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第17章 悖论与科学发展(4)

奥斯特发现了电流的磁效应后,很多科学家就想到:既然电可以生磁,那么,反过来,磁也应该可以产生电流。菲涅耳、安培、科拉顿等都先后做过许多实验,但是由于不正确的思想作指导,实验都未能成功。阿拉果之后,法拉第也在研究磁生电的问题。可能是他认为自己设计的装置灵敏度高于安培设计的装置,可以将微弱的磁生电效应显示出来,但是实际上也未成功。

因为开始,法拉第也没有突破安培、菲涅耳等人的思想,还是着眼于静态、稳恒,所以他也失败了。法拉第虽屡遭失败,但他的信念没有发生动摇,他坚信磁一定可以生电,所以他从未中断这方面的实验。

有一句英语格言说得好:“Perseveranceistheonfyroadtosuccess”(不屈不挠是这天,法拉第用如图所示的实验装置做了一次实验。铁环上绕有两组线圈A和B,其中一组接到电流计上,另一组则接到电池驻上,他想试一试,在接通电流后,电流计的指针会不会摆动。应该指出,在做这个实验之初,法拉第并没有正确解决磁生电的条件这一至关紧要的问题。这样,我们就不难理解,当法拉第意外地发现电流接通或断开的一瞬间,电流计的指针竟摆动起来了!

这使他十分惊讶,他大约开始意识到这是一种暂态效应,但他并没有立刻完全明白这一发现的重大意义,所以他在给友人的信中写道:“我好像抓住了好东西,但这并不是鱼,说不定可能是藻屑。”

接着,他于同年9月24日、10月1日和10月l7日,又连续成功地做了几个实验。通过这些实验,法拉第才知道自己抓到的不仅是一条鱼,而且是一条硕大无比的鲸鱼!这时,他才终于明白电磁感应是一种暂态效应,以前安培、菲涅耳和他自己之所以长期不能实现磁生电的效应,正是因为以前追求的稳态效应是一个错误的方向。

1831年11月24日,法拉第写了一篇论文,首次向英国皇家学会报告了整个实验情况,并总结出下面几种可以产生感生电流的情况:①变化着的电流;②变化着的磁场;③运动着的稳恒电流;④运动着的磁铁;⑤在磁场中运动的导体。

至此,法拉第划时代的伟大发现,终于大功告成,多年来悬而未决的“阿拉果之谜”也终于解开了。

4.电子引出的佯谬

1897年4月30日,英国最负盛名的大报《泰晤士报》发了一则专电:“剑桥大学物理学教授汤姆逊今晚在皇家学会上宣布:他发现了一种亚原子粒子,他称它为‘微粒子’。汤姆逊博士一直从事电子管的气体放电研究。会上,其他一些物理学家对此持公开的怀疑态度。”

J.J.汤姆逊(1856—1940)发现的“微粒子”,就是现在广为人知的电子。当时,汤姆逊称之为“corpuscle”,即“微粒子”。

这一发现在物理学发展史上有着极为重大的意义,这一点可以从瑞典皇家科学院院长克拉森为汤姆逊荣获1906年诺贝尔物理学奖的致辞中看的。

克拉森院长说,由于电子的发现,“我们似乎也感觉到,我们正处在这样一个有新的变革内容的重大时期……祝贺您为世界作出了重要的研究,这些工作使我们这个时代的自然哲学家们有可能在新的方向上进行新的研究。因此,您称得上是踏着你们伟大而著名的同胞法拉第和麦克斯韦的足迹前进并为科学世界作出了光荣而崇高的典范的人。”但也正是由于电子是人们认识的第一个基本粒子,所以从它尚未被发现之时起,就一直被迷雾所笼罩,以至佯谬迭起、险象环生。

虽然早在古希腊时代就有人猜想,一切物质都是由小得看不见、再也无法分割的微粒子构成,这些微粒子被称为原子。但直到19世纪和20世纪之交,仍有不少科学家公开否定物质的原子理论,其中有些反对者还是非常杰出的科学家。

例如,英国牛津大学化学教授布罗意(1817—1880)爵士,德国化学家、1901年诺贝尔化学奖获得者奥斯特瓦尔德,奥地利物理学家、心理学家马赫……

电子被发现并被认为是构成所有物质的一种成分之后,卢瑟福模型问题并没有因此而了结。实际上,更大的困难和更多的佯谬在等待着物理学家们。为了说明原子结构,他们先后提出了汤姆逊模型、卢瑟福模型。下面我们介绍一下由于卢瑟福模型引出的几个佯谬。

卢瑟福模型认为原子中有一极小的带正电的核,其半径大小约10-13厘米,但集中了几乎原子的全部质量,电子则像行星绕太阳旋转一样,绕核旋转。这一模型不仅能解释汤姆逊模型能解释的现象,还可以解释更多的现象,当然,关键是它能解释α粒子大角散射现象。卢瑟福有核模型的确有它优越之处,但有一个关于电子的佯谬(即原子稳定性佯谬)弄得物理学家不得安宁。这一佯谬是无论如何也回避不了的,并且是“不可克服的和致命的;它是从麦克斯韦理论直接引申出来的”。

我们知道,麦克斯韦的重大功绩在于他的理论预言:当带电粒子做加速运动时应辐射出电磁波。正是用这种电磁波,麦克斯韦作出了划时代的贡献,将光学与电磁学统一起来,完成了物理学史上的第三次伟大的统一。接着不久,赫兹又以他那永远令人赞叹的巧妙实验,证实了麦克斯韦的电磁理论。

根据麦克斯韦电磁理论,围绕正电核旋转的电子由于它在做加速运动,就应当不断辐射电磁波,其频率为电子旋转频率。

电子不断辐射电磁波就应不断减少自身的能量,于是它就要不断缩小旋转半径,向核逐渐靠拢,最后落到核上造成原子的“坍塌”。根据计算,电子从自己原来的轨道上落到核上,所需时间仅为10-9秒左右。这样,由已经被认为是经典物理三大支柱之一的经典电动力学推断,原子是极不稳定的,它们的寿命只有10-9秒,但这与客观事实是绝不相容的。看来,要建立一个不违背麦克斯韦电磁理论的带电粒子行星模型,并不那么简单。卢瑟福几乎想不出任何办法来挽救他的模型。另外,还有一个“光谱分立佯谬”,即电子绕核旋转并且落向核的过程中,由于电子围绕运动的频率不断连续增大,那么它的辐射光的频率应连续地不断增高,因而原子光谱就应是一条连续色带。但实验早已告诉我们,原子光谱是具有特征性的分立谱线,而且正是这些谱线构成了19世纪分析化学的基础。

你看,一个小小的电子竟把那些科学精英弄得焦头烂额。但是,科学家们是一群好奇心极强而且性格又极为坚强的人,他们就是喜欢层出不穷的佯谬,消除佯谬正是他们最热衷的事情。

现在摆在科学家面前有两个原子结构模型,它们都有各自的优点和困难,到底哪一个对呢?就在这时,玻尔要挽救卢瑟福原子模型。玻尔认为,有核模型是无可怀疑的,因为有“粒子大角散射试验作证。但是按照经典电动力学,原子的毁灭又不可避免。

物理学家该如何决定自己的取舍呢?汤姆逊和一部分物理学家的选择是经典理论不可违背,舍去的应该是有核模型。玻尔则采取了相反的态度,他认为实验结果是无法否定的,经典理论当然也十分宝贵,但是他明智地认为经典规律不一定能用于原子结构,原子属于另一个层次。在这个层次里,普朗克和爱因斯坦已经证明,很多经典规律是不适用的。

1913年,玻尔提出了挽救卢瑟福原子模型的三条假设(即玻尔原子模型):①绕核转动的电子不能采取任意轨道,只有满足与普朗克和爱因斯坦关系式相关联的量子条件的轨道才是容许的;②当电子在这些容许的轨道上运转时,它不辐射能量;⑧只有当电子从一条容许的轨道上“跳跃”到另一条容许的轨道上时,它才辐射光。辐射光的能量由爱因斯坦的光电方程确定。尽管玻尔模型完全与经典理论相违背,遭到了激烈的反对,但是,最终由于他的推论先后都被实验所证实,所以最后人们承认了这一个模型。这样,前面所说的两个佯谬也消除了。

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