科学史及与哲学和宗教的关系 作者:w.c.丹皮尔-第56章

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　　弗雷泽对于基督教里所混杂的东方因素，有如下的叙述：

　　被误认为是神灵附体的失神的疯癫，肢体的残毁重生的理论与流血赎罪，都起源于野蛮时代，自然能够吸引野性本能尚强的民族。……把粗暴的野蛮性和精神希冀奇妙地结合起来的崇奉大母（即地神）的宗教，只是许许多多类似的东方信仰的一种。这些信仰后来在异教盛行的时代，传播于罗马帝国，并把异教的生活理想贯注在欧洲民族心中渐渐摧毁了整个古代文明的大厦。希腊与罗马社会建立在个人服从集体、公民服从政府的概念上；国家的安全是个人行为的最高目的，远在个人安全之上，无论在现世或来世都是这样。……这一切都因为东方宗教的传播发生改变，因为这些宗教倡导灵魂与神交通与永远得救是生活的唯一目的，在这种目的的相形之下，国家的繁荣，甚至国家的存在，就变得无关紧要了……这种见解深入人心历时一千多年。直到中世纪末，罗马的法律、亚里斯多德的哲学与古代文艺复兴起来，欧洲才恢复其固有的生活与行为的理想，对于世界才有了更健全更合人性的见解。文明进展的长期停顿才告终止。东方侵略的潮流终被阻止。

　　持相反见解的人，也许可以满有理由指出这节论证欠圆满。如果神秘主义者的基本假设是正确的，则人的灵魂与神的交通实较政府与民族更为重要。不管人们在这两种相反的生活理想之间作怎样的选择，象弗雷泽这样一位对这门知识有很大贡献的专家的意见一定是值得注意与尊重的。

　　现代历史研究与人类学研究对基督教的起源与意义问题所产生的影响是一个更深刻而更重要的问题。这个问题至今仍在讨论之中。在这一讨论里，因袭的与先入为主的成见往往这样或那样地影响理性的运用。显然传统的基督教义有许多地方与以前或同时代的宗教的类似信仰相似，而且基督教的仪式也有许多地方与异教的祭仪相当。有人以为这些相似之点，说明基督教也应列入第一世纪祭仪宗教之内。又有人指出，近来的人类学的推论或许言过其实。祭仪宗教与早期更原始的祭礼间的关系现在肯定已更加明了，但是祭仪宗教的存在与性质，早为史学家与神学家所熟知。形式的相似并不一定表示来源与意义是相同的。

　　我们对于基督教，无论采取正统的见解与否，都必须承认现代人类学一方面帮助我们更好地了解到心理学与基本宗教（对于不可见的神力的直接的领悟）的联系，另一方面也帮助我们更好地了解到原始信仰与比较进步的神学的联系。





科学史及其与哲学和宗教的关系第十章　物理学的新时代



第十章　物理学的新时代

　　新物理学——阴极射线与电子——阳极射线或原子射线——放射性——X射线与原子序数——量予论——原子结构——玻尔学说—一量子力学——相对论——相对论与万有引力——物理学近况——核型原子——化学

　　新物理学

　　十九世纪最后十年以前，物理科学一直循着第六章所叙述的发展路线前进。当时以为物理学的主要框架已经一劳永逸地构成了。以后需要做的一点点工作就只是把物理常数的测量弄得再准确一些（小数点后面的数字再推进一位），并把看起来往往很快就能解决的光以大结构的研究工作再推进一步。二十世纪的前三十年，这一牛顿的体系渗入新的物理学学说中。在解释实验的结果时，起初这一体系唯一无二的学说，后来便和其他学说并用。慢慢地才发现还需要一些全新的概念。

　　新物理学可以说是从1895年慕尼黑伦琴（Wilhelm　KonradRontgen，1845－1923年）教授发现X射线时开始的。在这以前，已经有很多人对气体中的放电进行实验，特别是法拉第、希托夫、盖斯勒（Geissler）、戈尔茨坦（Goldstein）、克鲁克斯等人和后来的人J．汤姆生（1856－1940年），即剑桥大学三一学院的主任教授约瑟夫·汤姆生爵士。但是只有持具远见的人才觉得这些实验重要，而最先引起物理学家注意这些实验的，便是伦琴的工作。

　　伟大发现之出于偶然，常较一般人所想象的为少。不过伦琴找到X射线的踪迹却是偶然的，这件事的确迟早要发生，但仍然是偶然的。伦琴发现紧密封存的底片虽丝毫不暴露在光线下，如果放在高度真空的放电管附近，仍然会变灰黑而至毁坏。这说明放电管内发出某种能穿透底片封套的光线。

　　伦琴发现，一个涂有磷光质，如铂氰酸钾的幕屏放在这种放电管附近时，即发亮光；金属的厚片放在管与磷光屏中间时，即投射阴影，而轻的物质，如铝片或木片，平时不透光，在这种射线内投射的阴影却几乎看不见。所吸收的射线的数量似乎大致和吸收体的厚度与密度成正比。真空管内的气体愈少，则射线的贯穿性愈高。具有相当“硬度”的射线，可使肌肉内的骨骼在磷光片或照片上投下阴影。因此，在有了适当的技术之后，这一事实对于外科医术，就具有无上的价值。

　　从纯粹科学的观点来看，继X射线之后，J．J汤姆生等人又有一个更重要的发现：当这些射线通过气体时，它们就使气体变成导电体。在这个研究范围内，液体电解质的离子说已经指明液体中的导电现象有类似的机制。液体电解质的离子说是由法拉第创立的，后来主要由科尔劳施、范特…霍夫和阿累利乌斯加以发展。现在这个气体的离子说证明是更加成功。

　　在X射线通过气体以后，再加以切断，气体的导电性仍然可以维持一会儿，然后就渐渐消失了。汤姆生与卢瑟福又发现：当由于X射线射入而变成导体的气体，通过玻璃绵或两个电性相反的带电板之间时，其导电性就消失了。这说明气体之所以能导电是由于含有荷电的质点，这些荷电的质点一与玻璃绵或带电板之一相接触，就放出电荷。卢瑟福又发现：在导电的气体内，电流的强弱起初和电动势成正比；但如果电动势继续增高，则电流的增加渐渐变慢，最后达到一个最大的饱和数值。从这些实验可以明白，虽然离子是液体电解质中平常而永久的构造的一部分，但在气体中，只有X射线或其他电离剂施作用时才会产生离子。如果听其自然，离子就会渐渐重新结合而至消失。玻璃绵的表面很大，可以吸收离子或帮助离子重新结合。如果外加的电动势相当高，便可以使离子一产生出来就马上跑到电极上去，因而电动势再增高，电流也不能再加大。

　　伦琴的发现还开创了另一研究领域——放射现象的领域。X射线既然能对磷光质发生显著的效应，人们自然要问：这种磷光质或他种天然物体，是否也可以产生类似X射线那样的射线呢？在这一研究中首先获得成功的是亨利·柏克勒耳（Henri　Becquerel）。他在1896年2月发现，钾铀的硫酸复盐发出的射线，可以穿透黑纸或其他不透光的物质，对照相底版发生影响，后来他发现铀本身与其所有化合物都有同样的作用。

　　次年，1897年，是以超原子微粒（即远比任何元素的原子更轻的质点）伟大发现著称的一年。物理学的新肘代从此开始了。

　　阴极射线与电子

　　当一只装有铂电极的玻璃管，经抽气机逐渐抽空时，管内的放电在性质上就经历多次变化，最后就在玻璃管壁上或管内其他固体上产生磷光效应。然后，这些物体就成为X射线的来源。1869年，希托夫证明放在阴极与玻璃壁间的障碍物，可以在玻璃壁上投射阴影。1876年，戈尔茨坦证实希托夫的结果，而创造“阴极射线”一词，他以为这种射线是和普通光线同一性质的以太波。另一方面，伐利（Varley）和克鲁克斯提出证据——例如，这些射线在磁场中发生偏转——说明它们是由阴极射出的荷电质点，因撞击而产生磷光。1890年，舒斯特（Schuster）观察了它们在磁场中的偏转度，测量了这些假想质点的电荷与其质量的比率，而估计这一比率为液体中氢离子的比值的500倍左右。他假定这些质点的大小与原子一样，推得气体离子的电荷远较液体离子为大。1892年赫兹发现阴极射线能贯穿薄的金片或铝片。这一发现，似乎与组成射线的质点为普通原子流或分子流的想法颇难调和。1895年，贝兰证明：这些质点偏转到绝缘的导电体上时，就把它们所有的负电荷给与导电体。在1897年，质点的速度及其电荷e与质量m的比值，为几个物理学家测定之后，它们的性质的问题就得到了解决。一月间，维歇特（Wiechert）证明几种射线的速度约为光速的十分之一；而其e／m则等于电解液中氢离子的比值的2000至4000倍。他按电容器的振荡周期测量速度，而按磁场中的偏转测量e／m。七月间考夫曼（Kaufmann）发表他的实验报告：他从电极间的电位差与磁场中的偏转，求得质点的能量。同时J．J汤姆生将这些射线导入绝缘的圆柱，测量其电荷，并观测其给予温差电偶的热量，而求得其动能。最后他于十月间发现在高度真空下，阴极射线不但能为磁场所偏转，也能为电场所偏转，他因而测量了这两种偏转度。

　　图11表明汤姆生用来进行上述有历史意义的实验的仪器。一支高度抽空的玻璃管装着两个金属电极：阴极C和开有小缝的阳极A。从C发出的阴极射线的一部分，穿过小缝后，再为第二个小缝B所削细。这样得到的小束射线，经过绝缘片D与E之间，射在玻璃管他端的荧光幕或照相底片上。如将绝缘片连于高电压电池的两极，则其间产生电场。整个仪器放在一强力的电磁体两极中间，使得射线也受到磁场的作用。

　　假定阴极射线是荷有负电的质点的急流，由简单计算可以看出，射线的电场偏转度，亦如其磁场偏转度，是依质点的速度v及其电荷与质量之比e／m而改变的。所以通过测量电场与磁场的偏转度，便可求得v与e／m的数值。

　　汤姆生求得质点的速度在光速的十分之一左右，而略有变化，但其e／m则不管气体的压力与性质及电极的性质如何，均无改变。在液体电解质中，以氢离子的e／m为最大，约为10，000或104。汤姆生求得气体离子的e／m为7．7×106，换言之，即为液体中氢离子的e／m的770倍，而考夫曼在1897年12月所求得的更精密的数值为1．77×107。这些结果也许表明，在气体内的阴极射线的质点中，不是象舒斯特所预料的那样，电荷比在氢原子中大得多，就是质量小得多。汤姆生暂时假定这些质点比原子小。他以牛顿所常用的微粒那个名词去称呼它们，并且说它们是我们寻求多年的各种元素的共同成分。但是当时还没有明确的证据可以证明这些微粒所负的电荷，不比电解质中单价离子所负的更大，因而也无法计算其质量。所以电荷的疑案就成了急待研究的下一个问题了。

　　1898和1899年，汤姆生测量了X射线在气体中所造成的离子的电荷。他利用威尔逊（C．T．R．Wilson）在1897年所发现的方法，即离子和尘埃一样，可以成为潮湿空气中蒸汽凝成雾滴的核心。从这些雾滴在空气阻力下降落的速度，可以计算出雾滴的大小。从凝结的水的体积，可以求得雾滴的数目，再从已知电动势所产生的电流，可以求得电荷的总量。不久以后，汤森（Townsend）测量了离子渗入气体的扩散速度，而由此计算出离子的电荷。到了1899年，汤姆生用云室法与磁场偏转法，测量了相同一种质点（以紫外光射在锌片上所产生的质点）的电荷e和e/m。所有测量结果都证明：在实验误差限度以内，气体质点的电荷与液体单价离子的电荷相符合。事实上，在米利根（Millikan）新近的实验结果中，这两个数字相差不及四千分之一。

　　由此可见，并非微粒的电荷比液体中氢离子的电荷更大，而是其质量更小。这些微粒是原子的一部分，无论元素的性质如何，均为其原子共有的成分。从汤姆生最初的实验来看，每一微粒的质量似约为氢原子的1／770。但从上述考夫曼测量的e／m，已可求得较精密的结果。自此以后关于微粒的电荷与其e／m，接着又有新的测定，最著名的是米利根的测定。他在1910年改进威尔逊的云室法，又在1911年测量了小油滴在被电离的空气中降落的速度。当一油滴捉到一离子时，其速度便忽然改变。这样求得离子的电荷为4．775×10…10静电单位。这说明这些微粒或电子的质量，为氢原子的1／1830。从气体分子运动论可求得一个氢原子的质量约为1．66×10－24克，所以一个电子的质量约为9×10－28克。

　　这个伟大的发现终于解决了一个古希腊留下的问题：即不同的物质是否有共同的基础的问题。同时也阐明了“带电”的意义。汤姆生当时发表其个人的观点说：

　　我认为一个原子含有许多更小的个体；我把这些个体叫做微粒。这些微粒彼此相等；其质量等于低压下气体中阴离子的质量，约为3×10…28克。在正常原子中；这些微粒的集团，构成一个中性的电的体系。个别的微粒，行为虽然好象阴性的离子，但聚集于中性的原子中时，其阴电效应便为某种东西所抵消。此种东西使微粒散布的空间，好象有与这些微粒电荷之和相等的阳电似的。气体的带电现象，我认为是由于气体原子的分裂，致使微粒脱离某些原子。脱离出来的微粒，性质如阴性的离子，每个都荷有一值量的阴电，为简便计，我们名之为单位电荷。剩余的原子的另一部分，性质如一阳性的离子，载有一单位的正电荷，还有比阴电子更大的质量。由此观之，带电现象主要是由于原子的分裂，其中一部分质量被放出，而脱离了原来的原子。

　　这些新发展与前不久的一种研究，颇有关联之处。按照麦克斯韦的理论，光既然是一种电磁波系，那么光必定是由振荡的电体所发出的。由于光谱是元素所特有的而不是元素的化合物所特有的，所以这些振荡体（或称振子）必为原子或原子的一部分。依照这种推理，洛仑兹（Lorentz）在汤姆生的发现的前几年，创立了一种物质的电学说。这个学说预料，光谱的出现当受磁场的影响，而这一预料已为塞曼（Zeeman）所证实。塞曼在1896年发现光源放

　　在强磁场之内时，其所发纳光谱的谱线即行变宽。他后来又以更强的磁场将单一谱线分成了两条或多条。根据测量这些线条之间的距离所得的资料，按照洛仑兹的学说，可以算出振荡质点的电荷与其质量之比e／m的新值。如是求得此值的数量级为107电磁单位，根据更精密的测量算出，此数字为1．77×107，与根据观察阴极射线和他法所得的结果甚为符合。

　　洛仑兹利用斯托尼（J．Stoney）所定的名称“电子”来称呼这些振动的带电质点，而塞曼效应的发现与测量证明，它们就是汤姆生的微粒。我们可以把它们当做是孤立的阴电单位。拉摩（Larmor）以为电子既然有电能，就必定有与质量相当的惯量。这样，洛仑兹的学说就成为物质的电子学说，而且和由汤姆生发现而来的观点完全融合在一起。只不过汤姆生是用物质去解释电，而洛仓兹却是用电来解释物质。

　　应该指出，当时还有一个默认的假设并没有为后来的研究所证实。这一假设认为，原子中的微粒或电子是按照牛顿的动力学运动的，在最