1、物理学史物理学史李宏荣李宏荣古代物理学发展古代物理学发展第五章第五章 辉煌的物理大厦与两朵乌云辉煌的物理大厦与两朵乌云 19 19 世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门力学、热力学力学、热力学和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。再
2、有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气，然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。年代人物贡献年代人物贡献1895 伦琴伦琴 发现发现X 射线射线 1896 贝克勒尔贝克勒尔 发现放射性发现放射性 1896 塞曼塞曼 发现磁场使光谱线分裂发现磁场使光谱线分裂 1897 J J 汤姆生汤姆生 发现电子发现电子 1898 卢瑟福
3、卢瑟福 发现发现、射线射线 1898 居里夫妇居里夫妇 发现放射性元素钋和镭发现放射性元素钋和镭1899 1900 卢梅尔和鲁本斯等人卢梅尔和鲁本斯等人 发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律 1900 维拉德维拉德 发现发现射线射线 1901 考夫曼考夫曼 发现电子的质量随速度增加发现电子的质量随速度增加1902 勒纳德勒纳德 发现光电效应基本规律发现光电效应基本规律 1902 里查森里查森 发现热电子发射规律发现热电子发射规律 1903 卢瑟福和索迪卢瑟福和索迪 发现放射性元素的蜕变规律发现放射性元素的蜕变规律其中，电子的发现、麦克尔逊其中，电子的发现、麦
4、克尔逊- -莫雷实验及热辐射规律的探讨三个方向的实验尤莫雷实验及热辐射规律的探讨三个方向的实验尤为重要。为重要。电子的发现电子的发现 阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在1858 1858 年就由德国年就由德国物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。壁发出绿色的荧光。18761876年，另一位德国物理学家哥尔茨坦认为这是从阴极发出年，另一位德国物理学家哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这
5、一射线会引起化学作用的性质，判断的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在1887 1887 年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。 1871 1871 年，英国物理学家瓦尔利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出年，英国物理学家瓦尔
6、利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的赞同。于是在斯特的赞同。于是在19 19 世纪的后世纪的后30 30 年，形成了两种对立的观点：德国学派主张年，形成了两种对立的观点：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极
7、射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成上了负电，又在电场中运动形成“分子流分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验。以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L L 形放电管，形放电管，电极电极A A、B B 可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普
8、勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。哥尔茨坦的光谱实验哥尔茨坦的光谱实验 舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。阴极俘获，电极间只留下带负电
9、的部分，因而形成阴极射线。1890 1890 年，他根据年，他根据磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5 5106 106 库仑库仑/ /千克至千克至1 11010 1010 库仑库仑/ /千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 108 库仑库仑/ /千克相比，数量级相近。千克相比，数量级相近。 赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真空管中电流分布的实验，空管中电流分布的实验
10、，“证明证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做的另一实验则是成功的。的另一实验则是成功的。1891 1891 年，他注意到阴极射线可
11、以象光透过透明物质那年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。样地透过某些金属薄片。1894 1894 年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅管的末端嵌上厚仅0.000265 0.000265 厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。在空气中穿越约在空气中穿越约1 1 厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。才能穿越实物。 微粒说者也在积极寻找证据。微粒说者也在积极寻找证据。18
12、95 1895 年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。 对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J
13、.J.J.J.汤姆生（汤姆生（JosephJohnThomsonJosephJohnThomson，1856185619401940）。他从）。他从1890 1890 年起，就带领自己的学年起，就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：面的实验：1 1直接测阴极射线携带的电荷。直接测阴极射线携带的电荷。J.J.J.J.汤姆生将佩兰实验作
14、了一些改进。汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧。平时没有电他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。猛增，说明电荷确是来自阴极射线。 2 2使阴极射线受静电偏转。使阴极射线受静电偏转。J.J.J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微初也
15、得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.J.J.汤姆生
16、就获得了驳斥以汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。太说的重要证据。 3 3用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈，用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比极射线的荷质比e/m e/m 与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.J.J.汤姆生把热
17、电偶接到阳极，测汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。4 4证明电子存在的普遍性。证明电子存在的普遍性。J.J.J.J.汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成
18、分也无关。与电极材料无关，与气体成分也无关。 1899 1899 年，年，J.J.J.J.汤姆生采用斯坦尼的汤姆生采用斯坦尼的“电子电子”一词来表示他的一词来表示他的“载荷子载荷子”。“电子电子”原是斯坦尼在原是斯坦尼在1891 1891 年用于表示电的自然单位的。就这样电子被发现了。年用于表示电的自然单位的。就这样电子被发现了。但是但是J.J.J.J.汤姆生并不到此止步，他进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电汤姆生并不到此止步，他进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。子存在的普遍性。J.J.J.J.汤姆生掌握了大量的实验事实，果断地作出判断：不论是汤姆生掌握了大量的实验
19、事实，果断地作出判断：不论是阴极射线、阴极射线、射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子同样的带电粒子电子。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组电子。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要结论。原子不可分的传统观成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要结论。原子不可分的传统观念彻底破灭了。念彻底破灭
20、了。“电磁质量电磁质量”的发现的发现 在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。1878 1878 年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的问题。问题。1881 1881 年，年，J.J.J.J.汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界汤姆生首先提出，既然带电体运动要
21、比不带电体需要外界作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质量。后来，人们用量。后来，人们用“电磁质量电磁质量”来代表这一部分增加的质量。这时，电子已经发来代表这一部分增加的质量。这时，电子已经发现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量问题。问题。 1901 1901 年考夫曼用年考夫曼用射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。第一次观测到
22、了电磁质量。第一次观测到了电磁质量。1903 1903 年，阿伯拉罕用经典电磁理论系统地研究了电年，阿伯拉罕用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系。磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系。1904 1904 年，洛仑兹把收缩假设年，洛仑兹把收缩假设用于电子，推出关系用于电子，推出关系; ;这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以叫洛仑兹叫洛仑兹- -爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣称：称：“量度结果与洛仑兹量度结
23、果与洛仑兹- -爱因斯坦的基本假设不相容。爱因斯坦的基本假设不相容。”对此，爱因斯坦在对此，爱因斯坦在1907 1907 年写道：年写道：“阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的。的理论体系得出来的。”果然，不久后，好几个地方做了新
24、的实验，证明爱因斯果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对论的重要证据。论的重要证据。“以太漂移以太漂移”的探索的探索 如果说，电子和如果说，电子和“电磁质量电磁质量”的发现，从电的方面为现代物理学开辟了道路，的发现，从电的方面为现代物理学开辟了道路，那么，那么，“以太漂移以太漂移”的探索则从光的方面打开了另一个缺口，促使物理学革命的的探索则从光的方面打开了另一个缺口，促使物理学革命的爆发。爆发。以太的研究等价于两个问题：光是否满足速度的叠加原理；
25、能否探测到绝以太的研究等价于两个问题：光是否满足速度的叠加原理；能否探测到绝对静止的以太空间？对静止的以太空间？ “以太漂移以太漂移”问题是从光行差的观测开始提出的。问题是从光行差的观测开始提出的。172517251728 1728 年，英国天文年，英国天文学家布拉德雷对恒星的方位作了一系列的精确测量，把恒星一年四季的位置折算学家布拉德雷对恒星的方位作了一系列的精确测量，把恒星一年四季的位置折算到天顶，发现都呈圆形轨迹。他百思不得其解。据说，由于有一次偶然他注意到到天顶，发现都呈圆形轨迹。他百思不得其解。据说，由于有一次偶然他注意到所乘的船改变航向时，船上的旗帜飘向不同的方向，才领悟到这一现象
26、是因为地所乘的船改变航向时，船上的旗帜飘向不同的方向，才领悟到这一现象是因为地球围绕太阳旋转所致。他写道：球围绕太阳旋转所致。他写道：“假想假想CACA是一条光线，垂直地落到直线是一条光线，垂直地落到直线BD BD 上，上，如果眼睛（指观察者）静止于如果眼睛（指观察者）静止于A A 点，那么不管光的传播需要时间还是只需瞬间，点，那么不管光的传播需要时间还是只需瞬间，物体必然出现在物体必然出现在AC AC 方向上。但是，如果眼睛（观察者）从方向上。但是，如果眼睛（观察者）从B B 向向A A 运动，而光的运动，而光的传播又需要时间，光的速度与眼睛（观察者）的速度比等于传播又需要时间，光的速度与眼
27、睛（观察者）的速度比等于CA CA 与与BA BA 之比，则当之比，则当眼睛（观察者）从眼睛（观察者）从B B 运动到运动到A A 时，光从时，光从C C 传播到了传播到了A A” 若用若用表示表示ACBACB，v v 表表示观察者的速度，则示观察者的速度，则tg=v/c tg=v/c 这一关系完全适用于天体的光行差现象，布拉德这一关系完全适用于天体的光行差现象，布拉德雷测到的雷测到的角为（角为（40.5/240.5/2）2020，代入上式，得：，代入上式，得：c=v/=3.1c=v/=3.11010 1010 厘米厘米/ /秒秒=3.1=3.1105 105 千米千米/ /秒，其中秒，其中v
28、=30 v=30 千米千米/ /秒。这是光速的最早的数值。秒。这是光速的最早的数值。阿拉果的望远镜实验阿拉果的望远镜实验 阿拉果是法国著名物理学家。由于他曾从事过大气折射的光学研究，引起了阿拉果是法国著名物理学家。由于他曾从事过大气折射的光学研究，引起了对光速的兴趣。他从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运对光速的兴趣。他从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运动速度不同，光速应有差别，布拉德雷的观测精度有限，没有显出有这种差别。动速度不同，光速应有差别，布拉德雷的观测精度有限，没有显出有这种差别。于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边
29、，然于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边，然后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边，后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边，光行差完全相同。其实这正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿光行差完全相同。其实这正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿拉果却和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微波说的前提下作一个拉果却和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微波说的前提下作一个很勉强的假设。他假设星体以无数种速度发射光的微粒，只是因为人眼对光有选很勉强的假设。他假设星体以无数种速度
30、发射光的微粒，只是因为人眼对光有选择性，只能接收某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。不久，托马斯择性，只能接收某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。不久，托马斯杨和杨和菲涅耳倡导光的波动说获得进展，阿拉果转向波动说，菲涅耳倡导光的波动说获得进展，阿拉果转向波动说，1815 1815 年曾写信给菲涅耳，年曾写信给菲涅耳，告诉他几年前自己做的望远镜实验，征询菲涅耳能否用波动理论予以说明。告诉他几年前自己做的望远镜实验，征询菲涅耳能否用波动理论予以说明。 1800 1800 年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重
31、新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有一种载体。说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有一种载体。光能通过万籁俱寂的虚空，证明在虚空中充满这种载体，这就是以太。他们把以光能通过万籁俱寂的虚空，证明在虚空中充满这种载体，这就是以太。他们把以太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质物质”。例如：。例如：18041804年托马年托马斯斯杨写道：杨写道：“光以太充满所有物质之中，很少受到或不受阻力，就像风从一小光以太充满所有物质之中，很少受到或不受阻力，就像风从一小丛林中穿过一样丛林中穿过一样”。但是，直到。但是，
32、直到19 19 世纪还没有一个实验能直接证明以太的实际世纪还没有一个实验能直接证明以太的实际存在。布拉德雷的观测和阿拉果实验之间的不协调开始揭示了以太理论的隐患。存在。布拉德雷的观测和阿拉果实验之间的不协调开始揭示了以太理论的隐患。菲涅耳提出部分曳引假说菲涅耳提出部分曳引假说 对于阿拉果的人眼选择光速的假设，菲涅耳认为很难令人信服。他在对于阿拉果的人眼选择光速的假设，菲涅耳认为很难令人信服。他在1918 1918 年给阿拉果写信，指出这种解释不可取。为了使两个实验的结果能够协调，他提年给阿拉果写信，指出这种解释不可取。为了使两个实验的结果能够协调，他提出了部分曳引假说，即在透明物体中，以太可以
33、部分地被这一物体拖曳。他再假出了部分曳引假说，即在透明物体中，以太可以部分地被这一物体拖曳。他再假设透明物体的折射率决定以太的密度，令设透明物体的折射率决定以太的密度，令与与1 1 分别表示真空中和透明物体中分别表示真空中和透明物体中以太的密度，假设这些密度与折射率的平方成正比，真空中的以太是绝对静止的，以太的密度，假设这些密度与折射率的平方成正比，真空中的以太是绝对静止的，透明物体运动时，物体只能带动多于真空的那一部分以太。所以，设透明物体相透明物体运动时，物体只能带动多于真空的那一部分以太。所以，设透明物体相对于以太的速度为对于以太的速度为v v，如果透明物体运动速度，如果透明物体运动速度
34、v v 与光的传播方向一致，则以太完与光的传播方向一致，则以太完全不受拖曳。这一结果既解释了光行差现象，又解释了阿拉果的实验。全不受拖曳。这一结果既解释了光行差现象，又解释了阿拉果的实验。 菲涅耳的部分曳引假说一再得到实验证实，使它成了以太理论的重要支柱。菲涅耳的部分曳引假说一再得到实验证实，使它成了以太理论的重要支柱。但由它引出的另一条结论，却始终未见分晓。那就是当但由它引出的另一条结论，却始终未见分晓。那就是当以太处处静止时物体在以以太处处静止时物体在以太中运动，太中运动，物体上看，就好像以太在漂移。地球沿轨道绕太阳运转，也必沿相反物体上看，就好像以太在漂移。地球沿轨道绕太阳运转，也必沿相
35、反方向形成以太风。这就给人们提供一种可能的途径，通过测量以太相对于地球的方向形成以太风。这就给人们提供一种可能的途径，通过测量以太相对于地球的漂移速度，来证实以太的存在和探求以太的性质。漂移速度，来证实以太的存在和探求以太的性质。麦克斯韦的建议麦克斯韦的建议 直到直到1879 1879 年还没有一个实验能测出上述漂移速度。麦克斯韦很关心这件事，年还没有一个实验能测出上述漂移速度。麦克斯韦很关心这件事，他在为他在为大英百科全书大英百科全书撰写的撰写的以太以太条目中写道：如果可以在地面上从光由条目中写道：如果可以在地面上从光由一站到另一站所经时间测到光速，那么我们就可以比较相反方向所测速度，来确一
36、站到另一站所经时间测到光速，那么我们就可以比较相反方向所测速度，来确定以太相对于地球的速度。然而实际上地面测光速的各种方法都取决于两站之间定以太相对于地球的速度。然而实际上地面测光速的各种方法都取决于两站之间的往返行程所增加的时间，以太的相对速度等于地球轨道速度，由此增加的时间的往返行程所增加的时间，以太的相对速度等于地球轨道速度，由此增加的时间仅占整个传播时间的亿分之一，所以的确难以观察。仅占整个传播时间的亿分之一，所以的确难以观察。” 麦克斯韦建议用罗迈的方法从天体的运动观测这一效应。麦克斯韦建议用罗迈的方法从天体的运动观测这一效应。1879 1879 年年3 3月月19 19 日，日，他
37、写信给美国航海历书局的托德，询问地球围绕太阳运行于不同部位时，观测到他写信给美国航海历书局的托德，询问地球围绕太阳运行于不同部位时，观测到的木星卫蚀有没有足够的精度来确定地球的绝对运动。信中又一次提到，的木星卫蚀有没有足够的精度来确定地球的绝对运动。信中又一次提到，“地面地面上测量光速的方法，光沿同样的路径返回，所以地球相对于以太的速度对双程时上测量光速的方法，光沿同样的路径返回，所以地球相对于以太的速度对双程时间的影响取决于地球速度与光速之比的平方（间的影响取决于地球速度与光速之比的平方（v/cv/c）2 2，这个量太小，实难以测，这个量太小，实难以测出。出。”这封信被迈克耳孙读到了。这时他
38、正在托德所在的美国航海历书局工作，这封信被迈克耳孙读到了。这时他正在托德所在的美国航海历书局工作，协助这个局的局长纽科姆进行光速测定。麦克斯韦的信件激励他设计出了一种新协助这个局的局长纽科姆进行光速测定。麦克斯韦的信件激励他设计出了一种新的干涉系统，用两束相干的彼此垂直的光比较光速的差异，从而对以太漂移速度的干涉系统，用两束相干的彼此垂直的光比较光速的差异，从而对以太漂移速度进行检测。灵敏度达到了麦克斯韦要求的量级：亿分之一。进行检测。灵敏度达到了麦克斯韦要求的量级：亿分之一。迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验 迈克耳孙利用自己设计的干涉仪，于迈克耳孙利用自己设计的干涉仪，于1881 1881
39、 年在波茨坦做了测量以太风的实年在波茨坦做了测量以太风的实验，得到了零的结果；后来由于怀疑测量的准确性，由著名物理学家瑞利和开尔验，得到了零的结果；后来由于怀疑测量的准确性，由著名物理学家瑞利和开尔文的鼓励与催促，他下决心跟莫雷合作，进一步改进干涉仪实验。文的鼓励与催促，他下决心跟莫雷合作，进一步改进干涉仪实验。 1886 1886 年开始，迈克耳孙和莫雷在美国克利夫兰州的阿德尔伯特学院继续实年开始，迈克耳孙和莫雷在美国克利夫兰州的阿德尔伯特学院继续实验。为了提高仪器的稳定性和灵敏度，他们把光学系统安装在大石板上，光路经验。为了提高仪器的稳定性和灵敏度，他们把光学系统安装在大石板上，光路经多次
40、反射，光程延长至多次反射，光程延长至11 11 米，他们满怀信心，认为这一次一定有把握测出以太米，他们满怀信心，认为这一次一定有把握测出以太漂移速度。然而，实验的结果依然如故。他们一共观测了漂移速度。然而，实验的结果依然如故。他们一共观测了4 4 天，得到的曲线比预天，得到的曲线比预期值小得多。可以肯定：即使由于地球与光以太之间的相对运动会使条纹产生任期值小得多。可以肯定：即使由于地球与光以太之间的相对运动会使条纹产生任何位移，这位移不可能大于条纹间距的何位移，这位移不可能大于条纹间距的0.010.01。”但根据理论推算，条纹位移最大但根据理论推算，条纹位移最大应为应为0.4 0.4 个条纹间
41、距。这使他们非常失望，原来还打算在不同季节进行观测，这个条纹间距。这使他们非常失望，原来还打算在不同季节进行观测，这个想法也取消了。个想法也取消了。 迈克耳孙和莫雷的实验结果发表后，科学界大为震惊。这个零结果对菲涅迈克耳孙和莫雷的实验结果发表后，科学界大为震惊。这个零结果对菲涅耳部分曳引假说是一个致命打击。迈克耳孙和莫雷倾向于另一个斯托克斯的完耳部分曳引假说是一个致命打击。迈克耳孙和莫雷倾向于另一个斯托克斯的完全曳引假说，但是从斯托克斯的完全曳引假说出发，必然会引出一个结论，即全曳引假说，但是从斯托克斯的完全曳引假说出发，必然会引出一个结论，即在运动物体表面有一速度梯度的区域。如果靠得很近，总
42、可以察觉出这一效应。在运动物体表面有一速度梯度的区域。如果靠得很近，总可以察觉出这一效应。 于是英国物理学家洛奇在于是英国物理学家洛奇在1892 1892 年做了一个钢盘转动实验，以试验以太的漂年做了一个钢盘转动实验，以试验以太的漂移。他把两块靠得很近（相距仅移。他把两块靠得很近（相距仅1 1 英寸）的大钢锯圆盘（直径为英寸）的大钢锯圆盘（直径为3 3 英尺）平行英尺）平行地安装在电机的轴上，高速地旋转（转速可达地安装在电机的轴上，高速地旋转（转速可达4000 4000 转转/ /分）。一束光线经半镀分）。一束光线经半镀银面分成相干的两路，分别沿相反方向，绕四方框架在钢盘之间走三圈，再会银面分
43、成相干的两路，分别沿相反方向，绕四方框架在钢盘之间走三圈，再会合于望远镜产生干涉条纹。如果钢盘能带动其附近的以太旋转，则两路光线的合于望远镜产生干涉条纹。如果钢盘能带动其附近的以太旋转，则两路光线的时间差会造成干涉条纹的移动。但是，不论钢盘转速如何，钢盘正转与反转造时间差会造成干涉条纹的移动。但是，不论钢盘转速如何，钢盘正转与反转造成的条纹移动都是微不足道的。成的条纹移动都是微不足道的。 洛奇的钢盘实验虽然没有迈克耳孙洛奇的钢盘实验虽然没有迈克耳孙- -莫雷实验莫雷实验的影响大，但是它的结果导致人们对斯托克斯的完全曳引假说也失去了信心。的影响大，但是它的结果导致人们对斯托克斯的完全曳引假说也失
44、去了信心。收缩假说的提出收缩假说的提出 费兹杰惹是爱尔兰物理学家，他是麦克斯韦理论的积极支持者，也很关心从以太漂费兹杰惹是爱尔兰物理学家，他是麦克斯韦理论的积极支持者，也很关心从以太漂移实验对以太进行的各种探讨，所以当迈克耳孙移实验对以太进行的各种探讨，所以当迈克耳孙- -莫雷实验的零结果发表后，他立即进行莫雷实验的零结果发表后，他立即进行了周密的思考。了周密的思考。1889 1889 年，他向英国年，他向英国科学科学杂志投寄信件，写道：杂志投寄信件，写道：“我很有兴趣地读到我很有兴趣地读到了迈克耳孙和莫雷先生极其精密的实验结果，这个实验是要判定地球是如何带动以太的，了迈克耳孙和莫雷先生极其精
45、密的实验结果，这个实验是要判定地球是如何带动以太的，其结果看来跟其它证明了空气中以太只在不大程度上被带动的实验相反。我建议，唯一其结果看来跟其它证明了空气中以太只在不大程度上被带动的实验相反。我建议，唯一可能协调这种对立的假说就是要假设物体的长度会发生改变，其改变量跟穿过以太的速可能协调这种对立的假说就是要假设物体的长度会发生改变，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。度与光速之比的平方成正比。”然而，由于然而，由于科学科学杂志不久就停刊了，这封信虽然发杂志不久就停刊了，这封信虽然发表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这封信是否问世。两年后，费兹杰惹去世，表但却鲜为人知，连费兹杰惹
46、本人也不知道这封信是否问世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛仑兹更早就提出了收缩只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛仑兹更早就提出了收缩假说。假说。 1892 1892 年，荷兰物理学家洛仑兹在年，荷兰物理学家洛仑兹在论地球对以太的相对运动论地球对以太的相对运动中独立地提出了收缩中独立地提出了收缩假说，他给出了严格的定量关系，文中写道：假说，他给出了严格的定量关系，文中写道：“这个实验（指迈克耳孙这个实验（指迈克耳孙- -莫雷实验）长期莫雷实验）长期使我迷惑，我终于想出了一个唯一的办法来协调它的结论和菲涅耳的理论。这个办法就使我
47、迷惑，我终于想出了一个唯一的办法来协调它的结论和菲涅耳的理论。这个办法就是：假设固体上两点的联线，如果开始平行于地球运动的方向，当它后来转是：假设固体上两点的联线，如果开始平行于地球运动的方向，当它后来转9090时就不时就不再保持相同的长度。再保持相同的长度。”他根据牛顿力学的速度加法规则，推出只要长度的收缩系数他根据牛顿力学的速度加法规则，推出只要长度的收缩系数为为v2/2c2v2/2c2，就可以在（，就可以在（v/cv/c）2 2 的量级上解释迈克耳孙的量级上解释迈克耳孙- -莫雷实验的零结果。莫雷实验的零结果。1895 1895 年，洛仑兹发表年，洛仑兹发表运动物体中的电和光现象的理论研
48、究运动物体中的电和光现象的理论研究一文，更精确地推出了长一文，更精确地推出了长度收缩公式：他认为，这一结果不仅能解释迈克耳孙度收缩公式：他认为，这一结果不仅能解释迈克耳孙- -莫雷实验，而且可以预言在地球上莫雷实验，而且可以预言在地球上不可能观察到以太风的各种效应，包括各个量级。他把长度收缩效应看成是真实的现象，不可能观察到以太风的各种效应，包括各个量级。他把长度收缩效应看成是真实的现象，并归之于分子力的作用，由此发展成系统的电子论。并归之于分子力的作用，由此发展成系统的电子论。 长度收缩假说提出之后，理所当然地要受到人们的猜疑，设法用实验进行验证，才长度收缩假说提出之后，理所当然地要受到人们
49、的猜疑，设法用实验进行验证，才可看出长度收缩是不是真实的效应。可看出长度收缩是不是真实的效应。 但是大量的类似试验迫使思想敏锐的物理学家深思，迫使他们作出最概括的结论：但是大量的类似试验迫使思想敏锐的物理学家深思，迫使他们作出最概括的结论：“以太只是一种人为的惯性坐标系，以太只是一种人为的惯性坐标系，” 以太是不可能探测到的，长度收缩也是不可能探以太是不可能探测到的，长度收缩也是不可能探测到的。这一切都为狭义相对论的诞生预备了条件。测到的。这一切都为狭义相对论的诞生预备了条件。黑体辐射的研究黑体辐射的研究 热辐射是热辐射是19 19 世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持
50、，世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到19 19 世纪末，由这个领域又打开世纪末，由这个领域又打开了一个缺口，导致了量子论的诞生。了一个缺口，导致了量子论的诞生。 从从1800 1800 年，赫谢尔在观察太阳光谱的热效应时发现了红外线开始，到年，赫谢尔在观察太阳光谱的热效应时发现了红外线开始，到1881 1881 年，美年，美国人兰利对热辐射做过很多工作，比如他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量国人兰利对热辐射做过很多工作，比如他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐
