1687年，依萨克·牛顿经过多年的潜心研究，终于出版了他的《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)，它标志着物理学的真正诞生。

牛顿，这位集实验家、理论家、机械师和讲解能手于一身的大师，出生在英国林肯郡的一个农民家庭里。他从小喜欢手工劳动，他做的风车、风筝、日晷、漏壶等都十分精巧。他早年在学校里并未表现出将来要成为伟人的任何迹象。他生性腼腆，体弱多病，学习也很落后，为此常受到一个“小霸王”的欺侮。但是，牛顿却有过人的意志和刚毅的精神，他横下一条心与“小霸王”干了一仗，结果把那个家伙狠狠揍了一顿。体力上的胜利增强了他的自信心，他下定决心要在智力搏斗中全面获胜，经过艰苦卓绝的努力，他终于在班上名列前茅。十八岁时，牛顿说服了想让他务农的母亲，进入剑桥三一学院专攻数学。1665年，他获得了学土学位，但是还没有什么突出的作为。1665年仲夏，大规模的瘟疫在伦敦流行。牛顿只好回到他的故乡避难。在乡下居住的十八个月是他一生中硕果累累的时期。他发现了二项式定理、正切方法、直接流数法及其逆运算(即微积分)，思考了力学原理和引力问题。 二十六岁时，牛顿被任命为剑桥大学的教授，三十岁时被选为皇家学会的会员，这是英格兰最高的科学荣誉。据牛顿的传记作者说，牛顿是一个呆心教授的典型，他“从不作任何娱乐和消遣，他不骑马外出换换空气，不散步不玩球，也不做其他任何运动，认为不花在研究上的时间都是损失。”他经常“穿着一双磨掉了后跟的鞋，袜子乱糟糟，披着衣裳，头也几乎不梳。”在剑桥期间，他每天工作到半夜三更，一直致力于发展他在乡居时孕育出的光辉思想，但是他却长期秘而不宣，直到1687年夏，才在《原理》中公诸于世。《原理》是人类自然科学知识的首次大综合。在这里，牛顿把伽利略“地上的”物体运动规律，与开普勒“天上的”星球运动规律天才地统一起来，建立了牛顿力学(也称经典力学或古典力学)的完整理论体系。

牛顿抛弃了亚里土多德的天地截然不同的信条，澄清了自亚里士德以来一直含混不清的力和运动的观念，明确了时间、空间、质量，动量等基本的物理概念。

牛顿以运动三定律和万有引力定律为主线，以他发明的微积分为工具，巧妙地构造出他的力学体系。牛顿力学既成功地描述了天上行星、卫星、彗星的运动，又完满地解释了地上潮汐和其他物体的运动。在牛顿之前，还没有一个关于物理因果性的完整体系能够表示经验世界的任何深刻特征。

1．2经典力学的完善与机械自然观

牛顿力学的辉煌成就，使其得以决定后来物理学家的思想、研究和实践的方向。《原理》采用的是欧几里得几何学的表述方式，处理的是质点力学问题，以后牛顿力学被推广到流体和刚体，并逐渐发展成严密的解析形式。 1736年，欧拉写成了《力学》一书，把牛顿的质点力学推广到刚体的场合，引入了惯量的概念，论述了刚体运动的问题；1738年，伯努利出版了《流体力学》，解决了流体运动问题；达朗贝尔进而于1743年出版了《力学研究》，把动力学问题化为静力学来处理，提出了所谓达朗贝尔原理；莫培督接着在1744年提出了最小作用原理。 把解析方法进一步贯彻到底的是拉格朗日1788年的《分析力学》和拉普拉斯的《天体力学》(在1799～1825年间完成)。前者虽说是一本力学书，可是没有画一张图，自始至终采用的都是纯粹的解析法，因而十分出名，运用广义坐标的拉格朗日方程就在其中。后者专门用牛顿力学处理天体问题，解决了各种各样的疑难。《分析力学》和《天体力学》可以说是经典力学的顶峰。 在分析力学方面做出杰出贡献的还有其他一批人，他们使经典力学在逻辑上和形式上更加令人满意。就这样，经过牛顿的精心构造和后人的着意雕饰，到了十八世纪初期，经典力学这一宏伟建筑巍然矗立，无论外部造型之雅致，还是内藏珍品之精美，在当时的科学建筑群中都是无与伦比的。 经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家深信，天地四方、古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述。只要给出系统的初始条件，就能够毫无遗漏地把握它的因果性链条。 牛顿早在《原理》中就把宇宙看成是符合力学原理的机械图像。他在该书第一版的“序言”中写道，正如用万有引力推演出行星、彗星、月球和潮汐的运动一样，“我希望能够用同样的方法从力学原理推导出自然界的其他许多现象”。 另一位同时代的科学泰斗惠更斯在1690年说：“在真正的哲学里，所有自然现象的原因都应该用力学用语来思考，依照我的意见，我们必须这样做”。 拉普拉斯在1812年所著的《概率解析理论》的绪论中，更是典型的道出了机械决定论的特征。他说：“我么必须把目前的宇宙状态看作是它以前状态的结果及其以后发展的原因。如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界的所有的力，了解组成它的实体的各自的位置，如果它还伟大到足以分析所有这些事物，它就能够用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动。从最大的天体到最小的原子都毫无例外，而且对于未来，就象对于过去那样，都能—目了然。” 物理学家由于确信这样的决定论，终于完全和上帝断绝了关系。据说，拉普拉斯把《天体力学》奉献给拿破仑皇帝时，拿破仑问道：“你为什么在书中不提上帝？”拉普拉斯自信地回答：“陛下，我不需要那种假设！” 就象给拉普拉斯的断言作证一样，经典力学的神奇力量通过海工星的发现戏剧性地表现出来。 1791年后，随着对天王星观测资料的积累，人们发现它实际运行的轨道与理论计算的结果并不一致。即使考虑到其他行星的影响加以修正，也依然难以消除偏差。为此，巴黎天文台台长阿拉果启发年轻的天文学家勒维烈，让他依据“逆摄动”(即给出一个摄动，求引起摄动的行星)计算未知行星的大小和位置。 勒维烈经过一年时间的努力，终于在1846年8月31日把新行星的比置、光度等计算值送交给各国天文台。二十三天后，柏林天文台的加勒在预言的区域内发现了这颗未知的新行星，它就是海王星。其实，早在勒维烈的前一年，年轻的英国天文学家亚当斯就计算出了结果，只是因为没有及时观测而失去了取得优先权的机会。 1．3经典物理学的发展

经典力学不可思议的成功使人们无条件地接受了这一理论，把它看作是科学解释的最高权威和最后标准。而且直到十九世纪末，它一直充当着物理学家在各个领域中的研究纲领。人们普遍认为，经典力学是整个物理学的基础，只要把经典力学的基本概念和基本原理稍加扩充，就能够处理面临的一切物理现象。 情况正如赫尔姆霍兹1847年在《论力的守恒》中所说的：“我们最终发现，所有涉及到的物理学问题都能归结为不变的引力和斥力”，“只要把自然现象简化为力，科学的使命就终结了”。他还宣称：“整个自然科学的最终目的溶化在力学之中。”当时，在物理学家中间，出现了“把一切都归结为机械运动的狂热”(恩格斯：《自然辩证法》)。 声学在早期几乎是独立地发展的。自牛顿以后，力学原理首先被顺利地应用于声学研究，声音被看成是在弹性介质中传播的机械振动。 热学是继经典力学之后发展起来的又一个成功的理论体系。热现象的研究起初是以“热质”这一力学模型为先导的。到了十九世纪中叶，克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等人利用统计方法，把热学中的宏观物理量归结为与之对应的微观分子或原子运动的统计平均值。就这样，热力学以及统计力学先后在经典力学的基础上形成了。 光学也是如此。牛顿本人一开始就试图把他的力学观念应用于光学，他假定光是由惯性微粒组成的，以此解释已知的光学现象。虽然牛顿以后的两百年间一直交织着微粒说和波动说的斗争，但是在牛顿运动定律应用到连续分布的媒质以后，甚至连光的波动论也不得不求助于这些定律。 十九世纪初，逐步发展起来的波动光学体系已初具规模，其中以托马斯·杨和菲涅耳的著作为代表。他们两人都把以太看作是传播光振动的实体。菲涅耳弄清楚光是横波，因此光以太必须具有传播横波媒质那样的弹性。从力学角度讨论这种弹性体的振动，必然能够用数学方法推导出光学定律。尽管以太在性质上还有不甚明确之处，但是它作为光现象的媒质，在相当长一段时间内并未引起根本的异议。 电磁现象的早期研究是在“电流体”和“磁流体”两种力学模型的前提下进行的。电磁学从真正进入定量研究的第一天起就打上了力学的印记。 库仑1785年所做的著名的扭秤实验，虽然确定了电荷之间作用力与距离平方的反比关系，但他对自己的主张并未提出足够的证据，因为当时还没有电荷的量度，库仑定律本身就是对万有引力定律的类比。 后来，法拉第、麦克斯韦、赫兹在电磁学的发展史上谱写了动人的三步曲。1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并首次把“场”这一崭新的概念引入物理学；1864年，麦克斯韦把法拉第等人的研究成果概括为一组优美的偏微分方程式，并由此预言存在着电磁波，其传播速度等于光速，而光不过是波长在某一狭小范围内的电磁波；1887年，赫兹用实验证实了电磁波，弄清楚电磁波和光波一样，也具有波动性。 已经十分习惯于力学模型的物理学家同样乞灵于臆想出的媒质电磁以太，认为它与光以太一样，弥漫于整个空间，电磁被正是通过以太的振动传播的。

1．4“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找”

力学描述了大至恒星小至超显微粒子的运动过程，并与一切经验相—致。事实上，它甚至部分地证明了我们关于分子、原子、甚至更小的基本粒子的实验。力学又成为声学、热学、光学、电磁学赖以存在的基础。 诚如德国物理学家劳厄所说，当时经典力学和经典物理学已“结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。物理学家们莫不对此顶礼膜拜，他们踌躇满志，以为宇宙秘密无不尽辟，后人只需墨守成规，稍加修补。至于发现新事物，创造新原理，前人已不留余蕴，根本无须为此劳心竭力。 著名的美国物理学家迈克耳孙就持有类似的观点。1888年，在美国科学促进协会的克里夫兰年会上，作为物理组副主席的迈克耳孙谈到他的专业光学时说：“无论如何，可以肯定，光学比较重要的事实和定律，以及光学应用比较有名的途径，现在已经隙如指掌了，光学未来研究和发展的动因已经荡然无存了。” 六年后，即1894年，他在芝加哥大学赖尔逊实验室的献辞中重申了上述观点。这时，他把范围从光学扩大到整个物理学。迈克耳孙这样讲道：“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。正是在这里，测量科学显示了它的重要性——定量的结果比定性的工作更为重要。一位杰出的物理学家指出：未来的物理学真理将不得小在小数点后第六位去寻找”。 据迈克耳孙年轻的同事密立根回忆，迈克耳孙在这里所说的“杰出的物理学家”指的是开耳芬勋爵，即威廉·汤姆逊。 迈克耳孙的观点在当时是颇有代表性的。的确，盲目乐观情绪一度在物理学家中间蔓延开来。在这里，列举两位著名的物理学家的轶事也许是耐人寻味的。 1932年，德国物理学会在柏林举行宴会，庆祝普朗克从事科学活动五十周年，普朗克在答辞中回顾了自己的科学生涯。他从事科学活动是从慕尼黑大学开始的，当时，他向自己的老师约里表示，他决心献身于理论物理学。约里回答说：“年轻人，你为什么要断送自己的前途呢？要知道，理论物理学已经终结。微分方程已经确立，它们的解法已经制定，可供计算的只是个别的局部情况。可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？” 1894年，正读研究生的密立根也受到过类似的劝告。据密立根回忆，当时与他住在一起的三位从事社会学和政治学研究的同学经常和他开玩笑说：社会科学这一新颖的、“活生生的”领域正在敞开着大门，密立根这个傻瓜却钻在物理学这样一门“没有搞头的”、而且“已经僵死了的”学科之中。物理学的现有理论已经完美无缺了，物理学的发展前景已经暗淡无光了。往后的研究只能是追求较高的精确性和下一个小数位，可用的方法无非是单调而机械地提供科学数据。在十九世纪后期，许多物理学家的看法就是如此。

果真如此吗？

物理学将向何处去？

第二章不识庐山真面目只缘身在此山中

2．1牛顿的历史局限性

物理学难道真的走到尽头了吗？回答当然是否定的。

“科学从认识的较低阶段上升到较高阶段，愈升愈高，但是永远不能通过所谓绝对真理的发现而达到这样的一点，在这一点上它再也不能前进一步，除了袖手一旁惊愕地望着这个已经获得的绝对真理出神，就再也无事可做了”。(《马克思恩格斯选集》第四卷)

物理学也是如此，物理学从来不具有一种对一切时代都是完美无缺的形式，因为它的内容的有限性总是和可能观察到的事物的无限丰富多样性相对立的。这两者的对立统一，永远是物理学发展的持续动力。

创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。牛顿在他所处的时代中“不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且他在善于运用他那时的经验材料上也是独特的，同时他还对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能”(爱因斯坦语)。

但是，由于受到时代的局限，牛顿在否定亚里士多德以来有关错误论述和含糊概念、创立牛顿力学的同时，也在其中隐含了自我否定的潜在因素。诚如恩格斯所说的：“凡在人类历史领域中是现实的，随着时间的推移，都会成为不合理的；因而按其本性来说已经是不合理的，一开始就包含着不合理性”。(《马克思恩格斯选集》第四卷)

牛顿虽说是理性时代的先驱者之一，但他的科学工作却并未抹掉神学的印记。特别是在1712年为《原理》补写的“总释”中，他更是把至高无上的上帝描绘成浑身是眼、浑身是耳、浑身是脑、浑身是臂，并有全能进行感觉、理解和活动。上帝不仅是自然界的主宰者，而且也是力学理论的担保者。

撇开其神学印记不谈，牛顿所提出的一些基本概念和基本原理也存在着固有的局限性。尽管牛顿的解决是天才的，而且在他那个时代也是必然的，“是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路”(爱因斯坦语)。牛顿甚至比以后几代的物理学家更了解他的力学著述中所隐含的基本困难，只是由于牛顿尽力把他的体系表现为由经验必然性所决定的，特别是由于经典力学在实践上的巨大成就，足以阻碍后人去思考那些基本概念和基本原理的先验特征，以至于在相当长的时期内，无论谁也没有想到，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。

经典力学基本概念和基本原理的固有局限性主要表现在以下几个方面。

第一，尽管牛顿一再声明“我不做假设”，但他还是引入了超越经验的绝对时间、绝对空间等基本概念。按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动，牛顿以著名的旋转水桶实验证明绝对运动的存在。

第二，牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终还是对它作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。经典力学的定律和公式都是机械决定论的。

第三，在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。

第四，经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。

这些固有的局限性，就是后来引起物理学危机与革命的内在根据。相对沦、量子论就是在克服上述局限性的过程中逐步发展起来的。

2．2经典物理学与经典力学的潜在矛盾

经典物理学是物理学家自觉运用经典力学的基本概念和基本原理建立起来的理论体系。但是，与物理学家的主观愿望相反，经典物理学的深入发展反过来却削弱了经典力学的基础，暴露出经典力学的某些局限性。

在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。

同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。

托马斯·杨把以太比作穿过树丛的清风；柯西提议以太具有负压缩性；麦卡拉认为以太是与己知弹性体根本不同的新型弹性物质；斯托克斯却把以太喻为沥青和果子冻；开耳芬则异想天开，视以太犹如不含空气的均匀泡沫，粘在固体上久久不破。这种众说纷纭、莫衷一是的以太实在是叫人准以捉摸，它必然像幽灵一样和普通物质并存着。这样一来，经典力学和光学就失去了结构上的统一。

为了寻求这种结构上的统一，洛奇1882年宣称，以太是“一种充满空间的连续实体，它能够像光那样振动，能够分裂为正电和负电，能够以漩涡的形式构成物质，能够连续地无冲撞地传播”，并自诩这是以太的“现代观点”。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。

经典力学的基本概念和基本原理在热力学中也遇到了一些麻烦。1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理做保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。

玻耳兹曼注意到这一难题，他洞察到趋于平衡分布的问题是解决可逆性之谜的关键。1872年他提出了H定理，并且证明了H函数随时间的变化总是负值或零，而且变为零时只能是趋于平衡状态下的麦克斯韦分布，嫡增大正是由于H减小的缘故。

但是在1876年，洛施密特对此提出诘难。他认为微观运动是可逆的，与麦克斯韦分布不同的分布也是稳定的。为了克服微观可逆性与宏观不可逆性的对立，玻耳兹曼在1877年的论文中对H定理作了统计解释。他认为：“不管开始时粒子的位置和速度如何，经过很长时间。分布总会趋于平衡，这是无法证明的。但是人们却可以证明，经过某一长时间后，导致平衡分布的初始条件的数目比不能导致平衡分布的数目要大得不可比拟。”

玻耳兹曼的结论是：H定理是统计性的，它减少的几率最大，当然H也有增加的可能性，只是几率非常小而已，以至于实际上无法实现，所以宏观过程总是不可逆的。玻耳兹曼虽然依据经典力学摆脱了上述麻烦，但与此同时却产生了另—个矛盾，即热力学的统计性质与经典力学机械决定论的矛盾。

经典力学所受到的最大冲击来自电磁理论。在牛顿的影响下，超距作用的假设迅速传播到物理学的其他领域。由于人们能够从超距作用推导出数学上简单、优美的势理论，确实也有助于这种传播，而接触作用则仅仅用于变形体力学。因此，电磁现象的早期理论也是超距作用理论。直到十九世纪下半叶，在法拉第和麦克斯韦的影响下，情况才有所变化。

按照他们的电磁理论，电磁作用并不是即时传递的超距作用，而是通过电磁场(或以太)以有限速度传播的非超距作用。

爱因斯坦和英费尔德后来曾这样揭示两种理论体系之间的对立：电磁场定律“不像牛顿定律那样联系两个相隔很远的事件，它们不是把此处所发生的事情跟彼处的条件联系起来。此处的与现在的场只与最邻近的以及刚过去的场发生关系。假如我们知道此处和现在所发生的事件，这些方程便可以帮助我们预测在空间上稍微远一些，在时间上稍微迟一些会发生什么。它们能使我们用一些小步骤来增加场的知识，把这些小步骤加起来，我们便可以由远处所发生的事件推出此处所发生的事件。牛顿的理论恰恰相反，它是只允许把距离很远的事件联系起来的大步骤。”

另外，经典力学中运动着的质点是能量的唯一载体，具有能量并且可用空间坐标的连续函数来描述的场同质点一样，也是一种不能再简化的物理实在。这样，在经典力学和经典电磁学两种理论体系之间就存在着超距作用与媒递作用、间断的质点与连续的场的尖锐的对立。

2．3不识庐山真面目，只缘身在此山中

我们在上面对经典力学的基本概念和基本原理的局限性，以及经典物理学与经典力学的潜在矛盾进行了逻辑分析(不是历史描述)。诚然，经典物理学的形成和确立，是经典力学基本概念和基本原理推广的丰硕成果，但是随着时间的推移，这两种理论体系之间的裂痕也日益显露出来。

事实上，这种状况比我们分析的还要广泛，还要深刻。但是，当时的物理学家们十分迷恋经典力学，囿于机械自然观而不能自拔。他们看不到上述矛盾，至少是没有意识到矛盾的尖锐性。他们以循规蹈矩为至善，以改弦更张为异端，只是习惯地对经典力学修修补补，硬把那些带有革命性的新发现和新思想纳入旧有的理论框架之中。甚至连在统计力学和电动力学领域做出杰出贡献的麦克斯韦也不例外。尽管可以把麦克斯韦视为动摇了以力学作为物理学最终基础这一信念的人，可是他却在其自觉的思考中紧抱着机械自然观不放，把热、光、电现象统统归结为以太的力学作用。

1884年，威廉·汤姆孙好像发表机械观的宣言一样说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。

如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解。”威廉·汤姆逊为了用以太这一力学模型解释光、电、磁现象，竟然在1890年别出心裁地提出：电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光却是由以太波动式的振动引起的。

汤姆孙1888年的言论大体代表了—代物理学家的思想，他说：经典物理学五十年间所完成的主要进展，其“最引人注目的一个结果就是增强了用力学原理来说明一切物理现象的信念，促进了追求这种说明的研究。”他进而断言；“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上。”

玻耳兹曼1886年5月29日在皇家科学院的讲演中断然宣称：“如果你要问我，我们的世纪是钢铁世纪、蒸汽世纪，还是电气世纪，那么我会毫不犹豫地回答，我们的世纪是机械自然观的世纪……”

不仅机械自然观广为流行，而月力学先验论也风靡一时。在十九世纪八十年代前后，经典力学的基本概念和基本原理在物理学家当中造成一种权威性，并被人为地打上了“思维的必然性”，“先验地给予”等等烙印，使人们忘记了它们的世俗来源，而把它们当作某种一成不变的东西。

他们想，每一种自然现象必须用力学来解释，这不是偶然的、讲究实际的，而是合乎逻辑的、必然的。按照他们的观点，力学原理不仅仅是以经验为根据的、真实的定律，而且象几何学上的公理和定理—样，也是先验的或必然的真理。

在相当长的一段历史时间内，人们对牛顿及其力学的崇拜也达到迷信的程度。牛顿于1797年去世时，人们这样褒扬他：自然及自然之定律统统隐藏在暗夜之中，上帝说：“让牛顿干吧！”于是一切便大放光明。

拉格朗日也对牛顿大唱赞歌：只有一个宇宙，而且恰巧历史上也只有一个人是这个宇宙规律的解释者。正如前面已讲过的，这种迷信一直蔓延到十九世纪末，以致不少物理学家都持有这种维多利亚式的态度——经典力学与经典物理学已经完美无缺了，所有值得知道的东西都已经知道了。

“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。要使物理学家意识到经典力学基本概念和基本原理的局限性，下决心变革经典力学的基础，就必须使他们挣脱力学先验论和机械自然观的束缚，破除对经典力学的迷信。一个新的思想启蒙势在必行，恩斯特·马赫正巧在这种特定的历史条件下扮演了启蒙者的角色。

第三章把经典力学的基本概念从奥林帕斯山上拉下来

3．1历史背景

正是在这样的历史环境下，当动摇经典理论基础的新实验和新发现还未大量涌现时，当物理学家还沉浸在盲目乐观的情绪之中时，马赫就看出了经典力学理论框架的局限性。他于1893年出版了他的历史性著作《力学及其发展的批判历史概论》(以下简称《力学》)，对经典力学进行了全面的、深入的批判。

其实，从十七世纪末起，一些自然科学家和哲学家就批判了牛顿的绝对空间概念，其中最著名的是莱布尼兹和贝克莱。他们已很有可能——尽管绝不是完全可能——表明绝对位置和绝对运动在牛顿体系中根本没有作用，他们又确实从值得重视的美学要求方面成功地暗示出，—种关于空间和运动的彻底相对性概念以后必将出现。

但是，他们的批评是纯逻辑和纯哲学的，他们做梦也想不到向相对论体系过渡竟然会得到可观测的效应。由于他们的睿智超越了整整一个时代，他们没有，也不可能把他们的观点，同牛顿理论用于自然界所引起的任何问题联系起来。特别是由于人们对牛顿权威的崇拜和对经典力学的迷信，这些批判当然不可能激起多大的共鸣。其结果，他们的观点在十八世纪头几十年中就随着他们本人的去世而销声匿迹了。

到了十九世纪初期，对牛顿力学中的力、质量、惯性、作用与反作用等重要概念的批判性的分析就已经开始陆续进行了。这种具有代表性的评论不仅涉及到这批概念的形而上学性(它们不是来自经验，而是从哲学引出)，而且指出这些概念过于拟人化的特点(它们过多地从主体出发，因而被认为不能充分地描述自然界)。

卡诺就曾经提到，力的概念具有“神秘的和形而上学的性质”。他认为，象力这样的“不可*的本质”，“实体论的性质”，应当逐渐从科学中排除出去。基尔霍夫力图避免在力学中运用拟人性的概念，他纯粹用分析方法解释力的定义，为此他仅仅利用空间、时间和质量的概念。

但是，这些批判都比较零散和肤浅。尤其是，这些批判都是在不触犯流行的机械观的前提下进行的，因而不可能产生革命性的结果。正是马赫的《力学》，客观上完成了这项历史使命。

3．2马赫小传

马赫，1838年2月18日生于摩拉维亚地区布尔诺附近的切尔利斯·图拉斯，他在奥匈帝国几乎度过整个一生。他的父亲受过高等教育，后来在一个贵族家里做家庭教师，他的母亲爱好音乐、绘画和诗歌，生性快活，举止文雅。马赫的双亲为马赫提供了一个自由的环境，培育了他的不受约束的、批判的、顽强的科学好奇心和怀疑主义。

童年的马赫对外界事物具有极为强烈的好奇心，直到晚年，他还清晰地记得他儿时的—些趣事。他记得他两岁时如何在草地上拼命地奔跑，追逐正在落山的太阳；他记得他四、五岁时登上高耸的城墙时，惊讶地看到城下的人变得那么小；特别是磨房风车在风力的推动下不停地转动，给马赫幼小的心灵留下了永不磨灭的印象。马赫后来在研究康德的因果概念时，常常回忆起这些童年的经验。他写道，“这个印象把我的幼稚的思想从信仰奇迹的暧昧阶段，提高到因果观念的水平。从此，我不再把我不理解的事物看作背后有什么神秘物存在了。”

九岁时，马赫被送到一所僧侣主办的学校学习。学校的教师认为他“没有天赋”，父亲只好把他带回家。直到十四岁，马赫基本上都是在家里接受父亲教育的，并干一些庄稼活和木工活。

十五岁那年，天真活泼的马赫进入公立中学上高年级。他对那些没完没了的宗教训练十分反感，特别尊敬博物学教师，津津有味地听老师讲拉马克的进化论和康德—拉普拉斯的宇宙演化论。父亲的丰富藏书也给了马赫以源源不断的精神力量，年轻的马赫如饥似渴地读完了康德的《未来形而上学导论》，从中受到极大的启发，这种启发也引导他对力学进行历史的批判的研究。

在维也纳大学经过五年数学、物理和哲学的学习之后，1860年马赫以放电和感应的论文考取了博土学位，这使得他后来成为一个训练有素的物理学家。然而，他一生的大部分时间却是忙于生理学、心理学以及科学史、科学哲学等问题的研究。事实证明，马赫是一位敏锐的、富于想象力的科学理论批判家。

