第二部分

由辐射引起的吸引与排斥

31.

然而，当我继续抽气，接着再加热髓球下方时，结果却表明：我还远未理解这些现象背后的真正规律。

髓球稳定而明显地上升，没有了低真空状态下曾出现的犹豫或延迟。

当压力计仅比气压计低 3 毫米 时，加热髓球下方引起的上升速度与常压下几乎一样； 而当压力计与气压计数值完全相同时，髓球上升的反应甚至更为剧烈，而所需热量却更少——只需用手指靠近，就能立刻将髓球推至最大高度。

为了验证这一出乎意料的结果，我缓慢向装置中重新充入空气，并记录压力计下降过程中的现象。实验结果与抽气过程相反： 当压力计下降至约低于气压计 7 毫米时，髓球对热的反应再次减弱。

 32.

在实验装置中仍处于正常大气压下时，若将热源放在髓球的上方（即图2中的 a 位置），我们记得髓球会轻微上升。但这个上升效果要比热源放在下方时弱得多（见第27、29节）。

现在我重新抽气，并进行一系列实验。将热水球放置于 a 点上方，随着真空度的逐步提升，我观察到髓球的上升趋势逐渐减弱。 当达到上一次实验中被认定为“中性点”的真空度（即压力计比气压计低约 7 毫米）时，髓球几乎不再受热源影响。

继续抽气，在超过中性点的更高真空状态下，我依然未观察到任何明显运动。 但当抽气至仅比真空低 2 毫米时，我察觉到髓球对热源出现了一种向下的趋势。 而在一个良好的斯普伦格真空中（即接近理想真空状态），就清晰地观察到了排斥作用： 当热源置于髓球上方时，髓球向下移动，几乎与热源在下方时的上升幅度相等——也就是说，髓球受到了热源的“推斥”。

33.

接下来我希望了解“冷源”对髓球的影响，因此我使用了一块冰块作为冷体进行实验。

最初在常压下测试时，无论冰块置于髓球上方还是下方，通常都会引起轻微的髓球上升，但效果很弱，有时甚至方向相反。 显然，冷源的真正作用被空气流所掩盖。

因此我再次抽气，并将冰块放置于前述“中性点”条件下（即比气压计低约7毫米）。这时髓球完全不动，表明冷源此时不起作用。

我随后继续抽气，逐步测试在抽气过程中的反应。当接近极限真空时（压力计趋近气压计），冰块开始吸引髓球。

当两表读数完全一致时（即达到“斯普伦格真空极限”），无论冰块放在髓球上方还是下方，都会观察到非常明显的吸引作用，其强度与热源引起的排斥作用几乎相当。

34.

在我使用斯普伦格真空进行某些实验时，我观察到一个现象，使我怀疑有些运动可能源于静电作用。

例如：当一个加热的玻璃棒稳定地靠近玻璃管下部时，会出现规则的排斥作用；但如果玻璃棒先经过手指摩擦，或者沿管壁轻擦数下，稻草横梁就会发生非常不规则的运动，有时被吸引、有时被排斥，甚至会粘附在管壁上，直到电荷耗散才恢复正常。

同样地，用手指在玻璃管上摩擦，也会出现周期性的吸引与排斥作用，髓球会贴在管壁上并长时间不动。

此外，在真空中用小火焰靠近髓球下方，也能引起轻微但可见的类似静电干扰。不过，这种效应较弱，除非真空非常理想且管中水蒸气极少时，一般不会影响由辐射引起的排斥现象。

35.

我在斯普伦格真空中试验了一种玻璃横梁的末端，发现它可以被感应线圈的任意极吸引，只要另一极的绝缘不良。

为了确定电的作用在普通排斥实验中是否起到了决定性作用，我设计并进行了如下实验：

36.

我用稻草横梁、两端接植物髓球的形式，将其密封在一根玻璃管中，并抽至斯普伦格泵的最大真空。 在抽气前，用火焰轻微炭化较重一端，使其达到平衡，并具有对微弱热辐射的高灵敏度。 然后再抽气一次，并将玻璃管密封封口。

接着，我用湿润的吸水纸完全包裹玻璃管外部，仅留一个小窗口用于观察；吸水纸与地线连接（地线通过焊接在煤气管上的金属丝实现接地）。

在这种完全屏蔽的状态下，我将一块热铜块靠近髓球下方，它依然像未接地那样清晰地上升； 手指沾温水靠近时，同样引发排斥； 若手指被冰块冷却后保持湿润，无论靠近髓球上方还是下方，都会引起明显的吸引； 若直接使用冰块，吸引作用更明显。

我还做了另一个实验：将稻草横梁两端换为黄铜球*，并用极细的铂丝将两端质量块与支撑针连接起来，从而建立起内部金属电路。 悬挂针尖不再接触玻璃壁，而是搁置在两个金属杯中，这两个金属杯通过焊接的铂丝连到玻璃外部，再接地。

然后进行抽气，并重复前述所有热与冷体的实验，无论是否包裹湿纸或是否接地，结果完全一致： 黄铜球被热源排斥，被冷源吸引，行为与髓球无异。

这些实验清楚地表明： 电并非主导这些吸引和排斥现象的主要因素——尽管它有时确实会干扰并使现象变得复杂。

* 初步实验表明，无论是在常压还是真空中，针对外部施加的冷热物体，安装在麦秆横梁上的黄铜小球在各方面表现得都与软木髓小球相同，只是它们的运动较为迟缓。

37.

我接着想检验：若将热源放在装置内部而不是外部，是否仍能引起这些现象？于是我设计了图4所示的装置。

图4 说明（实验装置图） a、b：分别为稻草横梁两端的黄铜球； c：是一个由铂丝绕成的小螺旋圈（加热器），两端焊接在穿过玻璃板的粗铜线 d、d 上； e：是玻璃管尾端，用于与斯普伦格泵相连抽气。

我使用一节 Grove 电池加热铂丝至炽热状态。 通过转动整个玻璃管，我可以让某一黄铜球处于加热线圈的上方、下方或侧面； 通过电键通断电流，无需离开显微读数器视野即可控制加热。

该装置的目标是更明确地观测在抽气过程中，不同真空阶段下热源的作用变化，特别是在“中性点”上下是否存在方向改变，并试图测定这一关键点所对应的气压范围。

 38. 

我将黄铜球调整至与铂丝螺旋加热线圈（图4中的 c）保持约 1 毫米的垂直距离，黄铜球位于加热螺旋上方。 接通电流使螺旋变为炽热后，黄铜球立即被吸引向下移动，有时甚至会碰触加热线圈，然后又反弹回来，且反弹力很大。

39. 

随后我将黄铜球放至加热线圈下方，距离同样为 1 毫米左右。 再次通电后，黄铜球上升靠近热源。 这个现象仍可能由空气流引起，但考虑到前一个实验中加热螺旋位于球下方时球也曾被拉下去（见第38节），这就很难用空气流解释了。

40. 

我将黄铜球放在与加热线圈同高偏右侧（图4A），稍微高于热源一点。通电加热后，黄铜球有微弱上升趋势。 接着将球置于稍低于热源的位置（图4B），加热后球向下移动。

在这两种情况下，运动趋势都表现为： 黄铜球的重心试图靠近热源位置。

41.

我继续抽气，直到压力计与气压计读数仅差 5 毫米。在此状态下，黄铜球被置于热源上方，加热后仍表现出吸引作用，球明显向下移动，距离可达 2 毫米。

继续抽气，直到压力计距离气压计仅剩 1 毫米。 此时，加热螺旋仍能引起黄铜球的运动：

• 若球位于热源下方，会被吸引向上；

• 若球位于热源上方，会被吸引向下。

不过，与前述状态相比，运动幅度已经明显减弱。

根据我此前的经验（参见第30–31节），我原本预期热源吸引力会在此阶段完全消失。但实验显示，即便接近“极限真空”，热源的吸引效应仍微弱存在。 这表明：“中性点”可能要等到完全真空时才会到达。

42.

我继续操作抽气泵，直到压力计仅比气压计低半毫米。此时，真空已经非常接近极限，汞柱落下时发出了典型的**“金属锤击声”**（metallic hammering），说明只有极少数的气泡还能被带出。

此时，我再次接通电流，加热铂丝螺旋。 黄铜球出现了一个极为微弱的移动，方向仍然是吸引。但这次的运动已经非常微弱，几乎不可察觉。

43.

我继续维持泵的运行。

当我再次接通电流时，发现黄铜球完全不再移动。红热的螺旋丝既不吸引，也不排斥黄铜球。 我已经到达了临界点。

当我检查压力计时，发现其液位与气压计完全持平。

44.

我保持泵在全功率运转状态，持续一个小时。虽然压力计读数没有显著变化，但“金属锤击声”更加清脆，表明仍有极少量气泡被带出。

然后我再次点燃螺旋丝。 这一次，我发现：现象反转了！

红热的螺旋丝开始产生排斥作用，虽然仍然微弱，但已无可否认。

我继续保持泵运转，并间隔观察数小时。 观察结果显示：排斥现象持续增强。

随后，我将泵的管道用浓硫酸*冲洗，以吸收任何残留的水蒸气，并再继续抽气一小时。

此后，加热螺旋丝的效果发生了显著变化： 无论螺旋丝位于黄铜球的上方还是下方，都会产生明显的排斥作用。

——哪怕仅仅靠近热手指、热玻璃棒、酒精灯火焰，或一小块热铜块，也都会让黄铜球迅速远离热源。

45.

这时发现，炽热铂螺旋丝所产生的作用已经成为强烈的排斥作用（energetically repellent）；无论把螺旋丝放在黄铜球的上方还是下方，都是如此（图4C、4D）。

手指也产生排斥作用。

一根温热的玻璃棒、一个酒精灯火焰以及一块热铜，同样都产生排斥作用。   

 * 这种清洗可以在不中断抽气状态的情况下进行。具体方法见 Philosophical Transactions, 1873, vol. clxiii, p.296。  

46.

现在，我把连接在泵上的 U形管干燥器中的硫酸加热至沸腾。

少量水蒸气被驱赶出来；水银敲击声原有的清脆程度变成了较为沉闷的声音；再次用炽热的螺旋丝进行实验时，可以看到，其作用已经重新变成了吸引。

随后，让泵保持原状一两个小时。随着硫酸冷却，它重新吸收水蒸气；而随着这种吸收过程的进行，我能够追踪到炽热螺旋丝作用的整个变化过程：

从吸引，经过中性点，直至明确的排斥。   

47.

对于黄铜球来说，临界点所对应的真空度要比木髓球高得多。

对于木髓球，当从外部施加热时，我在真空计水银面比气压计低约 7毫米时得到中性状态；而当两者之间仍有 2毫米的差值时，就已经出现明确的排斥。

但是，对于刚才所描述的装置——使用黄铜球和内部热源——临界点非常接近 Sprengel 真空。

通过仔细观察，我刚刚能够辨别出：当炽热螺旋丝停止对黄铜球产生吸引作用时，真空计的水银面仍比气压计低不到1毫米。

但是，仅凭肉眼观察真空计，我已经无法分辨以下两种 Sprengel 真空之间的差别：

一种真空中，炽热螺旋丝对黄铜球处于中性状态；

另一种真空中，炽热螺旋丝则对黄铜球产生强烈的排斥作用。    

48.

我有实验上的根据相信，临界点的位置会随着以下因素而改变：

辐射所落到的物体的密度；

该物体的质量与表面积之间的关系；

以及整个装置的温度（见第62、63、64、65、67、75节）。

用来吸引或排斥黄铜球或木髓球的那个物体的温度，也会影响临界点；不过，我认为这种影响不会很大。

因为在刚才所描述的装置中，无论把螺旋丝加热到完全红热，还是仅仅通过导线的瞬时接触使它稍稍变暖，所观察到的运动在性质上并没有差别，而只是在程度上有所不同。

目前还在进行进一步的实验，这些实验或许能够阐明这一点。    

49.

在到达这个中性点以前，需要达到非常高的气体稀薄程度；而且，当把一个热物体作用于天平的一臂时，只要抽气程度处在中性点两侧相差几毫米的位置，就会使运动的方向发生改变。

我认为，这已经足以解释我在早期实验中遇到的那些异常结果（第2、19、20、21、22节）。     

50.

虽然这些结果已经足以表明，气流不可能是天平运动的原因，但是我仍然希望用一种实验形式，把这个问题一次性地确定下来；这种实验不仅应当能够无可争议地解决这个问题，同时还很可能提供一些非常有意义的信息。

在刚刚进行实验的那架天平中，我已经发现：

它的中性点非常接近普通的 Sprengel 真空；

只有进一步提高抽气程度以后，排斥作用才开始出现；

而随着继续抽气，排斥作用又变得越来越强。

因此，一个很有意义的问题是：

在一种接近完善到这样的真空中——甚至连 Ruhmkorff 感应线圈的电流都不能通过它——究竟会发生什么？    在小玻璃管中，如果采取某些特殊的预防措施，我能够利用 Sprengel 泵制备出这样一种真空：感应电流几乎无法穿过它，或者只能产生一种微弱的、云雾状的放电。

