第三部分

由辐射引起的吸引与排斥

61.

为了确定在什么条件下能够获得最高的灵敏度，进行了下面这些实验。

在所有情况下，天平均处于良好的 Sprengel 真空中。

在一根麦秆横梁的两端，使一个象牙球与一个黄铜球彼此平衡。

结果发现：

象牙球对辐射比黄铜球更加灵敏。     

62.

在一根麦秆横梁上，使一个木髓球与一个同样重量的铂球彼此平衡。

木髓球非常灵敏，用手指便很容易将它排斥开；

而铂球的反应则比较迟缓，需要使用酒精灯火焰才能使它运动。    

63.

把两个重量相同的木髓球固定在一根麦秆横梁的两端，其中一个镀金，另一个保持原来的表面。

它们对辐射的灵敏度看来相同。

随后，把两个矩形小块——一个是银，另一个是铋——安装在麦秆横梁的两端，使它们彼此平衡；每一个的重量都是 4½格令（grains）。*

无论把一个温热的物体放在它们的上方还是下方，两者都会受到排斥。

铋对于热作用的灵敏度比银稍高一些；不过，铋暴露给入射辐射的表面积也稍大一些。    

* 选择这两种金属，是因为它们差不多代表了金属中热传导和电传导性能的两个极端；同时，在 Forbes 教授所列出的“振动体（vibrators）”名单中，它们又分别属于最好者（银）和最差者（铋）。参见 Forbes 教授：“Experimental Researches regarding certain vibrations which take place between metallic masses having different temperatures”（《关于不同温度金属物体之间所发生的某些振动的实验研究》），Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 1834, vol. xii, pp. 429–461。    

64.

使一个硒球与一个铜球彼此平衡。

硒球对辐射比铜球更加灵敏；不过，我认为，这种较高的灵敏度并没有超过由于硒球具有较大表面积所应产生的差别。

当我让来自**太阳或者人工光源的可见光线（luminous rays）**照射到硒上时，并没有观察到任何特殊作用，可以使我把这种作用与 Willoughby Smith 先生最近发现的光对硒的作用联系起来。†     

† Telegraphic Journal, vol. i, p.78.    

65. 

取两片薄云母，每一片的面积都是半平方厘米，把它们分别固定在一根麦秆横梁的两端：

其中一片保持水平，另一片保持竖直。

施加轻微的热作用以后，发现横梁的两端都非常灵敏。

水平放置的云母片比较容易受到热的作用；

但是，与竖直云母片相比，它所表现出来的优势，并没有达到原本可能预期的那么大——因为如果这种运动是由气流造成的，那么水平云母片暴露出来的表面积要大得多，本来应该具有大得多的优势。

66.

取一片平板玻璃，宽 15毫米、厚 1.5毫米，在吹管火焰前加热其中部，直到玻璃变得十分柔软，然后将它拉长，制成一条长的玻璃带；其宽度与厚度仍保持原玻璃片的比例。

从其中部截取一段，长 150毫米，两端宽 4毫米，中央宽 3毫米。

随后，把一根两端尖的针（第24节）固定在中央：先用铂丝将针缠扎住，再把铂丝熔接到玻璃上。

把这个小天平调节到非常灵敏的状态，然后装入一根玻璃管中；管的一端装有苛性钾，另一端熔封有铂丝。再把它与 Sprengel 泵和二氧化碳装置连接起来，以便产生化学真空（第51、52、53节）。   

当装置中充满普通密度的空气时，把酒精灯火焰从这个天平的一端下面移过，结果出现了明确的吸引作用（第27、37、38、40、41节）。

随后开始抽气，并不时用同样的方法进行检验。*

* 也许几乎没有必要说明：在上述每一次实验之间，都让整个装置有充分的时间恢复到实验室的通常温度。

我发现，吸引作用——或者更确切地说，玻璃受热端向酒精灯火焰下沉的运动——在真空计水银面上升约 500毫米以前，强度大致保持不变。

此后，每当施加热作用时，天平玻璃端向下运动的程度便逐渐减小；一直到真空计水银面距离气压计约 100毫米。     

在这一压力下检验运动时，我起初认为运动非常微弱；但是，当把酒精灯火焰保持在天平端部下方约半分钟以后，该端便开始下沉，随后向下运动的幅度几乎又和以前一样大。

当真空计与气压计相差 95毫米时，现象与此相似；不过，需要把灯焰在天平端部下方保持更长时间，而且最终的运动幅度也没有那么大。

当差值为 90毫米时，也发生同样的现象，只是所需的加热时间还要更长。     

当真空计上升到距气压计水银面 85毫米时，施加灯焰以后，最初的运动却是排斥。

玻璃端立即上升，但幅度非常小。

如果继续在下面加热约 1分钟，天平端部又会缓慢下降，最后降到比原来位置略低的地方。

当真空计与气压计之间相差 80毫米时，效果与85毫米时几乎相同。最初的上升运动即使不是更强，也至少稍微更加明显。

由于担心损坏装置的连接部分，我不愿意让酒精灯火焰持续作用超过1分钟，因为这时玻璃已经开始软化。因此，在更高的真空度下，我主要注意的是玻璃横梁的初始运动；只是把灯焰在下面保持足够长的时间，以观察持续加热是否会再次把横梁向下拉。    

当真空计与气压计相差 45毫米时，大约到达了中性点。

施加酒精灯火焰时，玻璃横梁并不是完全静止：它起初极轻微地上升；继续加热以后，又下降到原来水平线以下大致相同的距离。

当差值为 35毫米时，最初的上升运动立即发生，而且非常明确。继续加热只使横梁端部稍稍下降，但已经不能使它回到接近原来的位置。

从这一点开始，朝向热源的吸引作用便不再能够觉察到。*

* 在这些以及许多其他观察中，我利用带测微装置的目镜（micrometer-eyepiece），对运动的幅度进行了精确测量；同时也用秒表准确记录了时间。但是，由于不能保证仪器始终具有相同而均匀的灵敏度，我认为最好只用一般性的措辞给出实验结果，而不应以一种仪器条件本身并不能证明为合理的“表面上的精确性”，反而造成误导。   

随着真空程度继续提高，向上的运动在强度和幅度上不断增加，直至达到 Sprengel 真空。     

当真空计比气压计低 10毫米时，一根加热到 100°C 的玻璃棒或一块铜，就能使玻璃横梁受到排斥。

当真空计与气压计相差 5毫米时，把手指放在横梁下方，就能使横梁受到排斥；

而当两者只相差 2毫米时，即使把手指放在横梁上方，也能使横梁受到排斥。

在 Sprengel 真空中，横梁对于温热物体的接近非常灵敏：

手指一接近，就足以把它排斥到所能运动的最大范围。     

67     

我认为，这根玻璃横梁的行为，与两端装黄铜球的麦秆横梁（第37—40节）以及两端装木髓球的麦秆横梁（第30、31、32节）之间所观察到的差别，应当归因于：

组成这些天平的材料不同，三个实验中施加热的方法不同，以及暴露表面积相对于质量的大小不同。

不过，对于临界点的位置，还有许多问题需要弄清楚；我仍在继续研究这个问题。

随后，把二氧化碳通入装置，再重新抽气。

由于不希望使苛性钾负担过重，这次抽气过程中我没有花太多时间；不过，仍然在真空计的几个不同高度进行了观察，而中性点的位置看来稍有提高。

但是，总体结果与空气中的情况相同。

在二氧化碳的 Sprengel 真空中，热所产生的排斥作用，与空气的 Sprengel 真空中完全相同。    

68.

随后完成了制备化学真空的其余步骤；把玻璃管放置一段时间，让苛性钾完成其作用，然后用它进行实验。

对于酒精灯火焰的热、一根温热的玻璃棒或金属棒、手指，或者由透镜会聚形成的煤气火焰的像，这个天平都非常灵敏：

它会立即受到排斥，而排斥的距离随热的强度而变化。

还用太阳光谱中的不同光线进行了实验，所得结果与第58节所描述的相似。

这时真空已经接近完善到这样的程度：

感应火花不再通过管内的真空，而宁愿在外部空气中跨越其完整的火花距离放电。    

69.

如果把一架最灵敏的天平——例如麦秆—木髓天平（第24节），或者刚才描述的玻璃天平（第66节）——装在抽气良好的玻璃管中，然后小心地把管子转到侧面，经过少许练习以后，就能够使横梁平衡在悬针的一个针尖上；此时这根针将接近竖直方向。

在这种位置下，横梁便能够在水平面内运动。

通过仔细调节玻璃管的水平位置，可以使横梁的灵敏度大大超过采用通常悬挂方式时的灵敏度。

这时，只要把一个温热物体靠近天平的一端，就会把它排斥到运动范围的极限；

而一块冰则会以同样明显而强烈的作用把它吸引过来。

70    

当在普通密度的空气中进行这一实验时，一个热物体的接近会产生明确无误的吸引，而一个冷物体则产生排斥。

在真空中，这种布置装置的方法起初看来并不比此前采用的方法具有明显优势。

但是，由于在这种情况下运动的方向使气流不大可能产生干扰——或者至少不可能产生很大的干扰——因此，我设计了一套装置，使吸引和排斥运动发生在水平面内，而不是竖直面内，以便研究这种作用在空气中的情况。     

我不再把横梁支承在针尖上、使它们只能上下运动，而是把横梁的中央悬挂在一根**很长的蚕茧丝（cocoon-silk fibre）**上，使横梁能够在水平面内运动。

利用这种装置，我采用了各种不同材料制作指示体（index），把它们封装在不同大小的玻璃管和玻璃球泡中，并在不同密度的空气和各种气体中进行实验，一直到 Sprengel 真空和化学真空。

我已经进行了大量实验，并获得了一系列结果。这些结果不仅完全证实了前面已经描述的实验结果，而且还使这项研究沿着其他方向又向前推进了若干步。

我打算在不久以后，把这第二系列研究的情况提交给皇家学会。

71.

最近，我又开始进行一些实验，以确定在 Cavendish 著名实验中，重力作用在热的影响下究竟可能发生多大程度的改变。

几个月来，我一直使用为这一目的而设计的装置进行实验。

这项研究还没有进展到足以使我有理由提供更多细节的程度；不过，也许可以允许我在这里概略介绍其中一个结果。    

72.

我发现，当一个沉重的金属质量块靠近一个灵敏悬挂的轻质小球时，在下列情况下，它会吸引或排斥这个小球：

I. 当小球处于普通密度的空气中时：

a. 如果金属质量块的温度低于小球，它就排斥小球。

b. 如果金属质量块的温度高于小球，它就吸引小球。

II. 当小球处于真空中时：

a. 如果金属质量块的温度低于小球，它就吸引小球。

b. 如果金属质量块的温度高于小球，它就排斥小球。     

73.

包围小球的介质的密度、制作小球所用的材料，以及质量块与小球之间哪怕是非常微小的温度差，都会对吸引力和排斥力产生如此强烈的影响；

而且，要排除温度、电等各种干扰作用，对我来说一直十分困难。

因此，到目前为止，我还没有能够获得明确的证据，证明存在一种独立的力——不是热或光性质的力——把小球和质量块相互拉近。

不过，实验已经向我表明：这种作用在稠密空气中朝一个方向，而在真空中则朝相反的方向；在这两者之间，存在一个中间压力——正如我前面在天平实验中已经指出的那样——在这个压力下，温度差所产生的干扰作用似乎很小，或者根本不存在。

如果在这个临界压力下进行实验，同时采取经验所表明的一切必要预防措施，那么看来就有可能使 Cavendish、Reich 和 Baily 所得到的那种作用显现出来。    

74.

在整个研究过程中，我一直努力把对于所观察到的这些作用可能作出的各种解释牢记在心；并且尝试通过选择某些条件、排除另一些条件，把每一种假说都交给实验来检验。

最显而易见的一种解释是：

天平横梁，或者水平指示体（第69、70节）的运动，是由残余气体中形成的气流造成的；从理论上说，即使在那些最接近绝对真空的真空中，也必然仍然存在某种程度的残余气体。

支持这种解释，可以提出这样的理由：

高度稀薄的气体可能比密度较大时具有大得多的流动性；因此，当气体受热而上升时，其粒子以更高速度发生碰撞，便可能增强它们的机械作用。

动量的增加，可能抵消粒子数量的减少。     

空气泵真空中的残余气体能够产生相当大的机械作用，这一点可以从流星穿过大气层上部区域时所出现的现象得到推想：

流星与空气之间的摩擦，在距离地球表面平均约 65英里的高度，就能够使流星达到炽热状态；而在这样的高度，空气的稀薄程度很可能已经超过大多数人工真空。

另一方面，却又很难相信：

在一个真空计与气压计水银面已经可以明显看作处于同一高度的 Sprengel 真空中，其中的残余空气仅仅受到手指的轻微加热，就能够产生一种向上的力，立即克服一个重量达到数格令的物质质量的惯性，并使它运动起来。

必须记住，假定产生这种作用的上升气流，只不过是由于一部分气体受热后体积增加、因而其重量减小而产生的。     

75.

另一个支持气流解释的论据，可以从下面这个事实得到：

如果把一根轻质横梁的两端分别悬挂重量相等的木髓和铂，并把它熔封在 Sprengel 真空中，那么从下方施加温热作用时，木髓比铂更容易上升（第62节）。

显然，与铂相比，木髓为气体粒子的撞击提供了大得多的表面积。

而且，这并不是一个孤立的例子。

贯穿这些实验，似乎存在这样一条规律：

所产生的力，与暴露的表面积大小成比例，而不是与质量成比例（第48、62、63、64、65、67节）。

因此，在选择横梁、指示体或者受重力作用的质量块所用的材料时，所需要的条件是：

大的表面积和极小的重量。    

而当不同质量块具有相同的比重和相同的表面积时，它们相对于热源的位置就决定了运动的幅度。

例如，一个木髓圆柱体，如果让热作用于它的侧面，会比让热作用于它的端面更加灵敏；

同样，在第65节实验中，当热作用于云母薄片的平面时，它受到的作用也比热作用于其边缘时更强。

不过，如果运动真是由气流造成的，那么原本可能预期这种差别会更大；而实验中观察到的差别并没有那么大。 

76.

但是，这些事实同样可以被用来支持相反的一方。

因为，如果假定这种运动是由辐射的排斥作用所引起的，那么，在重量相等的情况下，具有较大表面积的物体占有优势，也是合理的。

辐射的排斥作用只作用于物体的表面，而似乎并不作用于构成物体厚度的那些分子。

当辐射热进入物体表面以下时，它便把自身消耗在进行另一种形式的机械功上，即造成物体的膨胀或扩张（dilatation or expansion）。     

77.

无论支持气流解释的理由可能多么有力，我认为，现象本身已经对这些理由作出了不可驳倒的回答。

由热产生的气流能够使天平横梁上升，也能够把悬挂的指示体推向一侧；如果相当宽泛地假定存在各种涡流和反射，也许还可以设想，这些运动有时会朝相反的方向发生。

但是，随着气体越来越稀薄，这些作用肯定会逐渐减弱；而且在达到真空以前的某个时候，它们就会变得无法觉察：

于是便会达到一个无作用点或中性点（a point of no action or neutrality）。    

但是，当实验对象是像木髓这样重量很轻而暴露表面积很大的物体时，这个中性点显然应该比实验对象是像黄铜那样沉重的物体时更加接近真空。

然而，实际情况恰恰相反。

木髓天平和薄玻璃天平本来应该对高度稀薄空气中的气流很灵敏，可是它们分别在 7毫米（第30节）和 45毫米（第66节）的稀薄程度时，就已经停止对热发生响应；

而黄铜则只有当真空计和气压计的水银面已经可以明显看作处于同一高度时，才停止受到作用（第43节）。     

但是，即使可以用气流解释一直到中性点以前所发生的现象，在越过这个临界点以后，气流显然也已经无力再产生作用。

如果在距离真空 7毫米时的气流已经不能使一块木髓运动，那么 Sprengel 真空中的残余空气当然更不应该能够使它运动；

更何况（a fortiori），化学真空中的残余空气就更不可能使一块铂运动（第55节）。

然而，已经有充分的实验表明：

在所有情况下，一旦越过这个临界点，辐射的排斥作用便表现得最为明显；而且随着真空越来越接近完善，这种作用的强度还会增加。   

78.

再者，在越过大气密度的某一个特定点以后，这些运动不仅会重新出现，而且会朝着相反的方向发生（第31、32、33、44、46、66节）。

因此，在所有情况下，当大气密度处于中性点与真空之间时：

一个温度高于运动横梁或指示体的物体，其作用是排斥它；

而一个温度较低的物体，其作用则是吸引它。    

现在，很可能，如果没有气流的干扰，那么在密度较大的空气中，热物体的作用也总会表现为吸引。

事实上，在许多实验中确实如此（第27、37、38、40、41、66、70、72节）；而最近进行的一些观察——在本文中只在第72节略有提及——已经证明，在普通密度的空气中，冷物体产生排斥作用。     48024dd8-19d4-4190-96d7-638c45c…

如果假定气流是产生运动的动力，那么，当热源位于玻璃管内部，并且从运动横梁的上方施加热作用时所观察到的现象（第37、39、40、41、45节），就是无法解释的；

而按照辐射排斥假说（repulsion-by-radiation hypothesis），这些现象则很容易理解。

如果还需要另外一个论据来说明气流并不是热物体产生排斥作用的原因，那么我可以提出这样一个事实：

当完全没有空气存在时，这种运动达到最大值（第54、55、68节）。     

79.

很可能由这种辐射排斥作用引起的现象，是经常可以遇到的。

我举出下面几个例子：

内聚力和附着力会因热而减小。

如果温度升高会增强分子之间的排斥力，那么这一点自然可以随之得到解释。

所谓**球状状态（spheroidal state）**的现象，也很可能在某种程度上是由于彼此非常接近的两个物体之间存在一种排斥力，而其中一个物体处于非常高的温度。  

通常认为，这种作用只有在其中一个物体具有挥发性时才会发生，并认为迅速形成的一层蒸气膜已经足以解释两个物体为什么不能接触。

不过，我冒昧预言：

在非挥发性物体之间，也将发现一种类似于球状状态的情形。

许多细微分散的化学沉淀物，在铂坩埚中被加热到炽热状态时，会表现出一种十分显著的流动性，像水一样流动。

化学家会想到的一个例子是沉淀二氧化硅。

在粉末与盛装它的热容器之间，可以很容易辨认出一道间隙。     

不过，电在这种作用中也可能起到某种作用；

因为沉淀物在受热以后，有时只要用玻璃棒搅动，就会带上足够强的电，以至于从盛放它们的容器中飞出去。

草酸钙尤其显著地具有这种性质。*

* Faraday, “Experimental Researches in Electricity,” vol. ii, p.163.     

80.

但是，必须记住，我的实验表明：

在空气中，热物体所产生的作用是吸引；只有在接近真空时，热所产生的排斥才会显现出来。

因此可以看到：

辐射光或辐射热，根据其作用所在的介质不同，会表现出吸引作用或排斥作用；冷也会给出与之相应的结果。

空气中似乎存在一种干扰作用，而这种作用并不是由热在空气中造成的气流所产生的；它会遮蔽或者压倒热的真正作用。

但是在真空中，这种干扰原因不存在，于是辐射热便可以自由地发挥其全部排斥作用，而冷——或者说“负热（negative heat）”——则朝相反的方向作用。     48024dd8-19d4-4190-96d7-638c45c…

因此，

热与冷，热的存在与热的缺失——分子活动与分子静止——对于一个能够在空旷空间中自由运动的物体来说，其作用是相互对立的。

物质分子的这种运动方式构成了热；随着这些振动的振幅减小，分子会相互靠近并凝聚；

而热则使它们彼此分开，使固体膨胀，使固体转变为液体，并使液体转变为气体。   

在我的实验中所使用的那些质量块，同样受到热的排斥，并由于冷而相互趋近。

而且，我所研究的绝不是一种微弱的力或微弱的作用。

这种作用如此明确，以至于在我的一些天平中：

一根手指的接近，就能够使天平完全倾覆；而人体所辐射出的温热，在6英尺以外仍然能够影响它们。

在更高的温度以及更大的质量条件下，这种作用必定还会更加有力。   

81.

在这里所记录的这些实验中，很可能可以找到某些迄今尚未解决的天体力学问题的钥匙。

太阳的辐射穿过空间的准真空（quasi vacuum）；在这里，我们具有一种沿径向作用并且具有逐次传播（successive propagation）性质的排斥力，而这种力正是解释彗星和星云中较轻物质的形态变化所需要的。

这种作用迅速而且看来具有间歇性；由此，我们也许可以进一步认识到，它的原因存在于我们这个系统的中心天体所发生的那些迅速爆发之中。

但是，在我们能够更加精确地测量这种力以前，我们还无法断定：它对于使各个天体保持在各自的距离上，究竟能够产生多大的影响。    

就排斥作用而言，我们可以从小推到大——从一小块木髓一直推到天体。

我们会发现，在冷物体与热物体之间所表现出来的排斥作用，在下列替换之下也同样会存在：

以我们这个处于空间中的大气海洋的寒冷表面代替正在融化的冰；

以一个天体球体代替一块木髓；

以**恒星之间的虚空（stellar void）**代替人工真空。    

由于辐射热所产生的吸引作用是在与空气有关的影响下形成的，因此，很难设想热怎样能够为了宇宙尺度的作用而产生这种吸引。

我们的大气层上表面必定呈现出一个非常寒冷的界面；由此，我们也许会推论太阳产生的是排斥作用。

除非我们假定空间中充满着一种其作用类似空气的物质；在这种情况下，我们就应该得到吸引作用。

我们很容易分别找到产生这两种作用的条件；

但是，怎样把两者协调起来，却是一个困难。    

虽然我所谈到的这种力，显然并不单纯就是我们所认识的重力，但是，它是一种由**化学活动（chemical activity）**发展出来的吸引作用，并且把一切自然力中最伟大、最神秘的那一种——超距作用（action at a distance）——同物质那些更容易理解的作用联系起来。

在太阳物质的**辐射分子能（radiant molecular energy）**之中，我们也许最终能够找到那个

“按照某些规律持续作用的媒介（agent acting constantly according to certain laws）”——Newton 曾认为它是重力的原因。

（全文译毕）

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