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物理世界的本质 第一章 古典物理学之坍塌
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原子的结构
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1905—1908年之间，爱因斯坦和闵可夫斯基将一个根本的变革引入我们的时间与空间的观念。1911年卢瑟福在我们的物质概念里引入了自德谟克利特以来最为巨大的变革。奇怪的是，对这两种变革的接纳完全不同。时间和空间的新观念，在各方面都被看成是革命性的。有人以极大的热忱来欢迎它们，其他一些人则拼命地反对。物质的新概念则遵循科学发现的一般经验：它逐渐证实它的价值。当证据被完全确认后，它便迅速地取代以前的学说，学术界没有感受到大的冲击。但是现在，当我听到现代科学对布尔什维克主义的抗议和对旧秩序的哀挽时，我便不由得想到，卢瑟福而非爱因斯坦才是真正的始作俑者。当我们把固定的宇宙与我们通常所预想的宇宙相比较时，最为显著的变革并不是爱因斯坦的时间和空间的再认识，而是把我们所认为的一切实体使之瓦解，解离成飘荡在虚空里面的细点了。对于那些认为事物多少是如它们所显现给我们的人而言，这是一个突如其来的震动。近代物理学所揭示的原子内的虚空，比天文学所揭示的星际空间巨大的真空更令人震撼。
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原子之疏松一如太阳系。假使我们消除人体中所有未被填充的空间，而把他的质子和电子聚结成为一个整体，那么人便要缩小到只有用放大镜才看得到的细点了。
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这种物质的稀松性在原子理论中不曾预示过，确切地说，业已知道和空气相似的气体里，原子之间远远分开，留出大量空洞的空间。但这也只是预测，具有空气特性的东西在其中才会只有相当少量的物质，而“空无所有”通常都用来表示没有物质存在。在固体中，原子被紧密压缩接触，所以旧的原子理论同我们的预想相一致，把固体物质看成大部分是无多大空隙的实体。
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发端于19世纪末的物质的电工理论起初也没有改变这一认识，虽知道阴电是很小容积内集中的单位电荷，但是物质的其他要素，即阳电，可比照原子同样大小绘制成胶质圆球，在里面还包含有细微的阴电荷，所以在一个固体里面的空间大部分是充实的。
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但在1911年，卢瑟福表明，阳电也是要集中成细微的小点的，他的少量实验证明原子能够施加巨大的电场力。除非阳电荷作为一个高度集中的引力源，否则这种力是不可能的，它必须包括在与原子大小相比较还要细小得多的核里面。因此，第一次，原子的主体就完全成为真空了，原子的“太阳系”模型代替了实际的“棒球”模型。两年后，尼尔斯·玻尔基于卢瑟福的原子理论而发展了他的著名的理论。此后原子理论更是突飞猛进。未来无论原子的观念有多大变化，但要再回到旧的实体原子理论是不可想象的。
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现在所接受的结论是：一切物质，最终都是由两种基本要素——质子和电子构成的。
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从电性上看，质子和电子电性互斥，因为质子是一个阳电荷，而电子则是一个阴电荷，但在其他方面，它们的属性又差异巨大。质子质量是电子的1840倍，所以物质的绝大部分质量都是基于构成物质要素的质子。除了在氢气里面，找不出纯净的质子。氢气似乎是物质最原始的形态，氢原子包括一个质子和一个电子。在其他物质原子里面，多个质子和较少的电子结合在一起构成原子核。达到电性平衡要求的电子像原子核遥远的卫星一样散布着，这些电子甚至能够从原子逃逸而自由地穿过物质飘荡。一个电子的直径差不多为一个原子的直径的五万分之一，原子核的直径也大不了多少，一个孤立的质子还要小得多。
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30年前，在以太拖曳问题上有过许多争论，即绕太阳运动的地球是否拖曳着以太一道行走。当时，原子的实体性是不成问题的，很难相信物质能够从以太中费力通过而不搅乱它。实验结果发现没有出现以太的对流，这是令人惊奇而困惑不解的事。但是我们现在证实，以太能够滑过原子，如同滑过太阳系一样容易，而我们的预想却全然指向了别的方向。
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在稍后几章我们会再回到“太阳系”的原子，现在我们所关注的是两件事情：一是原子是极端空虚的；二是它是由电荷构成的。
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卢瑟福的原子核理论常常不被看做是20世纪的一场科学革命，它是一个非常远大的发现，但却是一个落在物理学的古典的体系里面的发现。这一发现的本质和意义能够用平常的名词来表示，即可以用科学上早已流行的概念来说明。“革命性”的称号通常留给了两个近代伟大的进步——相对论和量子理论，这两个理论不但是有关世界内容的新发现，它们还包括了我们如何思考世界的变革。它们不能用平常的字眼表示，原因在于我们首先不得不掌握那些在旧的物理学体系中都不曾梦想过的新概念。
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我并不确定“古典物理学”这一说法有严格定义，但普遍的观点是：牛顿在《原理》中所发展的自然规律的理论框架，为后世的理论发展提供了一个希望遵从的范式。在这一框架的四个角之内，出现认识上极大变革是可能的，光波说代替了粒子说，热从物质（热素）变成了动能，电从连续的流体变成以太里形变的核。但这在原系统的弹性范围中得到认可。波动、动能与形变在原系统中早已有各自的位置，将同样的概念用于说明更为广泛的现象，是对牛顿原始观点普适性的一个贡献。
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现在我们来看古典物理学系统是如何坍塌的。
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物理世界的本质 菲茨杰拉德收缩
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我们最好从下面的事实开始：假定你有一根以极高速运动的木棒，开始时木棒的指向与其运动方向垂直。现在把它转个直角，这样木棒就指向运动方向了，木棒便会收缩，木棒沿着运动方向的长度比横过运动方向时要短些。
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这个收缩，便是著名的菲茨杰拉德收缩，在所有通常的情形下是极其微小的。这一收缩完全与棒的材料无关，而仅仅与其速度有关。例如，如果速度达到每秒钟19英里[1]——地球绕日的速度，那么长度的收缩便达到二亿分之一，或者说地球直径收缩了2.5英寸[2]。
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这已由各种不同的大量实验所证实。最早也最闻名的实验是首次由迈克尔逊·莫雷于1887年所做的实验，该实验由莫雷和密勒在1905年更准确地重复过，在最近一两年中又有多个研究者开展了重复实验。我不打算再叙述这些实验了，它们只是说明如何便利地给你的木棒以太的速度的方法，就是把它放到高度围绕太阳运动的地球上来。在此我也不想讨论这些实验所提供的证据是怎样的完备，更重要的是，你们应该认识到，这一收缩确实能够从我们目前有关实体木棒的知识中预测出来。
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你们也许要诧异，一根运动着的木棒仅仅由于其指向不同而能够改变尺寸，你们或者以为其大小并未改变。但诸君所想的是哪根木棒呢？请回忆我的两张桌子。假使你想到连续的物质，出于它是占据空间的物质的性质之故而在空间里延伸，那么看起来其尺寸的变化好像没有说得通的理由，但科学的木棒是一群高速冲撞而又山水相隔的带电粒子，令人惊异的是，这群带电粒子似乎倾向于保持任意有限尺度。但是，因为微粒子保持着一定的平均间隔，因而整个的体积实际上还是保持稳定的。它们相互间施加电场力，它们所充满的体积依赖于它们之间的吸引力和它们的无规则运动，驱使它们远离的力之间的平衡。当木棒发生运动时，这些电场力也会变化。运动中的电场力由电流构成，而电流会产生一个与静止电场所产生的力不同形式的力，即磁力。进而，电荷运动所产生的力沿着运动方向和横跨着运动方向，强度自然不同。
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将木棒与包含其内的所有细微的电荷置于运动状态，我们便在粒子之间引入了新的磁力。显然，原来的平衡被打破了，粒子间的平均间隔必然会发生改变直至达成新的平衡，因此粒子群的延伸——棒的长度改变了。
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关于菲茨杰拉德收缩，实在没什么神秘。在旧方法里面，由于木棒的实体性被描绘成占据空间的连续的物质，这种收缩是木棒非自然的性质。但是，对于由电磁力保持微妙的平衡、把任何想钻进来的东西都赶开而占据着空间的一群粒子的棒，这种收缩则是一个完全自然的性质。或者可以这样去看它：你们期望木棒保持着它的原来长度，自然要预先假定木棒受到公平的对待而没有受到任何新的压力，但是处于运动中的木棒则要受一个新的磁力的作用，这种磁力并非来自不当的外部干涉，而是其自身的电结构的必然结果，在这个磁力的作用下收缩出现了。或者你们会认为，如果木棒足够坚硬，它或许能够抵抗这一压力，非也！菲茨杰拉德收缩对于钢棍与橡皮棍都是相同的：硬度与压力与其结构关联在一起，即如果一方增大了，而其他一方也同样增大。我们必须从头脑中抛弃这一观念，即木棒不能保持一个固定的长度是由于木棒的缺陷。仅在同一个想象的没有这种电结构因而完全不是物质的“某种东西”相比较，它才是一种“缺陷”。菲茨杰拉德收缩不是一个缺陷，而是物质的固有属性，如同惯性一样。
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在此，我们从物质的电结构得到一个定性的推论，应把有关的计算交给数学家得到定量的结果。这一问题大约在1900年就被洛伦茨和拉摩尔解决了，他们计算了因电荷运动的变化而产生的新的力破坏平衡之后，重新恢复平衡所要求的粒子之间平均间隔的变化。计算结果给出了精确的菲茨杰拉德收缩的量值，即上述实验中业已推断得到的量，由此，我们两条腿都稳稳地站住了。有些人因为它们具备良好的实验结果而认为结果可靠，其他的人则由于菲茨杰拉德收缩是自麦克斯韦之后所普遍接受的电磁理论体系的必然结果，这一认识而更容易说服。实验与理论两者有时都会出错，所以二者都需要。
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