更有系统的尝试来描绘原子结构。
汤姆生以为原子含有一个均匀的阳电球，若干阴性电子在这个球体内运
行。他按照迈耶尔（Alfred Mayer）关于浮置磁体平衡的研究证明，如果电
子的数目不超过某一限度，则这些运行的电子所成的一个环必能稳定。如果
电子的数目超过这一限度，则将列成两环，如此类推以至多环。这样，电子
的增多就造成了结构上呈周期的相似性，而门得列耶夫周期表中物理性质和
化学性质的重复再现，或许也可得着解释了。
但是1911 年盖格（Geiger）和马斯登（Marsden）关于α射线撞击物质
时形成散射的实验，使卢瑟福对于原子的性质采取另外一种看法。α质点的
雾迹通常多是直线的，有时也有突然改变其方向的。阴电子加于α质点上的
力势必很小，不能造成这种散射。但如果假定原子为空松结构的复杂体，含
有一个凝聚为小核的阳电荷，而阴电子在原子内的空处围绕着核转动，则上
述的效应便可得着解释。由于正常原子是中性的，所以，核里的阳电荷，必
与所有电子的电荷之和量相等而性相反。而且由于电子的质量远远小于原子
的质量，所以原子的质量几乎全部凝聚于原子核。
这一理论形成时，人们把原子看做是一个太阳系，把质重的核比拟为处
于中心的太阳，而质轻的电子则类似绕核运转的行星。长冈（Nagaoka）于
1904 年研究了类似系统的稳定性，但首先用实验证据去支持这个看法的是卢
瑟福。勒纳德关于阴极射线的吸收的研究与后来其他的实验表明，如果将原
子比拟为以电子为行星的小太阳系，则原子内的空间，照比例说也必定象太
阳系里的空间那么大。在这个行星式的电子理论中，牛顿物理学给予我们的
先人之见，或许引导我们走得太远了，以至超过事实所能保证的境界，但是，
就阴极射线与放射质点的贯穿性而论，原子确是一个很空松的结构。
一个运动的电荷带着一个电磁力场。由于它有能量，因而也必有惯性。
所以一个电荷具有一个类似质量的东西，也许就具有我们所谓物质的基本成
分的本质。如果以电荷为中心，画一小球以代表电子，则与这球外的力场相
联系的有电磁质量。J.J.汤姆生据数学分析表明，除非电荷以极大速度运行，
其电性质量为2e2/3r，式内e 为电荷，r 为其半径。因此，如果假定所有的
电磁能量都在电子之外，则根据已知的质量与电荷值，便可计算出其半径。
这样算得电子的半径为10-13厘米。如果假定半径r 很小，换言之，如果将电
荷浓聚，则其有效质量也增大（参看下面所说的新的研究）。与电子相当的
阳性单元，即氢的原子核，叫做“质子”。它的质量，基本上等于原子的质
量，即阴电子的质量的1800 倍。因此，如果假定所有质量都是有电性的，而
原子核是围绕着一个点状阳电荷的球，则原子核的半径就仅是电子半径的
1/1800，或约为5×10-17厘米。但须在此申明，这些估计是根据一项关于电
荷分布的武断假定。现在，这些估计的价值已经很可疑了。
这些概念在当时虽有帮助，而现在已经经过修改。但是我们仍须假定氢
原子是由一个单位的阳电核和其外围的一个阴电子所组成的。氦的原子核为
四个质子及两个与之紧联的电子所组成。因为氢的原子量为1.008，而氦的
原子量，如阿斯顿所测量的，为4.002，所以这个复核的形成，意味着一份
质量的消失：4×1.008-4.002＝0.03 及与之相当的能量的发射。重原子的放
射性分裂，放出能量。因此我们认为一切原子都储有能量，当其分裂之时，
例如铀的原子分裂时，都能释放能量。但是这里的推论又表明，氦还原为氢
要吸收能量——要使氦核分裂就必须做功。看来，轻的原子核形成时放出能
量，而重的原子核分裂时也放出能量。这就可以392 解释：为什么重的原子
核有放射性，为什么自然界没有比铀更重的原子存在：它太不稳固了①。由于
α射线是飞行的氦原子群，所以，氦原子大概是组成其他较重原子的一部分
材料。氦原子本身虽是四个质子或氢核所组成，但其结合很牢固，即使在α
质点的冒险生涯中，也不能使它分离。所以其他原子大概是若干阳电单位（大
概是氦核，有时还带有氢质子）与若干数目较少的阴电子结成的复核所组成
的。因为核内的电子的数目较少，核上呈现纯净阳电荷的数目n，即等于莫
斯利的原子序数。其余的电子存在于核心的外围。因为在中性原子内，这些
外围电子所荷的阴电的总和必须与核内的纯净的阳电中和，所以，n 也代表
原子外围电子的总数。
因为原子可被电离，而且依其化学阶，可获得一、二、三甚至四个单位
的电荷，所以可以在一个原子中加入或减去少数电子，而使其性质无根本的
改变。我们可以假设这些电子位于原子的外围，别的电子在其内圈，更有些
电子则成为原子核的必要的部分，而且一般是其稳固的部分。
以上说过，多数放射变化发射α质点。而α质点又是质量为4 的氦原子，
带有两单位的阳电荷。所以这种变化是原子核的崩溃变化。变化后的剩余物
质量较原有的少四单位，而且变化时放出两个阴性电子，以恢复其中性状态：
结果便成为一个新原子与新元素了。
玻尔学说
哥本哈根的玻尔（N.Bohr）于1913 年在曼彻斯特的卢瑟福实验室工作
时，首先将普兰克的量子论应用于原子结构的问题。他的工作是以当时物理
学家所公认的行星式电子论为根据的。
当时已经知道:如果我们所考虑的不是光谱中通常的谱线波长，而是其在
一厘米中的波数，则氢的复杂光谱呈现若干规律。当时发现，所谓“振荡数”
可以用两个项的差数表示。第一项以发现393 者得名，叫做里德堡常数，即
每厘米109，678 个波①。
这些关系完全是从经验得来的，最初是靠揣测，最后才求得一项符合于
实验结果的算术规则。但是玻尔却根据量子论提出了解释。他指出：如果“作
用量”只能以单位的整倍数被吸收，则在电子可以运行的全部轨道中，只有
某些个是可能的。在最小的轨道上，作用量为一个单位或hk，在第二轨道上，
①
E.Rutherford, Proc, Roy. Soc. A,CXXⅢ，1929,p.373.
①
其他的项可以（2x2），（3x3）（4x4）即4，9，16 等数除里德堡常数R 求得。如果从R 减去这些项数，
则所得的振荡数为：等。而这些数字与氢的紫外谱线的振荡数相等。如果再开始从109，678 的1/4 或27，
420 减去其他更高的项，我们就求得另一系数目。如等。这些数已经证明与氢的可见光的谱线（即所谓巴
尔默系）相符。此外还有一系是从导出的，为帕申（Paschen）在红外光谱里发现。
作用量为2k，如此类推。
玻尔假设氢原子的一个电子有四个可能的稳定轨道，相当于以单位数递
增的作用量，如图13 所表示的那样。图中的圆圈表示这四个稳定轨道，而其
半径表示电子从一个轨道跳至另一个轨道可能的六种跃迁。这里，玻尔抛弃
了牛顿的动力学，而值得注意的是平方反比律仍可应用于假设围绕原子核运
行的电子，但是这些轨道本身又表现十分新奇的关系。一个行星可以在无穷
多个轨道当中的任何一个轨道上围绕太阳运动，其实际的轨道为其速度所决
定。可是，玻尔假定一个电子只能在几个轨道当中的一个轨道上运动。它如
果离开一个轨道必须立刻、好象不经过二轨道间的空间那样，跳到另一轨道
上去。由这个假设得出的理论上的结果，与通过实验所确立的关于振荡数的
经验规则相当符合。还可从这里计算出常数R 的绝对值为每厘米109，800 394
波，与上面所说的最近测定的里德堡常数之值异常符合。在这一阶段，坡尔
学说表现有其长远而成功的前途。
辐射的各种不同的类型可以归因于原子结构的各不同部分。X 射线的光
谱大都不受温度或原子的化合状态的影响。而可见光与红外及紫外光的光谱
则与这两者有关。放射现象，上面说过，是原子核的爆裂造成的。现今所得
的数据表明X 射线起源于原子核外的内层电子，而可见光与红外及紫外线则
来自最外层的电子；这些外层电子比较容易脱离，因而是和凝聚力与化学作
用有关系的。
假设一个或多个电子同时存在于互相化合的二原子内，则可给化合作用
以很好的解释。但如果围绕原子核而转动的电子理论来表示这种结合，则未
免困难，因此在1916 至1921 年间，有人，特别是科塞尔（Kossel）、刘易
斯（Lewis）与兰格缪尔试图创造静止的原子模型。这种模型对于原子价与化
学性质的解释是成功的，但要想阐明光谱则不得不创设牵强附会的假设了。
无论如何，当时的物理学家总是偏向于玻尔的动力的原子模型的。
无论采取哪一种原子模型，电离电位的事实，确是能级的基本观念的有
力的证据。1902 年勒纳德首先证明，电子经过气体时，必具有一定最低限度
的能量，才足以产生电离。这最低的能量可以用电子为了获得其速度所必须
降落的电位的伏特数来量度。最近实验的结果，如弗兰克（Franck）与赫兹
关于汞蒸气的实验（1916—1925），证明当电位达到某一定伏特的倍数时，
电离便达到某些明确的极大值。同时气体的光谱也发生了变化。例如弗兰克
与赫兹证明，具有4.9 伏特所产生的速度的电子使低压的汞蒸气发出具有一
条明线的光谱。可以设想，这条谱线相当于玻尔原子内电子从第一外层回到
其正常状态的跃迁。自那时以后，正象玻尔学说所预期的，已经发现许多“临
界电位”，同突然出现的若干条或若干群谱线相当。萨哈（Saha）、罗素
（Russell）、福勒（Fowler）、米尔恩（Milne）等研究了温度与压力对于
光谱的影响。他们用热力学的方法应用了这些新概念。所得结果在天体物理
学上有很大重要性，而且在恒星温度的测量方面揭开了新的一页。
图13 所表示的圆形轨道，仅是氢原子的一个初浅的模型。玻尔与索末菲
（Sommerfeld）都证明椭圆轨道也可产生同样的系线光谱。他们也研究了其
他更为复杂的原子系统，但数学上的困难很大，因为互相吸引的三体的运动
不能以有限的项数来表达。
关于玻尔原子的文献很多，进展也很不少。其结果与光谱的粗略结构大
体相合，很足以使人相信这个学说在正确的途径上前进。但是这个学说虽然
能说明氢和电离氦的线状光谱，却不能解释中性氦的原子光谱的精细结构，
以及其他重原子的复杂结构。谱线的数目与电子从一能级到另一能级的可能
跃迁数，不再相符。于是一时极为成功的玻尔原子学说渐露破绽，到1925
年就显然逐渐破产了。
量子力学
玻尔的原子模型，把电子比拟为运转的行星。这个模型远离观察到的事
实，超出万无一失的范围。对于原子，我们只能从外面进行考察，观察进去
的与出来的东西，如辐射或放射质点等。玻尔所描绘的是至少可以产生原子
的某些性质的一种机制。但是别的机制或许也可以产生同样的作用。如果我
们只见时钟的外面，我们可以想象有一套推动时钟指针的齿轮，使指针的转
动与我们所看见的相同。但是别人也可想象有另一套齿轮，与我们所想象的
一样有效。二者孰是孰非，无人可以断言。此外，仅仅研究一个体系中热量
与能量的变化的热力学，也并不能利用原子观念所描绘的内部机制的图象。
1925 年，海森堡只根据可以观察到的事实，即原子所吸收或发射的辐
射，创立了量子力学的新理论①，我们不能指定一个电子某一时刻在空间中所
占的位置，或追寻它在轨道上的行踪，因而我们无权假设波尔的行星式轨道
的确是存在的。可以观察到的基本数量是所发出的辐射的频率与振幅以及原
子系统的能级。这些数量正是这个新理论的数学公式的依据。这一理论已经
由海森堡、玻恩（Born）和约尔丹（Jordan）迅速加以推进，并从另一观点
由狄拉克（Dirac）迅速加以推进，而且证明，从这一理论可以推出巴尔默关
于氢光谱的公式，以及观察所得的电场与磁场对这一光谱的效应。
1926 年，薛定谔从另一个角度来解决这个问题②。他发挥了德布罗意关
于相波与光量子的研究成果，根据“质点由波动体系组成，或者说只不过是
波动体系而已”的观点，导出另外一个理论。
这个理论，在数学上实与海森堡的理论等价③。他以为，运载这种波的介
质具有散射性，如透明物质之于光，或高空电离层之于无线电波（413 页）
一样。所以周期愈短，速度愈大，而两种频率不同的波有同时共存的可能。
正如在水中一样，一个单独的波的速度与波群或浪的速变并不相同。薛
定谔发现：计算两个频率组成的波群的运动的数学方程式，与具有相当动能
与位能的质点的通常的运动方程式相同。由此可知，波群或浪在我们面前表
现为质点，而频率则表现为能量。这就立刻导致最初出现在普兰克常数h 中
①
Zeitschrift furPhysik, 33，12，1925,p.879and35.8-9，1926，p，557.概要见：H.S.Allen, TheQuantum，London，
1928；A.S. Eddington,TheNature of the Physical World, Cambridge, 1928，p.206。
②
AnnalenderPhysik，vol. LXXⅨ，1926，pp.361，734。
③ 海森堡与薛定谔的数学，导致相似的方程式。根据哈密顿的原理、他们得到一个公式：式内h 为作用量
子，i 为-1 的平方根。q 和p 叫做坐标与动量，这两个名词在这里应用的意义不同寻常。玻恩与约尔丹以为
p 是一矩阵，即无限个量排列为对称的阵列。狄拉克认为p 没有数的意义，虽然在最后，数字从方程式中
出现。薛定谔以为动量p 是一算子，即用以对它后面的量施行数学运算的符号。不管给与它们的物理意义
为何，上述的方程式，如爱丁顿所说的，似乎就是或几近于物理世界中每个事件的根本（参阅上引书第207
页）。
的能量与频率的不变关系。
两个振荡很快、以至不能看见的波，可以因为相互干涉，而产生表现为
光的一些“拍”，正如两个音调相差不远的声音，可以产生音调比任何一个
都低的拍一样。在含有一质子与一电子的氢原子里，波一定依照方程式的规
定而存在。而薛定谔发现，只有在确定的频率，即与观察到的谱线相同的频
率的情况下，这些方程式才有解。遇到较复杂的原子，玻尔学说本来已经失
去效用，薛定谔却还能求得频率的正确数目，以解释光谱的现象。
如果薛定谔的波群中的一个很小，则无疑地可以指出表现这个波群的电
子的地位。但随着群的扩大，电子可在波群之内任何地方，因此位置便有某
些不确定。这些原理在1927 年由海森堡加以推广，后来又由坡尔加以推广。
他们发现：愈是想把质点的位置测定得精密些，则其速度或动量的测定将愈
不精密；反之，愈是想把质点的速度或动量测定得精密些，则其位置的测定
将愈不精密。总之，我们对于位置的必然不确定度与对于动量的不确定度相
乘，无论如何近似地等于量子常数h。要同时确定两者的想法，似乎在自然
界中找不到对应的东西。爱丁顿将这一结果叫做测不准原理，并且认为这一
原理与相对论有同等的重要性①。
新量子力学在习惯于革命的物理科学中又掀起了革命。海森堡、薛定谔
和其他学者的数学公式是等价的。我们如果满足于这些数学方程式，对于这
个理论便会有相当的信心。但是这些方程式所根据的观念，以及某些人给与
它们的解释，却根本互不相同。我们很难说这些观念与解释可以维持很久，
不过表现这些观念和解释的数学却是一个永久的收获。
古典力学已经成为量子力学的极限情况，古典力学之所以不能解释原子
结构，是由于波长与原子的大小相近，正象当光束的宽度，或其行程中所遇
的障碍物的大小与波长相近时，几何光学中所说的直线光束，也就失却其意
义一样。即使在这时，要把量子力学与古典动力学与麦克斯韦的电磁方程式
以及与万有引力的相对论联合起来，似乎也有可能。如果能够把知识作这样
广泛的综合，这种理论将成为自然科学中有历史意义的伟大综合之一。
薛定谔的理论必须联系电子的实验来考虑。这些实验，如德布罗意的理
论所表示的，证明一个运动的电子伴随有一系列的波。汤姆生的微粒，起初
被看做是漫无结构的质点，继后被认为是电子，一个阴电的简单单位，不管
这具有什么意义。但到了1923 年和1927 年，戴维森（DaviSSon）与耿斯曼
（Kunsman）以及戴维森与革末（Germer，当时在美国工作）先后使运动缓慢
的电子自晶体的表面反射，而发现它们具有波动系统的衍射性质①。同年稍
后，J.J.汤姆生爵士的儿子乔治?汤姆生以一电子束通过一个异常之薄的，
比最薄的金箔还薄的金属片。我们知道，质点流会在薄片后面的底片上产生
一块模糊的影象，但波长与薄片厚度相近的波，会产生明暗相间的圆环，与
光线通过薄玻璃或肥皂膜所产生的衍射花样相似。事实上，乔治?汤姆生所
得到的确是这种圆环。这说明，运动的电子伴有一列的波，这些波的波长仅
是可见光的波长的百万分之一，而与有相当贯穿力的X 射线的波长相近①。
①
A.S.Eddington,上引书220 页。
①
FhysicalReview, XXⅠ，1923，p.243;and Nature, CXIX,1927,P,558.
G.P.Thomson, Proc, Roy, Soc, A CXVI,1928，P.600.并看J.J.Thom-son,Beyond the Electron, Cambridge,
①
1928。
根据理论，如果电子伴有一列的波，则电子必须和这些波作协调的振动。
因此，电子也必有它的结构，它也绝不再是物质的或电的最小单位了，即令
在实验中也应该是这样。于是人们开始想象还有更小的部分。数学的研究表
明，电子的能量与波的频率成正比，而电子的动量与波长的乘积为一常数。
由于原子中仅有某些波长与频率，所以，电子的动量也只能有某些数值，并
且不是连续地增加，而只能突跃地增加。这个非连续性的表现使我们又回复
到量子论。
要解释乔治?汤姆生的实验，就需要假定电子具有双重性质：既是质点
（或电荷），又是波列。上面说过，薛定谔走得更远，而认为电子是一种波
的系统。波的性质是不确定的。波必须符合某些方程式，但可能不具有机械
式的运动。而这些方程式可能只符合概率的交替，这一项在正常波里，度量
位移量，可以给出电子出现在某一给定点的概率（机遇）。
于是在原子被分为电子之后三分之一个世纪，电子又被分为一未知的辐
射源或一无形体的波动系统了。昔日的坚硬而有质量的质点的最后一点痕迹
已经消失，物理学的基本概念似乎已经归结为数学方程式了。实验物理学家，
特别是英国人，对于这种抽象概念很是感觉不安，企图设计一种原子模型，
而从机械或电的角度去表达这些方程式的意义。但牛顿早已见到，力学的最
后基础绝不是机械的。
化学
光线传播需要时间，是丹麦天文学家勒麦（OlausRomer）在1676 年发现
的。勒麦发现木星的一个卫星两次被食之间所经历的时间，在地球背木星而
行时较长，在地球向木星而行时较短。他由此估计光速为每秒192，000 英里。
五十年后，英国皇室天文学家布莱德雷从恒星的光行差求得与此一致的
结果。从地球轨道面上的远星看地球，好象每年左右摆动一次，在相继的两
个半年中，它的摆动方向是相反的。如果这颗星射出的光线击中地球，那么
这条光线的瞄准方向必须在地球的前面少许，正如射击飞鸟必须瞄准飞鸟的
前面一样。所以，如果星光现在射到地球真正位置的右边，则六个月以后便
会射到它的左边。这意味着：我们在不同的时季所看见的远星射来的光线，
不是互相平行的，在一年内看见星好象在空间往返运动。从这个表面的运动，
可以计算光速与地球在其轨道运行的速度之比。
斐索（Fizeau）在1849 年首先对光经过地球上的短距离的速度作了测
量。他将一束光通过齿轮上两齿间的凹处，再于三、四英里之外，用反光镜
将光反射回来。如果齿轮不移动，则反射回来的光束通过轮上的同一凹处，
可在对面看到。但如果将齿轮急速转动并调节其速度，则最后可找到一个速
度，使射回的光束恰被下一个齿轮所遮住。齿轮旋转这个小角度所需的时间，
显然即是光束往返于齿轮与反光镜之间所经历的时间。
弗科设计了一个更好的方法。使从S 缝（图14）射出的光束略成会聚的
形式，然后在平面镜R 上反射，而聚焦于凹面镜M 上。
这束光由M 循原点射回。如果R 是静止的，则S 缝的影象将形成于S 缝
的本身上。
①
A.Einstein,Vier Vorlesungen uber Relativitatsthearie, Braunschweig，1922；The Meaning of Relativity, London，
1922.A.S.Eddington， The MathemalicalTheory of Relativity, Cambridge，1923and1924.
然后以已知的速度使R 急速转动，当光线住返于RM 的距离时，R 镜已经
转过了一个小的角度，因此光的回程RS’与RS 不复叠合，而转动了二倍于R
镜所转的角度。于是测量SS'间的距离，便可计算光往返于RM 间所需的时间。
光速最新的测量结果，比从前测量的稍小，即在真空内，为每秒186，300 英里或2.998x l0 厘米，或在1/1000 的误差内取为3x10 厘米①。
如果的确有光以太那样性质的东西，那么由于它对于通过它的光要产生
影响，显然应该可以测定其运动。如果地球在以太中运动，而不扰动它，则
地球与以太之间必有相对运动。那么光随以太顺行时，其速度必较其反以太
逆行时为大；而总计起来，它往返401 横过以太流时，也当较其一次顺流、
一次逆流时为大。好象游泳一样，往返对岸一次，必较顺流、逆流同游相等
距离的情形为速。
这就是迈克尔逊（Michelson）和莫利（Morley）在1887 年所作的有名
实验的要点。他们将一块石头浮于水银之内，然后将仪器装置在石头上面，
以防振动。光束SA（图15）行至玻璃片A 时，一部分为其所反射，一部分透
射过去。这两部分光在B 和D 处又为B 与D 两镜所反射。如果AB＝AD，则两
道光的行程也相等，而在E 处的望远镜内必可察见有干涉效应。今若设想地
球朝SAD 方向运动，而不拖曳以太同行，那么以太将流过实验室，也如风之
流过树林，于是将使光经过ABA 与ADA 两行程的时间发生差异，而所得的干
涉条纹，将和以太相对静止时不在同一位置。今若将这仪器转过一个直角，
则AB 成为运动的方向，而AD 和它垂直，这时，干涉条纹应向相反方向移动。
移动的总量为以上所说的两倍。
但是迈克尔逊和莫利并没有观察到干涉条纹有可以度量的移动，于是断
定地球与以太之间并无可以察觉的相对运动。重复做402 这个实验的结果表
明，在他们的假设下，这种相对运动，必然小于地球在其轨道上的速度的十
分之一。地球好象拖曳着以太同行。
可是在以光行差计算光这时，我们假设以太不被地球在以太中的运动
所扰动。而且洛治1893 年在两个以（或超过）最大安全速度转动的重钢版之
间，测量光的速度，也未发现光这有任何改变。由此可见，质量这样大的东
西并不拖着其附近的以太同行。那末光行差的理论和从洛治实验中得出的推
断，似乎又和迈克尔逊及莫利的实验结果完全不一致了。
当我们得到这样相反的结果时，如果我们还相信自然的统一性，使我们
就可以断定：我们的实验和我们对于起作用的原因的看法，总有一个发生了
错谬；一个富有兴趣而且必需的观念上的革命就在我们的眼前，只看我们能
否领悟。
解决这个矛盾的第一个有用的看法是菲茨杰拉德（G.F.Fitz-Gerald）提
出来的，又经过拉摩与洛仑兹加以发展。如果物质在根本上是带电的，或者
物质的确是靠电力结合在一起的，那么，物质在带有电磁性的以太中运动时，
在其运动的方向上或有收缩的可能。这种收缩除上述的现象之外，别无他法
观察；一则因为效应太小，再则因为我们用以测量的尺度本身也受同样的收
缩，因而在其运动的方向上，长度的单位也变短了。所以迈克尔逊与莫利的
仪器，于转变方向后，也变更其大小，以至与地球经过以太时所产生的干涉
①
M.E.J.G.de Bray，“TheVelocityofLight”Isis，No. 70, 1936.p.437。
条纹的移动相抵消了。
这种必需的收缩是容易计算的。物体在以太流的运动方向上将按
1
(1 -v2 /c2)2 的比例收缩，式中V 为物体和以太的相对速度，c 为不变的光速。
地球在其轨道上的速度为光速的万分之一。如果在一年的某时这是它经
过以太的速度，则迈克尔逊与莫利的仪器于转动一直角时将收缩二万万分之
一，这种微量的改变足以解释他们的结果。
这个问题停顿在这里若干年。无论其原因何在，所有测量光速的企图，
不管是以太流顺行或逆行，都得到相同的结果，即测得的速度没有可以觉察
的改变。
1905 年，爱因斯坦教授对于这问题，从另外一个完全新颖的方向加以考
虑。他指出：绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，一种形而上学的
概念，而不是直接由物理学的观察和实验得来的。我们经验所能及的唯一空
间，是用尺度上二刻度间的距离所规定的长度标准来测量的，唯一时间是用
天文现象所规定的时钟来测量的。如果我们的标准也发生了菲茨杰拉德收缩
这样的变化，这种变化是我们觉察不到的，因为我们和这些标准一道前进，
也发生相同变化，但是，以不同方式运动的观察者却是可以觉察到这种变化
的。所以时间与空间，不是绝对的，而只是与观察者相对的。
这样看来，用任何仪器、在任何情况下测量，所得的光速总是一样的事
实，便不须解释了。必须承认，这个结果是新物理学第一次发现的定律。这
样，可知由于时间与空间的性质，相对于任何观察者，光总是以所测得的相
同的速度进行。
这个测定的速度总是一样的，但是我们对空间、时间与质量作个别测量
时，不论是时间、空间或质量都没有表现出我们习惯干预期的那种恒常不变
性。迈克尔逊与莫利的仪器，用我们不变的标准（光速）对它加以检验，在
转动时并不表现长度上有变化。这是由于我们跟随着它运动。但是，如果在
枪弹飞过时，我们能足够准确地测量其长度，我们应发现它较静止时为短，
而且它的速度愈近光速，它的长度也就愈短。
这个实验很难实行，但用相对性原理很容易证明：射弹的质量对于静止
的观测者表现增大，而且依照长度缩短的比例而增大。设m0 为低速时的质
量，则高速V 时的质量为，式内c 为光速。因此速度达到光速时，质量为无
穷大。质量的改变可以用实验证明。测定以近于光速的速度经过我们身边的
射弹的质量，是现代科学的奇迹之一。爆裂的放射原子所射出的β质点，可
以使其经过电场与磁场，而测量其速度与质量，象测量阴极射线质点的速度
和质量时一样。假设以速度不大的β质点的质量为1，则下表第二行为
m0/ 1-v2 /c2 ：根据相对论计算的、速度近于光速的β质点的质量，第三
行为考夫曼根据实验测量所得的β质点的质量：
质点的速度每秒厘米数质量与缓行质点质量之比
计算值实验值
2.36 × 1010
2.48 × 1010
2.59 × 1010
2.72 × 1010
2.85 × 1010
1.65
1.83
2.04
2.43
3.09
1.5
1.66
2.0
2.42
3.1
β质点为阴性的电子，运动时等于电流。所以它们能产生具有能量与惯
性的电磁力场。J.J.汤姆生与西尔（G. F.C. Searle）按照这个推理的路线，
计算过质量随速度增加的数值，得到了相同的结果。所以质量的增加，象菲
茨杰拉德的收缩一样，是与电磁理论相符合的。
而且根据相对性原理，质量与能量是等价的。一份质量m，若以能量表
之，则为mc2，这里C 是光速。这也是与麦克斯韦的电磁波理论相符合的。
按照这个理论，电磁波具有的动量等于E/c 这里E 表示它们的能量。而动量
为mc，于是我们便又得出E=mc2了。
由此可见，这些原理引出了新奇意外的结果。如果我们在飞机（或以太
机）内，能以近于光速的速度飞行，则我们在运动方向上的长度，据地上观
测者的测量，似已缩短，我们的质量似已增大，而我们的时计也较一般的变
慢，但是我们自己并不觉察有这些变化。我们的尺子或已收缩，但是我们和
我们四周的一切均已收缩，所以我们不觉其变化。我们的砝码或已增加质量，
但我们也是一样地增加了。我们的时钟或许走得较慢，可是我们脑里的原子
也运动得慢了，所以并不知时钟走慢了。
但是，因为运动是相对的，地上的观测者也正以我们对他运动的相等速
度，对我们运动。所以我们对他加以测量时，便会发现他的尺度、质量与时
间，也对我们表现变化，正如我们的这些量对他表现变化一样。自我们看来
他好象在运动的方向上，产生了畸形的收缩，具有与其身体不相称的质量，
而在身心方面迟钝得可笑；405 同时他对我们也有同样的观感。双方都不觉
得自己的缺陷，而对于对方的悲惨变化却看得很清楚。
我们不能说两方的观测者哪一个是错误的。的确，双方都是对的。长度、
质量与时间并非绝对的量。它们真正的物理数值，就是由测量所表示的。它
们对双方不一样这一事实说明，它们的意义只能相对于某一观测者而规定。
绝对长度、绝对空间、绝对时间或甚至时间流动的观念都是形而上学的概念，
远远超过观测或实验所表示或证明的。
虽然如此，如柏格森（Bergson）所指出，在哲学的意义上，对于一个随
着某系统运动或在某系统内运动的人来说，所度过的那段时间，即用以测量
这个系统中的事件的时间，具有其特殊的、独一无二的重要性。但是在物理
的意义上，时间与空间，单个来考虑，则是随观测者的位置而定的相对的量。
不过，明可夫斯基（Minkow－ski）于1908 年指出，时间与空间的变化互相
补偿，因此，这两者的结合，就是在这新世界里对于所有的观测者也都是一
样的。我们惯于想象的空间，有长、宽、高三维，而明可夫斯基指示，我们
必须把时间看做是“时空结合体”里的第四维，一秒钟相当于186，000 英里，
即光在这时间内所行的距离。正如欧几里得几何的连续空间中，两点的距离，
无论如何测量都不变更一样，在这新的时一空连续区里，两个“事件”之间
可以说有一个包括时间与空间的“间隔”，这间隔无论何人测量，都有它真
正绝对的数值。我们觉得在这个变化不定的世界中，在这里找到了一种稳固
的东西，因而想在这个相对性的王国内去寻求其他能保持其绝对性的量。在
我们已知的量里，我们认为下面几个仍属绝对的量：数，热力学的熵，以及
作用（作为量子的能量与时间的乘积）。
在空间与时间互不相干的旧世界里，人们习惯于把三度空间的整体看做
是同时随着时间过去的。世界的过去和将来之间，好象隔着一个“现在的平
面”，这个平面在同一刹那间伸展至空间的全部。但自1676 年勒麦发现光以
有限的速度进行以后，人们必定认识到，同时出现的星星实际上存在于不同
的过去时间（视其不同的距离而定〕，至今才同时为人所看见；这样“同时”
的意义便消失了。昔人信念中的绝对的“此时”变成仅仅是相对的“所见的
此时”了。
科学中最近的发展已增强了相对性的观念。假设一位以光速旅行的人，
游历星球，而在一年以后重返地球。在我们看来，在他飞行时，其质量好象
大至无穷，而其脑筋的反应慢至无穷。我们觉得长了一岁，而他则以为时间
毫未过去，他还停留在我们去年的“此时”。由此可知，认为过去与未来为
一平面所划分，这个平面对于所有地区和所有人类都一样，这一类概念必须
摈弃。必须从爱丁顿所谓的“此地-此时”（here－now）的一点，在空间绘
出几条“所见的此时”（seen－now）线，与时轴（time－axis）成一角度，
