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第11章   20世纪的物理学

    在20 世纪初物理学界发生了什么呢?它在很多方面都似乎为科学的革命性变革提供了直接的案例。现在被称为“经典物理学”的认识世界的方式被相对论和量子力学等新理论取代。这些新理论不仅提供了理解自然的新数学方法,也提供了进行和解释实验的新方法。它们开创了全新的哲学视角。狭义相对论和广义相对论要求对空间与时间之间的关系进行全盘反思。量子力学要求系统地重新考虑因果关系,并重新评估我们理解物质的基本结构的方式。非常肯定的是,到20 世纪中叶,物理学家已经开始探寻物质的终极本质,而在不到一个世纪以前,这个问题即便不是完全非法的,也是不可想象的。以太理论曾是19 世纪后期物理学关注的焦点,现在已被废弃和埋葬。然而,正如我们将在本章中看到的,寻找19 世纪后期的物理学家与其后继者的关注点之间的连续性,与发现他们之间的不连续性一样容易(见第4 章)。

同样明显的是,在过去的19 世纪, 物理学界发生了巨大的体制性变革(见第14 章)。这些体制性的变革与物理学家理解周围世界的新方法紧密相关,以至于很难将两者完全分开考虑。如果说物理学(像其他科学一样)的专业化在19 世纪开始的话,那么这一过程在20 世纪就是加速了。与此同时,到20 世纪中期,从19 世纪开始的专业化进程已经让人们难以将物理学视为自成体系的学科了。理论物理学和实验物理学之间的差异变得越来越大,更不用说相对论、量子力学或粒子物理学等分支学科之间的差异。这对物理学的实践和内容产生了重大的影响。物理学及其分支学科正变得越来越深奥,以至于在同一研究机构相邻实验室工作的物理学家甚至可能无法完全理解对方在做什么。物理学也成为越来越依赖大量资源的科学。在19 世纪末,甚至直到20 世纪30 年代,实验都可以在桌面上完成;而到20 世纪五六十年代,实验使用的设备规模已经完全改变了,物理学家谈及设备的尺寸时,是以千米而不是米作为计量单位的。

本章将从回顾19 世纪90 年代开始,当时约瑟夫·约翰·汤姆逊(Josepf John Thomson)进行了后来被誉为“发现电子”的实验,这与那些发现X 射线和放射性的实验一起,给物理学家提出了一系列全新的问题。同时,实验也给物理学家提供了解决这些问题的方法。结果是,人们对原子结构有了新的认识。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的狭义相对论及几年后广义相对论的发表,为物理学界重新思考宇宙结构提供了另外一套有力的工具和概念。然而,我们将再次看到,人们要经过一段时间才能完全理解爱因斯坦见解的重要性。与事后诸葛亮的我们不同,和爱因斯坦同时代的人并不能清楚地认识到新理论的革命性意义。尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)关于原子结构的量子理论,以及在原子能级上能量以不连续(量子)的方式进行交换的观点也是重大进展。然而,正是对这个模型(至少是对玻尔这一部分)的不满导致了20 世纪20 年代量子力学的发展。第二次世界大战后,人们的注意力转向对物质结构的深入探索,发现了更多的基本粒子。发现和追踪这些新的粒子需要大量资源,粒子物理学因此成为终极大科学。

 

