經(jīng)典絕境逢新生
──近代物理的故事
微型“太陽(yáng)系”
在湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子的前一年，物理學(xué)上還有一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，那就是法 國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾和比埃爾·居里、居里夫人發(fā)現(xiàn)了元素的天然放射性現(xiàn) 象。
首先是倫琴發(fā)現(xiàn)了 X 射線，證明陰極射線照射玻璃管壁的時(shí)候，不僅產(chǎn) 生了綠色的熒光，而且會(huì)產(chǎn)生一種穿透力很強(qiáng)的 X 射線，X 射線使很多科學(xué) 家發(fā)生興趣，除湯姆遜之外，貝克勒爾也是其中之一。他很想知道，X 射線 同熒光究竟有什么關(guān)系。比如，熒光物質(zhì)在受到太陽(yáng)光照射發(fā)出熒光的同時(shí)， 是否也會(huì)放出 X 射線呢？
貝克勒爾弄來了很多熒光物質(zhì)，他選擇了含鈾礦石。試驗(yàn)方法也很簡(jiǎn)單： 含鈾礦石下面放一張用黑紙嚴(yán)密包著的照相底片，含鈾礦石經(jīng)太陽(yáng)光照射后 發(fā)出熒光，如果底片“安然無恙”，那就表明沒有 X 射線放出；如果底片感 光了，那就說明經(jīng)太陽(yáng)光照射的含鈾礦石也能發(fā)出 X 射線。
1896 年春天貝克勒爾開始試驗(yàn)。事情不巧，那幾天天氣不好，總是陰雨， 不見陽(yáng)光，他只好把準(zhǔn)備好的含鈾礦石和黑紙包著的底片一起放到抽屜里。 幾天之后，雨過天晴，貝克勒爾在正式進(jìn)行試驗(yàn)之前，決定先把幾張底 片拿出沖洗，看看是否漏光失效。沖洗的結(jié)果使他大吃一驚，底片居然感光 了，而且感光部分的形狀正好同含鈾礦石的形狀完全一致。黑紙沒有漏光，含鈾礦石也沒有受到陽(yáng)光照射，那么，是誰使底片感光的呢？
經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明使底片感光的是含鈾礦石中的鈾元素放出來的 一種看不見的射線，這種射線的穿透力比 X 射線還強(qiáng)，而且不管外界條件如 何改變，它總是不斷地放出這種射線。
就這樣，貝克勒爾雖然沒有完成他預(yù)想的試驗(yàn)，但卻意外地取得了一項(xiàng)有助于其他科學(xué)家更接近于了解原子究竟是什么的發(fā)現(xiàn)。人們把物質(zhì)的這種 自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做放射性現(xiàn)象，而鈾就是人類找到的第一種放射性 物質(zhì)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)引起了另外兩位法國(guó)青年物理學(xué)家比埃爾·居里和居里夫人的注意。他們深入地研究了鈾的放射性現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)含釷的化合物也有放射性。 在提煉純鈾的過程中，他們又發(fā)現(xiàn)作為原料的瀝青鈾礦的放射性比鈾和 釷強(qiáng)得多。這說明，鈾礦石中除了含有放射性鈾之外，一定還含有其他放射性比鈾、釷更強(qiáng)的元素。
經(jīng)過兩年的努力，一種放射性比鈾強(qiáng) 400 倍的新元素找到了，取名叫做 釙。以后又經(jīng)過 4 年的艱辛勞動(dòng)，從 30 多噸鈾礦石中，提煉到了 0.1 克另一 種新元素——鐳的化合物，鐳的放射性比鈾強(qiáng)幾百萬倍！放射性的發(fā)現(xiàn)告訴 我們?cè)邮强梢苑指畹?，且有自己的?nèi)部結(jié)構(gòu)。
從放射性元素放射出來的射線究竟是什么呢？它們看不見、摸不著，不 斷地放射，似乎永不停息。
出生在新西蘭的英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福解開了這個(gè)謎。他讓放射性元素發(fā) 出的射線通過很強(qiáng)的磁場(chǎng)，結(jié)果分成了三部分，原來它是由三種射線組成的。 第一種射線根本不受磁場(chǎng)的影響，筆直向前，說明它不是帶電的粒子， 而是一種像光一樣的能量波，盧瑟福把它叫做γ射線，γ射線的穿透力很強(qiáng)。 第二種射線會(huì)在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)得比較厲害，偏轉(zhuǎn)的方向與陰極射線 相同，說明它是由帶負(fù)電的粒子組成的。進(jìn)一步的研究證明，這種射線就是同陰極射線一樣的速度很高的電子流，盧瑟福把它叫做β射線。β射線的穿 透能力比較強(qiáng)，能穿透大約半毫米厚的鋁片。
第三種射線也會(huì)在磁場(chǎng)的影響下偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)的程度不如β射線大，偏 轉(zhuǎn)的方向與β射線正好相反，這說明它是一種帶正電的粒子流，盧瑟福稱它 為α射線。α射線的穿透能力最小。一張紙片就可以把它擋住，1/50 毫米的 鋁片它也穿不過去。
盧瑟福對(duì)α射線特別感興趣。通過深入研究，他發(fā)現(xiàn)α射線是帶有兩個(gè) 正電荷的粒子流，粒子的質(zhì)量幾乎等于氦原子的質(zhì)量，很可能就是氦原子的 正離子，即失去了兩個(gè)電子的氦原子。
原子不像人們?cè)人胂蟮哪敲春?jiǎn)單，它不僅是可以分割的，而且內(nèi)部 結(jié)構(gòu)一定挺復(fù)雜。
盧瑟福的老師湯姆遜第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了電子。原子里含有電子，那么原子的 其他部分又是什么呢？
湯姆遜根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又借鑒了別人的研究成果，認(rèn)定一個(gè)原子 不可能僅僅由電子組成，因?yàn)椴蝗坏脑?，這些電子會(huì)“同性相斥”而全部散 射開來，宇宙間也就除了看不見的電子之外什么也不存在了。
我們平時(shí)看到的物質(zhì)原子全都是中性的，不帶電。那么，原子的其他部 分必然帶有正電，以便與電子所帶的負(fù)電相平衡。原子中每個(gè)電子所帶的每 個(gè)負(fù)電荷，必然在原子的其他部分中存在著一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的正電荷。
那么這些正電荷又在原子的哪個(gè)部分呢？它們?cè)谠又惺窃鯓臃植嫉哪兀?br> 1904 年，湯姆遜根據(jù)元素化學(xué)性質(zhì)的周期性，反復(fù)推敲出了一個(gè)“葡萄 干蛋糕式”的原子模型。他認(rèn)為，原子里帶正電的部分是均勻地分布在整個(gè) 原子球體之中的，而帶負(fù)電的電子則在這個(gè)球體之中運(yùn)動(dòng)，就像一塊蛋糕里 夾著一些葡萄干一樣。這個(gè)設(shè)想非常簡(jiǎn)單，但是設(shè)想是不是事實(shí)，還需要通 過實(shí)踐來檢驗(yàn)。這項(xiàng)使命后來落到了湯姆遜的學(xué)生盧瑟福身上。原子本身已微不可見，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)然更加難以把握。盧瑟福和他的助手首先發(fā)明了一種“計(jì)數(shù)管”，可以數(shù)出通過α粒子的數(shù)目；α粒子打到 硫化鋅熒光屏上，還會(huì)閃現(xiàn)一下亮光。根據(jù)湯姆遜的原子模型，α粒子通過“葡萄干蛋糕式”的原子時(shí)只能產(chǎn)生很小的偏轉(zhuǎn)，因?yàn)樵?#945;粒子進(jìn)入原子之前，中性的原子不會(huì)對(duì)它起作用； 進(jìn)入原子后，電子的質(zhì)量只有α粒子的 1/7000，α粒子同電子相撞，猶如一 個(gè)大鐵球同一個(gè)小玻璃球相撞一樣，影響甚微。至于正電荷，由于它們均勻 分布在整個(gè)原子中，力量分散，對(duì)α粒子的偏轉(zhuǎn)也不會(huì)產(chǎn)生多大的影響。
盧瑟福開始是相信湯姆遜模型的，他想用實(shí)驗(yàn)來加以證實(shí)。實(shí)驗(yàn)裝置很 簡(jiǎn)單：用α粒子作“炮彈”，一片極薄的金屬箔片作靶子，靶子后面是用來 記錄打靶結(jié)果的熒光屏。如果原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)真像湯姆遜所說的那樣，那么， α粒子就能幾乎不受任何阻礙，輕而易舉地穿透金屬箔片打到熒光屏上。
但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果使盧瑟福大吃一驚：極少數(shù)的α粒子撞擊金屬箔片后的運(yùn) 動(dòng)方向竟然發(fā)生了很大的偏轉(zhuǎn)，有的甚至干脆被彈射回來。
經(jīng)過多次觀察，盧瑟福得出結(jié)論：平均每發(fā)射 8000 個(gè)α粒子，就有一個(gè) 發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)或彈回。他把這種現(xiàn)象叫做α粒子的散射現(xiàn)象。
事實(shí)終于迫使盧瑟福來反對(duì)自己的老師了。事實(shí)證明，個(gè)別α粒子的大 角度偏轉(zhuǎn)或彈回，用湯姆遜模型是無論如何也解釋不了的；原子不僅不是非常密實(shí)的球體，而且它內(nèi)部的絕大部分空間是空著的?？梢怨浪愠鰜?，原子 中帶正電的物質(zhì)只有集中在一個(gè)極小極小的核心里，α粒子只有同這個(gè)距離它 1/10000 億厘米、質(zhì)量比它大許多倍的正電荷核心相遇時(shí)，才會(huì)發(fā)生那么 強(qiáng)大的斥力，把α粒子彈向一邊。
于是，盧瑟福提出了一個(gè)原子結(jié)構(gòu)的模型。這個(gè)模型就像一個(gè)微型的“太 陽(yáng)系”：“太陽(yáng)”位于原子的中心，被叫做原子核；電子則像“行星”一樣， 繞著原子核急速旋轉(zhuǎn)。不同的是在這個(gè)微型的“太陽(yáng)系”里，“太陽(yáng)”和“行 星”都是帶電的，“行星”都是一樣的大小，支配著“微型太陽(yáng)系”一切的 是強(qiáng)大的電磁力而不是萬有引力。
盧瑟福的原子有核結(jié)構(gòu)模型得到了一系列實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，終于成為原子結(jié) 構(gòu)的基本觀點(diǎn)。
電子的發(fā)現(xiàn)
電子是人們最早發(fā)現(xiàn)的帶有單位負(fù)電荷的一種基本粒子。英國(guó)物理學(xué)家 湯姆遜是第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明電子存在的人，時(shí)間是 1897 年。
湯姆遜是一位很有成就的物理學(xué)家，他 28 歲就成了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員， 并且擔(dān)任了有名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。X 射線的發(fā)現(xiàn)，特別是它可以穿透生物組織而顯示其骨骼影像的能力，給予英國(guó)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的研究人員以極大激勵(lì)。湯姆遜傾向于克魯克斯的 觀點(diǎn)，認(rèn)為它是一種帶電的原子。
導(dǎo)致 X 射線產(chǎn)生的陰極射線究竟是什么？德國(guó)和英國(guó)物理學(xué)家之間出現(xiàn)了激烈的爭(zhēng)論。德國(guó)物理學(xué)家赫茲于 1892 年宣稱陰極射線不可能是粒子，而 只能是一種以太波。所有德國(guó)物理學(xué)家也附和這個(gè)觀點(diǎn)，但以克魯克斯為代 表的英國(guó)物理學(xué)家卻堅(jiān)持認(rèn)為陰極射線是一種帶電的粒子流，思路極為敏捷 的湯姆遜立即投身到這場(chǎng)事關(guān)陰極射線性質(zhì)的爭(zhēng)論之中。1895 年，法國(guó)年輕的物理學(xué)家佩蘭在他的博士論文中，談到了測(cè)定陰極射線電量的實(shí)驗(yàn)。他使陰級(jí)射線經(jīng)過一個(gè)小孔進(jìn)入陰極內(nèi)的空間，并打到收 集電荷的法拉第筒上，靜電計(jì)顯示出帶負(fù)電；當(dāng)將陰極射線管放到磁極之間 時(shí)，陰極射線則發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不能進(jìn)入小孔，集電器上的電性立即消失，從而 證明電荷正是由陰極射線攜帶的。佩蘭通過他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確表示支持陰極 射線是帶負(fù)電的粒子流這一觀點(diǎn)，但當(dāng)時(shí)他認(rèn)為這種粒子是氣體離子。對(duì)此， 堅(jiān)持陰極射線是以太波的德國(guó)物理學(xué)家立即反駁，認(rèn)為即使從陰極射線發(fā)出 了帶負(fù)電的粒子，但它同陰極射線路徑一致的證據(jù)并不充分，所以靜電計(jì)所 顯示的電荷不一定是陰極射線傳入的。
對(duì)于佩蘭的實(shí)驗(yàn)，湯姆遜也認(rèn)為給以太說留下了空子，為此，他專門設(shè) 計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置，重做佩蘭實(shí)驗(yàn)。他將兩個(gè)有隙縫的同軸圓筒置于 一個(gè)與放電管連接的玻璃泡中；從陰極 A 出來的陰極射線通過管頸金屬塞的 隙縫進(jìn)入該泡；金屬塞與陰極 B 連接。這樣，陰極射線除非被磁體偏轉(zhuǎn)，不 會(huì)落到圓筒上。外圓筒接地，內(nèi)圓筒連接驗(yàn)電器。當(dāng)陰極射線不落在隙縫時(shí)， 送至驗(yàn)電器的電荷就是很小的；當(dāng)陰極射線被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)落在隙縫時(shí)，則有大 量的電荷送至驗(yàn)電器。電荷的數(shù)量令人驚奇：有時(shí)在一秒鐘內(nèi)通過隙縫的負(fù) 電荷，足能將 1.5 微法電容的電勢(shì)改變 20 伏特。如果陰極射線被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)很 多，以至超出圓筒的隙縫，則進(jìn)入圓筒的電荷又將它的數(shù)值降到僅有射中目標(biāo)時(shí)的很小一部分。所以，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，不管怎樣用磁場(chǎng)去扭曲和偏轉(zhuǎn)陰 極射線，帶負(fù)電的粒子又是與陰極射線有著密不可分的聯(lián)系的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證 明了陰極射線和帶負(fù)電的粒子在磁場(chǎng)作用下遵循同樣路徑，由此證實(shí)了陰極 射線是由帶負(fù)電荷的粒子組成的，從而結(jié)束了這場(chǎng)爭(zhēng)論，也為電子的發(fā)現(xiàn)奠 定了基礎(chǔ)。
如何成功地使陰極射線在電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)？早在 1893 年，赫茲曾做 過這種嘗試，但失敗了。湯姆遜認(rèn)為，赫茲的失敗，主要在于真空度不夠高， 引起殘余氣體的電離，靜電場(chǎng)建立不起來所致。于是湯姆遜采用陰極射線管 裝置，通過提高放電管的真空度而取得了成功。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)和提高放電管 真空度，湯姆遜不僅使陰極射線在磁場(chǎng)中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且還使它在電場(chǎng)中 發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，由此進(jìn)一步證實(shí)了陰極射線是帶負(fù)電的粒子流的結(jié)論。
這種帶負(fù)電的粒子究竟是原子、分子，還是更小的物質(zhì)微粒呢？這個(gè)問 題引起了湯姆遜的深思。為了搞清這一點(diǎn)，他運(yùn)用實(shí)驗(yàn)去測(cè)出陰極射線粒子 的電荷與質(zhì)量的比值，也就是荷質(zhì)比，從而找到了問題的答案。
湯姆遜發(fā)現(xiàn)，無論改變放電管中氣體的成分，還是改變陰極材料，陰極 射線粒子的荷質(zhì)比都不變。這表明來自各種不同物質(zhì)的陰極射線粒子都是一 樣的，因此這種粒子必定是“建造一切化學(xué)元素的物質(zhì)”，湯姆遜當(dāng)時(shí)把它 叫做“微粒”，后來改稱“電子”。至此可以說湯姆遜已發(fā)現(xiàn)了一種比原子小的粒子，但是這種粒子的荷質(zhì)比 107 約是氫離子荷質(zhì)比 104 的 1000 倍。這里有兩種可能，可能電荷 e 很大， 也可能質(zhì)量 m 很小。要想確證這個(gè)結(jié)論，必須尋找更直接的證據(jù)。1898 年，湯姆遜安排他的研究生湯森德和威爾遜進(jìn)行測(cè)量 e 值的實(shí)驗(yàn)，隨即他自己也親自參與了這項(xiàng)工作。他們運(yùn)用云霧法測(cè)定陰極射線粒子的電 荷同電解中氫離子所帶的電荷是同一數(shù)量級(jí)，從而直接證明了陰極射線粒子 的質(zhì)量只是氫離子的 1‰。
質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)
19 世紀(jì)末、20 世紀(jì)初，貝克勒爾和居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象。盧瑟福 仔細(xì)研究了射線，證明那是由α、β、γ三種射線組成的。β射線是如同陰 極射線的高速電子流，γ射線是類似 X 射線的電磁輻射，那么α射線呢？通過艱難的探索，盧瑟福證明α射線是由帶正電的粒子組成的，每個(gè)α粒子上的電荷是一個(gè)電子的兩倍，質(zhì)量是電子的 7300 倍。接著他又設(shè)法讓α粒子吸收電子，抵消正電荷，結(jié)果是——他得到了氦。 從放射性元素里居然產(chǎn)生了氦元素，這就證明了他和索迪早在 1902 年就提出的理論：放射性是某些元素的原子自然裂變的表現(xiàn)，裂變的結(jié)果是使這 種元素變成了另一種元素。
