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有某一个角动量，而且还以某几个固定速度沿轨道旋转。原子的这一结构特
性就以字母L来代表。L和n可以相互联系起来，因为所允许的角动量只能
以从0到n—L之间的整数来代表。
行星运动的其他主要特性，轨道平面的方向和自转方向，是不是也能从
电子运动中得出呢？能不能弄清楚电子轨道只能在几个固定的平面之内呢？
是不是也能弄明白电子自旋是量子化的呢？为表示这些可能的特性，又提出
了两个量子数，一个是m，代表电子的“空间量子化”，即代表电子轨道平
面和某一固定平面，如外面强加的磁场，所形成的几个允许的角度。第四量
子数s代表电子只能绕某一固定轴顺时针或反时针旋转，后来被称为“上旋”
或“下旋”。看来电子的所有性质用这四个量子数都能代表了。
这些量子数是把电子运动当做粒子运动来考虑，看一看传统力学原理需
要做什么改变，才能符合它们的特性。但是早已表明，电子束遇到障碍时，
表现出了特别奇怪的性状，它们既有波动的干涉效应，也有波动的绕射现象。
这种特性使当时的标准物理学发生另一个根本的改变，寻找某种可能的方
法，把粒子特性和波动特性综合起来。德布罗格利提出，传统物理学中两个
单独的，毫不相关的特性应该统一起来，使它们可以转换，于是他把波的波
长和粒子的质量m，速度v，用以下公式联系起来了。
λ=h／mv
此处，h—普兰克常数。这个关系式是不是不仅适用于电子，而且也适用
于原子、炮弹、行星等等而普遍成立呢？很明显，斯特恩分子束可能是检验
这种想法的一种好方法。如果一束分子能够产生绕射现象，那么德布罗格利
原理就将具有更大的意义，而成为一个普遍的物理学定理。所以分子束被用
来检验这种想法。
从物理学发展的前后关系中可以看出，斯特恩实验所具有的重大意义，
但是还不止此，它还说明实验研究中的另一个有趣问题，就是某些技术设备
具有提供一系列问题的巨大能力，而在发明这种设备的时候，往往没有想到
它会具有这样的能力。
斯特恩—格罗克设备主要由三个可以拆换的分设备组成：一个是获取等
速分子 （或原子）束设备，另一个是产生陡变磁场设备，第三个是用金属晶
体作成的格棚绕射靶，如果德布罗格利所决定的特性关系是正确的话，原子
束波就会发生绕射。
为获取适当的原子束，斯特恩及他的助手格罗克利用一个小坩埚，装上
相应的样品，进行高温加热。坩埚开有一小缝通真空室，在高温推动下，样
品物质的原子从缝中逸出就形成原子束，不过其中的原子具有不同的能量或
速度。为获取等速的原子，阻止其他速度的原子，他们采用了费泽奥测光速
的办法。问题在于原子的速度很高。如果两个槽轮装配在同一轴上，让它们
各自向相反的方向转动，那么就只有那些正好在一个槽取代另一个槽的时间
内越过两轮之间距离的原子才能顺利通过。这样通过的原子就具有大致相等
的速度。
他们的智慧也表现在他们发明的第二个设备，即高强度磁场设备中。因
为原子束通过磁场很快，为了产生和辨别出通过时有什么效应，例如说，由
于空间量子化的神秘特性而使原子束分裂，磁场必须强而集中。为此他们把
一个极做成像刀刃一样，另一极做成尖槽形，让原子束沿着这样狭窄的缝隙
通过，就能产生最大效应。
他们用以探测原子束绕射的设备，没有新的特殊性，使用的是埃尔萨塞
发明的电子绕射基本技术。这种技术由戴维森和杰默在1927年进行了改进，
所以当斯特恩在1929年与斯特曼合作研究原子绕射问题时，就直接借用了这
种技术。他们用锂晶作为绕射靶，用一个小室收集绕射的氦原子，绕射原子
的数量通过测定小室的瞬时压力变化来确定。
所有这些方法一旦被想出来，设备也建立起来，实验本身就非常简单了。
这反映了实验家的聪明才智。因为运动的电荷会产生磁场，而轨道电子是一
种电荷，并且根据原子理论它们在不断运动着，所以它们应该产生各自的磁
场。如果每个原子的所有电子的轨道仅在量子理论可能允许的一个平面内，
那么每个原子的磁场就与该平面相关。于是，当有一个外磁场影响这些原子
时，它们就会随其内磁场的情况对那个外磁场取一定方向。
如果存在如我前面说过的空间量子化，那么我们所想象的原子这样的小
磁体的取向就不会是任意的，例如说“全是顺时针方向”，在斯特恩所研究
的具体情况下，它们相对外磁场取两个不同角度。这和按第三量子数计算结
果相符。每一个取向相对应于一个可能的电子轨道平面。
如果关掉外磁场再看原子束的图像，在照片上就只能看到模糊的单影；
但是如果打开外磁场，原子束就立即分裂成两半：一些原子随其相应的量子
化情况走一条路，另一些原子也随其相应的量子化情况走另一条路。这就是
斯特恩所发现的现象。
物质波动性的证明也很直截了当。埃尔萨塞，戴维森和杰默已经用实验
表明，电子能够绕射。很明显，这证明电子具有某种波动性，但这还只是一
种特例，还不能作为一般物质都具有波动性的证据。毫无疑问，电子在一种
情况下具有物质粒子特性，在另一种情况下，又具有波动特性。但氦原子是
一种比较重的普通物质原子，如果它们也表明出绕射效应，那么德布罗格利
关于物质都具有波动性的定律就更加牢固地建立了。
为了进行这种实验，他们把设备作了重新安排。原子束发生设备和一对
开槽轮仍用来保证获得等速原子束，另外再安装上锂晶靶，原子绕射探测器。
如果原子束像粒子流一样机械反射，那它就会像皮球碰到挡板一样反弹回
来，反射角就大致等于入射角。但是如果它像波一样绕射，那么就会像绕射
波前一样有绕射原子散布。这里再次表示出，斯特恩所设计的实验，是直截
了当回答问题。
毫不奇怪，虽然前一两代物理学家几乎不能理解这些实验，但斯特恩和
埃斯特曼却正好找到了他们所预料的结果，收集绕射散布原子的小集气罐的
压力变化形式，升到某一顶点，正好说明氦原子束具有波动特性。
分子束实验法像斯特恩的学生又有学生一样在连续不断的发展。设备更
加完善，出现了测量各种物质的原子束效应的新方法，但是不管又做出了多
少出色的工作，这个领域的主要成就仍然是其奠基者斯特恩所取得的。
即使是汤姆生和卢瑟福所做的关于亚原子粒子特性的一系列令人信服的
证明，也可能被新概念推翻。德布罗格利定律普遍适用于所有物质，就是比
较重的整个原子也可能产生波动效应。发现这种效应所产生的结果和影响，
目前还没有全部吸收到关于自然科学的哲学思想中来。
实践的考验
地球的模样
地球——人类的母亲。人类世世代代在她的怀抱里生活，成长。可她的
形状如何呢？大小又怎样呢？这却是一个长期迷人的大难题。
广袤大地，或山峦重叠，蜿蜒起伏；或茫茫平原，绵延千里；或波涛汹
涌，一望无际……。
这一切和古时候人类的活动范围相比，简直大得无法形容。人类要认识
地球真是谈何容易。
还在人们对地球所知甚少的时候，奇妙的神话传说已充斥人间。我国就
流传着天是地支撑的，地是浮在水面的，水下有巨鳌支撑。要是鳌鱼眨一下
眼睛，大地就要震动，企图用此来解释地震现象。
在古埃及，尼罗河水的泛滥十分可怖，威胁着人民的生命财产，使人们
把整个世界都想象为一团混沌的洪水中产生出来的。他们的天地观认为，世
界是一只方盒子，稍呈凹形的大地是盒子的底，天是盒子的顶，撑在从大地
四角升起的四座大山顶上。尼罗河则是宇宙之河从南方分出来的一个支流，
流过大地的中央。
劳动人民用这种直观而朴素的感觉，找到了预防洪水的季节，减少了生
命和财产的损失。
在我国古代，人们也根据直观和推测，提出过“天圆如张盖，地方如棋
局”的“天圆地方”说。
随着人类征服自然能力的提高，开始把自己的活动范围从陆地扩展到海
洋。生长在地中海岸的古希腊人，便是有悠久历史的航海民族。他们最初对
地中海的认识，简直幼稚得可笑，他们对地球的认识更为有趣：在陆地的四
周为海洋，而海洋之外便是海水永远也填不满的深渊了。
然而，不管幻想家把那深渊描述得如何可怕，勇敢的航海探险家并不惧
怕落入深渊。他们驾驶着船队，从希腊出发，向南方奋进！
奇怪！船队没有落入深渊，反而到达了一个新的天地——埃及。
