第七章 物质和以太之间的关系 [1]

    当亚伯拉罕（Abraham）先生请求我为结束法国物理学会所组织的一系列讲演讲几句话时，我起初想加以谢绝；在我看来，似乎每一个课题都充分讨论了，我不能对已经很好讲述过的东西再添加些什么了。我只能尝试概括一下似乎是从这些研究的集合中流露出的印象，这种印象是如此明晰，以至于你们中的每一个人以及我都必然已经体验到了，我无法用几句话把它描述得更为清晰。但是，亚伯拉罕先生彬彬有礼地坚持要我讲话，我尽管感到为难，最后还是顺从了他的请求，最大的不便之处是要重复你们每个人长期思考过的东西，至于要涉及大量我没有时间详细地从事的不同课题，还是微不足道的困难。

    所有的听众必然想到过一个重要的观念。原先的力学假说和原子理论近来已被认为具有充分的可靠性，它们不再作为假说出现在我们面前了。原子不再是一种方便的虚构了；似乎可以说，我们能够看到原子，因为我们知道如何去计算原子。当假说解释新事实时，它就成形了，变得更可信了。但这会以多种方式出现。它往往会变得范围更大一些，以便说明新事实；但是，当它变得更广泛时，它有时也要在精确性方面有所丧失；有时，必须把似乎与它一致的辅助假说嫁接在它之上，这个辅助假说与被嫁接的砧木不会过多地出现不协调，不过还与砧木有某些不相容之处，还是某种用关于要达到的目标的明确观点构想出来的东西————一句话，是附加的点缀。在这种情况下，我们不能说经验已经证实了原来的假说，最多只能说经验与它不矛盾。或者还可以说，在新事实和原来为之构想出该假说的旧事实之间存在着密切的联系，存在着这样一种性质：任何解释新事实的假说必须在实际上能解释旧事实，以至于所证实的事实只不过在表面上看来是新的。

    当经验揭示出能够预期的和由于偶然性而不能预期的一致时，尤其是当涉及着数量上的一致时，同一问题就不是这样的情况了。现在，这类一致最近已证实了原子论概念。

    可以说，气体分子运动论已经得到意想不到的支持。新来者严格地以它为模型；这些新来者一方面是溶液理论；另一方面是金属电子论。溶质分子以及使金属具有导电性的自由电子，其行为犹如包含在封闭空间中的气体分子。这种对应是完善的，甚至能够追踪到数量上的一致。在这方面，可疑的东西变成或然的；如果这三种理论中的每一个是孤立的，那么它似乎只可能是一个有天才的假说，为此它可以代替其他几乎是合理的解释。然而，在这三种情况的每一个中，尽管不同的解释似乎是必要的，但是观察到［三者］的一致不能再归因于不能允许的偶然性，因为三种分子运动论使这些一致成为必然的了。此外，溶液理论十分自然地把我们引向布朗运动理论，在这种理论中，不能认为热扰动是想象的虚构，因为能够在显微镜下直接看到它。

    佩兰（Perrin）先生出色地测定了计算出来的原子的数目，使原子论大获全胜。使它变得更为可信的是通过完全不同的方法所得到的结果之间的多方面的一致。不久前，只要由此推出的数目包含着相同的位数，我们就认为我们自己是幸运的了。我们甚至不要求第一位有效数字是相同的；第一位数字现在已被确定了；最突出的是已经考察了原子的多种多样的性质。在从布朗运动所推出的方法中，或者在引起辐射定律的方法中，直接计算的不是原子，而是自由度。在我们研究天空的蓝色这一工作中，原子的力学性质不再起作用了；它们被认为是光学不连续性的结果。最后，当研究射气时，它是所计算的抛射粒子的发射。我们已经达到这样一点：如果有任何的不一致，我们不会为如何解释它们而感到困惑；然而，幸运的是，不存在任何不一致。

    化学家的原子现在是一种实在了；但是，这并不意味着，我们正在达到物质的终极要素。当德谟克利特（Democritus）发明原子时，他认为原子是绝对不可分的元素，超过这一界限，就什么也找不到了。这是希腊人的意思；正由于这个缘由，他毕竟发明了原子。在原子背面，他没有想到更多的奥秘。因此，化学家的原子并不会使他满意；因为这种原子绝不是不可分的；它实际上不是一种［不可分的］元素；它隐藏着奥秘；这种原子是一个世界。德谟克利特也许想尽力去发现它，我们却没有比当初更进一步。这些哲学家从未得到满意的结果。

