问道新服礼包内容:有些象《相对论》一样的，神奇的理论，还有什么？？什么是时间膨胀，什么是虫孔

时间膨胀：比起另一个放置得很远的钟来,它就走得越慢。这个结论是由整个广义相对论得出的,称为引力时间膨胀,它不同于我们在狭义相对论中遇到过的时间膨胀效应。...
虫孔：摘要:MPP互联网中通常使用虫孔路由WR(WormholeRouting)交换技术来提高网络性能.采用该技术,每个结点所需的通信缓冲...关键词:缓冲虫孔路由,交换技术,虚通道,传输延迟,模型模拟 分类号:TP302 文献标识码:...
霍金的时间简史值得一看，黑洞的理论会让你吃惊的，这位仁兄~

洞(Wormhole)，又称爱因斯坦-罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。不过目前其存在性尚未确认。

理论上，虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道，是无处不在，但转瞬即逝的。不过有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开。

实际上，即使虫洞确实存在，目前通过虫洞做时间旅行尚无法实现，因为虫洞中的引力非常大，任何物质都无法通过。而且有人相信，虫洞很不稳定——以至于试图通过虫洞的物质对时空的作用就可能使虫洞消失。但有些科学家则相信研究虫洞的价值是巨大的。

什 麼 是 虫 洞 ？

提 问 者：霍 金 (20.1.2001)

早 在 二 十 世 纪 三 十 年 代 ， 爱 恩 斯 坦 和 物 理 学 家 罗 森 已 经 发 现 ， 在 繁 复 的 引 力 场 方 程 式 中 ， 竟 然 暗 示 宇 宙 中 可 能 存 在 连 接 两 个 不 同 地 点 的 时 空 隧 道 ， 这 种 时 空 结 构 称 为 「 爱 恩 斯 坦 - 罗 森 桥 」。
1985 年 ， 著 名 天 文 学 家 萨 根 刚 完 成 了 科 幻 小 说 《 超 时 空 接 触 》 的 写 作 ， 并 邀 请 他 的 老 朋 友 物 理 学 家 基 普 ， 看 看 小 说 中 有 关 瞬 间 宇 宙 旅 行 的 描 写 ， 在 科 学 上 是 否 可 行 ， 想 不 到 这 桩 小 轶 事 ， 却 引 起 了 科 学 界 研 究 时 空 旅 行 的 热 潮 。
基 普 博 士 和 他 的 研 究 小 组 经 过 深 入 研 究 后 发 现 ， 时 空 旅 行 并 没 有 违 反 现 今 所 知 的 科 学 理 论 ， 且 更 进 一 步 提 出 利 用 虫 洞 作 时 空 旅 行 的 构 想 。
虫 洞 是 理 论 中 一 种 连 接 两 处 时 空 的 特 殊 通 道 。 让 人 类 可 以 瞬 间 穿 梭 宇 宙 ， 甚 至 作 时 间 旅 行 。
和 黑 洞 不 同 的 是 ， 黑 洞 是 大 质 量 恒 星 死 亡 后 的 必 然 产 物 ， 但 在 自 然 界 中 ， 却 并 没 有 一 个 机 制 会 自 然 产 生 虫 洞 。 以 纯 理 论 来 说 ， 有 两 种 「 可 行 」 的 制 造 虫 洞 方 法 。

方 法 一
如 果 我 们 有 一 个 现 实 中 不 可 能 存 在 的 超 级 显 微 镜 ， 能 看 到 小 至
10-35 米 的 空 间 ( 这 个 大 小 比 原 子 核 要 小 上 10-10 倍 ) ， 我 们 会 发 觉 ， 原 本 看 来 平 滑 的 时 空 ， 其 实 充 满 了 大 量 不 规 则 和 随 机 产 生 的 时 空 扭 曲 ， 科 学 家 称 之 为 量 子 泡 沬 。 这 些 时 空 扭 曲 偶 然 会 形 成 一 些 小 型 虫 洞 ， 只 要 我 们 有 无 限 先 进 的 文 明 ， 或 许 有 方 法 可 以 找 到 这 些 虫 洞 ， 捕 捉 它 ， 然 后 以 奇 异 物 质 ( 注 ) 把 它 扩 大 至 可 用 的 大 小 。
注 ：奇 异 物 质 是 具 有 反 重 力 特 性 的 物 质 ， 理 论 上 可 能 存 在 ， 在 现 实 中 是 否 存 在 则 仍 是 一 个 谜 。