但是，在这些实验所需要的大玻璃管中，却无法做到这一点。

事实上，我此前制备的所有装有真空天平的 Sprengel 真空管，在让感应线圈的电流通过时，都会发出明亮的光。

因此，我安装了图5所示的装置。在这个装置中，可以采用 Andrews 博士最先设计的一种方法来制备化学真空（chemical vacuum）。

51.

a b 是装有一根两端带木髓球的麦秆横梁的玻璃管；在 b 处有两根铂丝穿过玻璃管，用来与感应线圈连接；在 a 处，玻璃管被收缩变细，以便将装置熔封。

c 是玻璃管的一部分，其中放有一个铜制小舟（copper boat），小舟内装有新近浇铸成棒状的苛性钾（caustic potash）。

d 是一根按照图示形状弯曲的玻璃管，其中几乎装满了浓硫酸；这些浓硫酸事先已经煮沸数分钟，然后让它在真空中冷却。

e 是一个水银接头（mercury joint），用来把整个装置连接到 Sprengel 泵上。

在 d 管的上部有一个塞子，装在一个漏斗形接头中；需要时，可以把这个塞子换成图中所示的一根管子，通过它向装置中通入二氧化碳。    

二氧化碳由盐酸作用于大理石制备。

当二氧化碳不通入已经抽空的玻璃管时，就让这种气体不断从水银中鼓泡通过；这样可以不时收集一管气体（如图中所示），用苛性钾来检验它。

实验发现，必须始终保持相当旺盛的气体发生速度，以防止空气扩散进入。

各接头采用**双层橡胶管（double caoutchouc tubing）**制成：先把较细的一层紧紧用金属丝扎住，并在其外表涂上甘油，然后再套上较大的橡胶管；最后再用金属丝把整个接头牢牢扎紧。

为了防止空气沿着水银与玻璃之间的缝隙缓慢渗入，在所有水银接头的上面都倒上一层甘油；只有水银降落管顶部的那个接头例外，那里留给**浓硫酸（oil of vitriol）**使用，以便不时用它来润滑泵。    

52.

把装置中的空气抽出以后，通过加热横梁两端来调节天平；哪一端恰好较低，就把那一端稍稍加热，使它发生轻微炭化，从而使天平恢复平衡。

f 和 g 是两个环绕玻璃管的银箔环（collars of silver foil），位置就在准备施加热作用的地方，并通过导线接地。

在非常高的气体稀薄程度下，酒精灯的火焰会在天平中激起如此强烈的电扰动，以至于几乎无法对天平进行调节。

采用这种银箔接地装置，是希望把电荷导走；不过，这种办法只能取得部分成功，在最高的稀薄程度下，天平的带电现象仍然非常麻烦。    

当利用 Sprengel 泵把装置中的空气尽可能彻底地抽除以后，小心打开活塞 h，让二氧化碳进入玻璃管。

随后再次抽气，再第二次通入二氧化碳。

再把二氧化碳抽出，然后第三次充入。

这种充入二氧化碳—抽气的交替操作持续进行，直到从泵的水银降落管底部收集到的气体能够被苛性钾完全吸收。

一旦确认达到这一状态，就继续抽气，直到达到可能达到的最高程度*。     

* 当泵在非常良好的真空中工作时，下降水银所产生的摩擦会在黑暗中形成一种非常美丽的现象。水银滴从一侧飞溅到另一侧的地方，会闪现出明亮的光点；而且整个泵常常会被一种**充满所有玻璃管的磷光辉光（phosphorescent glow）**照亮。   

停下泵以后，让感应电流从 b 端的两根导线之间通过；这时可以看到二氧化碳真空中通常出现的白光（如果其中出现一点红色，则表明存在大气中的氮）。

随后，把 c 处铜舟中的苛性钾棒加热到刚刚开始熔融的程度，再让整个装置冷却几个小时。

然后，用酒精灯火焰加热收缩部分 a，将玻璃管熔封。

再一次加热苛性钾，随后把整个装置放置一段时间，使苛性钾有时间吸收残余的二氧化碳。     

53.

不时用感应线圈进行检验，就可以追踪这种吸收过程的进展。

当电流不再通过玻璃管，而宁愿在外部空气中以完整火花长度击穿放电时，就认为管内的真空已经接近完善。

在任何时候，如果用酒精灯火焰加热苛性钾，它都会释放出足够的水蒸气，使火花能够以一种云雾状的辉光通过玻璃管。

这些水蒸气随后会逐渐被吸收；经过几天到几个星期以后，真空将再次达到不能导电的状态。     

54.

