，而时间间隔则是多少分多少秒。在每一种情况中，测量的结

    果都是用一个数来表示的。但是单用一个数还不足以表示某些物理概

    念。认识到这一点是科学研究中的一大进步。例如对表示速度来说，方

    向和大小都是同样重要的。既有数值又有方向的这种量被称为矢量。表

    示它的符号通常是一根箭。速度就可以用一根箭来表示。更简单地说，速度是用矢量来表示的，它的长度是某种选定单位的长度的若干倍，用

    以表示速度的数值，它的方向就是运动的方向。

    如果四辆汽车从同一点以相同的速率四向出发，那么它们的速度可

    以用等长的四根箭来表示，就像图1中所画的那样。图中所用的比例尺

    是1英寸表示每小时40英里。用这种方法，任一速度都可用一个矢量来

    表示；反过来，如果比例尺已知，那么根据这种矢量图就可以确定速

    度。

    如果两辆汽车在马路上相擦而过，并且速率计上表示的都是每小时

    40英里，那么我们用箭头指向相反方向的两根箭来表示这两个不同的矢

    量(图2)。这正如纽约地铁指示“上行”和“下行”的箭头应该用相反的

    方向一样。不过所有上行的火车不论经过哪个车站或在哪一条线路上行

    驶，只要速率相同，都有相同的速度，它们可以只用一个矢量来表示。

    矢量并没有说明火车经过哪一个站或者它沿着许多平行轨道中的哪一条

    在行驶。换句话说，在习惯上，所有像图3中所画的矢量都可以被认为

    是相等的；它们或者是处在同一直线上，或者是相互平行，因此它们具

    有朝着相同方向的箭头。图4表示不同的矢量，它们或者长度不同，或

    者方向不同，或者长度和方向都不同。这四个矢量还可以用另一种方法

    来画，使它们都从同一点出发(图5)。因为出发点是无关紧要的，所

    以这些矢量既可以表示从同一地点开出的四辆汽车的速度，也可以表示在不同地方以指定的速率和方向开行的四辆汽车的速度。

    图1

    图2图3

    图4图5

    现在就可以用这种矢量图来描写前面已经讨论过的直线运动的情

    况。我们说过：沿着直线做匀速运动的小车，只要朝着它运动的方向推

    它一下，就会增加它的速度。若用图来表示，这可以被画成两个矢量：

    短的那根表示推以前的速度，而长的一根和前者有相同的方向，表示推

    以后的速度(图6)。虚线矢量的意义是很清楚的，它代表因推而产生

    的速度的变化。而在力的方向和运动的方向相反，运动缓慢下去的情况

    下，图又稍有不同了。虚线的矢量仍表示速度的改变，但在这种情况

    下，它的方向却不同(图7)。很明显，不但是速度本身，而且速度的

    变化也都是矢量。但是任何一个速度的变化都是由外力引起的，因此力

    也必须用一个矢量来表示。为了表示一个力，光说我们用多大的劲儿推

    小车是不够的，还应说明我们朝哪一个方向推。正如速度和速度的改变

    一样，力不能仅用一个数来表示，而应当用一个矢量来表示。因此外力也是一个矢量，而且一定跟速度改变的方向相同。在图6、图7中，虚线

    的矢量既表明力的方向，也表明速度改变的方向。

    这里怀疑论者也许会说，他看不出引入矢量有什么好处，以上所完

    成的无非是把早已知道的论据翻译成一种不通俗的复杂的语言而已。在

    这个阶段，确实很难使怀疑论者相信他们是错误的。实际上，目前他们

    暂时是对的。但是我们将要看到，正是这种奇怪的语言引起了重要的推

    广，其中矢量就显示了它的重要性。

    图6

    图7运动之谜

    以上我们只谈了直线运动，还远远没有理解在自然界中所观察到的

    许多运动。我们必须考察曲线运动，下一步我们就来确定主宰这些运动

    的定律。这是一件很不容易的事情。在直线运动的情况中，速度、速度

    的改变、力等概念是很有用的。但是，我们不能立刻看出怎样能把它们

    应用到曲线运动中去。甚至我们可以想象老的概念已不适于描述一般运

    动，因而需要创造新的概念。我们应该循着旧路走，还是应该另找一条

    新路走呢？

    把概念加以推广是科学上常用的办法。推广的方法不一定只有一

    种，通常有很多种。但是不管是哪一种推广，都必须严格地满足一个要

    求：假如原来的条件完备时，被推广了的概念必须化成原来的概念。

    我们可以用目前所讨论的例子来很好地说明这个意义。我们可以首

    先试着把速度、速度的改变和力等概念推广到沿曲线而运动的情况中

    去。在科学术语中，当我们讲到曲线的时候，已把直线包括进去了。直

    线是曲线的一种特殊的、平凡的例子。因此，如果速度、速度的改变和

    力被引入曲线运动，那么它们就自发地被引入直线运动。但是这个结果

    不应跟以前所得到的结果相互矛盾。如果曲线变成直线，那么所有被推

    广了的概念都必须化成描述直线运动的已熟知的概念。但是要唯一地确

    定这个推广，这样一个限制是不够的。根据这个限制来推广一个概念，还存在很多种可能性。科学的史实指出，即使最简单的推广也有时成功，有时失败。我们必须首先做一个猜测。在目前这个例子里，很容易

    猜出正确的推广方法。新的、被推广了的概念是非常成功的，它既帮助

    我们理解抛在空中的石子的运动，还帮助我们理解行星的运动。

    “速度”、“速度的改变”和“力”在曲线运动的普遍情况里表示什么意

    思呢？我们首先说速度。如果一个很小的物体沿着曲线从左至右运动。

    这样的小物体通常被称为一个质点。在图8中，曲线上的点表示质点在

    某个时刻的位置。在这个时刻和这个位置的速度是怎样的呢？伽利略的

    线索又指引我们走向引出速度的那条路上去。我们必须再一次发挥我们

    的想象力去想象一个理想实验。质点在外力的影响下沿着曲线从左至右

    运动。我们想象在给定的时间以及在图9上的点所表示的位置上，所有

    的外力突然都停止作用了。那么，根据惯性定律，运动应当是匀速直线

    的。实际上，我们自然不能使物体完全不受外界的影响。我们只能做这

    样的推测：“假使……结果会怎样？”再根据这样推测所得出的结论来判

    断我们的推测是否恰当，而且根据这些结论是否和实验相符来判断。

    图10中的矢量表示当外力消失时所猜测的匀速运动的方向。这就是

    所谓的切线方向。通过显微镜来看运动着的质点，人们可以看见曲线的

    很小部分，它显示为很小的直线段。切线就是它的延长线。因此，图上

    画出来的矢量就代表在给定时刻的速度。速度矢量就在切线上。它的长

    度就代表速度的数值，就像代表汽车的速率计上所表示的速率一样。图8

    图9

    我们的理想实验是通过破坏运动来寻求速度矢量，但这种实验不能

    太当真。它只是帮助我们懂得应该把什么东西称为速度矢量，并使我们

    能在给定的地点和时间确定速度矢量。

    图10中画着一个质点沿一根曲线运动时在三个不同位置上的速度矢

    量。在这个例子中，不仅速度的方向，而且速度的数值(如矢量的长度

    所示)，在运动中都是时刻在变化的。

    这个新的速度概念是否满足在一切推广中所提出的要求呢？换句话

    说：假使曲线变成了直线，它是否也简化为以前的速度概念呢？很明

    显，确实是这样的。直线的切线就是这条直线本身。速度矢量就隐伏在

    运动的线路上，正如运动着的小车和滚着的圆球的情况一样。

    图10接下来要介绍沿着曲线运动的质点的速度的改变。这也可以有各种

    不同的方法，我们选择其中最简单和最方便的。图10中画出的几个速度

    矢量代表路线上各不同点上的运动。其中前面两个矢量可以画成从同一

    点出发(图11)。我们已经知道，对矢量来说，这样做是可以的。我们

    把虚线表示的矢量称为“速度的改变”。它的起点是第一个矢量的末端，而终点是第二个矢量的末端。乍一看，这个速度的改变的定义似乎不真

    实而且没有意义。在矢量1和2的方向相同这一特殊情况中，这个定义就

    非常清楚了(图12)。自然，这又回到直线运动上去了。如果这两个矢

    量具有相同的起点，那么虚线的矢量仍然是把它们的终点连接起来。图

    12和图6完全相同，而以前的概念便成了新概念的一种特殊情况。应该

    指出，在图中把两条线分开是因为假如不这样的话，它们就重合在一

    起，分辨不出来了。

    图11图12

    现在我们来进行推广的最后一步。到目前为止，在我们所做的猜测

    中，这将是最重要的一个。力和速度的改变之间的联系必须这样建立起

    来：它能够使我们找出一个线索来了解运动的普遍问题。

    解释直线运动的线索是非常简单的：外力导致了速度的改变；外力

    的矢量的方向跟速度改变的方向相同。然而现在应该把什么看作曲线运

    动的线索呢？完全一样!仅有的差别是现在速度的改变的意义比以前更

    大了。我们只要看一下图11和图12中的虚线矢量，就能清楚地得到启

    示。如果曲线上的每一点的速度都已知道，那么每一点的力的方向便可

    以立刻找出来。我们必须取时间间隔极小的两个时刻，因而相应的两个

    位置也极近，把这两根速度矢量画出来。连接第一根矢量的末端与第二

    根矢量的末端的这根矢量表示作用力的方向。但是重要的是，两根速度

    矢量只能并必须是由“极短”的时间间隔来分隔。对“极近”“极短”这一类

    词义做严格的分析是非常不容易的。就是这样的分析使牛顿和莱布尼茨

    发明了微积分。

    把伽利略的线索加以推广的过程是冗长而曲折的。我们在这里不能

    叙述这个推广的结果是如何丰富和有益。用上它以后，许多在过去互不

    关联的和不能理解的事情都得到了简单而又圆满的解释。

    从各种各样的运动中，我们只选择最简单的，并应用刚才所表述的

    定律来解释它。

    枪筒里射出来的子弹、斜向地抛出去的石子、水管里射出来的一股

    水，它们所经行的路线都走成大家所熟知的抛物线。设想在石子上附加

    一个速率计，那么石子在任何时刻的速度矢量都可以被画出来。这一结果在图13中被充分地表示出来了。作用在石子上的力的方向就是速度的

    改变的方向，而我们已经知道怎样可以决定它。图14中指出了作用在石

    子上的力是垂直的，且朝下。这正和我们使石子从塔顶上掉下时完全一

    样。路线和速度都完全不同了，但是速度改变的方向却都是相同的，那

    就是，它们都朝向地球的中心。

    图13

    图14

    把一个石子拴在一根绳子的末端，并在水平面上挥动它，它就沿着

    圆周运动。如果速率不变，那么表示这种运动的图中所有的矢量的长度都相等(图15)。然而速度矢量不断地在改变，因为运动的路径不是直

    线的。只有在匀速直线运动中才没有任何外力的作用。然而，这里速度

    不是在数值方面改变，而是在方向方面改变。根据运动定律，这种改变

    必定是由某些外力引起，而在这个例子中则是由作用于石子跟握绳的手

    之间的外力引起的。于是立刻又产生了一个问题：力在哪一个方向上作

    用呢？再用矢量图来回答。如图16所示，把两个非常靠近的点的速度矢

    量画出来，这样就可以找到速度的改变。可以看出，这个矢量沿着绳子

    朝向圆周的中心，并且永远是跟速度矢量或切线相垂直的。换句话说，手通过绳子对石子加了一个力。

    图15图16

    月球围绕地球的转动便是和这完全相似的更重要的一个例子。月球

    绕地球的转动可以被近似地认为是匀速圆周运动。作用在月球上的力是

    指向地球的，这和前例中力是朝向手的道理一样。地球与月球并没有用

    绳连接起来，但是我们可以想象在两个物体的中心之间有一根线，力便

    在这根线上，并朝向地球的中心，这正如石子被抛向空中或从塔顶落下

    时的力一样。

    前面我们对运动所说的一切，可以用一句话总括起来。力与速度的

    改变是方向相同的矢量。这是运动问题的初始的线索，然而它必然尚不

    足以彻底解释一切被观察到的运动。从亚里士多德的思想方法转变到伽

    利略的思想方法，已经成为奠定科学基础的最重要的一块奠基石。这个

    转机一旦实现，以后发展的路线就很清楚了。这里我们只注重发展的最

    初阶段，即注重研究最初的线索来指出新的物理概念在与旧概念的坚决

    斗争中是如何产生的。我们只提到科学上的开辟工作，包括寻找新的和

    未预见到的科学发展道路，以及能创造出一个永远变化着的宇宙图景的

    科学思想的奇迹。最初和最基本的步骤总是带有革命性的。科学的想象力发现旧的概念太狭窄了，于是用新的概念去代替它。沿着已经开辟了

    的任何一种思想路线而继续发展，在到达下一个需要去征服的新领域的

    转折点以前，是带有进化性的。可是为了了解哪些原因和哪些困难迫使

    我们改变根本的概念，我们不仅要知道最初的线索，而且要知道从这些

    线索中可以推出什么结论。

    现代物理学最重要的特征之一是：从最初的线索推出来的结论，不

    仅是定性的，而且是定量的。我们重新来研究从塔上掉下来的石子。我

    们已经知道，石子愈往下掉，它的速度愈增加。但是我们还要知道得更

    多一些。这个改变正好多大呢？在它开始掉下来以后的任何一个时刻，石子的位置和速度是怎样的呢？我们希望能够预言事件的结果，并且用

    实验来决定观察的结果是否能确认这些预言，是否能确认最初的假设。

    要得出定量的结论，我们必须运用数学的语言。科学的最基本的观

    念，按其本质来说，大都是简单的。因此，一般说来，可以用一种每一

    个人都能懂的语言来表达。但是要领悟这些观念，需要极高深的侦查技

    术知识。如果我们要推导出能和实验结果做比较的结论，必须用数学作

    为推理的工具。由于本书只讨论基本的物理学观念，我们可以避免数学

    的语言。因为在本书中我们一贯避免数学，所以为了了解在进一步发展

    中所产生的重要线索，我们有时必须限制自己只引用未加证明的一些结

    果。放弃数学语言所必须付出的代价，便是要失去一些精确性，而且有

    时得引用一些结果，却不能说明它们的由来。

    运动的一个非常重要的例子就是地球围绕太阳的运动(图17)。大

    家都知道，它运动的路线是一个被称为椭圆的闭合曲线。做出速度的改

    变的矢量图证明了作用在地球上的力指向太阳。但是无论如何，仅有这

    一点知识是不够的。我们希望能预言太阳及其他行星在任何时刻的位置。我们希望能预言下一次日食的日期和时间以及许多天文现象。所有

    这些事都能做到，但不是单靠最初的线索就够了，因为现在不仅要知道

    力的方向，还要知道力的绝对值，即它的数值。牛顿在这方面做了一个

    富有想象力的猜测。根据他的引力定律，两个物体之间的引力跟它们彼

    此间的距离有一种很简单的关系：当距离增加时，力便减小。再说得明

    确些，就是当距离增加2倍，力便减小到原来的14，当距离增加3倍，力便减小到原来的19。

    图17

    由此可知，在万有引力方面，我们能够用很简单的形式把运动物体

    之间的力跟距离的关系表示出来。在所有其他场合遇到的各种不同的力，例如电力、磁力之类的作用时，我们也以同样的方法处理。对于

    力，我们想用一种简单的表达方式来解释。这种表达方式是否恰当，只

    要看从它推断出来的结论是否为实验所确认。

    但是，单有引力的知识还不足以描述行星的运动。我们已经知道，表示很短时间间隔内的力和速度的改变的矢量方向是相同的，但是我们

    必须再往前追随牛顿一步，假定它们的长度之间有一种简单的关系。如

    果所给的其他一切条件都相同，就是说，同一个运动的物体，而且通过

    相同的时间间隔来考察速度的改变，那么，按照牛顿的说法，速度的改

    变与力成正比。

    因此为了得出关于行星运动的定量的结论，需要两个补充的猜测。

    一个是一般性质的，说明力和速度改变之间的关系。另一个是特殊性质

    的，说明这种特殊形式的力和物体之间的距离的关系。第一个就是牛顿

    的运动的普遍定律，第二个是他的引力定律。两个定律合起来就能决定

    行星的运动。用下面听起来似乎很笨拙的一些推理就可以把这个意思弄

    清楚。假设我们能够测出行星在一定时刻的位置和速度，并且力也是已

    知的，那么，根据牛顿定律，我们便知道在非常短的时间间隔内的速度

    的改变。知道了初速度和速度的改变，我们就可以求出行星在这个时间

    间隔的末端时刻的速度和位置。连续地重复这个过程，我们就可以不必

    再求助于观察资料而把整个运动路线求出来。从原则上来说，这是力学

    上预言一个运动物体的经行路线的方法，但是用在这里是非常不合适

    的。在实用上，这种逐步进行的步骤是极端冗繁而且极不准确的。幸而

    这种方法完全是不必要的：数学给予我们一条捷径，并且使我们有可能

    准确地描述运动，而且所写的字比我们写一个句子的字还要少些。用这

    种方法所得到的结论可以用观察加以证明或推翻。从石子在空中降落的运动以及月球在它的轨道上的转动中，还可以

    看出与上述同一类型的外力，那就是地球对物体的吸引力。牛顿认为：

    石子下降的运动、月球和行星的运动都是作用于任何两个物体之间的万

    有引力的特殊表现。在简单情况中，运动可以用数学加以描述和预言。

    在某些非常复杂的情况中，要牵涉许多物体相互之间的作用，数学的描

    述就不是那样简单了，但是基本的原理还是一样的。

    我们觉得我们从最初的线索中推理而得的结论，现在已经在抛石子

    的运动中，在月球、地球和行星的运动中被证实了。

    凡是要用实验来加以证明或推翻的结论实际上都是一些猜测罢了。

    没有一个假设可以从其他的假设中分离出来进行单独的实验。在行星围

    绕太阳运动的例子中，力学的体系已经获得很大的成就。可是我们很容

    易想象，建立在另一些假设基础上的另一个体系也可以同样得到成就。

    物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是(虽然表面上看来很

    像是)单独地由外在世界决定的。我们企图理解实在，多少有些像一个

    人想知道一个合上了表壳的表的内部机构。他看到表盘和正在走动着的

    指针，甚至还可以听到嘀嗒声，但是他无法打开表壳。如果他是机智

    的，他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的机构图来，但是他

    却永远不能完全肯定他的图就是唯一可以解释他所观察到的一切事物的

    图形。他永远不能把这幅图跟实在的机构加以比较，甚至不能想象这种

    比较的可能性或有何意义。但是他完全相信：随着他的知识日益增长，他的关于实在的图景也会愈来愈简单，并且它所能解释的感觉印象的范

    围也会愈来愈广。他也可以相信，知识有一个理想的极限，而人类的智

    力正在逐步接近这个极限。他可以把这个理想的极限叫作客观真理。还有一个线索

    在最初研究力学的时候，人们会有这样一种印象，认为在这个科学

    分支中，一切都是简单的、基本的并且是永恒不变的。几乎没有人怀疑

    还存在一个重要的线索，三百年来，谁也没有注意过它。这个被人们忽

    略了的线索与力学的基本概念之一——质量有关。

    我们再回过头来研究一辆小车在绝对平滑的路上运动那个简单的理

    想实验。假如小车最初是静止的，然后推它一下，之后它便以一定的速

    度匀速地运动。假定作用力可以重复任意多次，自然，产生推的作用的

    机构每次是以同样的方式，而且总以同样大小的力作用于同一辆车上。

    无论实验重复多少次，小车最后的速度总是一样的。但是如果把实验改

    变一下，车上最初是空的，现在让它装上东西，结果会怎样呢？重车的

    最后速度会比空车的小些。结论是：假如以同样一个力作用于两个不同

    的、原来静止的物体上，那么产生的速度将不一样。我们说，速度与物

    体的质量有关，质量愈大，速度愈小。

    因此我们至少在理论上能知道如何决定物体的质量，或者更确切地

    说，怎样决定一个质量比另一个质量大多少倍。我们以同样大小的力作

    用于两个静止的质量上，若发现第一个质量的速度三倍于第二个的速

    度，我们断定第一个质量是第二个质量的13。自然，这不是决定两个

    质量之比的一种很实用的方法。可是我们还可以想象，无论用这种方法

    或用以惯性定律为基础的其他类似方法，这总是能做到的。我们实际上是怎样决定质量的呢？当然，不是用上面所描述的那种

    方法。每个人都知道这个正确的答案。我们把物体放在天平上称一下，就算决定了它的质量。

    让我们把决定质量的这两种方法更仔细地讨论一下。

    第一个实验跟重力，即地球的引力无关。小车在被推之后，就沿着

    绝对光滑的平面运动。重力使小车附着在平面上，它是不变的，因而在

    决定质量上是完全不起作用的。这种决定质量的方法和放在天平上称的

    方法是完全不同的。如果地球不吸引物体，即如果不存在重力的话，我

    们无论什么时候都不能使用天平。这两种决定质量的方法的差异在于：

    第一种方法与重力没有任何关系，而第二种则全靠重力的存在。

    我们问：如果我们用上面所说的两种方法决定两个质量之比，那么

    我们所得到的结果是一样的吗？实验给我们的答案很清楚，结果恰恰是

    一样的。这个结论是不能够被预知的，因为它是根据观察而不是根据推

    理得出来的。为简便起见，我们把用第一种方法所决定的质量叫作惯性

    质量，而把用第二种方法所决定的质量叫作引力质量。在我们的世界

    中，它们恰巧相等，但是我们很容易想象它们并不是永远或到处相等

    的。这样就立刻产生了另一个问题：这两种质量的相等是纯粹偶然的，还是有更深远的意义？根据经典物理学的观点，回答是这样的：这两种

    质量的相等是偶然的，再也没有更深远的意义可寻了。但是现代物理学

    的回答恰恰与之相反：这两种质量的相等是根本性的，并且它构成了新

    的、非常重要的线索，这个线索将我们引导到更深远的理解领域。事实

    上，这是由此产生所谓广义相对论的非常重要的线索之一。

    如果一个侦探故事把奇案都描写成是偶然的，那么它绝不是一个好

    故事。按照合情合理的安排来发展故事的情节，我们一定会感到更满意。对于理论的看法也完全一样，尽管两种理论都跟观察到的情况相

    符，如果其中一个理论能做出引力质量和惯性质量为什么相等的解释，而另一个理论却认为它们的相等是偶然的，那么前一个理论比后一个好

    些。

    因为惯性质量和引力质量的相等是阐明相对论的基本原理，我们应

    当在这里把它更细致地考察一番。有什么实验令人信服地证明了两种质

    量是一样的呢？答案已隐藏在伽利略从塔上丢下不同质量的各种物体的

    古老实验里了。他发现各种质量的下落时间总是相同的，那就是一个落

    体的运动与质量无关。要把这个简单但又非常重要的实验结果跟这两种

    质量的相等联结起来，还需要一些更复杂的推理。

    一个静止的物体受外力作用以后，就开始运动并达到一定的速度。

    它受外力作用而运动的难易程度和它的惯性质量有关。质量大时，便不

    容易动；质量小时，便容易动。若不求十分严格，我们可以说：一个物

    体受外力作用的“感召”，其应验的灵敏程度取决于它的惯性质量。假使

    地球确实以同样的力来吸引所有的物体，那么惯性质量最大的物体，在

    下降时就会比任何其他物体慢些。但是事实并不是这样，所有物体的下

    降情况都相同。这表示地球必定以不同的力吸引不同的质量。现在，地

    球只以重力来吸引石子，对于石子的惯性质量是什么一无所知。地球

    的“感召”力取决于引力质量。石子的“应验”运动取决于惯性质量。因

    为“应验”运动总是一样的，也就是说，从同样高程下降的一切物体都以

    相同的方式下降。由此可以推论：引力质量和惯性质量相等。

    上面这个结论，由物理学家来表述，就更带有学究气味了：一个落

    体的加速度与其引力质量成正比而增加，而与其惯性质量成反比而减

    小。因为所有的落体都具有相同的不变的加速度，所以这两种质量必定是相等的。

    在我们这个奥妙的侦探故事中，没有一个已经被完全解决的问题，也没有一个永远不变的问题。三百年之后，我们又回到最初的运动问题

    上来修改侦查的程序，寻求过去被忽视的线索，因而得到了我们周围宇

    宙的另一个不同的图景。热是一种物质吗

    现在我们来着手了解一个新的线索，它是在热现象的范围内起源

    的。可是我们不能把科学分割成若干独立的、无关的部分。事实上，我

    们很快就会看到这里所介绍的新概念是和那些已熟知的概念以及我们将

    来还要遇到的概念交织在一起的。在科学的一个分支中发展起来的一种

    思想方法往往能够用来解释表面上完全不同的结果。在这个过程中，原

    来的概念往往须加以修改才能帮助我们既可理解这个概念得以产生的那

    些现象，也可理解目前正有待这个概念来解释的那些现象。

    用来描述热现象的最基本的概念是温度和热。在科学史上，人们花

    了非常长的时间才把这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，科学就

    得到了飞速的发展。虽然现在每个人都熟悉了这两个概念，我们仍对其

    进行细致的考察，并且着重指出两者的区别。

    我们的触觉会很清楚地告诉我们，一个物体是热的，而另一个物体

    是冷的。但是这纯粹是定性上的判断标准，还不足以做定量的描述，而

    且有时甚至会含糊不清。这已经从大家所熟知的一个实验中得到了证

    明：设有三个容器，一个装冷水，一个装温水，一个装热水。如果我们

    把一只手浸入冷水，而另一只手浸入热水，那么我们得到的感觉是，第

    一个容器里的水是冷的，而第二个容器里的水是热的。如果随后我们把

    两只手同时浸入温水里，那么两只手得到的两种感觉是相互矛盾的。同

    样的道理，如果北极国家的一个居民和赤道国家的一个居民于春季时在纽约会面了，他们对于气候是冷是热也持有不同的意见。我们用温度计

    来解决所有这些问题。最早期的温度计是伽利略(又是那个熟悉的名

    字!)设计的。温度计的使用是以某些明显的物理学假说为基础的。我

    们可以引用大约在150年以前布勒克(Black)的讲义中的几行文字来温

    习一下这些假说。布勒克在对于扫除热和温度这两个概念混淆在一起的

    困难问题上有很大的贡献：

    由于应用了这种仪器，我们发现，假如我们取一千种甚至更多不同

    种类的物质，例如金属、石子、盐、木头、羽毛、羊毛、水和各式各样

    的液体，把它们一起放在一个没有火、没有阳光照射进去的房间内。虽

    然它们原来的热各不相同，但在被放进这个房间以后，热会从较热的物

    体传到较冷的物体中。经过几个小时或一天以后，我们用一个温度计一

    一检查这些物体，温度计所标出的度数都是相等的。

    引文中有一个黑体的“热”字。按照现代的术语，这个字应该用温度

    来代替。

    一个医生从病人口中把温度计拿出来，他可以做这样的推理：“温

    度计用它的水银柱的长度指出它自己的温度。我们假定水银柱长度的增

    加与温度的增加成正比。但是温度计和我的病人接触了几分钟，所以病

    人和温度计具有相同的温度。因此我推断我的病人的温度就是温度计上

    所记录的那个温度。”医生也许只是在做无意识的工作，然而他没有想

    到他已经在运用物理学的原理了。

    但是一个温度计所包含的热量是不是和一个人的身体所包含的热量

    一样呢？自然不是。假如因为两个物体的温度相等，便认为它们的热量也相等，像布勒克所指出的，这是

    把问题看得太马虎了。这是把不同物体中热的量和热的一般强度或

    密集度混淆了。很明显，这是不同的两件事。在研究热的分布时，我们

    应当经常加以区别。

    只要考察一个很简单的实验，我们就可以理解这种区别。把1磅水

    放在火焰上加热，要使它的温度从室温达到沸点需要一些时间。如果同

    一个容器装上12磅水并且用同样的火源加热，要使它达到沸点，那么，需要的时间就多得多了。我们把这个论据解释为现在需要更多的“某种

    东西”，而我们称这个“某种东西”为热。

    从下面的实验中得出了一个更重要的概念——比热：一个容器中装

    1磅水，而另一个容器装1磅水银，将它们用同样的方式加热。水银热起

    来要比水快得多，这表明使水银的温度升高1华氏度 所需要的“热”较

    少。一般来说，把质量相等的不同种类的物质，例如水、水银、铁、铜、木等加热1华氏度，例如从40华氏度加热到41华氏度，它们所需

    的“热”的量是不同的。我们说：每一种物质都有它独自的热容量或比

    热。

    一旦有了热的概念，我们就可以更细致地研究它的本性了。设有两

    个物体，一个是热的，另一个是冷的，或更确切地说，一个物体的温度

    比另一个高些。我们使它们进行接触，并使它们不受任何外界影响。我

    们知道，最后它们会达到同样的温度。但是，这个情况是怎样发生的

    呢？从它们开始接触起到它们达到同样温度的时间里，究竟发生了什么

    呢？我们可以在脑海中想象这么一个图景：热从一个物体流向另一个物体，正如水由较高的水位流向较低的水位一样。虽然这个图景似乎很原

    始，但它跟很多论据相符，因此可以提出这样的类比：

    水——热

    较高的水位——较高的温度

    较低的水位——较低的温度

    流动一直要继续到两个水位，也就是说两个温度相等时才停止。这

    个朴素的观点在定量的考察上更有用处。如果把各自有一定质量和一定

    温度的水和酒精混合，那么知道了比热，就能预言混合物最后的温度。

    反之，只要观察到最后的温度，用一点儿代数知识就可以求出这两个比

    热的比率。

    我们看到，这里所出现的热的概念，和其他的物理学概念有相似之

    处。根据我们的观点，热是一种物质，就像力学中的质量一样。它的量

    可以改变，也可以不改变；正如钱一样，可以被储存在保险柜里，也可

    以被花掉。只要保险柜始终锁着，柜里面钱的总数就始终保持不变；和

    这一样，一个被隔离的物体中的质量的总数和热的总数也是不变的。理

    想的保温瓶就和这样的保险柜类似。而且，在一个孤立系统中，热即使

    从一个物体流向另一个物体，整个系统的热量也是守恒的；这正和一个

    孤立系统即使发生了化学变化，质量也保持不变一样。热即使不是用来

    提高物体的温度而是用来溶化冰或把水变成水汽，我们仍然可以把它想

    象为物质，因为只要把水冻结为冰，或把水汽凝为水时，又可以重新得

    到它。溶化潜热或汽化潜热这一类旧名称都表明这些概念是由于把热想

    象为一种物质而产生的。潜热是暂时潜伏，正如把钱存放在保险柜里，如果有人知道开锁的办法，就可以把它拿出来用。

    但是，热肯定不是一种与质量有相同意义的物质。质量是可以用天

    平来测定的，而热怎样呢？一块炽热的铁是不是比它在冰冷的时候重一

    些呢？实验证明并不如此。如果热是一种物质，那么它应该是一种没有

    重量的物质。“热物质”通常被称为卡路里，这是我们认识一整族没有重

    量的物质中最先认识的一种。以后我们还将有机会研究这一族的兴起和

    衰落的历史，目前只要注意这一种无重物质的诞生就够了。

    任何一种物理学理论都要将现象的范围解释得愈广愈好。只要它使

    得各种现象能被理解，就证明它是正确的。我们已经知道，物质论解释

    了许多热现象，但是很快就会明白，这又是一个错误的线索。热不能被

    看作一种物质，即使被看作一种没有重量的物质也不行。我们只要回想

    一下标志着人类开化初期的几个简单的经验，便能明白这一点。

    我们把物质看作一种既不能被创造也不能被毁灭的东西。但是，原

    始人用摩擦的方法创造出足够的热，用来点燃木材。用摩擦生热的例子

    实在太多、太熟悉了，因而不必再一一列举。在所有这些例子中都创造

    出一些热量，这是一件很难用物质论来解释的事情。诚然，这个理论的

    拥护者还会想出一些论证来解释这件事情。他的推理可能是这样

    的：“物质论可以解释表观上的热的创生。举一个最简单的例子：拿两

    块木头来相互摩擦。摩擦影响了木头并改变了木头的性质。木头的性质

    很可能是这样被改变的，即热的量并不改变而能产生较前为高的温度。

    总之，我们见到的只是温度的升高。可能是摩擦改变了木头的比热，而

    不是改变了热的总量。”

    在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辩论是无益的，因为这

    件事只能通过实验来解决。我们设想有两块各方面完全相同的木头，并且设想用不同的方法使这两块木头发生同样的温度改变：例如，一种是

    用摩擦的方法，而另一种是让它与放热器接触。如果两块木头在新的温

    度下有相同的比热，那么整个物质论就被推翻了。我们有好多测定比热

    的简单方法，而这个理论的命运正取决于这些测量的结果。在物理学史

    上，通常有一些实验能宣判一个理论的生死，这种实验被称为判决实验

    (crucial experiment)。评价一个实验所具有的判决意义只能从提出问

    题的方式上得到启示，而且只是讨论现象的一种理论才可以用这种实验

    来判断。同一种类的两个物体，一个用摩擦的方法，另一个用传热的方

    法，使它们达到相同的温度，然后测定它们在这个温度下的比热，这就

    是判决实验的一个典型例子。这个实验大约是在150年前由伦福德 完

    成的，它给热质说致命一击。

    现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下：

    人们的日常事务和工作往往会提供他们思索自然界的一些最奇妙的

    作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，只要利用工业生产

    上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科学实验。

    我常常有机会做这一类观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时

    常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有用的怀疑和

    研究与改进方面意义深远的计划。这些情况有的是突然发生的，有的是

    在思索极普通的现象时所进行的飘逸的遐想中发生的。这样所引起的怀

    疑和研究改进的机会，比那些整天坐在书房里专门从事科学研究的哲学

    家全神苦思时所能引起的还会多些。

    最近我应邀去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短一段时间以后，就会产生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的

    铜屑更热(正如我用实验所证实的，它们比沸水还要热)。

    在上述的机械动作中实际产生的热是从哪里来的呢？

    它是由钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑供给的吗？

    如果真是这样，那么根据潜热和热物质的现代学说，它们的热容量

    不仅要变，而且要变得足够大，才能解释所产生的全部的“热”。

    但是，这样的变化不会发生，因为我发现：使这种金属屑和用细齿

    锯从同一块金属上锯下来的金属薄片的重量相同，并把它们在相同的温

    度(沸水的温度)下各自放进盛有冷水的容器里，冷水的重量和温度也

    都相同(例如在59.5华氏度)；放金属屑的水看起来并不比放金属片的

    水热些或冷些。

    最后，我们来读伦福德的结论：

    在推敲这个问题的时候，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情

    况，就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。

    自不待说，任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体能无限地连续

    供给的任何东西绝不能是具体的物质；并且，如果不是十分不可能的

    话，凡是能够和这些实验中的热一样被激发和传播的东西，除了把它认

    为是“运动”以外，我似乎很难形成把它看作其他东西的任何明确的观

    念。

    这样一来，我们看到旧的理论是崩溃了，或者说得更严格些，我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此像伦福德所指出的那样，我们

    得重新寻找新的线索。要做到这点，让我们暂且抛开热的问题，再回到

    力学上来。升降滑道

    我们来研究一下游乐场中升降滑道上的运动(图18)。把一辆小车

    吊上或开到轨道的最高点。当一下子把它放松，它就开始在重力的作用

    下朝下滚去，随后沿着一条形状古怪的曲线上升或下降。因为速度突然

    改变，乘客会产生惊心动魄的快感。每个轨道有一个最高点作为起点。

    在小车运动的整个过程中，它绝不能再达到起点的高度。对运动做一番

    全面的描述是非常复杂的。从一方面来说，这是一个力学的问题，因为

    这里存在着速度和位置在时间上的变化；从另一方面来说，因为有摩

    擦，在轨道和车轮上会产生热。把这个物理过程分成这两个方面的主要

    理由是使得我们有可能应用以前所讨论过的概念。这样一分，便得到一

    个理想实验，因为一个只表现力学方面的物理过程是只能想象而不能实

    现的。图18

    对于这个理想实验，我们可以想象有人能够将伴随运动一起出现的

    摩擦全部消灭。他决定用这一新发明来建造一个升降滑道，并且在探究

    建造这个滑道的方法。小车从起点开始一上一下地运动，假定起点离地

    面100英尺。通过多次试验和改正错误，不久他知道他必须遵从一个简

    单的规则：他可以按照自己的意愿把轨道建成任何形式的线路，但是有

    一个条件，不能有一点比起点高。如果小车能够自始至终没有摩擦地运

    动，那么在整个行程中，他想让小车的高度达到100英尺多少次就多少

    次，但绝不能超过这个高度。在实际的轨道上，由于摩擦的关系，小车

    永远不能到达起点的高度，但是这里的假想工程师并不需要考虑这一

    点。

    我们来研究理想小车从理想滑道的出发点开始向下滚的运动。当它

    运动的时候，它与地面的距离减小了，但它的速率却增加了。乍一看，这句话使我们想起小学语文课中的句子：“我没有一根铅笔，但你有六

    个橘子。”可是这句话并不那么笨拙可笑。我没有一根铅笔跟你有六个

    橘子之间并没有任何联系，但是小车离地面的距离跟它的速度之间却存

    在着很真实的关系。如果我们知道它当时离地面多高，就可以在任何时

    刻准确地计算它的速率；但是这个说法具有定量的性质，最好用数学公

    式来表示，因此我们在这里只好把它撇开不谈。

    在滑道的最高点上，小车的速度为零，其与地面的距离为100英

    尺；在滑道的最低点上，小车与地面的距离可能是零，而速度最大。这

    些论据可以用另一些术语来表达：在最高点上，小车具有势能而没有动

    能；在最低点上，小车具有最大的动能而没有任何势能。在所有的中间位置上，既有速度又有高程，所以小车既有动能也有势能。势能随着高

    程的增大而增加，而动能则随着速度的增大而增加。力学的原理足以解

    释这种运动。在数学上有两种描述能的表式，其中每一种能都可以改

    变，而它们的和保持不变。这样我们就可能用数学方法严格地介绍与位

    置有关的势能的概念和与速度有关的动能的概念。自然这两个名称的引

    用是随意的，并且只是为了方便而已。这两个量的和保持不变，被称为

    运动恒量。动能和势能加起来的全部能，举例来说，可以跟总数不变的

    钱相比，它们不断地按照固定的兑换率由一种货币兑换成另一种，例如

    由英镑兑换成美元，再由美元兑换成英镑。

    在实际的升降滑道中(图19)，虽然摩擦力使小车不能重新达到像

    起点那样的高度，但是仍发生动能和势能之间的不断转换。这里它们的

    总和却不是不变，而是逐渐地减小了。现在必须再做出一个重要且大胆

    的步骤才能把运动的力学的和热的两个方面联系在一起。这一步骤所得

    出的结果和推广的意义在后面将会看到。

    现在，除了动能和势能以外，又涉及另外一种东西，那就是摩擦所

    产生的热。这种热是否相当于机械能的减小，即动能和势能的减少呢？

    一个新的猜测已经摆在我们的眼前了。如果热可以被看作能的一种形

    式，那么也许这三种能，即热能、动能和势能的总和是保持不变的。不

    是单独的热，而是热和其他形式的能合起来才像物质一样是不可被消灭

    的。这就像有一个人把美元兑换成英镑时，本来要付一些法郎作为手续

    费，而这笔手续费省下来了，因此，根据固定的兑换率，美元、英镑和

    法郎的总数是一个不变的数值。图19

    科学的发展推翻了把热看作一种物质的旧概念。我们要创造一种新

    的物质，就是能，而把热看成能的形式之一。转换率

    不到100年以前，迈尔 猜测了一个新的线索，这个线索引出了把

    热看作能的一种形式的概念。焦耳后来用实验方法确认了这个概念。使

    人惊奇的是：几乎所有关于热的本性的基本工作都是非专职的物理学家

    做的，他们只不过把物理学看作自己最大的嗜好而已。这里有多才多艺

    的苏格兰人布勒克、德国的医生迈尔，以及美国的冒险家伦福德。还有

    英国的一个啤酒酿造师焦耳，他在工作之余做出了有关能量守恒的几个

    最重要的实验。

    焦耳用实验证实了热是能的一种形式的猜测，并且确定了转换率。

    他的成果怎样，现在花一些时间来熟悉一下是很值得的。

    一个系统的动能和势能合起来构成了它的机械能。在升降滑道的例

    子中，我们猜测过有一部分机械能转变成了热。如果这是猜对了，那么

    在这里，并且在所有其他类似的物理过程中应该存在着两者之间的固定

    转换率。严格地说，这是一个定量的问题，但是一定数量的机械能可以

    转变成一定数量的热这一点是很重要的。我们很想知道到底用一个什么

    样的数来表示转换率，就是说，从一定数量的机械能可以得到多少热。

    这个数的确定就是焦耳研究的目的。在他的实验中，有一个实验的

    机构很像有重锤的钟。挥动这只钟，两个重锤就升高，因此使这个系统

    增加了势能。如果不再干扰这只钟，便可把它当作被封闭的系统。重锤

    逐渐下降，钟的能减少了。在一定时间以后，重锤将会到达其最低位置，于是钟就停下来了。能发生了什么情况呢？重锤的势能转变为机构

    的动能，随即又逐渐以热的形式散失了。

    焦耳把这种机构巧妙地加以改变以后，便能测量热的损耗，从而测

    定转换率。在他的仪器中，两个重锤使一个浸在水中的叶轮(图20)转

    动。重锤的势能转变为运动部件的动能，由动能转变为热，从而提高了

    水的温度。焦耳测量了温度的改变，并且借助于已知的水的比热算出它

    所吸收的热量。他把多次实验的结果总结如下：

    图20

    1.物体(无论是固体还是液体)相互摩擦所产生的热量永远与其

    所消耗的力(焦耳所说的力是指能)成正比。

    2.要产生可以把1磅水(在55华氏度和60华氏度之间的真空中称定的)的温度升高1华氏度的热量所需要的机械力[能]，可以用772磅重

    的物体在空中下降1英尺来表示。

    换句话说，把772磅重的物体在地面上升高1英尺的势能，等于把1

    磅水从55华氏度升高到56华氏度所需要的热量。虽然后来的实验在一定

    程度上将这个实验的精确度提高了，但是热功当量主要是焦耳在他的先

    驱性工作中发现的。

    这个重要的工作一旦完成，后来的进展就很快。人们不久就认识到

    机械能和热能只不过是能的很多种形式中的两种而已。任何东西，只要

    能转变为这两种中的一种，它就是能的一种形式。太阳所发出的辐射是

    能，因为其中一部分在地球上转变为热。电流也具有能，因为它可以使

    导线发热并使电动机转动。煤代表着化学能，因为这种能在煤燃烧时就

    被释放出来了。在自然界的每一种现象中，一种形式的能总是以一个完

    全确定的转换率转变为另一种形式的能。在一个不受外界影响的封闭系

    统中，能量是守恒的，因此和物质很相似。在这样的系统中，虽然任何

    一种形式的能的量也许会变化，但所有各种形式的能的总和是不变的。

    假使我们把整个宇宙看作一个封闭系统，那么我们可以和19世纪的物理

    学家一起，骄傲地宣布宇宙的能是不变的，它的任何一部分都既不能被

    创造也不能被消灭。

    我们对于物质的两个概念是质和能。两者都遵循守恒定律：一个隔

    离系统的质量和总能都是不变的。物质具有重量，而能没有重量。因

    此，我们有两个不同的概念和两个守恒定律。现在我们还能一直把这些

    观念认为是严格的吗？或者按照新的发展方向，这个表面上巩固可靠的

    图景是否已有所改变呢？变了!这两个概念在相对论中又有了改变。以后我们还会回到这个问题上来的。哲学背景

    科学研究的结果常常迫使人们对哲学问题的看法发生变化，而这种

    变化远远超出了科学本身的局限。科学的目的是什么呢？一个描述自然

    的理论应该是怎样的呢？这些问题虽然超越了物理学的界限，但却与物

    理学有很密切的关系，因为科学形成物理学得以产生的资料。哲学的推

    广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并被人们广泛接受以后，又常常促使科学思想进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选