方 法 二
假 若 人 类 有 无 限 先 进 的 文 明 ，我 们 亦 可 尝 试 把 空 间 扭 曲 ， 先 在 空 间 压 出 一 个 凹 洞 ， 然 后 轻 轻 将 空 间 屈 摺 ， 最 后 将 凹 洞 底 部 和 其 下 的 空 间 同 时 刺 穿 ， 再 把 两 端 空 间 缝 合 起 来 ， 产 生 一 个 虫 洞 。
由 於 虫 洞 、 奇 异 物 质 等 已 涉 及 极 高 深 的 物 理 ， 实 在 很 难 在 这 有 限 的 篇 幅 说 清 楚 ， 有 兴 趣 的 朋 友 ， 可 参 阅 基 普 教 授 (Prof. Kip S. Thorne) 所 著 的 天 文 普 及 书 籍 「Black Holes & Time Warps」。

陈 己 雄
太 空 馆 助 理 馆 长
5.2.2001

地 球 身 处 在 一 个 时 空 的 旋 涡 中 吗 ？

答 案 很 快 便 会 揭 晓 。 一 个 由 美 国 太 空 总 署 及 史 丹 福 大 学 进 行 的 物 理 实 验 「 重 力 探 测 器 B 」 ， 最 近 已 在 地 球 轨 道 上 完 成 了 为 期 一 年 的 科 学 数 据 搜 集 ， 科 学 家 估 计 要 多 花 一 年 时 间 进 行 分 析 工 作 ， 结 果 将 可 揭 示 出 地 球 周 围 时 空 的 形 状 是 否 真 的 呈 旋 涡 状 扭 曲 。

根 据 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 ， 时 间 和 空 间 相 互 交 织 ， 形 成 四 维 的 「 时 空 」 构 造 。 地 球 的 庞 大 质 量 能 令 这 时 空 出 现 弯 曲 ， 假 若 时 空 像 一 张 弹 床 ， 情 况 就 像 一 个 体 形 笨 重 的 人 坐 在 弹 床 上 ， 会 令 弹 床 下 陷 出 一 个 浅 坑 一 样 。 爱 因 斯 坦 宣 称 重 力 其 实 就 是 物 体 沿 著 弯 曲 时 空 运 行 的 结 果 。
假 如 地 球 是 固 定 静 止 的 ， 则 故 事 就 此 完 结 。 但 众 所 周 知 ， 地 球 是 转 动 的 ， 而 地 球 的 转 动 会 带 动 周 围 的 时 空 ， 把 浅 坑 扭 曲 而 成 一 个 四 维 的 旋 涡 。 发 射 重 力 探 测 器 B 卫 星 到 太 空 的 目 的 就 是 要 研 究 这 个 现 象 。

实 验 背 后 的 原 理 十 分 简 单 ： 将 转 动 的 回 转 仪 放 在 环 绕 地 球 的 轨 道 ， 转 轴 指 向 远 处 星 体 ， 作 为 固 定 基 准 点 。 在 没 有 外 力 的 影 响 下 ， 回 转 仪 理 论 上 应 会 永 远 不 变 地 指 向 同 一 星 体 。 但 假 如 时 空 给 扭 曲 了 ， 回 转 仪 转 轴 的 方 向 便 会 随 时 间 移 动 ， 换 句 话 说 ， 只 要 找 出 转 轴 方 向 漂 离 了 星 体 有 多 远 ， 便 可 量 度 出 时 空 的 扭 曲 程 度 。