人们已经无法考证这之中有多少次失败；但最早进行成功尝试的，是在
公元前580年左右，由希腊航海探险家、科学家泰勒斯（约公元前625～545
年）开创的。
他的船队终于征服了地中海，到达埃及，随后又征服了美索不达米亚平
原。这位科学家的天才航行，把埃及的几何学，巴比伦的天文学，以及这两
国的古代文明带回到希腊，使希腊这个野蛮的民族进入了铁器时代。
新的航线打通了，地球又将是什么样子呢？许多因循守旧的希腊人，并
不因发现了新的天地而改变旧有的想法。他们只是简单地把过去的想法加大
一些，设想地球包括着现在的欧洲和非洲的一部分，外边仍然是海，海外依
然是无底的深渊。
勤劳智慧的航海者，从不迷信这种主观臆断。他们一方面进行着极其勇
敢的探险，不断发现新天地，扩大着视野；一方面又以其丰富的实践和前人
积累起来的知识，科学地探索着地球的真正形状和大小。
繁星点点的夜空，很早就吸引着人类祖先的注意。人们一步一步地留心
对宇宙结构图像的探索。古希腊哲学家毕达哥拉斯 （约公元前580～500）
年），最早从纯数学推理出发，认定宇宙和大地都是球形的。其根据是“球
形是一切几何立体中最完善的”。尽管这种说法毫无科学依据，但他提出地
球是球形的想法，却是十分可贵的，使地球为“球”的概念产生了。
不过，任何科学真理，都不可能单纯依靠思维来获得，唯一的途径是致
力于对自然的观察和实践。毕达哥拉斯学派提出地球为球形的概念，不久就
为航海者的实践所证实了。
当古希腊的船队从希腊自北向南往埃及航行时，北斗星的位置越来越
低，而南方的星空则出现一些陌生的星群。当航海船队快接近大陆时，总是
先看到地平线的山尖，其后才看见山麓。如果大地是平的，就不会出现这种
情形。反复地实践在航海者脑海中也渐渐地形成了一个概念——只有地球是
球形的，才会产生这种情况。
由于科学家，探险家们的贡献，也因古埃及，巴比伦的几何学、天文学
知识传到了希腊，到了公元前三世纪，由古希腊的伟大科学家亚里士多德（公
元前384～322年）集其大成。他系统地总结了航海家的经验，第一次较完整
地提出了地球形状的理论：大地实际上是一个球体，一部分为陆地，一部分
为海洋。地球外面由空气包围着。当一艘船消失在地平线时，桅杆仍露在水
面上，这说明洋面并不是平的，而是弯曲的。月食一定是地球的阴影掠过这
个卫星的表面时引起的。既然这个阴影是圆的，那么大地本身就应该是圆的。
尽管亚里士多德的天地观有着充足的道理，但当时并没有获得很多人支
持。一个重要的原因是，当时人们没有搞清引力。他们认为，如果亚里士多
德说得对，那么住在地球另一端的人，怎么能脚朝下走路呢？那里的水不会
流向天空吗？
然而，亚里士多德的伟大之处，不仅在于他做出了杰出的科学贡献，还
在于他造就了一批精明强干的学生。这批学生后来便成为他学说的勇敢捍卫
者。
他的一个学生亚历山大里亚，后来成为大帝，并利用当时的科学成就，
发动了一次大规模的渡海远征，先后征服了小亚细亚，击败波斯，攻占埃及，
并在埃及建立了以自己名字命名的亚历山大里亚城 （今日的亚历山大港）。
来自四面八方的船队，使这个港城迅速地繁荣起来。
几年之后，亚历山大里亚又从埃及出发，继续征服了美索不达米亚、整
个中亚细亚，并一直渡海到达印度的旁遮普河。
这位军事科学家在航海远征中，随军带着工程师，地理学家和测量学家。
这些航海科学家绘制了被征服国家的地图，搜集了大量的自然科学、历史、
地理资料。
随军中，有亚里士多德的另一个学生第凯尔库斯。他在一张当时已知的
世界地图上，第一次标出了一条纬度线。这条纬度线从直布罗陀海峡划起，
沿着红海一直延伸到太平洋。
面对着地球不断扩大的事实，科学家们利用逐步丰富起来的数学和天文
学知识，确信亚里士多德关于地球是球形的说法是正确的，并对另一个浩大
的课题——她到底有多大感到了兴趣。
公元前三世纪末，又出现了一位出色的科学家埃拉托斯特尼 （约公元前
273～192年）。他认定地球是一个椭圆形的回转体。他还从印度洋和大西洋
的潮汐相似，推断出两洋相通，提出欧、亚、非只不过是个大岛。
他根据从西班牙出发，沿着非洲南端航行到印度的事实，推断出大西洋
一定是被一块自北而南的陆地所隔开。
另一位名叫辛尼加的人，根据埃拉托斯特尼的论证，预言从大西洋向西
航行，必将还有一块新大陆，并且也可以找到通往印度的道路。
这一杰出的预言，成为1000多年后哥伦布、麦哲伦贡献的理论基础。
埃拉托斯特尼晚年定居埃及的亚历山大里亚城，是该城博物馆里的图书
管理员，并继续从事自然科学的研究。
有一次，他到亚历山大里亚正南方5000希腊里的塞恩城（今天的阿斯旺
水坝附近），听当地居民讲，在夏至日那天正午，太阳正好在头顶上，凡直
立的物体都没有影子。他神奇地注意到，这种情况在亚历山大里亚从未发生
过。
他挑选助手，选中在夏至日那天正午，分别在亚历山大里亚和塞恩进行
实地竿影测标。果然证实，塞恩的杆与杆影夹角为零，亚历山大里亚的杆与
杆影夹角为7。2度，恰为地球360°的1／50。于是，只要通过简单的几何计
算，即可得出地球的周长为25万希腊里 （10希腊里=1英里）。这个数字与
目前的地球周长已很相近。
这一成就的惊人之处在于，它一下子又把地球的大小扩大了好多倍。然
而，它的真正意义，远不止只是弄清了地球的大小，还在于又加剧了人们的
好奇心。既然地球如此之大，那么，在人们尚未发现的那些部分，到底还有
些什么东西呢？
又过了100多年，富有科学传统的亚历山大里亚城，出现了一位杰出的
科学家托勒密 （公元90～168年）。他祖籍希腊，出生和居住在埃及。他除
了对天文、数学等方面作出过杰出贡献之外，对人们认识地球的贡献也是惊
人的。
他坚决认为，在测量和绘制地图时，必须先搞清地球的经纬度，然后才
能取得圆满的结果。他把当时已知的资料集中起来，绘出了一个从马来亚半
岛沿海，中国海岸直到直布罗陀海峡和不列颠、斯堪的纳维亚，以及俄罗斯
草原，还包括尼罗河源头的不明湖泊在内的世界地图。
这的确是一个了不起的成就。可以这么说，那时除了美洲、澳洲、南极
洲之外，地球上的陆地已均在其范围之内了。
令人惋惜的是，正当人们对地球的认识逐步深化、日趋佳境之时，欧洲
进入了漫长而黑暗的中世纪。科学受到了最野蛮的摧残。
那时，谁要是再说一句大地是球形的，就立即被斥为异教，甚至有杀头
之险。荒唐的教会，借助宗教的“权威”，硬把大地又拉回到“平地”，甚
至天地也重新毗连起来。
直到1000多年以后的15世纪，反动教堂中仍然用地球对面人头向下的
画片来“嘲笑”大地为球形的学说。
从实践中来的科学假说，被压制、摧残达1000多年之久，这不能不说是
极大的悲剧；但科学真理毕竟是不可战胜的。15世纪之后，人们对地球的认
识又开始向纵深发展，其迅猛之势，前所未有。
牛顿和法国测量队的功劳
资本主义的兴起，向中世纪的反动教会猛烈地开火。商业的发展，推动
了航海事业的兴旺和科学事业的繁荣。哥伦布为了实现1000多年前辛尼加的
预言，勇敢地沿大西洋进发，意外地发现了美洲新大陆。麦哲伦和他的同事
们，英勇果敢，前赴后继，终于完成了人类历史上第一次环球航行，最后从
事实上证明大地是球形的。
那么，地球的形状究竟是不是一个正圆球体形呢？由于航海事业需要精
确地判别方向，对地球形状的探索就日感迫切。1668年，牛顿发现了万有引
力定律，他以极其丰富的想象力，认为行星由于其自身的旋转，应当在两极
扁平而赤道突出。这一天才的预言，为判断地球更精确的形状提供了理论根
据。
1672年，法国科学院派李希尔到达赤道附近去观测火星冲日。当时他随
身带了一只很准确的摆钟，到达开罗之后，他发觉摆钟每天总是慢两分钟，
他不得不缩短摆长，来校正摆钟的快慢。当李希尔回到巴黎后，摆钟又变得
快起来，必须重新放长摆的长度，这是什么缘故呢？
牛顿受到李希尔摆钟的启示，他由此思考到，摆钟变慢的原因是重力加
速度变小的缘故，一则是由于赤道附近的离心加速度