    择一条路。等到这种已经被接受了的观点被推翻以后，又会有一种意想

    不到和全新的发展，它又成为一个新的哲学观点的源泉。除非我们从物

    理学史中举例说明，否则这些话听起来一定是很含糊和空泛的。

    现在我们来描写以阐明科学为目的的最初的哲学观点。这些观点在

    很大程度上推动了物理学的发展，一直到近100年以前，才被新的验

    证、论据和理论推翻，而这些新的验证、论据和理论又构成了新的科学

    背景。

    从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中，不断有人力图把表面上

    极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这就是整个自

    然哲学的基本原理。它甚至表现在原子论者的著作中。在2300年前，德

    谟克利特(Democritus)写道：

    依照惯常的说法，甜总是甜，苦总是苦，冷总是冷，热总是热，颜色总是颜色。但是实际上，只有原子和空位。就是说，我们惯于把感觉

    的事物当作实在的，但是真正说起来，它们不是实在的。只有原子和空

    位是实在的。

    在古代哲学中，这个观念不过是巧妙的想象而已。有关后来出现的

    许多事件的自然法则，希腊人是不知道的。把理论和实验联系起来的科

    学，事实上是从伽利略的工作开始的，我们已经研究过形成运动定律的

    最初线索。在200年的科学研究中，力和物质是理解自然的一切努力中

    的基本概念。我们不能想象这两个概念可以缺少一个，因为物质总是作

    为力的源泉而作用于其他物质，并由此确证它的存在。

    我们来研究一个最简单的例子：两个粒子，它们之间有力作用着。

    最容易想象的是引力和斥力。在这两种情况中，力的矢量都在物质粒子

    的连线上(图21)。为简单起见，我们只想象粒子相互吸引或排斥，因

    为任何其他关于作用力的方向的假定都会导致复杂得多的图景。我们对

    力的矢量的长度也能做一个同样简单的假定吗？即使我们想避免过分专

    门的假定，但这样做一个假定还是可以的：作用于任何两个已知粒子之

    间的力，像万有引力一样，只与它们之间的距离有关。这个假定似乎很

    简单。我们有很多更复杂的力可以想象，例如不仅与距离有关，而且与

    它们的速度有关的那些力。若以物质与力作为基本概念，我们就未必能

    够得到比沿着粒子的连线作用并只与距离有关的力更简单的假定了。但

    是，只用这样一种力是否有可能描述所有的物理现象呢？图21

    力学在其各个分支中所取得的伟大成就、在天文学发展上的惊人成

    功、力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的应用，所有这些都

    使我们确信，用不变的物体之间的简单作用力来解释所有的自然现象是

    可能的。在伽利略时代以后的200年间，这样一种企图有意识地或无意

    识地表现在几乎所有的科学著作中。亥姆霍兹(Helmholtz)约在19世

    纪中叶把它表达得特别清楚：

    因此，物理科学的任务，在我们看来，归根结底在于把物理现象都

    归结为不变的引力或斥力，而这些力的强度只与距离有关。要完全了解

    自然，就得解决这个问题。

    因此，在亥姆霍兹看来，科学发展的方向是早已被决定了的，并且

    应该严格地遵循这样一条呆板的途径：

    一旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明自然现象只能这样来加以简化，那么科学的任务便算终结了。

    对20世纪的物理学家来说，这种观点是枯燥而幼稚的。假如他想到

    巨大的研究工作竟会这样迅速地结束，从而便确立了永远正确的宇宙图

    景，他一定会大吃一惊，从此不会有什么令他兴奋的事了。

    即使这些见解能够把一切现象都用简单的力来描述，但还有一个问

    题没有解决，那就是力与距离之间的关系如何的问题。对不同的现象来

    说，这种关系可能是不同的。为了解释不同的现象而引入许多种不同形

    式的力，这种必要性从哲学的观点来看自然是很不圆满的。可是亥姆霍

    兹陈述得最清楚的这种所谓的机械观，在当时却起了很重要的作用。物

    质动力论的发展是最伟大的科学成就之一，而它就是直接受到机械观的

    影响的。

    在叙述它的衰落以前，我们暂且接受19世纪的物理学家所持有的观

    点，并且看一看从他们这种关于外在世界的图景中可以得出什么样的结

    论。物质动力论

    是不是可以用有简单的力相互作用着的粒子的运动来解释热现象

    呢？在一个闭合的容器里装着一定质量和一定温度的气体(例如空

    气)。把空气加热，我们就提高了它的温度，因而也增加了它的能量。

    但是，这种热与运动的关系是怎样的呢？根据前面我们已经贸然接受过

    的哲学观点以及热是由运动产生的这个说法，我们可以认为热和运动是

    有关系的。如果每一个问题都是力学问题，那么热必须是机械能。动力

    论的任务就在于用这种方法来表达物质的概念。根据这种理论，气体便

    是无数个粒子或分子的集合体，分子朝着各个方向运动，相互碰撞，并

    且在每次碰撞之后改变自己的运动方向。在这样的气体中的分子必定有

    一个平均速度，正如在人类社会中有平均年龄和平均收入一样。因此，也必定有粒子的平均动能。容器中的热越多，平均动能就越大。因此根

    据这个想象，热不是与机械能不同的一种特殊形式的能，它就是分子运

    动的动能。对于任何确定的温度，每个分子都有一个确定的平均动能。

    事实上，这不是一个随便的假定。假使我们要做出物质的一致的力学图

    景，就得把一个分子的动能看作气体温度的量度。

    这个理论不单是一个想象而已。我们可以证明气体动力论不但与实

    验相符，并且实际上使我们对许多情况有一个更深刻的理解。这可以用

    几个例子来说明。

    假设我们有一个容器，用一个能够自由移动的活塞将它封闭住(图22)。容器中装有一定数量的气体，这些气体的温度保持不变。如果起

    初活塞静止在某个位置，那么它可能因减重而上升，或者因加重而下

    降。要把活塞往下推，必须施加外力以抵抗气体的内压力。根据动力

    论，这种内压力的机构是怎样的呢？构成气体的数量极大的粒子是向各

    个方向运动的。它们撞击容器的壁与活塞，撞了又跳回来，正如掷到墙

    上的球一样。大量粒子的这种不断的撞击，反抗着作用在活塞与重物上

    的向下作用的重力，因而能使活塞保持在某个高度上。在一个方向上有

    不变的重力在作用，在另一个方向上则是分子的大量不规则的碰撞。假

    使两方面保持平衡，那么所有这些小的不规则的力对活塞的有效作用必

    须与重力相等。

    假使把活塞推下去，它把气体压缩到只有原有体积的一部分，譬如

    说压缩到二分之一，它的温度却保持不变。那么根据动力论，我们可以

    预料有什么情况会发生呢？难道撞击力会比过去更有效些或更无效些

    吗？现在，粒子比过去更紧密了。虽然平均动能还像以前一样，但是粒

    子撞击活塞的次数更多了，因此总的力可能要大些。根据动力论所表达

    的图景可以清楚地看出，要使活塞保持在更低的位置，需要更大的重

    量。这个简单的实验情况是众所周知的，但是它的预言却是从物质动力

    论合理地推出来的。图22

    再研究另一个实验。取两个容器，它们装有体积相等的不同气体，例如氢与氮，两者的温度相同。假设两个容器都用同样的活塞封闭住，加在活塞上的重量也相等。简单说来，这就表示两种气体具有相同的体

    积、温度与压力。因为温度相同，那么根据动力论，粒子的平均动能也

    相同。因为压力相同，那么两个活塞都受到同样的总的力的撞击。平均

    起来，每个粒子具有相同的能量，两个容器具有相同的容积。因此虽然

    在化学上来说这两种气体是不同的，但是每个容器中的分子数必定是

    相等的。这个结果对理解许多化学现象是很重要的。它表明在一定的温

    度和压力下，在既定的容积中的分子数不是某一种气体所独有的，而是一切气体都有的。特别是动力论不仅预言这样一个普遍的数的存在，而

    且还能帮助我们来决定这个数。我们以后还要再研究这个问题。

    物质动力论不但能定性地而且能定量地解释由实验确定的气体定

    律。而且，虽然这个理论的最大成就是在气体方面，但它不限于气体。

    气体可以用降低温度的方法使其液化。降低物质的温度就意味着减

    小它的粒子的平均动能。因此，很明显，液体内粒子的平均动能比相应

    的气体的粒子的平均动能小。

    所谓布朗运动首先给液体内粒子的运动做了一个令人信服的说明。

    这个奇异的现象，如果没有物质动力论，会是完全神秘和不可理解的。

    它是植物学家布朗(Brown)首先观察到的，而80年之后，在20世纪

    初，它才得到解释。只要有一架质量不必特别好的显微镜，就可以观察

    布朗运动。

    布朗当时正研究某些植物的花粉粒子，照他的话说，那是：

    花粉粒子或其他粒子的最大尺寸，其长度从14000英寸至15000英

    寸不等。

    接着，他又说：

    当我观察这些浸在水中的粒子对，我发现很多都在不停地运动

    着……经过多次重复的观察以后，我确信这些运动既不是由于液体的流

    动也不是由于液体的逐渐蒸发引起的，而是属于粒子本身的运动。

    布朗所观察到的是悬浮在水中而且用显微镜可以观察到的粒子的不

    停的扰动。这是一个很动人的景色!观察到的这种现象是否与选择哪一种特殊的植物有关系呢？为了回

    答这个问题，布朗用许多种不同的植物来重复做这个实验。他发现，所

    有这样的花粉粒子，只要足够小，只要悬浮在水中，都会表现这样的运

    动。他进一步发现，无论是无机物还是有机物的微粒，都有同样不停的

    无次序的运动。他甚至用石头研细的粉末来试验，也观察到了这种运

    动!(参看书末的附图Ⅰ)

    怎样解释这种运动呢？这种运动似乎和过去的全部经验都矛盾。譬

    如说，每隔30秒钟对悬浮着的一个粒子的位置进行一次观察，就会看出

    它的路径的奇怪形状。可令人惊异的是，这种运动看来是永无止境的。

    把一个摆动着的钟摆放在水中，如果不加外力推动，它很快就会静止。

    一种永不减弱的运动的存在，似乎跟所有以前的经验都是矛盾的。这个

    困难，都由物质动力论圆满地解释了。

    甚至用现代最强力的显微镜来观察水，我们也不能像物质动力论所

    描述的那样看得到水分子和它的运动情况。因此，我们可以断定，假如

    把水看作粒子的集合体的理论是正确的，那么这些粒子的大小必定超出

    了最好的显微镜的可见限度。我们且不要攻击这个理论，并且假定它是

    一个描写实在的合理图景。用显微镜可以看到的布朗粒子是受到更小的

    水的粒子撞击。假如被撞的粒子足够小的话，便会发生布朗运动。它之

    所以会发生，是由于碰撞的不规则性和偶然性，因而从各方面来的这种

    撞击是不相等的，因而也不可能将它平均。这样，能够观察到的运动倒

    是观察不到的运动的结果了。大粒子的行为在某种程度上反映了分子的

    行为，可以说，它是把分子的行为放大到使得其能够在显微镜中看得见

    的程度。布朗粒子的运动路径的不规则性反映了构成物质的较小粒子的

    路径的同样的不规则性。从上述情况中，我们可以得到这样的结论：如果对布朗运动做一个定量的研究，能够使我们对物质动力论有一个更深

    刻的理解。很明显，可见的布朗运动与不可见的撞击分子的大小有关。

    如果撞击分子没有一定数量的能，或者换句话说，没有质量与速度，就

    不会有布朗运动。因此，布朗运动的研究能使我们决定分子的质量，这

    是不足为奇的。

    经过理论方面与实验方面的艰苦研究，动力论定量的特色也已经形

    成了。由布朗运动现象所产生的线索，便是形成定量数据的来源之一。

    从完全不同的线索出发，用不同的方法也可以得到同样的数据。所有这

    些方法都支持同一个观点，这个论据是很重要的，因为它说明了物质动

    力论的本质上的一致性。

    在由实验和理论所得到的许多定量的结果中，这里只引用其中的一

    个。假使我们有1克最轻的元素氢，我们问：在这1克氢中有多少个粒子

    呢？这个问题的答案不仅回答了氢的问题，而且回答了所有其他气体的

    问题，因为我们已经知道，在什么条件下，两种气体会有同样数目的粒

    子。

    根据对悬浮在水中的粒子的布朗运动的某些测量结果，理论使我们

    能够回答这个问题。答案是一个惊人的大数字：3后面接23个数字。1克

    氢中的分子数是：

    303 000 000 000 000 000 000 000

    设想1克氢的分子增大到可以用显微镜看得见，譬如说，它的直径

    达到了0.005英尺，就是说和布朗粒子的直径一样大。要把它们用一个

    箱子紧密地装起来，那么，这个箱子的每边大约是0.25英里长!我们只要用1除以上面所指出的数字，便可以很容易地计算出一个

    氢分子的质量，答案是一个小得出奇的数：

    0.000 000 000 000 000 000 000 003 3克

    这个数代表一个氢分子的质量。

    布朗运动的实验，只不过是决定这个数的许多独立的实验中的一

    个，而这个数在物理学上有很重要的作用。

    在物质动力论和它所有的成就中，我们看到，把一切现象的解释都

    归结为物质粒子间力的相互作用这个普遍的哲学预示已经实现了。结语

    在力学中，假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面

    的力，那么它未来的路径是可以被预言的，而它的过去也是可以被揭发

    的。例如所有行星的未来路径都是可以被预知的，作用在它们之上的是

    只跟距离有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示着机械观可以

    被无例外地应用于物理学的任何分支，所有现象都可以用引力或斥力来

    解释，而这些力只与距离有关，并且作用于不变的粒子之间。

    在物质动力论中，我们看到这个从力学问题中兴起的观点怎样把热

    现象也包括进去，又怎样形成了一个很成功的物质结构的图景。2

    机械观的衰落两种电流体

    下面是关于几种简单实验的一个枯燥无味的报告。报告之所以令人

    厌烦，不单是因为描写一个实验总不如做实验那样有趣，同时还因为在

    未被理论阐明之前，它的意义是不明显的。我们的目的在于举一个突出

    的例子，以表明理论在物理学中的作用。

    1.把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线连接在

    验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个很简单的仪器，主要是由悬

    挂在一根短短的金属棒头上的两片金箔组成的。把金箔装在玻璃瓶内，并且使金属棒只跟非金属，即所谓的绝缘体接触。除了验电器和金属棒

    之外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块法兰绒。

    实验进行如下：先看一下两片金箔是否合在一起，因为这是它们的

    正常位置。如果它们没有合拢，那么用手指接触一下金属棒，让它们合

    起来。做了这些初步步骤以后，用法兰绒用力摩擦橡皮棒，再使它接触

    金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡皮棒移开以后，它们还是分开

    的(图23)。

    2.我们再做另外一个实验，它所用的器具和以前的一样，开始实

    验时金箔仍然要合在一起。这次我们不使橡皮棒接触金属棒，而只放在

    金属棒附近。验电器的金箔又重新分开。但是，这次的分开有点不同

    了。当橡皮棒(它完全没有接触金属)移开后，金箔不继续分开，而是

    立即合拢，恢复到原来的位置。3.我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验。假定金属棒是由

    两节连接起来的。我们用法兰绒把橡皮棒摩擦过以后，再把它接近金属

    棒。同样的现象又产生了——金箔分开了。但是现在先把金属棒的两节

    分开，然后才把橡皮棒移开。我们发现，在这个情况中，金箔仍旧分

    开，而不像在第二个实验中那样恢复到原来的位置(图24)。

    图23

    在这些最简单的实验中很难引起热烈的兴趣。在中世纪，做这些实

    验的人也许已经受过非难了；而对我们来说，这些实验看来是枯燥的和不合理的。把上面的实验报告读了一次以后，再要重述一遍而不纠缠不

    清，恐怕都不是容易的事。有了一些理论观念，就可以帮助我们了解它

    们的意义。我们甚至可以进一步说，这样的实验绝不会是偶然进行的，人们一定已经预先多多少少知道了它们的意义。

    现在我们把一个非常简单和朴素的理论的基本观念说出来，这个理

    论能说明上面的各种事实。

    有两种电流体，一种叫作正的(+)，而另一种叫作负的(-)。它

    们在过去表述过的意义上跟物质是很相似的，因为它们的数量既可以增

    加，也可以减少，而在任一封闭系统里，其总量是守恒的。但是电的情

    况跟热、物质或能之间有一个重要的差别。电的物质有两种。除非做出

    某些概括，这里不能应用以前所做的钱的比喻了。如果物体的正的电流

    体和负的电流体完全相互抵消，这个物体就是电中性的。一个人若一无

    所有，可能是因为他确实一无所有，也可能是因为他放在保险柜里的钱

    的总数恰恰等于他负债的总数。我们可以把正负电流体比作账簿中的借

    项和贷项。图24

    这个理论的第二个假定是，同类的两种电流体互相排斥，而异类的

    两种电流体互相吸引。这可以用图来表达，如图25所示。

    最后还必须有一个理论上的假定：物体有两类，电流体可以在物体

    中自由运动的一类叫作导体，电流体不能在物体中自由运动的一类叫作

    绝缘体。物体的这种分类不能认为是很严格的。理想导体和理想绝缘体

    都是永远不能实现的一种假象。金属、地面、人体都是导体的例子，但

    是它们的传导程度并不相同。玻璃、橡皮、瓷器之类都是绝缘体。空气

    只有局部的绝缘作用，这是看见过上述实验的人都知道的。静电实验的

    结果不好，通常都归因于空气的湿度，因为空气的湿度大了，会增加它

    的导电性。图25

    这些理论性假定已经足以解释上面的三个实验了。现在我们按原来

    的次序把这三个实验用电流体理论再来讨论一番。

    1.橡皮棒和其他物体一样，在正常情况下是电中性的。它包含

    正、负两种电流体，数量相等。用法兰绒摩擦它，就把两种电流体分开

    了。这完全是一种习惯上的说法，因为这种说法是应用理论所创造的术

    语来描述摩擦过程的。橡皮棒被擦以后，有一种多余的电叫作负电，这

    个名词当然只不过是相沿成习而已。假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我

    们必须把这种多余的电叫作正电，因为只有这样才不至于跟前面的说法

    矛盾。我们继续做实验。让橡皮棒接触金属导体，于是我们就把电流体

    传送过去了。这些电流体在导体内自由地运动，于是它们就分布在包括金箔在内的整个导体上了。因为负电与负电相互排斥，所以两片金箔尽

    量地相互离开，其结果就是我们以前观察到的金箔的分开。金属要放在

    玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的导电率很微弱，就可使电流体

    一直留在导体上。现在我们懂得在实验开始以前必须用手指去接触金属

    棒的道理了。在这种情况下，金属、人体和地面构成了一个大的导体，因此电流体便分散得极为稀淡，验电器上实际上已经没有什么电流体

    了。

    2.第二个实验在开始时是和第一个实验完全一样的。但是这次橡

    皮棒不接触金属棒，而只是挨近它。导体上的两种电流体因为都可以自

    由流动，所以被分开了；一种被吸引，而另一种被排斥。如果把橡皮棒

    移开，它们又重新混合起来，因为不同类的两种电流体是互相吸引的。

    3.现在把金属棒先分为两节，然后把橡皮棒移开。在这种情况

    下，两种流体不能混在一起了，因此金箔保留了多余的那一种电流体，所以继续张开。

    按照这个简单的理论，上述的所有情况似乎都是能够理解的。这个

    理论的作用还不止于此，它不仅使我们能够理解这些情况，而且还可以

    使我们理解“静电学”范围内的其他许多情况。任何一个理论的目的都是

    指导我们理解新的情况，启发我们做新的实验，从而发现新的现象和定

    律。举一个例子就明白了。设想把第二个实验加以改变。假使当我把橡

    皮棒放在金属棒旁边，同时又用自己的手指接触金属棒。现在会发生什

    么呢？理论能给出答案：受橡皮棒排斥的负(-)的电流体现在通过我

    的身体逃走了，结果在金属棒上留下的只有一种正(+)的电流体(图

    26)。只有挨近橡皮棒的一个验电器的金箔仍旧分开，做一做真实的实

    验就能确认这个预言。图26

    这个理论自然很简陋，而且并不符合现代物理学的观点。可是它却

    是说明任何一种物理学理论的特色的一个很好的例子。

    科学没有永恒的理论。一个理论所预言的论据常常被实验推翻。任

    何一个理论都有逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，它就会很

    快地衰落。上面讲过的热的物质说的盛衰便是许多例子中的一个。还有

    其他更深刻、更重要的例子，以后还会讨论。几乎每一个科学上的重大

    进步都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生

    的。我们必须检查旧的观念和旧的理论，虽然它们是过时的，然而只有

    先检查它们，才能了解新观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和

    新理论的正确程度。

    在本书的开始，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况，然后用

    纯粹的思维去寻找正确答案的侦探。至少在一个论点上，这个比喻是很不恰当的。无论在现实生活中或在侦探小说里面，必定先知道有人犯

    罪，然后侦探才去检查信件、指纹、子弹、枪支等，他至少是知道发生

    了一起谋杀案。科学家就不是这样。我们很容易想象有些人对于电毫无

    所知，因为所有的古人对于它都没有一点知识，但也生活得很快乐。假

    使你把金属棒、金箔、瓶子、硬橡皮棒、法兰绒，总之是要做那三个实

    验所必需的东西都交给这样一个人：他也许是一个很有文化的人，但他

    可能会用瓶子盛酒，拿法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做我们上

    面所描述的实验。对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁杀

    了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦查。此外，他不但要

    解释一个案子，而且要解释所有跟它有关的已经发生或可能发生的现

    象。

    在引用电流体的概念时，我们知道这里受到了机械观的影响，因为

    机械观是用物质和作用于物质之间的简单的力来解释一切事物。要知道

    机械观能否用来描述电的现象，我们必须考察下面的一个问题。有两个

    圆球，都有电荷，就是说都带有某种多余的电流体。我们知道这两个圆

    球或者会互相吸引，或者会互相排斥。但是，力只与距离有关吗？如果

    就是这样，又怎样呢？最简单的猜测是这种力与距离的关系正如万有引

    力与距离的关系一样，例如距离增加三倍，它的强度便减为原来的九分

    之一。库仑所做的实验证明这个定律是确实可靠的。在牛顿发现万有引

    力定律之后100年，库仑发现电的力与距离之间的关系和万有引力与距

    离之间的关系一样。但是，牛顿定律与库仑定律之间有两个巨大的区

    别：万有引力是永远存在的，而电的力只是在物体带电时才有；万有引

    力只是吸引，而电力则既可以是吸引也可以是排斥。

    现在产生了同样一个问题，这个问题在前面谈热的现象时已考察过。电流体是有重量还是没有重量的物质呢？换句话说，一块金属在电

    中性时和带有电荷时重量是否一样呢？我们把它称一下，发现这两个重

    量完全没有差别。由此我们可以断定，电流体也是没有重量的一族物质

    中的一种。

    电的理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避免严格

    的定义，改用已经熟悉的概念做比拟。我们记得要了解热的现象，区别

    热和温度是极为重要的。同样，这里区别电势和电荷也是很重要的。这

    两个新的概念的区别用比拟的方法便可以弄明白：

    电势——温度

    电荷——热

    两个导体，例如两个大小不同的圆球，可以有相同的电荷，就是

    说，多余的电流体相同，但是两者的电势不同，也就是说：小圆球上的

    电势较高，大圆球上的电势较低。在小圆球上，电流体的密度较大，因

    而也就更受到压缩。因此密度愈大则互相排斥的力愈大，小圆球上的电

    荷逃去的趋势要比大圆球上的大。这个电荷要从导体逃去的趋势就是直

    接测量电势的标准。为了清楚地说明电荷与电势的差别，我们必须列出

    几句描述受热物体的行为的句子，以及和这些句子相对应的描述带电导

    体的一些句子。但是，这样的比拟不能推得太远。下面的例子(图27)就指出了它

    们的相似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从

    热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个有负电荷。这

    两个电荷的电势各不相同。依照习惯，我们认为负电荷的电势比正电荷

    的电势低。假使让这两个导体相接触，或者用导线连接起来，那么根据

    电流体的理论，它们将显示出不带电荷，因而根本不会有电势差。我们

    必须想象在电势差被平衡的很短的时间内，电荷是从一个导体“流”向另

    外一个导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体，抑

    或是负的电流体流向带正电的物体呢？图27

    事实上，单是根据这里所提到的材料，我们无法决定两者之中哪一

    种是对的，我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以同时有两个方向

    的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来决定这个问题的方法，而

    只是使它成为常规，在选择上没有什么特定意义。往后的发展得出了能

    回答这个问题的更深的电理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达

    是完全没有意义的。在这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是

    从电势较高的导体流向电势较低的导体。这样，在刚才所说的两个导体

    中，电是从带正电的导体流向带负电的导体。这种表述完全是一种习惯

    上的说法，而在这里则是完全武断的。所有这些困难表明，热和电之间

    的比拟是不可能完整无缺的。

    我们已经看到，运用机械观来描述静电学的基本论据是可能的。同

    样，用机械观来描述磁的现象也是可能的。磁流体

    这里我们还是依照上面的方式，先叙述几种非常简单的情况，然后

    去寻找它们的理论解释。

    1.有两根磁棒。一根在一个架上，支点位于磁棒中间，它处于水

    平位置，故能自由转动；另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端两相

    靠近，那么它们之间发生了强烈的吸引。这是经常可以做到的(图

    28)。如果不发生吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一端去试试。

    只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引。磁棒的两端被称为它的

    极。实验再继续进行下去，我们把手持的磁棒的极沿着另一根磁棒移动

    过去。此时我们发现吸引力减小了，而当极达到搁起的那根磁棒的中央

    时，就根本没有吸引力了。如果磁极继续朝同一方向移过去，那么就会

    逐渐发现排斥现象，当到达搁起的磁棒的另一极时，斥力最大。图28

    2.上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个极。我

    们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单：只要把一根磁

    棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁棒的极与另一根磁棒

    的中央之间是没有力的。但是实际上把一根磁棒折成两段，其结果却是

    惊人的、出乎意料的。如果我们照上面一节里所描写的实验再来做一

    次，不过这回是将搁起的那根磁棒折成两段，拿其中一段照样搁起来做

    的，结果仍是一样，本来是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的

    极了。

    应该怎样解释这些情况呢？因为磁的现象也和静电的现象一样有排

    斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理论。设想有两

    个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是负的。这里所谓“相

    等”是指有相同的绝对值：例如+5和-5具有相同的绝对值。假定这两个

    圆球用一种绝缘体，例如玻璃棒之类连接起来。若画成图，这种装置可

    以用一根从带负电荷的导体指向带正电荷的导体的一支箭表示(图

    29)。我们把这整件东西叫作电的偶极子。很明显，这样两个偶极子的

    行为和第一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是

    一根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁棒不

    是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。这个简单的

    理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满的。在一端应该是

    吸引，在另一端是排斥；而在中央则两种相等而相反的力互相平衡。但

    是，怎样解释第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们可以得到

    两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾的。这个矛盾使我们不得不介绍一种更

    准确的理论。我们放弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基

    本磁偶极子组成的，这些基本偶极子再不能被折断为孤立的极。在磁棒

    中有一个统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向

    (图30)。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，新的两端

    又变成新的两极，也知道这个更精细的理论既能解释第一个实验也能解

    释第二个实验。

    图29

    图30

    有很多情况，那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精细的理论。举例来说：我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为在一片普通的

    铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出真正的效应来。把磁

    棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分开”的作用，吸引了负的磁流

    体而排斥了正的磁流体，结果就产生铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒

    以后，磁流体又多少恢复到原来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追

    想起”外力的命令的程度如何。

    至于这个问题的定量方面则无须赘言。用两根很长的磁棒，我们就

    可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或排斥的力。假设磁棒很长，棒的另一端的影响就可以忽略。引力或斥力与两极间距离的关系怎样

    呢？库仑实验给出的答案是这样的：这种关系与牛顿的万有引力定律和

    库仑的静电定律是一样的。

    我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于用引力

    和斥力只与不变的粒子之间的距离有关而且只作用于粒子之间来解释一

    切现象。

    这里我们提一提一件尽人皆知的事情，因为以后我们还要用到它。

    地球是一个大的磁偶极子。我们完全无法解释它何以如此。北极接近于

    地球的负(-)磁极，而南极则接近于地球的正(+)磁极。正负的名

    称，不过是约定俗成的，但一旦被规定，便可以使我们决定任何别的场

    合中的磁极。一根装在竖向轴上的磁针会服从地球的磁力的“命令”。磁

    针的正(+)磁极指向北极，也就是说，指向地球的负(-)磁极。

    我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但是也不

    必因此特别骄傲或喜欢它。这个理论中有些部分即使不令人沮丧，也肯

    定不能令人满意。我们正在发明物质的新的种类：两种电流体和基本磁

    偶极子。我们开始感到物质实在太多了。力是简单的。无论是万有引力、电力或磁力，都可以用同样的方法

    来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付出的代价也很

    大，引入了许多新的、没有重量的物质。它们都是颇为牵强的概念，而

    且与基本的物质——质量完全无关。第一个严重的困难

    我们现在可以谈一谈应用我们的普遍哲学观点所遇到的第一个严重

    的困难了。后面我们还会看到，这个困难和另一些更严重的困难一起，使我们绝对不再相信一切现象都可以用机械观来解释了。

    自从发现电流以后，作为科学与技术的分支的电学才有了惊人的发

    展。偶然的事件能产生重大的作用，这种例子在科学史上是很少见的，这里我们找到了其中的一个。蛙腿痉挛的故事有各种各样的说法。不管

    那些细节的真实性如何，伽伐尼(Galvani)的偶然发现使得伏打

    (Volta)在18世纪末发明了所谓伏打电池这一点是毫无疑问的。这种

    电池早已没有什么实用价值了，但是在学校的实验中，或在教科书中，仍一直把它用作最简单的例子来说明电流的来源。

    它的构造原理是很简单的。拿几个大玻璃杯，里面装水，再加一点

    点硫酸。每个玻璃杯中有两个金属片，一个为铜片，一个为锌片，都浸

    在溶液中。一个玻璃杯中的铜片和下一个玻璃杯中的锌片连接起来，这

    样就只有第一个杯中的锌片和末一个杯中的铜片没有连接。如果“元

    件”的数目，即构成电池组的装有金属片的玻璃杯的数目相当多，那么

    我们用非常灵敏的验电器就可发现第一个杯中的铜片和末一个杯中的锌

    片之间有电势差。

    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。我们发现，铜放出的电势比锌高些。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(铜片)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，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，热是由哪种能转换而来的。我们很容易理解，在

