傅统先全集第一卷：物理学最近之发展

天文学的发展离不了数理与物理，所以相对论通常是在物理学范围中讨论的。但是此地我认为从目的上说，相对论之旨趣在求空时之本然，引力的究竟，它着重于宇宙之大处。物理学则偏重在自然界的小处，譬如它求原子的构造，辐射之本质。我先大略的把物理学一般的情势说一说。

一、原子之结构 爱丁顿在其《物理世界之本质》中说：“在一九〇五年和一九〇八年之间爱因斯坦与闵可夫斯基根本的变化了我们对于时间与空间的观念。在一九一一年拉塞佛德（Rutherford）对于物质的观念引起了从德穆克利特以来所未有之变化……近代物理学对于原子中所发现的真实空间之事较之天文学对于星辰间所发现的真实空间之事尤为混乱。”可见近来关于原子的结构的问题极为兴奋。原子已决不是一种细小坚硬固体的实体，而成为一种精致的太阳系似的组织。在这个组织的中心有正电荷以为核名曰质子（proton），而绕此质子运行者为负电荷名曰电子（electron），如行星之绕日。因电子与质子引力作用之相等而使电子得以依循轨道而运行，彼此保持其平衡。质子之质量（mass）大于电子一八五〇倍。故原子为质子与电子所组织，而质子几占原子质量之全部。但质子与电子之间所余空隙尤极大。譬如我们把组织人体的一切元核电子堆集起来除去其间空隙，所剩者仅为一为放大镜所得见之一小点。所以原子是太阳系式，其特点有二：（1）原子为正负两电荷所组合；（2）其间有极大之空隙。

二、量子新论 物质之原子性由来已久，而于二十世纪之初关于力能之放射始作原子性解释。一九〇〇年德国大物理学家蒲朗克（Max Planck）首先主张力能（energy）也是原子的，而其单位为量子（quantum）。普氏发现放射力能的常数为（6.55×10-27erg-sec），曰蒲朗克常数，以h代替之。以此常数乘每秒钟振动之次数，即得力能之数量。一九〇五年爱因斯坦准此量子论而扩充为光量子论（Photo-Quanta Theory），他主张光力能乃是一捆一捆的放射，其放射单位为光子（photon）。因此光已不是继续不断波浪式的放射，光能是一个光子一个光子像弹子式的射击。辐射力能是原子性的，辐射是许多光子所组合。量子非皆同一大小。一单个量子中之能量需赖此粒子每秒钟振动之次数为转移。在一九二五年海森堡（Heisenberg）发表一篇新量子论和斯鲁丁格（Shrodinger），柏乐吉利（Broglie），戴拉克（Dirac）的波动力学，他们以为光能单以粒子解释还不够，同时光也需波浪的概念。物质单以原子去解释也是不够的，物质还能有绕折与干涉作用等等波浪的性质。结果，物质与辐射成了一种波粒两元的东西。

三、不定原理 原子太细微得不能得而观察，吾人之知有原子乃由其有活动。电子运行使四周发生影响，因之我们认定原子之情状。假使原子是常住不变的，电子始终循着唯一的轨道绕原子核而行，无所谓四周之影响，亦无从知原子为何物。电子总是在许多轨道中跳来跳去。若是电子从里面一轨跳到外面的一轨道，则得以吸引外来之力能；它若从外一轨跳到里轨道则力能向外发射。于是电子围绕原子核左冲右突，横冲直撞，时而向外射发力能，时而吸收外来之力能，来去无定。电子从此一轨离开而达到彼一轨，其间吾人未能得其丝毫足迹。或者我们可以说，电子一会儿在此一轨道上消失，一会儿在另一轨道又产生。在这个此生彼灭之间我们看不出丝毫的因果关系。我们更不能预测这种跳跃在什么环境在什么时候会得发生。我们真无法去决定电子的行为。因果律在此小宇宙间无以为力。

若是我们对于粒子有完全之认识必同时得知其确实之位置与精密之速度。但是一九二七年海森堡发表了他的《不定原理》（Principle of Indeterminacy），大意说：“一粒子能够保持其位置，或能确定其速度，然若两者同时具备，则在任何严格之意义之下都是不可能的。”我们能确定其位置则其速度愈难得知；愈精细的测量其速度，则对其位置之观念愈为模糊。此原理用之于波浪说为然。用之于波粒子说尤然。所以我们对于自然之认识是不定的，是或然的。(www.xing528.com)

四、思想方法 因为近来发现了原子的组织，新力学的成立，不定原则之建设都根本的牵涉到科学理论的方法上。以前的科学是根据因果律，或机械法。一块石头在二百五十六尺高的楼上落下来，照伽利略（Galileo）的堕体律推测起来，这石头一定在四分钟后落在地面。这就是说若是我们得知了一系统起初的状态以及其管理此系统的法则，那末我们便能预测该系统在任何时间的状态。这是可以用实验证明的。这种决定论到牛顿尤为大盛。新物理学有许多地方已不能适用因果律做思想的方法。马克士威（Maxwell）首先拿统计法（statistical method）来代替因果法。后复经鲍兹曼（Boltzmann），斯摩鲁考斯基（Smoluchowski）及基布斯（Gibbs）之应用，于是统计思想法乃遍布于全物理学界。所谓统计法就是统计事物的总数，求其平均之现象以诠释其全体。统计法不助我们去预测全体中某单件事故的发生。统计法只给人们以推论管理系统的全体的法则。我们不能说某种情形将来必定如何结局，我们只能说某事之全盘或将有某种发展之可能。所以测量之数目愈多，则此法则之应用愈确。这种思想方法就是限制我们去预测单个事件的未来。若云明其既往，则得知其未来一切，诚欺人之谈，不足为信。科学知识愈发达，我们对本身无知之自觉愈深。我们越进步得快，求知之态度越和缓客气。现今一洗十八世纪科学不可一世之傲慢态度，这是二十世纪统计法之一大贡献。

五、最近趋向 自拉塞佛德首创太阳系之原子说，至一九一三年～一九一五年间鲍尔（Niels Bohr）复以不继续之概念（即量子论）加入原子之结构，其势大盛。后又有商美费德（Sommerfeld）以相对论应用于原子组织，物质之本然得粗备概念。然至一九二五年新量子论或波动力学勃起以波粒子解释物质。其领袖人物在德国为海森堡，斯鲁丁格，在法国有柏乐吉利，在英国有戴拉克。这几位大科学家都得过一九三二年～一九三三年的诺贝尔科学奖金。爱因斯坦说：“理论的物理学最近而最成功的创作——即量子力学——在原则上它根本和通常所谓牛顿和马克士威的两纲领大不相同。因为其法则不足以描写物理实体之本身，而仅言吾人与致所指之某一特别部分之表现的或然性而已。我以为戴拉克对此理论有最逻辑的完全贡献。”

至于原子的构造到底是弹子式的射出，还是波动式的放射？有许多现象需要前一种解释，有许多现象又需要后一种的解释。最近柏乐吉利和斯鲁丁格两人的发展则主张粒子有波动的性质，波浪也有抛射性质。从他们的理论得到了两个结论：（1）光电效应——被光从原子中射出电子——指明在光里面粒子的系统与波浪的振动有同样的重要；（2）电子不仅有电能的粒子而且有波动的状态。宇宙可用有波动的粒子和有粒子的波动去描绘之。