科学史及与哲学和宗教的关系 作者:w.c.丹皮尔-第60章
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要解释乔治·汤姆生的实验，就需要假定电子具有双重性质：既是质点（或电荷），又是波列。上面说过，薛定谔走得更远，而认为电子是一种波的系统。波的性质是不确定的。波必须符合某些方程式，但可能不具有机械式的运动。而这些方程式可能只符合概率的交替，这一项在正常波里，度量位移量，可以给出电子出现在某一给定点的概率（机遇）。
于是在原子被分为电子之后三分之一个世纪，电子又被分为一未知的辐射源或一无形体的波动系统了。昔日的坚硬而有质量的质点的最后一点痕迹已经消失，物理学的基本概念似乎已经归结为数学方程式了。实验物理学家，特别是英国人，对于这种抽象概念很是感觉不安，企图设计一种原子模型，而从机械或电的角度去表达这些方程式的意义。但牛顿早已见到，力学的最后基础绝不是机械的。
相对论
光线传播需要时间，是丹麦天文学家勒麦（Olaus Romer）在1676年发现的。勒麦发现木星的一个卫星两次被食之间所经历的时间，在地球背木星而行时较长，在地球向木星而行时较短。他由此估计光速为每秒192，000英里。
五十年后，英国皇室天文学家布莱德雷从恒星的光行差求得与此一致的结果。从地球轨道面上的远星看地球，好象每年左右摆动一次，在相继的两个半年中，它的摆动方向是相反的。如果这颗星射出的光线击中地球，那么这条光线的瞄准方向必须在地球的前面少许，正如射击飞鸟必须瞄准飞鸟的前面一样。所以，如果星光现在射到地球真正位置的右边，则六个月以后便会射到它的左边。这意味着：我们在不同的时季所看见的远星射来的光线，不是互相平行的，在一年内看见虽好象在空间往返运动。从这个表面的运动，可以计算光速与地球在其轨道运行的速度之比。
斐索（Fizeau）在1849年首先对光经过地球上的短距离的速度作了测量。他将一束光通过齿轮上两齿间的凹处，再于三、四英里之外，用反光镜将光反射回来。如果齿轮不移动，则反射回来的光束通过轮上的同一凹处，可在对面看到。但如果将齿轮急速转动并调节其速度，则最后可找到一个速度，使射回的光束恰被下一个齿轮所遮住。齿轮旋转这个小角度所需的时间，显然即是光束往返于齿轮与反光镜之间所经历的时间。
弗种设计了一个更好的方法。使从S缝（图14）射出的光束略成会聚的形式，然后在平面镜R上反射，而聚焦于凹面镜M上。这束光由M循原点射回。如果R是静止的，则S缝的影象将形成于S缝的本身上。然后以已知的速度使R急速转动，当光线往返于RM的距离时，R镜已经转过了一个小的角度，因此光的回程RS’与RS不复叠合，而转动了二倍于R镜所转的角度。于是测量SS’间的距离，便可计算光往返于RM间所需的时间。
光速最新的测量结果，比从前测量的稍小，即在真空内，为每秒186，300英里或2．998×1010厘米，或在1／1000的误差内取为3×1010厘米。
如果的确有光以太那样性质的东西，那么由于它对于通过它的光要产生影响，显然应该可以测定其运动。如果地球在以太中运动，而不扰动它，则地球与以太之间必有相对运动。那么光随以太顺行时，其速度必较其反以太逆行时为大；而总计起来，它往返横过以太流时，也当较其一次顺流、一次逆流时为大。好象游泳一样，往返对岸一次，必较顺流、逆流同游相等距离的情形为速。
这就是迈克尔逊（Michelson）和莫利（Morley）在1887年所作的有名实验的要点。他们将一块石头浮于水银之内，然后将仪器装置在石头上面，以防振动。光束SA（图比）行至玻璃片A时，一部分为其所反射，一部分透射过去。这两部分光在B和D处又为B与D两镜所反射。如果AB＝AD，则两道光的行程也相等，而在E处的望远镜内必可察见有干涉效应。今若没想地球朝SAD方向运动，而不拖曳以太同行，那么以太将流过实验室，也如风之流过树林，于是将使光经过ABA与ADA两行程的时间发生差异，而所得的干涉条纹，将和以太相对静止时不在同一位置。今若将这仪器转过一个直角，则AB成为运动的方向，而AD和它垂直，这时，干涉条纹应向相反方向移动。移动的总量为以上所说的两倍。
但是迈克尔逊和莫利并没有观察到干涉条纹有可以度量的移动，于是断定地球与以太之间并无可以察觉的相对运动。重复做这个实验的结果表明，在他们的假设下，这种相对运动，必然小于地球在其轨道上的速度的十分之一。地球好象拖曳着以太同行。
可是在以先行差计算光速时，我们假设以太不被地球在以太中的运动所扰动。而且洛治1893年在两个以（或超过）最大安全速度转动的重钢版之间，测量光的速度，也未发现光速有任何改变。由此可见，质量这样大的东西并不拖着其附近的以太同行。那末光行差的理论和从洛治实验中得出的推断，似乎又和迈克尔逊及莫利的实验结果完全不一致了。
当我们得到这样相反的结果时，如果我们还相信自然的统一性，使我们就可以断定：我们的实验和我们对于起作用的原因的看法，总有一个发生了错谬；一个富有兴趣而且必需的观念上的革命就在我们的眼前，只看我们能否领悟。
解决这个矛盾的第一个有用的看法是菲茨杰拉德（G．F．Fitz…Gerald）提出来的，又经过拉摩与洛仑兹加以发展。如果物质在根本上是带电的，或者物质的确是靠电力结合在一起的，那么，物质在带有电磁性的以太中运动时，在其运动的方向上或有收缩的可能。这种收缩除上述的现象之外，别无他法观察；一则因为效应太小，再则因为我们用以测量的尺度本身也受同样的收缩，因而在其运动的方向上，长度的单位也变短了。所以迈克尔逊与莫利的仪器，于转变方向后，也变更其大小，以至与地球经过以太时所产生的干涉条纹的移动相抵消了。
这种必需的收缩是容易计算的。物体在以太流的运动方向上将按（l－u2/c2）1/2均告的比例收缩，式中u为物体和以太的相对速度，c为不变的光速。
地球在其轨道上的速度为光速的万分之一。如果在一年的某时这是它经过以太的速度，则迈克尔逊与莫利的仪器于转动一直角时将收缩二万万分之一，这种微量的改变足以解释他们的结果。
这个问题停顿在这里若干年。无论其原因何在，所有测量光速的企图，不管是以太流顺行或逆行，都得到相同的结果，即测得的速度没有可以觉察的改变。
1905年，爱因斯坦教授对于这问题，从另外一个完全新颖的方向加以考虑。他指出：绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，一种形而上学的概念，而不是直接由物理学的观察和实验得来的。我们经验所能及的唯一空间，是用尺度上二刻度间的距离所规定的长度标准来测量的，唯一时间是用天文现象所规定的时钟来测量的。如果我们的标准也发生了菲茨杰拉德收缩这样的变化，这种变化是我们觉察不到的，因为我们和这些标准一道前进，也发生相同变化，但是，以不同方式运动的观察者却是可以觉察到这种变化的。所以时间与空间，不是绝对的，而只是与观察者相对的。
这样看来，用任何仪器、在任何情况下测量，所得的光速总是一样的事实，便不须解释了。必须承认，这个结果是新物理学第一次发现的定律。这样，可知由于时间与空间的性质，相对于任何观察者，光总是以所测得的相同的速度进行。
这个测定的速度总是一样的，但是我们对空间、时间与质量作个别测量时，不论是时间、空间或质量都没有表现出我们习惯于预期的那种但常不变性。迈克尔逊与莫利的仪器，用我们不变的标准（光速）对它加以检验，在转动时并不表现长度上有变化。这是由于我们跟随着它运动。但是，如果在枪弹飞过时，我们能足够准确地测量其长度，我们应发现它较静止时为短，而且它的速度愈近光速，它的长度也就愈短。
这个实验很难实行，但用相对性原理很容易证明：射弹的质量对于静止的观测者表现增大，而且依照长度缩短的比例而增大。设mo为低速时的质量，则高速u时的质量为mo／＇1…u2/c2＇，式内c为光速。因此速度达到光速时，质量为无穷大。质量的改变可以用实验证明。测定以近于光速的速度经过我们身边的射弹的质量，是现代科学的奇迹之一。爆裂的放射原子所射出的B质点，可以使其经过电场与磁场，而测量其速度与质量，象测量阴极射线质点的速度和质量时一样。假设以速度不大的B质点的质量为1，则下表第二行为：根据相对论计算的、速度近于光速的B质点的质量，第三行为考夫曼根据实验测量所得的B质点的质量：
质量与缓行质点质量之比
质点的速度每秒厘米数
质量与缓行质点质量之比
计算值
实值
2．36×1010
1。65
1。5
2．48×1010
1。83
1。66
2．59×1010
2。04
2。0
2．72×1010
2。43
2。42
2．85×1010
3。09
3。1
B质点为阴性的电子，运动时等于电流。所以它们能产生具有能量与惯性的电磁力场。J．J．汤姆生与西尔（G．F．C．Searle）按照这个推理的路线，计算过质量随速度增加的数值，得到了相同的结果。所以质量的增加，象菲茨杰拉德的收缩一样，是与电磁理论相符合的。
而且根据相对性原理，质量与能量是等价的。一份质量m，若以能量表之，则为mc2，这里c是光速。这也是与麦克斯韦的电磁波理论相符合的。按照这个理论，电磁波具有的动量等于E／c，这里E表示它们的能量。而动量为mc，于是我们便又提出E＝mc2了。
由此可见，这些原理引出了新奇意外的结果。如果我们在飞机（或以太机）内，能以近于光速的速度飞行，则我们在运动方向上的长度，据地上观测者的测量，似已缩短，我们的质量似已增大，而我们的时计也较一般的变慢。但是我们自己并不觉察有这些变化。我们的尺子或已收缩，但是我们和我们四周的一切均已收缩，所以我们不觉其变化。我们的法码或已增加质量，但我们也是一样地增加了。我们的时钟或许走得较慢，可是我们脑里的原子也运动得慢了，所以并不知时钟走慢了。
但是，因为运动是相对的，地上的观测者也正以我们对他运动的相等速度，对我们运动。所以我们对他加以测量时，便会发现他的尺度、质量与时间，也对我们表现变化，正如我们的这些量对他表现变化一样。自我们看来他好象在运动的方向上，产生了畸形的收缩，具有与其身体不相称的质量，而在身心方面迟钝得可笑；同时他对我们也有同样的观感。双方都不觉得自己的缺陷，而对于对方的悲惨变化却看得很清楚。
我们不能说两方的观测者哪一个是错误的。的确，双方都是对的。长度、质量与时间并非绝对的量。它们真正的物理数值，就是由测量所表示的。它们对双方不一样这一事实说明，它们的意义只能相对于某一观测者而规定。绝对长度、绝对空间、绝对时间或甚至时间流动的观念都是形而上学的概念，远远超过观测或实验所表示或证明的。
虽然如此，如柏格森（Bergson）所指出，在哲学的意义上，对于一个随着某系统运动或在某系统内运动的人来说，所度过的那段时间，即用以测量这个系统中的事件的时间，具有其特殊的、独一无二的重要性。但是在物理的意义上，时间与空间，单个来考虑，则是随观测者的位置而定的相对的量。不过，明可夫斯基（MinkoWski）于1968年指出，时间与空间的变化互相补偿，因此，这两者的结合，就是在这新世界里对于所有的观测者也都是一样的。我们惯于想象的空间，有长、宽、高三维，而明可夫斯基指示，我们必须把时间看做是“时空结合体”里的第四维，一秒钟相当于186，000英里，即光在这时间内所行的距离。正如欧几里得几何的连续空间中，两点的距离，无论如何测量都不变更一样，在这新的时…空连续区里，两个“事件”之间可以说有一个包括时间与空间的“间隔”，这间隔无论何人测量，都有它真正绝对的数值。我们觉得在这个变化不定的世界中，在这里找到了一种稳固的东西，因而想在这个相对性的王国内去寻求其他能保持其绝对性的量。在我们已知的量里，我们认为下面几个仍属绝对的量：数，热力学的熵，以及作用（作为量子的能量与时间的乘积）。
在空间与时间互不相干的旧世界里，人们习惯于把三度空间的整体看做是同时随着时间过去的。世界的过去和将来之间，好象隔着一个“现在的平面”，这个平面在同一刹那间伸展至空间的全部。但自1676年勒麦发现光以有限的速度进行以后，人们必定认识到，同时出现的星星实际上存在于不同的过去时间（现其不同的距离而定），至今才同时为人所看见；这样“同时”的意义便消失了。昔人信念中的绝利的“此时”变成仅仅是相对的“所见的此时”了。
科学中最近的发展已增强了相对性的观念。假设一位以光速旅行的人，游历星球，而在一年以后重返地球。在我们看来，在他飞行对，其质量好象大至无穷，而其脑筋的反应慢至无穷。我们觉得长了一岁，而他则以为时间毫未过去，他还停留在我们去年的“此时”。由此可知，认为过去与未来为一平面所划分，这个平面对于所有地区和所有人类都一样，这一类概念必须摈弃。必须从爱丁顿所谓的“此地－此时”（here－now）的一点，在空间绘出几条“所见的此时”（seen－now）线，与时轴（time－axis）成一角度，而这个角的正切等于光速。在这样绘出的三维面（类似于二维的一对锥形或滴漏形的曲面）内任何一处，我们可以找到一个绝对过去与绝对未来。在此以外，事物可以在任何观测者都觉得是不同的时间中同时存在。将过去和未来分开的劈形中立区可以叫做绝对的现在或绝对的地处，视我们从时间的角度还是从空间的角度去看它。
我们凭直觉意识到的时间自过去到未来的流动，在可逆的物理学中，是没有对应的。普通动力学系统（无论其为地上的或天文的）的运动方程式，从正反两个方向去了解都一样；我们不能从牛顿的公式说明行星朝哪一方向围绕太阳运行。
但是，在热力学第二定律和孤立系统中熵循一个方向向极大值增加的例子里，我们可以找到一个只能向一方进行的物理过程。因为互相冲撞而形成的分子的无规律散射，只能使这些分子接近于误差律所规定的分配速度。除非我们召唤麦克斯韦的“魔鬼”把各个分子控制起来�
