物理学的进化-第20章
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用观察来检验广义相对论的推论是一个很复杂的问题，而且还没有得到确切的解决办法。因为我们只着重于主要的观念，所以不拟再从这方面作深入的讨论，但可以说，到目前为止，实验的判决似乎已确认广义相对论所推出的结论。
场与实物
我们已经知道了机械观崩溃的经过和原因。利用不能再变的粒子之间有简单的力在作用的假说来解释一切现象是不可能的。我们在电磁现象的范围内最先摆脱机械观和引入场的概念的企图，看来是十分成功的。电磁场的结构定律建立起来了，它是用空间和时间把毗邻的事件联系起来的定律。这些定律符合狭义相对论的框架，因为它们对于洛伦兹转换是不变的。后来广义相对论又建立了引力定律，它们又是一种描述物质粒子之间的引力场的结构定律。像广义相对论的引力定律一样，把麦克斯韦方程推广到能应用于任何坐标系中也是容易的。
我们有两种实在：实物和场。毫无疑问，我们现在不能像19世纪初期的物理学家那样，设想把整个物理学建筑在实物的概念之上。我们暂且把实物和场的两个概念都接受下来。我们能够把实物和场认为是两种不同的实在吗？试就一小粒实物来说，我们想象这个微粒有确定的表面，在表面处实物便不再存在，而它的引力场便出现了。在我们想象的图景中，可以想象场定律的区域和有实物存在的区域是突然分开的。但是区别实物与场的物理判据是什么呢？在我们熟悉相对论之前，我们可以这样回答这个问题：实物有质量而场却没有质量。场代表能，实物代表质量。但是我们在熟悉了更多的知识以后，已经知道这样的答案是不充分的。根据相对论，我们知道物质蕴藏着大量的能，而能又代表物质。我们不能用这个方式定性地来区别实物与场，因为实物与场之间的区别不是定性上的区别。最大部分的能集中在实物之中，但是围绕微粒的场也代表能，不过数量特别微小而已。因此我们可以说：实物便是能量密度特别大的地方，场便是能量密度小的地方。但如果是这样的话，那么实物和场之间的区别，与其说是定性的问题，倒不如说是定量的问题。把实物和场看作是彼此完全不同性质的两种东西是毫无意义的，我们不能想象有一个明确的界面把场和实物截然分开。
带电体与它的场之间也发生同样的困难，似乎不能有一个明显的定性的判据来分别实物和场或带电体和场。
我们的结构定律，即麦克斯韦定律和引力定律，在能量密度非常大的地方就失效了，或者说，在场源存在的地方，即带电体或实物存在的地方，便失效了。但是我们能否稍微改变我们的方程，使它能到处有效，甚至在能量密度极大的地方也有效呢？
我们不能把物理学只建立在纯粹是实物的概念基础上。但是在认识了质能相当性以后，实物和场的截然划分就有些牵强和不明确了。我们是否能够放弃纯实物的概念而建立起纯粹是场的物理学呢？实物作为被我们的感觉器官感受的对象，事实上只不过是大量的能集中在比较小的空间而已。我们可以把实物看作是空间中场特别强的一些区域，用这种方法就可以建立起一种新的哲学背景。它的最终目的就是要用随时随地都能有效的结构定律去解释自然界中的一切现象。按照这种观点，抛掷出的一个石子就是变化着的场，在变化着的场中强度最大的场的态以石子的速度穿过空间。在我们这种新的物理学中，不容许有场和实物两种实在，因而场是惟一的实在。这个新观点是由于场物理学的巨大成就，是由于以结构定律的形式来表示电的、磁的、引力的定律的成功，最后是由于质和能的相当而得到启发的。我们最后的问题便是改变场的定律，使它在能量密度极大的地方仍不致失效。
但是至今我们还未曾有效而可靠地实现这个预言。究竟能否实现，还有待于“未来”作出决定。目前我们在所有实际的理论解释中还得假定两种实在：场和实物。
根本性的问题仍然摆在我们眼前。我们知道所有的实物只是由少数几种粒子组成的。各式各样的实物是怎样由这些基本粒子组成的呢？这些基本粒子与场是怎样相互作用的呢？为了寻求这些问题的答案，又把新的量子论的观念引用到物理学里来了。
结语
在物理学中出现了一个新的概念，这是自牛顿时代以来最重要的发明：场。用来描写物理现象最重要的不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场，这需要很大的科学想象力才能理解。场的概念已被证明是很成功的，由这个概念便产生了描写电磁场的结构和支配电和光现象的麦克斯韦方程。
相对论是从场的问题上兴起的。由于旧理论的矛盾与不一致，迫使我们把新的性质归之于自然界的一切现象的舞台——时…空连续区。
相对论的发展经过两个阶段。第一阶段产生了所谓狭义相对论，这种理论只能应用于惯性坐标系，就是只能应用于牛顿所建立的惯性定律在那里有效的系统里。狭义相对论建立在两个基本假设上：在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中物理定律都是相同的；光速永远具有相同的值。从这两个被实验所充分确认的假设中推出了运动的杆与钟具有随速度而改变其长度和韵律的性质。相对论改变了力学定律。如果运动微粒的速度接近光速，旧的定律就失效了。相对论所重新提出的关于运动物体的新定律由实验完满地确认了。相对论（狭义）的另一个结论便是质量和能量之间的关系。质量是能，而能也具有质量。相对论把质量守恒和能量守恒两个定律结合成为一个质…能守恒定律。
广义相对论对时…空连续区作了更深入的分析。这个理论的有效性不再限于惯性坐标系。这个理论分析了引力问题，并且建立了引力场新的结构定律。它迫使我们去分析几何学对描写客观世界的作用。它把引力质量和惯性质量的相等看成是必不可少的，而不像在经典力学中那样把它看成是无关紧要的。广义相对论的实验结果只与经典力学的略有不同。凡是能够进行比较的地方，它都经得起实验的考验。而这个理论的好处在于它内在的一致性和基本假设的简单性。
相对论加强了场的概念在物理学中的重要性，但是我们还不能建立一种纯粹是场的物理学。直到目前为止，我们仍然需要认定场与实物两者并存。
《物理学的进化》
艾。爱因斯坦 利。英费尔德著
第四章 量子
连续性、不连续性
我们面前摆着一张纽约和它周围地区的地图。我们问，这地图上的哪些地点可以坐火车抵达？在火车时刻表上查出这些地点以后，我们就在图上将它们标出来。现在我们换一个问题来问：哪些地点可以坐汽车抵达呢？假使我们把所有从纽约出发的公路都在图上画出路线来，那么，在这些路上的每一点都可以坐汽车抵达。在两种情况中，我们获得了不同的点组。在第一种情况里，它们是彼此分开的，代表各个不同的火车站；而在第二种情况里，却是沿着代表整条公路的线上的许多点。我们的下一个问题是讨论从纽约（或者更精确些说，从这个城市的某一地点）到这些点的距离。在第一种情况中，有某些数对应于地图上的点子。这些数的变化没有规则，但总是有限制的、跳跃式的。我们说，从纽约到可以坐火车抵达的地点之间的距离，只能以不连续的方式变化。但是那些可以坐汽车抵达的地点的距离，却可以用任意小的段落来变化，它们可以用连续的方式变化。坐汽车时距离的变化可以任意小，而坐火车时却不能。
煤矿的生产量也可以用连续的方式变化。生产出来的煤可以增加或减少任意小的部分。但是在矿上工作的矿工的数目只能以不连续的方式变化。如果有人这样说：“从昨天起工人的数目增加了3．783个。”这句话是毫无意义的。
当你问别人口袋里有多少钱时，只能说出一个有两位小数的数。钱的总数只能不连续地、跳跃式地变化。在美国，美元允许的最小变化，或者像我们所要说的，美国钱币的“基本量子”是1分。英国钱币的基本量子是1／4便士（farthing——英国硬币名），它只值美国基本量子的一半。现在我们有了一个关于两种基本量子的例子，它们的价值可以相互比较。这两个价值的比例具有确定的意义，因为这两个当中，一个的价值是另一个的2倍。
我们可以说某些量可以连续地变化，而另外一些量只能不连续地变化，即从一个不能再小的单位一份一份地变化。这些不可再分的量就叫做某一种量的基本量子。
我们称大量砂的时候，虽然它的颗粒结构非常明显，还是认为它的质量是连续的。但是如果砂变成很珍贵，而且所用的秤非常灵敏，我们就不得不考虑砂子质量变化的数目，是一个颗粒的质量的多少倍数。这一个颗粒的质量，就是我们所说的基本量子。从这个例子我们可以看到，以前一直认为是连续的量，由于我们测量精密度的增大，而显示出不连续性来。
假如我们要用一句话来表明量子论的基本观念，我们可以这样说：必须假定某些以前被认为是连续的物理量是由基本量子所组成的。
量子论所包含的论据范围是很大的，这些论据由高度发展的现代实验技术所揭露。由于不可能证明及描述这些基本实验，我们将常常直接引出它们的结果而不加说明，因为我们的目的只是解释最重要的基本观念。
物质和电的基本量子
在动理论所描绘的物质结构的图景里，所有的元素都是由分子构成的。我们拿最轻的元素——氢作为最简单的例子。我们曾经看到过（46页），研究布朗运动使我们能决定出一个氢分子的质量。它等于：
3．3×10－24克
这意味着质量是不连续的。氢的质量只能按最小单位的整数倍来变，每一个最小单位对应于一个氢分子的质量。但是化学过程表明，氢分子可以分为两部分，或者换句话说，氢分子是由两个原子组成的。在化学过程中，起基本量子作用的是原子，而不是分子。将上面的数目用2来除，就得出氢原子的质量，它近似地等于：
1。7×10－24克
质量是一个不连续的量。但是，在决定物体的重力时，当然不必考虑这一点。即使是最灵敏的秤，要达到能够检测出质量不连续变化的精确度还是差得很远的。
让我们回到大家所熟知的情况。把一根金属线与电源连接，电流就由高电势流向低电势而通过导体。我们记得，有很多实验论据是用电流体在导线中流动的这个简单理论来解释的。我们也记得（57页），是“正流体”从高电势流向低电势，还是“负流体”由低电势流向高电势，只不过是一个习惯上的规定而已。我们暂且不管由场的概念而得到的所有进展。即使当我们只想到电流体这样一个简单的术语时，也仍然有一些问题需要解决。正如“流体”这个名称本身所暗示的，早前电被认为是连续的量。按照这种旧的观念，电荷的数量可以按任意小的一份去变化，而不必假设基本的电量子。物质动理论的建立使我们提出一个新的问题，电流体的基本量子是否存在呢？还有一个要解决的问题是，电流是由正电流体的流动所组成的，还是负电流体的流动所组成的，或是两者兼而有之的呢？
所有答复这个问题的实验，其基本观念都是将电流体从导线中分离出来，使它在真空中流过，并割断它和物质的任何联系，然后研究它的特性。在这种情形下，这些特性应当显示得更清楚了。在19世纪末，做了很多这类的实验。在说明这许多实验装置的观念以前，我们至少将在一个例子中先把结果引出来。在导线中流过的电流体是负的，因而它流动的方向是由低电势流向高电势。假使我们在建立电流体理论的时候一开头就知道了这一点，我们一定会把所用的名词改换一下，把硬橡胶棒所带的电叫作正电，而把玻璃棒所带的电叫作负电。这样把流过导线的流体看作正电，就方便多了。但是由于一开头我们就作了错误的猜测，我们现在就只好忍受这种不方便了。
下一个重要问题是：这种负的电流体的结构是不是“粒状的”，它是不是由电量子所组成的。又有大量独立的实验指出，毫无疑问，这种负电的基本量子是确实存在的。负的电流体是由微粒构成的，正好像海滩是由沙粒构成或者房子是由一块一块砖砌成的一样。汤姆孙（J．J．Thomson）约在40年前就很清楚地把这个结果提出来了。负电的基本量子被称为电子，因此任何负电荷都是由大量的用电子来代表的基本电荷所组成的。负电荷和质量一样，只能不连续地变化。但是基本电荷是那样小，使得在很多研究中把电荷看成是连续的，不但可以，而且有时甚至更方便些。这样，原子和电子理论就在科学中引入了新的只能跳跃地变化的不连续的物理量。
设想有两块金属平板平行放置，它们周围的空气都被抽完了。一块带正电荷，而另一块带负电荷。放在这两块金属板之间的一个带正电荷的检验体，将被带正电荷的板所推斥又被带负电荷的板所吸引。这样，电场的力线方向将从带正电荷的板指向带负电荷的板（图69）。作用在带负电荷的检验体上的力，则方向相反。假使金属板足够大，则两板之间的电场线的密度到处都相等。不管检验体放在哪里，这个力的大小和力线的密度都到处一样。在两板之间产生出来的电子，会像地球的引力场中的雨滴一样，彼此平行地，由带负电的板向带正电的板运动。已经有很多著名的实验装置可以将一阵电子雨放入这样一个能使电子指向同一方向的电场中。最简单的方法之一，是在带电金属板之间放置烧热的金属线。烧热的金属线发射出电子，电子射出后就受外电场力线的影响沿力线方向运动。举个例说，大家熟知的无线电电子管，就是根据这个原理制造出来的。
科学家对于电子束完成了很多极为巧妙的实验，研究了它们在不同的外电场和外磁场中轨道的改变，甚至分离出单个电子来决定它的基本电荷和质量（即指电子对于外力作用的惯性抗力）。这里我们将只引用一个电子质量的数值，它大约是氢原子质量的1／2000。这样，氢原子的质量虽然很小，但和电子的质量比较时，就显得很大了。从统一场论的观点看来，电子的全部质量（也就是它的全部能量）是它的场的能量，场的能量强度大部分集中在一个很小的球体内，而离开电子“中心”较远的地方场的能量就弱了。
我们以前讲过，任何一种元素的原子就是这种元素本身最小的基本量子。长久以来，人们都是相信这个说法的。但是，现在我们不再相信了！科学建立了新的观点，指出了旧观点的局限性。在物理学中，原子具有复杂结构这个论据已经是确实无疑的了。首先确认了电子——负电流体的基本量子——也是原子的组元之一，是建成所有物质的基本“砖块”之一。上面所引用的炽热的金属线发射出电子的例子，只不过是从物质中取出电子的无数例子中的一个罢了。这个把物质结构的问题和电的结构问题紧密地联系起来的结果�
