1895年的物理学界

1895年的物理学界

在1895年左右的两三年间，物理学经历了一个决定性的转折，所以很自然地就从这时开始我们的叙述。当时的几个实验发现揭开了原子世界微观研究的序幕。化学家们知道原子至少有一百年之久了；通过气体分子运动论，物理学家们也已经在很好地运用原子概念，但是，对于原子的组成及其结构仍是一无所知。

在原子结构知识开始展现的西方世界，英国、法国和德国是科学上三个处于领先地位的国家。三个国家有着不同的政治局面和社会形势。英国在维多利亚女王统治下达到了全盛时期。这位于1876年成为印度女皇的英国女王，从1837年开始执政。1887年她的五十周年执政庆典变成了一次国民对她的忠诚和为她的帝国而自豪的示威。新近又得到了二百五十万平方英里的领土，大不列颠名声显赫、独一无二地“统治着海洋”。

法国仍然处于由于1870年至1871年普法战争失败而引起的痛苦之中，那次战争的失败对法国和所有法兰西人的自我形象一直是一个巨大的打击。法国人的沮丧情绪可以从巴斯特和其他法国科学家对这场灾难的反应看出。由于痛苦和根深蒂固的爱国主义受到创伤，他们将法国的失败与过去五十年对科学的忽视联系起来，他们自豪地回忆起在大革命和拿破仑战争时期的国防中科学所扮演的角色。巴斯特希望：通过科学，他或许能够加速法国的复兴。

处于军人统治下正在快速上升的德国，已开始踏上帝国的进程。持续了六十多年的文官与军事当局的长期斗争，不幸以军人获胜而宣告结束。俾斯麦（Bismarck）在1890年被解除职务。德国皇帝威廉第二（Wilhelm Ⅱ）（1859～1941）作为一个统治者来说是年轻而没有经验的。他自以为非常聪明（事实并非如此），相信自己正在绝妙地统治着德国，正在将她带到一个光辉灿烂的时代。在第一次世界大战开始时，他说：“我领着你们走向光辉灿烂的时代。”对他的看法就写到这里。

1895年，世界上尚没有飞机，实际上也还没有电话，电也很少。坐轮船横穿海洋是可以了，但是，即使是在横渡大西洋的船只开始使用蒸汽后七十五年，轮船上有时还装有辅助帆。通讯的主要形式是邮政，不仅在相隔遥远的地方之间是这样，而且在同一座城里也是如此。例如，巴黎有一个相当快速的气动邮政系统：一个管道网，信件在里面由压缩空气驱动。用汽灯作路灯。

1895年还没有汽车。但两年后，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在伦敦水晶宫参观了展览会，写信给他的母亲说：“我最感兴趣的是汽车，有两辆正在前面的地上试开。”它们能以大约每小时12英里的速度行驶，但是“相当噪，发出格格之声。”然而，即使是在没有汽车的情况下，当拖拉出租马车或货车的马在失去控制狂奔时，交通事故依然发生；几年之后，在1906年，科学界就因为交通事故而失去了她的一位杰出代表[2]。街上虽然没有烟雾，但是，正如我们用汽油驱动的交通工具必然产生废气一样，那时的交通运输一个不可避免的结果是：街道上充满了粪便的臭气。城市比现在的小，但更美丽，不过往往环境卫生不好。

物理实验室在体制和设备方面与我们现在都大不相同。一般只有一位教授，往往在实验室有他的住处，只有为数不多的几名助手。今天，我们是按加速器的能量，要不然就多半用它的低温设备的冷却能力来评定一个研究所的设备的。虽然，到1895年时空气的液化已达到商品化阶段，但是加速器和近代低温设备仍然是遥远的事。

那时衡量实验室的一个方法是用它所拥有的电池功率为标准而作出结论。作实验需要用电，但是他们不能从馈电线引来电，原因很简单：干线很少。所以他们把电池放在地下室里。一个电池由许多原电池组成，它的数量越多，供电能力就越强。自从1800年伏打（A.Volta）的原始“电堆”发明以来，又新制成了几种电池。它们都是基于同一原理，只是电极的组成和电解液不同而已。许多科学实验室使用本生（Bunsen）电池，这种电池能达到较高的电压（1.95伏），产生强电流。但是，要维持这种电池的工作状态却是一件相当困难的事。电池里有硫酸和硝酸，这些酸腐蚀锌阳极，散发出强烈而令人讨厌的烟气。

在阿道夫·刚诺（Adolphe Ganot）的法文物理教科书里，有处理本生电池的详细说明。这本书出版于1863年。（我十一岁时，正是这本书的意大利文版本把我带进了物理学这一领域。）近来重读该书时，书里那生动的说明给我很深的印象，现将其摘译如下：

“水与硫酸的混合物必须事先准备好……首先把水倒入一个木桶，然后加入体积为十分之一的普通硫酸，使玻美（Baumé）酸度计显示的溶液酸度为10到11。如果没有玻美酸度计，则可以这样判断：当溶液微温时，放一滴在舌头上，如感到受不了，它的酸性就够了。电池必须放在……干燥的木桌上……然后用一个漏斗将硝酸倒入素烧瓷内心容器内，直到离顶部还有二厘米的地方……与碳精电极相配的被截去了顶部的圆锥形部件必须用砂纸仔细地擦干净以确保良好的连结……首先必须仔细观察的是锌板的汞齐化。当电池不处于使用状态时，若听到酸水的嘶嘶声，就需将锌板汞齐化……酸水可能会冒蒸汽甚至沸腾……为了将这些锌板汞齐化……将它们一个接一个地放在盛有酸水和两公斤水银的陶罐内，用铁刷把它们涂在板上……”

这个时期的重要仪器之一是鲁姆阔夫（H.D.Rühmkorff）感应线圈，用来产生高电位差和长的放电火花（图1.1）。它有两个绕在圆柱形铁芯上的线圈，这两个线圈是互相绝缘的。电池在初级线圈中产生一电流，它不断地被一断路器切断。初级电流的变化在次级线圈中感应出一电流，在次级线圈的两端产生一电位差。初级线圈由几匝粗线绕成，次级线圈用数英里长的细线绕了很多匝。当时的一只大鲁姆阔夫感应圈现保存在伦敦皇家学会，次级线圈由有280英里长的细线绕成，可产生长达42英寸的火花。因此，放电火花的长度，象电池功率一样，也可作为衡量一个实验室级别的标准。

产生真空这一课题，在一百多年的物理学研究工作中占据了主要地位；在原子研究方面取得的所有成就都是与真空技术的进步分不开的。在1898年的实验室里，气体放电的实验需要真空（当时是用最原始的真空泵产生的），这些实验导致了不久以后的X射线和电子的发现。

图1.2画出了威廉·克鲁克斯（William Crookes）爵士在他的真空管放电研究中使用的那只真空泵。待抽真空的管子通过装有磷酸的干燥管（右边）与泵相联。在左边容器里的水银沿着滴管一滴一滴地滴下，将空气从仪器系统中一个气泡一个气泡地赶出去。在真空规管中的水银面相对于气压计中的水银面之差，表示出达到的真空度。水银槽必须被举上放下多次，这对于一个负责将教授的管子和容器抽真空的技术员来说是一项紧张的工作任务。对所有这样的泵来说，完美的真空的标准是气压计。用这类真空泵能得到的真空度比起当今我们称为一个象样的真空度来说，要差一百万倍。

为了较为详细地了解物理学家们在该世纪末做了些什么，让我们来看看当时的第一流杂志之一《物理学年鉴》吧！稍早的时候，这本杂志名为《物理学和化学年鉴》，那是因为物理和化学这两门学科仍然被看作一门科学，这同我们现在的专业化方向相反，这种专业化发展已使物理学的每一门分科里都创办了一种杂志。该《年鉴》所论及的课题是：气体的液化；比热的测量；电磁波，特别是用电磁波再现所有光学现象的种种尝试：反射和折射，衍射，偏振面的旋转等等。热力学有大约四十年的历史了，但还没有完全巩固它的地位。鲁姆阔夫感应圈和类似于图1.5和图1.6中所画的那种管子是用来研究气体放电的。虽然对气体分子运动论感兴趣的人不多，在这个领域里的某些重要人物也未受到普遍的重视，但它还是生气勃勃地发展着。那时正在耶鲁大学任教的乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839～1903）没有受到大多数科学界人士的注意，只有麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和其他少数几个人例外。路德维希·玻耳兹曼（Ludwig Boltzmann，1844～1908），统计力学的奠基人之一，在维也纳就抱怨过在讲德语的国家中没有人注意他的工作。那个时期的杂志所论及的其他课题是：物理化学；离子的离解，溶液里离子概念的出现；以及热力学与化学平衡间的关系。而没有人认真地思考去建立一个原子模型。这不光是因为超出了当时的实际可能性，而且还由于那时对原子还没有足够的认识。

当然，化学家们业已知道关于原子的“假设”，但是，并不是所有的人都相信原子是真正存在的。回顾一下，因为化学家们写化学公式，熟悉阿伏伽德罗定律和法拉第电解定律，看来他们应该相信原子的存在。但情况绝不是这样。迟至1905年，怀疑主义仍然相当普遍，某些科学家直率地否定物质的粒子理论，其他人虽然认识到原子论在化学中的价值，但认为它远非真正的现实。这些怀疑论者既不狂妄也不是无能之辈。例如，稍早一些时候，牛津大学的化学温弗利特教授本杰明·柯林斯·布罗意（Benjamin Collins Brodie，1817～1880）爵士写了很多文章和书籍以证明原子对化学来说不是必需的。他以最认真的态度创立了一个体系，而将原子排除在外。他把这个体系称为“理想化学”。当人们用金属丝和球制作有机化学中的分子模型时，他被激怒了。他认为这些结构是“彻头彻尾的唯物主义者的一点小小的木匠活”，是一种罪恶，是某种绝对有损化学威严的东西。(https://www.daowen.com)

1887年，一位杰出的德国化学家和早期诺贝尔奖金（1901年）获得者威尔希姆·奥斯特瓦耳德（Wilhelm Ostwald，1853～1932）举起了反原子主义的旗帜。那一年，奥斯特瓦耳德在莱比锡大学化学教授的就职演说中提倡“能学”，即唯能论，宣称：所有的现象都能通过能量的相互作用而得到解释，不需要原子。他后来发表了一本化学教科书，书中不用原子论。迟至1909年，这本书才被译成英文，题为《化学的基本原理》。奥斯特瓦耳德一直坚持他的立场，一直到J.J.汤姆逊（J.J.Thomson）和S.A.阿雷尼亚斯（S.A.Arrhenius）设法动摇了他的信念，才在1912年版的《普通化学》一书中放弃了他自己原先的想法。

物理学家中最著名的不相信原子“假设”的人之一就是恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838～1916），马赫也是一位杰出的心理学家。他在1906年版的《感觉的分析》一书中谈到了“物理学与化学中人为假设的原子和分子”，不否认“这些工具在专门的有限的目的中的价值”，他把它们与代数符号相类比。只是在看到α粒子的闪烁之后，他才相信原子是确实存在的，或者说，起码他不那么持怀疑态度了。

怀疑主义广泛流行的原因基本上与这件事相符：即没有一个人以一种能使人们眼睛确信的方式“看见”过原子。甚至今天也没有人真正看见过原子，但是，原子存在的证据比许多人曾经“看见”过的某些东西：诸如希奇古怪的事物和飞碟之类的东西，更证据确凿可信。我们也一定记得：虽然阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro）定律（在相同温度和压力下相等体积的气体有相同数目的分子）是在1811年阐明的，但是直到1860年，几乎五十年后，阿伏伽德罗常数（一个克分子的分子数）才被“测量出”，或者说，直到那时科学家们才对它的大小和几个有关原子的物理量，如原子的大小和质量的数量级有了初步认识。

在十九世纪末，甚至象马克斯·普朗克（Max Plank）这样的人对原子的存在都持谨慎态度。正如他在《科学自传》中回忆：他“对原子论不仅冷淡，而且在某种程度上甚至抱敌对态度”。只是在需要这个理论作为他的辐射定律的基础时，他才接受了它。

我们可以一个国家一个国家地来了解那些最主要的科学人物。在联合王国，有开耳芬勋爵（Lord Kelvin），即威廉·汤姆逊（William Thomson，1824～1907）。在1895年他七十一岁时，已获得男爵爵位三年，担任格拉斯哥大学自然哲学教授几乎半个世纪了，被认为是该王国的第一流物理学家。他对他直接地或通过著作而间接地训练过和启发过的一代又一代学生的影响是巨大的。在当时英国的科学家中，有一位甚至更伟大的与开耳芬勋爵同时代的人麦克斯韦（1831～1879），年青时就死去，直到后来才认识到他是有史以来最伟大的物理学家之一。那时其他英国名人是瑞利勋爵（Lord Rayleigh，1842～1919），化学家威廉·克鲁克斯爵士（1832～1919）和威廉·拉姆齐爵士（William Ramsay，1852～1916）。1884年，J.J.汤姆逊（J.J.Thomson，1856～1940）继瑞利勋爵之后成为剑桥大学卡文迪许教授。他担任了这个职位达三十年之久。但是，按物理学家的辈分来说，他是属于较年轻的一批的。1895年的人，对于迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791～1867）这个对我们似乎是位史前人物的人远没有我们对于1947年逝世的普朗克疏远；事实上，他可能更为那个时代所熟悉，因为上个世纪科学进展的步伐比现在要慢得多。

在法国科学舞台上占支配地位的是路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822～1895）。他既是生物学家又是化学家和物理学家，就死于1895这一年。此外就没有象巴斯德那样有科学才干的法国物理学家了。安培（Ampère，1775～1836）、费涅尔（Fresnel，1788～1827）和卡诺（N.L.S.Carnot，1796～1832）早已是过去的人物。巴斯德是法兰西科学的代表、杰出的科学家、对人类有过伟大贡献的人、一位有感染力的人物，至少从长远来看是这样。虽然有些人把他描绘成圣人，但是他写的许多论战性的文章说明他是一位好争论的人。在他的身上具体体现了该世纪末的乐观主义精神。对进步充满希望，确信科学会解决所有的问题，相信科学家和其他思想家最终会以和谐和正义的思想去激励人们。这种在当时存在的乐观主义精神被第一次世界大战破坏了，至今尚未恢复。巴斯德雄辩地宣布：实验室是人类的圣堂，和平将战胜战争，科学会把我们引向一个非常伟大的时代。

在德国科学界屹立的人物是赫尔曼·路德维希·弗迪南德·冯·亥姆霍兹（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，1812～1894）。亥姆霍兹在德国担任了一个独一无二的非常有影响的职务，与他的朋友开耳芬勋爵在英国担任的职务相似。他是麦克斯韦的对手。他的某些关于电动力学理论的工作同麦克斯韦的理论有分歧，使得科学家们相互对立了好几年。而正是亥姆霍兹最杰出的和喜爱的学生海因里希·赫兹（Heinrich Hertz，1857～1894）证实了麦克斯韦的理论，从而解决了这一争论。1887年，赫兹表演了显示电磁波的实验，确凿无疑地证明了麦克斯韦方程的正确性，开拓了无线电通讯这一学科领域。

这些就是1895年的“庄严的老人们”，但是也还有一代较年轻的科学家。包括英国的J.J.汤姆逊，奥地利的玻耳兹曼，德国的普朗克和菲利普·莱纳德（Philipp Lenard，1862～1947），爱因斯坦那时只有十六岁，学习成绩不是很好，人们还不知道他。还有法国的朱尔斯-亨利·庞加莱（Jules-Henri Poincaré，1854～1912）。庞加莱只有四十几岁，但早已被公认为当时在世的最伟大的数学家。他不仅对数学感兴趣，而且对于物理学，天文学和哲学感兴趣，还被认为是法国的文学天才。他的著名的索崩教程一直是欧洲大陆学者打开麦克斯韦的天书“论电”的工具。

H.A.洛伦兹（H.A.Lorentz，1853～1928），也是那个时期的著名人物之一（见图1.3）。他是荷兰的象征。那时荷兰科学精华辈出，以致于在她的最好的科学家中，有几名因为国内没有职位而不得不移居国外。

同现在的约六万名物理学家相比，我估计，在1895年大约仅有一千名物理学家。他们都有相当高的工资，并受到应有的尊重。有些人以为，科学的极端重要只是在近来才被认识，事实并非如此。象亥姆霍兹那样的科学家，无论什么时候，只要他要，就可以晋见皇帝。这位表现出对科学感兴趣的皇帝，派人用“数学王子”C.F.高斯（Gauss）、W.C.伦琴（Röntgen）、H.亥姆霍兹以及电的发明者和工业家西门子（W.von Siemens）的雕像将新波茨坦大桥装饰起来。（这些雕像在第二次世界大战期间被破坏。）在法国，拿破仑三世（NapoleonⅢ）仿效他的大名鼎鼎的叔叔，在宫内接见了许多重要的科学家。英国对她的有成就的科学家授予爵位，这种做法在那时都不比现在少，有时还把那些最伟大的科学家提升到贵族阶层，这方面的证人是开耳芬勋爵。瑞利勋爵由于他的地位而经常有包括首相在内的政界友人拜访他。

经历了新物理学诞生的这个时期的特征是：不仅在科学上，而且是到处都有新的大胆的思想。这是一个社会和智力上使人激动和变化的时期，文学人物意气风发的时期，人文学科反叛学究主义的时期，只有建筑界顽固地宣称忠于过去。到处都在进行社会主义运动，而无政府主义正以暗杀皇族和国家首脑而达到了暴力行动的顶峰。

在法国，虽然印象主义者和其它新的美术学派的有争论的绘画没有受到高度的评价，冯·高（Von Gogh）的那些绘画根本卖不出去，但他们仍然干他们的。音乐界，德彪西仍以他的半朦胧手法作曲。两个伟大的文学巨匠是阿纳托尔·弗朗斯（Anatole France）和埃米尔·佐拉（Emile Zola），弗朗斯描写的是那时期他的国家的特殊人物；佐拉是一位非常有名望的自然主义小说家，在该世纪末发生了一起使这个国家动乱了几年的“事件”，他控诉了法国社会，为该事件中的德雷菲斯申辩，证实其无罪。

英国业已经历了吸收达尔文（C.Darwin）进化论的痛苦的理智上的体验。1895年，达尔文已死了十三年，但是赫伯特·斯潘塞（Herbert Spencer），达尔文派科学运动的哲学家，七十五岁时仍非常活跃，继续思考和从事写作，表达他对进步的信仰，这在那个时期是罕见的。文学上，奥斯卡·怀尔德（Oscar Wilde）以他的妙趣横生的戏剧而使读者和观众感到欣喜欢快，而托马斯·哈代（Thomas Hardy）和乔治·梅雷迪思（George Meredith）正以一种忧郁的情绪写作最后几本维多利亚时代的小说。H.G.韦尔斯（H.G.Wells）和G.B.肖（G.B.Shaw）刚开始他们的文学生涯不久；且肖还只是一位刚成名的剧作家，他作为社会主义费边社的策动者所产生的影响比他作为一名作家的影响更大一些。

弗里德里希·尼采（Friedrich Nietzsche），诗“扎拉图斯拉[3]（Zarathustra）如是说”的作者，诗人，阐明受“权力意志”所驱使的超人方面哲理的人，已经在德国诞生。尼采的哲学完整而激烈地表达了十九世纪末期的革新精神和对已被接受的社会准则的反抗。1895年，尼采病了不再写作，但他的影响已开始在其他人的作品中体现出来了。例如，从嘎比列来·达依桥（Gabriele D'Annunzio）的诗和小说中就可以看出。此人是意大利民族主义的风雅而狂热盲信的典型，是后来第一次世界大战中的“超人”。不幸的是，尼采的思想后来激发了两名更危险的人：未来的独裁者墨索里尼和希特勒。

该世纪末盛行的乐观主义和对科学的信任在一个非常受欢迎的作品“芭蕾精益求精”中得到了体现。这是一个意大利作品，在意大利和法国至少上演了卅年。这个寓言让启蒙运动[4]引导着蒙昧主义[5]，这个蒙昧无知的精神，去目睹在神力的启发下人类文明的伟大发现和创造：轮船，“电极”，苏彝士运河，塞尼山隧道。于是，蒙昧主义看到了所有以兄弟般关系团结起来的人，而他自己脚下的大地却往下陷落并把他卷了进去。芭蕾舞以科学、进步、兄弟和睦关系和爱的胜利结尾。