实 际 上 ， 知 易 行 难 ， 实 验 之 难 如 上 青 天 。

在 重 力 探 测 器 B 卫 星 上 的 四 个 回 转 仪 是 人 类 有 史 以 来 所 造 最 完 美 的 球 体 。 这 些 如 乒 乓 球 般 大 小 ， 以 石 英 和 硅 融 合 而 成 的 球 体 直 径 约 3.8 厘 米 ， 偏 离 完 美 球 体 的 程 度 不 会 多 於 40 层 原 子 。 如 果 回 转 仪 不 是 如 此 浑 圆 ， 其 转 轴 在 不 受 相 对 论 影 响 下 亦 会 摆 动 。

根 据 运 算 ， 地 球 周 围 扭 曲 的 时 空 只 会 引 致 回 转 仪 转 轴 每 年 漂 移 0.041 角 秒 ， 一 角 秒 为 1 度 的 3600 分 之 一 ， 可 见 程 度 之 小 。 要 准 确 量 度 这 角 度 ， 重 力 探 测 器 B 要 达 到 0.0005 角 秒 的 精 确 度 ， 精 度 要 求 相 等 於 要 量 度 出 160 公 里 外 一 张 纸 张 的 厚 度 。
重 力 探 测 器 B 实 验 的 研 究 员 发 明 了 一 整 套 全 新 的 技 术 来 把 不 可 能 变 为 可 能 。 他 们 研 发 出 「 无 阻 力 」 卫 星 ， 让 卫 星 虽 然 不 断 和 地 球 大 气 外 层 发 生 摩 擦 亦 不 会 影 响 到 回 转 仪 。 除 此 之 外 ， 他 们 亦 想 出 怎 样 使 地 球 渗 透 性 的 磁 场 不 会 进 入 飞 船 之 内 ， 以 及 发 明 一 种 无 须 要 触 及 回 转 仪 而 能 量 度 其 转 动 的 仪 器 。

进 行 这 实 验 是 异 常 艰 巨 的 挑 战 ， 经 过 多 少 无 眠 的 晚 上 、 资 源 的 投 放 ， 重 力 探 测 器 B 的 科 学 家 终 能 排 除 万 难 ， 找 出 解 决 方 案 。

史 丹 福 大 学 重 力 探 测 器 B 首 席 研 究 员 ， 物 理 学 教 授 弗 朗 西 斯 ‧ 依 法 日 称 实 验 的 表 现 没 有 出 现 甚 麼 「 意 外 」 ， 现 时 数 据 搜 集 已 完 成 ， 他 称 重 力 探 测 器 B 的 科 学 家 们 现 在 「 十 分 兴 奋 ， 也 知 道 前 路 仍 有 大 量 沉 重 的 工 作 等 待 著 他 们 。 」

仔 细 和 彻 底 地 分 析 数 据 的 工 作 正 在 进 行 中 。 依 法 日 教 授 解 释 ， 这 方 面 的 工 作 会 分 三 阶 段 进 行 。 首 先 ， 他 们 会 研 究 实 验 每 日 取 得 的 数 据 ， 找 寻 有 没 有 不 规 则 的 情 况 ， 然 后 会 将 数 据 分 开 约 每 月 一 段 作 比 较 ， 最 后 则 分 析 全 年 的 变 化 。 这 种 分 析 方 法 虽 然 比 较 复 杂 ， 但 亦 更 全 面 。

全 球 的 科 家 最 终 会 审 视 这 些 数 据 。 依 法 日 教 授 说 ： 「 我 们 希 望 最 严 格 批 评 我 们 的 人 其 实 就 是 我 们 自 己 。 」

科 学 家 已 下 了 极 大 的 赌 注 ， 假 如 他 们 找 到 预 期 的 时 空 旋 涡 ， 即 意 味 著 一 如 既 往 ， 爱 因 斯 坦 是 对 的 。 但 假 如 中 了 空 宝 ， 那 麼 爱 因 斯 坦 的 理 论 可 能 有 破 绽 ， 这 个 理 论 和 事 实 的 小 误 差 ， 誓 将 卷 起 物 理 学 另 一 次 革 命 的 旋 风 。

在 揭 盅 之 前 ， 仍 有 大 量 数 据 需 要 分 析 ， 就 让 我 们 拭 目 以 待 吧 ！

时间膨胀：

所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似，它是这样进行的：

某一参照系中的两个事件，它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。

这更加难懂，我们仍然用图例加以说明：

图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间。然而两个闹钟给出的结果并不相同。我们可以这样思考：我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中，这两个事件在不同的地点发生（A和B）。然而，让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看，上半图中的闹钟是静止的（所有的物体相对于其自身都是静止的），而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点！（上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”）按照前面提到的观点，下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。

此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是：运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽，玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船（为了使效果明显，飞船必须以接近光速运动），并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快，因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是，当玛丽返回地球的时候，她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。

时间膨胀并非是个疯狂的想法，它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称 为"介子"的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样，已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看，它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的；只有从相对于实验室的角度看该介子，我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。?

应该加上一句：已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。（相对论的）其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是，尽管我们把相对论称作一种“理论”，但不要误认为相对论有待于证实，它（实际上）是非常完备的。

与相对论同档次的理论

简单来说就是，光在运动的时候可以看成是由光子（粒子）组成的，有粒子性，同时它的运动是按波的方式传播的，有波动性。
更科学，更复杂的说法：

波粒二象性

第一个肯定光既有波动性又有微粒性的是爱因斯坦。他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量hv的微粒形式出现，而且在空间运动时，也具有这种微粒形式。爱因斯坦这一光辉思想是在研究辐射的产生和转化时逐步形成的。与此同时，实验物理学家也相对独立地提出了同样的看法。其中有W.H.布拉格和A.H.康普顿(ArthurHollyCompton,1892—1962)。康普顿证明了，光子与电子在相互作用中不但有能量变换，还有一定的动量交换。

1923年，德布罗意把爱因斯坦的波粒二象性推广到微观粒子，提出物质波假说，论证了微观粒子也具有波动性。他的观点不久就得到电子衍射等实验的证实。

波粒二象性是人类对物质世界的认识的又一次飞跃，这一认识为波动力学的发展奠定了基础。

§9.1 爱因斯坦的辐射理论

早在1905年，爱因斯坦在他提出的光量子假说中，就隐含了波动性与粒子性是光的两种表现形式的思想。他分析了从牛顿和惠更斯以来，波动说和微粒说之间的长期争论，指出麦克斯韦电磁波理论的局限性，审查了普朗克处理黑体辐射的思路，总结了光和物质相互作用有关的各种现象，认为光在传播过程和与物质相互作用的过程中，能量不是分散的，而是一份一份地以能量子的形式出现的。

1909年1月，爱因斯坦再次撰文讨论辐射问题，9月在萨尔茨堡举行的第81届德国物理学家和医学家会议上作了题为：《论我们关于辐射本质和组成的观点的发展》的演讲。他利用能量涨落的概念，考察一个挂在空腔中的完全反射性的镜子的运动，空腔中充有温度为T的热辐射。如果镜子是以一个非零的速度运动，则从它的正面反射出去的具有给定频率v的辐射要比从它的背面反射出去的多一些；因此镜子的运动将会受到阻尼，除非它从辐射涨落获得新的动量。爱因斯坦利用普朗克的能量分布公式，推导出体积V中频率在v→v+dv，之间的那一部分黑体辐射所具有的能量均方涨落为

接着，爱因斯坦对上式两项分别作了说明。前一项正是能量子的涨落，它是以hν作为基数的。后一项具有从麦克斯韦理论求出的电磁场涨落的形式。前者代表粒子性，后者代表波动性。爱因斯宣称：“这些考虑……表明辐射的空间分布的涨落和辐射压的涨落也表现得好象辐射是由具有上述大小的量子所构成的一样。”他强调指出：“现代辐射理论（按：指麦克斯韦的光的波动理论）与这个结果并不一致。”“如果（第一项）单独存在，它就会导致（所期望的）涨落，这种涨落发生在辐射是由独立运动的、具有能量hν的类点量子组成的情况下”。爱因斯坦用“类点量子”一词表明他已把光量子当作粒子来看待。爱因斯坦虽然还没有形成完整的辐射理论，但他已经明确到，遵循普朗克能量分布公式的辐射，同时具有粒子和波动的特性。

爱因斯坦在上述两篇论文中，对辐射理论的状况表示了如下的见解：

“我早已打算表明，必须放弃辐射理论现有的基础”；“我认为，理论物理学发展的下一阶段将给我们带来一个光的理论，这个理论可以解释为波动理论与发射理论的熔合；”“不要把波动结构和量子结构……看成是互不相容的。”

爱因斯坦在这里预见到了将有一种新的理论使波动性和微粒性熔合于一体，虽然十几年后，当新的理论真正出现时，他却反而不能接受。关于这个问题，请读者参看下一章。

1916年爱因斯坦再次回到辐射问题上来，发表了《关于辐射的量子理论》一文，这篇论文总结了量子论的成果，指出旧量子论的主要缺陷，并运用统计方法，又一次论证了辐射的量子特性。

他考虑的基本点是，分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的。他假设能量交换的过程，即分子跃迁的过程有两种基本方式，一种叫自发辐射，一种叫受激辐射。根据这两种方式发生的几率，他推导出玻尔的频率定则和普朗克的能量分布公式。这样他就把前一阶段量子论的各项成果，统一在一个逻辑完备的整体之中。值得特别指出的是，爱因斯坦的受激辐射理论，为50年后激光的发展奠定了理论基础。

爱因斯坦在这篇论文中，认为分子与辐射在相互作用的过程中，不仅有能量转移，也同时会发生动量转移。他假设在辐射束传播的方向上，

了大小为hv/c的动量，这一动量具有确定的方向。他这样写道②：“看来，只有当我们把那些基元过程看作是完全有方向的过程，我们才能够得到一个贯彻一致的理论”。“因为能量和冲量总是最紧密地联系在一起”，所以“应当把那个小的作用（指冲量交换）和辐射所引起的明显的能量转移完全同等看待。”

1921年，德拜在一次演讲中讨论到爱因斯坦的量子辐射理论。作为一个例题，他计算了光量子和电子相互碰撞的情况，结果显示光在碰撞后波长变长了。当时他曾建议他的同事舒勒(P.Scherrer)做一个X射线实验来检验波长是否真有改变。可惜舒勒没有及时做这个实验，德拜也就暂时放下这项研究。就在这段时间里，康普顿却一直在为X射线散射后波长变长的实验结果探求理论解释。在介绍康普顿的工作之前，还应当提到另一桩与波粒二象性有关的事件，这就是W.H.布拉格和巴克拉(C.G.Barkla)之间发生的关于X射线本性的争论。

§9.2 X射线本性之争

X射线的波动性是1912年德国人劳厄用晶体衍射实验发现的。在此之前，人们对X射线的本性众说纷纭。伦琴倾向于X射线可能是以太中的某种纵波，斯托克斯认为X射线可能是横向的以太脉冲。由于X射线可以使气体分子电离，J.J.汤姆生也认为是一种脉冲波。

X射线是波还是粒子？是纵波还是横波？最有力的判据是干涉和衍射这一类现象到底是否存在。1899年哈加(Haga)和温德(Wind)用一个制作精良的三角形缝隙，放在X射线管面前，观察X射线在缝隙边缘是否形成衍射条纹。他们采用三角形缝隙的原因，一方面是出于无法预先知道产生衍射的条件，另一方面是因为在顶点附近便于测定像的展宽。他们从X射线的照片判断，如果X射线是波，其波长只能小于10-9厘米。这个实验后来经瓦尔特(Walter)和泡尔(Pohl)改进，得到的照片似乎有微弱的衍射图象。直到1912年，有人用光度计测量这一照片的光度分布，才看到真正的衍射现象。索末菲据此计算出X射线的有效波长大约为4×10-9厘米。

X射线还有一种效应颇引人注目。当它照射到物质上时，会产生二次辐射。这一效应是1897年由塞格纳克(Sagnac)发现的。塞格纳克注意到，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。这一发现为以后研究X射线的性质作了准备。1906年巴克拉在这个基础上判定X射线具有偏振性。巴克拉的实验原理如图9-1。从X射线管发出的X射线以45°角辐照在散射物A上，从A发出的二次辐射又以45°角投向散射物B，再从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射，发现强度有很大变化。沿着既垂直于入射射线又垂直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克拉得出了X射线具有偏振性的结论。

■图9-1巴克拉X射线二次辐射实验原理

但是偏振性还不足以判定X射线是波还是粒子。因为粒子也能解释这一现象，只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。果然在1907—8年间一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和布拉格之间展开了。布拉格根据γ射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。后来他把X射线也一样看待，解释了已知的各种X射线现象。巴克拉则坚持X射线的波动性。两人各持己见，在科学期刊上展开了辩论，双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确结论，但还是给科学界留下了深刻印象。

1912年劳厄发现X射线衍射，对波动说提供了最有力的证据。布拉格这时已不再坚持他的中性偶假说。不过，他总是直觉地认为，就象他自己说的那样，似乎问题“不在于（微粒和波动）哪一种理论对，而是要找到一种理论，能够将这两方面包蓄并容。”①布拉格的思想对后来的德布罗意有一定影响。

§9.3 康普顿效应

在1923年5月的《物理评论》上，A.H.康普顿以《X射线受轻元素散射的量子理论》为题，发表了他所发现的效应，并用光量子假说作出解释。他写道②：

“从量子论的观点看，可以假设：任一特殊的X射线量子不是被辐射器中所有电子散射，而是把它的全部能量耗于某个特殊的电子，这电子转过来又将射线向某一特殊的方向散射，这个方向与入射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以一等于X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量等于入射射线的能量减去散射电子反冲的动能。由于散射射线应是一完整的量子，其频率也将和能量同比例地减小。因此，根据量子理论，我们可以期待散射射线的波长比入射射线大”，而“散射辐射的强度在原始X射线的前进方向要比反方向大，正如实验测得的那样。”

康普顿用图9-2解释射线方向和强度的分布，根据能量守恒和动量守恒，考虑到相对论效应，得散射波长为：

Δλ为入射波长λ0与散射波长λθ之差，h为普朗克常数，c为光速，m为电子的静止质量，θ为散射角。

■图9-2康普顿理论用图

这一简单的推理对于现代物理学家来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究历经了一、二十年、才在1923年由康普顿得出正确结果，而康普顿自己也走了5年的弯路，这段历史从一个侧面说明了现代物理学产生和发展的不平坦历程。

从(9-1)式可知，波长的改变决定于θ，与λ0无关，即对于某一角度，波长改变的绝对值是一定的。入射射线的波长越小，波长变化的相对值就越大。所以，康普顿效应对γ射线要比X射线显著。历史正是这样，早在1904年，英国物理学家伊夫(A.S.Eve)就在研究γ射线的吸收和散射性质时，首先发现了康普顿效应的迹象。他的装置如图9-3。图中辐射物和吸收物实际上是铁板铝板之类的材料，镭管发出γ射线，经散射物散射后投向静电计。在入射射线或散射射线的途中插一吸收物以检验其穿透力。伊夫发现，散射后的射线往往比入射射线要“软”些。

后来，γ射线的散射问题经过多人研究，英国的弗罗兰斯(D.C.H.Florance)在1910年获得了明确结论，证明散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关，而且散射角越大，吸收系数也越大。所谓射线变软，实际上就是射线的波长变长，当时尚未判明γ射线的本质，只好根据实验现象来表示。

■图9-3伊夫(1904年)的装置

1913年，麦克基尔大学的格雷（J.A.Gray）又重做γ射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测量了射线强度。他发现：“单色的γ射线被散射后，性质会有所变化。散射角越大，散射射线就越软。”

实验事实明确地摆在物理学家面前，可就是找不到正确的解释。

1919年康普顿也接触到γ散射问题。他以精确的手段测定了γ射线的波长，确定了散射后波长变长的事实。后来，他又从γ射线散射转移到X射线散射。图9-4是康普顿自制的X射线分光计，钼的Kα线经石墨晶体散射后，用游离室进行测量不同方位的散射强度。图9-5是康谱顿发表的部分曲线。从图中可以看出，X射线散射曲线明显地有两个峰值，其中一个波长等于原始射线的波长（不变线），另一个波长变长（变线），变线对不变线的偏离随散射角变化，散射角越大，偏离也越大。

■图9-4康普顿的X射线分光计

遗憾的是，康普顿为了解释这一现象，也和其他人一样，走了不少弯路。

他开始是用J.J.汤姆生的电子散射理论解释γ射线和X射线的散射，后来又提出荧光辐射理论和大电子模型。他设想电子具有一定的大小和形状，认为只要“电子的电荷分布区域的半径与γ射线的波长大小可比拟”就可以“在经典电动力学的基础上解释高频辐射的散射。”他为了解释荧光辐射的频率变低，曾试图用多普勒效应进行计算，在计算中，他把X射线对散射物质中电子的作用看成是一个量子过程。开始他

个条件，在碰撞中既要遵守能量守恒，又要遵守动量守恒，从而，导致了1923年5月在《物理评论》上发表了那篇有历史意义的文献。

■图9-5康普顿发表的部分曲线

接着，德拜也发表了早已准备好的论文。他们两人的论文引起了强烈反响。然而，这一发现并没有立即被科学界普遍承认，一场激烈的争论迅即在康普顿和他的领导人之间展开。这件事发生在1922年以后，一份内有康普顿关于X射线散射的报告在交付出版之前，先要经美国研究委员会的物理科学部所属的一个委员会讨论。他是这个委员会的成员。可是，这个委员会的主席杜安(W.Duane)却极力反对把康普顿的工作写进去，认为实验结果不可靠。因为杜安的实验室也在做同样的实验，却得不到同样的结果。

康普顿的学生，从中国赴美留学的吴有训对康普顿效应的进一步研究和检验有很大贡献，除了针对杜安的否定作了许多有说服力的实验外，还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了多种元素对X射线的散射曲线，结果都满足康普顿的量子散射公式(9-1)。图9-6就是康普顿和吴

有训1924年发表的曲线，论文题目是：《被轻元素散射时钼Kα线的波长》。①他们写道：“这张图的重要点在于：从各种材料所得之谱在性质上几乎完全一致。每种情况，不变线P都出现在与荧光M0Kα线（钼的Kα谱线）相同之处，而变线的峰值，则在允许的实验误差范围内，出现在上述的波长变化量子公式所预计的位置M上。”

■图9-5康普顿发表的部分曲线

■图9-6康普顿和吴有训1924年发表的曲线

吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了x射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。

爱因斯坦在肯定康普顿效应中起了特别重要的作用。前面已经提到，1916年爱因斯坦进一步发展了光量子理论。根据他的建议，玻特和盖革(Geiger)也曾试图用实验检验经典理论和光量子理论谁对谁非，但没有成功。当1923年爱因斯坦获知康普顿实验的结果之后，他热忱地宣传和赞扬康普顿的实验，多次在会议和报刊上谈到它的重要意义。

爱因斯坦还提醒物理学者注意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X射线的波动性测量其波长。他在1924年4月20日的《柏林日报》副刊上发表题为《康普顿实验》的短文，有这样一句话：“……最最重要的问题，是要考虑把投射体的性质赋予光的粒子或光量子，究竟还应

看时间简史

GOOD