阴极射线本质问题的争论

●卢雨生

一、引言

20世纪是科学技术革命的世纪，发端于世纪交替时期的物理学革命，是19世纪末物理学危机的必然产物，它改变了人类的自然观，特别是人对物理世界的认识，也为人类文明的发展开辟了新的纪元。这次革命前后持续了30多年，开始是1895年至1897年接连不断、且内部有直接联系的物理学三大发现——X射线、放射性和电子的发现。这是对原子物理学的开拓，也为其发展做好了铺垫。X射线发现最早来源于阴极射线的研究，阴极射线是在研究真空管放电时意外发现的。这些成了19世纪后半叶各国物理学家普遍感兴趣的一个中心议题。因此为了更清晰地了解阴极射线的本质，对早期气体放电的研究必不可少。

二、气体放电的早期研究

早在19世纪30年代，法拉第就曾研究过真空放电现象，他发现在稀薄气体放电时会产生辉光，但由于他得不到级别更高的真空状态，无法有更多发现。1855年，德国波恩大学科学仪器技工盖斯勒制做了简易水银管泵，将真空度提高了一个数量级，并成功地把金属电极封进玻璃管内。

1858—1859年间，德国数学兼物理学家普吕克用盖斯勒管进行了低气压高真空放电实验，当玻璃管的空气几乎被抽尽时，他发现有荧斑出现在阴极附近的玻璃管上，而且荧斑的位置不根据阳极的位置变化而进行改变，荧斑看起来只是从阴极发出，穿过接近真空状态后打到了玻璃管上。因此，普吕克认为荧斑是由阴极发出的电流产生的，并且磁铁能使荧光移动，可以改变荧光在玻璃管上的位置和分布。10年后普吕克的学生希托夫验证了普吕克的结论：放电起源于阴极，并以直线运动。希托夫在阳极处放置了小障碍物，发现玻璃管壁上投下一边界阴影，他由此推断荧光是阴极通电产生的射线撞击玻璃管产生的。1876年，德国物理学家哥尔德施泰因把这种射线称为阴极射线。据此哥尔德施泰因、普吕克、希托夫总结道阴极射线的本质是某种光物质，是以太形式的震动。德国的物理学家也都倾向于阴极射线是一种类光物质的观点，而英国一方却有着不同的观点。1871年，瓦利注意到磁铁可以使阴极射线偏转这一现象，他认为为了更好地研究阴极射线的本质，可以假设阴极射线是由带负电的粒子组成。1879年，英国物理学家克鲁克斯进对真空泵进行了升级，根据历史的实验结果，克鲁克斯认为阴极发射的不是光，而是高速粒子流。由阴极射线的偏转方向可以确定高速粒子是带负电的粒子。但在当时的物理学中持有一种传统观点，即原子是不可分的，是物质组成中的最小单位，结果克鲁克斯提出一个很容易被人否定的假说，即阴极射线是由阴极发射出的带有负电荷的原子。

三、英德有关阴极射线本质问题的争论

克鲁克斯批评阴极射线是类光物质并依靠以太扰动的学说，立即招来了德国物理学家的集体攻击。关于阴极射线到底是什么的问题引起了国际大讨论，而有趣的是意见不同的两大阵营竟然是按照国别区分的，德国一方认为阴极射线应该是一种波，英国一方则认为阴极射线就是粒子。

哥尔德施泰因第一个对克鲁克斯进行批判，1880年他将阴极射线管抽空到相对真空状态下测得射线可以行进90cm左右，在同种实验状态下普通分子也就能行进0.6cm。由此可以证明克鲁克斯的分子流或者电原子流的说法是不正确的，因为这无法解释阴极射线在阴极远端还能留下清晰阴影的现象。哥尔德施泰因还重新做了泰特的光谱实验，他发现光源发出分子的速度远比克鲁克斯假设的小，因此他判断阴极射线不可能是分子流或者电原子流，似乎把阴极射线看成是电磁波更符合实验结果。哥尔德施泰因的实验是具有说服力的，因为现在我们都清楚阴极射线就是电子，而不是分子流或电原子流。克鲁克斯此时只是找到了一个正确的方向、却提出了错误的观点，反而给对手提供了充实的材料。接下来赫兹对粒子说也进行了批评，1892年赫兹公开说阴极射线不可能是粒子，而仅有可能是一种以太波，几乎所有德国物理学家都同意这个观点。但以克鲁克斯为代表的英国物理学家却不认同，坚持认为阴极射线是一种带电的粒子流。1894年赫兹的学生勒纳德，也是德国实验物理学家在放电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗，成功地使阴极射线射出管外，他和赫兹认为阴极射线是一种以太波。这显然对粒子说十分不利，因为电磁波穿过固体是很正常的现象，但把阴极射线看成是粒子，穿过固体物质将是十分困难的。虽然这么多的实验现象似乎可以证明阴极射线是一种电磁波，但是这种以太学说也存在着致命缺陷：如果阴极射线真的是某种波，那么波怎么能在磁场中发生偏转呢？支持以太说的物理学家从认识论的角度进行诡辩，或许是光的性质还没有被完全了解，所以波在磁场中会偏转也不是没有可能。反观粒子学说，由于对原子不可分的传统观点过分保守固执，因此想找到有利于自己观点的证据是很艰难的。由于表面上以太说的实验现象明显易懂且在理论上只要找不到缺陷就无法证明其有错误，而粒子学说由于传统的束缚给自己埋了一个陷阱无法自拔，一时间以太说明显占了上风。但在正式发现电子之前，粒子说物理学家也为自己的观点做了几个经典的实验。

英国物理学家舒斯特坚持粒子说，但不同意克鲁克斯的观点。他认为组成阴极射线的是高速带负电粒子，是放电管内阴极附近的气体分子离解而产生的带负电粒子，它们受阴极的排斥而飞离阴极。到1890年，舒斯特宣称可利用磁场使阴极射线偏转求出阴极射线粒子的荷质比e/m：e/m=v/Hr(H是磁场强度，v是粒子速度，r为粒子的偏转半径)由于当时只能测得磁场强度H和偏转半径r，无法测得粒子速度v，所以无法得到精确的荷质比。为了证明阴极射线是粒子的观点，舒斯特利用平均和极限的方法测得了阴极射线荷质比的范围，又通过实验测出了氢离子的荷质比正好在这个范围内。这样支持粒子说的物理学家完全有理由相信阴极射线是粒子这种观点站得住。由于采用了平均和极限的方法给测量和实验带来了不确定性，舒斯特最终也没有发现电子，但对于阴极射线本质的研究和粒子说的稳定有着极大的意义。

德国科学家认为阴极射线是某种波，是因为大多数德国物理学家确信麦克斯韦理论无误。麦克斯韦曾认为电流是电磁以太的一种特殊振动，这被德国物理学当成内部基本定理传承下来，因此德国物理学家在实验中只读取对自己有意义的证据，粒子说一派的内部传统原子论束缚的缺陷也会给德国物理学家一种似乎掌握了阴极射线本质的感觉。但德国人忘了科学不是依靠权威，科学是要不断超越。

反观英国物理学家，对于本国前辈的理论并没有一味地追捧，似乎也让我们感受到英伦绅士的辩证风采。英国物理学家没有像德国物理学家一样迷信权威，而对符合自己观点的实验结果更重视。英国人觉得克鲁克斯的实验太具有说服了，因此也就不能生搬硬套麦克斯韦的电磁理论来解释阴极射线的本质问题。

欧洲大陆不少的物理学家、化学家、哲学家也参加了19世纪末反对原子理论的活动，其主要代表人物有德国的化学家奥斯特瓦耳德、德国物理学家赫耳姆等，他们的论据主要来自实证主义的哲学，他们认为知识只能来自经验，不能直接经验到的东西都属于形而上学的范畴。在物理学中，他们偏爱热力学这类现象学的理论，反对任何本体论的解释。奥斯特瓦耳德在1895年提出“唯能论”，把能量作为世界最终的实在。他认为唯能论改造后的后的化学理论，可以全部推导出本来只有原子论才能解释的那些定律，因此原子假说成为不必要的了。德国物理学家深信阴极射线以太说与德国传统反对原子论密切相关。从根本上看英德有关阴极射线本质问题的争论是跟传统因素的传承相关的。换个角度说争论的本质从这两个国家来看是唯能论等反对原子存在的理论与原子论之间矛盾。最有趣的是，英国虽然支持原子存在的理论但在实际中仍被原子不可分这种观点束缚。

四、汤姆逊电子的发现

1894年，汤姆逊测得阴极射线的速度v=200km/s，并不等于光速c。汤姆逊特别激动，他认为从根本上否定了阴极射线以太说的观点。但由于自己太过于匆忙，后来他的实验被指出有测定方法上的错误，他也只好放弃这一实验结果。1895年，法国物理学家佩兰利用法拉第笼接收阴极射线，证明了阴极射线确实是带有负电荷的。当时有人对佩兰的实验提出了质疑，因为他没有证明从阴极发出的带负电的微粒同阴极射线路径相同，汤姆逊也认为佩兰的实验给以太说留下了太多话题可做文章。1897年，在佩兰工作的基础上，并且吸收X射线研究的成果，英国物理学家汤姆逊对阴极射线做了定性和定量的分析。汤姆逊认为如果阴极射线是一种带电的微粒，那么它不仅能在磁场中偏转，也应该在电场中偏转，他还认为最重要的是应该测出阴极射线作为微粒的质量。因此汤姆逊做了几个实验：（1）直接测量阴极射线所携带的电荷；（2）使阴极射线受静电偏转；（3）汤姆逊不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转，而且还使它在电场中发生了偏转，又从这两种偏转的量度推算出阴极射线粒子的质量与电荷的比值，其数值大约是氢离子的千分之一。根据上述实验，汤姆逊得出结论阴极射线粒子比原子小，并认为这种粒子一定是建造一切化学元素的最小物质。1897年4月30日，汤姆逊向英国皇家研究所报告了自己的工作后，又以《论阴极射线》为题发表了论文。他指出阴极射线粒子的荷质比比电解的氢离子的荷质比大得多，有可能是阴极射线粒子的质量比氢离子的小得多，还有可能即使阴极射线粒子的电荷比氢离子的电荷大得多，或者两者都有一些成分，结合勒纳德的薄铝窗实验，阴极射线粒子的质量应该很小，比普通分子小得多，才能解释阴极射线能过透过铝窗的现象。1898年，汤姆逊测定阴极射线粒子的电荷和电解中氢离子所带的电荷是同一数量级，这也就证明了阴极射线粒子的质量只有氢离子的千分之一。1899年汤姆逊首次阐述了电子的发现，1900年起电子的存在才基本得到了人们的承认，至此有关阴极射线本质的问题的争论画上了句号。1906年，汤姆逊获得诺贝尔物理学奖。

五、结语

电子的发现终结了有关阴极射线本质的问题的讨论，这是19世纪末物理学上的一项重大成就，也同X射线和放射性的发现并称为物理学三大发现。其实物理学的三大发现都与阴极射线和早期的真空放电研究密不可分，X射线的研究来自对阴极射线的探索，X射线的出现也同时促进了电子的发现。而电子发现的意义远远超出它结束阴极射线本质问题的范围，可以说这是科学史上的革命性发现：（1）标志着人类对物质的认识进入了新的层次，对于原子物理学的发展有极大的促进作用。物质结构的最小单位已不再是原子，同样在今天看来电子也早已不是物质结构的最小单位，是不是没有最小只有更小这种科学态度值得我们学习。（2）电子的发现打开了现代物理学研究领域之门，在电子发现之前牛顿经典力学理论倡导研究物理学中的低速宏观运动，之后的研究领域逐渐转向高速微观。经过几世纪建立起来的经典力学理论认为物体的质量与运动状态没有关系，这种观点受到现代物理的挑战。电子不只具有传统意义的力学质量，还具有自身的电磁质量，也就是说当电子以非常快的速度（接近光速）运动，电子的质量也是会发生变化的。后来提出的电子波粒二象性也在实验中得到证实，传统意义矛盾的两种性质在现代物理学中还是得以共存，这也发展了微观的量子力学理论。无论从哪种角度来说，对于阴极射线本质问题的研究和电子发现的探索意义都是重大的。