3．3马赫在《力学及其发展的批判历史概论》中对经典力学的批判

马赫是从1870年开始研究科学史的。有足够的证据表明，马赫精通拉丁文、希腊文、法文、意大利文和英文。马赫在研究中审查了这些文种的第一手原始资料，此外他也非常熟悉第二手文献。从马赫的私人信件可以看到，他与国际学术团体进行着思想交流，加之他在1883年之前就多次作过批判经典力学的尝试，这一切都有助于他完成《力学》这一在物理学领域中划时代的著作——《力学》的出版也许可以说是标志着《原理》绝对统治时代的终结。

按照马赫的见解，一个伟大的科学家必须象牛顿那样具备两大特点：从世界的经验中把握本质要素的想象力和理智的概括能力。在《力学》中，马赫详细介绍了经典力学的基本观点，充分肯定了牛顿及其后继者的历史功绩，盛赞了《原理》表述的明晰性，同时提出有力的证据，以改造经典力学的基本概念和基本原理。尽管马赫注意用真正的科学精神进行讨论，但是《力学》的字里行间还是颤动着一种难以压抑住的激昂基调，并不时流露出论战的狂热。

马赫以怀疑的经验论哲学为武器，揭示出经典力学基本概念和基本原理的先验本质。马赫在《力学》德文初版的前言中公开申明，这本书的“倾向是相当富有启发性的，或者还可以讲得更清楚些，是反形而上学的。”结束力学的优越地位，并进而给机械观以沉重打击，也是马赫的本意。

《力学》共分为五章，它们分别是：“静力学原理的发展”、“动力学原理的发展”，“力学原理的推广运用和力学的演绎发展”，“力学的形式发展”、“力学和其他知识范围的关系”。

在《力学》中，马赫想要通过对科学根源作批判性的、历史上的和心理学上的研讨，来揭露形而上学的暧昧性、因袭下来的拟人说以及模棱两可的看法，并且论证其对科学进行呆板解释方面的人为性。马赫试图说明这样一些问题：我们对力学的科学内容有些什么样疑问，我们是如何得到这些内容的，我们是从何处导出它们的，它们能在什么程度上为我们牢固地占有。

马赫具体地考察了一些力学原理的“证明”。他指出，在所有这些“证明”的背后，都隐含着某种人为的先入之见。马赫认为，在牛顿力学中，应该把基于经验的部分与任意约定的部分区别开来，目前的力学形式是由历史的偶然性决定的。马赫力图使人们相信，自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造，而只应该从经验中引出。他断言：“一个超出认识范围的东西，一个不能被感觉到的东西，在自然科学中是没有意义的。”

对经验论哲学充满自信的马赫力图用统统消灭假设的方法，来清洗经典力学的基本概念和基本原理。马赫不喜欢牛顿的质量概念(“物质的量”)，“因为这种描述本身并不具备必要的明晰性。即使我们象许多作者所做的那样，追溯到假设性的原子也是如此。我们这样做，只能使那些站不住脚的概念复杂化”。正由于“我们不能把明晰的概念与‘物质的量’联系起来”，因此这种概念无助于质量的实际测量。

他认为牛顿的质量定义(体积与密度之积)是一个“伪定义”，而“质量的真正定义只能从物体的力学关系中推导出来”，为了使“应用具体化”，他基于作用与反作用原理提出：“物体由于相互作用，只要彼此产生大小相等、力向相反的加速度，那么这些物体的质量就相等。”他进而指出“质量比就是对应加速度的负反比”，并以此作为相对质量的定义。

这样一来，不仅不同的物体能够用相同的标准来量度，而且也使牛顿的作用与反作用原理成为多余的东西，这样便支持了他的思维经济原理。

在使质量成为可测量的量以后，马赫接着以此为基础把力定义为质量与加速度之积。这样，质量和力都变为可观察物体的可观测特性，从而“消除了所有的形而上学的朦胧”。在这里，马赫对质量和力的处理引进了一种方法，这种方法后来被加以提炼，并被应用于以操作主义命名的布里奇曼的物理学哲学。

马赫反对把惯性看作是物体固有的性质，而把它看作是物体与宇宙之间动力联系所规定的本质。他断言：“把惯性看作是自明的，或者企图从‘因果持续’这个—般原则推出惯性，无论如何是完全错误的”。按照马赫的主张，在一个虚空宇宙中的物体是没有惯性的。一个系统的惯性可以归结为在这一系统和静止宇宙之间的函数关系，包括相互作用的物质系统的最远部分，谈论孤立物体的惯性毫无意义。

《力学》中最有名的一节就是对牛顿绝对时空观的批判，这一节的一些段落是精萃的，格外引人入胜。马赫批判道：“我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系，互相依赖的，并且我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分”。同样，时间不言而喻也是不能独立自存的。“时间是一种抽象”，“利用和通过事物的相互联系，我们达到我们的时间观念，这些观念是我们描述事物的最深刻最普遍的观念”。然而，绝对时间无法根据比较运动来量度，无法与经验观测相联系，因此“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是—种无用的形而上学概念”。

根据同样的理由，马赫建议取消绝对空间和绝对运动的概念。他认为，从这两个概念不能演绎出可观察的事物，因为它们是“纯粹的思维产物，纯粹的理智构造，它们不能产生于经验之中”，所以只不过是一种“干巴巴的概念”而已。如果我们以事实为立足点，我们就不难发观，我们知道的仅仅是相对空间和相对运动。

因此马赫强调指出：“回到绝对空间是大可不必的，因为参照系如同在其他任何情况中一样，都是被相对地确定的。”马赫指出：“牛顿旋转水桶的实验只是告诉我们，水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球的质量和其他天体的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，最后达到好几里厚时，那时就没有人能说这实验会得出什么样的结果”。马赫断言：“正如我们已经详细证明的，我们的所有力学原理都是关于相对位置和相刘运动的知识。”

马赫对牛顿在《原理》中的宣言(即有关的定义和定律)也进行了系统的批判。例如，针对牛顿的三大运动定律，马赫批判道：我们容易发现，第一和第二定律包括在前面所说的力的定义之中。根据力的定义，没有力也就没有加速度，结果物体就只能处于静止或做匀速直线运动。而且，在把加速度作为力的量度之后，再又去说运动的变化正比于力，这完全是不必要的同义反复。可以充分地说，作为前提的定义并不是任意的数学定义，而要符合实验给出的物体的特性。

第三定律显然包含着某种新的东西。但是，我们已经看到，没有正确的质量概念，它就难以被理解，而正确的质量概念只能够从力学实验中得到，这又使得第三定律变得毫无必要。

马赫在对经典力学进行批判的时候，其矛头直指力学先验论，马赫指出：“我们思考的最重要的结果就是，即使表面上看起来最简单的力学定律，实际上也具有十分复杂的特征，这些定律停留在未完成的、甚至永远也不会终止的经验上，……决不应该把它们看作数学上确定了的真理，而宁可看作不仅能够被经验永恒支配，而且也需要由经验来永恒支配的定理。”

在马赫看来，尽管力学原理从历史的观点来讲是明白易懂的，它的缺陷也是可以谅解的，并且在一个时期内具有重大的价值，“但是总的说来，它却是一种人为的概念”。“即使它们现在在一些领域内被认为是有效的，但是它们不会，也从来没有不预先经过实践检验就被接受。没有一个人敢担保能把这些原理推广到经验界限之外。事实上，这样的推广是毫无意义的……”。

马赫觉得，要了解力学原理，实际上只能凭人们在科学探索中所积累的经验。诚如爱因斯坦所说的，马赫依据经验论的哲学，把那些“从经验的领域里——在那里，它们是受我们支配的——排除出去，而放到虚无缥渺的先验的顶峰上去”的基本观念，一个一个地“从先验的奥林帕斯山上（古希腊神话中众神居住的天堂）拉下来”，揭露出“它们的世俗血统”，“把这些观念从强加给它们的禁忌中解放出来”。

在“力学和其他知识范围的关系”一章中，马赫比较集中地批判了机械自然观。在马赫看来，现在人们从前人那里学到了一种成见，错误地把真实世界看作是一个机械大厦，认为一旦弄清了它的构造，那么便会无所不知，无所不晓。

诚然，所有的自然现象都与力学过程有关，而且力学也出现得较早，人们便不得不用已经通晓的力学原理来解释未知的现象。但是，马赫强调指出，纯粹的力学现象是不存在的，它总是与其他现象伴随着，“纯粹的力学观象只是我们为了便于理解事物，有意或出于需要而作出的抽象”。

例如，相互加速度的产生看来纯粹是力学现象，但是热，磁、电、化学现象总是与动力学结果相联系，并且当后者被确定时，前者总要局部地加以修正。马赫认为，严格地说来，每一个事物都属于物理学的所有分支，它们只是因为人为的分类而被分开，这部分是由于人们的习惯，部分是出于生理学上的方便和历史上的方便。

但是，“在历史上早先获得的知识没有必要成为后来陆续获得的知识的基础。当越来越多的事实被发现、被分类后，适用于普遍领域的全新观念就能够形成”。

马赫举例说，在力学中得到的能量守恒定律，尽管可以应用于其他物理学领域，这似乎可以看作是力学作为所有自然作用的基础的表观。“然而，在这种表现中，除了力学现象和其他各类现象之间量的不变关系外，就再也没有包含什么东西了。”

马赫进而指出，不恰当地扩大一些结论的适用范围，通过力学而把它们引入物理学，并且以此为先决条件，这实在是一个错误。马赫断言，力学并不具有凌驾于其他学科之上的特权，机械观是毫无道理的，“把力学当作物理学其余分支的基础，以及所有物理现象都要用力学观念来解释的看法是一种偏见。”在同时代的物理学家当中，象马赫这样旗帜鲜明地向机械自然观宣战的人，恐怕是绝无仅有的。

马赫在《力学》中多次强调，对过去时代的伟大物理学家的评价，不应妨碍历史学家讨论他们的主要局限性。其实，马赫本人在批判经典力学的过程中也出现了一些错误和混乱，这既与他的哲学立场有关，也与他的科学思想有关。

众所周知，十九世纪后半叶，机械论的科学观受到科学发展的冲击而逐渐走向衰落，马赫是最早洞察到这种倾向的人之一。为了挽救科学世界观的危机，使科学的世界图象不致随机械论图象一起走下坡路，他强调经验论，反对力学先验论和机械自然观。为了给各门学科谋求一个统一的基础，他选取了一条纯粹经验主义的路线，力图从科学中排除一切不能由经验证实的所谓“形而上学”的命题。这种哲学立场和科学观尽管在当时起到了积极的作用，但是终究不能适应科学发展的需要。

马赫的致命错误在于，他在抛弃机械唯物主义的同时也抛弃了整个的唯物主义。另外，马赫在批判经典力学的过程中也存在着一些逻辑混乱。尽管如此，《力学》仍不失为“真正伟大的著作之—，并且是科学历史著作的典范”(爱因斯坦语)。

3．4马赫是在敲着敞开的大门吗？

马赫对经典力学的批判，对于削弱当时占统治地位的力学先验论和机械自然观，认清经典力学基础的虚构性质无疑起了积极作用。它有助于破除迷信，解放思想，为新发现和新理论的提出创造了一种必不可少的自由气氛。

事实上，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每—个历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。有人认为，马赫恰恰是在特定的历史时期扮演了这种启蒙者的角色，这是不无道理的。

显而易见，马赫对经典力学的批判绝不是穷极无聊的游戏，也不是在敲着敞开的大门。实际上，在十九世纪四十年代，由马克思和恩格斯所创立的辩证唯物主义并没有在物理学家中间得到传播。在此之前，虽说在黑格尔的著作中已经有了广博的辩证法纲要，但科学家对黑格尔派“自然哲学”式的态度根本不感兴趣，甚至觉得格外讨厌。更为重要的是，这些辩证的思想并没有与具体的物理学问题结合起来。

事实上，在马赫之前和马赫的同时代，虽则也有一些人偶尔提出类似的观点，但是从来没有一个人把这些观念讲得象他那样透彻，并且有那样宽广的门路，也从来没有一个人象他那样把这些观念可*地落实到科学的土壤里，落实到物理学里。

由于当时的物理学家不会辩证地思考问题，就这样，诚如爱因斯坦所说，直到世纪之交，那些受传统思想束缚的物理学家依然把经典力学的基本概念和基本原理珍藏在“绝对的东西”、“先验的东西”的“珠宝箱”内，宣称它们是天经地义、神圣不可侵犯的宝物。当具有创新精神的物理学家出于“这门科学发展的需要，要用一个更加严格的概念来代替一个习用的概念时”，这些人“就会发出严厉的抗议，并且抱怨说．这是对最神圣遗产的革命的威胁”。甚至在狭义相对论出现后多年，一些物理学家还死死抱住牛顿的绝对时空概念不放。在这样的历史条件下，怎么能说马赫的批判是穷极无聊的游戏或敲着敞开的大门呢？

事实上，当时物理学通向新领域的大门还关闭得严严实实，并没有被辩证唯物主义所打开。在这种背景下，马赫分析了那些流行已久的概念，指明它们的正确性和适用性所依据的条件，指明它们是怎样从经验所给予的东西中一一产生出来的。这样一来，它们的过大权威性就会被戳穿。如果它们不能被证明为充分合法，它们就将被抛弃，如果它们同所给定的东西之间的对应过于松懈，它们就将被修改，如果能建立一个新的、由于无论那种理由都被认为是优越的体系，那么这些概念就会被别的概念所代替。

马赫对经典力学的系统批判，使这扇大门松动了一些，这并不是马赫的不幸，恰恰是他的功绩。要说不幸，其实正是那些力学先验论者和机械论者，他们不仅不去敲这扇紧闭着的大门，而且还重重设防，极力阻止别人去敲。

