(08)真理的足迹-第14章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
有某一个角动量，而且还以某几个固定速度沿轨道旋转。原子的这一结构特
性就以字母L来代表。L和n可以相互联系起来，因为所允许的角动量只能
以从0到n—L之间的整数来代表。
行星运动的其他主要特性，轨道平面的方向和自转方向，是不是也能从
电子运动中得出呢？能不能弄清楚电子轨道只能在几个固定的平面之内呢？
是不是也能弄明白电子自旋是量子化的呢？为表示这些可能的特性，又提出
了两个量子数，一个是m，代表电子的“空间量子化”，即代表电子轨道平
面和某一固定平面，如外面强加的磁场，所形成的几个允许的角度。第四量
子数s代表电子只能绕某一固定轴顺时针或反时针旋转，后来被称为“上旋”
或“下旋”。看来电子的所有性质用这四个量子数都能代表了。
这些量子数是把电子运动当做粒子运动来考虑，看一看传统力学原理需
要做什么改变，才能符合它们的特性。但是早已表明，电子束遇到障碍时，
表现出了特别奇怪的性状，它们既有波动的干涉效应，也有波动的绕射现象。
这种特性使当时的标准物理学发生另一个根本的改变，寻找某种可能的方
法，把粒子特性和波动特性综合起来。德布罗格利提出，传统物理学中两个
单独的，毫不相关的特性应该统一起来，使它们可以转换，于是他把波的波
长和粒子的质量m，速度v，用以下公式联系起来了。
λ=h／mv
此处，h—普兰克常数。这个关系式是不是不仅适用于电子，而且也适用
于原子、炮弹、行星等等而普遍成立呢？很明显，斯特恩分子束可能是检验
这种想法的一种好方法。如果一束分子能够产生绕射现象，那么德布罗格利
原理就将具有更大的意义，而成为一个普遍的物理学定理。所以分子束被用
来检验这种想法。
从物理学发展的前后关系中可以看出，斯特恩实验所具有的重大意义，
但是还不止此，它还说明实验研究中的另一个有趣问题，就是某些技术设备
具有提供一系列问题的巨大能力，而在发明这种设备的时候，往往没有想到
它会具有这样的能力。
斯特恩—格罗克设备主要由三个可以拆换的分设备组成：一个是获取等
速分子 （或原子）束设备，另一个是产生陡变磁场设备，第三个是用金属晶
体作成的格棚绕射靶，如果德布罗格利所决定的特性关系是正确的话，原子
束波就会发生绕射。
为获取适当的原子束，斯特恩及他的助手格罗克利用一个小坩埚，装上
相应的样品，进行高温加热。坩埚开有一小缝通真空室，在高温推动下，样
品物质的原子从缝中逸出就形成原子束，不过其中的原子具有不同的能量或
速度。为获取等速的原子，阻止其他速度的原子，他们采用了费泽奥测光速
的办法。问题在于原子的速度很高。如果两个槽轮装配在同一轴上，让它们
各自向相反的方向转动，那么就只有那些正好在一个槽取代另一个槽的时间
内越过两轮之间距离的原子才能顺利通过。这样通过的原子就具有大致相等
的速度。
他们的智慧也表现在他们发明的第二个设备，即高强度磁场设备中。因
为原子束通过磁场很快，为了产生和辨别出通过时有什么效应，例如说，由
于空间量子化的神秘特性而使原子束分裂，磁场必须强而集中。为此他们把
一个极做成像刀刃一样，另一极做成尖槽形，让原子束沿着这样狭窄的缝隙
通过，就能产生最大效应。
他们用以探测原子束绕射的设备，没有新的特殊性，使用的是埃尔萨塞
发明的电子绕射基本技术。这种技术由戴维森和杰默在1927年进行了改进，
所以当斯特恩在1929年与斯特曼合作研究原子绕射问题时，就直接借用了这
种技术。他们用锂晶作为绕射靶，用一个小室收集绕射的氦原子，绕射原子
的数量通过测定小室的瞬时压力变化来确定。
所有这些方法一旦被想出来，设备也建立起来，实验本身就非常简单了。
这反映了实验家的聪明才智。因为运动的电荷会产生磁场，而轨道电子是一
种电荷，并且根据原子理论它们在不断运动着，所以它们应该产生各自的磁
场。如果每个原子的所有电子的轨道仅在量子理论可能允许的一个平面内，
那么每个原子的磁场就与该平面相关。于是，当有一个外磁场影响这些原子
时，它们就会随其内磁场的情况对那个外磁场取一定方向。
如果存在如我前面说过的空间量子化，那么我们所想象的原子这样的小
磁体的取向就不会是任意的，例如说“全是顺时针方向”，在斯特恩所研究
的具体情况下，它们相对外磁场取两个不同角度。这和按第三量子数计算结
果相符。每一个取向相对应于一个可能的电子轨道平面。
如果关掉外磁场再看原子束的图像，在照片上就只能看到模糊的单影；
但是如果打开外磁场，原子束就立即分裂成两半：一些原子随其相应的量子
化情况走一条路，另一些原子也随其相应的量子化情况走另一条路。这就是
斯特恩所发现的现象。
物质波动性的证明也很直截了当。埃尔萨塞，戴维森和杰默已经用实验
表明，电子能够绕射。很明显，这证明电子具有某种波动性，但这还只是一
种特例，还不能作为一般物质都具有波动性的证据。毫无疑问，电子在一种
情况下具有物质粒子特性，在另一种情况下，又具有波动特性。但氦原子是
一种比较重的普通物质原子，如果它们也表明出绕射效应，那么德布罗格利
关于物质都具有波动性的定律就更加牢固地建立了。
为了进行这种实验，他们把设备作了重新安排。原子束发生设备和一对
开槽轮仍用来保证获得等速原子束，另外再安装上锂晶靶，原子绕射探测器。
如果原子束像粒子流一样机械反射，那它就会像皮球碰到挡板一样反弹回
来，反射角就大致等于入射角。但是如果它像波一样绕射，那么就会像绕射
波前一样有绕射原子散布。这里再次表示出，斯特恩所设计的实验，是直截
了当回答问题。
毫不奇怪，虽然前一两代物理学家几乎不能理解这些实验，但斯特恩和
埃斯特曼却正好找到了他们所预料的结果，收集绕射散布原子的小集气罐的
压力变化形式，升到某一顶点，正好说明氦原子束具有波动特性。
分子束实验法像斯特恩的学生又有学生一样在连续不断的发展。设备更
加完善，出现了测量各种物质的原子束效应的新方法，但是不管又做出了多
少出色的工作，这个领域的主要成就仍然是其奠基者斯特恩所取得的。
即使是汤姆生和卢瑟福所做的关于亚原子粒子特性的一系列令人信服的
证明，也可能被新概念推翻。德布罗格利定律普遍适用于所有物质，就是比
较重的整个原子也可能产生波动效应。发现这种效应所产生的结果和影响，
目前还没有全部吸收到关于自然科学的哲学思想中来。
实践的考验
地球的模样
地球——人类的母亲。人类世世代代在她的怀抱里生活，成长。可她的
形状如何呢？大小又怎样呢？这却是一个长期迷人的大难题。
广袤大地，或山峦重叠，蜿蜒起伏；或茫茫平原，绵延千里；或波涛汹
涌，一望无际……。
这一切和古时候人类的活动范围相比，简直大得无法形容。人类要认识
地球真是谈何容易。
还在人们对地球所知甚少的时候，奇妙的神话传说已充斥人间。我国就
流传着天是地支撑的，地是浮在水面的，水下有巨鳌支撑。要是鳌鱼眨一下
眼睛，大地就要震动，企图用此来解释地震现象。
在古埃及，尼罗河水的泛滥十分可怖，威胁着人民的生命财产，使人们
把整个世界都想象为一团混沌的洪水中产生出来的。他们的天地观认为，世
界是一只方盒子，稍呈凹形的大地是盒子的底，天是盒子的顶，撑在从大地
四角升起的四座大山顶上。尼罗河则是宇宙之河从南方分出来的一个支流，
流过大地的中央。
劳动人民用这种直观而朴素的感觉，找到了预防洪水的季节，减少了生
命和财产的损失。
在我国古代，人们也根据直观和推测，提出过“天圆如张盖，地方如棋
局”的“天圆地方”说。
随着人类征服自然能力的提高，开始把自己的活动范围从陆地扩展到海
洋。生长在地中海岸的古希腊人，便是有悠久历史的航海民族。他们最初对
地中海的认识，简直幼稚得可笑，他们对地球的认识更为有趣：在陆地的四
周为海洋，而海洋之外便是海水永远也填不满的深渊了。
然而，不管幻想家把那深渊描述得如何可怕，勇敢的航海探险家并不惧
怕落入深渊。他们驾驶着船队，从希腊出发，向南方奋进！
奇怪！船队没有落入深渊，反而到达了一个新的天地——埃及。
人们已经无法考证这之中有多少次失败；但最早进行成功尝试的，是在
公元前580年左右，由希腊航海探险家、科学家泰勒斯（约公元前625～545
年）开创的。
他的船队终于征服了地中海，到达埃及，随后又征服了美索不达米亚平
原。这位科学家的天才航行，把埃及的几何学，巴比伦的天文学，以及这两
国的古代文明带回到希腊，使希腊这个野蛮的民族进入了铁器时代。
新的航线打通了，地球又将是什么样子呢？许多因循守旧的希腊人，并
不因发现了新的天地而改变旧有的想法。他们只是简单地把过去的想法加大
一些，设想地球包括着现在的欧洲和非洲的一部分，外边仍然是海，海外依
然是无底的深渊。
勤劳智慧的航海者，从不迷信这种主观臆断。他们一方面进行着极其勇
敢的探险，不断发现新天地，扩大着视野；一方面又以其丰富的实践和前人
积累起来的知识，科学地探索着地球的真正形状和大小。
繁星点点的夜空，很早就吸引着人类祖先的注意。人们一步一步地留心
对宇宙结构图像的探索。古希腊哲学家毕达哥拉斯 （约公元前580～500）
年），最早从纯数学推理出发，认定宇宙和大地都是球形的。其根据是“球
形是一切几何立体中最完善的”。尽管这种说法毫无科学依据，但他提出地
球是球形的想法，却是十分可贵的，使地球为“球”的概念产生了。
不过，任何科学真理，都不可能单纯依靠思维来获得，唯一的途径是致
力于对自然的观察和实践。毕达哥拉斯学派提出地球为球形的概念，不久就
为航海者的实践所证实了。
当古希腊的船队从希腊自北向南往埃及航行时，北斗星的位置越来越
低，而南方的星空则出现一些陌生的星群。当航海船队快接近大陆时，总是
先看到地平线的山尖，其后才看见山麓。如果大地是平的，就不会出现这种
情形。反复地实践在航海者脑海中也渐渐地形成了一个概念——只有地球是
球形的，才会产生这种情况。
由于科学家，探险家们的贡献，也因古埃及，巴比伦