1911 年，盧瑟福通過用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，證明原子中有帶正電的 原子核存在，α粒子其實(shí)就是氦原子的原子核。原子核實(shí)在太小了，直徑只有 10-13～10-12 厘米，不及原子直徑的 0.1‰。 后來，盧瑟福又用α粒子去轟擊氮原于核，結(jié)果得到了氧核和氫核。 人們知道最輕的元素是氫元素，最簡(jiǎn)單的原子是氫原子。氫原子只有一 個(gè)電子，繞著只帶一個(gè)正電荷的原子核旋轉(zhuǎn)。有那么多的原子核，它們帶的 正電荷都是氫原子核電荷的整數(shù)倍，質(zhì)量也差不多是氫原子核質(zhì)量的整數(shù)倍。這樣看來，各種各樣的原子核不都可以看成是由氫原子核組成的嗎？ 于是，帶一個(gè)正電荷的氫原子核就被叫做質(zhì)子，正因?yàn)橘|(zhì)子很重要，是構(gòu)成一切原子核的基本材料，所以科學(xué)家們用質(zhì)子——希臘文中“第一”的 意思來命名。
質(zhì)子帶正電的電量與電子所帶負(fù)電的電量相等，都是一個(gè)電荷單位，但 它的質(zhì)量比電子大得多，是電子的 1836 倍。
盧瑟福 1919 年的實(shí)驗(yàn)，可以說是人類第一次用人工的方法從原子核中擊 出了質(zhì)子。
中子的發(fā)現(xiàn)
1932 年，英國(guó)物理學(xué)家查德威克宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的粒子——中子， 這個(gè)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著探索原子核的實(shí)驗(yàn)工作和核結(jié)構(gòu)的理論研究進(jìn)入一個(gè)新的階 段。
在查德威克發(fā)現(xiàn)中子之前，雖然已有跡象表明，存在著一種電子性的粒 子，可是當(dāng)時(shí)誰都沒有能拋棄常規(guī)的舊觀念而向前邁進(jìn)一步。如盧瑟福在用 α粒子轟擊氮的研究過程中，就認(rèn)為存在著一種電中性粒子，這種粒子不能 被束縛在任何容器之中，他想象這種粒子大概是由當(dāng)時(shí)已知的質(zhì)子和電子結(jié) 合而成，因?yàn)橘|(zhì)子帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，兩者結(jié)合就變?yōu)殡娭行?。此后，玻特和貝克發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊鈹原子時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種穿透力極強(qiáng)的
射線。約里奧·居里夫婦對(duì)這種射線進(jìn)行研究，他們用石蠟把鈹板和測(cè)量?jī)x 器隔開，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)有石蠟插在中間時(shí)儀器記錄到的效應(yīng)比中間沒有石蠟時(shí) 要顯著得多，也就是觀察到石蠟中放射出一種強(qiáng)質(zhì)子流的放射現(xiàn)象難以解 釋。
這時(shí)查德威克也一直在進(jìn)行鈹輻射的研究，他敏銳地覺察到鈹輻射決不是γ輻射，很可能就是盧瑟福早先預(yù)言的，也是他多年尋找的中子輻射。于 是對(duì)這種射線進(jìn)行更細(xì)致的研究，并使用了各種記錄快速粒子的方法，結(jié)果在 1932 年取得令人信服的證據(jù)。證明這種中性粒子確實(shí)存在，而且其質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量相等，這種粒子并不是盧瑟福所假設(shè)的那種質(zhì)子和電子的復(fù)合粒 子，而是一種全新的粒子。除了不帶電荷外，其基本性質(zhì)與盧瑟福提出的質(zhì) 子幾乎一樣，查德威克便把這種粒子命名為中子。
中子發(fā)現(xiàn)后不久，伊凡寧柯和海森伯都提出了原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的假說，這個(gè)假說成功地解釋了核的角動(dòng)量及其統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，說明了同位素 的存在，并且使人們對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。
介子理論
介子是在探索核力性質(zhì)時(shí)提出的。 由于原子核一般很穩(wěn)定，這表明核子，即質(zhì)子和中子之間結(jié)合得很緊。
但中子不帶電，而質(zhì)子又互相排斥，這種結(jié)合力究竟從何而來？而且，這種 力只存在于核內(nèi)，在核外部無作用。為了解釋核力的這種特殊性質(zhì)，日本物 理學(xué)家湯川秀樹提出一種大膽設(shè)想：如果利用各種已知的粒子都不能解釋核 力的話，那么這里面很可能就隱居著新的粒子。于是他模仿電磁作用力的傳 遞機(jī)制，對(duì)核力的來源提出一個(gè)理論——介子理論。
湯川幼時(shí)沒有任何可能成為物理學(xué)家的跡象，他對(duì)文學(xué)深感興趣，是什 么因素使湯川棄文轉(zhuǎn)向物理學(xué)呢？他在晚年回憶說，當(dāng)他還在中學(xué)時(shí)，使他 走上研究物理學(xué)道路的一個(gè)重要因素，是人們?cè)谌毡救酥虚g找到了一位偉大 的物理學(xué)家——長(zhǎng)岡半太郎。湯川把長(zhǎng)岡視為楷模。
長(zhǎng)岡在決定從事物理學(xué)研究之前也猶豫過，他也懷疑過東方人在研究自 然科學(xué)方面的能力。但當(dāng)他了解到東方人特別是中國(guó)人在過去對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn) 曾遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于歐洲之后，便毅然決定做一名職業(yè)物理學(xué)家。長(zhǎng)岡曾說：“我 如果不能進(jìn)入先進(jìn)的研究者行列，并對(duì)某一個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，那么生而 為人就毫無意義。”長(zhǎng)岡后來成為磁學(xué)、光譜學(xué)和原子物理學(xué)的一位著名科 學(xué)家。所有這些，都促使湯川下決心為物理學(xué)獻(xiàn)身。
湯川是在日本接受全部教育的，而且大部分是在京都讀書。在一定程度 上，他又是自學(xué)成才的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)在日本沒有專門研究量子力學(xué)的人，以至 連懂得這個(gè)理論而能夠開這門課的人也沒有。于是他和他的同學(xué)朝永振一郎 一起學(xué)習(xí)量子力學(xué)，一部分是從原始論文上學(xué)，一部分則是從書本上學(xué)。相 互幫助，共同切磋。
針對(duì)核力的解釋，湯川探討了與核力場(chǎng)有關(guān)的量子特征。他認(rèn)為，作為 核力及β衰變的媒介存在的新粒子具有有限的靜止質(zhì)量，而他作出這個(gè)推理 時(shí)，所用的理論只不過略超出一點(diǎn)測(cè)不準(zhǔn)原理和相對(duì)論。他估計(jì)，該粒子的 靜止質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的 200 倍。把這種粒子稱為介子正是表示其質(zhì)量介 于質(zhì)子與電子之間。
介子理論起初并沒有引起很大轟動(dòng)，因?yàn)槟菚r(shí)還沒有人看到與湯川的假
設(shè)相類似的粒子。然而 1936 年，美國(guó)的安德森和尼德邁耶爾在研究宇宙線中 發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量為電子 207 倍的帶電粒子，稱為μ介子，于是湯川的介子理 論開始受到人們的重視。
可是，當(dāng)初在宇宙線中發(fā)現(xiàn)的這種介子平均壽命很長(zhǎng)，比湯川理論所預(yù)
言的要大許多倍。為解決這一困難，日本的谷川、坂田和井上及美國(guó)的貝特 和馬沙克，各自獨(dú)立地提出了一個(gè)假設(shè)，即觀察到的μ介子是湯川介子的衰 變產(chǎn)物，而尚沒有人觀察到湯川介子。直至 1947 年，美國(guó)的鮑威爾等人在宇 宙線中發(fā)現(xiàn)了另一種粒子，認(rèn)定是湯川所預(yù)言的介子，被命名為π介子。
從 40 年代末到 50 年代末，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的基本粒子。這些
新粒子都有一種奇特的性質(zhì)，就是它們都產(chǎn)生得快，衰變得慢。這表明它們 在產(chǎn)生過程中起作用的是類似核力的強(qiáng)相互作用，而在衰變過程中卻受支配 于β衰變時(shí)出現(xiàn)的那種弱相互作用，兩者相差 1013 倍。這種情況頗令人費(fèi)解， 因此人們把這些新粒子統(tǒng)稱為奇異粒子。其中有 1947 年發(fā)現(xiàn)的比π介子重的 Kπ子，比質(zhì)子、中子重的蘭姆達(dá)超子和西格馬超子；1954 年發(fā)現(xiàn)的克西超子。 尤為值得一提的是，1959 年我國(guó)著名物理學(xué)家王淦昌在前蘇聯(lián)杜布納聯(lián)
合原子核研究所，利用 10GeV 的質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器和他們自己制造的 24L
丙烷氣泡室，從 4 萬張照片中發(fā)現(xiàn)了反西格馬負(fù)超子，從而引起物理學(xué)界新 的轟動(dòng)。
“竊能賊”中微子
β衰變是指原子核自發(fā)地放射出β粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn) 變。在研究β衰變的初期，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)上遇到一個(gè)難以理解的事實(shí)，那就是
電子所帶走的能量，總比原子核放出的能量要少得多，而且這個(gè)能量值每次 都不相等。換句話說，原子核所釋放的能量有一部分“失竊”了。
圍繞著這一樁“竊能”案，物理學(xué)家們展開了一場(chǎng)激烈的爭(zhēng)論和“破案” 工作。
有些大膽的物理學(xué)家甚至是物理學(xué)權(quán)威對(duì)β衰變中能量是否仍然守恒提 出了疑問。如著名的丹麥物理學(xué)家玻爾認(rèn)為，能量守恒定律只是在許多次衰 變過程中在平均的意義上才有效，而并非在每一次衰變中都能成立。又如量 子力學(xué)創(chuàng)始人之一的奧地利物理學(xué)家薛定諤也對(duì)這種能量守恒只是一條統(tǒng)計(jì) 定律的說法，表示十分贊賞。
在此之前，德國(guó)物理學(xué)家索末菲在他那本著名的《原子結(jié)構(gòu)和光譜線》 一書中，也曾考慮放棄能量守恒定律的嚴(yán)格確實(shí)性。他說：“因此，對(duì)于必 須應(yīng)用的波動(dòng)理論的最溫和的修正，是不能承認(rèn)能量定理對(duì)于單個(gè)輻射現(xiàn)象 是適用的，并且承認(rèn)它僅僅在很多過程取平均時(shí)才是適用的。”
物理學(xué)權(quán)威們對(duì)能量守恒定律表示了懷疑。能量守恒定律在β衰變中被 破壞和不適用了。這種看法引起了物理學(xué)界思想的極大混亂，要是這個(gè)定律 真的被推翻了，整個(gè)物理學(xué)的宏偉大廈和精巧建筑會(huì)毀于一旦。
這種懷疑和看法，后來被驗(yàn)證是錯(cuò)誤的。那么，這些物理學(xué)權(quán)威們?yōu)槭?么要去懷疑能量守恒定律，提出能量守恒定律不適用的看法呢？產(chǎn)生這種情 況是有其原因的。
早在愛因斯坦提出光量子概念，即把光看作是由一份份獨(dú)立的能量子—
—光量子組成的這一嶄新概念時(shí)，就沒有得到有關(guān)物理學(xué)權(quán)威的承認(rèn)。他們 認(rèn)為光量子說很難被接受，因?yàn)樗c傳統(tǒng)的波動(dòng)說是那樣格格不入，且無法 解釋光的干涉等波動(dòng)所特有的效應(yīng)。
在他們看來，光量子說雖有某些特定的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，實(shí)際上不過是早已被
推翻了的微粒說在新形式下的復(fù)活；而波動(dòng)說雖然在個(gè)別實(shí)驗(yàn)的解釋上遇到 困難，但支持它的實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻比支持光量子說的多得多，新觀點(diǎn)怎么能與經(jīng) 過千錘百煉、近乎爐火純青的舊理論相匹敵呢？但是，作為光量子說重要實(shí) 驗(yàn)根據(jù)的光電效應(yīng)又該怎樣用傳統(tǒng)的波動(dòng)說來解釋呢？為了“拯救”物理學(xué)， 這些權(quán)威們作了一個(gè)異乎大膽的然而又是十分錯(cuò)誤的選擇，那就是不堅(jiān)持能 量和動(dòng)量守恒的普遍適用性。因?yàn)檫@樣就提供了用傳統(tǒng)的波動(dòng)說“解釋光電 效應(yīng)唯一的可能性”，可是他們的這個(gè)選擇最后是失敗了。
基于不承認(rèn)光量子說這樣一個(gè)保守的原因，他們?yōu)橹３州椛涞慕?jīng)典的
波動(dòng)理論，于是對(duì)β衰變中能量守恒問題再次提出了疑問。有的權(quán)威聲稱： “在原子理論的現(xiàn)階段，我們可以說，無論是從經(jīng)驗(yàn)上還是從理論上都沒有 理由堅(jiān)持在β衰變中能量一定守恒。原子的穩(wěn)定性迫使我們放棄的也許正是 能量平衡的觀念。”其結(jié)果是在β衰變能量“失竊”案的偵破中，同樣導(dǎo)致 了失敗。
就在這樣一個(gè)緊要關(guān)頭，有一位年輕的物理學(xué)家泡利卻非同凡響，提出 了自己的嶄新見解。他預(yù)言：能量守恒定律是有效的；在β衰變過程中放出 了一個(gè)難以探測(cè)到的中性粒子，而這中性粒子在不知不覺中帶走了原子核釋 放的能量。
1930 年 12 月，泡利向在杜賓根參加放射性工作會(huì)議的人們寫了一封信。 就在這封信中，泡利敘述了他所預(yù)言的中性粒子，并給此新粒子取命為“中 子”。有了這個(gè)預(yù)言中的新粒子，β衰變中能量守恒的困難就可迎刃而解，
這個(gè)“竊能”案也就可以破了。 泡利的這個(gè)預(yù)言太新奇了，立即引起了當(dāng)時(shí)在哥本哈根的意大利物理學(xué)
家費(fèi)密的注意和欣賞。他運(yùn)用泡利的觀點(diǎn)，成功地解釋了原子核的β衰變， 提出了一種新的自然力——弱相互作用理論。費(fèi)密還給那個(gè)“竊能賊”取了 一個(gè)十分風(fēng)趣的名字——中微子，意思是“微小的中性小家伙”。
盡管泡利的這個(gè)預(yù)言簡(jiǎn)單明確，但當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)此卻持懷疑的 態(tài)度。物理學(xué)家們真是感到左右為難，放棄基本的能量守恒定律吧，他們憂 心忡忡；承認(rèn)中微子吧，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家不論怎樣努力尋找，卻又始終未能找 到這種新粒子。
這一時(shí)期物理學(xué)家把實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的矛盾，歸之于基本物理定律在原子核 中不適用，如對(duì)能量守恒定律表示懷疑，而不是去懷疑原子核的內(nèi)部組成， 產(chǎn)生這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)也是有一定原因的。
首先，當(dāng)時(shí)人們所認(rèn)識(shí)的“基本粒子”寥寥無幾，除去光子，能夠組成 物質(zhì)的算來只有質(zhì)子、電子，不要說α粒子，連盧瑟福認(rèn)為的中子也只是質(zhì) 子、電子的復(fù)合體，實(shí)際上是特殊的原子核，如何設(shè)想在認(rèn)識(shí)非常有限的“基 本粒子”的基礎(chǔ)上能提出新的原子核的組成理論呢？
其次，時(shí)代的局限性，限制了人們提出新粒子的可能性。盡管在理論和 實(shí)驗(yàn)上都顯示出新粒子被發(fā)現(xiàn)的曙光，但正如狄拉克所說：“在那些日子里， 情況就是這樣，人們非常不愿意提出一個(gè)新粒子。”也就是說，在那時(shí)提出 一個(gè)新粒子的科學(xué)預(yù)言需要巨大的勇氣和膽識(shí)。正是有了這種勇氣和膽識(shí)， 才使泡利在糾正所謂能量守恒定律不適用的錯(cuò)誤中作出了不懈努力和杰出貢
獻(xiàn)。
中微子的科學(xué)預(yù)言在理論上是令人滿意的，它完全說明了在β衰變過程 中“失蹤”的能量去向何方，圓滿地解決了一些矛盾。然而，在人們尚未捕 獲中微子之前，預(yù)言僅能作為一種假說。
要證實(shí)假說，就得通過實(shí)驗(yàn)去捕捉中微子。由于中微子不帶電，作用極
為微弱，捕捉它就顯得很困難。中微子是以光速運(yùn)動(dòng)的，但它并不是光子。 光子非常容易同物質(zhì)粒子作用，當(dāng)它們通過物質(zhì)時(shí)很容易被吸收掉。而通過 β衰變放射出來的中微子卻不會(huì)被物質(zhì)吸收。它要穿過大約 1000 億個(gè)地球才 會(huì)與其內(nèi)的一個(gè)原子核碰撞一次。多么神秘的穿透力！即使做成像地球那么 大的探測(cè)器，當(dāng)有 1000 億個(gè)中微子通過時(shí)，大約只能探測(cè)到 1 個(gè)。中微子的 主要奧秘就在于此。
盡管捕捉中微子如此之難，不少物理學(xué)家仍然千方百計(jì)去尋找它。1941
