物理学的进化
(2)
在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辩论是无益的，因为这件事只能通过实验来解决。我们设想有两块各方面完全相同的木头，并且设想用不同的方法使这两块木头发生同样的温度改变，例如，一种是用摩擦的方法，而另一种是让它与放热器接触。如果两块木头在新的温度下有相同的比热，那么整个物质论就被推翻了。我们有好多测定比热的简单方法，而这个理论的命运正取决于这些测量的结果。在物理学史上通常有一些试验能宣判一个理论的生死，这种试验称为判决试验。评价一个实验所具有的判决意义只能从提出问题的方式上得到启示，而且只是讨论现象的一种理论才可以用这种实验来判断。同一种类的两个物体，一个用摩擦的方法，另一个用传热的方法使它们都达到相同的温度，然后测定它们在这个温度下的比热，这就是判决试验的一个典型例子。这个实验是大约在150年前由伦福德（Count Rumford）所完成的，它给予热的物质论一个致命的打击。
现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下：
在人们的日常事务和工作中往往会提供他们思索自然界的一些最奇妙的作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，只要利用工业生产上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科学实验。
我常常有机会进行这一类的观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有益的怀疑和研究与改进方面的意义深远的打算。这些情况有的是突然发生的，有的是在思索极普通的现象时所进行的遥想中发生的。这样所引起的怀疑和研究改进的机会，比那些整天坐在书室里专门从事科学研究的哲学家作全神苦思时所能引起的还会多些。
最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间以后，就会发生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的铜屑更热（像我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。
在上述的机械动作中真实地产生出来的热是从哪里来的呢？
它是由钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑所供给的吗？
如果真是这样，那么根据潜热和热物质的现代学说，它们的热容量不仅要变而且要变得足够的大才能解释所产生的全部的“热”。
但是这样的变化不会发生。因为我发现：把这种金属屑和用细齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片的重力取成相同，并把它们在相同的温度（沸水的温度）下各自放进盛有冷水的容器里去，冷水的量和温度也取得相同，例如在15．3摄氏度（约华氏59．5度）。放金属屑的水看起来并不比放金属片的水热些或冷些。
最后，我们来读伦福德的结论：
在推敲这个问题的时候，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情况，就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。
不待说，任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体所能无限地连续供给的任何东西决不能是具体的物质，并且，如果不是十分不可能的话，凡是能够和这些实验中的热一样地激发和传播的东西，除了只能把它认为是“运动”以外，我似乎很难构成把它看作为其他东西的任何明确的观念。
这样一来，我们看到旧的理论是崩溃了，或者说得更严格些，我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此像伦福德所指出的那样，我们得重新寻找新的线索。要做到这点，我们暂且丢开热的问题，再回到力学上来。
升降滑道
我们来研究一下游乐场中升降滑道上的运动。把一辆小车吊上或开到轨道的最高点，然后自由释放，它就开始在重力的作用下朝下滚去，随后它沿着一条形状古怪的曲线上升下降，因为速度的突然改变，使乘客有惊心动魄的快感。轨道有一个最高点作为出发点，在小车运动的整个过程里，它决不能再达到出发点的高度。把运动作一番全面的描述是非常复杂的。从一方面来说，这是一个力学的问题，因为这里存在着速度和位置对时间的变化。另一方面有摩擦，因而在轨道和车轮上要产生热。把这个物理过程分成这两个方面的主要理由是使得有可能应用以前所讨论过的概念。这样一分，便得到一个理想实验，因为一个只表现力学方面的物理过程是只能想象而不能实现的。
对于这个理想实验，我们可以想象有人能将始终与运动一起出现的摩擦全部加以消除。他决定用这一新发明来建造一个升降滑道，并且探究建造这个滑道的方法。小车从起点开始一上一下地运动，假定起点离地面30米。通过多次试验和改正错误，不久他知道他必须遵从一个简单的规则：他可以按照自己的意愿把轨道建成任何形式的线路，但是有一个条件，不能有一点比起始点高。如果小车能够自始至终没有摩擦地运动，那么在整个行程中，他想要把轨道达到30米的高度无论多少次都可以，但决不能超过这个高度（图18）。在实际的轨道上，由于摩擦的关系，小车永远不能到达起始点的高度，但是这里工程师的假想并不需要考虑这一点。
我们来研究理想小车从理想滑道的出发点开始向下滚的运动。当它运动的时候，它离开地面的高度减小了，但它的速率却增加了。乍一看来，这句话使我们想起小学语文课中的句子：“我没有一支铅笔，但你有6个橘子。”可是这句话并不那么笨拙可笑。我没有一支铅笔跟你有6个橘子之间并没有任何联系，但是小车离地面的高度跟它的速度之间却存在着很真实的关系。如果我们知道它当时离地面多高，我们就可以在任何时刻准确地计算它的速率。不过这个说法具有定量的性质，最好用数学公式来表示，因此我们在这里只好把它撇开不谈。
小车在滑道的最高点上的速度为零而其离地面的高度为30米，在最低点则离地面的高度可能是零而速度最大。这些论据可以用另一些术语来表达：在最高点小车具有势能而没有动能，在最低点小车具有最大的动能而没有任何势能。在所有的中间位置上，既有速度又有高度，所以小车既有动能又有势能。势能随着高度的增大而增加，而动能则随着速度的增大而增加。力学的原理足以解释这种运动。在数学上有两种描述能量的表达式，其中每一种能量都可以改变，而它们的和保持不变。这样我们就可能用数学方法严格地介绍与位置有关的势能的概念和与速度有关的动能的概念。自然这两个名称的引用是随意的，并且只是为了方便而已。这两个量的和保持不变，称为运动恒量。动能和势能加起来的全部能量，举例来说，可以跟总数不变的钱相比，它们不断地按照固定的兑换率由一种货币兑换成另一种，例如由英镑兑换成美元，再由美元兑换成英镑。
在实际的升降滑道（图19）中，虽然摩擦力使小车不能重新达到像出发点那样的高度，但是仍发生动能和势能之间的不断转换。这里它们的总和却不是不变，而是逐渐地减小了。现在必须再作出一个重要且大胆的步骤才能把运动的力和热的两个方面联系在一起。这一步骤所得出的结果和推广的意义在后面将会看到。
现在，除了动能和势能以外，又牵连进另外一种东西来了，这就是摩擦所产生的热。这种热是否相当于机械能的减小，即动能和势能的减少呢？一个新的猜测已经摆在我们的眼前了。如果热可以被看作是能的一种形式，那么也许这三种能即热能、动能和势能的总和是保持不变的。不是单独的热而是热和其他形式的能合起来才像物质一样是不可消灭的。这正像有一个人自己把美元兑换成英镑时，他本来要付出一笔法郎作为手续费，而这笔手续费省下来了，因此，根据固定的兑换率，美元、英镑和法郎的总数是一个不变的数值。
科学的发展推翻了把热看作是一种物质的旧概念。我们要创造一种新的物质，就是能，而把热看成为能的形式之一。
转换率
不到100年以前，迈耶（Mayer）猜测了一个新的线索，这个线索引出了把热看作是能的一种形式的概念。焦耳（Joule）后来用实验方法确认了这个概念。使人惊奇的是：几乎所有关于热的本性的基本工作都是非专业的物理学家做出来的，他们只不过把物理学看作是自己的最大嗜好而已。这里有多才多艺的苏格兰人布勒克、德国的医生迈耶、美国的冒险家伦福德。还有一个英国的啤酒酿造师焦耳，他在工作之暇作出了有关能量守恒的几个最重要的实验。
焦耳用实验证实了热是能的一种形式的猜测，并且确定了转换率。对于他的成果，我们现在花一些时间来熟悉一下是很值得的。
一个系统的动能和势能合起来构成它的机械能。在升降滑道的例子中，我们猜测过有一部分机械能转变成热。如果这是猜对了，那么在这里，并且在所有其他类似的物理过程中应该存在着两者之间的固定转换率。严格地说，这是一个定量的问题，但是一定数量的机械能可以转变成一定数量的热这一点是很重要的。我们很想知道到底用什么样的一个数来表示转换率，就是说，从一定数量的机械能可以得到多少热。
这个数的确定就是焦耳研究的目的。
在他的实验中有一个实验的机构很像有重锤的钟，绞动这个钟，两个重锤就升高，因此使这个系统增加了势能。如果这个钟不再受干扰，便可把它当作被封闭的系统，重锤逐渐下降，钟在运转。在一定时间以后重锤将会到达其最低位置，于是钟就停下来了。能发生了什么情况呢？重锤的势能转变为机构的动能，随即又逐渐以热的形式散失了。
焦耳把这种机构巧妙地加以改变后，便能测量热的损耗并从而测定转换率。在他的仪器中两个重锤使一个浸在水中的叶轮（图20）转动。重锤的势能转变为运动部件的动能，由动能转变为热，从而提高了水的温度。焦耳测量了温度的改变，并且借助于已知的水的比热算出它所吸收的热量。他把多次实验的结果总结如下：
1．物体（无论是固体还是液体）相互摩擦所产生的热量永远正比于所消耗的力（焦耳所说的力是指能）。
2．要产生可以把0．453千克（1磅）水（在12．8摄氏度到15．6摄氏度之间的真空中称定的）的温度升高0．56摄氏度（1华氏度）的热量所需要费去的机械力〔能］，可以用350千克（772磅）重的物体在空中下降30．48厘米（1英尺）来代表。
换句话说，把350千克（772磅）重的物体在地面上升高30．48厘米（1英尺）的势能，等于把0．453千克（1磅）水从12．8摄氏度（55华氏度）升高到13．3摄氏度（56华氏度）所需要的热量。虽然后来的实验家已经能够比这个实验做得更准确些，但是热功当量主要是焦耳在他的工作中发现的。这个重要的工作一旦完成，后来的进展就很快。人们不久就认识到机械能和热能只不过是能的很多种形式中的两种而已。任何东西，只要它能转变为这两种中的一种，它也是能的一种形式。太阳所发出的辐射是能，因为其中一部分在地球上转变为热。电流也具有能，因为它可以使导线发热并使电动机转动。煤隐含着化学能，因为这种能在煤燃烧时就释放出来了。在自然界的每一种现象中，一种形式的能总是以一个完全确定的转换率转变为另一种形式的能。在不受外界影响的一个封闭系统中能量是守恒的，因此和物质很相似。在这样的系统中，虽然任何一种形式的能的量也许会变化，但所有各种形式的能的总和是不变的。假使我们把整个宇宙看作是一个封闭系统，那么我们可以和19世纪的物理学家一起，骄傲地宣布宇宙的能是不变的，它的任何一部分都既不能创生也不能消灭。
这样，我们对于物质有两个概念即质和能。两者都遵从守恒定律：一个隔离系统的质量和总能都是不变的。物质具有重力，而能却没有重力。于是，我们有两个不同的概念和两个守恒定律。现在我们还能一直把这些观念认为是严格的吗？或者按照新的发展方向，这个表面上确实可靠的图景是否已有所改变呢？变了！这两个概念在相对论中又有了改变。以后我们还会回到这个问题上来的。
哲学背景
科学研究的结果，往往使离开科学领域很远的问题的哲学观点发生变化。科学所企图的目的是什么呢？一个描述自然的理论应该是怎样的呢？这些问题，虽然超越了物理学的界限，但却与物理学有很密切的关系，因为正是科学提供了产生这些问题的素材。哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。等到这种已经接受了的观点被推翻以后，又会有一种意想不到和完全新的发展，它又成为一个新的哲学观点的源泉。除非我们从物理学史上引出例子来加以说明，否则这些话听来一定是很含糊和空乏的。
现在我们来描写以阐明科学为目的的最初的哲学观点。这些观点在很大程度上推动了物理学的发展，一直到差不多100年以前，才被新的验证、新的论据和理论所推翻，而这些新的验证、论据和理论又构成了新的科学背景。
从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这就是整个自然哲学的基本原理。它甚至表现在原子论者的著作中。在2300年前，德谟克利图（Democritus）写道：
依照习常的说法，甜总是甜，苦总是苦，冷总是冷，热总是热，颜色总是颜色。但是实际上只有原子和空位。就是说，我们通常惯于把感觉的事物当作是实在的，但是真正说起来，它们不是实在的，只有原子和空位是实在的。
这个观念，在古代哲学中，不过是巧妙的想象而已。联系到后来发生的许多现象的自然规律，希腊人是不知道的。把理论和实验联系起来的科学，事实上是从伽利略的工作开始的，我们已经研究过形成运动定律的最初线索。在200年的科学研究中，力和物质是理解自然的一切努力中的基本概念。我们不能想象这两个概念可以缺少一个，因为物质作用于其他物质总是作为力的源泉而确证它的存在的。
我们来研究一个最简单的例子：两个粒子，它们之间有力作用着。最容易想象的是引力和斥力。在这两种情况中，力的矢量都在物质粒子的连线上（图21）。为求简单起见，我们只想象粒子相互吸引或推斥，因为任何其他关于作用力的方向的假定都会导致复杂得多的图景。我们对力矢量的长度也能作一个同样简单的假定吗？即使我们想避免过分专门的假定，但这样作一个假定还是可以的：作用于任何两个已知粒子之间的力，像万有引力一样，只与它们之间的距离有关。这个假定似乎很简单。我们有很多更复杂的力可以想象，例如那些不仅与距离有关，而且与它们的速度有关的力。若以物质与力作为基本概念，我们就未必能够得到比沿着粒子的连线作用并只与距离有关的力更简单的假定了。但是只用这样一类的力是否有可能来描述所有的物理现象呢？
力学在其各个分支部门中所取得的伟大成就，在天文学发展上的惊人成功，力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的应用，所有这些都使我们确信，用不变的物体之间的简单作用力来解释所有的自然现象是可能的。在伽利略时代以后的200年间，这样的一种企图有意识地或无意地表现在几乎所有的科学著作中。亥姆霍兹（Helmholtz）约在19世纪中叶把它表达得特别清楚：
因此，物理科学的任务，在我们看来，归根结蒂在于把物理现象都归结为不变的引力或斥力，而这些力的强度只与距离有关。要完全了解自然，就得解决这个问题。
因此，照亥姆霍兹说来，科学发展的方向是早已决定了的，并且应该严格地遵循这样一条呆板的途径：
一旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明出自然现象只能这样来加以简化，那末科学的任务便算终结了。
对20世纪的物理学家来说，这种观点是枯燥而幼稚的。假如他想到巨大的研究工作竟会这样迅速结束，这样便确立了永远正确的宇宙图景，从此再不会有什么兴奋的事了，他一定会大吃一惊。
即使这些见解能够把一切现象都用简单的力来描述，但还有一个问题没有解决，那就是力与距离之间的关系如何的问题。对不同的现象来说，这种关系可能是不同的。为了解释不同的现象而引人许多种不同形式的力，这种必要性从哲学的观点来看自然是很不圆满的。可是亥姆霍兹陈述得最清楚的这种所谓机械观，在当时却起了很重要的作用。物质动理论的发展是一个最伟大的科学成就，而它就是直接受到机械观的影响的。
在叙述它的衰落以前，我们暂且接受19世纪的物理学家所持有的观点，并且看一看从他们这种关于外在世界的图景中可以得出什么样的结论。
物质动理论
是不是可以用有简单的力相互作用着的粒子的运动来解释热现象呢？在一个闭合的容器里装着一定质量和一定温度的气体（例如空气），把气体加热，我们就提高了它的温度，因而也增加了它的能量。但是这种热与运动的关系是怎样的呢？根据前面我们已经贸然接受过的哲学观点以及热是由运动所产生的说法，我们可以认为热和运动是有关系的。如果每一个问题都是力学问题，那么热必须是机械能。动理论的任务就在于用这种方法来表达物质的概念。根据这种理论，气体便是无数个粒子或分子的集合体，分子朝着各个方向运动，相互碰撞，并且在每次碰撞之后改变自己的运动方向。在这样的气体中的分子必定有一个平均速度，正如在人类社会中有平均年龄和平均收入一样，因此也必定有粒子的平均动能。容器中的热越多，平均动能就越大。根据这种想象，热不是与机械能不同的一种特殊形式的能，其实它就是分子运动的动能。任何一个一定的温度都对应有每个分子的一定平均动能。事实上这不是一个随便的假定，假使我们要作出物质的一致的力学图景，那么我们就得把一个分子的动能看作是气体温度的量度。
这个理论不单是一个想象而已。我们可以证明气体动理论不但与实验相符，并且实际上使我们对许多情况有一个更深刻的理解。这可以用几个例子来说明。
假设我们有一个容器，用一个能够自由移动的活塞将它封闭住（图22）。容器中装有一定数量的气体，这些气体的温度保持不变。如果起初活塞静止在某个位置，那么它可能因减重而上升，或者因加重而下降。要把活塞往下推，必须施加外力以抵抗气体的内压力。照动理论来说，这种内压力的机构是怎样的呢？构成气体的数量极大的粒子是向各方面运动的，它们撞击容器的壁与活塞，撞了又跳回来，正如掷到墙上的球一样。大量粒子的这种不断撞击，反抗着作用在活塞与重物上的向下作用的重力，因而能使活塞保持在某个高度上。在一个方向上有不变的重力在作用，在另一个方向上则是分子的大量不规则的碰撞。假使两方面保持平衡，那么所有这些小的不规则的力对活塞的有效作用必须与重力相等。
假使把活塞推下去，它把气体压缩到只有原来体积的一部分，譬如说，压缩到1／2，而它的温度却保持不变，那么根据动理论我们可以预料有什么情况会发生呢？难道撞击力会比过去更有效些或更无效些吗？现在粒子比过去更紧密了，虽然平均动能还像以前一样，但是粒子撞击活塞的次数更多了，因此总的力可能要大些。根据动理论所表达的图景可以清楚地看出，要使活塞保持在更低的位置，需要更大的重力。这个简单的实验情况是大家都知道的，但是它的预测却是从物质动理论合理地推出来的。
再研究另一个实验。取两个容器，它们装有体积相等的不同气体，如氢与氮，两者的温度相同。假设两个容器都用同样的活塞封闭住，加在活塞上的重力也相等，简单说来，这就是表示两种气体具有相同的体积、温度与压力。因为温度相同，那么根据动理论，粒子的平均动能也相同。因为压力相同，那么两个活塞都是受到同样的总的力所撞击。平均起来，每个粒子具有相同的能量，两个容器具有相同的容积。因此虽然在化学上来说这两种气体是不同的，但是每个容器中的分子数必定是相等的。这个结果对理解许多化学现象是很重要的，它表明在一定的温度和压力下，在既定的容积中的分子数不是某一种气体所独有的，而是一切气体都有的。特别是动理论不仅预言这样一个普遍的数的存在，而且还能帮助我们来决定这个数。我们以后还要再研究这个问题。
物质动理论如实验确定那样，无论在定量方面或是在定性方面，都能解释气体定律。而且，虽然这个理论的最大成就是在气体方面，但它却不限于气体。
气体可以用降低温度的方法使其液化。降低物质的温度就意味着减小它的粒子的平均动能，因此，液体内粒子的平均动能比相应的气体的粒子的平均动能小些是很显明的。
所谓的布朗运动，首先给液体内粒子的运动作了一个令人信服的说明。这个奇异的现象，如果没有物质动理论，便会是完全神秘和不可理解的。它是植物学家布朗（Brown）首先观察到的，而80年之后，在20世纪之初它才得到解释。只要有一架不要求是质量特别好的显微镜，就可以观察布朗运动。
布朗当时正在研究某些植物的花粉粒子，按他的话说，那是：
花粉粒子或其他粒子的最大尺寸，其长度从1／1600厘米至1／200厘米（1／400英寸至1／5000英寸）。
接着他又说：
当我观察这些浸在水中的粒子时，我发现很多都在不停地运动着……在经过多次重复的观察以后，我确信这些运动既不是由于液体的流动也不是由于液体的逐渐蒸发所引起的，而是属于粒子本身的运动。
布朗所观察到的是悬浮在水中而且用显微镜可以观察到的粒子的不停的扰动。这是一幅很动人的图像！
观察到的这种现象是否与选择哪一种特殊的植物有关系呢？为了回答这个问题，布朗便用许多种不同的植物来重复做这个实验，他发现所有这些花粉粒子，只要足够小，只要悬浮在水中，都会表现这样的运动。他进一步发现无论是无机物还是有机物的微粒都有同样不停的无次序的运动。他甚至用石头研细的粉末来试验，也观察到这种运动（参看书末的附图Ⅰ）！
怎样解释这种运动呢？这种运动似乎和过去的全部经验都矛盾。譬如说，每隔30秒钟对悬浮着的一个粒子的位置进行一次观察，就会看出它的路径的奇怪形状。可惊异的是这种运动看来是永无止境的。把一个摆动着的钟摆放在水中，如果不加外力推动，它很快就会静止。一种水不减弱的运动的存在，似乎跟所有以前的经验都是矛盾的。这个困难，也由物质动理论圆满地解决了。
甚至用现代最强力的显微镜来观察水，我们也不能像物质动理论所描述的那样看得到水分子和它的运动情况。因此，我们可以断定，假如把水看作是粒子的集合体的理论是正确的，那么这些粒子的大小必定越出了最好的显微镜的可见限度。我们且不要攻击这个理论，并且假定它是一个描写实在的合理图景。用显微镜可以看到的布朗粒子是受到更小的水粒子所撞击。假如被撞的粒子足够小的话，便会发生布朗运动。它之所以会发生，是由于碰撞的不规则性和偶然性，因而从各方面来的这种撞击是不相等的，因而也不可能将它平均。这样，能够观察到的运动倒是观察不到的运动的结果了。大粒子的行为在某种程度上反映分子的行为，可以说，它是把分子的行为放大到能够在显微镜中看得见的程度。布朗粒子的运动路径的不规则性反映了构成物质的较小粒子的路径的同样不规则性。从上述情况我们可以得到这样的结论：如果对布朗运动作一个定量的研究，能够使我们对物质动理论有一个更深刻的理解。很明显，可见的布朗运动与不可见的撞击分子的大小有关。如果那撞击分子没有一定数量的能，或者换句话说，没有质量与速度，就不会有布朗运动。因此，布朗运动的研究，能使我们决定分子的质量，这是不足为奇的。
经过理论方面与实验方面的艰苦研究，动理论定量的特色也已经形成了。由布朗运动现象所产生的线索，便是形成定量数据的来源之一。从完全不同的线索出发，用不同的方法也可以得到同样的数据。所有这些方法都支持同一个观点，这个论据是很重要的，因为它说明了物质动理论的本质上的一致性。
由实验和理论所得到的许多定量结果中，这里只引用其中的一个。假使我们有1克最轻的元素氢，我们问：在这1克氢中有多少个粒子呢？这个问题的答案不仅回答了氢的问题，而且也回答了所有其他气体的问题，因为我们已经知道，在什么条件下，两种气体会有同样数目的粒子。
根据对悬浮在水中的粒子的布朗运动的某些测量结果，理论使我们能够回答这个问题。答案是一个惊人的大数字：3后面接23个数字。1克氢中的分子数是：
3．03×1023
设想1克氢的分子都增大到可以用显微镜看得见，譬如说，它的直径达到了1／2000厘米，就是说和布朗粒子的直径一样大。要把它们用一个箱子紧密地装起来，那么，这个箱子的每边大约是半公里长！
我们只要用上面所指出的数字去除1，便可以很容易地计算出一个氢分子的质量，答案是一个小得出奇的数：
3.3×10-24克
这个数代表一个氢分子的质量。
布朗运动的实验，只不过是决定这个数的许多独立实验中的一个，而这个数在物理学上有很重要的作用。
在物质动理论和它所有的成就中，我们看到，把一切现象的解释都归结为物质粒子间力相互作用的这个普遍的哲学预示已经实现了。
结语
在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力，那么它的未来的路径是可以预言的，而且它的过去也是可以揭示的。例如所有行星的未来路径都是可以预知的，作用在它们之上的是只跟距离有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示着机械现可以无例外地应用于物理学的任何分支部门，所有的现象都可以用引力或斥力来解释，而这些力只与距离有关，并且作用于不变的粒子之间。
在物质动理论中，我们看到这个观点是从力学问题中产生出来的，然后把热现象也包括进去，而且形成了一个很成功的物质结构图景。
《物理学的进化》
艾.爱因斯坦 利.英费尔德著
第二章 机械观的衰落
两种电流体
下面是关于几种简单实验的一个枯燥无味的报告。报告之所以令人厌烦，不单是因为描写一个实验总不如做实验那样有趣，同时还因为在未阐明理论之前它的意义还是不明显的。我们的目的在于供给一个鲜明的例子以表明理论在物理学中的作用。
1．把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线连接在验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个很简单的仪器，它主要是由悬挂在一根短短的金属棒的头上的两片金箔所组成的，注意使金属棒只跟非金属，即所谓绝缘体接触。除了验电器和金属棒之外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块法兰绒。
实验进行如下：先察看一下两片金箔是否合在一起，因为这是它们的正常位置。万一它们没有合拢，那么用手指接触一下金属棒，让它们合起来。做了这些初步准备以后，用法兰绒用力摩擦橡皮棒，再使它接触金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡皮棒移开以后，它们还是分开的（图23）。
2．我们再做另外一个实验。它所用的器具和以前一样，开始实验时金箔仍然要合在一起。这次我们不使橡皮棒接触金属棒，而只放在金属棒附近，验电器的金箔又重新分开，但是这次的分开有点不同了，当橡皮棒（它完全没有接触金属）移开后，金箔不继续分开，而是立即合拢，恢复到原来的位置。
3．我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验，假定金属棒是由两节连接起来的。我们用法兰绒把橡皮棒摩擦过以后，再把它接近金属棒，同样的现象又产生了——金箔分开了。但是现在先把金属棒的两节分开，然后才把橡皮棒移开。我们发现，在这个情况中金箔仍旧分开，而不像在第二个实验中那样恢复原来的位置（图24）。
这些最简单实验很难引起热烈的兴趣。在中世纪，做这些实验的人也许已经受过非难了，对我们来说，这些实验看来是枯燥和不合理的。把上面的实验报告读了一次以后，再要重述一遍而不至条理不清，恐怕都不是容易的事。有了一些理论观念，就可以帮助我们了解它们的意义。我们甚至可以进一步说，这样的实验绝不会是偶然做着好玩的，一定预先已经多多少少知道了它们的意义。
现在我们把一个非常简单和朴素的理论的基本观念说出来，这个理论能说明上面的各种事实。
有两种电流体，一种叫作正的（＋），而另一种叫作负的（－）。它们在过去表述过的意义上跟物质是很相似的，因为它们的数量既可以增加，也可以减少，而在任一个封闭系统里其总量是守恒的。但是电的情况跟热、物质或能之间有一个重要的差别。电的物质有两种。除非作出某些概括，这里就不能应用以前所作的钱的比拟了。如果物体正的电流体和负的电流体完全相互抵消，这个物体就是电中性的。一个人若一无所有，可能是因为他确实一无所有，也可能是因为他放在保险柜里的钱的总数恰恰等于他负债的总数。我们可以把正负电流体比作是帐簿中的借项和贷项。
这个理论的第二个假定是，同类的两种电流体互相推斥，而异类的两种电流体互相吸引。这可以用图来表达，如图25所示。
最后还必须有一个理论上的假定：物体有两类，电流体可以在物体中自由运动的一类叫做导体，电流体不能在物体中自由运动的一类叫做绝缘体。物体的试种分类不能认为是很严格的，理想导体和理想绝缘体都是永远不能实现的一种假设。金属、地面、人体都是导体的例子，但是它们的传导程度并不相同。玻璃、橡皮、磁器之类都是绝缘体。空气只有局部的绝缘作用，这是看见过上述实验的人都知道的。静电实验的效果不好，通常都归因于空气的湿度，因为空气的湿度大了，会增加它的导电性。
这些理论性假定已经足以解释上面的3个实验了。现在我们把这3个实验仍按原来的次序，用电流体理论再来讨论一番。
1．橡皮棒也和其他物体一样，在正常情况下是电中性的。它包含正、负两种电流体，数量相等。用法兰绒摩擦它，就把两种电流体分开了。这完全是一种习惯上的说法，因为这种说法是应用理论所创造的术语来描述摩擦过程的。橡皮棒被擦以后，有一种多余的电叫做负电，这个名词当然只不过是相沿成习而已。假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我们必须把这种多余的电叫做正电，因为只有这样才不至于跟前面的说法相矛盾。我们把实验继续做下去。把橡皮棒接触金属导体，于是我们就把电流体传送过去了。这些电流体在导体内自由地运动，于是它们就分布在包括金箔在内的整个导体上了。因为负电与负电相互推斥，所以两片金箔尽量地相互离开，其结果就是我们以前观察到的金箔的分开。金属要放在玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的导电率很微弱，就可使电流体一直留在导体上。现在我们懂得在实验开始以前必须用手指去接触金属棒的道理了，在这个情况下，金属、人体和地面构成了一个大的导体，因此电流体便分散得极为稀少，验电器上实际上已经没有什么电流体了。
2．第二个实验在开始时是和第一个实验完全一样的。但是这次橡皮棒不接触金属棒而只是接近它。导体上的两种电流体因为都可以自由流动，所以被分开了，一种被吸引，而另一种被推斥。如果把橡皮棒移开，它们又重新混在一起，因为不同类的两种电流体是互相吸引的。
3．现在把金属棒先分为两节，然后把橡皮棒移开。在这种情况下，两种流体不能混在一起了，金箔保留了多余的那一种电流体，所以继续张开。
按照这个简单的理论，上述的所有情况似乎都是能够理解的。这个理论的作用还不止于此，它不仅使我们能够理解这些现象，而且还可以使我们理解“静电学”范围内的其他许多现象。任何一个理论的目的是指导我们理解新的现象、启发我们做新的实验从而发现新的现象和定律。举一个例子就明白了。设想把第二个实验加以改变，假使当我把橡皮棒放在金属棒旁边，同时又用自己的手指接触金属棒，现在会发生什么呢？理论能作出答案：受橡皮棒推斥的负（－）的电流体现在通过我的身体逃走了，结果在金属棒上留下的只有一种正（＋）的电流体。只有接近橡皮棒的一个验电器的金箔仍旧分开，做一做真实的实验就能确认这个预言（图26）。
这个理论自然很简陋，而且不能满足现代物理学的观点，可是它却是说明任何一种物理学理论的特色的一个很好的例子。科学没有永恒的理论，一个理论所预言的事件常常被实验所推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，它就很快地衰落。上面讲过的热的物质说的盛衰便是许多例子中的一个。还有其他更深刻更重要的例子，以后还会讨论到。科学上的重大进步几乎都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。我们必须检查旧的观念和旧的理论，虽然它们是过时了，然而只有先检查它们，才能了解新观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和新理论的正确程度。
本书开端处，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况、然后用纯粹的思维去寻找正确答案的侦探家。至少在一个论点上，这个比喻是很不恰当的，无论在现实生活中或在侦探小说里面，必定先知道有人犯罪，然后侦探才去检查信件、指纹、子弹、枪支等，他至少是知道发生了一件暗杀案子。科学家就不是这样。我们很容易想象有些人对于电一无所知，因为所有的古人对于它都没有一点知识，但也生活得很快乐。假使你把金属棒、金箔、瓶子、硬橡皮棒、法兰绒，总之是要做那3个实验所必需的东西都交给这样一个人。他即使是一个很有文化的人，他也许会用瓶子盛酒，把法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做我们上面所描述的实验。对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁杀了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦察它。此外，他不但要解释一个案子，而且所有跟它有关的已经发生或可能发生的现象他都要解释。
在引用电流体的概念时，我们知道这里是受到机械观影响的，因为机械观是要用物质和作用于物质之间简单的力来解释一切事物的。要知道机械观能否用来描写电的现象，我们必须考察下面的一个问题。有两个圆球，都有电荷，就是说都带有某种多余的电流体。我们知道这两个圆球或者会互相吸引，或者会互相推斥。但是力只与距离有关吗？倘若确实如此，具体的关系又是怎样的呢？最简单的猜测是这种力跟距离的关系正如万有引力与距离的关系一样，例如距离增加到3倍，它的强度便减为原来的1／9。库仑（Coulomb）所做的实验证明这个定律是确实可靠的。在牛顿发现万有引力定律之后100年，库仑发现电的力与距离之间的关系和万有引力与距离之间的关系一样。但是牛顿定律与库仑定律之间有两个巨大的区别：万有引力是永远存在的，而电的力只是在物体带电时才有；万有引力只是吸引，而电力则既可以是吸引也可以是推斥。
现在产生了同样的一个问题，这个问题在前面谈热的现象时已考察过。电流体是有重力还是没有重力的物质呢？换句话说，一块金属在它电中性时和带有电荷时其重力是否一样呢？我们把它称一下，发现这两个重力完全没有差别，由此我们可以断定电流体也是没有重力的一族物质中的一种。
电的理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避免严格的定义，改用已经熟悉的概念来比拟。我们记得要了解热的现象，区别热和温度是极为重要的。同样，这里区别电势和电荷也是很重要的。这两个新概念的区别用比拟的方法便可以弄明白：
电势——温度
电荷——热
两个导体，例如两个大小不同的圆球，可以有相同的电荷，就是说，多余的电流体相同，但是两者的电势就不同，也就是说，小圆球上的电势较高，大圆球上的电势较低。在小圆球上电流体的密度较大，也就更受到压缩。因此密度愈大则互相推斥的力愈大，小圆球上的电荷逃去的趋势要比大圆球上的大。电荷要从导体逃去的趋势就是直接测量电势的标准。为了清楚地说明电荷与电势的差别，我们必须列出几行描述受热物体行为的语句，以及和这些语句相对应的描述带电导体的几行语句。
热电
两个物体，起先的温度各不相同，当它们互相接触，过了一段时间后，它们就达到相同的温度。
若两个物体的热容量不同，则数量相等的热会产生不同的温度变化。
温度计与任何一个物体相接触，通过水银柱的高度表示出它自己的温度，因而也表示出物体的
温度。两个绝缘导体，起先的电势各不相同，当它们相互接触，它们很快就达到相同的电势。
若两个物体的电容量不同，则数量相等的电荷会产生不同的电势变化。
验电器与任何一个导体相接触，通过金箔的互相分开程度表示出它自己的电势，同时也表示出导体的电势。
但是这样的比拟不能延伸太远，下面的例子将指出它们的相似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个有负电荷。这两个电荷的电势各不相同，依照习惯，我们认为负电荷的电势比正电荷的电势低。假使把这两个导体接触在一起，或者用导线连接起来，那么根据电流体的理论，它们将显示出不带电荷，因而根本不会有电势的相差。我们必须想象在电势差被平衡的很短的时间内电荷是从一个导体“流”向另外一个导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体（如图27所示），还是负的电流体流向带正电的物体呢？
事实上，单是根据这里所提到的素材，我们无法判定两者之中哪一种是对的。我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以同时有两个方向的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来决定这个问题的方法，我们只是使它成为常规，在选择上没有什么特定意义。往后的发展得出了能答复这个问题的更深的电理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达是完全没有意义的。这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是从电势较高的导体流向电势较低的导体的。这样，在刚才所说的两个导体中，电是从带正电的导体流向带负电的导体的。这种表述完全是一种习惯上的说法，在这里甚至是完全武断的。所有这些困难，表明热和电之间的比拟是不可能完整无缺的。
我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能的。同样，用机械观来描写磁的现象也是可能的。
磁流体
这里我们还是依照上面的同样方式，先叙述几种非常简单的情况，然后去寻找它们的理论解释。
1．有两根磁棒，一根支在一个架子的中点，它处于水平位置，故能自由转动，另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端相互靠近，那么它们之间会有强烈的吸引，这是经常可以做到的（图28）。如果不互相吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一端去试试。只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引的。磁俸的两端被称为它的极。实验再继续下去，我们把手持磁棒的极沿着另一个磁棒向中点移动过去，此时发现吸引力减小了，而当磁棒极达到那根磁棒的中央时，就根本没有吸引力了。如果磁极继续朝同一方向移过去，那么就会逐渐发生推斥现象，当到达支起的磁棒的另一极时，斥力最大。
2．上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个极，我们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单，只要把一根磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁棒的极与另一根磁棒的中央之间是没有力的，但是实际上把一根磁棒折成两段，其结果却是惊人的、出乎意料的。如果我们照上面一节里所描写的实验再来做一次，不过这回是用支起的那根磁棒折成两段，拿其中一段照样支起来做的，结果仍是一样，本来是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的极了。
应该怎样解释这些事实呢？由于磁的现象也和静电的现象一样有推斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理论。设想有两个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是负的。这里所谓“相等”是指有相同的绝对值，例如＋5和－5就具有相同的绝对值。假定这两个圆球用一种绝缘体如玻璃棒之类连接起来，若画成图，这种装置可以用一根从带负电荷的导体指向带正电荷的导体的一个箭头表示出来（图29）。我们把这整件东西叫做电的偶极子。很明显，这样的两个偶极子的行为和第一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是一根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁棒不是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。这个简单的理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满的。在一端应该是吸引，在另一端是推斥，而在中央则两种相等而相反的力互相平衡。但是怎样解释第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾的。由于这个矛盾使我们不得不介绍一种更准确的理论。我们放弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基本磁偶极子组成的，这些基本偶极子再不能折断为孤立的极。在磁棒中有一个统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向（图30）。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，那新的两端又变成新的两极的理由，也知道这个更精细的理论既能解释第一个实验也能解释第二个实验的理由。
有很多情况，对那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精细的理论。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为在一片普通的铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出真正的效应来。把磁棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分开”的作用，吸引了负的磁流体而推斥了正的磁流体，结果就出现铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒以后，磁流体又多少恢复原来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追想起”外力的命令的程度如何。
我们不准备细述这个问题的定量内容。用两根很长的磁棒，我们就可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或推斥的力。假设磁棒很长，棒的另一端影响就可以忽略。引力或斥力与两极间距离的关系怎样呢？库仑实验作出的答案是这样的：这种关系与牛顿的万有引力定律和库仑的静电定律是一样的。
我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于用引力和斥力只与不变的粒子之间的距离有关，而且只作用于粒子之间来解释一切现象。
这里我们提及一件人人皆知的事情，因为以后我们还要用到它。地球是一个大的磁偶极子。我们一点也不能解释它何以如此。北极接近于地球的负（－）磁极，而南极则接近于地球的正（＋）磁极。这正负的名词，不过是习惯上所规定的，但一旦规定了，便可以使我们决定任何别的场合中的磁极。一根装在竖直轴上的磁针会服从地球磁力的“命令”。磁针的（＋）极指向北极，也就是说，指向地球的（－）磁极。
我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但是也不必因此特别自满或喜欢它。如果我们不泄气，我们也应看到这个理论中有些部分确实很不圆满。我们正在发明物质的新的种类：两种电流体和基本磁偶极子。我们开始感到物质实在太多了。
力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质。它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。
第一个严重的困难
现在可以谈一谈应用我们的普遍哲学观点所遇到的第一个严重的困难了。后面我们还会看到，这个困难和另一些更严重的困难一起，使我们绝对不再相信一切现象都是可以用机械观来解释的了。
自从发明电流以后，作为科学与技术的分支部门的电学才有了惊人的进展。偶然的事件能产生重大的作用，这种例子在科学史上是很少见的，这里我们找到了其中的一个。蛙腿痉挛的故事有各种各样的说法，不管那些细节的真实性如何，伽尔伐尼（Galvani）的偶然发现使得伏打（Volta）在18世纪末发明了所谓伏打电池，这一点总是毫无疑问的。这种电池早已没有什么实用价值了，但是在学校的实验中，或在教科书中，总是一直把它用作最简单的例子来说明电流的来源。
它的构造原理是很简单的。拿几个大玻璃杯，里面装水，再加一点点硫酸。每个玻璃杯中有两个金属片，一为铜片，一为锌片，都浸在溶液中。一个玻璃杯中的铜片和下一个玻璃杯中的锌片连接起来，这样就只有第一个杯中的锌片和未一个杯中的铜片没有连接。如果“元件”的数目，即构成电池组的装有金属片的玻璃杯的数目相当多，那么我们用非常灵敏的验电器就可发现第一个杯中的铜片和末一个杯中的锌片之间有电势差。
如上所述，我们只是为了可以用仪器很容易地测量电势差，所以介绍了由若干个玻璃杯组成的电池组。但在以后的讨论中，用一个玻璃杯装成的单电池就够了。我们可以证明铜的电势比锌高些，这里所谓“高些”的意思是等于说＋2比较－2要大些。假使把一个导体连接到那个空着的铜片上，另一个导体连接到空着的锌片上，则两个导体上都会有电荷，前一个有正电荷，后一个有负电荷。到此为止，还没有发现有什么了不起的新的现象，我们还可以应用以前关于电势差的观念。我们已经知道两个电势不同的导体用导线连接起来以后，可以使电势差消失，因此电流体是在从一个导体向另一个导体流动的。这种过程与由于热的流动使温度相等的现象是相似的。但是伏打电池中的电流是否也是这样流动的呢？
伏打在他的实验报告中曾说过，金属片的作用和导体一样：
……微弱地带电，它们不断地作用，或者说在每一次放电之后，又立刻有新的电荷。总而言之，它所供给的电荷是无穷尽的，或者说，会发生一种永远不断的电流体的作用或冲动。
这个实验的结果是令人惊异的，因为用导线把两个带电导体连接起来，电势差就会消失，而铜片和锌片之间的电势差是不会消失的。电势差既然维持不变，那么根据电流体的理论，便有电流体不断从较高的势位（钢片）流向较低的势位（锌片）。我们姑且不放弃电流体理论，可假定有一种经常的力，使电势差不断再生，因而引起电流体的流动。但是从能的观点看来，整个现象是令人惊奇的。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，假使导线比较纤细，甚至会被熔化。由此可知，在导线中产生了热能。但是这整个伏打电池组构成一个孤立的系统，因为没有能从外部加进来。假使我们不愿放弃能量守恒定律，便必须找出能的转换发生在什么地方，热是由哪种能转换出来的。我们很容易理解，在电池中产生着很复杂的化学变化过程，在这个过程中溶液及浸在其中的铜片和锌片都是起作用的。从能的观点看来，转换的程序是这样的：化学能——流动的电流体即所谓电流的能——热。一个伏打电池组不能永远使用下去，化学变化和电的流动经过一个相当时期以后，便会使电池组失掉效用。
有一个实验，它把应用机械观的巨大困难揭露出来了。这个实验初听起来是很奇怪的，它是奥斯特（Oersted）约在120年前所做的，他这样写道：
这些实验似乎已表明，我们可以用一个伽尔伐尼装置使磁针移动自己的位置，但是只有在伽尔伐尼电路闭合时才有这种现象，而不是在电路断开时。几年以前某些非常有名的物理学家仍想在电路断开时使磁针移动位置，但毫无结果。
假设我们有一个伏打电池组和一根金属导线，如果把导线连接在铜片上，而不连接在锌片上，便会发生势差，但是却不会有电流。假设把导线弯成一个圈，在它的中央放上一根磁针，导线和磁针都在同一平面上。在导线不接触锌片时，不会有什么现象发生。没有任何力在作用，所存在的势差对磁针的位置不会产生任何影响。我们简直不懂为什么奥斯特所说的那些“极有名的物理学家”会去期待这种感应的到来。
现在让我们把导线连接在锌片上，奇怪的现象立刻发生，磁针离开了它原来的位置。假使把书的平面代表圈的平面，则磁针的两极中有一个极正指向读者（图31）。这个效应表明，有一种垂直于圈平面的力作用在磁极上。在实验的事实面前，我们不可避免地会作出结论，认为力作用的方向是垂直的。
这个实验之所以重要，第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象，即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要，磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力，不是在沿连接金属线和针的直线上，也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上，力是与这些直线垂直的。按照机械观，我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型，而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。我们记得那些服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁力都是沿着连接于相互吸引或相互推斥的物体的一条直线而作用的。
在差不多60年以前，罗兰（Rowland）做了一个很精巧的实验，把这种困难显示得更厉害了。我们把实验的技术细节丢开不谈，只叙述实验的大意。设想一个小的带电圆球（图32），再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动，在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的，惟一不同的是他不用通常的电流，而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同，磁针受一个垂直的力的影响而发生偏转现象。
现在我们使带电体运动得更快些，这样，作用于磁极的力增大了，磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。可是我们还能够持保守态度，仍旧在旧的观念范围内找寻解答。
当一个理论在很顺利地发展时，突然会发生一些出乎意料的阻碍，这种困难在科学上常常发生。有时把旧的观念加以简单推广似乎是一个解决困难的好办法，至少暂时解决困难是可以的。例如在现在这个例子中，似乎把过去的观点推广，而在基本粒子之间引入一些更加普遍的力就够了。可是那旧理论往往已无法弥补，而困难终于使它垮台，于是新的理论随之兴起。在这里，不是单单一个小小磁针的行为把表面上很稳固、很成功的机械论打倒了。从一个完全不同的观点上来了另一个更有力的攻击，但这是另一个故事，我们以后再谈吧！
光的速度
在伽利略的《两种新科学》一书中，我们可以听一听教师和他的学生之间关于光的速度的谈话：
沙格勒多（Sagredo）：我们应该认为光的速率是属于哪一类呢？有多大呢？光的运动是即发的呢，还是像其他的物体一样需要时间的呢？我们能用实验来解决这个问题吗？
辛普利娑（Simplicio）：日常经验告诉我们，光的传播是即发的，因为当我们看见远处开炮时，闪光不需时间便传到了眼睛，但是声音却是在一个显著的时间间隔以后才传到耳鼓来。
沙格勒多：那么，根据这一点熟悉的经验，我们只能推论传到我们耳鼓的声音比较光要传播得慢些，它并没有告诉我们光的传播是即发的，或者说它传播得非常快，但总是需要时间的……
萨尔维蒂（Salviati）：这些观察以及其他类似的观察中所得到的一点结论，使我想出了一个可以用来精确地决定光的传播是否即发的方法……
萨尔维蒂还继续解释他的实验方法。为了了解他的观念起见，我们不妨设想光的速度不仅是有限的，而且是很小的，光的运动慢下来了，像慢动作的电影片一样。甲和乙两个人都拿着遮起来的灯相距1公里站着，第一个人（甲）先打开他的灯。这两个人已经预先约好，乙看见甲的光就立刻打开自己的灯。假定在这里所说的“慢动作”中的光每秒钟走1公里。甲把灯上的遮盖物拿开，于是一个信号就送出去了。乙在1秒钟之后看到这个信号并发出一个回答的信号，甲在发出自己的信号之后2秒钟收到乙的信号。假使光的速率是1公里每秒，则甲在发出和接到离开他1公里的乙的信号之间要经过2秒钟。反过来说，如果甲不知道光的速度，但假定他的同伴是遵守约定的，他若看见在打开自己的灯以后2秒钟，乙的灯也打开了，他就可以断定光的速率是1公里每秒。
现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下：
在人们的日常事务和工作中往往会提供他们思索自然界的一些最奇妙的作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，只要利用工业生产上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科学实验。
我常常有机会进行这一类的观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有益的怀疑和研究与改进方面的意义深远的打算。这些情况有的是突然发生的，有的是在思索极普通的现象时所进行的遥想中发生的。这样所引起的怀疑和研究改进的机会，比那些整天坐在书室里专门从事科学研究的哲学家作全神苦思时所能引起的还会多些。
最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间以后，就会发生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的铜屑更热（像我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。
在上述的机械动作中真实地产生出来的热是从哪里来的呢？
它是由钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑所供给的吗？
如果真是这样，那么根据潜热和热物质的现代学说，它们的热容量不仅要变而且要变得足够的大才能解释所产生的全部的“热”。
但是这样的变化不会发生。因为我发现：把这种金属屑和用细齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片的重力取成相同，并把它们在相同的温度（沸水的温度）下各自放进盛有冷水的容器里去，冷水的量和温度也取得相同，例如在15．3摄氏度（约华氏59．5度）。放金属屑的水看起来并不比放金属片的水热些或冷些。
最后，我们来读伦福德的结论：
在推敲这个问题的时候，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情况，就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。
不待说，任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体所能无限地连续供给的任何东西决不能是具体的物质，并且，如果不是十分不可能的话，凡是能够和这些实验中的热一样地激发和传播的东西，除了只能把它认为是“运动”以外，我似乎很难构成把它看作为其他东西的任何明确的观念。
这样一来，我们看到旧的理论是崩溃了，或者说得更严格些，我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此像伦福德所指出的那样，我们得重新寻找新的线索。要做到这点，我们暂且丢开热的问题，再回到力学上来。
升降滑道
我们来研究一下游乐场中升降滑道上的运动。把一辆小车吊上或开到轨道的最高点，然后自由释放，它就开始在重力的作用下朝下滚去，随后它沿着一条形状古怪的曲线上升下降，因为速度的突然改变，使乘客有惊心动魄的快感。轨道有一个最高点作为出发点，在小车运动的整个过程里，它决不能再达到出发点的高度。把运动作一番全面的描述是非常复杂的。从一方面来说，这是一个力学的问题，因为这里存在着速度和位置对时间的变化。另一方面有摩擦，因而在轨道和车轮上要产生热。把这个物理过程分成这两个方面的主要理由是使得有可能应用以前所讨论过的概念。这样一分，便得到一个理想实验，因为一个只表现力学方面的物理过程是只能想象而不能实现的。
对于这个理想实验，我们可以想象有人能将始终与运动一起出现的摩擦全部加以消除。他决定用这一新发明来建造一个升降滑道，并且探究建造这个滑道的方法。小车从起点开始一上一下地运动，假定起点离地面30米。通过多次试验和改正错误，不久他知道他必须遵从一个简单的规则：他可以按照自己的意愿把轨道建成任何形式的线路，但是有一个条件，不能有一点比起始点高。如果小车能够自始至终没有摩擦地运动，那么在整个行程中，他想要把轨道达到30米的高度无论多少次都可以，但决不能超过这个高度（图18）。在实际的轨道上，由于摩擦的关系，小车永远不能到达起始点的高度，但是这里工程师的假想并不需要考虑这一点。
我们来研究理想小车从理想滑道的出发点开始向下滚的运动。当它运动的时候，它离开地面的高度减小了，但它的速率却增加了。乍一看来，这句话使我们想起小学语文课中的句子：“我没有一支铅笔，但你有6个橘子。”可是这句话并不那么笨拙可笑。我没有一支铅笔跟你有6个橘子之间并没有任何联系，但是小车离地面的高度跟它的速度之间却存在着很真实的关系。如果我们知道它当时离地面多高，我们就可以在任何时刻准确地计算它的速率。不过这个说法具有定量的性质，最好用数学公式来表示，因此我们在这里只好把它撇开不谈。
小车在滑道的最高点上的速度为零而其离地面的高度为30米，在最低点则离地面的高度可能是零而速度最大。这些论据可以用另一些术语来表达：在最高点小车具有势能而没有动能，在最低点小车具有最大的动能而没有任何势能。在所有的中间位置上，既有速度又有高度，所以小车既有动能又有势能。势能随着高度的增大而增加，而动能则随着速度的增大而增加。力学的原理足以解释这种运动。在数学上有两种描述能量的表达式，其中每一种能量都可以改变，而它们的和保持不变。这样我们就可能用数学方法严格地介绍与位置有关的势能的概念和与速度有关的动能的概念。自然这两个名称的引用是随意的，并且只是为了方便而已。这两个量的和保持不变，称为运动恒量。动能和势能加起来的全部能量，举例来说，可以跟总数不变的钱相比，它们不断地按照固定的兑换率由一种货币兑换成另一种，例如由英镑兑换成美元，再由美元兑换成英镑。
在实际的升降滑道（图19）中，虽然摩擦力使小车不能重新达到像出发点那样的高度，但是仍发生动能和势能之间的不断转换。这里它们的总和却不是不变，而是逐渐地减小了。现在必须再作出一个重要且大胆的步骤才能把运动的力和热的两个方面联系在一起。这一步骤所得出的结果和推广的意义在后面将会看到。
现在，除了动能和势能以外，又牵连进另外一种东西来了，这就是摩擦所产生的热。这种热是否相当于机械能的减小，即动能和势能的减少呢？一个新的猜测已经摆在我们的眼前了。如果热可以被看作是能的一种形式，那么也许这三种能即热能、动能和势能的总和是保持不变的。不是单独的热而是热和其他形式的能合起来才像物质一样是不可消灭的。这正像有一个人自己把美元兑换成英镑时，他本来要付出一笔法郎作为手续费，而这笔手续费省下来了，因此，根据固定的兑换率，美元、英镑和法郎的总数是一个不变的数值。
科学的发展推翻了把热看作是一种物质的旧概念。我们要创造一种新的物质，就是能，而把热看成为能的形式之一。
转换率
不到100年以前，迈耶（Mayer）猜测了一个新的线索，这个线索引出了把热看作是能的一种形式的概念。焦耳（Joule）后来用实验方法确认了这个概念。使人惊奇的是：几乎所有关于热的本性的基本工作都是非专业的物理学家做出来的，他们只不过把物理学看作是自己的最大嗜好而已。这里有多才多艺的苏格兰人布勒克、德国的医生迈耶、美国的冒险家伦福德。还有一个英国的啤酒酿造师焦耳，他在工作之暇作出了有关能量守恒的几个最重要的实验。
焦耳用实验证实了热是能的一种形式的猜测，并且确定了转换率。对于他的成果，我们现在花一些时间来熟悉一下是很值得的。
一个系统的动能和势能合起来构成它的机械能。在升降滑道的例子中，我们猜测过有一部分机械能转变成热。如果这是猜对了，那么在这里，并且在所有其他类似的物理过程中应该存在着两者之间的固定转换率。严格地说，这是一个定量的问题，但是一定数量的机械能可以转变成一定数量的热这一点是很重要的。我们很想知道到底用什么样的一个数来表示转换率，就是说，从一定数量的机械能可以得到多少热。
这个数的确定就是焦耳研究的目的。
在他的实验中有一个实验的机构很像有重锤的钟，绞动这个钟，两个重锤就升高，因此使这个系统增加了势能。如果这个钟不再受干扰，便可把它当作被封闭的系统，重锤逐渐下降，钟在运转。在一定时间以后重锤将会到达其最低位置，于是钟就停下来了。能发生了什么情况呢？重锤的势能转变为机构的动能，随即又逐渐以热的形式散失了。
焦耳把这种机构巧妙地加以改变后，便能测量热的损耗并从而测定转换率。在他的仪器中两个重锤使一个浸在水中的叶轮（图20）转动。重锤的势能转变为运动部件的动能，由动能转变为热，从而提高了水的温度。焦耳测量了温度的改变，并且借助于已知的水的比热算出它所吸收的热量。他把多次实验的结果总结如下：
1．物体（无论是固体还是液体）相互摩擦所产生的热量永远正比于所消耗的力（焦耳所说的力是指能）。
2．要产生可以把0．453千克（1磅）水（在12．8摄氏度到15．6摄氏度之间的真空中称定的）的温度升高0．56摄氏度（1华氏度）的热量所需要费去的机械力〔能］，可以用350千克（772磅）重的物体在空中下降30．48厘米（1英尺）来代表。
换句话说，把350千克（772磅）重的物体在地面上升高30．48厘米（1英尺）的势能，等于把0．453千克（1磅）水从12．8摄氏度（55华氏度）升高到13．3摄氏度（56华氏度）所需要的热量。虽然后来的实验家已经能够比这个实验做得更准确些，但是热功当量主要是焦耳在他的工作中发现的。这个重要的工作一旦完成，后来的进展就很快。人们不久就认识到机械能和热能只不过是能的很多种形式中的两种而已。任何东西，只要它能转变为这两种中的一种，它也是能的一种形式。太阳所发出的辐射是能，因为其中一部分在地球上转变为热。电流也具有能，因为它可以使导线发热并使电动机转动。煤隐含着化学能，因为这种能在煤燃烧时就释放出来了。在自然界的每一种现象中，一种形式的能总是以一个完全确定的转换率转变为另一种形式的能。在不受外界影响的一个封闭系统中能量是守恒的，因此和物质很相似。在这样的系统中，虽然任何一种形式的能的量也许会变化，但所有各种形式的能的总和是不变的。假使我们把整个宇宙看作是一个封闭系统，那么我们可以和19世纪的物理学家一起，骄傲地宣布宇宙的能是不变的，它的任何一部分都既不能创生也不能消灭。
这样，我们对于物质有两个概念即质和能。两者都遵从守恒定律：一个隔离系统的质量和总能都是不变的。物质具有重力，而能却没有重力。于是，我们有两个不同的概念和两个守恒定律。现在我们还能一直把这些观念认为是严格的吗？或者按照新的发展方向，这个表面上确实可靠的图景是否已有所改变呢？变了！这两个概念在相对论中又有了改变。以后我们还会回到这个问题上来的。
哲学背景
科学研究的结果，往往使离开科学领域很远的问题的哲学观点发生变化。科学所企图的目的是什么呢？一个描述自然的理论应该是怎样的呢？这些问题，虽然超越了物理学的界限，但却与物理学有很密切的关系，因为正是科学提供了产生这些问题的素材。哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。等到这种已经接受了的观点被推翻以后，又会有一种意想不到和完全新的发展，它又成为一个新的哲学观点的源泉。除非我们从物理学史上引出例子来加以说明，否则这些话听来一定是很含糊和空乏的。
现在我们来描写以阐明科学为目的的最初的哲学观点。这些观点在很大程度上推动了物理学的发展，一直到差不多100年以前，才被新的验证、新的论据和理论所推翻，而这些新的验证、论据和理论又构成了新的科学背景。
从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。这就是整个自然哲学的基本原理。它甚至表现在原子论者的著作中。在2300年前，德谟克利图（Democritus）写道：
依照习常的说法，甜总是甜，苦总是苦，冷总是冷，热总是热，颜色总是颜色。但是实际上只有原子和空位。就是说，我们通常惯于把感觉的事物当作是实在的，但是真正说起来，它们不是实在的，只有原子和空位是实在的。
这个观念，在古代哲学中，不过是巧妙的想象而已。联系到后来发生的许多现象的自然规律，希腊人是不知道的。把理论和实验联系起来的科学，事实上是从伽利略的工作开始的，我们已经研究过形成运动定律的最初线索。在200年的科学研究中，力和物质是理解自然的一切努力中的基本概念。我们不能想象这两个概念可以缺少一个，因为物质作用于其他物质总是作为力的源泉而确证它的存在的。
我们来研究一个最简单的例子：两个粒子，它们之间有力作用着。最容易想象的是引力和斥力。在这两种情况中，力的矢量都在物质粒子的连线上（图21）。为求简单起见，我们只想象粒子相互吸引或推斥，因为任何其他关于作用力的方向的假定都会导致复杂得多的图景。我们对力矢量的长度也能作一个同样简单的假定吗？即使我们想避免过分专门的假定，但这样作一个假定还是可以的：作用于任何两个已知粒子之间的力，像万有引力一样，只与它们之间的距离有关。这个假定似乎很简单。我们有很多更复杂的力可以想象，例如那些不仅与距离有关，而且与它们的速度有关的力。若以物质与力作为基本概念，我们就未必能够得到比沿着粒子的连线作用并只与距离有关的力更简单的假定了。但是只用这样一类的力是否有可能来描述所有的物理现象呢？
力学在其各个分支部门中所取得的伟大成就，在天文学发展上的惊人成功，力学观念在那些显然不具有力学性质的问题上的应用，所有这些都使我们确信，用不变的物体之间的简单作用力来解释所有的自然现象是可能的。在伽利略时代以后的200年间，这样的一种企图有意识地或无意地表现在几乎所有的科学著作中。亥姆霍兹（Helmholtz）约在19世纪中叶把它表达得特别清楚：
因此，物理科学的任务，在我们看来，归根结蒂在于把物理现象都归结为不变的引力或斥力，而这些力的强度只与距离有关。要完全了解自然，就得解决这个问题。
因此，照亥姆霍兹说来，科学发展的方向是早已决定了的，并且应该严格地遵循这样一条呆板的途径：
一旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明出自然现象只能这样来加以简化，那末科学的任务便算终结了。
对20世纪的物理学家来说，这种观点是枯燥而幼稚的。假如他想到巨大的研究工作竟会这样迅速结束，这样便确立了永远正确的宇宙图景，从此再不会有什么兴奋的事了，他一定会大吃一惊。
即使这些见解能够把一切现象都用简单的力来描述，但还有一个问题没有解决，那就是力与距离之间的关系如何的问题。对不同的现象来说，这种关系可能是不同的。为了解释不同的现象而引人许多种不同形式的力，这种必要性从哲学的观点来看自然是很不圆满的。可是亥姆霍兹陈述得最清楚的这种所谓机械观，在当时却起了很重要的作用。物质动理论的发展是一个最伟大的科学成就，而它就是直接受到机械观的影响的。
在叙述它的衰落以前，我们暂且接受19世纪的物理学家所持有的观点，并且看一看从他们这种关于外在世界的图景中可以得出什么样的结论。
物质动理论
是不是可以用有简单的力相互作用着的粒子的运动来解释热现象呢？在一个闭合的容器里装着一定质量和一定温度的气体（例如空气），把气体加热，我们就提高了它的温度，因而也增加了它的能量。但是这种热与运动的关系是怎样的呢？根据前面我们已经贸然接受过的哲学观点以及热是由运动所产生的说法，我们可以认为热和运动是有关系的。如果每一个问题都是力学问题，那么热必须是机械能。动理论的任务就在于用这种方法来表达物质的概念。根据这种理论，气体便是无数个粒子或分子的集合体，分子朝着各个方向运动，相互碰撞，并且在每次碰撞之后改变自己的运动方向。在这样的气体中的分子必定有一个平均速度，正如在人类社会中有平均年龄和平均收入一样，因此也必定有粒子的平均动能。容器中的热越多，平均动能就越大。根据这种想象，热不是与机械能不同的一种特殊形式的能，其实它就是分子运动的动能。任何一个一定的温度都对应有每个分子的一定平均动能。事实上这不是一个随便的假定，假使我们要作出物质的一致的力学图景，那么我们就得把一个分子的动能看作是气体温度的量度。
这个理论不单是一个想象而已。我们可以证明气体动理论不但与实验相符，并且实际上使我们对许多情况有一个更深刻的理解。这可以用几个例子来说明。
假设我们有一个容器，用一个能够自由移动的活塞将它封闭住（图22）。容器中装有一定数量的气体，这些气体的温度保持不变。如果起初活塞静止在某个位置，那么它可能因减重而上升，或者因加重而下降。要把活塞往下推，必须施加外力以抵抗气体的内压力。照动理论来说，这种内压力的机构是怎样的呢？构成气体的数量极大的粒子是向各方面运动的，它们撞击容器的壁与活塞，撞了又跳回来，正如掷到墙上的球一样。大量粒子的这种不断撞击，反抗着作用在活塞与重物上的向下作用的重力，因而能使活塞保持在某个高度上。在一个方向上有不变的重力在作用，在另一个方向上则是分子的大量不规则的碰撞。假使两方面保持平衡，那么所有这些小的不规则的力对活塞的有效作用必须与重力相等。
假使把活塞推下去，它把气体压缩到只有原来体积的一部分，譬如说，压缩到1／2，而它的温度却保持不变，那么根据动理论我们可以预料有什么情况会发生呢？难道撞击力会比过去更有效些或更无效些吗？现在粒子比过去更紧密了，虽然平均动能还像以前一样，但是粒子撞击活塞的次数更多了，因此总的力可能要大些。根据动理论所表达的图景可以清楚地看出，要使活塞保持在更低的位置，需要更大的重力。这个简单的实验情况是大家都知道的，但是它的预测却是从物质动理论合理地推出来的。
再研究另一个实验。取两个容器，它们装有体积相等的不同气体，如氢与氮，两者的温度相同。假设两个容器都用同样的活塞封闭住，加在活塞上的重力也相等，简单说来，这就是表示两种气体具有相同的体积、温度与压力。因为温度相同，那么根据动理论，粒子的平均动能也相同。因为压力相同，那么两个活塞都是受到同样的总的力所撞击。平均起来，每个粒子具有相同的能量，两个容器具有相同的容积。因此虽然在化学上来说这两种气体是不同的，但是每个容器中的分子数必定是相等的。这个结果对理解许多化学现象是很重要的，它表明在一定的温度和压力下，在既定的容积中的分子数不是某一种气体所独有的，而是一切气体都有的。特别是动理论不仅预言这样一个普遍的数的存在，而且还能帮助我们来决定这个数。我们以后还要再研究这个问题。
物质动理论如实验确定那样，无论在定量方面或是在定性方面，都能解释气体定律。而且，虽然这个理论的最大成就是在气体方面，但它却不限于气体。
气体可以用降低温度的方法使其液化。降低物质的温度就意味着减小它的粒子的平均动能，因此，液体内粒子的平均动能比相应的气体的粒子的平均动能小些是很显明的。
所谓的布朗运动，首先给液体内粒子的运动作了一个令人信服的说明。这个奇异的现象，如果没有物质动理论，便会是完全神秘和不可理解的。它是植物学家布朗（Brown）首先观察到的，而80年之后，在20世纪之初它才得到解释。只要有一架不要求是质量特别好的显微镜，就可以观察布朗运动。
布朗当时正在研究某些植物的花粉粒子，按他的话说，那是：
花粉粒子或其他粒子的最大尺寸，其长度从1／1600厘米至1／200厘米（1／400英寸至1／5000英寸）。
接着他又说：
当我观察这些浸在水中的粒子时，我发现很多都在不停地运动着……在经过多次重复的观察以后，我确信这些运动既不是由于液体的流动也不是由于液体的逐渐蒸发所引起的，而是属于粒子本身的运动。
布朗所观察到的是悬浮在水中而且用显微镜可以观察到的粒子的不停的扰动。这是一幅很动人的图像！
观察到的这种现象是否与选择哪一种特殊的植物有关系呢？为了回答这个问题，布朗便用许多种不同的植物来重复做这个实验，他发现所有这些花粉粒子，只要足够小，只要悬浮在水中，都会表现这样的运动。他进一步发现无论是无机物还是有机物的微粒都有同样不停的无次序的运动。他甚至用石头研细的粉末来试验，也观察到这种运动（参看书末的附图Ⅰ）！
怎样解释这种运动呢？这种运动似乎和过去的全部经验都矛盾。譬如说，每隔30秒钟对悬浮着的一个粒子的位置进行一次观察，就会看出它的路径的奇怪形状。可惊异的是这种运动看来是永无止境的。把一个摆动着的钟摆放在水中，如果不加外力推动，它很快就会静止。一种水不减弱的运动的存在，似乎跟所有以前的经验都是矛盾的。这个困难，也由物质动理论圆满地解决了。
甚至用现代最强力的显微镜来观察水，我们也不能像物质动理论所描述的那样看得到水分子和它的运动情况。因此，我们可以断定，假如把水看作是粒子的集合体的理论是正确的，那么这些粒子的大小必定越出了最好的显微镜的可见限度。我们且不要攻击这个理论，并且假定它是一个描写实在的合理图景。用显微镜可以看到的布朗粒子是受到更小的水粒子所撞击。假如被撞的粒子足够小的话，便会发生布朗运动。它之所以会发生，是由于碰撞的不规则性和偶然性，因而从各方面来的这种撞击是不相等的，因而也不可能将它平均。这样，能够观察到的运动倒是观察不到的运动的结果了。大粒子的行为在某种程度上反映分子的行为，可以说，它是把分子的行为放大到能够在显微镜中看得见的程度。布朗粒子的运动路径的不规则性反映了构成物质的较小粒子的路径的同样不规则性。从上述情况我们可以得到这样的结论：如果对布朗运动作一个定量的研究，能够使我们对物质动理论有一个更深刻的理解。很明显，可见的布朗运动与不可见的撞击分子的大小有关。如果那撞击分子没有一定数量的能，或者换句话说，没有质量与速度，就不会有布朗运动。因此，布朗运动的研究，能使我们决定分子的质量，这是不足为奇的。
经过理论方面与实验方面的艰苦研究，动理论定量的特色也已经形成了。由布朗运动现象所产生的线索，便是形成定量数据的来源之一。从完全不同的线索出发，用不同的方法也可以得到同样的数据。所有这些方法都支持同一个观点，这个论据是很重要的，因为它说明了物质动理论的本质上的一致性。
由实验和理论所得到的许多定量结果中，这里只引用其中的一个。假使我们有1克最轻的元素氢，我们问：在这1克氢中有多少个粒子呢？这个问题的答案不仅回答了氢的问题，而且也回答了所有其他气体的问题，因为我们已经知道，在什么条件下，两种气体会有同样数目的粒子。
根据对悬浮在水中的粒子的布朗运动的某些测量结果，理论使我们能够回答这个问题。答案是一个惊人的大数字：3后面接23个数字。1克氢中的分子数是：
3．03×1023
设想1克氢的分子都增大到可以用显微镜看得见，譬如说，它的直径达到了1／2000厘米，就是说和布朗粒子的直径一样大。要把它们用一个箱子紧密地装起来，那么，这个箱子的每边大约是半公里长！
我们只要用上面所指出的数字去除1，便可以很容易地计算出一个氢分子的质量，答案是一个小得出奇的数：
3.3×10-24克
这个数代表一个氢分子的质量。
布朗运动的实验，只不过是决定这个数的许多独立实验中的一个，而这个数在物理学上有很重要的作用。
在物质动理论和它所有的成就中，我们看到，把一切现象的解释都归结为物质粒子间力相互作用的这个普遍的哲学预示已经实现了。
结语
在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力，那么它的未来的路径是可以预言的，而且它的过去也是可以揭示的。例如所有行星的未来路径都是可以预知的，作用在它们之上的是只跟距离有关的牛顿万有引力。经典力学的伟大成果暗示着机械现可以无例外地应用于物理学的任何分支部门，所有的现象都可以用引力或斥力来解释，而这些力只与距离有关，并且作用于不变的粒子之间。
在物质动理论中，我们看到这个观点是从力学问题中产生出来的，然后把热现象也包括进去，而且形成了一个很成功的物质结构图景。
《物理学的进化》
艾.爱因斯坦 利.英费尔德著
第二章 机械观的衰落
两种电流体
下面是关于几种简单实验的一个枯燥无味的报告。报告之所以令人厌烦，不单是因为描写一个实验总不如做实验那样有趣，同时还因为在未阐明理论之前它的意义还是不明显的。我们的目的在于供给一个鲜明的例子以表明理论在物理学中的作用。
1．把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线连接在验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个很简单的仪器，它主要是由悬挂在一根短短的金属棒的头上的两片金箔所组成的，注意使金属棒只跟非金属，即所谓绝缘体接触。除了验电器和金属棒之外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块法兰绒。
实验进行如下：先察看一下两片金箔是否合在一起，因为这是它们的正常位置。万一它们没有合拢，那么用手指接触一下金属棒，让它们合起来。做了这些初步准备以后，用法兰绒用力摩擦橡皮棒，再使它接触金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡皮棒移开以后，它们还是分开的（图23）。
2．我们再做另外一个实验。它所用的器具和以前一样，开始实验时金箔仍然要合在一起。这次我们不使橡皮棒接触金属棒，而只放在金属棒附近，验电器的金箔又重新分开，但是这次的分开有点不同了，当橡皮棒（它完全没有接触金属）移开后，金箔不继续分开，而是立即合拢，恢复到原来的位置。
3．我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验，假定金属棒是由两节连接起来的。我们用法兰绒把橡皮棒摩擦过以后，再把它接近金属棒，同样的现象又产生了——金箔分开了。但是现在先把金属棒的两节分开，然后才把橡皮棒移开。我们发现，在这个情况中金箔仍旧分开，而不像在第二个实验中那样恢复原来的位置（图24）。
这些最简单实验很难引起热烈的兴趣。在中世纪，做这些实验的人也许已经受过非难了，对我们来说，这些实验看来是枯燥和不合理的。把上面的实验报告读了一次以后，再要重述一遍而不至条理不清，恐怕都不是容易的事。有了一些理论观念，就可以帮助我们了解它们的意义。我们甚至可以进一步说，这样的实验绝不会是偶然做着好玩的，一定预先已经多多少少知道了它们的意义。
现在我们把一个非常简单和朴素的理论的基本观念说出来，这个理论能说明上面的各种事实。
有两种电流体，一种叫作正的（＋），而另一种叫作负的（－）。它们在过去表述过的意义上跟物质是很相似的，因为它们的数量既可以增加，也可以减少，而在任一个封闭系统里其总量是守恒的。但是电的情况跟热、物质或能之间有一个重要的差别。电的物质有两种。除非作出某些概括，这里就不能应用以前所作的钱的比拟了。如果物体正的电流体和负的电流体完全相互抵消，这个物体就是电中性的。一个人若一无所有，可能是因为他确实一无所有，也可能是因为他放在保险柜里的钱的总数恰恰等于他负债的总数。我们可以把正负电流体比作是帐簿中的借项和贷项。
这个理论的第二个假定是，同类的两种电流体互相推斥，而异类的两种电流体互相吸引。这可以用图来表达，如图25所示。
最后还必须有一个理论上的假定：物体有两类，电流体可以在物体中自由运动的一类叫做导体，电流体不能在物体中自由运动的一类叫做绝缘体。物体的试种分类不能认为是很严格的，理想导体和理想绝缘体都是永远不能实现的一种假设。金属、地面、人体都是导体的例子，但是它们的传导程度并不相同。玻璃、橡皮、磁器之类都是绝缘体。空气只有局部的绝缘作用，这是看见过上述实验的人都知道的。静电实验的效果不好，通常都归因于空气的湿度，因为空气的湿度大了，会增加它的导电性。
这些理论性假定已经足以解释上面的3个实验了。现在我们把这3个实验仍按原来的次序，用电流体理论再来讨论一番。
1．橡皮棒也和其他物体一样，在正常情况下是电中性的。它包含正、负两种电流体，数量相等。用法兰绒摩擦它，就把两种电流体分开了。这完全是一种习惯上的说法，因为这种说法是应用理论所创造的术语来描述摩擦过程的。橡皮棒被擦以后，有一种多余的电叫做负电，这个名词当然只不过是相沿成习而已。假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我们必须把这种多余的电叫做正电，因为只有这样才不至于跟前面的说法相矛盾。我们把实验继续做下去。把橡皮棒接触金属导体，于是我们就把电流体传送过去了。这些电流体在导体内自由地运动，于是它们就分布在包括金箔在内的整个导体上了。因为负电与负电相互推斥，所以两片金箔尽量地相互离开，其结果就是我们以前观察到的金箔的分开。金属要放在玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的导电率很微弱，就可使电流体一直留在导体上。现在我们懂得在实验开始以前必须用手指去接触金属棒的道理了，在这个情况下，金属、人体和地面构成了一个大的导体，因此电流体便分散得极为稀少，验电器上实际上已经没有什么电流体了。
2．第二个实验在开始时是和第一个实验完全一样的。但是这次橡皮棒不接触金属棒而只是接近它。导体上的两种电流体因为都可以自由流动，所以被分开了，一种被吸引，而另一种被推斥。如果把橡皮棒移开，它们又重新混在一起，因为不同类的两种电流体是互相吸引的。
3．现在把金属棒先分为两节，然后把橡皮棒移开。在这种情况下，两种流体不能混在一起了，金箔保留了多余的那一种电流体，所以继续张开。
按照这个简单的理论，上述的所有情况似乎都是能够理解的。这个理论的作用还不止于此，它不仅使我们能够理解这些现象，而且还可以使我们理解“静电学”范围内的其他许多现象。任何一个理论的目的是指导我们理解新的现象、启发我们做新的实验从而发现新的现象和定律。举一个例子就明白了。设想把第二个实验加以改变，假使当我把橡皮棒放在金属棒旁边，同时又用自己的手指接触金属棒，现在会发生什么呢？理论能作出答案：受橡皮棒推斥的负（－）的电流体现在通过我的身体逃走了，结果在金属棒上留下的只有一种正（＋）的电流体。只有接近橡皮棒的一个验电器的金箔仍旧分开，做一做真实的实验就能确认这个预言（图26）。
这个理论自然很简陋，而且不能满足现代物理学的观点，可是它却是说明任何一种物理学理论的特色的一个很好的例子。科学没有永恒的理论，一个理论所预言的事件常常被实验所推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，它就很快地衰落。上面讲过的热的物质说的盛衰便是许多例子中的一个。还有其他更深刻更重要的例子，以后还会讨论到。科学上的重大进步几乎都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。我们必须检查旧的观念和旧的理论，虽然它们是过时了，然而只有先检查它们，才能了解新观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和新理论的正确程度。
本书开端处，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况、然后用纯粹的思维去寻找正确答案的侦探家。至少在一个论点上，这个比喻是很不恰当的，无论在现实生活中或在侦探小说里面，必定先知道有人犯罪，然后侦探才去检查信件、指纹、子弹、枪支等，他至少是知道发生了一件暗杀案子。科学家就不是这样。我们很容易想象有些人对于电一无所知，因为所有的古人对于它都没有一点知识，但也生活得很快乐。假使你把金属棒、金箔、瓶子、硬橡皮棒、法兰绒，总之是要做那3个实验所必需的东西都交给这样一个人。他即使是一个很有文化的人，他也许会用瓶子盛酒，把法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做我们上面所描述的实验。对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁杀了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦察它。此外，他不但要解释一个案子，而且所有跟它有关的已经发生或可能发生的现象他都要解释。
在引用电流体的概念时，我们知道这里是受到机械观影响的，因为机械观是要用物质和作用于物质之间简单的力来解释一切事物的。要知道机械观能否用来描写电的现象，我们必须考察下面的一个问题。有两个圆球，都有电荷，就是说都带有某种多余的电流体。我们知道这两个圆球或者会互相吸引，或者会互相推斥。但是力只与距离有关吗？倘若确实如此，具体的关系又是怎样的呢？最简单的猜测是这种力跟距离的关系正如万有引力与距离的关系一样，例如距离增加到3倍，它的强度便减为原来的1／9。库仑（Coulomb）所做的实验证明这个定律是确实可靠的。在牛顿发现万有引力定律之后100年，库仑发现电的力与距离之间的关系和万有引力与距离之间的关系一样。但是牛顿定律与库仑定律之间有两个巨大的区别：万有引力是永远存在的，而电的力只是在物体带电时才有；万有引力只是吸引，而电力则既可以是吸引也可以是推斥。
现在产生了同样的一个问题，这个问题在前面谈热的现象时已考察过。电流体是有重力还是没有重力的物质呢？换句话说，一块金属在它电中性时和带有电荷时其重力是否一样呢？我们把它称一下，发现这两个重力完全没有差别，由此我们可以断定电流体也是没有重力的一族物质中的一种。
电的理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避免严格的定义，改用已经熟悉的概念来比拟。我们记得要了解热的现象，区别热和温度是极为重要的。同样，这里区别电势和电荷也是很重要的。这两个新概念的区别用比拟的方法便可以弄明白：
电势——温度
电荷——热
两个导体，例如两个大小不同的圆球，可以有相同的电荷，就是说，多余的电流体相同，但是两者的电势就不同，也就是说，小圆球上的电势较高，大圆球上的电势较低。在小圆球上电流体的密度较大，也就更受到压缩。因此密度愈大则互相推斥的力愈大，小圆球上的电荷逃去的趋势要比大圆球上的大。电荷要从导体逃去的趋势就是直接测量电势的标准。为了清楚地说明电荷与电势的差别，我们必须列出几行描述受热物体行为的语句，以及和这些语句相对应的描述带电导体的几行语句。
热电
两个物体，起先的温度各不相同，当它们互相接触，过了一段时间后，它们就达到相同的温度。
若两个物体的热容量不同，则数量相等的热会产生不同的温度变化。
温度计与任何一个物体相接触，通过水银柱的高度表示出它自己的温度，因而也表示出物体的
温度。两个绝缘导体，起先的电势各不相同，当它们相互接触，它们很快就达到相同的电势。
若两个物体的电容量不同，则数量相等的电荷会产生不同的电势变化。
验电器与任何一个导体相接触，通过金箔的互相分开程度表示出它自己的电势，同时也表示出导体的电势。
但是这样的比拟不能延伸太远，下面的例子将指出它们的相似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个有负电荷。这两个电荷的电势各不相同，依照习惯，我们认为负电荷的电势比正电荷的电势低。假使把这两个导体接触在一起，或者用导线连接起来，那么根据电流体的理论，它们将显示出不带电荷，因而根本不会有电势的相差。我们必须想象在电势差被平衡的很短的时间内电荷是从一个导体“流”向另外一个导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体（如图27所示），还是负的电流体流向带正电的物体呢？
事实上，单是根据这里所提到的素材，我们无法判定两者之中哪一种是对的。我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以同时有两个方向的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来决定这个问题的方法，我们只是使它成为常规，在选择上没有什么特定意义。往后的发展得出了能答复这个问题的更深的电理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达是完全没有意义的。这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是从电势较高的导体流向电势较低的导体的。这样，在刚才所说的两个导体中，电是从带正电的导体流向带负电的导体的。这种表述完全是一种习惯上的说法，在这里甚至是完全武断的。所有这些困难，表明热和电之间的比拟是不可能完整无缺的。
我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能的。同样，用机械观来描写磁的现象也是可能的。
磁流体
这里我们还是依照上面的同样方式，先叙述几种非常简单的情况，然后去寻找它们的理论解释。
1．有两根磁棒，一根支在一个架子的中点，它处于水平位置，故能自由转动，另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端相互靠近，那么它们之间会有强烈的吸引，这是经常可以做到的（图28）。如果不互相吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一端去试试。只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引的。磁俸的两端被称为它的极。实验再继续下去，我们把手持磁棒的极沿着另一个磁棒向中点移动过去，此时发现吸引力减小了，而当磁棒极达到那根磁棒的中央时，就根本没有吸引力了。如果磁极继续朝同一方向移过去，那么就会逐渐发生推斥现象，当到达支起的磁棒的另一极时，斥力最大。
2．上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个极，我们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单，只要把一根磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁棒的极与另一根磁棒的中央之间是没有力的，但是实际上把一根磁棒折成两段，其结果却是惊人的、出乎意料的。如果我们照上面一节里所描写的实验再来做一次，不过这回是用支起的那根磁棒折成两段，拿其中一段照样支起来做的，结果仍是一样，本来是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的极了。
应该怎样解释这些事实呢？由于磁的现象也和静电的现象一样有推斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理论。设想有两个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是负的。这里所谓“相等”是指有相同的绝对值，例如＋5和－5就具有相同的绝对值。假定这两个圆球用一种绝缘体如玻璃棒之类连接起来，若画成图，这种装置可以用一根从带负电荷的导体指向带正电荷的导体的一个箭头表示出来（图29）。我们把这整件东西叫做电的偶极子。很明显，这样的两个偶极子的行为和第一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是一根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁棒不是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。这个简单的理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满的。在一端应该是吸引，在另一端是推斥，而在中央则两种相等而相反的力互相平衡。但是怎样解释第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾的。由于这个矛盾使我们不得不介绍一种更准确的理论。我们放弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基本磁偶极子组成的，这些基本偶极子再不能折断为孤立的极。在磁棒中有一个统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向（图30）。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，那新的两端又变成新的两极的理由，也知道这个更精细的理论既能解释第一个实验也能解释第二个实验的理由。
有很多情况，对那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精细的理论。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为在一片普通的铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出真正的效应来。把磁棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分开”的作用，吸引了负的磁流体而推斥了正的磁流体，结果就出现铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒以后，磁流体又多少恢复原来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追想起”外力的命令的程度如何。
我们不准备细述这个问题的定量内容。用两根很长的磁棒，我们就可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或推斥的力。假设磁棒很长，棒的另一端影响就可以忽略。引力或斥力与两极间距离的关系怎样呢？库仑实验作出的答案是这样的：这种关系与牛顿的万有引力定律和库仑的静电定律是一样的。
我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于用引力和斥力只与不变的粒子之间的距离有关，而且只作用于粒子之间来解释一切现象。
这里我们提及一件人人皆知的事情，因为以后我们还要用到它。地球是一个大的磁偶极子。我们一点也不能解释它何以如此。北极接近于地球的负（－）磁极，而南极则接近于地球的正（＋）磁极。这正负的名词，不过是习惯上所规定的，但一旦规定了，便可以使我们决定任何别的场合中的磁极。一根装在竖直轴上的磁针会服从地球磁力的“命令”。磁针的（＋）极指向北极，也就是说，指向地球的（－）磁极。
我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但是也不必因此特别自满或喜欢它。如果我们不泄气，我们也应看到这个理论中有些部分确实很不圆满。我们正在发明物质的新的种类：两种电流体和基本磁偶极子。我们开始感到物质实在太多了。
力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质。它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。
第一个严重的困难
现在可以谈一谈应用我们的普遍哲学观点所遇到的第一个严重的困难了。后面我们还会看到，这个困难和另一些更严重的困难一起，使我们绝对不再相信一切现象都是可以用机械观来解释的了。
自从发明电流以后，作为科学与技术的分支部门的电学才有了惊人的进展。偶然的事件能产生重大的作用，这种例子在科学史上是很少见的，这里我们找到了其中的一个。蛙腿痉挛的故事有各种各样的说法，不管那些细节的真实性如何，伽尔伐尼（Galvani）的偶然发现使得伏打（Volta）在18世纪末发明了所谓伏打电池，这一点总是毫无疑问的。这种电池早已没有什么实用价值了，但是在学校的实验中，或在教科书中，总是一直把它用作最简单的例子来说明电流的来源。
它的构造原理是很简单的。拿几个大玻璃杯，里面装水，再加一点点硫酸。每个玻璃杯中有两个金属片，一为铜片，一为锌片，都浸在溶液中。一个玻璃杯中的铜片和下一个玻璃杯中的锌片连接起来，这样就只有第一个杯中的锌片和未一个杯中的铜片没有连接。如果“元件”的数目，即构成电池组的装有金属片的玻璃杯的数目相当多，那么我们用非常灵敏的验电器就可发现第一个杯中的铜片和末一个杯中的锌片之间有电势差。
如上所述，我们只是为了可以用仪器很容易地测量电势差，所以介绍了由若干个玻璃杯组成的电池组。但在以后的讨论中，用一个玻璃杯装成的单电池就够了。我们可以证明铜的电势比锌高些，这里所谓“高些”的意思是等于说＋2比较－2要大些。假使把一个导体连接到那个空着的铜片上，另一个导体连接到空着的锌片上，则两个导体上都会有电荷，前一个有正电荷，后一个有负电荷。到此为止，还没有发现有什么了不起的新的现象，我们还可以应用以前关于电势差的观念。我们已经知道两个电势不同的导体用导线连接起来以后，可以使电势差消失，因此电流体是在从一个导体向另一个导体流动的。这种过程与由于热的流动使温度相等的现象是相似的。但是伏打电池中的电流是否也是这样流动的呢？
伏打在他的实验报告中曾说过，金属片的作用和导体一样：
……微弱地带电，它们不断地作用，或者说在每一次放电之后，又立刻有新的电荷。总而言之，它所供给的电荷是无穷尽的，或者说，会发生一种永远不断的电流体的作用或冲动。
这个实验的结果是令人惊异的，因为用导线把两个带电导体连接起来，电势差就会消失，而铜片和锌片之间的电势差是不会消失的。电势差既然维持不变，那么根据电流体的理论，便有电流体不断从较高的势位（钢片）流向较低的势位（锌片）。我们姑且不放弃电流体理论，可假定有一种经常的力，使电势差不断再生，因而引起电流体的流动。但是从能的观点看来，整个现象是令人惊奇的。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，假使导线比较纤细，甚至会被熔化。由此可知，在导线中产生了热能。但是这整个伏打电池组构成一个孤立的系统，因为没有能从外部加进来。假使我们不愿放弃能量守恒定律，便必须找出能的转换发生在什么地方，热是由哪种能转换出来的。我们很容易理解，在电池中产生着很复杂的化学变化过程，在这个过程中溶液及浸在其中的铜片和锌片都是起作用的。从能的观点看来，转换的程序是这样的：化学能——流动的电流体即所谓电流的能——热。一个伏打电池组不能永远使用下去，化学变化和电的流动经过一个相当时期以后，便会使电池组失掉效用。
有一个实验，它把应用机械观的巨大困难揭露出来了。这个实验初听起来是很奇怪的，它是奥斯特（Oersted）约在120年前所做的，他这样写道：
这些实验似乎已表明，我们可以用一个伽尔伐尼装置使磁针移动自己的位置，但是只有在伽尔伐尼电路闭合时才有这种现象，而不是在电路断开时。几年以前某些非常有名的物理学家仍想在电路断开时使磁针移动位置，但毫无结果。
假设我们有一个伏打电池组和一根金属导线，如果把导线连接在铜片上，而不连接在锌片上，便会发生势差，但是却不会有电流。假设把导线弯成一个圈，在它的中央放上一根磁针，导线和磁针都在同一平面上。在导线不接触锌片时，不会有什么现象发生。没有任何力在作用，所存在的势差对磁针的位置不会产生任何影响。我们简直不懂为什么奥斯特所说的那些“极有名的物理学家”会去期待这种感应的到来。
现在让我们把导线连接在锌片上，奇怪的现象立刻发生，磁针离开了它原来的位置。假使把书的平面代表圈的平面，则磁针的两极中有一个极正指向读者（图31）。这个效应表明，有一种垂直于圈平面的力作用在磁极上。在实验的事实面前，我们不可避免地会作出结论，认为力作用的方向是垂直的。
这个实验之所以重要，第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象，即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要，磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力，不是在沿连接金属线和针的直线上，也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上，力是与这些直线垂直的。按照机械观，我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型，而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。我们记得那些服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁力都是沿着连接于相互吸引或相互推斥的物体的一条直线而作用的。
在差不多60年以前，罗兰（Rowland）做了一个很精巧的实验，把这种困难显示得更厉害了。我们把实验的技术细节丢开不谈，只叙述实验的大意。设想一个小的带电圆球（图32），再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动，在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的，惟一不同的是他不用通常的电流，而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同，磁针受一个垂直的力的影响而发生偏转现象。
现在我们使带电体运动得更快些，这样，作用于磁极的力增大了，磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。可是我们还能够持保守态度，仍旧在旧的观念范围内找寻解答。
当一个理论在很顺利地发展时，突然会发生一些出乎意料的阻碍，这种困难在科学上常常发生。有时把旧的观念加以简单推广似乎是一个解决困难的好办法，至少暂时解决困难是可以的。例如在现在这个例子中，似乎把过去的观点推广，而在基本粒子之间引入一些更加普遍的力就够了。可是那旧理论往往已无法弥补，而困难终于使它垮台，于是新的理论随之兴起。在这里，不是单单一个小小磁针的行为把表面上很稳固、很成功的机械论打倒了。从一个完全不同的观点上来了另一个更有力的攻击，但这是另一个故事，我们以后再谈吧！
光的速度
在伽利略的《两种新科学》一书中，我们可以听一听教师和他的学生之间关于光的速度的谈话：
沙格勒多（Sagredo）：我们应该认为光的速率是属于哪一类呢？有多大呢？光的运动是即发的呢，还是像其他的物体一样需要时间的呢？我们能用实验来解决这个问题吗？
辛普利娑（Simplicio）：日常经验告诉我们，光的传播是即发的，因为当我们看见远处开炮时，闪光不需时间便传到了眼睛，但是声音却是在一个显著的时间间隔以后才传到耳鼓来。
沙格勒多：那么，根据这一点熟悉的经验，我们只能推论传到我们耳鼓的声音比较光要传播得慢些，它并没有告诉我们光的传播是即发的，或者说它传播得非常快，但总是需要时间的……
萨尔维蒂（Salviati）：这些观察以及其他类似的观察中所得到的一点结论，使我想出了一个可以用来精确地决定光的传播是否即发的方法……
萨尔维蒂还继续解释他的实验方法。为了了解他的观念起见，我们不妨设想光的速度不仅是有限的，而且是很小的，光的运动慢下来了，像慢动作的电影片一样。甲和乙两个人都拿着遮起来的灯相距1公里站着，第一个人（甲）先打开他的灯。这两个人已经预先约好，乙看见甲的光就立刻打开自己的灯。假定在这里所说的“慢动作”中的光每秒钟走1公里。甲把灯上的遮盖物拿开，于是一个信号就送出去了。乙在1秒钟之后看到这个信号并发出一个回答的信号，甲在发出自己的信号之后2秒钟收到乙的信号。假使光的速率是1公里每秒，则甲在发出和接到离开他1公里的乙的信号之间要经过2秒钟。反过来说，如果甲不知道光的速度，但假定他的同伴是遵守约定的，他若看见在打开自己的灯以后2秒钟，乙的灯也打开了，他就可以断定光的速率是1公里每秒。