原子内部

在19 世纪的大部分时间里,原子理论——物质是由分离的基本原子构成的观点——在很大程度上只是一种理论。许多物理学家都认为,原子多是一个有用的假设,而不是现实存在的物体。它们为化学家提供了平衡化学反应的便宜之法,但仅此而已(见第3 章)。许多人认为,对物质的基本结构的探索——如探讨它是由诸如原子这样的独立单元组成的,还是可以连续无限分割的——已经超出了实验的范围。关于物质结构的理论终可能只是理论而已。然而,从19 世纪50 年代后期开始,德国的尤利乌斯·普吕克(Julius Plücker)、英国的威廉·罗伯特·格罗夫和约翰·彼得·加西厄特(John Peter Gassiot)等一些研究人员发现,他们的放电管实验为研究物质的终极结构提供了新的洞见,或者至少是新的方法。在这些实验中,电流通过密封管中稀薄的气体(有点像现代霓虹灯管),发出奇异的光。在19 世纪70 年代,实验物理学家威廉·克鲁克斯(William Crookes)称之为阴极射线,这些射线提供了一种理解物质基本构成的新方法(图11.1)。到了19 世纪80 年代,阴极射线实验是物理学家实验研究的部分。物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊曾满含热情地指导着剑桥卡文迪许实验室的阴极射线实验(图11.2)。从19 世纪80 年代中期开始,汤姆逊就开始进行气体放电实验,以此寻找研究物质、电场和以太之间关系的方法。他还想要为他的物质模型找到实证证据,证明物质是由交错的以太涡旋组成的。汤姆逊在1897年宣布,他进行的阴极射线实验表明,这些射线是由带负电的微小电子组成的。他通过使阴极射线在磁场及之后的电场中偏转,测算出射线的电荷与质量的比,并由此进一步得出,每个粒子的质量都是氢原子的千分之一,而氢原子在当时通常被认为是小的物质单位。他还提出,他发现的粒子或微粒是物质原子的组成部分。像约瑟夫·拉莫尔(Joseph Larmor)和乔治·菲茨杰拉德这样的以太理论家认为,汤姆逊发现的微粒是“电子”。这个词是拉莫尔几年前创造的, 用以描述以太网中的纯电能。他们提出这一观点的原因之一是,他们不满意汤姆逊的说法,即物质的终成分是微粒,而不是原子。

在汤姆逊发现电子的前一年, 德国物理学家威廉· 伦琴(Wilhelm Röntgen)就已声称发现了一种全新的射线,随后它被命名为X 射线。与汤姆逊类似,他在用放电管进行阴极射线的实验中发现了这一现象。事实上,正是由于伦琴的工作,汤姆逊开始了自己的阴极射线实验。新的X 射线似乎具有一些惊人的属性。它们能穿过固体,就像是穿过透明玻璃片一样。伦琴本人很快发现了X 射线可用于拍摄人体内部照片,并发表了一张手骨骼结构的照片。研究人员很快通过实验了解到新射线的性质。它们可以像光束一样被反射和折射,但起初它似乎不能衍射。其中一个实验者亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)很快发现了另一种似乎从铀盐中发出的新射线。索邦大学的学生玛丽·居里(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔(Pierre)受到贝克勒尔研究的启发,也转而研究这些新的射线。1898 年,他们宣布发现了两种新的“放射性”元素,钋和镭,它们大量地放出新射线。居里夫妇认为,放射性的来源似乎在他们新发现的元素的原子内部。

与X 射线的情况类似,实验者开始研究这种神秘的射线的特性。贝克勒尔成功地让它在磁场中偏转,证明了它带有负电荷。汤姆逊成功测量出电荷与质量的比,结果与阴极射线接近。汤姆逊在卡文迪许实验室的学生,新西兰人欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)很快发现,射线其实不止一种。不同厚度的铝箔可以阻断不同的射线。α 射线相对容易被阻断;β 射线则更持久。法国人保罗·维拉尔(Paul Villard)在1900 年提出,一种更加具有穿透力的射线——γ 射线——似乎可穿透一切物体。到20 世纪初,卢瑟福和他的同事弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)认为放射性似乎是从原子的内部产生的,更有争议的是,在这个过程中元素的种类发生了变化。放射性似乎是来源于物质内部的能量。随后, 放射性是太阳能的根本来源这一观点也被提出。β 射线已确定是由汤姆逊发现的电子构成的电子束。卢瑟福在1905 年提出,α 射线是氦的阳离子流。当时在曼彻斯特的卢瑟福用闪烁屏来计算各种射线中的微粒个数,并在不同的磁场和电场中测量它们的偏转。研究新的粒子似乎可以揭开原子内部的秘密。

1911 年,卢瑟福根据自己的实验,公布了他的原子模型。他通过观察磷光屏上的闪烁,来研究α 粒子通过金属箔的散射方式。这是非常困难且细致的实验,需要长时间在暗房中透过显微镜观察微弱的闪光。这些实验还有赖于取得稀缺的放射源。实验所用的镭非常珍贵,只有得到稳定供应的科学家才能开展这样的研究。在卢瑟福的实验过程中,似乎有些α 粒子在金属箔上反弹了回去。卢瑟福确信,每一次偏转都是α 粒子和原子之间相互作用的结果。α 粒子从箔片反弹,必定是由于遇到了大且重的带正电的东西。他的新型原子结构模型就是以这个实验作为依据的。他认为原子是由一个相对较大的、带正电的核(原子核),以及围绕原子核运动的许多较小的带负电的电子构成的。电子围绕着原子核就像行星围绕着太阳运转一样。模型虽然看起来很简单,但并不是没有问题。主要问题是,卢瑟福的模型似乎不稳定。根据物理学家的理解,电子绕着中心核运动时,应该辐射能量。但是,随着能量的辐射,电子应该会失去动力,并被迅速卷入中心的原子核。也就是说,根据卢瑟福的模型,原子不会存在——至少不会存在很长时间。

年轻的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了解决这个问题的方法。玻尔曾先后在卡文迪许实验室和曼彻斯特大学分别与汤姆逊和卢瑟福一起工作。1913 年,玻尔提出了与卢瑟福非常相似的原子结构模型,但有一个重要的区别。玻尔提出,围绕中心核的电子只能以特定的量向外释放能量,且每一种量对应着独特的频率(图11.3)。他用这种方法解决了原子稳定性的问题。围绕着原子核的电子不会持续辐射,它们只以特定频率进行辐射。玻尔当时接受了德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)的观点,即以能量子的整数倍(不连续的量值)释放能量。能量子与普朗克常数(h)相关。阿尔伯特·爱因斯坦已经利用普朗克常数论证光可以被视为粒子,每种光子的能量等于光的振动频率乘以普朗克常数。玻尔提出,原子可以以多种稳定状态存在,每种稳定状态的能量都是普朗克常数的倍数。当它们从一个状态转变到另一个状态时,才释放出能量,而它们在这个过程中释放的能量大小是普朗克常数和频率变化量的乘积。

玻尔原子结构模型的一个重要特点是它为不同元素特定的发射光谱和吸收光谱提供了解释。人们早就知道,不同元素具有不同的光谱,这些不同的元素会在光谱的特定部分显示出特别的暗线。物理学家因此可以借助光谱来鉴定构成不同物质的元素:通过将样品的光谱与已知元素的光谱进行比较,他们可以利用谱线来确认未知的元素。根据玻尔的模型,因为组成元素的单个原子仅在特定的频率上振动,从而对应特定的谱线。同时,玻尔的模型解释了巴尔末的公式——瑞士数学家约翰·巴尔末(Johann Balmer)根据实验得出的公式,反映出谱线的位置所遵循的规律。玻尔成功地证明了他的方程式与巴尔末的公式相一致。玻尔还证明了表达氢原子谱线关系的里德伯常量(Rydberg Constant)本身就是普朗克常数的导数,并成功地将普朗克开创的不连续辐射理论与卢瑟福原子结构模型联系起来。只有一个问题——它违背了当时的大多数物理学规律。卡文迪许实验室前任主任瑞利勋爵等英国物理学家,不愿意引入神秘的量子概念。德国理论物理学家认可普朗克的能量观点,但不愿意接受原子是真实实体的观点,更别提它的物理结构能够被探索(Pais,1991)。