物理学的进化-第12部分

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奥斯特和法拉第的实验是建立麦克斯韦定律的根据。上面所有的结果都是由于仔细地研究了用场的语言来表述的定律中得来的。从理论上发现以光速传播的电磁波，这是科学史上最伟大的成就之一。
实验确认了理论的预测，50年前赫兹第一次证明了电磁波的存在，而且用实验证明了它的速度等于光速。今天，千千万万人都已经知道电磁波的发送和接收。他们所用的仪器已经比赫兹所用的要复杂得多，这些仪器甚至能在离波源几千公里处发现波的存在，而当时赫兹的仪器只能在几米以外发现它。
场与以太
电磁波是横波，是以光速在空中传播的。光与电磁波速度的相等，暗示着光的现象与电磁现象之间有很密切的关系。
当我们对微粒说与波动说不能不有所抉择时，我们决定赞成波动说。光的衍射现象是影响我们这一决定的最有力的论据。但是，如果我们假定光波是一种电磁波，这个假定对于任何光学上的论据的解释都不会发生冲突，相反地还可以得出旁的结论来。假如真是这样，那么物质的光学性质和电学性质之间应该有某种联系，而这种联系应该可以从麦克斯韦的理论推导出来的。事实上，我们确实可以推出这样的结论来，而且这些结论经得起实验的考验，这就是我们赞成光的电磁说的很重要的论据。
这个巨大的成果应归功于场论。表面上毫无关系的两个科学分支已经被同一个理论统一起来了，同一个麦克斯韦方程既可以解释电磁感应现象也可以解释光的折射现象。如果我们的目的是用一个理论来解释已发生的或将会发生的一切现象，那么，毫无疑问，光学与电学的结合便是向这方面前进的一大步。从物理学的观点看来，普通的电磁波与光波的惟一区别是波长：光波的波长较短，肉眼就可以检测出来，普通的电磁波的波长较长，须用无线电接收机才能检测出来。
旧的机械观总想把一切自然现象归结为作用于物质粒子之间的力。电流体的理论就是建立在这个基础上的第一种朴素的理论。一个19世纪初期的物理学家总认为场是不存在的。在他看来，只有物质和它的变化才是实在的。他只想利用直接关联到两个带电体的概念来解释两个带电体间的作用。
在最初，场的概念不过是作为我们便于从力学的观点去理解现象的一种工具。新的场的语言不是对带电体本身而是对带电体间的场的描述，场的描述对了解带电体的作用是很重要的。对于这种新概念的认识是逐渐建立起来的，到后来，场竟把物质也掩蔽起来了。于是大家觉得在物理学中发生了某种非常重要的事件。一种新的事实产生了，一种在机械观中没有地位的新概念产生了。场的概念经过一番周折逐渐地在物理学中取得了领导地位，而至今还是基本的物理概念之一。在一个现代的物理学家看来，电磁场正和他所坐的椅子一样地实在。
但是，如果认为新的场论已使科学从旧的电流体理论的错误中解脱出来，或者说，新理论毁灭了旧理论的成就，那是不公正的。新理论既指出了旧理论的优点也指出它的局限性，而使我们能把自己的旧概念重新提高到更高的理论水平。不仅电流体及场的理论如此，任何物理学说的变化，无论看起来具有怎样的革命性，都是如此。例如，在目前情况下，我们仍然可以在麦克斯韦的理论中找到带电体的概念，不过这里只把带电体看作电场的源而已。库仑定律仍然是有效的，而且仍然包含在麦克斯韦方程中，从这些方程式中可以推演出库仑定律，成为许多推论结果之一。我们还可以应用旧的理论，只要我们所考查的论据是在这个理论的有效范围之内。但是我们也可以应用新理论，因为一切已知的论据都已经包含在新理论的有效范围之内了。
若用一个比喻，我们可以说建立一种新理论不是像毁掉一个旧的仓库，在那里建起一座摩天大楼，它倒是像在爬山一样，愈是往上爬愈能得到新的更宽广的视野，并且愈能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的意外的联系。但是我们出发的地点还是在那里，还是可以看得见，不过显现得更小了，只成为我们克服种种阻碍后爬上山巅所得到的广大视野中的一个极小的部分而已。
事实上，大家经过很久才认识到麦克斯韦理论的全部内容。最初，大家都以为场最后总可以借助于以太用力学方法来解释的。现在我们知道这种预测是不能实现的了，场论的功绩实在太显著和重要了，因为它换下了一个力学的教条。在另一方面，替以太设想一个力学模型的问题愈来愈没有意义了，只要看看那些假设的牵强和虚假的性质，便会令人沮丧。
现在惟一的出路，便是认定空间具有一种发送电磁波的物理性能，而不过分顾虑这句话有何真正意义。我们仍然可以引用以太，但它只表示空间的一些物理性质。以太这个字的涵义在科学的发展过程中已经改变了很多次。在目前它已不再是一种由微粒组成的介质了，它的故事并没有结束，还要用相对论继续讲下去。
力学的框架
我们的故事说到这个阶段时，必须回溯到开始的地方——伽利略的惯性定律。我们再把它引出来：
一个物体，假如没有外力改变它的状态，便会永远保持静止的状态或匀速直线运动的状态。
一旦了解了惯性的观念，似乎对于这个问题已经没有什么可说的了。虽则我们已经全面地讨论过这个问题，但是却没法把它讨论彻底。
设想有一个很严格的科学家，他相信惯性定律可以用实际的实验加以证明或推翻。他在水平的桌面上推动小的圆球，并设法尽量地减小磨擦。他注意到桌面与圆球愈加平滑，运动便愈加均匀。当他正要宣布惯性原理时，有人突然开了一个玩笑。这个物理学家是在一个没有窗户并且与外界完全隔绝的房子里工作，开玩笑的人装置一种机械，可以使整个房子绕一根穿过它的中心的轴而旋转。旋转一开始，这个物理学家立刻得到新的、意料之外的经验。原来是匀速直线地运动的圆球，现在尽量离开房子的中央而靠近房子的墙壁。他自己感到有一种奇怪的力把他推向墙去。他所体验到的感觉和在一个转急弯的火车或汽车中的人所感到的相似，和坐在回旋木马上所感到的更相似。他过去所得到的一切成果现在都粉碎了。
这个物理学家若要放弃惯性定律，必须同时放弃所有的力学定律。惯性定律是他的出发点，假如这个出发点改变了，那么他的一切结论也都改变了。一个观察者如果他的一生都是在一个转动的房间内度过的，并且在它里面进行各种实验，那么他所得到的物理学定律跟我们得到的是不同的。另一方面，如果他在进入房间以前对于物理学的原理已经有了很深厚的知识和坚定的信念，那么他会解释力学定律之所以被推翻，是因为房子在转动。用力学的实验，他甚至能决定它是怎样转动的。
我们为什么对这个旋转的房间内的观察者发生这么大的兴趣呢？道理很简单，因为在地球上的某种程度中，我们也是处于同样的情况的。从哥白尼（Copernicus）时代以来，我们便知道地球是绕着它自己的轴旋转并环绕太阳运行的。在科学发展中，甚至这个任何人都很清楚的简单观念也不会不受触动。但是我们暂且丢开这个问题，而接受哥白尼的观点。假使那个旋转着的观察者不能确认力学定律，那我们在地球上自然也不能确认它。不过地球转动得较慢，所以转动的影响不很明显。可是有许多实验都证明跟力学定律有些偏差，这些偏差的一致性可以看作是地球转动的证明。
可惜我们不能置身于太阳与地球之间，在那里去证明惯性定律的绝对有效性以及观察一下转动着的地球，这只有在想象中才做得到，我们所有的实验都只有在我们所居住的地球上进行。这句话我们常常更科学地说成：我们的坐标系是地球。
我们不妨举一个简单的例子把这句话的意思说明得更清楚些。我们能够预言一个从塔上落下来的石子在任何时刻的位置，并用观察来确认我们的预言。假使把一根量杆放在塔边，我们便可以预言在某个时候，落体会与杆上的一个数码相合。不言而喻，塔和量杆都不是用橡皮或其他在做实验时会发生变化的物质制成的。事实上，一根严密地跟地球相联系的刻度不变的尺和一只好的钟，就是我们做实验时所需要的一切了，我们只要有这两件东西，不仅可以不管塔的建筑怎样，甚至有没有塔都可以。上面所说的种种假定，都是很平凡的，在描写这些实验时通常是不会提到的。但是这个分析表明了在我们的每一句话后面都隐藏有许多假定。在这个例子中，我们假定存在有一根坚硬的量杆和一只理想的钟，若没有这两样东西，我们就不能检验伽利略的落体定律是否有效。用这样简单而重要的实际器具，一根量杆和一只钟，我们就能够以一定程度的准确性确认这个力学定律。如果这个实验做得非常仔细便会发现理论和实验之间有些不符，这种不符是由于地球的转动而产生的，或者换句话说，是由于这里所表述的力学定律，在严密地跟地球相联系的坐标系中不是十分有效的。
在所有的力学实验中，不论是哪一种形式的实验，我们必须决定质点在某一确定时刻的位置，正如在上述实验中决定落体的位置一样。但是位置总是对于某种物件来说的，例如在上述的实验中，落体的位置是对于塔与刻度尺来说的。我们必须有一些所谓参考系，这是用来决定物体的位置的力学框架。例如在城市中要决定物和人的位置，大街和小巷就是我们参考的框架。到目前为止，我们引用力学定律时都没有想到过要说明所参考的框架，因为我们住在地球上，而在任何情况中都不难选择一个与地球严密地相联系的参考框架。我们把所有的观察都关联到它上面的这个由坚硬不变的物体构成的参考框架上，这个框架称为坐标系。
我们所有的物理描述都还缺少某些东西。我们没有注意到任何观察都必须在一定的坐标系中进行。我们不去描写这个坐标系的结构，反而根本忽视它的存在。例如过去我们写道：“一个物体在匀速地运动……”其实我们应该这样写：“一个物体对某一选定的坐标系在匀速地运动……”那个对于旋转房间的经验告诉我们，力学实验的结果可能跟我们所选定的坐标系有关。
假如两个坐标系相对转动，那么力学定律不能在两者之中都有效。如果把一个游泳池里的水面作为这两个坐标系中的一个，水面是平的，那么在另一个坐标系中看来，同样的游泳池里的水面就会是弯曲的，它正如任何人用茶匙搅动杯中的咖啡那样。
在前面叙述力学的主要线索时，我们忽略了很重要的一点，我们没有说出它们在哪一种坐标系中是有效的。由于这样，全部经典力学就等于悬在半空中，因为我们不知道它属于哪一个坐标系。我们暂且不去管这个困难，来做一个不十分准确的假定，就是说认为在所有与地球严密地相联系的坐标系中，经典力学的定律都有效。这样做是为了把坐标系确定下来，使我们叙述起来可以明白一些。我们说地球是一个适宜的参考坐标这句话虽然并不十分正确，但我们暂且这样承认它。
因此，我们假定有一个坐标系，在这个坐标系中力学定律是有效的。这样的坐标系只有一个吗？我们假设有一个像一列火车、一艘船、一架飞机那样的坐标系，它相对于地球在运动。在这些新的坐标系中，力学定律都有效吗？我们确实知道它们不是一直有效的，例如火车在转弯时，船在风暴中颠簸时，飞机在翻身时，它们就不再有效了。我们先说一个简单的例子。如果有一个坐标系匀速地相对于一个“好的”坐标系在运动，所谓一个“好的”坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系。例如，沿着直线以不变的速率在行驶的一列理想火车或一艘航行得异常平稳的船。我们从日常的经验中得知这两个坐标系都是“好的”，因为在匀速直线地运动着的火车或轮船中所进行的物理实验和在地面上所做的结果完全一样。但是假如火车突然停止了，或急剧地加快了，或者海面突然起了风浪，便会发生异常的情况。在火车里，箱子从行李架上掉下来了；在船上，桌子和椅子翻倒了，乘客也晕船了。从物理学的观点看来，这只表示力学定律不能在这些坐标系中应用，它们是“坏的”坐标系。
这种结果可以用所谓伽利略相对性原理来表达：假使力学定律在一个坐标系中是有效的，那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。
假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。“好的”坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系。究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定。但是如果有一个这样的系统，便会有无数个这样的系统，凡是对第一个惯性系作匀速直线运动的坐标系都是惯性坐标系。
我们来研究这样一个例子：有两个坐标系从已知的某一点出发，而且以已知速度相对作匀速直线运动。假如有人喜欢作具体的构思，他可以想象一艘船或是一列火车相对于地面在运动。力学定律可以在地面上，也可以在相对它作匀速直线运动的火车内或船上以同样精确度的实验加以确认。但是假如两个系统的观察者从他们各自不同系统的观点对同一事件进行观察而开始讨论时，便会产生某些困难。每一个人都想把别人的观察翻译成为自己的语言。再举一个简单的例子：从两个坐标系（一个为地球，一个为在作匀速直线运动的一列火车）观察同一个质点的运动。这两个坐标系都是惯性的。如果两个坐标系在某个时刻的相对速度与相对位置都是已知的，那么是否知道了一个坐标系中的观察结果，便可以求出另一个坐标系中的观察结果呢？要描述自然现象，我们必须知道从一个坐标系过渡到另一个坐标系的方法，这是非常重要的，因为这两个坐标系是等效的，因而同样适宜于描写自然界中的现象。事实上，只要知道在一个坐标系中的一个观察者所得到的结果，你便可以知道在另一个坐标系中的观察者所得到的结果。
我们现在不用船或火车而更抽象地来考察这个问题。为简便起见，我们只研究直线运动。有一根坚硬的刻有标度的杆和一只好的钟。在简单的直线运动的情形中，这根坚硬的杆代表一个坐标系，正如伽利略的实验中的塔上的标度尺一样。在直线运动的情形中，把一个坐标系想象为一根坚硬的杆，在空间任意运动的情形中，把一个坐标系想象为一个由相互平行和相互垂直的杆构成的坚硬的框架，而不管什么塔、墙、街道以及其他这一类具体的东西，就会比较简单些、好些。假设在这种最简单的情形中，有两个坐标系，就是说，有两根坚硬的杆，假定一根杆子放在另一根的上面，我们分别叫它们为“上面的”和“下面的”坐标系。我们假定这两个坐标系以一定的速度相对运动，一根杆子沿着另一根滑动。为妥当起见，再假定两根杆是无限长的，只有起点而没有终点。这两个坐标系只用一个钟就够了，因为时间的流逝对这两个坐标系是一样的。在观察开始的时候两根棒的起点是重合的。这个时候，一个质点的位置在两个坐标系中都是用同一个数目来表征的