宇宙之物理的本性

《宇宙之物理的本性》为万有文库第二集七百种之一，属“自然科学小丛书”，英国J.W.N.萨利文原著，殷佩斯译述，王云五主编，上海商务印书馆1935年3月初版。本次提取前20页，卷首见万有文库版式、书名叶、版权页及“纲要”。版权页标明“中华民国二十四年三月初版”，原著者J. W. N. Sullivan，译述者殷佩斯，校对着潘同曾，发行人王云五，印刷所、发行所均为上海河南路商务印书馆，并有“有所权版”“究必印翻”字样；书名叶又标英文名The Physical Nature of the Universe，可知本书为讨论物理科学本性与宇宙观的科普著作。

卷首“纲要”概述全书内容：本文开始述介绍于十九世纪科学中之基本的物理概念，并述其应用于叙述各种现象之成功；于是指明由创造光之极概说的无结果的尝试及原子分解而为电荷的实验发现，以上这些概念尚不充分；次述同性质的发见，即放射性与X线，于是发生电的物资说；次说明物质之更进一步的解析，使科学的概念仍需更基本的修正；于是将近世的量子论及新的原子构造论介绍于读者；更说明科学已抛弃其用寻常名词解释现象之理想，更注重新学说之抽象性质；次叙述空间与时间概念之一同解析，其终极遂成为普遍化的相对论；于是记述有限宇宙之理论及晚近将相对论的范围更加扩大之尝试。

正文开篇讨论物理学在醉心科学者看来常认为是一种理想的科学，凡能使一种探讨成为“真正科学的”的一切标准似乎都由它来负责履行；因此它完全依赖观察和实验，它所有名词之界说都是清楚而详尽的，并且用严格算学推理之完全无缺的方法得到结论。书中又将物理学与天文学、化学、生物学、心理学、人种学、经济学等比较，谓天文学虽依赖观察并应用算学推理，却不知道实验，天文学家不能控制材料像物理学家那样方便；化学虽稳固植根于观察和实验，但比较少使用算学推理，且有些基本概念或未完全明了；生物学更不完全；心理学、人种学、经济学等称为“科学”与其说表示成就，毋宁说表示希望。书中指出，科学程序中之最好表演及最后目的似乎应向物理一科中寻找；但研究包庇在物理科学之下的各种现象之叙述，并不见一致采用一种“解释”标准，各种不同解释适用于不同时间。爱因斯坦学说与牛顿学说之不同，不但是爱氏对所测量现象之区域绘着更正确的图，并且所根据的绘图原理也完全不同；近世物理学说之原子比维多利亚时代之原子不但是较复杂实体，并且根据完全不同的概念。物理学开始是想用寻常观念解释现象，这景况继续好久，因此牛顿的相吸相拒的“力”有它们心理根源在筋肉努力之感觉中——拉与推；早期物理学家所谓“电”被认为一种“流”，维多利亚时代学者之“原子”等于沙的微粒；近世物理学已抛弃这种寻常标准，许多近世物理理论创立诸实体间之算学关系，而这些实体只能根据论理学定其界说，却是不能想象得到的，因此近世理论不能“绘图”。书中又述物理学性质仍是算学的，应用于物理学上的原始实体都能用算学定其界说，不能作算学界说的实体便不会为物理学所采用；物理学是一件冒险尝试，想根据算学描述自然或自然某某部分，在这方面物理科学始终一贯；但应用算学方法的原始实体却因近数年认识而改变，物理科学确已经过革命，要了解这革命必先了解引起革命的原因。

正文又述近世物理科学大家以为从伽利略开始，伽利略是第一个将基本科学观念分离得清清楚楚的人，也是第一个把观念强迫送到当时人心中的人；其最大贡献是对“运动”观念的解析，是第一个知道用算学方法处理“运动”的人。书中引伽利略关于落体加速度须知道依何比例增加的话，并述“自然是一副巨大算学机器”观念并非中世纪正统亚里士多德派一部分，虽曾发生于培根、芬奇等例外心上，却可算哲学推想之一种结果；又举圣奥古斯丁以六为完全数目解释上帝六日创造世界，说明算学神秘意义；刻卜勒相信自然主要说来是算学的，不仅相信现象可用算学描述，并相信现存一切现象原因都是履行某某算学关系；伽利略思想未走到这一步，但常觉得不必实验证实其算学演绎；牛顿认清用算学描述自然也许成功也许失败，若失败必得试用别种方法。书中又述伽利略抓住时间之算学性质（当作平均的流），引得他发明更准确时钟；伽利略相信宇宙真正重要性质是能用算学定界说的性质，如大小、形状、重量及运动四种性质都可用算学描述；他相信整个宇宙由原子构成，原子具有上述性质，运动不同由力产生，但没有告诉力是什么，使力观念带一点神秘性；其结论由力而动作的原子之联合产生整个物质宇宙，这结论已呈献将近二百年间支配物理学的问题。书中又述物理科学尝试解决巨大问题——证明一切事物都可用微粒子运动解释，须解释物质不同形态固体液体气体，又须解释热、光、声、磁、电及其他一大群现象，除万有引力以外；这种努力一部分成功，一部分确已舍弃。书中又述科学冒险事业开始假定真实宇宙所仅有性质是大小、形状、重量和运动，这些都能用算学描述，都是量的性质；但世界上形态并不显然都是量的，如色声味等知觉告诉我们真实宇宙中些什么，这问题属于哲学，各种哲学家有不同答案，但科学一般假定这些非量性质并不是真实客观宇宙之一部分；这观点是伽利略定好的，他是第一个将它弄明白的人。书中大段引伽利略论热、色、声、味等性质只是名字，仅存在于有感觉性的体中，离开活动物便停止绝灭；又举手抚大理石像与活人、纸或羽毛擦身体等例说明“酥痒”全在我们方面不在羽毛上；伽利略主张真实宇宙特性是量的，我们之知道性质区别只是心反应某某量的区别，例如色不列在科学计划中，光是在“能媒”中的一种波动，因不同波长才有不同色，科学所论到便是这波的长度，因此色盲的人或天生瞎子能完全了解全部光学。书中又指出伽利略不是证明而是假定重量运动等认识与色声等认识全不相同，假定第一类认识启示客观真实，第二类却不是；这种分别很重要，因为用它的方法所划定的科学界限很清楚，科学被限在宇宙量的形态中，但并没有真实理由假定凡科学所忽视的一切比科学所承认者要欠真实些。

正文又述物质由不可分微粒子组织而成理论在十九世纪以前还没有正确形式，但多少有些模糊形态的原子论自伽利略以后便已为许多科学者主张；使这理论成为量的、再进而成为探讨中有价值工具之第一人是道尔顿，他将它应用到化学现象上得着显著成功，因此给化学以其向来所缺乏之量的根据。书中述直到最近原子才被认为微小的、坚硬的、或许是球形的一粒物质；“原子”名词正确用来只能应用到一种化学元素最后分子上，一种化合物自然是两种以上元素构成，其微粒子适用“分子”名词；世界上约莫有九十种化学元素，其他一切物质都由它们之中两种以上化合，例如钠是化学元素，氯也是，氯化钠即普通食盐是钠和氯结合，水是氢和氧结合，水的一个基本粒子——分子含有两个氢原子和一个氧原子。书中述要了解这些以及化学上类似事实，只消当原子是一个微粒子，像很微细很微细一粒沙，并不须知道更多，也不须论到原子构造；将来会知道这简单概念已足够说明许多物理现象，至于认原子为极复杂构造不过由于最近探讨。书中又述物质三态——固体、液体、气体——根据原子论很容易说明：固体中原子在固定地位，可在固定位置振动但很少游行自由，因此固体保持一定形状；液体中原子比较有运动自由，各个之间能互相滑过，因此液体能随所装器皿而变形，但液体原子也联合得充分密切，所以液体无论放到任何器皿仍保持同样体积；气体中原子已成就最高度自由，一种气体含有大量原子或分子以各种速率向各方飞动，对于气体大小或形状并没有天然限制，一种气体单纯膨胀着直到充满容它的器皿为止。书中又述使固体变液体、液体变气体的原动力便是热；根据原子论可说热能增加物体原子及分子运动，更可假定热实际由这些运动而成，这理论现在成为公认理论，或许伽利略主张，经牛顿、虎克、波义耳等确定；但十八世纪时这理论声名堕落，起而代之的是热素说，依照这理论热是一种流动体名叫“热素”，它与物体联合使物体温度增高；热素说常不能令人满意，科学者常修补它以应付反对，例如物体受热膨胀是热素分子走进物体互相排挤使物体伸张，但膨胀规律分明不普遍，例如水结冰时膨胀，热素说者便修改假说谓热素以化学方法与物体合并，由化学合并法结果所得体积不能预定，因此可免除困难，只消说任何事情都会发生，这仍是不满人意；一种科学理论若仅靠继续任意修改而存在一定可疑。书中又述热素说致命打击是1798年伦福德伯爵在慕尼克兵工厂钻铜炮眼时，发觉被钻下金属屑很热，这热显然由摩擦而生，于是他实验决定这样产生热量是否有限度，结果知道没有限度，可见热是能由摩擦不绝产生的，足以推翻热素说；如伦福德所说任何事物能由独立物体或一组物体继续供给而无限度它决不会是实在的物质，其结论是能这样无限产生的惟一事物便是“运动”，于是他决定热是运动的一种方式；许多其他实验确定这个结论，现在普遍承认一物体的热是由于它的组成分子的运动。书中又述有趣结果：假使热是物体分子运动之显示，那么分子运动一停止则物体的热便完全没有了；我们惯常以为物体会逐渐逐渐冷卻正如逐渐逐渐热一样，但假使热依赖分子运动则没有那些运动时候便也不会有热，物体这种形态称为绝对零度；这可以证明，这种绝对温度一切物体都一样，理论思考可使我们说出这温度来，在百度表上绝对零度是零度以下二百七十三度，百度表普通零度自然是冰的融点，因此绝对零度是冰的融点以下二百七十三度或水的沸点以下三百七十三度，因为水沸点是百分表上一百度；用近世实验室方法绝对零度几乎可以达到，约在绝对零度以上一度温度实际已经达到过，照我们预期一切气体在这样的温度之下都变成固体，因为它们的分子运动差不多完全停止了。书中又述温度阶级从绝对零度起一直扩张到星体中心部分温度，后者估计有好几百万度；这宇宙间大块物质温度从我们眼光看来极端灼热，只有在这宇宙很冷部分与绝对零度很接地方可以维持生命。书中又述物体分子正常运动事实可用所谓“布朗运动”说明：1827年英国植物学家布朗观察悬在水中微粒子不断运动，这发见经过好多年没有引起特别注意，却被认为由于温度不平均或震动原故，但继续细心实验终于证明这效果确实很奇特，不能用寻常方法解说；这解释是爱因斯坦所定，他证明这现象由水的分子运动产生，那些微粒子悬在水中一定永远受着水的运动分子打击，因为这些分子乱向各方运动故其间冲突常相抵消，但也许有情形发生微粒子一边受着较多水分子打击比其他一边多，因此使微粒子稍稍向前推动一点，到了第二刹那冲击方向又改变，因此可得不断而且很不规则运动——便是布朗所看见的；当爱因斯坦理论受实验检查时便见得完全确实，因此可说布朗运动是分子运动的一种直接启示。书中又述分子运动学说更进一步帮助是由于气体运动说的成功，照这学说一种气体由无数向各方飞动分子组成，气体温度增高则分子运动速率也增加，根据这学理气体性质可以决定并且知道和实验证据相符。本次仅见前20页，后续内容待补。