    电池中正发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段时间以后，便会使电池组失

    效。

    有一个实验把应用机械观的巨大困难揭露了出来。这个实验初听起

    来是很奇怪的。它是奥斯特(Oersted)在约120年前所做的。他这样写

    道：

    这些实验似乎已表明：我们可以用一个伽伐尼装置使磁针移动自己

    的位置，但是只有在伽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，某些极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”会去期待这种现象的发生。

    现在让我们把导线连接在锌片上。奇怪的现象立刻发生了。磁针离

    开了它原来的位置。假使用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，我们不可避免地会做出结论，认为

    力作用的方向是垂直的。

    这个实验之所以重要，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排斥的物体的一条直线而作用的。

    图31

    在大约60年以前，罗兰(Rowland)做了一个很精巧的实验，把这

    种困难显示得更加清楚。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，唯一不同的是不用通常的电流，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。

    图32

    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。这个观察显示了另一个严重的困

    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。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。

    当一个理论很顺利地发展时，突然会出现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巩

    固、很成功的机械论打倒了。另一个更有力的攻击是从完全不同的角度

    发起的。但是这是另一个故事，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

    生间关于光的速度的谈话：

    萨格雷多(Sagredo)：我们应该认为光的速率是属于哪一类呢？

    它有多大呢？光的运动是瞬时的，还是像其他物体一样需要时间呢？我

    们能用实验来解决这个问题吗？

    辛普利西奥(Simplicio)：日常经验告诉我们，光的传播是瞬时

    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。

    萨格雷多：那么，根据这一点熟悉的经验，我们只能推论传到我们

    耳鼓的声音比光传播得慢些，它并没有告诉我们光的传播是瞬时的，或

    者说它传播得非常快，但总是需要时间的……

    萨尔维亚蒂(Salviati)：这些观察以及其他类似的观察中所得到

    的一点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瞬时的

    方法……

    萨尔维亚蒂继续解释他的实验方法。为了了解他的观念，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

    动作的电影一样。甲和乙两个人都拿着遮起来的灯相距1英里站着。第一个人甲打开了他的灯。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，光每秒钟走1英里。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。假使光的速度是每秒1英里，则甲在发出和接到离他1英里的

    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度是每秒1英里。

    以当时的实验技术，伽利略自然无法用这种方法测定光的速度。假

    使距离是1英里左右，他必须将时间间隔测到十万分之一秒的数量级。

    伽利略提出了测定光速的问题，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，其中特别强调用新的观点来研究已知情况的重要性，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)利用，他

    是第一个用地面上的实验(terrestrial experiment)来测定光的速度的人。在斐索之前，已经有勒麦(Roemer)用天文观察测定了光的速度，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，或者须

    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，又做了很多次测定，而且愈来愈精确了。在20世纪，迈克尔逊

    (Michelson)为了这个目的设计了一种极精巧的仪器。这些实验的结

    果可以被简单地表示为：光在真空中的速度约为每秒186 000英里。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度穿过是不受干扰的。把一个空的玻璃容器中

    的空气抽去，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。因此，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。

    最简单的光学论据之一是光的传播是直线的。我们来描述一个能证

    明这个论据的原始的简单实验。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，在很远的墙上的暗的背景上现出了光

    斑。图33表明了这个现象跟光的直线传播的关系。所有这些现象，甚至

    是现出光、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。图33

    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？如果直线运动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。这种现象叫作折射。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。这是大家都熟悉的现象，它便是

    许多折射现象中的一个例子。

    这些论据足以说明怎样去想出一个简单的光的力学理论，我们在这

    里的任务是要指出物质、粒子和力的观念是怎样进入光学的范围内去

    的，并且这种旧的哲学观点最后是怎样崩溃的。图34

    在这里所提出的是这个理论的最简单和最原始的形式。我们假定所

    有的发光物体都发射光的粒子或微粒，这些微粒落到我们的眼睛上便产

    生光的感觉。我们为了对现象做力学的解释，已经很习惯于引用新的物

    质了，因此现在可以不必踌躇，再来引用一种新的物质。这些微粒必须

    以已知的速率在真空中沿直线运动，而把消息由发光体带到我们的眼

    睛。所有表现光的直线传播的现象都支持微粒说，因为通常都认为微粒

    的运动正是直线运动。这个理论也很简单地解释了光在镜子上的反射，认为这种反射跟图35中所示的那种在力学实验中所观察到的弹性球撞在

    墙上的反射一样。

    对折射的解释稍为困难一些。如果不做细致的考察，我们有可能用

    这种力学的解释来进行。假使微粒落在玻璃面上，可能玻璃中的物质粒

    子对它们施力，这种力只能在最邻近物质的地方才发生作用。我们已经知道，任何作用在运动粒子上的力都会改变它的速度。如果作用在光的

    微粒上的力是垂直于玻璃表面的引力，那么光束的新的运动路线将会在

    原来的路线与垂直线之间。看来这种简单的解释会使光的微粒说得到很

    大的成功。可是要决定这个理论的适用性和有效范围，我们必须研究新

    的和更复杂的情况。

    图35色之谜

    首先解释自然界中这么多色的不是别人，又是天才的牛顿。这里引

    用牛顿自己描写他的一个实验的一段话：

    1666年(那时我正在磨制球面玻璃以外的其他形式的光学玻璃)，我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它研究色的现象。为了这个目

    的，我把房间弄成漆黑的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进

    来。我又把棱镜放在光的入口处，使光能够折射到对面的墙上去。当我

    第一次看见由此产生的鲜明的强烈的光色时，我感到极大的愉快。

    太阳发出的光是“白”的。透过棱镜以后，它便现出可见世界中存在

    着的所有的色。自然界本身在彩虹的美丽的色中也表现出同样的结果。

    自远古以来，人们就企图解释这种现象。《圣经》中说，彩虹是上帝与

    人类订盟约的一个记号，在某种意义上来说，这也算是一种“理论”。不

    过它不能圆满地解释何以彩虹会常常发生，而且总是与雨有连带关系。

    在牛顿的伟大的著作中才首先用科学的方法攻破了色之谜，而且对彩虹

    做了解释。

    彩虹的一条边总是红的，而另一条边总是紫的。在这两条边之间排

    列着所有其他的色。牛顿对这种现象的解释是这样的：在白光中已经存

    在了各种色。所有的色混在一起越过星际空间和大气而呈现白光的效

    应。白光可以说是不同色的各种微粒的混合体。在牛顿的实验中，棱镜把它们各自分开了。根据力学理论，折射是由于从玻璃的粒子所发出的

    力作用在光的粒子上所致。这些力对不同的色的微粒所贡献的作用也不

    同，对紫色的力最大，而对红色的力最小。因此在光离开棱镜以后，每

    种色的微粒就会沿着不同的路线折射而互相分开。而在彩虹中，雨点的

    作用便等于棱镜的作用。

    现在，光的物质论比以前更复杂了。光的物质不止一种而有很多

    种，不同的色就有不同的物质。可是假使这个理论有几分真实，它的结

    论必须跟观察相符。

    像牛顿的实验中所显现的太阳的白光中的色系叫作太阳的光谱，或

    者更确切些说，它的可见光谱。像上面所说那样把白光分解为它的各个

    组元叫作光的色散。假如上面的解释不错，则光谱中分开来的色可以用

    第二个完全校准的棱镜再混合起来。这个过程应该恰恰和前面的相反。

    我们应该从前面已经分开了的光得到白光。牛顿用实验证明，确实可以

    用这种简单的方法从白光的光谱得到白光，也可以从白光得到光谱，无

    论要做多少次都可以。这些实验成为光的微粒说的强大的支持力量，因

    为这个理论是认为每种色就有一种微粒，而各种微粒都是不变的物质。

    牛顿写道：……那些色不是新产生的，而只是在分开以后才能使它显现出来；

    因此假如再把它们混合起来，它们又会合成分开以前的那种色。同理，把许多种色混合起来所发生的变化是不真实的；因为如果这些不同种类

    的射线再分开，它又会表现在进入混合以前的那种色了。你们知道，蓝

    色与黄色的粉假如很细致地混合起来，则在肉眼看来是绿色的，可是作

    为组元的那些微粒的色，却并不因此在实际上有所变化，而只是混杂起来罢了。因为只要用一副很好的显微镜去看，它们还像以前一样，仍旧

    是蓝色粉和黄色粉互相混杂起来的。

    假设我们已经把光谱中很狭窄的一个条子分离出来。这就是说，在

    许多色之间，我们只让一种色通过缝隙，其余的用屏挡住。通过缝隙的

    光束便会是一种单色光，就是说，不能再被分解为有几个组元的光。这

    是这个理论的结论，而且它很容易用实验加以确认。这种光束不管用什

    么方法都不能再被进一步分解。要获得单色光的光源，方法很简单。例

    如钠在炽热时就发出单色黄光。用单色光做某些光学实验总是很方便，因为实验的结果会简单得多，这是我们很容易理解的。

    让我们想象突然发生了一件奇怪的事：太阳只射出某一种色的，例

    如黄色的单色光。那地球上的种种色都会立刻消失，任何东西都是黄的

    或黑的了。这个预言是光的物质论的一个结论，因为新的色是不能被创

    造的。它的有效性可以用实验来确认：在一个只有炽热的钠作为光源的

    房内，任何东西都是黄的或黑的。地球上这么多的颜色反映为组成白光

    的各种色。

    光的物质论在所有这些例子中似乎都很圆满，不过它必须为每种色

    引用一种物质，这会使我们感到有些困惑；而关于所有的光的微粒在真

    空中都有完全相同的速度的假说也似乎很牵强。

    我们可能想象出另一套假定和另一个性质完全不同的理论，它也同

    样圆满，同样能够给出所有需要的解释。我们将很快看到另一个理论的

    兴起，它虽然基于完全不同的概念，但能够解释同样的光学现象。可是

    在提出这个新理论的基本假设之前，我们必须回答一个与这些光学现象

    毫无关系的问题。我们必须回到力学方面来，并且问一问：波是什么

    在伦敦发生的一个谣言很快就会传到爱丁堡，可是没有一个传播谣

    言的人曾经往来于两城之间。这里有两类不同的运动，一种是谣言由伦

    敦到爱丁堡的运动，另一种是传播谣言的这些人的运动。

    风经过麦田，会激起一个波，这个波越过整个麦田传播出去。这里

    我们又必须区别波的运动与每株麦的运动，每株麦只经受微小的摆动。

    我们都看到过，把一个石子丢到水池中，会产生一些波，它以愈来愈大

    的圈子传播出去。波的运动与水的粒子的运动极不相同。粒子只做上下

    运动。我们所观察到的波的运动是一种物质的状态的运动，而不是物质

    本身的运动。浮在波上的一个软木塞清楚地表明了这一点，因为它是模

    仿水的实际运动而上下运动，而并不被波带走。

    为了更好地了解波的机构，我们又要设想一个理想实验。假定一个

    大的空间完全均匀地充满水或空气，或其他的“介质”。在中央处有一个

    球(图36)。在实验之初，没有任何运动。图36

    突然之间，这个球有韵律地“呼吸”起来，它的体积一下膨胀，一下

    收缩，不过它的球形始终保持不变。介质会发生些什么事情呢？我们从

    球开始膨胀的时刻开始考察。直接邻近球的介质的粒子都被向外推出，以至于那一层球壳形的水或空气的密度都增加到超过它的正常值。同

    样，当圆球收缩时，环绕着它的最邻近的那一部分介质的密度便会减小。这些密度的变化会传遍整个介质。构成介质的粒子只做小的振动，但是整个运动却是一个前进波的运动。这里有一个重要的新的情况，便

    是我们第一次考察到一种不是物质的运动，而是借助于物质而传播的能

    的运动。

    以脉动的圆球为例，我们可以引入两个物理概念，这些概念对描写

    波是很重要的。第一个概念是波的传播速度。这是与介质有关的，例如

    水与空气就不同。第二个是波长的概念。若是海上或河上的波，其波长

    便是从一个波谷到第二个波谷的距离，或者从一个波峰到第二个波峰的

    距离。海波的波长比河波的大。至于我们这个由脉动的圆球所引起的

    波，其波长则为在某种确定的时间内表现密度最大或密度最小的两个邻

    近的球壳形介质间的距离。很明显，这种距离不单与介质有关，圆球的

    脉动率当然也会有很大的影响，脉动愈快波长愈短，脉动愈慢波长愈

    长。

    波长的概念在物理学中是用得非常成功的。它肯定是一个力学概

    念。波的想象可以简化为粒子的运动，而根据动力论，粒子是物质的组

    元。因此一般说来，任何一个应用波的概念的理论都可以被看作一种力

    学理论。例如声学现象便主要是根据这个概念来解释的。振动的物体，例如琴弦和人的声带，都是声波的源，而声波在空气中的传播，和前面

    所解释的脉动圆球所造成的波的传播一样。因此我们可以利用波的概

    念，把所有的声学现象都归结为力学现象。

    前面已经着重说过，我们必须区别粒子的运动与波本身的运动，而

    波只是介质的一种状态。这两种运动是极不相同的，但是很明显，在脉

    动的圆球的例子中，两种运动都是沿着同一直线。介质的粒子沿着很短

    的线段而振动，而密度则随着这种运动按周期而增减。波传播的方向与振动的方向是相同的。这类波叫作纵波。但这是唯一的一种波吗？为了

    有利于往后的考察，我们必须理解还可能有另一种不同的波，被称为横

    波。

    让我们改变前面的例子。我们仍用一个圆球，不过把它浸在另一类

    介质中；不用空气或水而用胶状的介质，而且，圆球不再是脉动的，而

    是先朝一个方向转一个小的角度，然后朝相反的方向转回，并一直以相

    同的韵律绕着确定的轴转动。胶状物黏附于圆球，其黏附的部分便被迫

    做模仿圆球的运动。这些部分又使再稍微远一点的部分模仿同一运动。

    这样模仿下去，于是在介质中便产生了波。假如我们还记得介质运动与

    波的运动的区别，便会知道这两种运动不是在同一条直线上。波是朝圆

    球的半径的方向传播的，而介质的每部分的运动则与这个方向垂直，这

    样便构成了横波。图37

    在水面上传播的波是横波。一个浮动的软木塞上下跳动，而波却沿

    水平面传播。在另一方面，声波是最熟悉的纵波的一个例子。

    还有一点：在一种均匀的介质中，由一个脉动的或振动的圆球所产

    生的波是球面波。之所以这样称呼它，是因为在任何一定的时间，围绕

    着源的介质的任何圆球上的任何点的行为都相同。我们试着考察离源很远的介质的一个圆球的一部分(图38)。这一部分离得愈远并且取得愈

    小，愈像一个平面。假如不求太严格，我们可以说，平面的一部分和一

    个半径相当大的圆球的一部分并没有很重要的区别。我们常常把离源很

    远的一个球面波的一部分称为平面波。我们把图上画出影线的部分放得

    离球心愈远，而且把两个半径之间的夹角取得愈小，则愈能体现平面波

    的概念。平面波的概念也和许多别的物理概念一样，不过是一种假定，它只有某种程度的正确性。可是这是一个有用的概念，我们以后还要用

    到它。

    图38光的波动说

    让我们回忆一下前面描写光学现象时突然停下来的原因。我们当时

    的目的是要介绍另一个光的理论，这个理论与微粒说不同，但也想做到

    能解释同样多的情况。因此，我们不得不中断我们的故事而来介绍波的

    概念。现在，我们可以回到原题上来了。

    第一个提出一个全新的光的理论的人是和牛顿同时代的惠更斯

    (Huygens)。在他关于光学的论文中，他写道：

    假如光的通过需要一定的时间——这正是我们现在要考察的——则

    这种在介质中传播的运动是一个接着一个的；因此它是和声一样以球面

    及波的形式传播的；我之所以把它叫作波，是因为它与石子被丢在水上

    所激起的波相似，这些波也是相继地以一个个的圈子传播出去，不过它

    们产生的原因不同，而且只在平面上。

    照惠更斯的说法，光是一种波，它是能的迁移而不是物质的迁移。

    我们已经知道微粒说解释了许多已观察到的情况。光的波动说也能做到

    这一点吗？我们必须把微粒说已经回答了的问题再问一遍，看光的波动

    说是否也能回答得同样好。我们试采用谈话的方式，谈话的一方是牛顿

    学说的信奉者，简称为“牛”，另一方是惠更斯学说的信奉者，简称

    为“惠”。两个人都不许利用这两位大师死后所发展的论证。

    牛：在微粒说中，光的速度具有完全确定的意义，那就是微粒通过真空的空间的速度。在波动说中，它的意义是怎样的呢？

    惠：自然，它就是光波的速度。每个人都知道波是以某种确定的速

    度传播的，光波当然也是这样。

    牛：这看来不像那样简单吧!声波是在空气中传播的，海波是在水

    中传播的。每一种波都必须有一种具体的介质才能在其中传播，但是光

    能透过真空，而声不能。假定一种真空中的波实际上就等于根本没有假

    定任何波。

    惠：是的，这是一个难点，不过对我来说这并不是一个新的困难。

    我的老师已经仔细想过这个问题，而认为唯一的出路便是假定一种假设

    的物质——以太的存在，这是一种充斥于整个宇宙的透明的介质。整个

    宇宙可以说是浸在以太之中。一旦我们有勇气引用这个概念，其余一切

    都是明白而确切的了。

    牛：但是，我反对这样一个假定。首先，它引用了一个新的虚假的

    物质，而物理学中的物质已经太多了。其次，还有一个反对它的理由：

    毫无疑问，你相信我们必须用力学来解释一切，但是怎样来解释以太

    呢？你能回答下面这个简单的问题吗：以太是怎样由基本粒子组成的，而且在其他现象中，它是怎样出现的？

    惠：您的第一个反驳当然有道理。但是引入稍为牵强的没有重量的

    以太以后，我们便可以立刻放弃更为牵强的光的微粒。这里我们只有一

    种“神秘的”物质，而不至于有与光谱中的许多种色相对应的无数的物

    质。你不觉得这实在是一个进步吗？至少，所有的困难都集中在一点上

    了。我们不再需要虚伪地假定各种色的粒子都以相同的速率通过真空

    了。您的第二个反驳也是对的。我们不能够对以太做一个力学的解释。

    但是毫无疑问，对光学的现象以及其他现象的后续研究中也许会显示出以太的结构来。目前我们必须等待新的实验与结论，但是我希望最后我

    们总能够解决以太的机械结构问题。

    牛：我们暂且抛开这个问题，因为目前无法解决它。即使我们撇开

    那些困难，我还想知道你的理论如何去解释那些被微粒说解释得很明白

    而容易理解的现象。例如：光线沿直线在“真空”或空气中通过的情况。

    把一张纸放在灯的前面，结果会在墙上产生一个清晰的、轮廓分明的

    影。假如光的波动说是正确的，清晰的影绝不可能有，因为光会绕过纸

    的边缘，使影变得模糊。您知道，在海洋中，小船不能阻挡波，波会绕

    过它，也不会出现小船的影子。

    惠：这不是一个能使人信服的论证。试看河里的短的波打在大船的

    边上。在船的这一面发生的波在另一面就看不到。如果波十分小而船十

    分大，便会出现一个清晰的影。我们之所以觉得光是沿直线行进的，很

    可能是因为它的波长比普通的障碍物以及实验中所用的孔小得多。如果

    我们能够做出一个足够小的障碍物，很可能会什么影也没有。要制造一

    个能够证明光是否能被弯曲的仪器，我们可能会遇到很大的实验上的困

    难。可是，如果能设计出这样一个实验，就能对光的波动说和微粒说之

    间下一个判决性的结论了。

    牛：光的波动说也许在将来能导致新的论据，但是现在我不知道有

    任何可以确认它的实验资料。除非用实验确实证明光会弯曲，我看不出

    有什么理由不相信微粒说。这个学说，在我看来比波动说简单，因而也

    就更好。

    虽然这个问题还没有被彻底解决，但在这一点上，我们可以中止谈

    话了。

    我们还需要说明光的波动说怎样去解释光的折射和色的多样性。我们知道光的微粒说能够做出这种解释。我们从研究折射开始，但是将首

    先考察一个与光学毫无关系的例子，因为这对考察折射现象很有用处。

    假设在一个空旷的场地上，有两个人拿着一根坚实的棍子在走路，棍子由两人各执一端(图39)。只要开始时他们以相同的速度笔直向前

    走去，只要两人的速度保持一样，那么不论速度的大小如何，棍总是做

    平行的位移，就是说，它的方向不会改变。棍的连续不断的所有位置都

    是相互平行的。但是现在我们设想在一极短的时间之内，也许只有几分

    之一秒，两个人走路的速度不同了。会发生什么情况呢？很明显，在这

    一瞬间，棍子转向了，因此它不再对原有的位置做平行位移了。等到恢

    复为相等的速度时，它的方向已经与原来的方向不同。这在图中已明显

    地表现出来了。方向的变更发生在两个行路者的速度不同的瞬间。

    图39

    这个例子使我们能了解波的折射。一个在以太中行进的平面波碰在玻璃表面上。在图40中，我们可以看到一个具有比较大的波前的波在向

    前行进。波前是一个平面，在任何时刻，这个平面上的以太的各部分行

    为相同。因为光的速度依光所通过的介质而异，因此光在玻璃中与

    在“真空”中的速度不同。在波前进入玻璃的极短时间内，波前的各个部

    分各有不同的速度。很明显，已经到达玻璃的那部分便会以玻璃中的光

    的速度运动，而其余部分则仍以光在以太中的速度运动。由于“浸”入玻

    璃时波前各部分的速度不同，波本身的方向便有了变更。

    由此可见，不仅光的微粒说，而且光的波动说也可以解释折射。假

    如再加上一点儿数学知识做进一步的考察，便会发现光的波动说的解释

    更简单、更好，而且结果与观察完全相符。事实上，如果我们知道一束

    光进入介质时的折射情况，则定量的推理方法可以使我们推出折射介质

    中的光速。直接测量的结果圆满地确认了这些预言，因而也确认了光的

    波动说。

    图40现在还留下一个关于色的问题没有解决。

    必须记得，一个波是用两个数来表示的，即它的速度和波长。光的

    波动说的主要假定是：各自的色有各自的波长。黄色的单色光的波长与

    蓝色光的或紫色光的波长不同。现在，我们已经有用波长来自然地区别

    光色的办法，它可以代替按不同的色来勉强地分为不同的微粒的办法。

    因此牛顿的关于光的色散的实验可以用两种不同的语言来描述，即

    微粒说的语言和波动说的语言。举例如下：

    同一种现象出现了两种不同的理论，为了避免这种混乱的情形，最

    好把两者的优缺点做一番细致的研究，然后决定赞成哪一种。但是听

    过“牛”与“惠”之间的谈话以后，我们知道这不是一件容易的工作。目前

    要做出决定，与其说是根据科学的确证来决定的，还不如说是根据兴趣

    来决定的。在牛顿时代以及其后的百余年间，大多数物理学家都赞成微

    粒说。

    后来在19世纪中叶，历史做出了它自己的判断——它赞成波动说而

    反对微粒说。在“牛”和“惠”的对话中，“牛”说过，这两个理论之间的争

    论原则上是可以用实验决定的。微粒说不允许光弯曲，而要求出现清晰的影。而在另一方面，依照波动说，一个十分小的障碍物不会投下任何

    影子。在杨(Young)和菲涅耳(Fresnel)的研究成果中，这个结果居

    然用实验方法实现了，而且理论上的结论也推出来了。

    我们已经讨论过一个极端简单的实验，这个实验把一个有孔的屏放

    在点光源之前，就会在墙上现出影来。我们把这个实验再简化些，假定

    光源是发射单色光的。为了得到最好的结果，必须用强的光源。我们设

    想屏中的孔做得愈来愈小。假如我们用很强的光源，而把孔做得十分

    小，便会有一种新奇的现象出现，这种现象从微粒说的观点来看是很令

    人费解的。光亮和黑暗之间不再有明显的区分了。光成为一连串的光环

    与暗环，渐渐消失于暗的背景中。环的出现正是光的波动说的最好表

    现。对于光环和暗环相互交替的原因，要在一个稍微不同的实验里才会

    得到清楚的解释。假设我们有一张黑纸，纸上有两个针孔，让光通过这

    两个小孔。如果两孔非常接近又非常小，如果单色光的源非常强，在墙

    上则会现出许多光带与暗带，它们在边上渐渐消失于暗的背景中。解释

    是很简单的。暗带就是从一个针孔射出的波的谷和从另一个针孔射出的

    波的峰相遇之处，因为它们是相互抵消的。光带则为从不同针孔里射出

    来的两个波的两谷或两峰相遇之处，因为它们是相互加强的。若是在前

    一例子中，我们对暗环与光环的解释就要复杂得多，因为那里所用的是

    只有一个孔的屏，但原理是一样的。通过两个孔就现出光带和暗带，通

    过一个孔便现出暗环和光环，这个现象必须牢牢记住，因为以后我们还

    要回过头来讨论这两个不同的图景。这里所描写的实验指出了光的衍

    射，即把小的孔或小的障碍物放在光波行进的路线上时，光的直线传播

    就发生了偏移(参看书末的附图Ⅱ)。

    借助一点儿数学知识，我们还可以大大往前走一步。我们可以求出，要多大或者不如说多小的波长才能产生这样的衍射花样。因此这里

    所描写的实验，可以使我们能够测量作为光源的单色光的波长。要知道

    这个数是如何小，我们可以指出太阳光谱中可见光的两个极端的波长，也就是红光与紫光的波长。

    红光的波长是0.00008厘米，紫光的波长是0.00004厘米。

    我们不必惊异于这些数字这样小。我们之所以能在自然界中观察到

    清晰的影的现象，也就是光的直线传播的现象，是因为通常所有的孔和

    障碍物比光的波长大得多。只有用极小的障碍物与孔，才能显示光的波

    动的性质。

    但是，对光的理论的探索还远远没有结束。19世纪的判决不是终审

    判决。在现代物理学家看来，要在微粒与波之间下判断的整个问题仍然

    是存在的，不过现在来判断这个问题要采取一种更深刻、更复杂的形

    式。在没有看到波动说胜利的可疑点以前，我们暂且承认微粒说的失

    败。光波是纵波还是横波

    我们在前面考察过的一切光学现象都是支持波动说的。光会弯曲而

    绕过小的障碍物以及对折射的解释就是支持它的有力论证。如果以机械

    观作为指导思想，那么还需要回答一个问题，就是怎样来决定以太的力

    学性质。要解答这个问题，必须先知道以太中的光波是纵波还是横波。

    换句话说，光是像声一样传播的吗？光波是由于介质密度的变化，而使

    得粒子向波传播的方向振动的吗？还是以太是一种弹性的胶质物那样的

    介质因而只能产生横波，并且它的粒子的运动方向跟波本身传播的方向

    是垂直的呢？

    在解决这个问题之前，我们试着决定哪一个答案比较好些。很明

    显，若光波是纵波，那真是再好不过了。因为在这个情况下来设计一种

    力学的以太便简单得多了。以太的图景大概跟解释声波传播的气体的力

    学图景相似，要构成能传播横波的以太的图景就困难多了。要想象一种

    胶质物作为一种由粒子组成的介质，由它来传播横波，这不是一件容易

    的工作。惠更斯相信以太会是“气状”的而不是“胶状”的。但是，自然界

    毫不理会我们给它的限制。在这件事情上，自然界会宽容物理学家力图

    用机械观去了解所有的现象吗？要回答这个问题，我们必须讨论几个新

    的实验。

    我们只详细讨论许多实验中的一个，这个实验能够给我们提供一个

    答案。假设我们有电气石晶体的一片薄片，它是用一种特殊的方式切出来的，切的方法我们不需要在这里描述。晶体的薄片必须薄得使我们可

    以通过它看见一个光源。现在我们取这样两片薄片，把它们都放在眼睛

    与光之间。我们会看到什么呢？假如两片都足够薄，便又可以看到一个

    光点。这样的机会很多，实验符合了我们的期望。我们不必担心这一实

    验报告可能是出于偶然。让我们假定我们是通过两个晶体片看见这个光

    点的，现在我们慢慢转动一个晶体片来改变它的位置。但转动时所绕的

    轴的位置必须是固定不变的，这样上面这句话才有意义。我们以入射光

    所定出的线为轴。也就是说，我们移动了一个晶体片上所有的点的位

    置，只有轴上的点的位置不变。一件奇怪的事发生了!光愈来愈弱，最

    后完全消失。假如继续转动，它又会再出现，而等到回到最初的位置

    时，又重新恢复最初的景象。图41

    我们无须详细描述这个实验及其他类似的实验就可以提出下面的问

    题：如果光波是纵波，能够解释这些现象吗？在纵波的情况下，以太的

    粒子必须和光束一样沿轴运动。如果晶体转动，沿轴线的点并不发生变

    化。轴上的点没有运动，只有在其附近发生很小的位移。因此对于纵波

    来说，绝不可能发生光消失和显现的明显变化。这个现象以及诸如此类

    的现象，只有假定光波不是纵波而是横波才能解释!换句话说，我们必

    须假定“胶状”的以太。

    这是很令人遗憾的，我们如果企图用力学来描述以太，那么必须做

    面临极大困难的准备。以太与机械观

    为了理解作为传播光的介质的以太的力学性质，人们曾经做过各种

    各样的努力，如果都要讨论它，就会写成一本很长的历史书。我们知

    道，力学上的解释是指物质是由粒子组成的，沿着它们之间的连线上有

    力作用着，而这个力只与距离有关。为了把以太说成一种“胶状”的机械

    的物质，物理学家必须做一些很牵强、不合理的假定。这里我们不准备

    把这些假定引出来，因为它们早已过时了，而且差不多已经被人遗忘

    了。但其结果却是有重要意义的。所有这些假定是那样的不合理，还要

    引入那么多，而且它们相互之间又毫无关联，这些情况都足以动摇我们

    对机械观的信念。

    把以太说成胶状的物质已经很困难了，但是还有其他更简单的反对

    它的理由。假如要用力学方法解释光学现象，必须假定以太到处存在。

    假如光只能在介质中通过，那么便不能有真空的空间。

    但是我们通过力学知道，星际空间对物体的运动并没有阻力。例如

    行星在“以太胶质物”中运动便没有受到任何阻力，但物质介质必然会阻

    止物体的运动。如果以太不阻碍物质的运动，那么说明以太粒子和物质

    粒子之间没有任何相互作用。光通过以太，也通过玻璃与水，但在后面

    两种物质里，它的速度却变了。怎样能够用力学方法解释这些论据呢？

    很明显，只能假定以太粒子与物质粒子之间有相互作用。我们刚才已经

    知道，对自由运动的物体来说，必须假定这种相互作用不存在。换句话说，在光学现象中，以太与物质之间有相互作用；而在力学现象中却没

    有!这显然是一个很自相矛盾的结论。

    看来，摆脱这些困难只有一个出路。在20世纪以前的整个科学发展

    过程中，为了根据机械观去理解自然现象，必须引入许多虚假的物质，例如引入电流体、磁流体、光微粒、以太等。其结果只是把所有的困难

    集中在主要的几点上，光学现象中的以太即为一例。这里所有想简单地

    构成以太学说的企图都没有成功，再加上别的反对意见，于是我们觉

    得，错误的根源似乎在根本假设上，即我们不应该认为可以用机械观解

    释一切自然现象。科学未能彻底实现机械观的预言，现在已经没有一个

    物理学家再相信它有实现的可能了。

    在前面对主要的物理观念所做的简单回顾中，我们遇到了一些没有

    被解决的问题，面临着一些困难与阻碍，使我们不敢再提出一种对描述

    外在世界的一切现象都能完全一致的观点。在经典力学中，有一个没有

    人注意到的线索——引力质量与惯性质量相等。电流体和磁流体还有人

    为的不真实的性质存在。对于电流与磁针之间的相互作用也是一个尚未

    被解决的困难。我们可以回忆一下，这种力不在连接导线与磁极的直线

    上作用，而且它跟运动着的带电体的速度有关。表述它的方向与数值的

    定律极端复杂。最后，还有关于以太的巨大困难。

    现代物理学已经解决了所有这些问题。但是在解决这些问题的斗争

    中，又产生了新的、更深奥的问题。我们的知识比19世纪的物理学家的

    更广更深了，但是我们的疑惑与困难也比他们更广更深了。结语

    电流体的旧理论以及光的微粒说和波动说都是企图进一步应用机械

    观的结果。但是在电学和光学领域内，这种应用遇到了极大的困难。

    运动着的带电体对磁针的作用力不仅与距离有关，而且与带电体的

    速度有关。这种力对磁针既不排斥也不吸引，而是垂直地作用在连接针

    与带电体的直线上的。

    在光学中，我们赞成光的波动说，而反对光的微粒说。波在由彼此

    间有机械力相互作用着的粒子所组成的介质中传播，这显然是一种力学

    上的概念。但是，传播光的是一种什么介质，它的力学性质又是怎样的

    呢？在这个问题没有被解答以前，要把光学现象归结为力学现象是没有

    希望的。但是解决这个问题的困难大得很，以致我们不得不放弃它，因

    而也不得不放弃机械观。3

    场、相对论场的图示法

    在19世纪中后期，物理学中引入了新的、革命性的观念，它们打开

    了一条通往新的哲学观点的道路。这个新的观点与旧的机械观不同。法

    拉第(Faraday)、麦克斯韦(Maxwell)与赫兹(Hertz)的成就使现代

    物理学得以发展，使新概念得以诞生，新的“实在”的图景形成了。

    现在我们来描写这些新概念如何在科学上引起突然的变化，并阐明

    它们怎样逐渐地得到澄清和加强。我们将用逻辑推理的程序来叙述它的

    发展，不一定完全依照年代的先后来叙述。

    这些新概念的起源与解释电的现象有关，但是为简便起见，我们不

    如首先通过力学理论介绍它们。我们知道两个粒子会相互吸引，而它们

    的吸引力跟距离的平方成反比。我们可以把这一情况用一种新的方法来

    表示，但这样做有什么好处一时还很难看出来。图42中的小圆代表一个

    吸引体，譬如太阳就是一个吸引体。实际上你应该把这个图想象为空间

    中的一个模型，而不是一个平面图。因此图中的小圆实际上代表在空间

    中的一个圆球，例如太阳。把一个所谓检验体的物体放在太阳的附近，它就会被太阳吸引，而引力发生在连接这两个物体的直线上。因此图上

    的线表示太阳对于检验体在各个位置上的引力。每根线的箭头表示这个

    力是朝着太阳的，就是说，这种力是引力。这些线都是引力场的力线。

    目前看来，这不过是一个名词，没有什么理由让我们十分重视它。我们

    的图中有一个特色，以后将加以发挥。力线是在空间没有任何物质的地方形成的，目前，所有的力线(或简单地说成场)只表示一个检验体放

    在构成场的圆球附近时会有何种行为。

    图42

    在我们的空间模型中，力线总是跟圆球的表面垂直。因为它们都是

    由一点发散出去的，因此离圆球最近的地方最密，愈远愈疏。如果我们

    把离球的距离增加到原来的2倍或3倍，则在我们的立体模型中(并不是在我们的图上)力线的密度会减小为原来的14或19。因此力线有两个

    作用，一方面它们表示作用在一个圆球(例如太阳)附近的物体上的力

    的方向，另一方面空间力线的密度又表示力如何随距离的大小而变化。

    场的图，若正确地解释，它表示引力的方向及其与距离的关系。从

    这样一个图中可以看出引力定律，正如从描写引力作用的文字中，或确

    切而简略的数学语言中可以看出引力定律一样。这个场的图示法，虽然

    我们这样称呼它，并且觉得它清楚而有趣，但是我们没有什么理由相信

    它会表示出任何真实的意义。在引力的例子中，很难看出它有什么用

    处。这些线不过是图形而已，有人想象确有许多真实的力的作用沿着这

    些线通过，这样想象自然可以，但是你必须同时想象沿着这些线，作用

    力的传递速率是无限大的。根据牛顿定律，两物体间的力只与距离有

    关，与时间毫无关系。力从物体传到另一个物体竟不需要时间!但是，任何理智的人都是不会相信速率无限大的运动的，因此要使这个图起到

    比模型更大的作用是不会有什么结果的。

    我们现在并不准备讨论引力问题，我们介绍这些，只不过为了对电

    学理论中相似的推理方法做一个简化的解释。

    现在来讨论一个实验，这个实验用机械观来解释会有很大的困难。

    假设电流在一个环形导体中通过，在这个环的中央放上一个磁针。在电

    流通过的瞬间，产生了一种新的力，这种力作用于磁极上，并且与连接

    导线和磁极的直线垂直。如果这个力是由一个做圆运动的带电体产生

    的，则罗兰的实验告诉我们，这个力与带电体的速度有关。这些实验情

    况与任何力都只在两个粒子的连线上作用而且只与距离有关这一哲学观

    点相矛盾。

    要精确地表示电流作用于磁极上的力是很复杂的，事实上这比表示引力要复杂得多，可是我们也能把这种作用跟引力的作用同样清楚地想

    象出来。我们的问题是：电流是用怎样一种力作用于放在它附近的磁极

    上的呢？要用文字来描述这种力是相当困难的，即使用数学公式来表示

    也一定是复杂而笨拙的。最好是把我们所知道的所有作用力用带有力线

    的图表示出来，或者更确切地说，用带有力线的空间模型表示出来。但

    是也有一些困难，因为一个磁极总是跟另一个磁极同时存在，它们共同

    构成了一个偶极子。不过我们往往把磁针想象得很长，使得只需计及作

    用于与电流比较靠近的这个磁极上的力。另一极因为离得太远，作用于

    它的力可以被忽略。为了避免混淆，我们假定靠近导线的磁极是正的。

    作用于正磁极上的力的性质可以从图43中看出来。

    绘在导线旁边的箭头表示电流从较高电势流向较低电势的方向。所

    有其余的线都表示属于这个电流的力线，这些力线都处在某一平面上。

    假如图画得恰当，那么这些力线既能表示出电流在给定的正磁极上的作

    用力的矢量的方向，同时还能表示矢量的长度。我们知道力是一个矢

    量，要决定它必须知道它的方向和长度。我们主要是讨论作用在磁极上

    的力的方向问题，这个问题是：怎样从图中找出空间中任何一点的力的

    方向呢？图43

    在这样一个模型中，要看出一个力的方向，不会像前面的例子那样

    简单，因为在前例中，力线是直线。为了方便起见，图44中只画了一根

    力线。图中指出，力的矢量在力线的切线上，力的矢量的箭头和力线上

    的箭头所指的方向相同。这样，箭头的方向就是在这一点上作用于磁极

    上的力的方向，一个好的图，或更确切地说，一个好的模型，也能够把

    任何一点上力的矢量长度表示出来。这种矢量在力线稠密的地方，也就

    是靠近导线的地方较长，而在力线较疏，亦即离导线较远的地方较短。图44

    用这种方法，力线或场就使我们能够决定在空间中任何一点作用于

    磁极的力。以目前来说，这是我们煞费苦心地绘出一个场的唯一论据

    了。知道了场表示什么，我们就会以更浓厚的兴趣来考察相应于电流的

    力线。这些线都是围绕着导线的一些圆圈，它们所处的平面跟导线所处

    的平面相垂直。从图上看到力的特征以后，我们再一次得出这样的结

    论：力作用的方向垂直于连接导线与磁极间的任何直线，因为圆的切线

    总是与半径垂直。我们对于作用力的全部知识，都可以被总结在场的构

    图中。我们把场的概念插入电流与磁极的概念之间，以便用简单的方式

    把这些作用力表示出来。

    任何一个电流都有一个磁场。换句话说，在有电流通过的导线附近

    的磁极上总是受到一种力的作用。我们不妨顺便提一提，电流的这种性

    质使我们能够制造出一种灵敏的仪器来探测是否有电流存在。我们一旦

    知道如何从电流的场的模型来看磁力的特征，就能绘出通电导线周围的场来表示空间任何点上磁力的作用。作为第一个例子，我们来研究一下

    所谓的螺线管。它实际上就是一卷金属线，如图45所示。我们的目的就

    是要用实验来掌握关于与通过螺线管中的电流相关联的磁场的知识，并

    把知识结合在场的构图中。图45已经把结果显示出来了，弯曲的力线是

    闭合的，它们围绕着螺线管，表示电流的磁场。

    磁棒的磁场，也可以用表示电流的磁场的方法来表示。如图46所

    示，力线是从正极到负极的。力的矢量总处在力线的切线方向上，而且

    近极处最大，因为在这些地方力线最密。力的矢量表示磁棒对正磁极的

    作用。在这种情况中，场的“源”是磁棒而不是电流。

    图45图46

    应该仔细地比较一下前面的两张图。图45中的是通过螺线管的电流

    的磁场，图46中的是磁棒的场。我们且不管是螺线管还是磁棒，而只注

    意它们外面的两个场。我们立刻会注意到它们的性质是一模一样的，两

    者的力线都是从螺线管或磁棒的一端伸到另一端。

    场的图示法结出了它的第一个果实。如果我们不画出场作为启发，就很难看出通过螺线管的电流和磁棒之间有什么相似之处。

    现在，场的概念将经受更严格的考验。我们很快将知道它不仅仅是

    一种关于作用力的新的图示法。我们可以这样想：暂且假设场唯一地表

    示由它的源所规定的一切作用。这只是一个猜测。这句话的意思是，假

    如螺线管的场与磁棒的相同，则它们所有的作用也一定相同。也就是

    说，两个通电的螺线管的行为会跟两根磁棒的一样；它们相互吸引或排

    斥，而引力或斥力与距离有关，这完全和两根磁棒所发生的情况一样。这句话还表示一个螺线管和一根磁棒之间也会像两根磁棒一样吸引或排

    斥。简单地说，通电的螺线管所有的作用和磁棒的相应作用是一样的，因为只有场能起到这些作用，而场在这两种情况里具有相同的性质。实

    验完全确认了我们的猜测。

    如果没有场的概念，要想找出这些论据将是多么困难呀!要把作用

    于通电的金属线与磁极间的力表示出来是非常复杂的。假如是两个螺线

    管，便须研究两个电流相互作用的力。但是一旦利用场的概念，我们发

    现螺线管的场和磁棒的场是相似的，就可以立刻认识所有这些作用的性

    质了。

    我们现在有理由来更加重视场了。对描述现象来说，似乎只有场的

    性质最为重要。场源不同是无关重要的。场的概念的重要性在于它能够

    引导我们发现新的实验论据。

    场已经被证明是一个很有用处的概念。它起初只是被当作在源与磁

    针间的某种东西，用来描述两者之间的作用力。它被想象为电流的“经

    纪人”，电流的一切作用都靠它来完成。但是现在经纪人还兼任翻译

    员，它把定律翻译成简单、明确、易懂的语言。

    场的描述的最大功绩体现在用它来间接地考察电流、磁棒、带电体

    的所有作用可能是很方便的，亦即可借助于场做翻译员。我们可以认为

    场总是跟电流连在一起的某种东西。即使没有一个磁极去检验它是否存

    在，它也总是在那里。我们还要把这个新的线索加以引申。

    带电导体的场可以用描述引力场、电流的场或磁棒的场的同样方法

    来引述。我们再举一个最简单的例子。要做出一个带正电的圆球的场，我们必须提出这样一个问题：当一个小的带正电的检验体放在作为场源

    的带电圆球附近，它会受到什么样的力的作用？我们用一个带正电的检验体而不用一个负的，这只是一个惯例，它只是决定力线的箭头应该朝

    哪一个方向画(图47)。因为库仑定律与牛顿定律相似，所以这个模型

    跟前面引力场的模型(图42)也相似。两个模型的唯一不同之处便是箭

    头的方向相反。两个物体的正电荷相互排斥，而两个物体的质量相互吸

    引。可是一个带负电的圆球的场会跟引力场相同(图48)，因为小的带

    正电的检验体会受场源的吸引。

    假使电极与磁极都处于静止状态，那么它们之间不会有任何相互作

    用：既没有吸引，也没有排斥。若用场的语言来表达这个情况，我们可

    以说：一个静电的场对一个静磁的场没有影响，反过来说也一样。“静

    场”是指不依时间而变化的场。假如没有外力的干扰，磁棒与带电体可

    以放在一处而永不发生作用。静电场、静磁场和引力场的性质各不相

    同。它们不会互相混合；不论有无其他的场存在，它们都各自保持自己

    的个性。图47

    图48

    现在我们回到带电圆球上来，它原来一直处于静止状态，现在假定

    它由于某种外力的作用开始运动。带电圆球运动了。这句话用场的语言

    来说便是：带电体的场随时间而变化。但是根据罗兰的实验，我们知道

    带电的圆球的运动相当于电流。而每一电流必有一磁场相伴存在。因

    此，我们论证的程序便是：因此我们断定：由带电体的运动而产生的一个电场的变化，永远

    由一个磁场相伴。

    我们的结论是根据奥斯特的实验得出来的，但是这个结论所包含的

    意义还不止这些。我们认识到随时间而变化的一个电场联合着一个磁

    场，这对于我们做进一步的论证非常重 ......