    由于物理学中的每一个新发现都揭示出原子的新的复杂性，这就是坚持原子复杂性的第二点考虑。首先，被认为是简单的物体，而且其行为在许多方面与简单物体完全一样的物体，还能够分裂成更简单的物体。原子分裂为更小的原子。所谓放射性，只不过是原子持续不断的分裂。这时常被称之为元素嬗变，这种说法不十分严格，因为一种元素实际上没有转化为另一种元素，而是分裂为几种其他元素。这种分解的产物还是化学原子，它们在许多方面类似于复杂原子，它们是复杂原子在分裂过程中产生出来的，因此这种现象恰恰可以像最普通的化学反应那样用化学方程式来表示，大多数保守的化学家都能接受它，而不会有过多的犹豫。

    这并非问题的全部。在原子中，我们发现了许多其他东西：首先，我们在原子中发现了电子。因此，每一个原子似乎都是某种类似于太阳系的东西，在这种太阳系中，起行星作用的小负电子被吸引到起太阳作用的大正电子的周围。正是带有相反电荷的这些电子的相互吸引维持该系统的结合并使它成为一个整体。正是这种引力，使行星的周期具有规则性，正是这些周期，决定原子发出的光的波长。正是由于这些电子运动所产生的运流的自感，才使由电子构成的原子具有它的表观惯性，我们称其为它的质量。除了这些被束缚的电子以外，还有自由电子，这些自由电子服从与气体分子相同的运动学规律，它们使金属成为导体。这些自由电子可以和彗星相比，彗星从一个恒星系统运动到另一个恒星系统，并在这些遥远的恒星系统之间自由进行能量交换。

    然而，我们并没有走到尽头。在电子或电的原子之后，磁子或磁原子也接踵而来，它今天是沿着两条不同的途径向我们走来的，一条是通过磁体的研究，一条是通过简单物体的光谱的研究。我不需要在这里提醒你们注意外斯（Weiss）先生出色的讲演和这些实验以未曾料到的方式揭示出来的、使人惊讶的可通约关系。其中也有不能归因于偶然性的数量关系，为此必须寻求一种解释。

    同时，还必须解释光谱中谱线分布的十分奇特的规律。根据巴耳末（Balmer）、龙格（Runge）、凯泽（Kaiser）和里德伯（Rydberg）的研究，这些谱线是按系列分布的，在每一个系列中都服从简单的规律。所出现的第一个想法是把这些规律和谐音的规律进行比较。正如振动弦有无数的自由度一样，这容许它产生无数的声音，这些声音的频率是基频的倍数；正像一个复杂形状的共鸣体也产生谐音一样，其规律是类似的，虽则更简单一些；正如赫兹谐振子可以具有无限数目的不同周期一样，由于同一理由，原子难道不能放出无限数目的不同的光吗？你们知道，这种很简单的想法失败了，因为按照光谱定律，正是频率，而不是它的平方，其表达式才是简单的，由于对无限高范围的谐波而言，频率不会变成无限的。这种观念必须修正或抛弃。直到现在，它还抵制一切尝试；它还拒绝修改它自己。这就是导致里兹（Ritz）先生抛弃它的原因。因此，里兹把振动的原子设想为是由旋转的电子和一些头尾相接的磁子构成的。它不再是使波长具有规则性的电子相互之间的静电引力；而是由这些磁子产生的磁场。

    这就是接受这种观念的某些困难，因为这种观念包含着某些人为的东西；但是我们必须服从它，至少必须暂时服从它，由于直到现在，虽然我们正在积极地进行研究，可是还没有发现什么不同的东西，为什么氢原子能发出几条谱线呢？这并不是因为每一个氢原子能够发出氢光谱的所有谱线，也不是因为它们按照运动的初始情况发出这条或那条谱线。这是因为存在着多种氢原子，它们在磁子（磁子在氢原子中排列成行）数上彼此不同，因为每一种原子都放出不同的谱线。我们感到奇怪的是，这些不同的原子是否能够相互转化以及如何相互转化。原子为何能够失去磁子（也就是说，当铁的一种同素异形体转化为另一种时，似乎发生了什么）？磁子能够离开原子吗？或者，一些磁子能够脱离队列不规则地排列它们自己吗？

    磁子的这种首尾相接的排列也是里兹假说的奇异特征。无论如何，外斯先生的想法必然使它似乎不怎么不可思议。就磁子的排列而言，确实必须是，即使不是首尾相接，至少也是平行的，因为它们能够用算术方法相加，至少能够用代数方法相加，但是却不能用几何方法相加。

    那么，磁子是什么呢？它是某种简单的东西吗？不是这样，如果我们不希望抛弃安培（Ampère）粒子流假说的话。因此，磁子是电子的涡旋，我们的原子现在变得越来越复杂了。

    无论如何，促使我们对原子的复杂性比其他任何特性更为重视的是德比尔纳（Debierne）先生在他讲演末尾所阐述的思想。这在于解释放射性变化的规律；这个规律是很简单的，它是指数式的。但是，如果我们考虑一下它的形式，我们看到它是统计规律；我们能够在其中辨认出机遇的因素。但是，机遇因素在这里并不是由于其他原子或其他外部动因的偶然的冲突。它恰恰在于原子内部，变化的原因就是在原子内部找到的。我指的是决定性原因以及物质因。另外，我们应当看到外部环境，例如温度施加影响于上升到一给定的幂的时间系数，这个系数显然是常数，从而居里（Curie）提出利用它来测量绝对时间。

    因此，调节这些变化的机遇因素是内部机遇因素；也就是说，放射性物体的原子是一个世界，是一个隶属于机遇的世界；可是让我们谨防那些谈到机遇就把它理解为大数的人。由几种元素组成的世界将程度不同地服从复杂的规律，但却不是统计规律。因此，问题必然是，原子是一个复杂的世界；它的确是一个封闭的世界（或者至少是几乎封闭的世界）。它避免了我们能够引起的外部扰动。既然有关于原子的统计学，因而有内部热力学，因此我们能够谈论原子的内部温度。好了！没有呈现与外部温度平衡的趋势，仿佛原子被封闭在完全不被辐射热渗透的外壳内。原子之所以是一个个体，这恰恰是因为原子是封闭的，因为原子的功能被墨守成规的官员明确地谋划和护卫。

    乍看起来，原子的这种复杂性并不能引起人们的思想有什么震动；它似乎不会使我们惊慌失措。但是，稍假思索将立即揭示出我们起初没有想到的困难。在计量原子时，我们计量的是自由度。我们已经隐含地假定，每一个原子只有三个自由度。我们以此来解释所观察到的比热。但是，每一个新的复杂性都应当引入新的自由度，因而我们仍远离目标。这一困难还是引起了能量均分原理的创始人的注意。他们已经为光谱的谱线数感到惊愕，但是由于没有找到避免它的办法，他们才敢于忽略它。

    原子是复杂而封闭的世界，这正是很自然的解释。外部扰动对于在内部发生的现象没有任何影响，在内部发生的现象对于外部也没有影响。这不会全部为真；另外，我们从未了解到在内部发生了什么，原子似乎是简单的质点。真实的东西就是我们只能通过很小的窗户看到内部的东西，实际上，在外部和内部之间没有能量交换，从而在这样内外两个世界之间没有能量均分的趋势。正如我不久前说的，内部温度不与外部温度趋于平衡，这就是比热相同的原因，犹如所有的内部复杂性不存在一样。让我们设想一个由中空的球构成的复杂的物体，它的内壁是绝对不透热的，在该物体内部有多种多样不同的物体。所观察到的这个复杂物体的比热将是球的比热，仿佛所有封闭在它里面的物体不存在一样。

    不管怎样，在原子内部世界关闭的门不时地稍稍打开。这就是当原子通过氦粒子的放射，自身发生衰变，在放射性等级上下降一位时所发生的现象。接着发生什么呢？如何区分这种分解与通常的化学分解呢？为什么由氦和其他东西构成的铀原子往往被叫作原子，而不叫作氰————其行为在许多方面像简单物体的行为，它由碳和氮构成————那样的半分子（semi-molecule）呢？毫无疑问，这是因为铀的克原子热将服从（我不知道是否已经测量过）杜隆（Dulong）和珀替（Petit）的定律，这事实上是单原子所服从的定律。因此，在放出氦粒子的时刻和原来的原子分裂为两个次级原子时，克原子热应该加倍。由于这种分解，原子会得到能够影响外部世界的新的自由度，这些新自由度应当通过比热的增加而显示出它们的存在。在各组分总比热和化合物比热之间的这种差别的结果应该是什么呢？正是这种分解所释放出的热应该随温度急剧地变化；以至于在常温下大量吸热的放射性分子... -->>
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