世界现代前期科技史-第8节
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了伦敦专利局批准的专利。同年又在伦敦建立了马可尼无线电信公司。由于
马可尼在英国的成功和影响，意大利政府向他发出了回国工作的邀清。马可
尼高兴地接受了邀请，并将自己的公司更名为“意大利无线电公司”。
对无线电通讯做出重要贡献的还有俄国物理学家波波夫（1859—1906）。
他于1895年5月7日在彼得堡物理化学协会物理学部年会上，用他制成的世
界上第一台无线电接收机成功地进行了无线电通讯的公开实验。波波夫曾任
俄国水雷学校教官。在对无线电通讯系统的改进中，他也设置了天线。1896
年波波夫又实现了海上船舶间的无线电联系。1897年俄国海军在克朗施塔得
建立了无线电报局，波波夫所创造的无线电报设备在俄国军舰上获得了应
用。1898年马可尼成功地实现了跨越英吉利海峡的无线电通讯。1901年12
月12日，马可尼又将无线电讯号发射到大西洋彼岸，即从英国的康瓦尔传播
到加拿大的纽芬兰，其间相距2700公里，终于实现了越过大西洋的无线电联
系。从此，无线电通讯进入实用阶段，使世界通讯事业出现了新的面貌。此
后马可尼又研制出一套高效能的接收系统，进一步改进和完善了无线电通
讯。由于他对无线电通讯的杰出贡献，在 1909年和德国物理学家布劳恩共同
获得诺贝尔物理学奖。
无线电报的发明和应用，引发了一系列重大的技术突破，开辟了无线电
技术的新时代。继无线电报成功之后，无线电广播、雷达、电视等新技术相
继出现、纷纷登场。
无线电能够准确地传播莫尔斯电码，自然人们就想到了能否用无线电直
接传播人的声音。美国物理学家费辛登 （1866—1932）早就萌生了这样的念
头，并且成为率先实现传声无线电的科学家。费辛登原在爱迪生实验室工作，
1900年又到美国气象局从事无线电实验。1902年他建立了专门的实验室，开
始进行传声无线电的研究。费辛登历经4年顽强的奋斗，终于成功的设计制
造了一套传播声音的无线电装置——人类历史上第一个无线电广播电台。在
1906年圣诞节前进行了第一次播音。这一天，有些报务员从耳机中破天荒地
听到了空中传来的节日祝福。
传声无线电的播音成功，又刺激了收音装置的迅速发展。1904年英国电
气工程师弗莱明 （1849—1945）发明了具有检波作用的二极管；美国的设计
师浮来斯特（1873—1961）又于1907年发明了具有放大作用的三极管。后来
美国电气工程师阿姆斯特朗又发明了超外差装置。于是收音机得以发展和推
广的条件趋于成熟。
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四、物理学革命与相对论的创立
19世纪末到20世纪初是物理学发生巨大变革的年代，相对论（包括狭
义相对论及广义相对论）和量子力学在这个世纪之交先后诞生，这一场对经
典物理学的深刻革命使人们对自然界的认识深入到微观，扩大到字观，并大
大推进了20世纪人类社会和科学的进步。考虑到两个理论之主要成果产生的
时间，相对论的创立将在本书中叙述，而量子理论的建立留待世界现代后期
科技史中介绍。
1。狭义相对论的创立
（1）经典物理学的内在矛盾和麦克尔逊—莫雷实验的“零结果”
1687年夏，牛顿（1643—1727）《自然科学的数学原理》的出版标志着
物理学的第一次大综合。该著述集中了作者多年来潜心研究的成果，他天才
地统一了伽利略 （1564—1642）的力学成就和开普勒（1571—1630）等所揭
示的星体运动规律，提出运动三定律和万有引力定律，形成了经典力学（也
称牛顿力学或古典力学）的理论体系。后人为这个体系的进一步发展和完善
又作了许多出色的工作，拉格朗日 （1736—1813）的《分析力学》和拉普拉
斯（1749—1827）的《天体力学》堪称经典力学的颠峰。到19世纪初，经典
力学大厦几乎是“尽善尽美”、“坚不可摧”了。经典力学在各方面取得的
举世公认的巨大成功使“所有的物理学家，都把古典力学看作是全部物理学
的、甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础”。
19世纪60年代，麦克斯韦 （1831—1879）运用数学分析的方法，类比
流体力学方程，建立了一组偏微分方程，概括了从库仑 （1736—1806）、高
斯（1777—1855）、奥斯特（H。C。Oersted，1777—1851）、安培（A。M。Ampere，
1775—1836）到法拉第（M。Faraday，1791—1867）的工作，把电磁运动的一
系列基本规律统一在包含以下四个方程的麦克斯韦方程组中：
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可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”约里的话代表了当时物理学
界许多人的看法，即物理学是一个有才华的年轻人已经不可能有所作为的领
域了。
19世纪物理学界的元老，声名显赫的威廉·汤姆生（1824—1907）即开
尔文勋爵当时也认为，未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻
找，也就是说，未来的物理学研究者只能做一些修修补补工作了。然而，随
着20世纪的破晓而降临的物理学革命很快便否定了这种说法。这场革命的产
生是由于与经典物理学矛盾的实验事实的出现，更由于经典物理学内部所存
在的矛盾，即不统一性。
我们知道，任何自然过程总是发生在空间中的一定地点，并经历一定的
时间。因此，表达物理规律必须有时间和空间的变量，时间和空间的概念则
一直是物理学最根本和最重要的概念。
在牛顿力学中，时间和空间被视为是脱离物质运动而独立存在的框架，
空间是绝对不变、不动的，时间则是绝对均匀的。这种绝对的时空观符合人
们的日常经验，也被认为是天经地义的。
牛顿在他的名著《自然科学的数学原理》中写道：“绝对的、真的、数
学的时间，是自身在那里流逝，它是匀速的，不与外界任何对象发生关系的”，
“绝对的空间本身与任何客体无关，永远保持不变、且不动。”
牛顿的这种绝对时空概念似乎表明存在一个独特的、绝对的参考系。而
伽利略则指出，一切取作机械运动的惯性参考系都是等价的，根据力学规律
无法判断惯性系的优劣。所谓惯性参考系，是指牛顿第一定律（惯性定律）
在其中成立的参考系。例如，地球就是一个近似程度很高的惯性参考系。相
对地球作匀速直线运动的车船也是惯性系，在任何一个惯性系内的观察者不
可能用力学方法来测定此惯性系的运动状态。这就是力学的相对性原理，也
称伽利略相对性原理。伽利略把这种相对性原理用数学的方法表达出来，即
给出了两个惯性系之间时间和空间坐标的如下变换关系式：
x'
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在真空中传播。力学几乎可以解释声学的一切现象，那么对光的现象呢？
光的波动说最早由胡克（1635—1703）提出，并为惠更斯（1629—1695）
进一步发展。在很长的时间里（直到20世纪初）人们对波的理解只局限于某
种媒质的力学振动。这种媒质就称为波的荷载体或载体。如水波的荷载体是
水，声波的荷载体是气体、液体、固体等传声媒质。光与声音不同，它可以
在真空中传播，那么，光波的荷载物是什么呢？惠更斯最早想到了“以太”。
在古希腊，“以太”指青天或上层大气；在古宇宙学中，“以太”用来表示
占据天体空间的物质。17世纪，笛卡儿（1596—1650）赋予它某种力学性质，
用来解释任何物体之间相互作用力的传递媒质。惠更斯设想“以太”为荷载
光波的媒介物质，并认为它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到
通常的物质中。
随着麦克斯韦电磁理论的日臻完善和光、电、磁现象的统一，“以太”
便自然地成为电磁作用的载体。
研究发现，在伽利略变换下，电磁理论的数学表达式——麦克斯韦方程
组中的方程不再具有协变性。由麦克斯韦方程确定的真空中电磁波的传播速
度为光速C，在另外的惯性参考系中，速度将不再是C。也就是说，伽利略协
变性不适合于电磁理论。这似乎意味着，力学满足相对性原理而电磁学规律
不满足相对性原理，对麦克斯韦方程而言，似乎存在一个特殊的惯性参考系，
在这个优越的惯性参考系中，光的传播速度为C，而且，这个特殊参考系即
绝对静止的坐标系，看来是非“以太”参考系莫属。
经典力学体系的内在矛盾竟促使人们把寻找绝对优越之惯性参考系的希
望寄托在经典物理理论的内部矛盾上，寄托在力学现象以外的物理现象上，
比如电磁现象，光的现象等。“以太”参考系显然给苦苦寻求绝对静止参考
系的人们带来了希望。证实“以太”和“以太”参考系的存在，在物理学理
论上便具有十分重要的意义。为此，许多物理学家设计了各种各样的实验，
其中最著名的是麦克尔逊 （1852—1931）—莫雷（1838—1923）实验。他们
试图利用光学的方法借助灵敏的干涉仪来测定地球相对以太的绝对运动。
地球以每秒30公里的速度在其轨道上绕着太阳运动，整个太阳系以每秒
20公里的速度在宇宙中飞驰，而我们的银河系也在以相当高的速度不停地运
动着。如果以太是静止存在于“绝对空间”之中，那么，地球相对绝对静止
的以太运动，地球上的实验者应能观测到“强劲的以太风”。
这个实验是根据麦克斯韦生前提出的设想设计的。麦克斯韦认为，若地
球相对静止以太运动，那么，沿地球运动方向发出一个光信号到一定距离后
反射回来，光信号往返所需要的时间应小于光信号沿垂直于地球运动方向发
射到相等距离往返所需要的时间。
1881年，美国物理学家麦克尔逊用他自己发明的干涉仪进行了第一次实
验。麦克尔逊出生于波兰，曾在柏林和波斯坦作过亥姆霍兹的奖学金研究生。
1887年他与莫雷合作改进了这个实验，使用他亲自设计的高精度镜式干涉
仪，大大提高了实验的精度。
下页右侧给出了该实验装置的示意图。
单色光源S发出的平行光束射到45°角放置于O处的半镀银分光板上，
被分成互相垂直的反射和透射两股光束。透射光沿OA臂方向到达反射镜A
后被反射回来；反射光沿OB臂方向到反射镜B后反射回来。这两股光束经O
处分光板的透射和反射到达观测屏D处，两条光路上相差的光程由补偿板L
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补偿。实验时，先让干涉仪的OA臂与地球相对“以太”运动的方向平行，另
一臂与之垂直。按经典的理论，光速各向是不等的。地球沿OA臂方向相对“以
太”运动，地球上的观测者看来，以太沿AO方向流动，光从O传播到A如逆
水行舟，速度应为C—V，即光在静止的以太参考系中的速度减去地球运动的
速度；光从A返回O则如顺水行舟，传播速度为C＋V。而沿OB臂传播的光
束如横水行舟。由计算可得到，两束光传播的时间差为△T，在观测屏上将会
看到两股相干光束的干涉条纹。然后，将整个干涉仪转过90°，使OA臂垂
直于地球运动的方向，由计算，可得此种情况下，两股相干光束传播的时间
差为另一值△T’。
前后两种情况下的时间差的变化量将会引起观测屏上干涉条纹的移动。
麦克尔逊和莫雷当时用纳光作实验，并采用多次反射法增加干涉仪两臂的实
验长度达11米。将有关数据代入干涉条纹移动值的计算公式后，求得干涉仪
旋转前后，干涉条纹应移动将近半个条纹，也就是说，旋转前的明条纹应基
本成暗条纹，而暗条纹变明。
但是，麦克尔逊和莫雷的实验并未观察到预期的干涉条纹的移动。他�
