“电磁质量”的发现

在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。不过，中间也有不少曲折。

1878 年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的问题。1881 年，J.J.汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界作更多的功，带电体的动能就要比不带电体 大，换言之，带电体应具有更大的质量。后来，人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。J.J.汤姆生用麦克斯韦电磁理论计算半径为 a 的导体球，设其所带电荷为 e，运动速度为 v，则电磁质量为：

4μe²

其中μ为磁导率。

me =

15α

1889 年，亥维赛（Oliver Heaviside）改进了汤姆生的计算，并推导出当运动带电体的速度接近光速 c 时，物体能量可达无穷大，条件是电荷集中在带电球体的赤道线上。

① 转引自 O.Glasser,Wilhelm Conrad R(ntgen and the Early History of the R(nt-gen Rays, Bale, 1933, p. 224.

1897 年，舍耳（Searle）假设电子相当于一无限薄的带电球壳，计算其电磁质量为：

e  2 1  1 + β

其中β≡v/c

me = 2αv² 

− β²

• ln

β  1



− β

这时，电子已经发现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量问题。

1901 年考夫曼（WaltherKaufmann，1871—1947）用β射线做实验， 证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。第一次观测到了电磁质量。

1903 年，阿伯拉罕（M.Abraham）用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系：

3 m 1 + β²  1 + β 

m = 0 

• ln

 − 1

4 β²  2β  1 − β 

式中 m0 为电子的静止质量。

1904 年，洛仑兹把收缩假设（见下节）用于电子，推出如下关系：

m = m 0

这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以叫洛仑兹− 爱因斯坦公式。

然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣称：“量度结果与洛仑兹−爱因斯坦的基本假设不相容。”

对此，爱因斯坦在 1907 年写道①：“阿伯拉罕⋯⋯的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的。”

果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对论的重要证据。