年，我國(guó)著名物理學(xué)家王淦昌提出通過輕原子核俘獲 K 殼層電子釋放中微子 時(shí)所產(chǎn)生的反沖探測(cè)中微子。在這類過程中，所產(chǎn)生的原子核的反沖能量和 動(dòng)量將僅僅同發(fā)射的中微子有關(guān)。他把自己的設(shè)想寫成《探測(cè)中微子的建議》 一文發(fā)表于 1942 年 1 月出版的美國(guó)《物理評(píng)論》雜志
王淦昌的論文發(fā)表不過幾個(gè)月，美國(guó)物理學(xué)家阿倫就據(jù)此做了的 K 電子 俘獲實(shí)驗(yàn)，證明了丟失的能量和動(dòng)量正好符合中微子的要求，這是顯示中微 子存在的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。王淦昌的設(shè)想和阿倫的實(shí)驗(yàn)，被認(rèn)為是 1942 年世界物 理學(xué)的重要成就之一。
當(dāng)然更為直接的實(shí)驗(yàn)是對(duì)已被放射出來而脫離源的中微子進(jìn)行探測(cè)。這 個(gè)實(shí)驗(yàn)直到 1956 年由美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的柯溫和萊因斯完成。他們用
了 200 升水和 370 加侖液體閃爍體做成探測(cè)器，埋在美國(guó)一個(gè)核反應(yīng)堆附近
很深的地下，來探測(cè)核反應(yīng)堆放射出來的極強(qiáng)的中微子。經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間， 才成功地探測(cè)到了為數(shù)不多的中微子。
柯溫和萊因斯的實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的：當(dāng)反中微子Ve射到水中與質(zhì)子碰
撞，便發(fā)生下面的反應(yīng)過程 Ve＋pn＋e+，由此放出的正電子經(jīng)過減速后與電
子湮沒，轉(zhuǎn)化成兩個(gè)γ光子。這些光子同時(shí)射入兩邊的兩個(gè)液體閃爍體，產(chǎn) 生一個(gè)符合信號(hào)。所謂符合信號(hào)是兩個(gè)閃爍體同時(shí)記錄到γ光子而產(chǎn)生的信 號(hào)。這個(gè)信號(hào)的出現(xiàn)就表明在水中發(fā)生了 e+e-的湮沒過程。
值得注意的是，上述過程還產(chǎn)生了一個(gè)中子（n），它將經(jīng)過很多次碰撞， 約經(jīng)過數(shù)微秒后，被摻在水中的一個(gè)鎘（Cd）原子核吸收，同時(shí)產(chǎn)生若干個(gè) γ光子 n＋Cd*?d?Cd+γ+γ＋??這些γ光子再進(jìn)入閃爍體，又產(chǎn)生一個(gè)延 遲符合信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的出現(xiàn)進(jìn)一步證明在水中確實(shí)發(fā)生了上述過程。柯溫 和萊因斯就是用這種實(shí)驗(yàn)方法證實(shí) Ve 存在的。
這樣，20 多年的“竊能”案終于被徹底偵破，中微子也就歸了案。后來 隨著人們對(duì)弱相互作用的理解加深，對(duì)中微子的認(rèn)識(shí)也更清楚了?，F(xiàn)在已知 道，太陽(yáng)及遙遠(yuǎn)的星體內(nèi)部發(fā)生核反應(yīng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中微子，中微子一經(jīng)產(chǎn)生 便向四面八方飛出，到處都有。特別在建造了核反應(yīng)堆這個(gè)強(qiáng)大的中微子源 后，雖然中微子只有 1/1020 的捕獲率，但依靠現(xiàn)代物理儀器也足以能探測(cè)到 它的存在，并把它捉拿“歸案”。
黑體輻射
1859 年 10 月 20 日，35 歲的中年教授基爾霍夫從海德堡提交了他的第一 篇熱輻射論文。全篇論文雖然只有兩頁(yè)，卻引起了科學(xué)思想的又一場(chǎng)革命。 該年 7 月，是一個(gè)陽(yáng)光燦爛，適于做實(shí)驗(yàn)的日子。在海德堡大學(xué)一間寬 敞的實(shí)驗(yàn)室里，基爾霍夫正在專心致志地做著物質(zhì)吸收光的實(shí)驗(yàn)。他把一個(gè) 三棱鏡和光屏放置在靠窗口的長(zhǎng)桌上。窗口用布遮蓋起來后，便走到棱鏡一 側(cè)，把酒精燈點(diǎn)燃，用它去燒灼準(zhǔn)備好的食鹽。被燒灼的食鹽立即升起黃色 的鈉光。鈉光透過三棱鏡，映在了對(duì)面的光屏上。光屏立即顯現(xiàn)了兩條黃色
的明線。
然后，他又輕輕地轉(zhuǎn)過身去，掀起布的一角，讓窗口的太陽(yáng)光通過鈉光 和棱鏡照到光屏上，看看會(huì)有什么變化。果然出現(xiàn)了變化：當(dāng)太陽(yáng)光較弱時(shí)， 明線仍然存在；當(dāng)逐漸增強(qiáng)太陽(yáng)光，達(dá)到某一強(qiáng)度時(shí)，明線消失，并在同一 位置上出現(xiàn)兩條暗線。他把燒灼的食鹽拿掉一些，暗線又消失了?；鶢柣舴?觀察到此，內(nèi)心為之一陣激動(dòng)，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一個(gè)不同尋常的物理新現(xiàn)象。 作為嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家是絕不會(huì)放過偶然出現(xiàn)的新現(xiàn)象的。他一 次又一次重復(fù)實(shí)驗(yàn)：順手把拿掉的食鹽放回原處，只見光屏上的兩條暗線又 出現(xiàn)了；當(dāng)再遮住太陽(yáng)光時(shí)，只見光屏上出現(xiàn)的是兩條明線，這究竟是什么
原因呢？ 經(jīng)過苦苦思索，基爾霍夫?qū)@一現(xiàn)象的研究過程中，突然心領(lǐng)神會(huì)，原
來是“物體會(huì)發(fā)什么光，便會(huì)吸收什么光”。也就是說，在上述實(shí)驗(yàn)中，金 屬鈉原子能發(fā)出兩條黃色的明線，因而它能從太陽(yáng)光中吸收與之相同波長(zhǎng)的 光，并在被吸收掉光的部分留下黑色的痕跡，即出現(xiàn)兩條暗線。于是，基爾 霍夫又換用其他物質(zhì)，以相同的方法，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得到了相同的結(jié) 果。由此，他發(fā)現(xiàn)了熱輻射的定律，后被稱為基爾霍夫定律：任何物體的發(fā)
射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值與物體特性無關(guān)，是波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)。 作為善于思考的理論物理學(xué)家從熱輻射定律又引出一種嶄新的想法：如
果自然界能找到一個(gè)這樣的物體，對(duì)它加熱后，隨著溫度的不同能發(fā)出各種 光時(shí)，它也同樣會(huì)吸收掉與之對(duì)應(yīng)的各種光，那么這個(gè)物體就可稱為一個(gè)完 全“黑”的物體了。順著這個(gè)思路，基爾霍夫于 1862 年提出了理想黑體的概 念。
理想黑體是從觀察自然中抽象出來的一種物理模型。理論分析表明，一 種理想黑體能夠全部地吸收投射到它上面的一切輻射，而在同樣溫度下，它 所發(fā)出的熱輻射也比任何其他物體為強(qiáng)。對(duì)于理想黑體，不論其組成的材料 如何，它們具有在相同溫度下發(fā)出同樣形式的輻射能量。因此，研究這樣的 黑體輻射，具有很大的理論意義和實(shí)際意義。
然而實(shí)際上黑體是不存在的，但可以用某種裝置近似地代替黑體。它是 一個(gè)帶有小孔的空腔，并且小孔對(duì)于空腔足夠小，不會(huì)妨礙空腔內(nèi)的平衡。 通過小孔射入空腔的所有輻射經(jīng)腔內(nèi)壁多次反射后，幾乎全部被吸收，再?gòu)?小孔射出的輻射極少。
基爾霍夫認(rèn)為黑體輻射也可稱為空腔輻射，他給出了空腔輻射的有效定 義：“已知一空間被許多溫度相同的物體所閉合，沒有輻射能穿透出去，于 是這空間中的每束輻射其組成在性質(zhì)和強(qiáng)度方面與來自同溫度的一個(gè)理想黑 體的輻射一樣。”
于是，基爾霍夫向理論學(xué)家和實(shí)驗(yàn)學(xué)家提出了相似的挑戰(zhàn)?；鶢柣舴驈?qiáng)
調(diào)實(shí)驗(yàn)上存在著特大的困難是有道理的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)學(xué)家必須解決下列三個(gè)問 題：
（1）構(gòu)造一個(gè)具有理想黑體特性而又易于辦到的物體；
（2）裝置具有相當(dāng)靈敏度的輻射探測(cè)器；
（3）找到將測(cè)量擴(kuò)展到大的頻率范圍的方法。 為了回答基爾霍夫提出的挑戰(zhàn)，人們足足做了 30 多年的實(shí)驗(yàn)才得到較為
足夠的數(shù)據(jù)。1893 年，一位年僅 29 歲的德國(guó)青年學(xué)者維恩從熱力學(xué)第二定
律出發(fā)，結(jié)合新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，首先推演出黑體輻射的位移定律。
維恩從 1891 年來到柏林國(guó)立物理研究所后，就悉心從事黑體輻射的研 究。面對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)界正在尋找理想黑體終無所得而束手無策時(shí)，他卻充分地 顯示了自己的才能。這就是專門設(shè)計(jì)了一只箱子，箱子內(nèi)壁全涂成黑色，形 成一個(gè)空腔，上面開有小孔；為了加強(qiáng)吸收效果，又在空腔壁上裝了許多帶 孔的橫壁，從而使得輻射更不容易直接反射出去。
春天來臨，經(jīng)過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)和思考的維恩，終于發(fā)現(xiàn)黑體的溫度（絕對(duì) 溫度）同所發(fā)射能量最大的波長(zhǎng)成反比，即維恩位移定律。
1896 年，維恩把熱力學(xué)考察和多普勒原理結(jié)合起來，應(yīng)用到空腔輻射的 壓縮。他指出，在一定溫度下的輻射密度可以通過反射壁包圍輻射區(qū)域的絕 熱收縮或絕熱膨脹，轉(zhuǎn)變到另一溫度的輻射，從而得出了黑體輻射的能量按 波長(zhǎng)（或頻率）分布的公式，又稱維恩公式。這個(gè)公式的短波部分同實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)很好符合，并足以解釋為什么光譜的極大強(qiáng)度在黑體的溫度升高時(shí)愈來愈 向短波方向移動(dòng)。
那么，維恩公式把空腔輻射的問題解決了嗎？沒有。1897 年，盧默爾和 普林斯海姆對(duì)空腔的能量分布進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)維恩公式只在波長(zhǎng)較短、溫 度較低時(shí)才和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，在長(zhǎng)波部分卻偏離很大、完全不能適用，由此
反映出經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射規(guī)律時(shí)遇到了嚴(yán)重困難。 令人關(guān)注的黑體輻射，在英國(guó)也投入不少研究力量。特別是瑞利，這位
出生貴族家庭的物理學(xué)家，時(shí)至 1900 年，盡管他已年過半百、頗有聲望，可 是依然積極致力于研究工作。
就在這一年，瑞利應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁理論來計(jì)算一個(gè)封閉腔的熱 輻射。他指出，隨著封閉腔被加熱，那么腔中將建立一個(gè)電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁 場(chǎng)可分解成為一個(gè)具有不同頻率和不同方向的駐波系統(tǒng)，每一個(gè)這樣的駐波 就是電磁場(chǎng)的一個(gè)基本狀態(tài)。于是在一定頻率間隔內(nèi)的場(chǎng)能的計(jì)算變?yōu)槿?dǎo) 出基元駐波的個(gè)數(shù)，由此得到一個(gè)新的熱輻射公式。
可是瑞利在推導(dǎo)中錯(cuò)了一個(gè)因數(shù) 8，這個(gè)錯(cuò)誤為英國(guó)當(dāng)時(shí)只有 27 歲的金 斯所發(fā)現(xiàn)。他于 1905 年給《自然》雜志的一封信中加以修正，即把原來的瑞 利公式用 8 去除，得到了現(xiàn)在稱之為瑞利—金斯公式。
這是企圖用古典理論來處理黑體輻射的又一重要嘗試。這個(gè)公式表明， 輻射能量密度的頻率分布正比于頻率的平方。于是在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基 本相符，但在短波部分卻完全不相符合，因此此時(shí)按公式計(jì)算而得到的輻射 能量將變成無窮大，顯然這是不可能的。
古典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)產(chǎn)生了很大的矛盾，這種情況曾被荷蘭物理學(xué)家埃 倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。事實(shí)上，維恩公式與瑞利—金斯公式，各從一 個(gè)側(cè)面反映出物體輻射中的部分規(guī)律，但在解釋全部熱輻射現(xiàn)象卻產(chǎn)生了矛 盾和“災(zāi)難”，這就充分暴露了經(jīng)典物理學(xué)本身的缺陷。
光電效應(yīng)
光電效應(yīng)是光從金屬表面擊出電子的效應(yīng)。它是最早發(fā)現(xiàn)的量子現(xiàn)象， 即最早發(fā)現(xiàn)的據(jù)說是不能作出經(jīng)典解釋的現(xiàn)象，人們把被實(shí)驗(yàn)事實(shí)所否定的 經(jīng)典機(jī)制描述如下：
“當(dāng)輻射擊中在原子內(nèi)振動(dòng)著的電子時(shí)，就將能量轉(zhuǎn)移給電子。如果電
場(chǎng)的振動(dòng)頻率恰好是原子中電子的共振頻率，電子就會(huì)從光波中吸收能量直 至它被釋放出來。”
提出這一機(jī)制以后，人們就不厭其煩地向讀者們證明它怎樣地與實(shí)驗(yàn)事
實(shí)不符，卻從來不屑于想一想：這一機(jī)制從經(jīng)典物理學(xué)的角度來看是否合理？ 其實(shí)，只要稍微細(xì)心一點(diǎn)，就能發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制是經(jīng)典物理學(xué)所不允許的。
第一、實(shí)驗(yàn)證明：光只有照射金屬才發(fā)生光電效應(yīng)，金屬的特點(diǎn)是有大
量自由電子，可見光電效應(yīng)是光與自由電子的相互作用。而自由電子不能有 “強(qiáng)迫振動(dòng)”，因?yàn)樗鼪]有強(qiáng)迫振動(dòng)所需要的恢復(fù)力（阻止電子逸出金屬表 面的力是單向的，不是恢復(fù)力）。
第二、即使金屬中有電子在光作用下強(qiáng)迫振動(dòng)，其共振頻率將是光的頻 率，因此其振幅將小于光的波長(zhǎng)（否則電子的速度將超過光速）。如此頻率 極大而振幅極小的振動(dòng)又怎能使電子脫離金屬呢？
當(dāng)然，根據(jù)力學(xué)原理，即使沒有恢復(fù)力，電子在光波中也會(huì)振動(dòng)，但這 不是本來意義下的“強(qiáng)迫振動(dòng)”，其振幅也小得不能為宏觀儀器所察覺。從 這一點(diǎn)出發(fā)，我們可得到光電效應(yīng)的經(jīng)典解釋：
當(dāng)電子在光波中達(dá)到電動(dòng)平衡時(shí)，它將在光的電場(chǎng)作用下振動(dòng)，在光的 磁場(chǎng)作用下以交變的角速度運(yùn)動(dòng)，我們稱這種運(yùn)動(dòng)為“光致運(yùn)動(dòng)”。這種運(yùn)
動(dòng)使電子激發(fā)一個(gè)附加的駐波場(chǎng)，我們稱它“光致波包”。此外，我們把電 子的光致運(yùn)動(dòng)的平衡點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)稱為“整體運(yùn)動(dòng)”。一般地說，電子在光波中 的這種整體運(yùn)動(dòng)是等速直線運(yùn)動(dòng)，于是電子在光波中有三種運(yùn)動(dòng)形式：內(nèi)部 運(yùn)動(dòng)、光致運(yùn)動(dòng)和整體運(yùn)動(dòng)。電子在真空中則沒有光致運(yùn)動(dòng)，只有內(nèi)部運(yùn)動(dòng) 與整體運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)電子從真空進(jìn)入光波時(shí)，將從真空中的電動(dòng)平衡過渡到光波中的電動(dòng) 平衡，這是一個(gè)整體過程，我們稱它為“入光過程”。在入光過程中，電子 將產(chǎn)生光致運(yùn)動(dòng)，建立光致波包，為此，電子將從光波中吸收能量，即吸收 一份光波。此外，電子的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也將因此而改變，從一種等速直線運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)過渡到另一等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
電子在入光過程中所吸收的那一份光波，乃是原光波的一部分，從而是 一份有限的單色光波波列，由于有限，單色只是近似的，這份光波就是一個(gè) 愛因斯坦的“光量子”或“光子”。
這份光波作為從原光波中分離出來的一部分，可以用能量ε和動(dòng)量 p 來 描寫它，即把它看作一個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的物體。另一方面，作為一個(gè)波列，又 可用
頻率ν和波數(shù)σ來描寫它，其中p ?
ε v
, σ ? 。
c c
根據(jù)相對(duì)論容易證明，當(dāng)參照系改變時(shí)，ε，p，ν，σ都將改變，但比 值則保持不變。這樣，普朗克——愛因斯坦關(guān)系ε=hv，p=hσ就不再顯得像 一個(gè)斯芬克司的啞謎了。但是這一關(guān)系式中的常量恰好是普朗克常量
aπm 0c2
h ? w 0
則要求從理論上證明（這要求更細(xì)致的電子模型）。愛因斯坦和德布洛依心 愛的波與粒子的神秘對(duì)稱性，已經(jīng)不再是什么“解釋”了。
當(dāng)光照射金屬時(shí)，金屬中的自由電子經(jīng)歷入光過程，吸入一個(gè)光子并從
靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)，并因此逸出金屬表面，這就是光電效應(yīng)。 這種經(jīng)典機(jī)制可解釋最初發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)：首先，入光過程極為短促，
因此光電效應(yīng)沒有明顯的“慣性”；其次，光越強(qiáng)，入光過程越短促，因此
就有越多的電子在兩次與金屬的晶格點(diǎn)陣碰撞的自由程內(nèi)完成入光過程，成 為“光電子”，因此，光電子的數(shù)目取決于光的強(qiáng)度；最后，電子進(jìn)入光波 以后的光致運(yùn)動(dòng)，決定于光的頻率而與光的強(qiáng)度無關(guān)。因此電子在入光過程 中所吸收的光波的能量及電子所獲得的動(dòng)能也決定于光的頻率而與光的強(qiáng)度 無關(guān)。
誠(chéng)然，愛因斯坦的“光子”對(duì)光電效應(yīng)的解釋似乎更簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確，但這 一成功卻以一系列的挫折為代價(jià)。
60 年代，曼戴爾（Mandel）等人考察了兩個(gè)獨(dú)立激光之間的干涉。由于 觀測(cè)時(shí)間很長(zhǎng)，使得“當(dāng)下一個(gè)光子被兩個(gè)光源中的任一個(gè)發(fā)射出來之前， 上一個(gè)光子已被吸收”，卻仍然獲得干涉條紋影像，假若把其中的一支激光 停掉，就什么干涉也沒有。這似乎表明一個(gè)光束中的光子會(huì)同另一光束的“虛 無”發(fā)生干涉。
早在 1909 年，泰羅（Taylor）就做過“單光子干涉”實(shí)驗(yàn)：先用強(qiáng)光拍 下細(xì)針的衍射象，然后把光源衰減，相應(yīng)地增加曝光時(shí)間。最后一次曝光長(zhǎng)
達(dá) 3 個(gè)月，相應(yīng)的光弱到不可能有多于一個(gè)光子同時(shí)通過儀器。結(jié)果發(fā)現(xiàn)衍
射圖像與短時(shí)間的強(qiáng)光照相同。令人困惑的是：“一個(gè)光子怎么可以同時(shí)處 在兩束分光束中呢？”如果是雙縫衍射，則問題成為：“一個(gè)入射光子怎么 可以同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫呢？”
在“光子”學(xué)說遇到挫折的地方，我們的經(jīng)典解釋卻照樣通行無阻。 首先，我們應(yīng)考察光電效應(yīng)的一個(gè)重要的性質(zhì)：?jiǎn)蝹€(gè)原子輻射出來的光
子是有限的單色光波波列，在一般情況下，物質(zhì)所輻射的光波并不是“光子 流”，而是大量光子相互迭加而形成的連續(xù)波場(chǎng)。在光電效應(yīng)中，電子所吸 收的光子乃是這個(gè)連續(xù)波場(chǎng)中的一份，它一般不再是某一原子所輻射出來的 一個(gè)光子。顯然，剛好可以從金屬表面擊出一個(gè)電子的光波，必須多于一個(gè) 光子。
我們可以用一個(gè)笨拙的比方來闡明上述結(jié)論：將光波比作一桶水，電子 比作舀水的杯子，則原子輻射好比用杯子往桶里加水，雖然水是連續(xù)的，但 在這一加水過程中桶里的水還是一杯一杯地增加。光電效應(yīng)好比用同一種杯 子從桶里舀水出來，一般地說，舀出的這一杯水不再是原來舀進(jìn)的某一杯水。 此外，當(dāng)桶里剛好還可以舀出一杯水時(shí)，桶里一定不止一杯水。
只有光流的強(qiáng)度非常小時(shí)，諸光子才成為離散的，不再相互迭加，這樣 的光波才是名副其實(shí)的“光子流”，但這種光子流卻已經(jīng)不可能從金屬表面 擊出光子。
人們常用光電檢測(cè)器給光子計(jì)數(shù)，對(duì)于強(qiáng)光，這種儀器是足夠準(zhǔn)確的；
但對(duì)于弱光，當(dāng)它告訴說只有一個(gè)光子（只擊出一個(gè)電子）時(shí)，那就肯定不 止一個(gè)光子。
最初曼戴爾的實(shí)驗(yàn)是用光電檢測(cè)器給光子計(jì)數(shù)的，因此它關(guān)于“當(dāng)下一
個(gè)光子發(fā)射之前上一個(gè)光子已被吸收”的報(bào)告是不可信的。后來?yè)Q用底片曝 光，也有同樣的問題。
至于單光子干涉實(shí)驗(yàn)，從我們的角度來看，光子本是一個(gè)單色光波波列，
可以自己與自己相干涉。因此從實(shí)驗(yàn)的干涉機(jī)制來看沒有困難，但從探測(cè)機(jī) 制來看卻存在同一問題：如果光源真是弱到發(fā)射“光子流”的程度，則照相 底片將不再感光，因此我們估計(jì)，泰羅實(shí)驗(yàn)中的光源還是比他認(rèn)為的要強(qiáng)一 些。
這一切都還有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。
普朗克的突破
1900 年夏末的一天。在柏林郊外的哥魯內(nèi)瓦爾特森林里，德國(guó)物理學(xué)家 普朗克正在和兒子一起散步。就在這長(zhǎng)時(shí)間的散步過程中，他對(duì)兒子熱心地 談到了自己在這一年夏天得出的關(guān)于熱輻射問題的新構(gòu)想。
據(jù)記載，普朗克對(duì)兒子說，這個(gè)新構(gòu)想使他作出了第一流的發(fā)現(xiàn)，是革 命性的發(fā)現(xiàn)，恐怕只有牛頓的發(fā)現(xiàn)才能與之相比。實(shí)際上，普朗克這時(shí)對(duì)自 己工作的認(rèn)識(shí)是正確的，他所作出的量子假說，當(dāng)之無愧地是第一流的發(fā)現(xiàn)， 更是革命性的發(fā)現(xiàn)。
普朗克早年在慕尼黑和柏林接受大學(xué)教育。在柏林大學(xué)曾聽過亥姆霍茲 和基爾霍夫的講課。他對(duì)這兩位物理學(xué)家的人品和科學(xué)研究十分崇敬，然而 對(duì)他們的講課卻感到幫助不大。正像普朗克晚年回憶這段經(jīng)歷時(shí)說，亥姆霍 茲講課沒有準(zhǔn)備，說起話來結(jié)結(jié)巴巴，經(jīng)常在黑板上寫錯(cuò)字，“我們總是覺
得他自己對(duì)講這門課是厭煩的，弄得我們也厭煩了?；鶢柣舴虻闹v課準(zhǔn)備得 非常仔細(xì)，每句話都挑選得很準(zhǔn)，一個(gè)字不多，一個(gè)字不少，可是既干巴又 單調(diào)。我們真佩服講師本身的那股勁兒，可是對(duì)他的講課倒不怎么欣賞。” 正是由于這個(gè)緣故，普朗克經(jīng)常地是自學(xué)，研究他們的原著。亥姆霍茲 和基爾霍夫的原著立刻就使他感到欽佩，此外是克勞修斯的主要著作《力學(xué) 的熱理論》也對(duì)這位年輕的學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的印象，使他立志去尋找像熱力
學(xué)定律那樣具有普遍性的規(guī)律。 就是在那些年月里，普朗克形成了自己特有的方法論的基本原則。 據(jù)說，當(dāng)時(shí)德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約里曾告訴他：物理學(xué)基本上是一門已經(jīng)
完成了的科學(xué)，因此，要研究物理學(xué)不會(huì)有多大成果?？墒瞧绽士诉€是下決 心研究物理學(xué)，因?yàn)槲锢韺W(xué)可以探索到絕對(duì)客體的更多規(guī)律。
普朗克早期主要從事熱力學(xué)研究，他的博士論文就是《論熱力學(xué)第二定 律》。他認(rèn)為，熱力學(xué)第二定律不只是涉及熱的現(xiàn)象，而且同一切自然過程 有關(guān)。熱力學(xué)第二定律的關(guān)系式不僅指出了自然過程的方向，而且由于熵的 極大值對(duì)應(yīng)于平衡態(tài)，深入地研究熵就可使我們掌握關(guān)于物理和化學(xué)平衡的 一切規(guī)律。
簡(jiǎn)單的熱力學(xué)關(guān)系式能解釋那么多現(xiàn)象的這一事實(shí)使普朗克深信，在自 然界中它們就是真理，是基礎(chǔ)，是絕對(duì)的，能夠描述自然界中一切最簡(jiǎn)單的、 不可動(dòng)搖的、永恒的東西。普朗克十分向往完成他自己的這種心愿，于是他 多年的科研計(jì)劃就是為了揭示如何從熱力學(xué)第二定律中得到盡可能多的結(jié) 果。
普朗克在散步中談起，直接導(dǎo)致他作出第一流發(fā)現(xiàn)的，是關(guān)于黑體輻射
的研究。普朗克于 1894 年起，就把注意力轉(zhuǎn)向黑體輻射問題。于是立即被基 爾霍夫函數(shù)的普遍適用性迷住了，他說：“這個(gè)所謂的正常能量分布代表著 某種絕對(duì)的東西，既然在我看來，對(duì)絕對(duì)的東西所作的探求是研究的最高形 式，因此我就勁頭十足地致力解決這個(gè)問題了。”
1896 年，普朗克在熱輻射理論研究中，感覺到應(yīng)用麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)
是解決這個(gè)問題的一條直接道路。也就是說，他想象物體的空腔內(nèi)充滿了具 有各個(gè)不同固有周期的、弱阻尼的線性諧振子或者是共振器；由于熱輻射而 激起的振子能量交換就會(huì)逐漸地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)能量分布的、與基爾霍夫定律相符 合的定態(tài)。
1899 年，普朗克表述了如下不成熟的想法：“我認(rèn)為，這必然會(huì)使我得
出這樣的結(jié)論，即輻射熵的定義因而還有維恩的能量分布定律，兩者必定都 是通過將熵增加原理應(yīng)用于電磁輻射理論而得出的。因而這條定律有效性的 限度，如果它存在著這種限度的話，將與熱力學(xué)第二定律所受到的完全相同。 顯然，這使我們對(duì)這條定律再做一番實(shí)驗(yàn)研究顯得更加極端重要了。”
該年年底，普朗克得知魯本斯等人在 9 月發(fā)表的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中指出了維恩 公式在λT→∞時(shí)出現(xiàn)明顯的偏差，因而表明了維恩理論的缺陷。
第二年，魯本斯夫婦訪問了普朗克，魯本斯告訴他，在λT→∞時(shí)，瑞利 于當(dāng)年 6 月發(fā)表的公式卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合。
這使普朗克受到很大啟發(fā)，立即嘗試用內(nèi)插法去尋找新的輻射公式，使 在長(zhǎng)波方面漸近于瑞利公式，在短波方面漸近于維恩公式。普朗克于 10 月 7 日當(dāng)天就得到了一個(gè)他所要求的新的輻射公式，并于 10 月 19 日的柏林物理 學(xué)會(huì)上以題為《維恩輻射定律的改進(jìn)》的論文作了報(bào)告。
第二天早晨，魯本斯告訴普朗克說，在學(xué)會(huì)會(huì)議結(jié)束后的當(dāng)晚，他將這 個(gè)新公式跟他自己曾經(jīng)做過的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了非常仔細(xì)的比較，結(jié)果是處處相 符，令人滿意。魯本斯深信在這個(gè)公式中孕育著極其重要的真理，絕不是一 個(gè)偶然的巧合。
可是當(dāng)時(shí)也有人認(rèn)為這個(gè)公式只是具有形式上的意義，并把它看做是一 條靠?jī)e幸猜中的規(guī)律而已。這就推動(dòng)著普朗克去尋找他的公式的理論基礎(chǔ)。 事后普朗克曾回憶說：“即使這個(gè)新的輻射公式竟然能證明是絕對(duì)精確的， 但是如果可以把它僅僅看做是一個(gè)僥幸揣測(cè)出來的內(nèi)播公式，那么它的價(jià)值 也只是有限的。正是由于這個(gè)緣故，從它于 10 月 19 日被提出之日起，我即 致力于找出這個(gè)等式的真正物理意義。這個(gè)問題使我直接去考慮熵和幾率之 間的關(guān)系，也就是說，把我引到了玻耳茲曼的思想。”
在這以前，普朗克對(duì)玻耳茲曼的統(tǒng)計(jì)理論并不欣賞，但他曾負(fù)責(zé)編輯過 他的老師和前任基爾霍夫文集的工作，因而對(duì)于玻耳茲曼理論的數(shù)學(xué)方面是 很熟悉的。他根據(jù)玻耳茲曼的統(tǒng)計(jì)解釋，即狀態(tài)的熵等于這種狀態(tài)的幾率的 對(duì)數(shù)同 K（玻耳茲曼常數(shù)）的乘積，來計(jì)算同一定能量的單色振子相對(duì)應(yīng)的 幾率，那么也就可以計(jì)算這個(gè)體系的熵，從而也可以計(jì)算它的溫度。至于單 色振子相對(duì)應(yīng)的幾率，他引用一個(gè)新的普適常數(shù) h，由于 h 的因子是能量與 時(shí)間的乘積，普朗克就稱 h 為作用量子。這樣，該幾率量度既合乎玻耳茲曼 的理論，也適用于輻射現(xiàn)象。
值得注意的是，普朗克在這一處理方法中，實(shí)際上他已經(jīng)作了一個(gè)革命
性的假設(shè)，已經(jīng)與經(jīng)典物理學(xué)有所不同了。因?yàn)榘凑战?jīng)典理論看來，所有的 各個(gè)微觀態(tài)的總和應(yīng)當(dāng)組成一個(gè)連續(xù)體。也就是說，把所有可能的微觀態(tài)編 排起來，應(yīng)當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)連續(xù)的組合。而按照普朗克的思想線索，實(shí)際上是認(rèn) 為所有可能的微觀態(tài)的總組合是分立的集合；一個(gè)系統(tǒng)的每一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng) 于完全確定數(shù)目的微觀態(tài)，這個(gè)數(shù)目就是所謂狀態(tài)的幾率。再?gòu)呐淙萑胧郑?很自然要引入能量不連續(xù)的假定，因?yàn)橹挥邪涯芰糠殖梢环莘莸?，才能夠?jì) 算確定的配容數(shù)目，如果總能量是可以無限連續(xù)地劃分的話，能量分配的方 式就不可能是有限的。
在 1900 年末，普朗克終于確信這個(gè)公式所包含的無法避免的似乎振子只
能包含分立能量子的結(jié)論，并于 1900 年 12 月 14 日，在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上宣讀 了他的論文《關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論》，明確提出了有關(guān)物質(zhì) 微觀結(jié)構(gòu)的量子假說。
普朗克指出，為了得到和實(shí)驗(yàn)符合的黑體輻射公式（普朗克公式），必
須拋棄經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于物體可以連續(xù)輻射或吸收能量的概念，而代之以新 的概念。他認(rèn)為可以將構(gòu)成黑體腔壁的物質(zhì)看做帶電的線性諧振子，它們和 腔內(nèi)的電磁場(chǎng)交換能量（輻射或吸收能量）。而這些微觀諧振子只能處于某 些特定的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中它們的能量是最小能量ε0 的整數(shù)倍。它輻射或
吸收能量時(shí)只能由一個(gè)可能狀態(tài)躍遷到另一可能狀態(tài)，即能量只可一份一份 地改變，而不能連續(xù)地變化。這最小能量ε0 稱為量子，它與振子的振動(dòng)頻率
v 成正比，比例系數(shù)就是 h（又稱普朗克常數(shù)），ε0=hv。根據(jù)這些假設(shè)可以
成功地導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式。 普朗克的量子假說，突破了經(jīng)典物理學(xué)的舊框框，首次提出了微觀系統(tǒng)
的量子特性，從而打開了認(rèn)識(shí)微觀世界的大門，是現(xiàn)代物理學(xué)史上又一次革
命性的發(fā)現(xiàn)。
德布羅意的聯(lián)想
1924 年秋天，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)權(quán)威刊物《哲學(xué)雜志》登載一篇無名之輩的 文章，卻震驚了世界科壇。
這篇文章明確提出一個(gè)假設(shè)，認(rèn)為愛因斯坦所講的波粒二象性不是光子 才具有的，它同樣適用于一般的實(shí)體物質(zhì)，即一切微觀粒子。對(duì)于這種“二 象性”，作者名之為“物質(zhì)波”。其觀點(diǎn)的新穎、獨(dú)創(chuàng)，推理的嚴(yán)密、準(zhǔn)確， 都是無懈可擊的。這種大膽的假設(shè)，立即在科學(xué)界激起一個(gè)巨大的波瀾，而 論文的作者是一個(gè)當(dāng)時(shí)在物理學(xué)家中幾乎不為人知道的法國(guó)青年學(xué)者路易 斯·德布羅意。
路易斯·德布羅意出身于貴族世家。到了他的祖父這代，由于承襲了曾 祖一輩的爵位，坐享榮華富貴，便無所建樹，畢生默默無聞。
早在路易斯少年時(shí)期，父母親就相繼去世了。此后，他便在哥哥莫里斯·德 布羅意的撫養(yǎng)與教育下成長(zhǎng)。莫里斯是一位卓越的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，X 射線方 面的初期經(jīng)典研究的創(chuàng)始者之一，他既承擔(dān)了父親的責(zé)任，又對(duì)其弟關(guān)懷備 至，從而對(duì)路易斯走上物理學(xué)研究道路產(chǎn)生很大影響。
在中學(xué)讀書時(shí)，路易斯的興趣是文科。18 歲時(shí)就取得了歷史學(xué)學(xué)士學(xué)
位，直至 20 歲那年，在其兄的啟發(fā)下他的志趣才轉(zhuǎn)向物理學(xué)。在此期間，他 廣泛涉獵了自然科學(xué)名著。其中法國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家龐加萊的著作《科學(xué) 的價(jià)值》、《科學(xué)與假設(shè)》，對(duì)他頗有啟迪。從龐加萊的著作中，他了解到 人應(yīng)該怎樣為科學(xué)事業(yè)而奮斗，假設(shè)在科學(xué)領(lǐng)域中有著多么重要的意義。莫 里斯在巴黎拜倫路上宮殿似的家庭里建有一個(gè)私人實(shí)驗(yàn)室，路易斯便兼任哥 哥的物理實(shí)驗(yàn)助手。
路易斯的治學(xué)原則是：廣見聞，多閱覽，勤實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為環(huán)境和出身不
能決定一個(gè)人的志向，重要的是在學(xué)術(shù)上要善于獨(dú)立思考，不迷信權(quán)威名流。 就是對(duì)那位比他大 17 歲的哥哥，只要在學(xué)術(shù)上發(fā)生了爭(zhēng)論，他也不留一點(diǎn)情 面，有時(shí)竟弄得哥哥面紅耳赤。當(dāng)時(shí)他倆討論得最多的課題之一是有關(guān) X 射 線的波動(dòng)性和粒子性。他在自己的晚年回憶說：“經(jīng)過長(zhǎng)期的孤寂的思索和 遐想之后，在 1923 年我摹然想到：愛因斯坦在 1905 年所作出的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng) 加以推廣，把它擴(kuò)展到一切物質(zhì)粒子，特別是電子。”
該年，德布羅意著手解決由于光的波粒二象性所造成的困境。根據(jù)所有
干涉和衍射實(shí)驗(yàn)可知，光是由電磁波組成的；但是，根據(jù)光與物質(zhì)進(jìn)行的各 種能量交換時(shí)，它又是粒子性的。兩種觀點(diǎn)都由大量的實(shí)驗(yàn)佐證。所有較早 一些的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了波動(dòng)性，而一些最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又都表明光具有粒子 性。一些最近的數(shù)據(jù)就來自他哥哥的實(shí)驗(yàn)室；而且，有些實(shí)驗(yàn)是在他親自協(xié) 同下完成的。怎樣去統(tǒng)一看來是如此矛盾的兩個(gè)方面呢？
德布羅意是從愛因斯坦光的波粒二象性思想中受到很大的啟示。他想， 光輻射具有粒子性，而物質(zhì)粒子為什么不可以具有波動(dòng)性呢？長(zhǎng)期以來，在 光學(xué)上，與波動(dòng)的研究方法相比，過于忽視粒子的研究方法了。而在物質(zhì)粒 子的理論上，人們卻反其道而行之，太忽視波動(dòng)的圖像了。他認(rèn)為在研究物 質(zhì)粒子的理論中，必須“同時(shí)引進(jìn)粒子概念和周期性概念”。他大膽設(shè)想， 不僅光有粒子和波動(dòng)兩種性質(zhì)，而且“一般的”物質(zhì)也具有這兩種性質(zhì)。這
就是說，既然粒子概念在波的領(lǐng)域里成功地解釋了令人困惑的康普頓效應(yīng)， 那么，波動(dòng)概念也應(yīng)能解釋粒子領(lǐng)域里令人困惑的定態(tài)概念。
在這些思考的基礎(chǔ)上，德布羅意于 1923 年 9 月 10 日，發(fā)表了題為《波 和粒子》的論文。他指出愛因斯坦的公式 E=hv 不僅適用于光子，也該適用于 電子。就是說，一向被人看做是粒子的電子，也應(yīng)該具有波動(dòng)的性質(zhì)。他把 電子設(shè)想為波，用波形軌道代替圓形軌道，讓電子從圓周上的某點(diǎn)為起點(diǎn)出 發(fā)，邊振動(dòng)邊繞周。為了繞一周后能返回原來的位置，處于原狀，這就得巧 妙地調(diào)節(jié)它的波長(zhǎng)，即周長(zhǎng)除以它的波長(zhǎng)為一整數(shù)，也就是玻爾理論中的量
子化條件。在此基礎(chǔ)上，他把 E=hv 與愛因斯坦相對(duì)論的推論 E=mc2 相結(jié)合，
創(chuàng)造了物質(zhì)波的新理論。即 p=h/λ，其中 h 為普朗克恒量，p 為物質(zhì)的動(dòng)量，
λ為其波長(zhǎng)。由此可得物質(zhì)波的波長(zhǎng)，由下式表示：
λ= h/p=h/mv
這就是著名的德布羅意公式。他還提出，應(yīng)當(dāng)把玻爾理論中的量子化條件解 釋為關(guān)于物質(zhì)波的陳述：玻爾給出的電子軌道長(zhǎng)度應(yīng)是伴隨著電子的物質(zhì)波 波長(zhǎng)的整數(shù)倍，存在的軌道表示物質(zhì)波的駐波形式，而在其它被禁止的軌道 上，物質(zhì)波由于干涉而消失。這樣就闡明了能夠用物質(zhì)波的概念來解釋玻爾 提出的軌道量子化的條件。
9 月 24 日，德布羅意發(fā)表了題為《光量子，衍射和干涉》的論文，引進(jìn)
了相位波概念。在談到粒子波動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可能性時(shí)，他預(yù)言：“一束 電子穿過非常小的孔可能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這也許是實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證我們想法的方 法。”
同年 10 月 8 日，德布羅意詳細(xì)地給出了有關(guān)幾何光學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的類
比。他認(rèn)為傳統(tǒng)力學(xué)只不過是一種近似，它和幾何光學(xué)的適用范圍相同。他 感到有必要建立一種新的動(dòng)力學(xué)——波動(dòng)力學(xué)，并指出：“關(guān)于自由粒子的 新的動(dòng)力學(xué)和舊的動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系，完全同波動(dòng)光學(xué)和幾何光學(xué)之間的關(guān) 系一樣。”
1924 年，德布羅意總結(jié)了上述三篇短論文，并加以縝密的論證，形成了
他的博士論文《關(guān)于量子理論的研究》，于 11 月 25 日在索邦學(xué)院的審定委 員會(huì)上答辯了這篇博士論文。
和歷史上多次發(fā)生過的事情一樣，德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的極為大膽的假
設(shè)發(fā)表后，一開始并未引起物理學(xué)界的重視。索邦學(xué)院也是如此，當(dāng)收到德 布羅意的博士論文后，由于不知道如何進(jìn)行估價(jià)而處境尷尬，以致作出的部 分評(píng)議是：“我們贊揚(yáng)他以非凡的能力堅(jiān)持作出的為克服困擾物理學(xué)家的難 題所必須作的努力”，最后在場(chǎng)的評(píng)委教授只得以“相信”的結(jié)論通過這篇 博士論文。
在此之前，德布羅意的老師朗之萬把論文的副本寄給了好友愛因斯坦。 愛因斯坦收到后，立即看出了這位青年學(xué)者所提出的物質(zhì)波假設(shè)的極端重要 性，真有些喜出望外，立即回信表示贊賞。同時(shí)寫信給玻恩，建議他也讀一 讀這篇?jiǎng)e有風(fēng)味的，看起來似乎是不合理的，然而卻是獨(dú)具一格的論文。由 于愛因斯坦的決定性支持與推薦，德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的假設(shè)受到了國(guó)際物 理學(xué)界的廣泛重視。于是，很快全文刊登在皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)雜志》上。
為汁么物質(zhì)波的假設(shè)提出竟會(huì)使不少有名望的科學(xué)家感到難以捉摸呢？
這是因?yàn)槲镔|(zhì)波與人們以往所熟悉的水波、聲波、光波、電磁波以及其他實(shí) 實(shí)在在的，并能通過感覺器官或者儀器記錄下的各種類型的波，是根本不同 的。
由于德布羅意的物質(zhì)波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家們當(dāng)時(shí)的思維空間和認(rèn)識(shí)水 平，在這些科學(xué)家的眼里就認(rèn)為德布羅意的假設(shè)是離經(jīng)叛道，太神秘了?？?是，德布羅意堅(jiān)信：任何物體包括大至一個(gè)行星，一塊石頭，小至一粒灰塵 或一個(gè)電子，這些客觀存在的物質(zhì)，能在真空中傳播的現(xiàn)象，決不是機(jī)械波， 也不是電磁波，而是一種嶄新的未被認(rèn)識(shí)的波。因?yàn)闆]有物質(zhì)，就談不上什 么波，所以德布羅意把這種“不可想象”、“玄而又玄”的“神秘波”稱為 “物質(zhì)波”。
物質(zhì)波的假設(shè)提出使不少科學(xué)家處境尷尬的另一原因在于：我們?yōu)槭裁?看不見德布羅意波。但是，一般說來我們?cè)鯓硬拍苡X察出波來呢？不能僅僅 憑借我們的感覺器官，因?yàn)槿说母杏X器官畢竟還有較大的局限性，如人耳只 能聽到頻率介于 20 至 16000 周/秒的聲音，而人眼僅能反應(yīng)波長(zhǎng)介于 0.4 至
0.8 微米的可見光波。于是科學(xué)家們通過發(fā)明各種儀器來不斷擴(kuò)大人的感覺 范圍。
現(xiàn)在已清楚，被假設(shè)的德布羅意的波長(zhǎng)范圍是非常廣闊的。既然如此， 為什么長(zhǎng)期以來人們卻沒有發(fā)現(xiàn)這種波呢？問題在于：如何去發(fā)現(xiàn)。機(jī)械波， 波長(zhǎng)有幾米，便能被人耳察覺。但一臺(tái)收音機(jī)，即使調(diào)諧到這聲波的波長(zhǎng)也 不能接收到它，因?yàn)槭找魴C(jī)只能接收無線電波。從另一角度來看，無線電波 不能被人耳或其他機(jī)械裝置接收到，盡管它的波長(zhǎng)約幾米。
這就是說，任何一種接收器只能對(duì)某種特定類型的波作出反應(yīng)。耳反應(yīng)
聲波，眼反應(yīng)電磁波。由此看來，人們又怎樣察覺德布羅意波呢？德布羅意 波即不屬于聲波這一類，也不屬于電磁波這一類。
然而，人們還是想方設(shè)法要去察覺德布羅意波。這里，先讓我們根據(jù)德
布
h h
羅意公式：λ ? ?
p
，看一看我們周圍物體的運(yùn)動(dòng)是和怎樣的波長(zhǎng)相 對(duì)
mv
應(yīng)的。
（1）地球的波長(zhǎng)
地球的質(zhì)量是 6.0×1024 千克，環(huán)繞太陽(yáng)的軌道速度約為 3×104 米/秒， 根據(jù)德布羅意公式，普朗克恒量 h≈6.60×10-34 焦耳·秒，可以求出地球的 波長(zhǎng)。
6.6×10
λ ?
34
米 ? 36×10?59 米
6.0×1024 ×3×104
這個(gè)數(shù)值是目前還沒有任何一個(gè)可以用來作比較的有確定意義的量，它 究竟會(huì)小到什么程度，估計(jì)任何現(xiàn)有的以及未來幾十年可能擁有的最精密的 儀器，也無法記錄下這樣小的數(shù)值，真小得令人奇怪，是否隱含著深一層次 的奧秘？
（2）一塊石頭的波長(zhǎng)
一塊石頭的質(zhì)量為 1 千克，飛行速度為 1 米/秒。根據(jù)德布羅意公式可以 求出，石塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的波長(zhǎng)。
λ=6.6×10
-34
/1×1 米=6.6×10
-34
米
這個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)值比一個(gè)原子核的線度還小 1 千億億倍?？墒窃雍说谋旧硪?br>經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了顯微鏡所能觀察的范圍，因此目前要用儀器觀察到這樣短的波 也是無法做到的。
（3）電子的波長(zhǎng)
電子的質(zhì)量為 m=0.91×10-30 千克，帶電量為 1.6×10-19 庫(kù)侖，經(jīng)過 200 伏特的電勢(shì)差加速該電子，加速后電子獲得動(dòng)能 E＝Ve＝200×1.6×10-19 焦 耳=3.2×10-17 焦耳。
根據(jù)
米/秒。
1 2E
mv2 = E，電子的速度是v＝ ，代入數(shù)字可得出v＝8.4×106
2 m
按照德布羅意公式求出，這個(gè)運(yùn)動(dòng)電子的波長(zhǎng)為
λ=6.60×10
-34
/0.91×10
-30
6
×8.4×10
米=8.7×10
-11
米
這個(gè)數(shù)字就大不相同了。 8.7×10-11 米差不多相當(dāng)于 X 射線的波長(zhǎng)，而后者
是可以被測(cè)出的。因此，在理論上，我們應(yīng)該能夠測(cè)出電子的德布羅意波。 這個(gè)理論的推測(cè)，于 1925 年為美國(guó)物理學(xué)家戴維孫的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證 實(shí)。戴維孫于 1911 年取得了普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位，次年被卡內(nèi)基理工學(xué) 院任命為物理學(xué)助理教授。1917 年轉(zhuǎn)入西部電氣公司的工程部從事研究工
作，成績(jī)卓著。
事實(shí)上，電子束在晶體上的衍射早在德布羅意的假設(shè)提出之前就已發(fā) 現(xiàn)。1921 年，戴維孫和助手康斯曼在實(shí)驗(yàn)中曾偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子在薄鎳片上 散射時(shí)，可以觀察到強(qiáng)度和散射角度有顯著的依賴關(guān)系，但對(duì)于這個(gè)奇特的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們沒有領(lǐng)悟到是一種衍射現(xiàn)象。后來，戴維孫花了兩年多的時(shí) 間繼續(xù)這項(xiàng)研究，設(shè)計(jì)和安裝了新的儀器設(shè)備，并用不同的金屬材料作靶子。 工作雖然沒有多大進(jìn)展，但卻為以后的實(shí)驗(yàn)研究作了技術(shù)準(zhǔn)備。
1925 年，戴維孫和助手革末又開始了電子散射實(shí)驗(yàn)。一次偶然的事件使
他們的工作獲得了戲劇性的進(jìn)展。正如他們的論文指出： “在進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)，由于靶子有很高的溫度，使盛有液態(tài)空氣的容器
爆炸了。試管被炸碎，進(jìn)去的空氣使鎳靶氧化了。后來，氧化物被還原，靶
子上面的一層薄膜也用蒸發(fā)的辦法去掉了，是在氫氣中以及真空中、在不同 的高溫下長(zhǎng)時(shí)間的加熱后才去掉的。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行的時(shí)候，散射電子按角度的分布完全變了。變化的情況 可以用曲線示出。??曲線是在事故發(fā)生以后得到的，是第一次看到的新曲 線。這種散射的顯著變化曾被認(rèn)為是由于長(zhǎng)時(shí)間的加熱過程使靶子發(fā)生了再 結(jié)晶而造成的。在事故發(fā)生以前，我們轟擊過大量的小晶體，事故發(fā)生以后， 我們只轟擊了幾個(gè)（實(shí)際上約 10 個(gè)）大晶體。”
也就是說，看到新曲線中發(fā)現(xiàn)了好幾處尖銳的峰值，他們即采取措施， 將管子切開，發(fā)現(xiàn)鎳靶在修復(fù)的過程中發(fā)生了變化，原來磨得極光的鎳表面， 現(xiàn)在看來構(gòu)成了一排大約 10 塊明顯的結(jié)晶面。他們斷定出現(xiàn)新的散射曲線的 原因就在于原于重新排列成晶體陣列。
這一極為重要現(xiàn)象的出現(xiàn)，促使戴維孫和革末立即修改他們的實(shí)驗(yàn)計(jì) 劃。專門制作了一塊大的單晶鎳，并切取一特定方向來做實(shí)驗(yàn)。先后花了近 一年的時(shí)間，制成了新的鎳靶和管子。他們?yōu)槭煜ぞw結(jié)構(gòu)做了很多 X 射線 衍射實(shí)驗(yàn)，拍攝了很多 X 射線衍射照片，可就是沒有將 X 射線衍射和他們正 從事的電子衍射聯(lián)系起來。這樣他們于 1926 年繼續(xù)做電子散射實(shí)驗(yàn)的過程 中，并沒有馬上重獲偶然出事故之后的那種曲線。
1926 年夏天，戴維孫出席了在牛津大學(xué)召開的英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)。在那 里，他同玻恩、弗蘭克等人討論了他的電子散射的研究。通過討論，使戴維 孫意識(shí)到他實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的新曲線這一重要結(jié)果恰恰是由于晶格的電子衍射造 成的，這就證實(shí)了德布羅意的假設(shè)。
于是，戴維孫回到紐約后，立即和革末一起，更自覺地投入到尋找電子 波的實(shí)驗(yàn)證據(jù)的全面研究中去。從該年 12 月起，經(jīng)過 2～3 月的緊張工作， 便從實(shí)驗(yàn)中取得了卓著的成果，即實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)表明，德布羅意公式：
h
λ ? ?
p
h
在測(cè)量準(zhǔn)確度范圍內(nèi)是正確的。
mv
1927 年 3 月，他們提出了一個(gè)研究結(jié)果的初步摘要，全文報(bào)告則于 12 月發(fā)表在《物理評(píng)論》上。該文系統(tǒng)地?cái)⑹隽穗娮友苌涞膶?shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)經(jīng) 過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一次確定了運(yùn)動(dòng)電子的波動(dòng)性，其波長(zhǎng)與德布羅意物質(zhì)波 的假設(shè)相一致。
電子不僅在晶體上散射時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，當(dāng)電子束穿過一薄金屬箔后，
再照射到一屏上時(shí)，在屏上就顯示出有規(guī)律的條紋，同樣表現(xiàn)出波動(dòng)性。這 些條紋和 X 射線通過晶體粉末時(shí)所發(fā)生的衍射條紋是很類似的。這說明電子 也和 X 射線一樣在通過晶體后有衍射現(xiàn)象，并且從晶格常數(shù)、加速電位差和 條紋的幾何圖形等，都證明了電子衍射時(shí)的波長(zhǎng)和按德布羅意所預(yù)言的物質(zhì) 波的波長(zhǎng)完全符合。
電子衍射實(shí)驗(yàn)的成功，再次莊嚴(yán)地宣告：德布羅意的假設(shè)完全正確！從
此，物質(zhì)波的觀念為所有的物理學(xué)家全面接受，并成為量子力學(xué)的重要基礎(chǔ)。
愛因斯坦的發(fā)展
1905 年 6月，在伯爾尼專利局工作的一位青年科學(xué)家發(fā)表了一篇題為《論 動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的論文。這篇論文由于思想的深邃和邏輯的完美，特別是 以全新的觀點(diǎn)解決了當(dāng)時(shí)物理學(xué)進(jìn)展中的難題，引起了物理學(xué)界的極大重 視。這位年僅 26 歲的青年科學(xué)家很快就成為科學(xué)革命的一位舉世聞名的旗 手，物理學(xué)界的一顆璀璨奪目的新星，他就是愛因斯坦。
愛因斯坦在專利局干得很好。他作為三級(jí)技術(shù)專家，雖然年薪只有 3500 瑞士法郎，卻已能維持生活，而且這個(gè)工作迫使他作多方面的思考。一旦有 了空閑的時(shí)間，他就用于物理學(xué)的研究，在筆記紙上演算復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。 可是一聽見上司的腳步聲音，他就把紙匆忙地塞進(jìn)抽屜里。
整整 5 周的緊張研究，愛因斯坦把經(jīng)過 10 年醞釀的見解，形成了論文， 提出了非同尋常的狹義相對(duì)論。正如美國(guó)物理學(xué)家佩斯指出：“狹義相對(duì)論 是經(jīng)過 10 年的醞釀才誕生的。然而作者（指愛因斯坦）在悟出這理論最重要、 最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)學(xué)見解之后，不到五六周的時(shí)間就在討論的過程中實(shí)際完成了 論文。這件事是從愛因斯坦 1922 年 12 月在京都的演說中知道的。”
其實(shí)，愛因斯坦在阿勞的那一年（即從 1895 年 10 月到 1896 年早秋）， 他就想到這樣一個(gè)問題：“如果一個(gè)人以光速追隨光波運(yùn)動(dòng)，他眼睛看到的 會(huì)是什么情景呢？”不久，愛因斯坦進(jìn)入聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，他又遇到光、以太 和地球運(yùn)動(dòng)的問題。這些問題一直縈繞在他的腦海之中，他甚至想制造一種 儀器，用來精確地測(cè)定地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)。
以后，愛因斯坦在論及他第一次萌發(fā)相對(duì)論想法時(shí)，曾說：“談?wù)撐胰?何開始產(chǎn)生相對(duì)論思想是一件很不容易的事。因?yàn)榧ぐl(fā)我思考的事物是如此 之多，在相對(duì)論思想發(fā)展的不同階段上，每一種思考所產(chǎn)生的影響又很不相 同，??這種想法究竟從哪里開始說不太準(zhǔn)確，但是肯定它與運(yùn)動(dòng)物體的光 學(xué)特性有關(guān)。光在以太中傳播，而地球又在以太中運(yùn)動(dòng)，換句話說，以太在 相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)。”這就是說，對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的沉思、研究和探索，導(dǎo)致了愛 因斯坦的“智力革命”。
美國(guó)著名科學(xué)史家科恩認(rèn)為，科學(xué)革命不是一個(gè)突發(fā)的、短暫的事件， 而是有它的發(fā)展過程的。他根據(jù) 4 個(gè)世紀(jì)以來科學(xué)發(fā)展的重大事件的歷史分 析，把這個(gè)過程區(qū)分為 4 個(gè)階段：智力革命、書面上許諾的革命、紙面上的 革命和科學(xué)革命。所謂“智力革命”，即“自身革命”。當(dāng)一位科學(xué)家（或 一個(gè)科學(xué)家集團(tuán)）設(shè)計(jì)出一種根本解決某個(gè)或某一些主要問題的方案，尋找 到一種利用信息的新方法，并提出一種能以全新的方式包容現(xiàn)存信息的知識(shí) 框架（由此導(dǎo)致作出沒有人曾料到的預(yù)言），引入一套改變現(xiàn)有知識(shí)特征的 概念或提出一種革命的新理論的時(shí)候，這種革命就出現(xiàn)了?？傊?，革命的第 一步總是由一個(gè)或多個(gè)科學(xué)家在所有科學(xué)革命初期創(chuàng)立的。狹義相對(duì)論的創(chuàng) 立也是如此。
愛因斯坦于 1921 年在倫敦皇家學(xué)院的講話充分表達(dá)了這種思想，他說：
“我能夠榮幸地在這個(gè)曾經(jīng)產(chǎn)生過理論物理學(xué)的許多最重要基本觀念的國(guó)家 首都發(fā)表講話，特別感到高興。我想到的是牛頓所給我們的物體運(yùn)動(dòng)和引力 理論，以及法拉第和麥克斯韋借以把物理學(xué)放到新基礎(chǔ)上的電磁場(chǎng)概念。相 對(duì)論實(shí)在可以說是對(duì)麥克斯韋和洛侖茲的偉大構(gòu)思畫了最后的一筆，因?yàn)樗?力圖把場(chǎng)物理學(xué)擴(kuò)充到包括引力在內(nèi)的一切現(xiàn)象。”
這就是說，相對(duì)論又產(chǎn)生于對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的推廣之中。由于麥
克斯韋理論和牛頓力學(xué)具有明確不同的特點(diǎn)，在物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，就很 自然地提出了這樣的問題：運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性對(duì)力學(xué)規(guī)律是適用的，那末對(duì)電磁 場(chǎng)規(guī)律是否也適用呢？
愛因斯坦根據(jù)對(duì)麥克斯韋理論和牛頓力學(xué)作了深刻的分析之后，敏銳地
指出：“麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，就要引起一些不對(duì)稱， 而這種不對(duì)稱似乎不是現(xiàn)象所固有的。”這里所說的不對(duì)稱，就是統(tǒng)一性遭 到破壞。愛因斯坦認(rèn)為這種不對(duì)稱不像是自然界所固有的，因?yàn)樗嘈抛匀?界具有統(tǒng)一性，于是問題可能出在我們以往認(rèn)識(shí)自然界的概念和理論上。
牛頓說：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，并且由于它的 本性而均勻地，同任何一種外界事物無關(guān)地流逝著。”“絕對(duì)空間由于它的 本性，以及它同外界事物無關(guān)，它永遠(yuǎn)是等同的和不動(dòng)的。”在牛頓看來， 時(shí)間和空間是獨(dú)立于人之外的客觀存在，這顯然是唯物主義的觀點(diǎn)；然而牛 頓卻把時(shí)間和空間絕對(duì)化，沒有看到時(shí)間和空間之間的聯(lián)系，也沒有看到它 們與物質(zhì)的聯(lián)系，則是一種形而上學(xué)的看法。
愛因斯坦經(jīng)過 10 年沉思、研究發(fā)現(xiàn)，只要把作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的絕對(duì)時(shí)
間和絕對(duì)空間的概念加以適當(dāng)修改，上述提到的不對(duì)稱就可以消除。愛因斯 坦正是在一個(gè)最平凡、最簡(jiǎn)單，也似乎是司空見慣、最不成問題的問題上找 到了突破口，這也是愛因斯坦“智力革命”的最可寶貴之處。
實(shí)際上，人是生活在地球的表面上，因此很自然地是以地球表面為基準(zhǔn) 來確定物體的空間位置，這是與地球表面聯(lián)系在一起的空間。物理學(xué)家在研 究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須依靠參照系的選擇，實(shí)際上也是用的具體空間，就是相 對(duì)于某一物體或物體系的參考空間。因此，并不存在絕對(duì)的、抽象的空間， 只存在具體的、與物體相聯(lián)系的空間。顯然，與具體的物體相聯(lián)系的空間， 是相對(duì)的而不是絕對(duì)的。
絕對(duì)的時(shí)間概念，其特點(diǎn)是獨(dú)立性與統(tǒng)一性。它的獨(dú)立性，表現(xiàn)為時(shí)間 不受任何其他東西的影響；它的統(tǒng)一性，表現(xiàn)為在任何參照系有統(tǒng)一的時(shí)間。 然而絕對(duì)時(shí)間概念的這種性質(zhì)是值得懷疑的。從麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的觀點(diǎn) 出發(fā)，因?yàn)閳?chǎng)是以有限的速度傳播的，它就不能提供不同參照系之間有同步 的時(shí)間。如對(duì)于同一個(gè)電磁波，不同慣性系測(cè)量它的頻率是不同的，也就是 測(cè)量它的振蕩周期是不同的。這就是說，對(duì)于同一個(gè)電磁振蕩，在不同的慣 性系測(cè)得了不同的時(shí)間間隔。顯然，這是對(duì)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)尺的挑戰(zhàn)。如果沒 有統(tǒng)一的時(shí)間，承認(rèn)各個(gè)慣性系有各自的時(shí)間，那么時(shí)間不受外界影響也就 無法成立了，所以時(shí)間的獨(dú)立性也不是絕對(duì)的了。
愛因斯坦正是在極為周密地考察時(shí)間與空間的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)：“兩個(gè)事件
間，沒有空間的絕對(duì)關(guān)系，也沒有時(shí)間的絕對(duì)關(guān)系，但是有空間與時(shí)間的絕 對(duì)關(guān)系。”這就是他對(duì)時(shí)間與空間概念的全新理解。他還發(fā)現(xiàn)：“同時(shí)相對(duì) 性”，即兩個(gè)在空間上分隔開的事件的所謂“同時(shí)”，取決于它們相隔的空 間距離和光信號(hào)的傳播速度，在靜止的觀察者看來是同時(shí)的兩個(gè)事件，在運(yùn) 動(dòng)的觀察者看來就不可能是同時(shí)的。這就是說，同時(shí)性的概念也變成相對(duì)的 了，它與物體的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。
根據(jù)上述思路，愛因斯坦著手建立更為完善的理論。他在《論動(dòng)體的電
動(dòng)力學(xué)》一文中寫道：“凡是對(duì)力學(xué)方程適用的一切坐標(biāo)系，對(duì)于上述電動(dòng) 力學(xué)和光學(xué)的定律也一樣適用??我們要把這個(gè)猜想提升為公設(shè)，并且還要 引進(jìn)另一條在表面上看來同它不相容的公設(shè)：光在空虛空間里總是以一確定 的速度 c 傳播著，這速度同發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。”
愛因斯坦在這里提到的兩個(gè)公設(shè)，現(xiàn)在通常稱為狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本
原理。第一個(gè)是狹義相對(duì)性原理：在所有的慣性系，物理學(xué)規(guī)律都是相同的； 不存在一個(gè)優(yōu)于其他慣性系的絕對(duì)慣性系。第二個(gè)是光速不變?cè)恚涸谒?的慣性系，真空中的光速不變，都是常量 c。
有了這兩個(gè)原理，其自然的結(jié)果是否定了絕對(duì)慣性系的存在，從而也就 沒有“以太”存在的必要了。以太存在的假說，曾經(jīng)是 19 世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)所 依賴的基本假說之一。邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果明確宣告了尋找以太的 失敗。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都不愿看到這個(gè)事實(shí)，都不愿推翻以太假說。然而， 愛因斯坦卻與眾不同，他大膽地接受了這個(gè)事實(shí)，明確宣布所謂絕對(duì)靜止的 “以太”的存在是“多余”的，并且把所有的“以太漂移”實(shí)驗(yàn)中所顯示的 光在真空中總是以一確定速度傳播的事實(shí)提升為一個(gè)原理，即光速不變?cè)?理，這又是何等了不起。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，為了保證光速是一個(gè)恒量，人們必須接受許許多多出乎 意料的事情：如隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增加，物體在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變得越來越
短，直到在達(dá)到光速時(shí)，長(zhǎng)度變?yōu)榱銥橹?；與此同時(shí)，物體的質(zhì)量會(huì)變得越 來越大，在達(dá)到光速時(shí)，質(zhì)量會(huì)變?yōu)闊o窮大。他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度 越來越大時(shí)，在運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)間流逝的速率也會(huì)不斷減小，而在達(dá)到光速時(shí)， 時(shí)間就會(huì)完全停止。所有這些，在當(dāng)時(shí)人們的腦海中簡(jiǎn)直是不可思議的，可 是卻真正把握了對(duì)物理世界嶄新的基本認(rèn)識(shí)。
狹義相對(duì)論不但引起了時(shí)空觀的革命，也帶來了整個(gè)物理學(xué)的革命，在
20 世紀(jì)的人類生活中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。后者最為突出的是關(guān)于物體的質(zhì)量 和能量相當(dāng)性的推論。這是 1905 年 9 月在愛因斯坦完成了狹義相對(duì)論論文后
3 個(gè)月提出來的。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，物體的質(zhì)量是它所含能量的量度，如果能量 E 改變了， 那么質(zhì)量 m 也就相應(yīng)地改變 E/c2，這里的 c 是光速，即
E=mc2
這就是著名的質(zhì)能關(guān)系式，它代表質(zhì)量與能量的關(guān)系。 質(zhì)能相當(dāng)性給了我們非常重要的啟示，它說明一定的質(zhì)量就代表一定的
能量，質(zhì)量與能量是相當(dāng)?shù)?，兩者之間的關(guān)系只是相差一個(gè)常數(shù) c2 的因子。
按照質(zhì)能關(guān)系式，一個(gè)處于靜止?fàn)顟B(tài)的物體，因?yàn)樗徐o止質(zhì)量 m0，因而也
就有能量 E0=m0c2，這在經(jīng)典物理學(xué)又是難以理解的。
尤其令人驚異的是，這樣的能量其數(shù)值非常巨大。由于光的傳播速度是
3×108 米/秒，靜止質(zhì)量為 1 克的物體就含有 2.5×107 千瓦·小時(shí)（度）的 能量。由此推算，若一年的發(fā)電量為 5500 億度的話，不過相當(dāng)于 22 公斤物 質(zhì)所含的能量。
對(duì)此，有人一定覺得很奇怪，這么巨大的能量，為什么長(zhǎng)期沒有被發(fā)現(xiàn)
呢？對(duì)于這個(gè)問題，愛因斯坦有一個(gè)非常通俗的回答。他說：“答案是夠簡(jiǎn) 單的：只要沒有能量向外面放出，就不能觀察到它。好比一個(gè)非常有錢的人， 他從來不花費(fèi)或者付出一分錢，那就沒有誰能夠說他究竟有多少錢。”
實(shí)際情況正是如此。我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)，正是在一種形式的能量通過做
功、傳熱等方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰繒r(shí)。由于能量是客觀存在，但是只有 由一種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的能量時(shí)，這種能量才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，也就 是說，只有放出其能量才能被觀察到。
質(zhì)能相當(dāng)性的發(fā)現(xiàn)，預(yù)言了物質(zhì)的質(zhì)量就是能量的一種儲(chǔ)藏，愛因斯坦
指出，從當(dāng)時(shí)已知的放射性衰變?nèi)ヌ剿鬟@種巨大的能量。由此使得當(dāng)時(shí)無法 解釋的放射性元素，特別是鐳為什么能夠不斷釋放出如此強(qiáng)大能量的現(xiàn)象， 以及太陽(yáng)能的來源問題，都得到圓滿的解釋。隨著原子物理學(xué)和原子核物理 學(xué)的進(jìn)展，人們終于發(fā)現(xiàn)了原子核的結(jié)合能，即通常所說的原子能。今天， 原子能的利用已日趨廣泛，特別是核電站的建立，有效地開辟了人類對(duì)能源 需求的新途徑，這不能不歸功于狹義相對(duì)論的巨大功績(jī)。
科學(xué)思想的革命還促使人們的觀念進(jìn)一步解放。這就是任何科學(xué)理論都 不可能一成不變，隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，科學(xué)理論必須不 斷發(fā)展，甚至徹底更新。因此，不墨守成規(guī)和勇于創(chuàng)新，便成為現(xiàn)代物理學(xué) 發(fā)展中的一個(gè)突出特點(diǎn)。
愛因斯坦在建立狹義相對(duì)論后不久，就致力于把這理論推向前進(jìn)，企圖 把相對(duì)性原理從勻速運(yùn)動(dòng)（慣性系）推廣到加速運(yùn)動(dòng)（非慣性系）。狹義相
對(duì)論只考慮慣性系之間的變換問題，而非慣性系之間的變換問題，就涉及到 引力場(chǎng)。
在探索過程中，愛因斯坦認(rèn)為，引力現(xiàn)象也應(yīng)該同電磁現(xiàn)象一樣，要建 立在場(chǎng)的觀念上?？墒俏矬w在引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)與電荷在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)有一個(gè)顯 著的不同，即所有物體在地球表面都以同一加速度自由下落，這是什么原因 呢？原來在于慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是相等的。
這一事實(shí)，早在兩百多年前，就被伽利略發(fā)現(xiàn)了。匈牙利物理學(xué)家厄缶 和他的合作者通過著名的扭秤實(shí)驗(yàn)，以更高的精確度證明了這一點(diǎn)。一個(gè)用 弦線懸掛著的質(zhì)點(diǎn)，在地球表面要受到三個(gè)力的作用而達(dá)到平衡。這三個(gè)力
是：地球?qū)λ囊?Fg（指向地心）；因地球的自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的慣性離心力 Fc
（垂直于地球的自轉(zhuǎn)軸）；沿弦線的張力 Ft。其中 Fg 正比于質(zhì)點(diǎn)的引力質(zhì)量
m 引；Fc 正比于質(zhì)點(diǎn)的慣性質(zhì)量 m 慣。
厄缶在實(shí)驗(yàn)中比較了各種不同物質(zhì)如木、鉑、石棉、水等懸掛起來后弦 線平衡位置所發(fā)生的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)毫無變化，表明 m 引=m 慣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào) 告最早發(fā)表于 1888 年，以后在 1922 年發(fā)表的結(jié)果中精確度達(dá)到 5×10-9。 引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量嚴(yán)格相等這一事實(shí)，幾百年來一直被物理學(xué)家們當(dāng) 做一個(gè)當(dāng)然的基本事實(shí)，認(rèn)為里面不存在什么理論問題。但是愛因斯坦卻從 這個(gè)最平常的、司空見慣的事實(shí)中，抓住了“一把可以更加深入地了解引力 和慣性的鑰匙”。他寫道：“在引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度。這條 定律也可以表述為慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量相等的定律。它當(dāng)時(shí)就使我認(rèn)識(shí)到它 的全部重要性。我為它的存在感到極為驚奇，并猜想其中必定有一把可以更
加深入地了解引力和慣性的鑰匙。”從而得出了下列重要結(jié)果。 首先，愛因斯坦注意到把原來奠基于超距作用觀念的牛頓引力理論改造
為建立在場(chǎng)的觀念之上的引力理論，這就有可能找到引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量之
間聯(lián)系的線索。他給出了如下的關(guān)系式： 慣性質(zhì)量×加速度=引力質(zhì)量×引力場(chǎng)強(qiáng)度
由此可見，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的相等性，是與加速度和引力場(chǎng)強(qiáng)度之
間的某種等價(jià)性密切聯(lián)系在一起的。 其次，愛因斯坦把這種等價(jià)性加以擴(kuò)充，使它包括更廣泛的物理學(xué)領(lǐng)域，
并且把它提升為理論的前提，即得出了等效原理：引力場(chǎng)同參照系的相當(dāng)?shù)?br>加速度在物理上完全等價(jià)。對(duì)于這個(gè)等效原理，愛因斯坦還舉了一個(gè)升降機(jī) 的理想實(shí)驗(yàn)，作了十分生動(dòng)形象地說明。設(shè)想有一個(gè)大的升降機(jī)在摩天大樓 的頂上，而這個(gè)理想的摩天大樓比任何真實(shí)的摩天大樓還要高得多。突然， 升降機(jī)的鋼纜斷了，于是升降機(jī)就毫無拘束地向地面降落。在降落過程中， 里面的觀察者正在做實(shí)驗(yàn)。一個(gè)觀察者從袋里拿出一塊手帕和一只表，然后 讓它們從手上掉下來。這時(shí)在升降機(jī)外面的觀察者看來，這兩個(gè)物體都是以 同樣的加速度降落，因此兩物體與地板之間的距離不會(huì)改變。對(duì)于升降機(jī)里 面的觀察者來說，這兩個(gè)物體就停在他松手讓它們掉下的那個(gè)地方。里面的 觀察者可以不管引力場(chǎng)，因?yàn)橐?chǎng)的源在他的坐標(biāo)系之外。他發(fā)現(xiàn)在升降 機(jī)之內(nèi)沒有任何力作用于這兩個(gè)物體，因此它們是靜止的，正像它們是在一 個(gè)慣性坐標(biāo)系中一樣。
再次，從慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等的這一事實(shí)出發(fā)，愛因斯坦把狹義相 對(duì)論所考察的作勻速運(yùn)動(dòng)的參照系之間的相對(duì)性，推廣到作任意運(yùn)動(dòng)的參照
系之間的相對(duì)性，提出了時(shí)間和空間的性質(zhì)應(yīng)當(dāng)由物質(zhì)運(yùn)動(dòng)決定這一革命性 的思想。在這方面的探索過程中，愛因斯坦曾在數(shù)學(xué)上遇到很大困難，以后 在老同學(xué)格羅斯曼的幫助下，找到了一套合適的數(shù)學(xué)工具，這就是采用黎曼 的曲面幾何來描述具有引力場(chǎng)的時(shí)間和空間，寫出了正確的引力場(chǎng)方程。
愛因斯坦夫人曾講述了愛因斯坦的一個(gè)故事： “博士（指愛因斯坦）像平時(shí)一樣，穿著睡袍下樓用早餐，但他幾乎什
么也沒有碰。我想，出什么事了，所以我問他，什么事使他不安，‘親愛的’ 他說，‘我有一種絕妙的想法’。喝完咖啡之后，他走到鋼琴那兒開始彈起 來，間或停下來，作點(diǎn)筆記。然后，報(bào)告說，‘我得到一個(gè)奇妙的想法，一 個(gè)絕妙的想法。’我說：‘那么，看在上帝的份上，告訴我是什么想法吧， 別叫我掛慮了。’他說：‘很困難，我得繼續(xù)把它完成’。
接著，愛因斯坦繼續(xù)彈著琴和做筆記，約持續(xù)了半小時(shí)。然后，他就上 樓到他的研究室去了，并且告訴我，不要去打擾他。他呆在那里干了兩周， 每天我都給他送飯。黃昏時(shí)分，他會(huì)踱著步子作點(diǎn)鍛煉，再回去工作。
最后，有一天他從研究室走下樓來，臉色蒼白。‘就是它’，他一邊對(duì) 著我說，一邊疲倦地將兩張手稿紙往桌上一放。這，就是他的相對(duì)性理論。”
1915 年 11 月，愛因斯坦在普魯士科學(xué)院的接連三次會(huì)議上報(bào)告了他的 廣義相對(duì)論。第二年 3 月，他在《物理年鑒》上發(fā)表了長(zhǎng)達(dá) 50 頁(yè)的論文《廣 義相對(duì)論基礎(chǔ)》。在這篇極富革命性的論文中，愛因斯坦明確指出，廣義相 對(duì)論所要論述的內(nèi)容是狹義相對(duì)論所作的可能想象得到的最為廣泛的推廣。 而其理論基礎(chǔ)是等效原理、廣義協(xié)變性原理（物理定律必須在任意坐標(biāo)系中 都具有相同的形式，即它們必須在任意坐標(biāo)變換下是協(xié)變的）、馬赫原理（時(shí) 間和空間的幾何不能先驗(yàn)地給定，而應(yīng)當(dāng)由物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)所決定）。
在廣義相對(duì)論中，時(shí)間和空間跟引力場(chǎng)有關(guān)，而引力場(chǎng)又是由物質(zhì)及其
運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。愛因斯坦為了驗(yàn)證這一理論，曾預(yù)言會(huì)出現(xiàn)如下三個(gè)效應(yīng)： 光線為太陽(yáng)所偏折；水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)；光譜線的引力紅移。這些預(yù)言是頗 為驚人的，然而被預(yù)言的效應(yīng)不久就為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)，于是廣義相對(duì)論也 得到了驗(yàn)證。
第一個(gè)效應(yīng)是光線為太陽(yáng)所偏折。從遙遠(yuǎn)星體射向地球的光線經(jīng)過太陽(yáng)
附近，由于受太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用要產(chǎn)生偏折。根據(jù)牛頓定律計(jì)算的結(jié)果為
0.87 弧秒，而愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算的結(jié)果，預(yù)言為 1.75 弧秒，這 一預(yù)言于 1919 年被證實(shí)。
該年的 5 月 29 日，日全食橫貫在赤道非洲和巴西之間的大西洋區(qū)域上
空，為了觀測(cè)光線的偏折，英國(guó)派出兩支觀測(cè)隊(duì)前往非洲幾內(nèi)亞灣的普林西 普島和巴西的索勃拉耳灣旁，他們都攝到了恒星的照片。11 月 6 日，兩個(gè)皇 家學(xué)會(huì)——不列顛學(xué)會(huì)和倫敦天文學(xué)會(huì)舉行聯(lián)席會(huì)議。會(huì)上宣讀了兩個(gè)觀測(cè) 隊(duì)所得資料的最后整理結(jié)果是：在索勃拉耳灣為 1.98 弧秒，在普林西普島為
1.61 弧秒，兩數(shù)字的平均值為 1.79 弧秒，與愛因斯坦的預(yù)言 1.75 弧秒是如 此接近，立即轟動(dòng)了全世界。
廣義相對(duì)論已被廣大公眾所認(rèn)同，而愛因斯坦則被當(dāng)做世界偉人來看待 了。
第二個(gè)效應(yīng)是水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。就太陽(yáng)系來說，所有的行星，連地球 在內(nèi)，根據(jù)牛頓定律都是沿著橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的。但是，當(dāng)時(shí)的天文學(xué) 家已發(fā)現(xiàn)水星的運(yùn)動(dòng)軌道不是完全橢圓形的，而是這個(gè)橢圓形本身在“彎曲
的”空間中有緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種現(xiàn)象便稱為水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，其角位移每 百年為 43 弧秒。
水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)是牛頓引力理論無法解釋的，而根據(jù)廣義相對(duì)論就能 很好地解釋這一現(xiàn)象。其方法是解在引力場(chǎng)作用下的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程，在一級(jí) 近似條件下得到與牛頓引力理論相同的結(jié)果，在高一級(jí)近似的條件下得到與 牛頓引力理論的差異，這個(gè)高級(jí)小量的差異恰好導(dǎo)致其角位移每百年為 43 弧秒。由于水星距離太陽(yáng)最近，處在引力場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域，廣義相對(duì)論的這個(gè) 效應(yīng)最大，所以這個(gè)差值較大；其他行星距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，引力場(chǎng)相對(duì)較弱， 因此不曾觀測(cè)到這個(gè)效應(yīng)。
第三個(gè)效應(yīng)是光譜線的引力紅移。這個(gè)效應(yīng)所討論的問題是光在引力場(chǎng) 中傳播時(shí)，頻率將會(huì)發(fā)生怎樣的變化。愛因斯坦預(yù)言，引力場(chǎng)很強(qiáng)的天體發(fā) 出的光向紅端，即向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一端移動(dòng)。其原因在于，質(zhì)量越大的天體附 近，引力場(chǎng)越強(qiáng)；引力場(chǎng)越強(qiáng)的區(qū)域，時(shí)間的標(biāo)尺越長(zhǎng)，也就是說那里的時(shí) 鐘變慢。因此，從這樣的天體發(fā)出的光，頻率較慢而相應(yīng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)。
天文學(xué)家在天狼星伴星的觀測(cè)中，首先驗(yàn)證了引力紅移現(xiàn)象。天狼星伴 星與白矮星相似，是一顆密度很大的星體，由于它的引力場(chǎng)很強(qiáng)，因而引力 紅移也較大。實(shí)際觀測(cè)值大凡都與愛因斯坦的預(yù)言相接近。
廣義相對(duì)論雖然在發(fā)表幾年后就得到上述實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的驗(yàn)證，但是在以后
的幾十年中，能夠驗(yàn)證它的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)事實(shí)卻如此之少，再加上它的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu) 過于艱深，于是有人慨嘆：廣義相對(duì)論是理論物理學(xué)家的天堂，實(shí)驗(yàn)物理學(xué) 家的地獄，以致一直很少有人問津。
但是，到了 50 年代末以后，由于大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡等實(shí)
驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，以及天體物理學(xué)和宇宙學(xué)不斷取得重大進(jìn)展，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一 些新天體，那里存在著很強(qiáng)的引力場(chǎng)，一度受到冷落的廣義相對(duì)論重新形成 了研究的熱潮。這樣在 60 年代，廣義相對(duì)論又增加了第四個(gè)效應(yīng)，就是雷達(dá) 回波的時(shí)間延遲。從地球上向另外行星發(fā)出雷達(dá)訊號(hào)，再反射回來為地球接 收，如果雷達(dá)波經(jīng)過太陽(yáng)附近，其往返時(shí)間比不經(jīng)過太陽(yáng)附近的往返時(shí)間要 長(zhǎng)。這也是一個(gè)很微小的效應(yīng)，到 70 年代末期，這類測(cè)量所得的數(shù)據(jù)同廣義 相對(duì)論理論值比較，相差約 1％。這類實(shí)驗(yàn)觀測(cè)也可以在地球引力場(chǎng)中，通 過測(cè)量人造衛(wèi)星的雷達(dá)回波的時(shí)間延遲來進(jìn)行。
廣義相對(duì)論還預(yù)言過有引力波。引力是從牛頓時(shí)代就為人們所熟悉的，
而引力波就不同了。這跟人們很早就知道帶電體之間有作用力，但是不等于 已經(jīng)認(rèn)識(shí)到電波的存在一樣。直到 1978 年，由美國(guó)科學(xué)家泰勒等人對(duì)射電脈 沖雙星 PSR1913＋16 進(jìn)行幾年觀測(cè)結(jié)果的分析中，發(fā)現(xiàn)它的公轉(zhuǎn)周期變短而 定量地證實(shí)了引力輻射阻尼的存在，被認(rèn)為是引力波存在的第一次間接驗(yàn) 證，這樣就再一次令人信服地證明了廣義相對(duì)論的正確性。
愛因斯坦先后創(chuàng)立的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，一方面越來越為科學(xué)界 和廣大公眾所重視，另一方面卻遭到一小撮人和排猶分子的歧視。他們搞了 一個(gè)組織，即所謂“反相對(duì)論公司”，專門反對(duì)相對(duì)論；他們還舉行公開演 講，印發(fā)文集，在報(bào)刊上展開全面攻勢(shì)，對(duì)愛因斯坦進(jìn)行不能令人容忍的謾 罵。1920 年 8 月 24 日，這一伙人在柏林音樂廳舉行演講，又肆意攻擊相對(duì) 論。愛因斯坦聞?dòng)崒ｉT前去參加，作為聽眾泰然自若地坐在會(huì)場(chǎng)里。
事隔兩天，8 月 27 日，愛因斯坦即在《柏林日?qǐng)?bào)》發(fā)表了題為《我對(duì)反 相對(duì)論公司的答復(fù)》的聲明。在聲明中，愛因斯坦首先指出，就他所知簡(jiǎn)直
沒有一位在理論物理學(xué)中做出一點(diǎn)有價(jià)值的成績(jī)的科學(xué)家，會(huì)不承認(rèn)整個(gè)相 對(duì)論是合乎邏輯地建立起來的，并且是符合于那些迄今已判明是無可爭(zhēng)辯的 事實(shí)。他舉出最杰出的物理學(xué)家諸如洛侖茲、普朗克、索末菲、勞厄、玻恩、 拉摩爾、愛丁頓、德比杰、朗之萬、勒維-契維塔都堅(jiān)定地支持這理論，而且 他們自己也對(duì)它作出了有價(jià)值的貢獻(xiàn)。
在有國(guó)際聲望的物理學(xué)家中間，直言不諱地反對(duì)相對(duì)論的，愛因斯坦在 聲明中說，只能舉出勒納德的名字來。作為一位精通實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的大師，愛 因斯坦欽佩勒納德；但是他在理論物理學(xué)中從未干過一點(diǎn)事，而且他反對(duì)相 對(duì)論的意見是如此膚淺，以至到目前為止，愛因斯坦認(rèn)為沒有必要給他詳細(xì) 回答。
由于當(dāng)時(shí)從未有科學(xué)家要使用報(bào)紙上的篇幅就某個(gè)問題作出答復(fù)，愛因 斯坦的一些朋友從報(bào)上看到這篇聲明都感到震驚，有的人甚至還寫信責(zé)備 他。例如，愛因斯坦的摯友埃倫菲斯特從萊頓寫信給他說：“我的妻子和我 都絕對(duì)無法相信你自己竟會(huì)在《我的答復(fù)》這篇東西里寫下哪怕最少幾個(gè) 字”。“我們一分鐘也不能忘懷，你一定是為一種特別無禮的方式所激怒， 我們也忘懷不了，你在那邊是生活在一種不正常的道德風(fēng)氣里；盡管如此， 但是這個(gè)答復(fù)還是含有某些完全是非愛因斯坦的反應(yīng)。我們可以用鉛筆把它 們一一劃出來。如果你真是用你自己的手把它們寫下來，那就證明了這些該 死的豬玀終于已經(jīng)成功地?fù)p害了你的靈魂，這對(duì)我們來說是多么可怕呀！” 愛因斯坦于 1920 年 9 月 10 日給埃倫菲斯特的回信中作了這樣的解釋： “只要我還想留在柏林，我就不得不這樣做，因?yàn)樵谶@里每個(gè)小孩都從照相 上認(rèn)得我。如果一個(gè)人是民主主義者，他就得承認(rèn)有要求公開發(fā)表意見的權(quán)
利。”
魏蘭德等人發(fā)動(dòng)的對(duì)相對(duì)論和愛因斯坦的攻擊，引起了德國(guó)一些著名物 理學(xué)家的憤慨。在柏林音樂廳那個(gè)會(huì)的第二天，即 1920 年 8 月 25 日，勞厄、 能斯特和魯本斯就聯(lián)名給柏林各大報(bào)紙發(fā)出一個(gè)聲明?！栋亓秩?qǐng)?bào)》刊載了 這個(gè)聲明，其內(nèi)容如下：“我們不想在這里來談?wù)撐覀儗?duì)于愛因斯坦產(chǎn)生相 對(duì)論的那種淵博的，可以引為范例的腦力勞動(dòng)的意見。驚人的成就已經(jīng)取得， 在將來的研究工作中當(dāng)然還會(huì)進(jìn)一步證明。此外，我們必須強(qiáng)調(diào)指出，愛因 斯坦除了研究相對(duì)論，他的工作已經(jīng)保證他在科學(xué)史中有一個(gè)永久性的地 位。在這方面，他不僅對(duì)于柏林的科學(xué)生活，而且對(duì)于整個(gè)德國(guó)的科學(xué)生活 的影響大概都不是估計(jì)過高的。任何有幸親近愛因斯坦的人都知道，在尊重 別人的文化價(jià)值上，在為人的謙遜上，以及在對(duì)一切嘩眾取寵的厭惡上，從 來沒有人能超過他。”
愛因斯坦作為最偉大的物理學(xué)家，是因?yàn)樗讵M義相對(duì)論、廣義相對(duì)論、 光量子論、分子運(yùn)動(dòng)論、宇宙學(xué)和統(tǒng)一場(chǎng)論等六大領(lǐng)域都作出了杰出的科學(xué) 貢獻(xiàn)，這是其他物理學(xué)家無法比擬的。
狹義相對(duì)論。1905 年 6 月，愛因斯坦創(chuàng)立的狹義相對(duì)論，引發(fā)了物理學(xué) 的一場(chǎng)革命，它變革了傳統(tǒng)的時(shí)空、質(zhì)量、動(dòng)量、能量等基本概念，不僅深 刻揭示了作為物質(zhì)存在形式的時(shí)間和空間的統(tǒng)一性，而且深刻揭示了各種物 理運(yùn)動(dòng)形式的統(tǒng)一性：力學(xué)運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性，以及兩種運(yùn)動(dòng)量度（動(dòng) 量和能量）的統(tǒng)一性，從而極大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。
廣義相對(duì)論。在多數(shù)物理學(xué)家還不理解狹義相對(duì)論的時(shí)候，愛因斯坦卻 繼續(xù)努力把他的理論向前推進(jìn)。1907 年提出了均勻引力場(chǎng)與均勻加速度的等
效原理。以后經(jīng)過 8 年艱苦的探索，中間得到了他的老同學(xué)格羅斯曼的幫助， 應(yīng)用了黎曼的曲面幾何，終于在 1915 年 11 月建立了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì) 論進(jìn)一步深刻揭示了作為時(shí)間和空間統(tǒng)一體的四維時(shí)空同物質(zhì)的統(tǒng)一關(guān)系， 深刻揭示了時(shí)間和空間不可能離開物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決 于物質(zhì)的分布，物質(zhì)之間的引力不過是空間曲率的一種表現(xiàn)。
光量子論。早在 1905 年 3 月，愛因斯坦就寫了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的 一個(gè)啟發(fā)性的觀點(diǎn)》的論文，提出光量子假說，把普朗克的量子概念擴(kuò)充到 輻射在空間的傳播上去。愛因斯坦的光量子論揭示了光的量子本性，光不僅 僅被看成是一種波動(dòng)，它同時(shí)也是一種粒子，是粒子和波的綜合。對(duì)于統(tǒng)計(jì) 的平均現(xiàn)象，光表現(xiàn)為波動(dòng)；對(duì)于瞬時(shí)的漲落現(xiàn)象，光表現(xiàn)為粒子，從而揭 示了微觀粒子的波粒二象性。
1916 年愛因斯坦發(fā)表的論文《關(guān)于輻射的量子理論》，是量子論發(fā)展第 一階段的理論總結(jié)，它從玻爾的原子構(gòu)造假說出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法導(dǎo)出 普朗克的輻射公式，提出受激輻射理論。這不僅對(duì) 20 年代量子力學(xué)的創(chuàng)立有 重要作用，也為 60 年代蓬勃發(fā)展起來的激光技術(shù)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。
1924 年德布羅意的物質(zhì)波假說提出不久，就得到愛因斯坦的熱情支持， 而且愛因斯坦立即用來研究單原子理想氣體，同印度青年物理學(xué)家玻色合 作，提出玻色一愛因斯坦統(tǒng)計(jì)法。由于受了愛因斯坦這項(xiàng)工作的啟發(fā)，薛定 諤才試圖去發(fā)展德布羅意理論，并于 1926 年建立了波動(dòng)力學(xué)。
分子運(yùn)動(dòng)論。1905 年的 4 月和 5 月，愛因斯坦發(fā)表了兩篇關(guān)于分子運(yùn)動(dòng)
論的論文，試圖通過對(duì)懸浮粒子運(yùn)動(dòng)（即 1827 年發(fā)現(xiàn)的布朗運(yùn)動(dòng)）的觀測(cè)來 測(cè)定分子的實(shí)際大小。4 月寫的一篇是他向蘇黎世大學(xué)申請(qǐng)博士學(xué)位的論 文。他從事這項(xiàng)研究，是為了解決半個(gè)多世紀(jì)來科學(xué)界和哲學(xué)界長(zhǎng)期爭(zhēng)論不 休的原子和分子是否存在的問題。3 年后，法國(guó)物理學(xué)家佩蘭以精密的實(shí)驗(yàn) 證實(shí)了愛因斯坦的理論預(yù)測(cè)，這就以無可辯駁的事實(shí)證明了原子和分子的存 在。
現(xiàn)代宇宙學(xué)。愛因斯坦在建立廣義相對(duì)論后，就開始有關(guān)宇宙學(xué)問題的
探索。1917 年發(fā)表題為《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)于宇宙學(xué)所作的考查》的論文， 提出宇宙空間是有限無界的假說，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的開創(chuàng)性文獻(xiàn)。后來，由 于荷蘭天文學(xué)家德西特和前蘇聯(lián)大氣物理學(xué)家弗里德曼的工作，發(fā)現(xiàn)宇宙空 間可能是在不斷膨脹著，預(yù)見到各個(gè)星系之間存在著相互分離（遠(yuǎn)退）的運(yùn) 動(dòng)。這一預(yù)見為美國(guó)天文學(xué)家哈勃于 1929 年發(fā)現(xiàn)河外星系譜線的紅移而得到 了有力的支持。
統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。從 20 年代開始直至晚年，愛因斯坦把主要的科學(xué)創(chuàng)造 精力用于統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。企圖建立一種包括引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)的統(tǒng)一理論， 用廣義相對(duì)論的推廣形式來概括所有各種物理運(yùn)動(dòng)形式，用場(chǎng)的概念來解釋 物質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子現(xiàn)象。他認(rèn)為這是相對(duì)論發(fā)展的第三階段。
雖然這一研究探索當(dāng)時(shí)未取得具有物理意義的結(jié)果，但近年來正以新的 形式顯示它有著不可估量的生命力。正如愛因斯坦自己在晚年時(shí)所說：“我 完成不了這項(xiàng)工作了；它將被遺忘，但是將來會(huì)被重新發(fā)現(xiàn)。”
事實(shí)正是如此，1967 年，巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆和美國(guó)物理學(xué)家溫伯 格各自獨(dú)立地提出了電弱統(tǒng)一理論。電弱統(tǒng)一理論的成功又進(jìn)一步促進(jìn)了 強(qiáng)、弱和電磁 4 種相互作用統(tǒng)一的所謂大統(tǒng)一理論的研究，以及包括引力在 內(nèi)的 4 種相互作用統(tǒng)一的所謂超統(tǒng)一理論的研究。
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