在这样的大玻璃管中，要使真空接近绝对真空到连白色的云雾状放电都不能通过，是非常困难的。

我曾经用按照上述方法制备并熔封在这两种真空状态中的天平进行实验；我总是发现，当一个热物体接近时，排斥作用非常明确。

不过，我并不认为这种排斥作用比同一种天平封闭在我所能制备的最佳 Sprengel 真空中时更加强烈。

因此，这些实验消除了这样一种可能产生的疑问：如果我只在 Sprengel 真空中进行实验，人们或许会认为这些现象是由气流造成的。

这些实验确定了一个重要事实：

在一种不能传导感应电流的化学真空中，由辐射产生的排斥作用是明确而强烈的。    

55.

除了上面（第51、52节）所说的麦秆—木髓天平以外，我还制备了另外一些天平，并把它们熔封在化学真空中。

其中一种采用玻璃横梁和铂制端部质量块；

另一种则完全由玻璃制成，横梁两端为平坦的玻璃片。

这些天平在各方面的表现都与麦秆—木髓天平相同，只是灵敏度稍低一些。 

56.

在良好真空中，一架麦秆—木髓天平的灵敏度可以非常高，从下面这个实验即可看出：

把天平管支承在一个架子上，在其中一个木髓球的正下方，放置一个**铋—锑热电堆（bismuth-antimony thermopile）**的端面。

把热电堆的接线端与一个单电池（single-cell battery）连接，使电流沿一个方向流过时，就会产生热，而木髓球受到排斥。

把电流方向反转以后，就会产生冷，而木髓球则受到吸引。   

57.

让太阳光线照射到这种处于真空中的灵敏天平末端的木髓球上，太阳光会强烈地排斥它。

如果用透镜把太阳光会聚起来，那么焦点会把木髓球击开，仿佛它受到了某种有形物质的撞击一样。

如果在把太阳光会聚到木髓球上以前，先让它通过有色玻璃进行滤光，那么这种作用会稍微减弱。

让光通过两块非常透明、具有平行表面的明矾片（plates of alum），两片的总厚度为 8毫米，则只产生很小的影响。    

58.

让一束太阳光通过一个棱镜 b（图6），并把光谱沿水平方向投射到距离 18英尺远的屏幕 c 上。

在屏幕的前方、稍低于屏幕的位置，安放天平管 a；在天平管上方固定一枚透镜 d，使其中一个木髓球恰好处于透镜的焦点上。

然后，把一个小型直角棱镜 e 放在光谱的不同部位，从而可以把所需要的任何一种光线反射到透镜上，再由透镜把它会聚到木髓球上。

把直角棱镜向侧面转动，就可以使这束光线离开或重新照到木髓球上，因此很容易观察其作用。    

在紫外线区域，排斥作用很小；

当我使反射棱镜从光谱的紫色区域向红色区域移动时，这种作用逐渐增强。

作用的最大值出现在可见光谱最外端的红色区域；当把红色以外的不可见光线向下反射时，这种作用又逐渐减弱。

不过，即使在超过可见光谱中折射率最低的光线之外，达到约半个光谱长度的位置，仍然可以观察到明显的排斥作用。

把明矾片插入这些光线的传播路径中，只削弱了其中很小的一部分作用。    

59.

下面的实验，是用一架密封在良好 Sprengel 真空中的、非常灵敏的木髓球天平进行的：

把横梁翻转过来，使它的重心略微位于悬挂中心的上方；因此，天平会向任意一侧倾倒。

在这种状态下，如果木髓球正接触着玻璃管，只要把手指放在它的下方，就能够使这个球上升，于是天平越过平衡位置，倾倒到另一侧。

同样，对于处在较高位置的那个木髓球，只要把手指放在玻璃管顶部、恰好位于它的上方，也能够使这个球下沉。     

60.

取一段玻璃管，把它弯成螺旋形（图7），并支承在一个架子上，使这个螺旋玻璃管能够松松地套在天平管的一端之外。

然后让蒸汽通过这个玻璃螺旋管，并在其外面加上一个羊毛覆盖层，这样便能够使天平管的一端保持在 100°C。

当温度变得均匀并稳定以后，据能够判断的程度来看，木髓球会处在大约位于螺旋管轴线的位置，并保持静止。

如果把热的螺旋管向上抬，使它的下部靠近天平管，木髓球便稍稍上升；

而把螺旋管降低时，木髓球便下沉。

（第三部分待续）

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