阴极动力学的基础

自牛顿以来，动力学的普遍原理被认为是物理科学的基础，看来好像是不可动摇的，它们即将被抛弃或至少要被彻底地修正吗？数年来，这是不少人扪心自问的问题。在他们看来，镭的发现推翻了我们认为是最牢固的科学教条：一方面是金属不可能嬗变；另一方面是力学的基本公设。

也许人们过于匆忙地认为，这些新奇的东西最终确立了，并且正在打破我们昨天的偶像；在袒护之前，等待更多、更可信的实验也许是恰当的。从现在开始，还是有必要了解一下新学说和新论据，他们所依据的这些东西是十分有分量的。

首先，让我们用几句话回顾一下那些基本原理，它们是：

A．孤立的、不受所有外力作用的质点的运动是匀速直线运动；这是惯性原理：没有力便没有加速度。

B．运动质点的加速度与它所受到的所有力的合力具有相同的方向；它等于这个合力与称之为运动质点的质量的系数之商。

这样定义的运动质点的质量是常数；它不依赖于这个质点所获得的速度；不管该力平行于这个速度还是垂直于这个速度，质量都一样，若力平行于速度，它仅有助于使质点的运动加速或延缓，相反地，若力垂直于速度，它有助于使运动偏向右边或左边，也就是说使轨道弯曲。

C．作用在质点上的所有力都来自其他质点的作用；它们仅取决于这些不同质点的相对位置和速度。

把两个原理B和C结合起来，我们就达到相对运动原理，由于这个原理，一个系统的运动定律是相同的，不管我们使这个系统参照于固定轴，还是参照于以匀速直线平动的运动轴，于是不可能把绝对运动和关于这个运动轴的相对运动区别开来。

D．如果质点A作用于另一个质点B，那么物B便反作用于物A，这两个作用是两个大小相等方向相反的力。这是作用和反作用相等原理，或更简短些，是反作用原理。

天文观察和最普通的物理现象似乎完美地、经常地、十分精确地确认了这些原理。现在据说，这是真的，不过正是因为我们从未用除十分小的速度以外的任何速度操作；例如，行星中运转得最快的水星也不到每秒100公里。假使这个行星运转快一千倍，它的行为还会相同吗？我们看到，也不需要焦虑；不管机动车进步到什么程度，在我们必须放弃把经典动力学原理应用于我们的机器之前，将有很长的时间。

那么，我们如何最终使实际速度比水星速度大一千倍，例如使它达到光速的十分之一或三分之一，或者更接近于光速呢？这可以借助于阴极射线和镭射线达到。

我们知道，镭放射出三种射线，分别用三个希望字母α，β，γ来表示；以下除非特意陈述对立面，将总是议论β射线，它类似于阴极射线。

在阴极射线发现后，出现了两种理论：克鲁克斯（Crookes）把该现象归因于真实的分子轰击；赫兹把它归因于以太的特殊波动。这是100年前关于光使物理学家对立的争论的复活；克鲁克斯采取了已被废弃的光的发射说；赫兹坚持波动说。事实似乎裁决有利于克鲁克斯。

首先，人们已经认识到，阴极射线随身带有负电荷；它们能被磁场和电场偏离，这些偏离恰恰与同一种场在由极高速度激发的和强烈带电荷的抛射粒子上产生的偏离一样。这两种偏离依赖于两个量：一个是速度；另一个是抛射粒子的电荷与它的质量的关系；我们无法知道这个质量的绝对值，也无法知道电荷的绝对值，而只能知道它们的关系；事实上，很清楚，如果我们同时使电荷和质量加倍，而不改变它的速度，那么我们将使有助于抛射体偏离的力加倍，不过因为质量也加倍了，所以观察到的加速度和偏离将是不变的。因此，观察两个偏离将给我们决定这两个未知数的两个量。我们发现，速度从每秒10000公里到30000公里；至于荷质比，它是很大的。我们可以把它与电解中的氢离子的相应的荷质比比较一下；于是我们发现，阴极抛射粒子所携带的电量约比相等质量的氢在电解液中所能够携带的电量多一千倍。

为了确认这些观点，我们需要直接测量这一速度，以便与如此计算的速度加以比较。J.J.汤姆孙（Thomson）的旧实验给出了100多倍的结果，这太小了；不过，这些实验也暴露了某些误差的原因。该问题由维歇特（Wiechert）再次有条理地加以处理，其中利用了赫兹的振动；结果发现与该理论一致，至少就大小的数量级而言是这样；重复一下这些实验也许是极为有趣的。不管情况如何，波动说对于阐明事实的这一复杂性似乎是无能为力的。

针对镭的β射线所作的同样的计算给出了更大的速度：100000或200000公里，或者还要更多一些。这些速度大大超过了我们知道的所有速度。的确，人们早就知道光达到每秒300000公里；但是光并没有运载物质，而在那里也许存在着实际上以所述的速度被激励的物质分子，倘若我们对于阴极射线采用发射说的话，因此研究一下通常的力学定律是否还适用于这些分子是恰当的。

我们知道，电流产生感应现象，尤其是自感应。当电流增加时，自感电动势升高，它有助于反抗电流；相反地，当电流减少时，自感电动势有助于维持电流。因此，自感应抗拒电流强度的每一变化，正如在力学中物体的惯性对抗它的速度的每一变化一样。

自感应是真实的惯性。一切就好像不使周围的以太运动电流本身就不能确立起来一样，因而一切就好像这种以太的惯性有助于使这个电流的强度保持不变一样。要确立电流，需要克服这种惯性，要使电流停止，必须再次克服这种惯性。

阴极射线是带负电的抛射体的雨点，可以比之为电流。无疑地，这种电流乍看起来至少与普通的传导电流不同，在传导电流中，物质并不运动，而电通过物质环流。这就是运流电流，其中电依附于物质载体，由这种载体的运动携带着。但是，罗兰（Rowland）已经证明，运流电流像传导电流一样，产生相同的磁效应；它们也产生相同的感应效应。首先，如果情况并非如此，那么便会违背能量守恒原理；此外，克雷米厄（Crémieu）和彭德（Pender）使用了一种方法，直接证明了这些感应效应。

如果阴极微粒的速度变化，相应的电流强度将同样地变化；从而将增强自感效应，这将有助于反抗这一变化。因此，这些微粒将具有双重惯性：其一是它们本身的固有惯性，其二是由于自感应而引起的表观惯性，它产生相同的效应。从而，它们将具有总表观质量，这由它们的真实质量和电磁起源的虚设质量构成。计算表明，这种虚设质量随速度而变化，当抛射粒子的速度增加或减小时，或者当速度偏折时，自感应的惯性力不相同；因此，就总表观惯性力而言，情况也是如此。

因此，当施加于微粒的真实力平行于它的速度从而有助于加速运动时，同样地当真实力垂直于这个速度从而有助于使方向改变时，总表观质量是不同的。所以有必要把总纵质量和总横质量区别开来。而且，这两个总质量取决于速度。从亚伯拉罕（Abraham）的理论工作可以得出这一点。

在我们于前一节所说的测量中，我们通过测量两个偏离决定的东西是什么呢？一方面，它是速度，另一方面，是电荷与总横质量之比。在这些条件下，我们如何在总质量中辨认真实质量的成分和虚设的电磁质量的成分呢？如果我们只有严格意义上所谓的阴极射线，也不会梦想它；但是，有幸的是，我们还有镭射线，正如我们看到的，镭射线速度极大。这些射线并不完全相同，在电场和磁场的作用下，它们也不沿同一路径运动。人们发现，电偏离是磁偏离的函数，我们能够在灵敏的照相底片上接收经受两种场作用的镭射线，拍摄出表示这两种偏离关系的曲线。这是考夫曼（Kaufmann）所做的工作，他从中推导出速度以及电荷与总表观质量之比之间的关系，这个比率我们将称之为。

人们可以假定有几种射线，每一种的特征由固定的速度、固定的电荷和固定的质量来表征。但是，这种假设是不大可能的；事实上，相同质量的微粒为什么总会具有相同的速度呢？假定电荷以及真实质量对于所有的抛射粒子都是相同的，这些粒子的差别仅仅在于它们的速度，这样会更自然一些。如果比率是速度的函数，这并不是因为真实质量随这个速度变化；而是由于虚设电磁质量依赖于这个速度，唯一能够观察到的总表观质量必须依赖于它，尽管真实质量不依赖于它，并且可以是常数。

亚伯拉罕的计算让我们了解到虚设质量作为速度函数变化的规律；考夫曼的实验使我们知道总质量的变化规律。

因此，比较这两个规律，将能使我们决定真实质量与总质量之比。

这就是考夫曼以往决定这个比率的方法；结果使人极为惊讶：真实质量是零。

这导致出完全未曾料到的概念。仅就阴极微粒所证明的东西被推广到一切物体。我们称之为质量的东西也许只不过是伪装；一切惯性恐怕都是电磁起源。可是，质量不再是常数，它会随速度而增大；对于直到每秒1000公里的速度而言，质量还明显的是常数，随后质量便增加，对于光速而言，质量变为无穷大。横质量不再等于纵质量：如果速度不太大，它们只可能是近似相等。力学原理B不再是正确的。

在我们现在所处的时刻，这个结论似乎为时尚早。人们能够把仅仅对于这样的光微粒证明的东西用于所有的物质吗？这种光微粒仅仅是物质的射气，也许不是真正的物质。但是，在开始研讨这个问题之前，必须先谈谈另一种射线。我要提到极隧射线，即戈德斯坦（Goldeistein）的Kanalstrahlen（阳极射线）。

阴极在放射出带负电的阴极射线的同时，也放射出带正电的极隧射线。一般地，这些极隧射线并不被阴极排斥，而是局限于这个阴极的最接近的邻域，在这里它们形成不是很容易觉察到的“羚羊皮软垫”；但是，如果给阴极钻孔，如果阴极几乎完全堵塞了真空管，那么极隧射线便向阴极后面延伸，其方向与阴极射线的方向相反，这样便变得可以研究它们了。正因为如此，才有可能证明它们带正电荷，证明它们像阴极射线那样，磁偏离和电偏离还是存在的，只不过是很微弱而已。

镭也放射出类似于极隧射线的射线，这种射线比较容易吸收，人们称之为α射线。

像对于阴极射线那样，我们能够测量两种偏离，并从中推导出速度和比率。结果是比阴极射线小的常数，但是速度以及比率都比较小；正微粒带电少于负微粒；或者，如果我们假定电荷相等而符号相反，则正微粒比负微粒大得多，这样更自然一些。这些微粒一些带正电，另一些带负电，它们被称为电子。⁽¹⁾

但是，电子并不只是向我们表明它们存在于这些赋予它们以极大速度的射线中。我们将看到它们起着十分不同的作用，正是它们可以阐明光学和电学的主要现象。引人注目的卓越综合归功于洛伦兹（Lorentz）。

物质仅仅是由携带着大量电荷的电子构成的，在我们看来它似乎是中性的，这是因为这些电子的相反符号的电荷相互补偿了。例如，我们可以设想一种由大正电子形成的太阳系，在大正电子的周围，中心电子所带的正电吸引着许多小行星即负电子。这些行星的负电荷与这个太阳的正电荷平衡，以致所有这些电荷的代数和是零。

所有这些电子都漂游在以太中。以太处处完全相同，以太中的扰动像光或赫兹的真空中的振动一样，是按同一规律传播的。除了电子和以太，别无它物。当光波进入电子很多的以太部分时，这些电子在以太扰动的影响下便处于运动之中，它们于是作用以太。这样就可以说明折射、色散、双折射和吸收。正是如此，如果由于某种原因使电子处于运动，它就会扰动它周围的以太，从而引起光波，这可以说明白炽物体的发光。

在某些物体内，例如在金属内，我们应该有固定的电子，在固定的电子之间，享有充分自由的运动电子环流着，不过它们不能逃逸出金属物体，不能越出把金属与外部空间隔开的界面，或金属与空气、与任何其他非金属物体的界面。

在金属物体内，这些可动的电子的行为从而像盛装气体的瓶内的气体分子一样，按照气体运动论运动。但是，在电势差的影响下，带负电的可动电子全都趋向于一方，而带正电的可动电子全都趋向另一方。这样就产生了电流，这就是这些物体可以成为导体的原因。另一方面，如果我们接受与气体运动论相似的观点的话，那么温度越高，电子的速度也越大。当这些可动的电子之一碰到金属物体的表面时——它不能通过其边界，它就像碰到台球盘橡皮边的台球一样被反弹回来，它的速度经受到突然的方向变化。但是，当电子改变方向时，正如我们进而将要看到的，它变成光波源，这就是灼热的金属发白炽光的原因。

在其他物体中，诸如在电介质和透明体中，可动电子不用说未享有自由度。它们依然仿佛被束缚到吸引它们的固定电子上。它们距固定电子愈远，这种引力变得也越大，愈倾向于把它们拉回来。因此，它们只能做小漂移；它们不再能够环流，而只能在它们的平均位置附近振动。这就是这些物体不是导体的原因；而且，这些物体往往是透明的，它们具有折射能力，由于光振动可以传递给易受振动影响的可动电子，从而会产生扰动。

在这里，我无法给出计算的细节；我仅限于说，这种理论阐明了所有已知的事实，并且可以预言像塞曼（Zeeman）效应这样的新事实。

我们现在可以面对两个假设：

1°正电子具有比它们的虚设电磁质量大得多的真实质量；唯独负电子没有真实质量。我们甚至可以假定，除了两种记号的电子外，还存在着只具有真实质量的中性原子。在这种情况下，力学不受影响；不需要触动力学定律；真实的质量是常数；正如一直知道的，运动仅仅受到自感效应的扰乱；而且，除了负电子外，这些扰动几乎是可以忽略的，因为没有真实质量的负电子不是真实的物质。

2°可是，还有另外的观点；我们可以假定，不存在中性原子，正电子正像负电子一样，也没有真实质量。但是另一方面，由于真实质量消失了，或者是质量一词不再有任何意义，否则就必须把它称为虚设电磁质量；在这种情况下，质量不再是常数，横质量不再等于纵质量，力学原理将被推翻。

首先做一点说明。我们说过，对于同一电荷，正电子的总质量远远大于负电子的总质量。于是，设想用正电子除具有虚设质量外还具有显著的真实质量来说明这种差别，是很自然的；这把我们带回到第一个假设。但是，我们同样可以假定，正电子像负电子一样，真实质量都是零，但是正电子的虚设质量大得多，由于这种电子小得多。我深思熟虑地说：小得多。事实上，在这个假设中，惯性完全来源于电磁；它本身归结为以太的惯性；电子单独不再是任何物；它们只不过是以太中的空穴，而以太则绕着这些空穴运动；这些空穴越小，以太中的空穴就越多，从而以太的惯性也就越大。

我们将怎样在这两个假设之间裁决呢？像考夫曼对待β射线那样处理极隧射线吗？这是不可能的；这些射线的速度太小了。因此，每一个人应该按照他的气质裁决，从而使保守派趋向一边而使喜新者趋向另一边吗？但是，也许充分地考虑到革新者的论据后，必定会产生其他想法。

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(1) 彭加勒写该文时，人们对极隧射线或阳极射线的组分以及原子结构还不十分清楚，对其命名也比较混乱（这从下文也可看出）。其实，极隧射线中不仅有正离子，还由于电荷转移而存在中性粒子和负离子。——中译者注