诚然，“如果理论自然科学家愿意从历史地存在的形态中仔细研究辩证哲学，那末这一过程就可以大大地缩短。”然而，历史的发展往往不像人们设想的那样顺利和简单，“历史有它自己的步伐，不管它的进程归根到底是多么辩证的，辩证法往往还是要等待历史很久。”(恩格斯《自然辩证法》)

3．5物理学革命行将到来的先声

马赫的《力学》在当时产生了较大的影响。该书用德文总共出了九版(马赫在世时出了七版)，并且在1912年之前已被陆续译为英文、法文、意大利文和俄文，后来又有日文等译本问世，几乎传遍了整个世界。可是，正如马赫1912年在德文第七版的序言中所说：“四十年前，当我第一次阐述在这本书中所解释的思想时，它们只能得到很少的同情，事实上常常遭到反驳。只有几个朋友……对这些思想极感兴趣”。但是到1883年，情况已有所变化。《力学》第一版受到人们善意的欢迎，在不到五年的时间内，一批印数很大的《力学》书就被抢购一空，并为德语国家的科学界所重视。

在世纪之交，马赫对经典力学的批判和在《力学》中所表达的科学哲学思想在物理学家中间产生了较为深远的影响，导致了对经典物理学的科学与哲学基础的生气勃勃的讨论。情况正如爱因斯坦所说的：“马赫曾以其历史的批判的著作，对我们这一代自然科学家起过巨大的影响，在这些著作中，他以深切的感情注意各门科学的成长，追踪这些领域中起开创作用的研究工作者，一直到他们的内心深处。我甚至相信，那些自命为马赫反对派的人，可以说几乎不知道他们曾经如同吮吸他们母亲的乳汁那样吸取了马赫的多少思考方式”。爱因斯坦这样说不是毫无缘由的，马赫的批判思想从十九世纪八十年代起确实已经广泛地变为当时智力武器的一部分。

马赫的《力学》对爱因斯坦创立相对论产生了引人注目的影响。在他的一位大学生朋友贝索的建议下，爱因斯坦1897年第一次读到《力学》，在从1902年3月开始的“奥林比亚科学院”时期，他和他年轻时代的朋友哈比希特和索洛文又学习和讨论了这一著作。在世纪之交这个追寻科学原理基础的英雄时代，马赫坚不可摧的怀疑态度和独立性，对于力学先验论和机械自然观的系统批判，以及对经典力学基础的深遭洞察无一不给爱因斯坦以激励和启迪。

与爱因斯坦交往甚密的物理学家和科学哲学家弗兰克认为：“在狭义相对论中，同时性的定义就是基于马赫的下述要求，物理学中的每一个表述必须说出可观测量之间的关系。当爱因斯坦探求在什么样的条件下能使旋转的液体球面变成平面而创立引力理论时，也提出了同样的要求。……马赫的这一要求是一个实证主义的要求，它对爱因斯坦有重大的启发价值。”

美国著名科学史家霍耳顿指出，在相对论中，马赫影响的成分显著地表现在两个方面：其一是，爱因斯坦在他的相对论论文一开始就坚持，基本的物理学问题在做出认识论的分析之前是不能够理解清楚的，尤其是关于空间和时间概念的意义；其二是，爱因斯坦确定了与我们感觉有关的实在，即“事件”，而没有把实在放到超越于感觉经验的地方。

尽管爱因斯坦并没有完全接受类似于上述的观点，尽管他后来对马赫的狭隘经验论持明确的反对态度，但是他并没有忘记马赫对他的积极影响．爱因斯坦先后多次指出，马赫为相对论的发展“铺平了道路”；十九世纪“所有的物理学家，都把古典力学看作是全部物理学的，甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础”，“是恩斯特·马赫，在他的《力学》中冲击了这种教条式的信念，当我是一个学生的时候，这本书正是在这方面给了我深刻的影响”。

在创立狭义相对论的过程中，爱因斯坦由于阅读了休谟和马赫的著作而获得了批判性的思想，一举把时间的绝对性和同时性的绝对性从潜意识中排除出去，从而取得了决定性的进展。

在创立广义相对论的过程中，马赫对于惯性本质的理解也使爱因斯坦深受启发。爱因斯坦在1918年“关于广义相对论的原理”的论文中特意提出了“马赫原理”，以强调马赫的主张。这就是，一个孤立物体的惯性是没有意义的；惯性必须归结为物体的相互作用，惯性结构是由宇宙中质量的分布决定的；一个物体的惯性力是这个物体同远距离物质的相互作用。

其实早在1913年6月25日，爱因斯坦在致马赫的信中就写道，如果在日食时能观测到星光被太阳的引力场弯曲，“那么您的有关力学基础的天才研究——不顾普朗克不公正的批判——将获得光辉的证实。因为一个必然的结果是，完全按照您对牛顿水桶实验的批判的含义，惯性来源于相互作用”。虽然马赫至死都厌恶相对论，但是爱因斯坦还是实事求是地称他为“相对论的先驱”。

马赫——这位从孔德实证主义到逻辑实证主义的中途人物——在《力学》和其他著作中所阐述的科学哲学思想也直接或间接地影响了一批量子物理学家，特别是哥本哈根学派的一些主要成员。玻尔的科学思想中不乏马赫思想的成分；玻恩认为实证主义在科学中是一股生气勃勃的力量，它促成了相对论和量子论的建立；海森伯指出，马赫的思想途径无疑促进了从普朗克发现以来的物理学的发展；约尔丹是一个极端的马赫主义者，公开声称他是马赫的信徒；泡利深受马赫的影响，因为马赫是他的法定教父，他的父亲也是一位马赫的狂热追随者和积极支持者；与哥本哈根学派学术思想不相同的薛定谔也采纳了马赫的科学方法论；甚至连马赫的无情反对者普朗克也曾说过“马赫实证主义”的某种“功绩”。

当然，马赫批判经典力学所依据的哲学有致命的弱点，特别是他没有认识到科学思想中本质上具有构造的和思辨的性质，因而不能完全适应相对论和量子沦发展的需要。因此，普朗克和爱因斯坦等人先后背离了马赫实证主义哲学，并对马赫进行了中肯的批评。

但是，在世纪之交物理学革命的前夕和初期，马赫的批判性思想无疑对物理学的革命性变革起了启蒙作用和推动作用。从这种意义上讲，马赫在《力学》中对经典力学的批判可以说是物理学革命行将到来的先声

第四章 山雨欲来风满楼

物理学理论的正确与否，归根结底必须用实验来检验。理性的批判固然有助于动摇经典力学的基础，但要最终摧毁它，还需要一系列的实验事实。大量为旧理论所无法解释的实验事实，即所谓“反常现象”的涌现，才能最终导致旧理论的危机，促成新理论的诞生。

1.1以太之谜和迈克耳逊—莫雷实验

从十九世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对传光媒质以太议论不休，其中一个重要问题就是以太和可称量物质(特别是地球)的关系问题。

当时，有两种针锋相对的观点。菲涅耳在1818年认为，地球是由极为多孔的物质组成的，以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率近于1，因而不能或者只能极其微弱地曳引以太，可以把地球表面的以太看作是静止的。

斯托克斯认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因而是不能容许的。他于1845年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象(由于地球公转，恒星的麦观位置在一年内会发生变化)，因而人们普遍赞同它。

假使静止以太说是正确的，那么由于地球公转速度是每秒三十公里，在地球表面理应存在“以太风”。多年来，人们做了一系列的光学和电学实验(即所谓的“以太漂移”实验)，企图度量地球通过以太的相对运动。但是，由于实验精度的限制，只能度量地球公转速度和光速之比的一阶量，这些一阶实验一律给出否定的结果。

随着麦克斯韦电磁理论的发展，人们了解到，与地球公转速度和光速之比的平方有关的效应，应该能在光学和电学实验中检测到。因为麦克斯韦理论隐含着，光、电现象有一个优越的参照系，这就是以太在其中静止的参照系，以太漂移的二阶效应理应存在。但是这个实验精度要求太高，一时还难以实现。

其实，麦克斯韦早在1867年就指出，在地球上做测量光速的实验，因为光在同一路径往返，地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879年，麦克斯韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划，当时在事务所工作的迈克耳逊采纳了这一建议。

1881年，迈克耳逊正在德国柏林赫尔姆霍兹手下留学。由于在柏林无法完成实验，迈克耳逊把别人为他建造的整个装置运到波茨坦天体物理观测站进行实验。他所期望的位移是干涉条纹的0.1，但实际测得的位移仅仅是0.004～0.005，这只不过相当于实验的误差而己。

显然，否定结果(也称“零结果”)表明，企图检测的以太流是不存在的。迈克耳逊面对事实不得不认为：“静止以太的假设被证明是不正确的，并且可以得到一个必然的结论：该假设是错误的”，“这个结论与迄今被普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾”，“他不能不与斯托克斯1846年在《哲学杂志》发表的论文附加摘要相一致”。

不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881年冬，巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误(估计的效果比实际大了两倍)，洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳逊还是其他人，都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值，对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。

1884年秋，威廉·汤姆逊访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就1881年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于1887年7月在克利夫兰重新进行了实验，此时的迈克耳逊已是克利夫兰城凯思应用科学院的教授了。

为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返八次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实测值还达不到0.01。

迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”

1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望，他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。

迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。

洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐，他在1892年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，……我们就根本不会有一个合适的理论了”。洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克耳逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”

瑞利在1892年的一篇论文中认为：“地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”，并敦促迈克耳逊再做一次实验。威廉·汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。

顺便说说，迈克耳逊的实验工作和爱因斯坦的相对论在历史上并无什么直接联系。但是在1900年前后，他的“以太漂移”实验对洛伦兹等人的电子论却产生了毋庸置疑的影响。尽管学术界对该实验的历史作用仍有不同的看法，但迈克耳逊本人晚年仍念念不忘“可爱的以太”。直到1927年，他在自己最后一本书中谈到相对论己被人们承认时，仍然对新理论疑虑重重。

迈克耳逊—莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说，而静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境，斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”。

他们认为，由于干涉仪的管在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度，这样便补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移，从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进而认为，这种收缩是真实的动力学效应，对于物质来说具有普遍意义。拉摩也十分赞同这一看法，他证明如果物质由电子组成，这种情况便能够发生。

4．2经典能量均分定理面临困境

反常现象接踵而来，经典的能量均分定理也与气体比热的实验结果发生了尖锐的冲突。1857年，克劳修斯把分子的速度看作是一定的，得出了分子动能与绝对温度成正比的结论。他检查了定压热容量与定容热容量的比值后指出，必须考虑分子的自由度。

麦克斯韦认为，气体分子具有各种各样的速度，他从概率的角度处理了这个问题。他把气体分子看作刚性球，并在1859年证明：处于热平衡状态下的气体，所有分子的每个自由度平均分配KT/2的能量，其中K是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。玻耳兹曼后来又把平均动能相等的定理推广到任何无限大数目的粒子系中去。因此，该定理也被称为麦克斯韦—玻耳兹曼能量均分定理。

能量均分定理能够解释许多现象，对于常温下的固体和单原子气体的比热，它也给出了较为满意的结果。但是对于双原子和多原子气体，实测的定压热容量与定容热容量的比值显著地大于理论计算值。面对这种差异，连统计力学创始人之一的吉布斯也不得不承认：“众所周知，理论要求双原子气体每个分子具有六个自由度，在我们的比热实验中，我们发现自由度不能多于五个。的确，人们正在一个不牢*的基础上进行建设。”

其实，麦克斯韦和玻耳兹曼也注意到他们的学说与实验事实的不可调和的矛盾。玻耳兹曼建议用分子和周围以太的相互作用来加以解释，但是麦克斯韦却指出，这条道根本走不通，它只会带来更多的麻烦。

在十九世纪的最后十年，威廉·汤姆逊、瑞利、金斯、彭加勒等人都对这个课题进行过细致的分析。瑞利一直是麦克斯韦—玻耳兹曼学说的坚定支持者，他在1900年发表的短文“动能均分定律”中指出，人们面临的基本困难“不仅仅与气体运动论有关，确切地讲，而且也涉及到一般动力学”，它破坏了根据能量均分定律进行“计算的简单性”。

但是，瑞利这位经典观念的维持者却坚持认为：“似乎所希望的东西就是避免破坏关于能量均分这一普遍结论的简单性。”

4．3物理学上空的“两朵乌云”

在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演。

开耳芬勋爵本名威廉·汤姆逊，是英国杰出的理论和实验物理学家，二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。他在电磁学和热学研究方面取得了显著的成就，一生共发表了约七百篇科学论文。从1858年起，他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。他还为大不列额建立了第一所物理实验室。由于卓著的成就和出色的贡献，他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员，1890年到1895年担任皇家学会会长，1892年被封为开耳芬勋爵。

开耳芬勋爵后来以新世纪初的这次讲演为基础写了一篇文章，补充了从1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)为止的十三个月的工作，扩展了在讲演中阐述的问题。他的秘书安德森帮他绘制了各种精确的几何图形，进行了许多代数和算术运算，核对了大量的个别结果。开耳芬的文章以“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”为题，刊登在了1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。

文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论；它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。”

关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运动时，原子就要排除它们前面空间中的以太——那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。

开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，他不同意托马斯·扬的下述看法：以太在物体分子和原子间通过时，犹如清风吹过树丛一样，并不是完全自由的。

按照菲涅耳的静止以太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可*的”，“无论在实验的设想方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。

然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得“实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为，这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓密的。”

开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的可能性。”

他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数学定论没有证明，实验定论也不可*。与瑞利企图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对，开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途径就是否认这一结论”。

他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二十世纪初就可以使其消失。”

在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视世纪之交物理学革命洪流的冲击。

4．4山雨欲来风满楼

然而，开耳芬毕竟把物理学的天空看得过于晴朗了。其实，当时物理学的天空上又何止“两朵乌云”！早在开耳芬演讲之前，就已经是“黑云压城城欲摧”，“山雨欲来风满楼”了！物理学早就陷入到严重的危机之中了，物理学革命的急风暴雨在一些领域已经降临了。

事实上，在十九世纪末，黑体辐射、光电效应、原子光谱等实验事实也接二连三地和经典力学和经典物理学的理论发生了尖锐的对立。实际情况比我们所述的还要广泛，还要深刻。

物理学革命可以说是从1895年揭开序幕的。特别是由于放射性的发现和研究，有力地冲击了原子不可分、质量不可变的传统物质观念，动摇了经典力学和经典物理学的基础。新发现一个接一个地写入物理学的编年史，就连那些坚持旧观点的人，也无法反对大量确凿的实验证据，至多只能抱一种走着瞧的态度。

1895年11月8日到12月28日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了具有惊人贯穿能力的X射线。

1896年，法国物理学家贝克勒耳发现铀元素具有放射性。

1897年，英国的J.J汤姆孙和荷兰的塞曼分别测定了阴极射线的荷质比，确证了电子的存在。

1898年，居里夫妇(皮埃尔·居里，玛丽·居里—斯克罗多夫斯卡)又发现了放射性极强的新元素钋和镭。

1899年，卢瑟福把注意力转向辐射本性的研究，他和索迪于1902年提出了元素蜕变说。居里又于1903年测定了镭的热效应。

X射线的发现和放射性的研究摇撼了十九世纪的一些传统科学观念，引起了极大的轰动。当时各种报纸和科学杂志都充满着报道这方面内容的大字标题。

彭加勒曾把镭誉为“当代伟大的革命家”；克鲁克斯中肯地评论道：“十分之几克镭就破坏了化学中的原子论，革新了物理学的基础，复活了炼金术士的观念，给某些趾高气扬的化学家以沉重的打击。”；密立根的激动心情也可以从他1904年初写的两篇通俗文章中略见一斑：“古代炼金术家的梦想是真的，对放射性元素来说，全部都缓慢而自发地嬗变为别的元素

第五章危机是革命的前夜

世纪之交，一系列接踵而至的新发现不仅动摇了整个物理学的基础，而且也震撼了两百多年来在物理学领域占统治地位的机械观，于是导致了所谓的物理学危机。

危机是科学发展进程中的一个重要价段，旧理论的基础业已摇摇欲坠，新理论的基础尚未确立或巩固之时，就是科学的危机时期。

危机是科学革命的前夜，是新理论诞生的前奏，它能够加速旧理论框架的变革和新理论框架的建立。只有清醒认识到危机和产生危机的根源，才有可能毅然决然地抛弃旧理论框架，自觉地寻求新理论框架，并以此为基础重建新的理论体系。

相反，看不到危机的根源和危机的严重性，就难以感觉到变革旧理论框架的必要性和紧迫性，至多只能在旧理论的框架内修修补补，甚至还会把别人所发现的触及旧理论基础的新现象、所提出的革命性的新概念和新理论当作异端邪说加以反对。

世纪之交，是物理学基础急剧变革的时期，是物理学危机与革命交织着的时期。当时，物理学家是怎样看待物理学危机的呢？

5．1彭加勒论物理学危机

当时的大多数物理学家都没有觉察到物理学危机，至少是没有意识到危机的严重性。他们依然坚信经典力学的理论框架是整个理论物理学大厦赖以建立的基础，是其它科学分支赖以产生的根源。谁也没有想过，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。因而，他们看不清物理学发展的形势，找不到摆脱危机的出路，只是企图在旧理论的框架内进行修补。

与几乎所有的老一辈的物理学家不同，法国著名科学家朱尔·昂利·彭加勒在物理学新实验与旧理论尖锐冲突的时期，敏锐地觉察到物理学的危机。他在二十世纪开头几年先后写了三本书(《科学与假说》1902年；《科学的价值》1905年；《科学与方法》1908年)，都或多或少地谈到这个问题。特别是在《科学的价值》中，他更为明确、系统、全面地论述了物理学危机。

彭加勒这样写道，数学物理学“有着严重危机的迹象”，“不仅能量守恒定律成了问题，而且所有其他的原理也同样遭到危险，正如它们相继受到审查时我们将要看到的那样”。在“数学物理学当前的危机”一章中，彭加勒列举并分析了新的实验事实与经典物理学五个基本原理的矛盾。他指出，卡诺原理或能的退降原理告诉我们，运动能因摩擦而转化为热，热却不能全部转化为运动。但是，古伊通过深入研究布朗运动发现：微粒愈小，运动愈活泼，并且该运动不依赖于外部能源而能永无休止地进行下去。

在布朗运动中，运动因摩擦而转化为热，反之，热也能毫无损失地转化为运动。“这与卡诺原理相反”，该原理“已眼看着处于危险之中”。

相对性原理虽然受到电磁理论的冲击，但它“已为日常经验所证实”，并且“以一种不可抗拒的方式印进人们健全的感觉中，而现在却受到了非难”。因为迈克耳逊实验虽然支持相对性原理，但是洛伦兹为了调和该原理与电动力学的矛盾，提出的当地时间和长度收缩等辅助假设也难以解释其他实验事实。

按照电子论，两个电子之间的作用只能以有限的速率传播，不可能同时进行。因此牛顿原理，或作用与反作用原理也遇到了“同样的困难”。

由于亚伯拉罕的计算和考夫曼的实验，拉瓦锡原理，或质量守恒原理也“失去其正确性”。考夫曼的实验结果“如果确定，就会产生全新的力学”。迈尔原理，或能量守恒原理也与镭源源不断地放出能量这一事实相违背。拉姆塞力求证明，镭虽然储藏有大量的能，却也不是无穷无尽的。由于镭嬗变的耗尽期需一千二百五十年，因此，尽管迈尔原理“似乎更为牢固”，但在“等待此日到来之时，我们的疑虑依然存在。”

彭加勒的上述分析大体反映了当时物理学所面临的严峻形势，说明物理学的基本原理需要重新受到实验的审查和裁决。固然，用今天的科学观点来衡量，他的分析不见得完全妥当，而且遣词用语也并非都十分确切。但是，彭加勒的论述并不像有人说的那样，是“完全是别有用心的歪曲”，“把自然科学革命污蔑为‘危机’”。其原因主要在于，当时的物理学界对这些问题还没有合理的答案。

例如，对于镭持续放出热量而质量并末觉察出有什么变化的现象，许多物理学家都迷惑不解，这似乎与能量守恒原理不相容，彭加勒对质量守恒原理的怀疑也出自该实验事实。

考夫曼在1901年测定镭射气的荷质比时发现，由于射气的速度接近光速，其表观质量比真实质量显著变大。1902年，考夫曼采纳了阿布拉罕刚性球电子假设，他用实验证明，电子的质量完全是电磁质量，其机械质量为零。更为重要的是，考夫曼得到了电子的质量依赖于速度的证据(考夫曼的计算有错误，1908年有人指出了这一点)。

爱因斯坦在1905年写的一篇论文中提出了质能关系式，并且指出“物体的质量是它所含能量的量度”。于是“质量守恒原理失去了它的独立性，而同能量守恒原理融合在一起了”。但是，彭加勒在写《科学的价值》时，还不知道这些论断，而且这些论断也未立即得到实验证实。这样，彭加勒从已知的事实出发，对这两个原理提出质疑，本身是十分自然的，根本谈不上“别有用心”和“污蔑”。

正由于彭加勒看到了旧原理的危机，因此他迫切地感到，“物理学有必要重新改造”。但是他告诫人们：“没有必要因此而得出结论说，科学编织的是珀涅罗珀之网，它只能以短命的结构出现，这种结构不久便不得不被科学自身之手彻底加以拆毁。”

彭加勒认为“乍看起来，理论似乎是脆弱的，而且科学史向我们表明，它们往往如昙花一现。但是，每一种理论也不能完全消灭，总要保留下某种东西，我们必须设法加以清理。因为正是在那里，才有着真正的实在。”

彭加勒反复强调下述观点：科学是有继承性的，新原理的出现并未全盘否定旧原理，旧原理不仅有其历史价值，而且在有效适用范围内还有其实用价值。彭加勒写道：“科学的进步似乎使得过去牢固建立起来的、甚至被视为基本的原理处于危险之中。可是，没有证据表明它们是不可挽救的，即使它们不能原封不动地存在，但也能够经过修正而继续有效”。由于科学日新月异地发展，其面目可能已经大为改观，“以至于一般人已无法辨认了，但是在行家看来，总是能够追寻到数世纪之前工作的踪迹。”彭加勒断言：“旧原理为新原理之祖，旧原理的发现者并非劳而无功”，“在今日的科学之中，我们还能够看到父辈们所描绘出的梗概的一般特性”。

正因为旧原理“还是有用的”。所以彭加勒指出：“应该有必要为它们保留一席之地。假若要完全排除它们，就会使我们失去宝贵的武器”。彭加勒还强调指出：“物理学的基本原理具有极高的价值，这是人们在许多物理规律的陈述中寻求共同点时才得到的；因此，它们似乎代表着无数观察的精髓。”因此，说彭加勒“否认、怀疑物理学旧原理的客观价值”，显然是没有根据的。

长期以来，流行着这样一种看法：彭加勒提出物理学危机，就意味着他断言“科学本身崩溃了，科学原理崩溃了”，“自然科学家坚信不移的全部真理也毁灭了”。实际情况正好相反，彭加勒在论述了五个基本原理所遇到的困难和危险后指出：“我们不应后悔我们相信了这些原理”，“在实践中，最可*的途径还是继续相信这些原理。”

彭加勒还认为，六个基本原理(外加最小作用原理)“都是大胆推广实验的结果，但是它们看起来好像是从真正的普遍性得到了高度的可*性。事实上，原理愈普遍，受检验的机会就愈频繁。受检验的次数愈增加，检验的形式愈多样，它们就会成为毋庸置疑的真理”。

彭加勒还针锋相对地批判了“科学破产”的错误观点。他这样写道：“外行人看到科学理论并非一贯正确而惊恐万状。在经过一些年代的繁荣兴旺之后，他们看到这些理论一个接一个地被抛弃了，他们看到残垣颓壁，层层废墟。他们预见，今天风靡一时的理论不久将不得不走向它们的反面，因此他们断言这些理论是绝对无用的。这一切就是他们所谓的科学破产”。彭加勒接着一针见血地指出：“他们的这种怀疑是肤浅的，他们全然没有考虑到科学理论的目的和作用。要不然他们就会明白，这些废墟也许还有某些用处。”

彭加勒也不像有人所想象的那样，在“哀叹”物理学危机的到来。事实上，彭加勒认为，物理学危机并非凶兆，而是吉兆，它表明物理学变革的时机已经成熟。这种看法在当时是十分难能可贵的。

为了消除人们不必要的忧虑，彭加勒指出，物理学危机预示着“一种行将到来的变革”。尽管危机是严重的，“然而不必太担心。我们确信，病人不会因此而死亡，我们甚至可以期望，这场危机将会有益于健康，因为过去的历史似乎向我们保证了这一点。事实上，这场危机不是第一次”。

彭加勒接着在“数学物理学的历史”一章中回顾了物理学所走过的历程。他认为，中心力物理学是数学物理学发展的第一阶段。但是，中心力的概念后来不足以说明新的事实而引起了危机，于是我们不得不舍弃旧的见解。这样，物理学便逐步发展到第二阶段，即原理物理学阶段。但是，“我们能说第一阶段已经毫无用处了吗？我们能说科学在五十年间误入歧途了吗？我们能说往昔的千辛万苦偶因一念之差，终成千里之谬，于是可以付诸东流吗？”

彭加勒断言：“世界上决没有这种事”。他进而反问道：“没有第一阶段，你难道能设想会进入第二阶段吗？”在彭加勒看来，当时原理物理学所面临的危机将导致数学物理学进入第三阶段，他根据历史的经验预言，第三阶段“将是相同的过程”，“因为我们已经渡过了一次同样的危机”。

彭加勒形象地比喻说，物理学的这种进化“正如甲虫脱壳一样，撑破了它狭小的外壳，换上了新的表皮，在新的表皮之下，人们能够认出甲虫保留下来的机体的本质特性”。

尽管彭加勒关于物理学发展的三个阶段的划分未必确切，但他的一些基本观点却是可取的。有人在批判彭加勒时说：“物理学革命是好事，是正常现象，而危机则是坏事”，“是科学发展的不正常现象，是科学发展的病态，它影响科学的正常发展”。显而易见，这种科学史观远远不及彭加勒的高明。

彭加勒不仅深诣物理学的历史和现状，而且对它的未来也具有惊人的预见能力。在“数学物理学的将来”一章中，彭加勒写道：“也许我们将要建造一个全新的力学，我们已经成功地瞥到它了。在这个全新的力学内，惯性随速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。原来的比较简单的力学依然保持为一级近似，因为它对不太大的速度还是正确的，以致在新力学中还能够发现旧力学。”

其实，早在1904年9月的圣路易斯会议上，彭加勒就讲过这些话了。彭加勒面对物理学危机并未忧心仲仲、悲观失望，相反，他对科学的前景是满怀信心的。他说：“原先已知的现象被越来越好地分门别类，但新现象也来要求它们的地位。”我们已经有了“阴极射线、X射线、铀射线和镭射线。这里有一个完整的世界，是谁也没有料想到的。还不知要有多少不速之客将在这儿寄宿呢！”

彭加勒满有把握地断定：“纵使我们的眼界有限，但是并非偶然的、十分诱人的希望依然存在。过去的收获既已不少，可以确信，未来的收获将比过去更多。”

综上所述，彭加勒关于物理学危机的基本观点可以大致概括如下：第一，他敏锐地觉察到由于新实验与旧原理的尖锐冲突，物理学已处于危机之中；第二，他认为物理学危机是好事而不是坏事，危机能加速物理学的根本变革，是物理学进入新阶段的前兆；第三，他指出，要摆脱危机，就要在新实验事实的基础上重新改造物理学；第四，他一再肯定旧理论的固有价值，认为在其有效适用范围内还是大有用处的，并且旗帜鲜明地批判了“绝对的怀疑论”、“科学破产”之类的错误观点；第五，他预见到了新力学的大致图景，对科学的前途表示乐观。

彭加勒后来在为他的著作的英译本所写的“序言”中进而指出：物理学危机标志着物理学已处于“革命的前夜”，处于“一个更为重要的时刻”。他认为：“力学必须让位于一个较为广泛的概念，这种概念将能解释力学，而力学却不能解释这神概念”。

彭加勒的上述基本观点，以及对科学发展规律的有关见解，即使在今天看来也还是正确的。这充分表明，他对世纪之交物理学形势的洞察远远超过当时大多数的物理学家。

5．2彭加勒简历

彭加勒的成长道路和渊博学识向我们表明，他的敏锐而深刻的思想决非无源之水、无本之木。彭加勒于1854年4月29日出生在法国南希。他的父亲是个一流的生理学家兼医生，母亲是一个善良、机敏、聪颖的女人，她把全部心血都用在她的两个孩子的教育上。彭加勒的堂兄后来曾出任法兰西第三共和国的总理和总统，他的叔父和堂弟也在政府做官。

不幸的是，早在幼年时期，彭加勒运动神经的共济官能就缺乏协调，他的左手和右手一样都能写字，但都写得不好。五岁时，他经受了白喉病的折磨，从此留下了喉头麻痹症。病魔使得他长期身体虚弱、缺乏自信。他无法和其他孩子自由自在地做游戏，只好独自一人钻在书堆里寻求自己的乐趣。

读书使彭加勒得到极大的宽慰，也使得他不寻常的天资逐渐显露出来。他读书速度之快令人难以置信，一旦过目便永记不忘，往往还能说出某页某行讲了些什么。除了这种罕见的视觉记忆(也叫空间记忆)外，他的时间记亿能力也很强，他能以不可思议的准确性回忆起久远的往事。

彭加勒的视力极差，这反倒锻炼了他的听觉记忆。大多数数学家通常似乎是*眼睛记忆定理和公式，而彭加勒几乎全用耳朵。在上学期间，由于看不到黑板，他就以耳代目，博闻强记，从来也没有作过课堂笔记。他的敏锐的空间直觉和丰富的想象力也是这样培养起来的，人们都说他具有“一双内在的眼睛”。

彭加勒很早就对自然历史和经典名著表现出极大的兴趣。大约在十五岁左右，数学象一块磁石一样，紧紧地吸住了他的心灵。一开始，他就显示出终生的怪癖：当他一刻不停地来回散步时，那是正在专心致志地思考问题，只有在彻底想好后，他才把结果记在纸上。他工作时全神贯注，别人谈话或其他噪音对他没有丝毫影响。

1872年至1875年，二十一岁的彭加勒进入国立高等矿业学校深造。他虽然具有一个真正的工程师的勇气，但是这个职业与他的志趣不相投，于是他利用一切闲暇时间攻读数学。1879年，他由于微分方程方面的论文获取了博士学位。同年12月1日，他到卡恩大学任数学分析教师。1881年，二十八岁的彭加勒升迁到巴黎大学执教，他一生的其余时间基本上都是在巴黎作为一个法国数学的统治者而度过的。

彭加勒涉猎广泛，才能超群。他主要是一个数学家，在函数论、数论、代数几何学、代数学、微分方程、代数拓扑学等分支都有重要建树。在天文学方面，他还以三体问题、旋转流体质量的平衡形状、宇宙演化假设等问题的研究闻名遐迩。彭加勒讲授数学物理学达二十年以上，他以特有的求全性和旺盛的精力完成这项任务，结果使他成为该学科所有分支的第一流专家。他还写了一些颇受欢迎的科学哲学著作和趣味盎然的科普作品。

当时，无论在巴黎的公园还是咖啡馆，都能看到工人和店员贪婪地读彭加勒的通俗著作。他的科学哲学名著被陆续译为英、德、俄、西班牙、匈牙利、瑞典、日、中等文字，在世界上广为流传。彭加勒的这些著作充分显示了他的文字才华，他被认为是法国的散文大师，还被选为法国文学研究院的成员。

彭加勒仅活了五十八岁，但却发表了将近五百篇论文和三十多本专著。这—切都使他成为世界上最有智慧、最有影响的一位人物，也为他赢得了法国政府所能给予的—切荣誉，赢得了其他国家的奖赏。人们称他是“理性科学的活跃智囊”、“本世纪初唯一留下的全才”。

5．3还彭加勒以历史的本来面目

彭加勒之所以对物理学危机具有基本正确的见解，大致有两方面的原因，其一是他对物理学的历史和现状有清晰的了解，其二在于他的哲学思想有一定的积极因素。彭加勒通晓物理学的发展史，在《科学的价值》中，他用一章叙述了“数学物理学的历史”。他的一些结论，就是历史经验的总结。

彭加勒对物理学当时的现状也很熟悉。他不仅对经典物理学的发展做出了巨大的贡献，而且也直接参与了物理学革命的三个前沿领域(物质结构、量子论、相对论)的研究。由于他的建议，客观上促成了贝克勒耳于1896年发现了铀射线；是他的启示，推动了洛伦兹1904年理论(经典电子论的完备形式)的提出；早在1902年，彭加勒就预见到，有可能通过布朗运动验证原子、分子的存在(爱因斯坦到1905年才在一篇论文中定量地研究了这个问题)；特别值得一提的是，彭加勒对相对论的发展做出了重要贡献，他堪称为相对论的先驱。显而易见，他当时无疑处于物理学的前沿，因而对物理学发展形势就有可能看得比较清楚。

彭加勒能对物理学危机有基本正确的见解，这也和他的一些富有启发性的哲学思想不无关系。首先，彭加勒坚持“实验是真理的唯一源泉”的观点。他强调指出：“唯有实验能够告诉我们任何新事物，唯有实验能够给予我们可*性。这两点是毋庸置疑的”。在彭加勒看来，“科学定律不是人为的创造物”，“一切定律莫不来自实验”。即使是“纯粹数学家，如果忘记外部世界的存在，那么他就会象这样一位画家：虽然深知色与形如何配合，但由于缺乏实物模型，其创作能力会很快衰竭”。彭加勒的这种思想不仅讲在口头上，而且也贯穿到他一生的科学活动中。

其次，彭加勒看重经验，但并不象狭隘的经验论者那样排斥理论和理论思维。他明确指出：“经验并非一切，而学者也不是被动的，他没有等待真理来找他，或者期待真理碰到他鼻子尖上的机会。他必须去迎接真理，正是他的思考向他展示出通向真理的道路”。

彭加勒认为，实验物理学固然很重要，但数学物理学“所起的作用也是用不着怀疑的”。数学物理学“能使物理学家揭示出事物潜在的和谐，使其以新的方式看待这些事物”。他还毫不留情地批评了那些“顽固不化的实际家”。他写道：“最藐视理论的人，他们天天吃理论的食粮而不自知。假若失去这种食粮，他们的进步会立即中止”。

当时在法国，实证主义的影响在世纪之交依然根深蒂固，科学家都不敢提出超出他们直接观察的世界本性的理论。在这种情况下，彭加勒持有这样的看法，并且付诸行动(例如提出宇宙演化的理论)，这确实是难能可贵的。

再次，彭加勒旗帜鲜明地反对怀疑一切(即绝对怀疑论)。他说：怀疑一切和信仰一切同样都是方便的解答，因为这两者都使我不加思索”。他毫不含糊地表示：“绝对的怀疑论是不可按受的”。彭加勒还有力地批驳了那些断言旧理论是“绝对无用”的人，批判了他们所持的怀疑论，他指出：“他们的这种怀疑论是肤浅的”。

最后，在彭加勒的哲学思想中，也包含着比较丰富的辩证法因素。这一点从他对科学发展规律、对物理学危机、对新旧理论之间、实验与理论之间的关系等问题的看法上都能窥见一班。例如，他在论述迈尔原理(他认为克劳修斯原理也是这样)时说：“【该原理】具有足够灵活的形式，足以使我们将所希望的一切都放入其中。我并没有说它毫无客观实在性，也没有说它只是一种同义反复，因为在每一种情况下，只要人们不把它推到极端，它就会有十分清楚的意义。它的这种灵活性足以使人们相信它的持久性，并且在另一方面，只有它溶化于更高级的和谐中，它才能消失。我们可以满怀信心地依*它去工作，并且可以预先确定，我们的工作不会白费”。实际上，这段话已正确地涉及到知识的相对性和绝对性的辩证关系(当然，彭加勒并末意识到这一点)。彭加勒的有关思想确实富有启发性，难怪爱因斯坦称他为“敏锐的深刻的思想家”。

正是在上述唯物主义成分和辩证法因素的引导下，彭加勒面对新实验和旧理论的严重冲突，既不像当时大多数物理学家那样，抱残守缺、削足适履，把经典理论视为神圣不变的教条；也不像一些浅薄之徒那样，怀疑一切、悲观失望，鼓吹“科学破产”。他是在充分肯定旧理论固有价值的前提下，谋求在新实验事实的基础上发展物理学。这样，他在科学领域中也就能够正视现实，而不是不顾一切地固执己见。

特别值得注意的是，彭加勒是一位学识渊博的科学家，他在论证自己的哲学观点时，不仅大量引证了他所精通的数学、物理学、天文学方面的材料，而且也旁及化学、生物学、地质学、生理学、心理学等领域，他掌握的材料之丰富决非纯粹哲学家所能企及；同时，他又是一位具有哲学头脑的科学家，他研究、探索的问题，往往超出了一般科学家的视野。

由于彭加勒具有如此优越的条件，所以在他的有关科学哲学论述中，不时迸发出令人深省的思想火花，其中有些论点，可以当之无愧地列为人类的思想财富。因此，我们在摒弃他的唯心主义哲学前提时，也要注意借鉴和汲取他的一些敏锐的、深刻的思想。

所有这些都表明，彭加勒是富有思想的、正直严肃的科学家。事实上，不管他的同事、学生，还是认为他并非伟人的人都是这样看待他的。彭加勒不是一个在科学史上“兴风作浪”的反面人物，在前苏联、东欧、日本和我国长期流行的讹传是没有事实根据的。应该抹去彭加勒脸上厚厚的尘埃和油彩，还其以历史的本来面目。

第六章1895年：物理学革命的序幕(上)

世纪之交，是一个动荡的、令人困惑的年代，也是一个活跃的、激动人心的年代。在这个时代里，正如英国物理学家洛奇当时所说的，物理学“每月、每星期、甚至几乎每天都有进步”，“旧日习谈的问题用理性的眼光来看，都有一种不可预料的魔力和光芒”。“‘结论’这个字眼现在看来是很荒谬的”，因为科学“时刻都在活跃地跳动着”，“都有人把以前有些恍惚不确定的真理更明了地发挥出来”。

在这个激动人心的年代里，以1895年伦琴x射线的发现，1900年普朗克能量子概念的提出和1905年爱因斯坦“论动体的电动力学”论文的发表为开端，物理学革命在三个领域先后展开了。结果，诞生了两大理论体系——相对论和量子力学。

6.1真空放电和阴极射线

物理学革命的序幕也许可以说是由x射线的发现揭开的。x射线的发现迅速引起了连锁反应，从此以后，纷至沓来的发现，一下子就在机械论的物质观方面打开了一个大缺口，原子不可分、不可变的教条彻底破产了。而x射线的发现却起源于真空放电和阴极射线的研究。

十九世纪中叶，随着电的知识的积累和真空技术的提高，真空放电及电的本性的研究愈来愈引起人们的兴趣。1836年，法拉第重新注意到被人遗忘了很长时间的真空放电现象，他发现低压放电管阴极周围存在着阴暗部分，即所谓的法拉第暗区。他预言，这种放电现象也许会给以后的电学研究带来极大的影响。

真空放电的正式研究是由普吕克尔开始的。他利用经过改进了的盖斯勒管(该管是盖斯勒l855年制造出来的)和附属仪器(盖斯勒泵、鲁姆科尔夫放电线圈)在1857年进行了一系列实验。他注意到，从铂阴极发出的粒子飞向玻璃管，粒子流打在管壁上发出萤光，萤光斑能够被磁力偏转。1865年，斯普伦格制成了水银流注高真空泵，为进一步开展这项研究提供了技术条件。普吕克尔早先的学生希托夫在1869年发现，如果把各种形状的固体放在阴极和发萤光的玻璃壁之间，物体的影子就明显地映在管壁上，他由此推断射线是直线传播的。

1871年哥耳德斯坦观察到，这种射线与阴极所用材料无关，而且还能引起化学反应。他把普吕克尔发现的这种射线命名为“阴极射线”。

1871年，瓦利根据阴极射线能被磁铁偏转的事实推断，阴极射线是由带负电的物质微粒组成的。1879年，克鲁克斯亲自改良了真空泵，获得了大气压百万分之一数量级的真空度。他通过实验发现，阴极射线能推动放入管内的云母小风车转动，确认阴极射线是一种粒子流，如果使粒子停止，就产生显著的热量。克鲁克斯把阴极射线称为“物质的第四态”或“超气态物质”。

瓦利和克鲁克斯的“粒子流说”也遭到了许多人的反对，其中包括象泰特和赫兹这样的著名人物，他们提出的是“以太振动说”。泰特指出，如果阴极射线是高速运动的粒子，那么这种粒子发出的光就应该显示出多普勒效应。可是在阴极射线的谱线中却看不到这种效应。赫兹也以阴极射线是连续产生的并在电场中不受偏转为理由，极力否认粒子流说。

1892年人们发现一个极有意义的新事实：阴极射线能够穿透薄金属片而发生漫射现象，就象光通过一种混浊介质那样。为此，勒纳得1894年专门制作了—个带有小窗的新型盖斯勒管，阴极射线可以通过窗口漫射。他研究了从小窗飞出的射线(也称勒纳得射线)的性质，确证了漫射的说法。他注意到，射线的荧光作用取决于距离，而与它们射向物体的方向无关。它们能使空气电离，但穿透空气只有很小的距离（大约不超过2cm)。它们还能使照相底片感光。勒纳得把射线的散射状态与最短波长的光的行为进行了比较，从而得出结论：它们一定能够描绘成在分子限度范围内的极为细微的以太运动。但是就在1894年，J.J.汤姆孙利用旋转镜测得阴极射线的速度是190000米/秒，这与光速相比是太小了，他认为把阴极射线看作是电磁波是毫无道理的。1895年，佩兰利用金属箱收集了阴极射线，箱子显示出带负电，这说明阴极射线运载的是负电荷。

围绕阴极射线的争论和探究，导致了x射线的发现和电子的确证。

6.2伦琴和他的新射线—x射线

伦琴是1895年11月8日在德国维尔茨堡大学实验室研究勒纳得射线时做出惊人发现的，当时他已是该大学的校长了。伦琴是一位诚实的实验家，他十分刻苦地阅读科学文献，经常亲自动手制作实验设备，对于各种名目繁多的社交活动和公开约会，他总是设法躲避。但是，他从未因不好交际的习惯和勤奋好学的天性而影响学校的行政工作。

1894年，当他就任维尔茨堡大学校长时，他明确地表白了自己对职务的态度：“大学是从事科学研究和智力教育的园地，是培养师生的理想场所。就这一点而言，大学的重大意义要比它的实际价值大得多。由于这个原因，就应该尽力挑选有远见卓识的人来填补学校职位的空缺。这些人应该既是出色的教师，又是卓越的科学研究者与开拓者。”

伦琴本人就是一位“有远见卓识的”、“卓越的科学研究者与开拓者”，他很快洞察到自己发现的重大意义，但是他对自己的两个助手和周围的人却只字未提，一心埋头于他的实验研究。在工作最紧张的时候，他就在实验室吃饭和休息。1895年12月28日，他终于完成了题为“关于一种新的放射线”的初步通报，并马上呈交给维尔茨堡市物理学与医学协会主席。该通报在三天之内就发表在《物理学与医学协会会议报告》中。据考证，文章不可能在三天内发表，出版日期大概不是写的准确日期。印刷恐怕是在1895年底进行的，但出版发行却是1896年头几天的事。

在初步通报中，伦琴认为没有必要长篇大论，他只是扼要地叙述了实验结果和一些初步设想。伦琴写道：“在希托夫真空管、高真空的勒纳得管、克鲁克斯管和其他类似的装置中进行鲁姆科尔夫放电时，如果用一张适当的薄黑硬纸紧紧包住放电管，并把整个装置放在一个十分黑暗的房间中，那么每次放电时都可以观察到，放在该装置附近的涂有铂氰化钡的纸屏发出萤光。这样发生的萤光与涂有铂氰化钡的面与没有涂铂氰化钡的面那一面向着放电装置完全无关。即使纸屏距装置两米远，也能够看到这种萤光。”

伦琴注意到，这种射线的显著特征是具有极强的贯穿能力。它不仅能穿透包着放电管的黑纸，而且能穿透约一千页的书籍，数张叠在一起的锡箔，二至三厘米厚的松木板，十五厘米厚的木板，数厘米厚的硬橡胶和玻璃板。更使伦琴感到有趣的是：“如果把手放到放电装置和纸屏之间，那么在微暗的手的阴影中，可以看到较黑的骨骼的影像。”

伦琴还发现，X射线能使照相底片感光，X射线通过的空气具有使和它接触的带电体发生放电的能力。他特别注意到，X射线的行为和阴极射线大不相同，这从下面的事实可以看出：不管我们试验多少次，甚至加上非常强的磁场，可是磁场并不能使X射线偏转。伦琴由此断言：“x射线和阴极射线不是一种东西，x射线是由阴极射线引起的，是在放电装置的玻璃管壁上发生的。”

x射线到底是什么呢？由于它与光存在着共同点——产生阴影、萤光和化学作用一它会不会是一种超紫外线呢？或许它是由以太的纵振动(正好与光的横振动相反)引起的？伦琴提出了这些困惑不解的问题，也许正因为这样，他才给自己发现的神秘射线起了一个奇怪的名字—x射线。

x射线的发现不仅引起了惊讶，而且也引起了轰动。因为在当时的西方世界，一百多个地方都配备有类似的实验装置，可以立即重复和验证伦琴的简单实验；另外X射线在医疗上也具有巨大的实用价值。在美国报纸报道x射线发现的急电后的四十八小时内，至少有六个x射线照相装置在大洋彼岸的实验室建造起来。

伦琴的论文单行本在若干星期内印刷了五版，它还被迅速翻译成英文、法文、意大利和俄文。在伦琴发现公布后的头一年(1896年)内，至少建成了三十二个不同型号的伦琴管，西方国家还接纳了一整批专利。而且，以x射线为内容的书籍和小册子出版了不下五十种，论文超过一千篇。在科学史上，一种新发现能引起这样迅速而强烈的反响实属罕见。

但是，对于报刊不切实际地大吹大擂，伦琴感到由衷的生厌。他抱怨说：“在形形色色的报导中，我的工作被弄得面目全非，连我自己都难以辨认。”“我逐渐习惯了这种喧嚣，但风暴的平息是需要时间的，我整整四个星期不能恢复自己的实验。别人可以工作，唯独我不能工作。”

由于x射线的发现，使伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人(诺贝尔奖金于1901年首次颁发)。可是，伦琴平素沉默寡言，从来没有学会必要的讲话技巧，他甚至谢绝了为热情的听众作一次他们期待的获奖演说。伦琴把金钱看得很淡薄，他拒绝了有关专利权，他把得到的奖金也捐赠给维尔茨堡大学。

x射线的发现标志着一个新时期的开始，伦琴幸运地成为这个新时期的开拓者。

其实，早在1876年，克鲁克斯在研究放电管时就发现，放在实验装置附近的一个没有打开的照相底片由于某种说不清的原因变得模糊不清了。他以为底片的质量有问题，还去生产厂家退了货。美国费城的古德斯比德在1890年不仅产生出x射线，而且意外地得到了X射线的照片。可是，直到1896年2月22日，他还在一次讲演中把自己发现的射线当作阴极射线。勒纳得也错过了发现X射线的机会。在伦琴公布其发现的前两年，勒纳得就清楚地指出，他得到的射线能产生感光效应，他还得到一个与伦琴几乎完全相同的阴影照片，尽管在放电管的铝小窗和照相底片之间还插入了纸片和铝片。可是，勒纳得同样也没有认识到这一事实的真正意义。后来，这位成了希特勒帮凶的所谓“德国物理学”首脑极力抹杀伦琴发现X射线的功绩。

显而易见，在当时的历史条件下，即使伦琴未能达到目的，其他人或迟或早地也将会做出这一发现。然而，如果因此而得出结论，说伦琴的发现只是由于交了好运，那可就大错特错了。早在发现x射线之前，伦琴就发表了十七篇论文。他是一位才能出众、一丝不苟的实验家，他把实验看作是橇开自然秘密的强有力杠杆。而且，他善于思索，能从杂乱的事实和繁琐的数据中找到某种本质的联系。在他的身上，体现了理论家的推断和实验家的技巧的完美统一。这是他取得成功的必然条件。

机遇无疑是存在的，但机遇只偏爱那种有准备的头脑。柏林科学院在致伦琴的贺词中说到：“科学史告诉我们，在每一项科学发现中，功劳和幸运独特地结合在一起；在这种情况下，许多外行人也许认为幸运是主要的因素。但是，了解您的创造个性特点的人将会懂得，正是您，一位摆脱了一切成见的、把完善的实验艺术和最高的科学诚意及注意力结合起来的研究者，应当得到作出这一伟大发现的幸福。”

关于x射线本性的研究，不少人后来在这方面做了大量的工作。这里只提一下劳厄的贡献。1912年，劳厄提出x射线通过晶体会出现干涉现象的设想。1913年，他根据干涉现象的实验推断，x射线是频率极高的光波，其波长在0.1埃到1.5埃之间(1埃＝千万分之一厘米)。与此同时，他也证明了晶体的原子点阵结构。为此，他于1914年获得了诺贝尔物理学奖金。

6.3贝克勒耳和放射性的发现

伦琴的工作开拓了一个奇妙的新领域，它直接导致了放射性的发现，这是一种合乎逻辑的历史继续。

x射线的发现，使公众和整个科学界都陷入极度的激动之中。公众显然被X射线的魔力所吸引，而科学家则在激动之余，冷静地思考一些更深刻的问题。

1896年初，彭加勒收到伦琴寄给他的论文和照片，他在1月20日的法国科学院会议上展示了这些资料。由于x射线的产生与真空玻璃管强烈的磷光有关，这使得彭加勒提出，被日光照射而发磷光的物质也应发出一种不可见的、有穿透能力的、类似于x射线的辐射。彭加勒的报告给他的同事贝克勒耳留下了深刻的印象，会议之后，他立即开始进行这方面的研究，以检验彭加勒的假设。

贝克勒耳的祖父是一个电磁学权威，对磷光研究很有造诣，他的父亲在固体磷光研究方面也在欧洲名列前茅。贝克勒耳本人是法国自然历史博物馆应用物理学教授，他从1883年到1896年发表的关于磷光的论文已多达二十篇，赢得了国际上的声誉。

彭加勒建议后不长时间，他于1896年2月24日向法国科学院提交了“论磷光辐射”的报告。他发现，硫酸钾铀酰在阳光下曝晒几小时后能发出一种射线，这种射线能穿透黑纸而使照相底片感光。在实验中，包底片的黑纸封皮用这种铀盐片压盖了一半，冲洗出来的照片表明，压着的地方比其他各处更黑。当把线圈或带有孔洞图案的金属片放在铀盐和黑纸之间时，便会得到这些金属物件的轮廓的照片。贝克勒耳认为，这种射线类似于X射线，其发射以太阳光对铀盐晶体的激发为条件。

在紧接着的下周的科学院会议上，贝克勒耳提出了不同厚度的铜箔对射线吸收情况的实验报告。他还指出，硫酸钾铀酰能够满意地被反射及折射的日光所激发。

巴黎的冬天有一半的日子都是阴晦的天气，贝克勒耳不得不放慢自己的工作进程。2月26日和27日又是阴天，他把准备好了的几套干板夹和铀盐试验装置随便放到暗室的抽斗内，没有去管它们。

过了几天，到1896年3月1日，贝克勒耳为了向第二天的科学院会议提供感光图象强度和磷光强度及持续时间关系的证据，冲洗了一张底片。使他感到目瞪口呆的是，底片压在铀盐下的部分异乎寻常的黑，而不是象平时晶体经过曝晒后那样的微黑。他又冲洗了一张，依然显示出同样的结果。他然后在暗室内又准备了一张照相底片，一个带有铝隔板的干板夹和一个钮扣形状的铀盐片。五小时后，冲洗出来的照片还是如此。贝克勒耳在3月2日的报告中说：“我于3月1日冲洗出照相底片，希望能发现很微弱的图像。出乎意料的是，图像的轮廓十分强烈地显示出来。”

尽管如此，贝克勒耳并未放弃起初的假说。他解释道，这是由于在磷光现象中产生不可见射线的寿命要比物质发出磷光的寿命长的缘故。贝克勒耳之所以如此固执已见，是由于受到家庭传统思想的影响。实验家为了解开面临的疑团，有必要事先做出某种假设，但任何时候也不要把假设变成偏见，干扰清晰敏锐的判断。

贝克勒耳在暗室中研究了铀硝酸盐处于溶液中或再结晶后的情况。这时铀盐虽然不再发磷光，但是仍能放出射线。而且，在通常光线照射下不发可见磷光的铀盐也能发出与六价铀盐一样的不可见射线。

在新事实面前，贝克勒耳不得不放弃原先的假设，他在1896年5月18日提交的报告“金属铀新辐射的发射”中说：我研究过的铀盐，不论是发磷光的还是不发磷光的，结晶的、熔融的或是在溶液中的，都具有相同的性质，这使得我得到以下结论：在这些盐类中，铀的存在是比其他成分更重要的因素。”

在科学史上，当某一种成果出现的时机业已成熟时，由不同的人做出同一发现的事例是屡见不鲜的。英国的汤普森在贝克勒耳稍前一些时间也发现了铀盐的极强的感光作用，这一事实并未引起他的高度重视，他更感兴趣的是X射线，他只是把这一事实告诉了其他人，没有及时发表他的结果，从而失去了优先权。

在贝克勒耳的发现中，由于天气的意外，偶然性无疑起着自己的作用。但是这种偶然性的背后也有必然性。事实上，当时的感光材料和照相技术都比较成熟，x射线的发现又把人们的注意力引向辐射现象的研究。除了这些有利的外部条件外，加上贝克勒耳训练有素。有能力认识到意外现象的意义，有能力察觉被当时的人们看作是莫名其妙的东西，这种能力比偶然的幸运更为重要。的确，机遇只垂青那些懂得追求它的人。

在1896年上半年，贝克勒耳还进行了关于放射性的持续性的实验(放电实验和吸收实验)，开始持续六天而不减弱，后来持续了十五天、两个月、八个月，最后持续了三年，最后的数字是1899年3月27日在《法国科学院会议录》上报道的。但是此后，他既没有对射线本质进行深入的探讨，也没有对其他放射性元素(“放射性”这个名称是居里夫人在1898年首先使用的)作系统的研究。

贝克勒耳错误地相信，铀射线能够折射和偏振；他也盲目地认为，对铀射线比X射线了解得更为透彻(当时还未发现X射线的这些性质)。他虽然在1896年5月把铀盐发出的射线归因于铀的存在，但是并没有认识到这是铀原子本身的性质。

于是，他觉得这个课题已没有多大搞头了，从而离开了这一领域。这一点从下面的统计数字可以明显看出：1896年他就铀射线发表了七篇文章(其中从3月1日到5月18日共发表了六篇)，1897年只有两篇，而1898年连—篇也没有发表。先驱者落伍了，这是值得深思的。

与x射线不问，贝克勒耳射线的发现并未引起多大反响，新发现的报道也没有在日报的版面上出现。柏林物理学会直到半年后的8月23日才宣布这一发现。从1896年5月底到1898年初，除了贝克勒耳的论文外，大概只有十余篇原始研究资料，其中关于铀射线的讨论属于次要论题，一部分还描述的是误入歧途的结果。仅有为数不多的人从事铀射线的研究，而且大都没有发现什么新东西，只不过是证实了贝克勒耳的结果而已。贝克勒耳本人和这个时期的研究者主要是进行定性的描述，并未进行系统的定量的测量。

这两年时间，是贝克勒耳射线研究的萧条时期。之所以造成这样的局面，大致有以下两个原因。其一是，X射线的实验设备较为普及，而且具有透视拍片的实用价值；而铀射线当时没有什么实用价值，而且没有几个实验室具备各种发光铀盐，纯铀在1896年才制备出来。客观条件限制了对铀射线的广泛研究。其二是，在新发现的潮流中，泥沙俱下，鱼龙混杂，大大冲淡了铀射线的重要性，使得许多科学家如坠烟雾，无所适从。

这是一个混乱的、迷惘的时期。当然也有一些可*的发现，例如1896年哥耳德斯坦发现的阳极射线，但更多的却是冒牌货，有些现在听起来简直叫人啼笑皆非。

例如，1895年夏，魏德曼宣布，他从火花放电中发现了一种不可见射线，并煞有介事地称其为“放电射线”。汤普森说什么阴极射线分为两类：顺阴极射线和逆阴极射线，并说刚刚弄清洁的金属表面和其他物质也放出穿透辐射。

1897年，勒?朋声称，有光泽的金属在用光照射后，也会发出射线，他称这种子虚乌有的射线为“黑光”。

更为离奇的是，一位日本物理学家居然异想天开：夏天到处飞舞的萤火虫难道不是类似于x射线的某种射线的来源吗？他一本正经地做了实验，发现萤火虫隔着纸卡片能使照相底片感光。他说这是卡片因某种新射线的作用而引起所谓的“吸力效应”，犹如磁力线穿透其他物质一样。他还若有其事地把第二代萤火虫的详细研究结果于1898年发表在德国的《物理学杂志》上。结果，也有人检查了萤火虫，指出感光作用是由于虫子的湿气(至少是部分地)引起的，这使得那位发现者及其合作者大为丢丑。

在这方面，闹得最热闹的恐伯是N射线了。法国科学院院士、南希大学教授布隆德洛声称，他发现应变状态的固体能发出一种新射线，这种射线能使萤光屏发光，并能穿透许多不透光物质。布隆德洛根据他所在学校的名子把这种新射线命名为N射线。

1903年初，法国科学院年刊公布了这一发现，许多科学家都投入到新射线的研究中去，陆续发现太阳、人体肌肉和脑神经都能发出强烈的N射线。1904年，法国科学院给布隆德洛颁发了五万法郎奖金。不少人还围绕优先权发生了争执。后来人们弄清楚，这纯属心理—生理现象，根本没有什么N射线。看来，缺乏独创性的研究不仅使科学家白费力气，而且也会轻易扼杀一门新的学科

第七章1895年：物理学革命的序幕（下）

4、电子存在的确证

在放射性问题的研究暂时处于停滞不前的时期，对阴极射线本性的探讨却相当活跃，结果导致了电子的确证，这当然也与x射线的发现的激励有关。

确证电子的存在是沿着两条不同的途径进行的：一条是J.J.汤姆逊对阴极射线粒子荷质比的测定，另一条是洛伦兹、塞曼根据电子论对塞曼效应进行理论分析。J.J.汤姆逊在1897年苦苦思索了前述的勒纳得实验(1894年勒纳得让阴极射线通过用0.000265cm厚的铝箔做成的小窗，成功地将阴极射线引到放电管外，这被看作是以太振动说的证据)，他认为这个实验恰恰证明，阴极射线的粒子比原子小，因为原子是不能穿透铝箔的。他也发现，阴极射线在磁场中的偏转与残留气体无关。

汤姆逊1897年4月30日在英国皇家学会首次讲述了他的看法：阴极射线是由比原子小的带电粒子组成的。接着，他发现阴极射线之所以在磁场中不偏转，是因为它使放电管内的稀薄气体具有导电性的缘故。于是，他提高了放电管的真空度，并加上适当的高电压，成功地使阴极射线在电场中得以偏转，他由此得出结论说，阴极射线是带负电荷的物质粒子。

阴极射线是原子，是分子，还是其他物质微粒呢？为了弄清这个问题，汤姆逊就这些粒子的质量和它们所携带的电荷之比(即荷质比e/m的倒数m/e)进行了一系列的测量。他使用了两种独立的方法。

第一种是热学方法。使阳极射线在强度为H的磁场中偏转，设其偏转的曲率半径为P。用验电器测得粒子所携带的电量，用量热器测量粒子打到固体上放出的热量。假定粒子的动能全部转化为热能，这样一来即可算出粒子的速度和荷质比。

第二种是电场、磁场偏转法，这种方法是根据在均匀电场中通过既定距离时所产生的偏转角，和在均匀磁场中通过既定距离所产生的偏转角来计算的。汤姆逊用第二种方法测得的m/e值是1.1～1.5×10^-7克/静电单位，用第一种方法测得的也是10^-7的数量级(现在的值是e/m＝1.76×10^7静电单位/克，即m/e＝0.596×10^-7克／静电单位)，这与离子的m/e相比要小得多。是因为质量m小呢，还是电荷e大呢，或者是两种情况同时并存呢？汤姆逊根据阴极射线的平均自由程断言，阴极射线粒子与普通分子相比必定相当小。

1897年8月初，汤姆逊将上述实验结果汇集在“阴极射线的论文中，该文于同年10月发表在《哲学杂志》上。在文章开头，汤姆逊闻述了带电粒子说比以太振动说更为优越的理由，他在文章结束时做出结论：“在阴极射线中，物质以某种新的状态存在着。就这种状态而言，物质的微粒比通常的气体状态远远为小，……而且，处于这种状态的微粒就是构成一切化学元素的材料。”汤姆逊在这里把这种粒子叫作“微粒”(Corpuscle)，后来他采纳了斯托内1891年提出的建议，把这种粒子命名为“电子”。

另一方面，塞曼在1896年发现，钠火焰在电磁铁的作用下，D线比通常情况下变宽了，这就是所谓的“塞曼效应”。塞曼认为洛伦兹的电子论能够解释这一现象，马上就把自己的发现和考察情况告诉他。洛伦兹立即说明了计算磁场中离子的方法，而且指出塞曼实验中变宽的谱线的两侧周边的光应该变成圆偏振光或线偏振光。

塞曼根据洛伦兹的提示，果然观察到这一预言的现象，并由谱线的宽度计算出带电粒子的e／m，其值也是10^7的数量级，并且可以根据偏振光的左旋或右旋决定带电粒子的正负。塞曼于1896年10月在荷兰阿姆斯特丹科学院报告了这一情况。第二年5月到10月，他进一步报告了精密测定和计算的数值是e／m＝1.6×10^7静电单位／克。汤姆逊和塞曼两人殊途而同归。

这样一来，关于电子的存在问题在1897年已基本得到确证。但是，由于实验测量和理论计算得到的仅仅是荷质比，粒子比原子小只不过是推断而已，因此还有不少人对此将信将疑。确定电子的电荷和质量，自然成为下一步追求的目标。

J.J.汤姆逊选定了测定电荷的道路，他的学生汤森在1897年朝这个方向迈出了第一步。在此之前，人们就已推知，电子所带的电量与氢离子相同，其他物质粒子所带的电荷都是它的整数倍。

汤森测定了硫酸或苛性碱溶液电解时产生的氢离子的电荷。他让带电氢气通过饱和水蒸气，水蒸气便以氢离子为核而形成雾，他假定雾滴是分别以一个离子为核而生成的。一立方厘米气体所带的电荷可用象限静电计测定，雾滴的数目可让含雾的气体通过充满干燥剂的管子，由管子重量的增加可知形成雾的水的总重量。接着测定雾滴自由下落的速度，根据斯托克斯定理(以速度v在粘滞系数为μ的流体中运动的半径为a的球，受到大小为6πμav的阻力。该定理是斯托克斯在1850年根据流体力学的近似计算从理论上导出的)，求出雾滴的平均质量，这样就能得到雾滴总数。总电荷数除以雾滴总数即是单个氢离子的电量，汤森测得的值是e≈3×10^-10静电单位。这种方法的缺点在于其中包含着离子数与雾滴数相等的假定，此外计算中所用的斯托克斯定理还未在实验上得到确证。

汤姆逊在1898年也做了类似的实验，只是求单位体积的总电量和雾的总质量的方法不同。他使雾滴在加有小电位差的电极板间移动，测出流过的总电量。雾的总质量是根据水气的膨胀比来推断的。汤姆逊测得的电量值和汤森的大致相同，他的方法也具有同样的缺点。

1903年，威耳逊想出了避免不明确假定的方法。他在水平放置的电极板间充入雾，求加电压与不加电压时雾滴的下降速度。如果根据所托克斯定理求出了雾滴的质量，那就能由两种速度之比计算出雾滴的电荷。威耳逊测量了顶端的雾滴的下落速度，这相当于测出了最小荷电粒子的下落速度。因此，可以认为他测出的值表示了单位电量。但是，威耳逊测得的值不仅波动相当大，而且包含着两个不能令人满意之处：其一是利用了未经确证的斯托克斯定理；其二是观察雾滴的整体行为还不能断言确实测定了单个离子的电荷。

密立根是在一个不寻常的时期(1896～1897)开始他的专业生涯的，这位十分尊重迈克耳逊方法论原则的美国物理学家，从1906年到1917年多次测量了基本电荷e的值。密立根认为，前人对e的测量包含着“全部理论上的不确定性”和“实验上相当可观的不准确性”。

他找到了引起误差的四点原因：1、液滴下落经过的空气不是完全静止的；2、所加的电场不均匀；3、液滴在下落过程中逐渐蒸发；4、假定斯托克斯定理对于下落的液滴来说完全正确。并在实验装置方面进行了重大的技术改进。尤其是，他用不易挥发的油滴代替了易蒸发的水。

密立根的实验是这样的：让小油滴在两个水平放置的金属平板间的空气中上下运动，两板相距16厘米，并用弧光灯照亮油滴。首先，从距装置2英尺外用望远镜观察测量某一油滴只受重力作用从上部下降某一距离所需的时间，求出它的下降速度。然后，在两板间加上3000～8000伏／厘米的电场F，作用在油滴上的合力就使油滴徐徐上升，测量油滴上升到一定距离所需的时间，求出上升速度，再利用油滴与空气间的粘滞系数以及当地的重力加速度和修正了的斯托克斯定理，即可根据导出的公式计算出电荷的值。

密立根1917年测得的值是4.774(±0.005)×10^-10静电单位(现在的精确值是4.083×10^-10静电单位)。其实，汤姆逊1898年的实验无疑已确证了电子的实际存在。正如他明确指出的：电子是原子的构成要素，所谓带电，本质上是原子质量的一部分自由地脱离了原来的原子，而使原子发生分裂的一种现象，这种分裂是电子从原子分离出去而产生的。余下的部分原子带正电，与电子相比，它具有更大的质量，起着正离子的作用。

尽管如此，密立根在他的《自传》中还是坚持认为，他的结果表明“电子本身……既不是不确定的，也不是一个假设，它是一个新的实验事实，是我们这一代人第一次看到的实验事实。”不过，应该看到，密立根的精密测量不仅获得了不可能用那个时代的实验手段来加以改进的最终结果，而且还具有另外的异乎寻常的意义——e值成为决定其他物理量常数的重要基础。