陰極射線本質問題的爭論

●盧雨生

一、引言

20世紀是科學技術革命的世紀，發端于世紀交替時期的物理學革命，是19世紀末物理學危機的必然產物，它改變了人類的自然觀，特別是人對物理世界的認識，也為人類文明的發展開辟了新的紀元。這次革命前后持續了30多年，開始是1895年至1897年接連不斷、且內部有直接聯系的物理學三大發現——X射線、放射性和電子的發現。這是對原子物理學的開拓，也為其發展做好了鋪墊。X射線發現最早來源于陰極射線的研究，陰極射線是在研究真空管放電時意外發現的。這些成了19世紀后半葉各國物理學家普遍感興趣的一個中心議題。因此為了更清晰地了解陰極射線的本質，對早期氣體放電的研究必不可少。

二、氣體放電的早期研究

早在19世紀30年代，法拉第就曾研究過真空放電現象，他發現在稀薄氣體放電時會產生輝光，但由于他得不到級別更高的真空狀態，無法有更多發現。1855年，德國波恩大學科學儀器技工蓋斯勒制做了簡易水銀管泵，將真空度提高了一個數量級，并成功地把金屬電極封進玻璃管內。

1858—1859年間，德國數學兼物理學家普呂克用蓋斯勒管進行了低氣壓高真空放電實驗，當玻璃管的空氣幾乎被抽盡時，他發現有熒斑出現在陰極附近的玻璃管上，而且熒斑的位置不根據陽極的位置變化而進行改變，熒斑看起來只是從陰極發出，穿過接近真空狀態后打到了玻璃管上。因此，普呂克認為熒斑是由陰極發出的電流產生的，并且磁鐵能使熒光移動，可以改變熒光在玻璃管上的位置和分布。10年后普呂克的學生希托夫驗證了普呂克的結論：放電起源于陰極，并以直線運動。希托夫在陽極處放置了小障礙物，發現玻璃管壁上投下一邊界陰影，他由此推斷熒光是陰極通電產生的射線撞擊玻璃管產生的。1876年，德國物理學家哥爾德施泰因把這種射線稱為陰極射線。據此哥爾德施泰因、普呂克、希托夫總結道陰極射線的本質是某種光物質，是以太形式的震動。德國的物理學家也都傾向于陰極射線是一種類光物質的觀點，而英國一方卻有著不同的觀點。1871年，瓦利注意到磁鐵可以使陰極射線偏轉這一現象，他認為為了更好地研究陰極射線的本質，可以假設陰極射線是由帶負電的粒子組成。1879年，英國物理學家克魯克斯進對真空泵進行了升級，根據歷史的實驗結果，克魯克斯認為陰極發射的不是光，而是高速粒子流。由陰極射線的偏轉方向可以確定高速粒子是帶負電的粒子。但在當時的物理學中持有一種傳統觀點，即原子是不可分的，是物質組成中的最小單位，結果克魯克斯提出一個很容易被人否定的假說，即陰極射線是由陰極發射出的帶有負電荷的原子。

三、英德有關陰極射線本質問題的爭論

克魯克斯批評陰極射線是類光物質并依靠以太擾動的學說，立即招來了德國物理學家的集體攻擊。關于陰極射線到底是什么的問題引起了國際大討論，而有趣的是意見不同的兩大陣營竟然是按照國別區分的，德國一方認為陰極射線應該是一種波，英國一方則認為陰極射線就是粒子。

哥爾德施泰因第一個對克魯克斯進行批判，1880年他將陰極射線管抽空到相對真空狀態下測得射線可以行進90cm左右，在同種實驗狀態下普通分子也就能行進0.6cm。由此可以證明克魯克斯的分子流或者電原子流的說法是不正確的，因為這無法解釋陰極射線在陰極遠端還能留下清晰陰影的現象。哥爾德施泰因還重新做了泰特的光譜實驗，他發現光源發出分子的速度遠比克魯克斯假設的小，因此他判斷陰極射線不可能是分子流或者電原子流，似乎把陰極射線看成是電磁波更符合實驗結果。哥爾德施泰因的實驗是具有說服力的，因為現在我們都清楚陰極射線就是電子，而不是分子流或電原子流。克魯克斯此時只是找到了一個正確的方向、卻提出了錯誤的觀點，反而給對手提供了充實的材料。接下來赫茲對粒子說也進行了批評，1892年赫茲公開說陰極射線不可能是粒子，而僅有可能是一種以太波，幾乎所有德國物理學家都同意這個觀點。但以克魯克斯為代表的英國物理學家卻不認同，堅持認為陰極射線是一種帶電的粒子流。1894年赫茲的學生勒納德，也是德國實驗物理學家在放電管的玻璃壁上開了一個薄鋁窗，成功地使陰極射線射出管外，他和赫茲認為陰極射線是一種以太波。這顯然對粒子說十分不利，因為電磁波穿過固體是很正常的現象，但把陰極射線看成是粒子，穿過固體物質將是十分困難的。雖然這么多的實驗現象似乎可以證明陰極射線是一種電磁波，但是這種以太學說也存在著致命缺陷：如果陰極射線真的是某種波，那么波怎么能在磁場中發生偏轉呢？支持以太說的物理學家從認識論的角度進行詭辯，或許是光的性質還沒有被完全了解，所以波在磁場中會偏轉也不是沒有可能。反觀粒子學說，由于對原子不可分的傳統觀點過分保守固執，因此想找到有利于自己觀點的證據是很艱難的。由于表面上以太說的實驗現象明顯易懂且在理論上只要找不到缺陷就無法證明其有錯誤，而粒子學說由于傳統的束縛給自己埋了一個陷阱無法自拔，一時間以太說明顯占了上風。但在正式發現電子之前，粒子說物理學家也為自己的觀點做了幾個經典的實驗。

英國物理學家舒斯特堅持粒子說，但不同意克魯克斯的觀點。他認為組成陰極射線的是高速帶負電粒子，是放電管內陰極附近的氣體分子離解而產生的帶負電粒子，它們受陰極的排斥而飛離陰極。到1890年，舒斯特宣稱可利用磁場使陰極射線偏轉求出陰極射線粒子的荷質比e/m：e/m=v/Hr(H是磁場強度，v是粒子速度，r為粒子的偏轉半徑)由于當時只能測得磁場強度H和偏轉半徑r，無法測得粒子速度v，所以無法得到精確的荷質比。為了證明陰極射線是粒子的觀點，舒斯特利用平均和極限的方法測得了陰極射線荷質比的范圍，又通過實驗測出了氫離子的荷質比正好在這個范圍內。這樣支持粒子說的物理學家完全有理由相信陰極射線是粒子這種觀點站得住。由于采用了平均和極限的方法給測量和實驗帶來了不確定性，舒斯特最終也沒有發現電子，但對于陰極射線本質的研究和粒子說的穩定有著極大的意義。

德國科學家認為陰極射線是某種波，是因為大多數德國物理學家確信麥克斯韋理論無誤。麥克斯韋曾認為電流是電磁以太的一種特殊振動，這被德國物理學當成內部基本定理傳承下來，因此德國物理學家在實驗中只讀取對自己有意義的證據，粒子說一派的內部傳統原子論束縛的缺陷也會給德國物理學家一種似乎掌握了陰極射線本質的感覺。但德國人忘了科學不是依靠權威，科學是要不斷超越。

反觀英國物理學家，對于本國前輩的理論并沒有一味地追捧，似乎也讓我們感受到英倫紳士的辯證風采。英國物理學家沒有像德國物理學家一樣迷信權威，而對符合自己觀點的實驗結果更重視。英國人覺得克魯克斯的實驗太具有說服了，因此也就不能生搬硬套麥克斯韋的電磁理論來解釋陰極射線的本質問題。

歐洲大陸不少的物理學家、化學家、哲學家也參加了19世紀末反對原子理論的活動，其主要代表人物有德國的化學家奧斯特瓦耳德、德國物理學家赫耳姆等，他們的論據主要來自實證主義的哲學，他們認為知識只能來自經驗，不能直接經驗到的東西都屬于形而上學的范疇。在物理學中，他們偏愛熱力學這類現象學的理論，反對任何本體論的解釋。奧斯特瓦耳德在1895年提出“唯能論”，把能量作為世界最終的實在。他認為唯能論改造后的后的化學理論，可以全部推導出本來只有原子論才能解釋的那些定律，因此原子假說成為不必要的了。德國物理學家深信陰極射線以太說與德國傳統反對原子論密切相關。從根本上看英德有關陰極射線本質問題的爭論是跟傳統因素的傳承相關的。換個角度說爭論的本質從這兩個國家來看是唯能論等反對原子存在的理論與原子論之間矛盾。最有趣的是，英國雖然支持原子存在的理論但在實際中仍被原子不可分這種觀點束縛。

四、湯姆遜電子的發現

1894年，湯姆遜測得陰極射線的速度v=200km/s，并不等于光速c。湯姆遜特別激動，他認為從根本上否定了陰極射線以太說的觀點。但由于自己太過于匆忙，后來他的實驗被指出有測定方法上的錯誤，他也只好放棄這一實驗結果。1895年，法國物理學家佩蘭利用法拉第籠接收陰極射線，證明了陰極射線確實是帶有負電荷的。當時有人對佩蘭的實驗提出了質疑，因為他沒有證明從陰極發出的帶負電的微粒同陰極射線路徑相同，湯姆遜也認為佩蘭的實驗給以太說留下了太多話題可做文章。1897年，在佩蘭工作的基礎上，并且吸收X射線研究的成果，英國物理學家湯姆遜對陰極射線做了定性和定量的分析。湯姆遜認為如果陰極射線是一種帶電的微粒，那么它不僅能在磁場中偏轉，也應該在電場中偏轉，他還認為最重要的是應該測出陰極射線作為微粒的質量。因此湯姆遜做了幾個實驗：（1）直接測量陰極射線所攜帶的電荷；（2）使陰極射線受靜電偏轉；（3）湯姆遜不僅使陰極射線在磁場中發生了偏轉，而且還使它在電場中發生了偏轉，又從這兩種偏轉的量度推算出陰極射線粒子的質量與電荷的比值，其數值大約是氫離子的千分之一。根據上述實驗，湯姆遜得出結論陰極射線粒子比原子小，并認為這種粒子一定是建造一切化學元素的最小物質。1897年4月30日，湯姆遜向英國皇家研究所報告了自己的工作后，又以《論陰極射線》為題發表了論文。他指出陰極射線粒子的荷質比比電解的氫離子的荷質比大得多，有可能是陰極射線粒子的質量比氫離子的小得多，還有可能即使陰極射線粒子的電荷比氫離子的電荷大得多，或者兩者都有一些成分，結合勒納德的薄鋁窗實驗，陰極射線粒子的質量應該很小，比普通分子小得多，才能解釋陰極射線能過透過鋁窗的現象。1898年，湯姆遜測定陰極射線粒子的電荷和電解中氫離子所帶的電荷是同一數量級，這也就證明了陰極射線粒子的質量只有氫離子的千分之一。1899年湯姆遜首次闡述了電子的發現，1900年起電子的存在才基本得到了人們的承認，至此有關陰極射線本質的問題的爭論畫上了句號。1906年，湯姆遜獲得諾貝爾物理學獎。

五、結語

電子的發現終結了有關陰極射線本質的問題的討論，這是19世紀末物理學上的一項重大成就，也同X射線和放射性的發現并稱為物理學三大發現。其實物理學的三大發現都與陰極射線和早期的真空放電研究密不可分，X射線的研究來自對陰極射線的探索，X射線的出現也同時促進了電子的發現。而電子發現的意義遠遠超出它結束陰極射線本質問題的范圍，可以說這是科學史上的革命性發現：（1）標志著人類對物質的認識進入了新的層次，對于原子物理學的發展有極大的促進作用。物質結構的最小單位已不再是原子，同樣在今天看來電子也早已不是物質結構的最小單位，是不是沒有最小只有更小這種科學態度值得我們學習。（2）電子的發現打開了現代物理學研究領域之門，在電子發現之前牛頓經典力學理論倡導研究物理學中的低速宏觀運動，之后的研究領域逐漸轉向高速微觀。經過幾世紀建立起來的經典力學理論認為物體的質量與運動狀態沒有關系，這種觀點受到現代物理的挑戰。電子不只具有傳統意義的力學質量，還具有自身的電磁質量，也就是說當電子以非常快的速度（接近光速）運動，電子的質量也是會發生變化的。后來提出的電子波粒二象性也在實驗中得到證實，傳統意義矛盾的兩種性質在現代物理學中還是得以共存，這也發展了微觀的量子力學理論。無論從哪種角度來說，對于陰極射線本質問題的研究和電子發現的探索意義都是重大的。