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的现象出现，这种现象从微粒说的观点来看是很费解的。光亮和黑暗之间不再有明显的区分了，光成为一连串的亮环与暗环，渐渐消失于暗的背景中。环的出现正是光的波动说的最好表征。对于亮环和暗环相互交替的原因，要在一个稍微不同的实验里才会得到清楚的解释。假设我们有一张黑纸，纸上有两个针孔，让光通过这两个小孔，如果两孔非常接近又非常小，而且单色光的源非常强，则在墙上会现出许多亮带与暗带来，它们在边上渐渐消失于暗的背景中。解释是很简单的，暗带就是从一个针孔射出的波的谷和从另一个针孔射出的波的峰相遇之处，因为它们是相互抵消的。亮带则是从不同针孔里射出来的两个波的两谷或两峰相遇之处，因为它们是相互加强的。若是在前一例子中，我们对暗环与亮环的解释就要复杂得多，因为那里所用的是只有一个孔的屏，但原理是一样的。通过两个孔就现出亮带和暗带，通过一个孔便现出暗环和亮环，这个现象必须牢牢记住，因为以后我们还要转回来讨论这两个不同的图景。这个实验显示出了光的衍射，即把小的孔或小的障碍物放在光波行进的路线上时，光的直线传播就发生偏移（参看书末的附图Ⅱ）。
利用一点儿数学我们还可以大大往前走一步，我们可以求出，要多大或者不如说要多小的波长才能产生这样的衍射花样。因此这里所描述的实验，使我们能够测量作为光源的单色光的波长。要知道这个数是如何的小，我们可以指出太阳光谱中可见光的两个极端的波长，那就是红光与紫光的波长。
红光的波长是0．00008厘米，
紫光的波长是0．00004厘米。
我们不必惊异这些数字这样小。我们所以能在自然界中观察到清晰的影的现象，也就是光的直线传播的现象，正是因为通常所有的孔和障碍物比起光的波长来都大得多的缘故。只有用极小的障碍物与孔，才能显示光的波动的性质。
但是寻求一个光的理论的故事还没法终结，19世纪的判决不是一个终审的判决。在现代物理学家看来，要在微粒与波动之间作出判断的整个问题仍然是存在的，不过现在来判断这个问题要采取一种更深刻更复杂的形式了。在没有看到波动说胜利的可疑点以前，我们暂且承认微粒说的失败。
光波是纵波还是横波
我们在前面考察过的一切光学现象都是支持波动说的。光会弯曲而绕过小的障碍物，以及对折射的解释，就是支持它的有力论据。如果以机械观作为指导思想，那么还需要答复一个问题，就是怎样来决定以太的力学性质。要解答这个问题，必须先知道以太中的光波是纵波还是横波。换句话说，光是像声一样传播的吗？光波是由于介质密度的变化，而使得粒子向波传播的方向作振动的吗？还是以太是一种弹性胶质物那样的介质因而只能产生横波，并且它的粒子的运动方向跟波本身传播的方向是垂直的吗？
在解决这个问题之前，我们试决定哪一个答案比较好些。很明显，若光波是纵波，那真是再好不过了，因为在这个情况下来设计一种力学的以太便简单得多了。以太的图景大概跟解释声波传播的气体的力学图景相似，要构成能传播横波的以太的图景就困难多了。要想象一种胶质物作为一种由粒子组成的介质，由它来传播横波，这不是一件容易的事。惠更斯相信以太会是“气状”的而不是“胶状”的，但是自然界毫不理会我们给它的限制。在这件事情上，自然界会容许物理学家力图用机械观来了解所有的现象吗？要回答这个问题，我们必须讨论几个新的实验。
我们只详细讨论许多实验中的一个，这个实验能够提供给我们一个答案。假设我们有电气石晶体的一片薄片，它是用一种特殊的方式切出来的，切的方法我们不需要在这里描写。晶体的薄片必须薄得使我们通过它可以看见一个光源。现在我们取这样的两块薄片把它们都放在眼睛与光之间，我们会看到什么呢（图41）？假如两薄片都足够地薄，便又可以看到一个光点。这样的机会很多，实验符合了我们的期望，我们不必担心这一实验报告可能是由于偶然的机会所造成的。让我们假定我们是通过两个晶体片看见一个光点的，现在我们慢慢转动一个晶体片来改变它的位置。但转动时所绕的轴的位置必须是固定不变的，这样上面这句话才有意义。我们以入射光所定出的线为轴。这就是说，我们移动了一个晶体片上所有的点的位置，只有轴上的点的位置不变。一件奇怪的事发生了！光愈来愈弱，最后完全消失。假如继续转动，它又会再现出来，而等到回到最初的位置时，又重新恢复最初的景象。
我们用不着详细描述这个实验及其他类似的实验就可以提出下面的问题：如果光波是纵波，能够解释这些现象吗？在纵波的情况下，以太的粒子必须和光束一样沿轴运动。如果晶体转动，沿轴线的点并不发生变化。轴上的点没有运动，只有在其附近发生很小的位移而已。因此对于纵波来说，决不可能发生光消失和光显现的明显变化。这个现象以及诸如此类的现象，只有假定光波不是纵波而是横波才能解释！换句话说，我们必须假定“胶状”的以太。
这是很令人遗憾的，我们如果企图用力学来描述以太，那么必须做好面临极大困难的准备。
以太与机械观
为了拭图理解作为传播光的介质以太的力学性质，物理学家曾经做过各种各样的努力，如果都要讨论它，就会写成一本很长的历史书。我们知道，力学上的解释是指物质是由粒子组成的，沿着它们之间的连线上有力作用着，而这个力只与距离有关。为了把以太说成是一种“胶状”的机械的物质，物理学家必须作一些根牵强和不合理的假定。这里我们不准备把这些假定引出来，因为它们早已过时了，而且差不多已经被人遗忘了，但其结果却是有重要意义的。所有这些假定是那样的不合理，还要引入那么多，而且它们相互之间又毫无关联，这些情况都足以动摇我们对机械观的信念。
把以太说成是胶状的物质已经很困难了，但是还有其他更简单的反对它的理由。假如要用力学方法解释光学现象，必须假定以太到处存在。假如光只能在介质中通过，那么便不能有真空的空间。
但是我们由力学知道，星际空间对物体的运动并没有阻力。例如行星在“以太胶质物”中运动便没有受到任何阻力，但物质介质必然会阻止物体的运动。如果以太不阻碍物质的运动，那么说明以太粒子和物质粒子之间没有任何相互作用。光通过以太，也通过玻璃与水，但在后面两种物质里它的速度却变了。怎样能够用力学方法解释这些论据呢？很明显，只能假定以太粒子与物质粒子之间有相互作用。我们刚才已经知道，对自由运动的物体来说，必须假定这种相互作用不存在。换句话说，在光学现象中以太与物质之间有相互作用，而在力学现象中却没有！这显然是一个很自相矛盾的结论。
看来，摆脱这些困难只有一条出路。在20世纪以前的整个科学发展过程中，为了企图根据机械观去理解自然现象，必须引入许多虚假的物质，如引入电流体、磁流体、光微粒、以太等。其结果只是把所有的困难集中在主要的几点上，例如光学现象中的以太即为一例。这里所有想简单地构成以太学说的企图都没有成功，再加上别的反对意见，于是我们觉得，错误的根源似乎在根本假设上，即我们不应该认为可以用机械观解释一切自然现象。科学未能彻底实现机械观的预言，现在已经没有一个物理学家再相信它有实现的可能了。
前面对主要的物理观念所作的简单回顾中，我们遇到了一些没有解决的问题，面临着一些困难与阻碍，使我们不敢再提出一种对描述外在世界的一切现象都能完全一致的观点。在经典力学中，有一个没有人注意到的线索——引力质量与惯性质量相等。那里还有电流体和磁流体的不真实的性质存在，那里对于电流与磁针之间的相互作用也是一个尚未解决的困难。我们可以回忆一下，这种力不在连接导线与磁极的直线上作用，而且它跟运动着的带电体的速度有关，表述它的方向与数值的定律又极端复杂。最后还有关于以大的巨大困难。
现代物理学已经解决了所有这些问题，但是在解决这些问题的斗争中又产生了新的、更深奥的问题。我们的知识比19世纪物理学家的更广更深了，但是我们的疑惑与困难也比他们更广更深了。
结语
电流体的旧理论以及光的微粒说和波动说都是进一步企图应用机械现的结果，但是在电学和光学领域内，这种应用遇到了极大的困难。
运动着的带电体对磁针的作用力不仅与距离有关，且与带电体的速度有关。这种力对磁针既不推斥也不吸引，而是垂直地作用在连接针与带电体的直线上的。
在光学中我们赞成光的波动说，而反对光的微粒说。波在粒子组成的介质中传播以及有机械力作用于二者之间的说法显然是一种力学上的概念，但是传播光的是一种什么介质而它的力学性质又是怎样的呢？在这个问题没有解答出以前，要把光学现象归结为力学现象是没有希望的。但是解决这个问题的困难大得很，以致我们不得不放弃它，因而也不得不放弃机械观。
《物理学的进化》
艾。爱因斯坦 利。英费尔德著
第三章 场，相对论
场的图示法
在19世纪中后期，物理学中引入了新的、革命性的观念，它们打开了一条通往新的哲学观点的道路，这个新的观点与旧的机械观不同。法拉第（Faraday）、麦克斯韦（Maxwell）与赫兹（Hertz）的成就使现代物理学得以发展，使新概念得以诞生，新的“实在”的图景也形成了。
现在我们来描述这些新概念如何在科学上引起突然的变化，并阐明它们怎样逐渐地得到澄清和加强。我们将用逻辑推理的程序来叙述它的发展，不一定完全依照年代的先后来叙述。
这些新概念的起源与解释电的现象有关，但是为简便起见，我们不如首先从力学中介绍它们。我们知道两个粒子会相互吸引，而它们的吸引力跟距离的平方成反比。我们可以把这一情况用一种新的方法来表示，但这样做有什么好处还一时很难看出来。图42中的小圆代表一个吸引体，譬如太阳就是一个吸引体。实际上你应该把这个图想象为空间中的一个模型，而不是一个平面图。因此图中的小圆实际上代表在空间中的一个圆球，例如太阳。把一个所谓检验体的物体放在太阳的附近，它就会被太阳所吸引，而引力发生在连接这两个物体的直线上。因此图上的线表示太阳对于检验体在各个位置上的引力。每根线的箭头表示这个力是朝着太阳的，就是说，这种力是引力。这些线都是引力场的力线。目前看来，这不过是一个名词，没有什么理由让我们十分重视它。我们的图中有一个特色，以后将加以发挥。力线是在空间没有任何物质的地方形成的，目前，所有的力线（或简单地说成为场）只表示一个检验体放在构成场的圆球附近时会有何种行为。
在我们的空间模型中，力线总是跟圆球的表面垂直的。因为它们都是由一点发散出去的，因此离圆球最近的地方最密，愈远愈疏。如果我们把离球的距离增加到2倍或3倍，则在我们的立体模型中（并不是在我们的图上）力线的密度会减小为1／4或1／9。因此力线有两个作用，它们一方面表示作用在一个圆球（例如太阳）附近的物体上的力的方向，另一方面空间力线的密度又表示力如何随距离的大小而变化。
场的图，若正确地解释，它表示引力的方向及其与距离的关系。从这样的一个图中可以看出引力定律来，正如从描写引力作用的文字中，或确切而简略的数学语言中可以看出引力定律来一样。这个场的图示法，虽然我们这样称呼它，并且觉得它清楚而有趣，但是我们没有什么理由相信它会表示出任何真实的意义。在引力的例子中很难看出它有什么用处。这些线不过是图形而已，有人想象确有许多真实的力的作用沿着这些线通过，这样想象自然可以，但是你必须同时想象沿着这些线，作用力的传递速率是无限大的。根据牛顿定律，两物体间的力只与距离有关，与时间毫无关系。力从物体传到另一个物体竟不需要时间！但是，任何理智的人都是不会相信速率无限大的运动的，因此要使这个图起到比模型更大的作用是不会有什么结果的。
我们现在并不准备讨论引力问题，我们介绍这些，只不过为了对电学理论中相似的推理方法作一个简化的解释而已。
现在来讨论一个实验，这个实验用机械观来解释会有很大的困难。假设电流在一个环形导体通过，在这个环的中央放上一个磁针。在电流通过的瞬间，产生了一种新的力，这种力作用于磁极上，并且与连接导线和磁极的直线垂直。如果这个力是由一个作圆运动的带电体产生的，则罗兰的实验告诉我们，这个力与带电体的速度有关。这些实验情况与任何力都只在两个粒子的连线上作用而且只与距离有关这一哲学观点相矛盾。
电流作用于磁极上的力要精确地表示出来是很复杂的，事实上这比表示引力要复杂得多，可是我们也能把这种作用跟引力的作用同样清楚地想象出来。我们的问题是：电流用怎样的一种力作用于放在它附近的磁极上的呢？要用文字来描述这种力是相当困难的，即使用数学公式来表示也一定是复杂而笨拙的。最好是把我们所知道的所有作用力用带有力线的图表示出来，或者更确切地说，用带有力线的空间模型表示出来。但是也有一些困难，因为一个磁极总是跟另一个磁极同时存在的，它们共同构成一个偶极子。不过我们往往把磁针想象得很长，使得只须计及作用于与电流比较靠近的这个磁极上的力。另一极因为离得太远，作用于它的力可以忽略。为了避免混淆起见，我们假定靠近导线的磁极是正的。
作用于正磁极上的力的性质可以从图43中看出来。
绘在导线旁边的箭头表示电流从较高电势流向较低电势的方向。所有其余的线都表示属于这个电流的力线，这些力线都处在某一平面上。假如图画得恰当，那么这些力线既能表示出电流在给定的正磁极上的作用力的矢量的方向，同时还能表示出矢量的长度。我们知道力是一个矢量，要决定它必须知道它的方向和长度。我们主要是讨论作用在磁极上的力的方向问题，这个问题是：怎样从图中去找出空间中任何一点的力的方向呢？
在这样一个模型中要看出一个力的方向，不会像前面的例子那样简单，因为在前例中力线是直线。为了方便起见，图44中只画了一根力线。图中指出，力的矢量在力线的切线上，力的矢量的箭头和力线上的箭头所指的方向相同。这样，箭头的方向就是在这一点上作用于磁极上的力的方向，一个好的图，或更确切地说，一个好的模型，也能够把任何一点上力的矢量长度表示出来。这种矢量在力线稠密的地方，也就是靠近导线的地方较长，而在力线较疏，亦即离导线较远的地方较短。
用这种方法，力线或场就使我们能够决定在空间中任何一点作用于磁极的力。以目前来说，这是我们煞费苦心地绘出一个场的惟一论据了。知道了场表示什么，我们就会以更浓厚的兴趣来考查相应于电流的力线。这些线都是围绕着导线的一些圆圈，它们所处的平面跟导线所处的平面相垂直。从图上看到力的特征以后，我们再一次得出这样的结论，力作用的方向垂直于连接导线与磁极间的任何直线，因为圆的切线总是与半径垂直的。我们对于作用力的全部知识，都可以总结在场的构图中。我们把场的概念插入在电流与磁极的概念之间，以便用简单的方式把这些作用力表示出来。
任何一个电流都有一个磁场，换句话说，在有电流通过的导线附近的磁极上总是受到一种力的作用。我们不妨顺便提一提，电流的这种性质使我们能够制造出一种灵敏的仪器来探测是否有电流存在。我们一旦知道了如何从电流的场的模型来看磁力的特征，我们就能绘出通电导线周围的场来表示空间任何点上磁力的作用。作为第一个例子，我们来研究一下所谓螺线管。它实际上就是一卷金属线，如图45所示。我们的目的就是要用实验来掌握关于与通过螺线管中的电流相关连的磁场的知识，并把知识结合在场的构图中。图上已经把结果显示出来了，弯曲的力线是闭合