物理学晴空中的“两朵乌云”

“完美的”经典物理学在19世纪的最后一天，著名的欧洲科学家聚集在一起。在会上，英国著名物理学家w·汤姆森(拜伦·开尔文)致新年贺词。回顾物理学取得的巨大成就，他说物理大楼已经完工，只剩下一些收尾工作。与此同时，当展望20世纪物理学的前景时，他若有所思地说:“功率理论肯定热和光是运动的两种方式。现在，它美丽而晴朗的天空被两朵乌云所笼罩。”“第一个乌云出现在光涨落理论中”，“第二个乌云出现在麦克斯韦-玻尔兹曼的等能量分布理论中。”1900年4月，汤姆森发表了一篇题为“19世纪热和光的运动理论上的乌云”的文章。他提到的第一团乌云主要是指迈克尔森的实验结果和乙醚漂移理论之间的矛盾。当他说第二个暗云时，他主要指出热量中能量平均分配的原理在气体比热和潜在辐射能谱的理论解释中从实验中获得了不同的结果，特别是黑体辐射理论中的“紫外线灾难”。开尔文是19世纪英国杰出的理论和实验物理学家。他是物理学上有影响力的权威。他的陈述揭示了19世纪末物理学发展的基本情况，反映了当时物理学的主要思潮。

物理学发展到19世纪末，可以说是相当完美和成熟的。所有的物理现象似乎都能从相应的理论中得到满意的答案。例如，所有的机械现象都可以从经典力学中得到原则上的解释。牛顿力学和分析力学已经成为解决力学问题的有效工具。对于电磁现象的分析，麦克斯韦电磁场理论已经形成，这是电磁场的统一理论。这个理论也可以用来解释波动光学的基本问题。对于热现象，也有唯象热力学和统计力学理论，它们可以对物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律给出合理的解释。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理建筑已经建成，其基础坚实而宏伟！在这种情况下，难怪物理学家会感到陶醉，会觉得物理学已经完成，从而断言将来很难取得任何成就。这一思想不仅在当时的物质世界中盛行，而且有着悠久的历史。

普朗克在1924年做了一次演讲。在他的演讲中，他回忆起1875年在慕尼黑大学学习物理学时，物理老师p·乔利(1809-1884)曾建议他不要研究纯理论，因为物理学“是一门高度发展的科学，几乎是完美的”。现在，科学“似乎非常接近于采取最稳定的形式”也许在某个角落里还有一粒灰尘或一个小气泡，可以对其进行研究和分类，但作为一个完整的系统，它已经建立得足够牢固了。理论物理学显然正在接近几何数百年来的完美程度。”另一位普朗克老师，柏林大学的克·基尔霍夫(1824-1887)也说过类似的话。他说，“物理学什么也没做。将来，我们只会在已知定律的小数点后加几个数字。尽管开尔文对物理学的成就发表了极端的评论，但他还是在晴朗的天空中发现了“两朵乌云”，并对它们感到担忧，这表明他有长远的眼光。物理学发展的历史表明，正是这两个小乌云最终演变成了一场大风暴。

第一次乌云-迈克尔逊-莫雷实验与“以太”理论的瓦解

人们知道水是水波传播的媒介，空气是声波传播的媒介。没有媒介，它们就无法传播。阳光通过真空传播到地球，来自数十亿光年以外的星系的光也通过太空传播到地球。为什么光波可以在真空中传播？它的传播媒介是什么？物理学家发现了一种光的媒介——以太。

古希腊哲学家亚里士多德第一个提出了“以太”。亚里士多德认为下限由四个元素组成:火、水、土壤和气体。上限添加了第五个元素“醚”。牛顿发现万有引力后，他遇到了一个难题:在宇宙的真空中，引力传播的媒介是什么？为了找到一个完整的解决方案，牛顿复活了亚里士多德的“以太”理论，认为“以太”是宇宙真空中重力的传输媒介。后来，物理学家发展了“以太”理论，认为“以太”也是光波传播的媒介。光像重力一样，是由以太传播的。他们还假设整个宇宙都充满了“以太”，这是一种由非常小的弹性球组成的薄而不易察觉的介质。在19世纪，麦克斯韦的电磁理论还将传输光和电磁波的介质描述为一种“以太”，它没有重量，绝对可以穿透。“以太”具有电磁学的特性，是电磁学和机械力学的传输器。这是一个绝对静态的参考系统，所有的运动都是相对于它的。这样，电磁理论与牛顿力学相一致。“以太”作为光、电、磁的共同载体的概念已被人们广泛接受，并形成了一种“商业哲学”。然而，在确认“以太”的存在后，一个新的问题出现了:当地球以每秒30公里的速度围绕太阳运行时，它必然会遇到以每秒30公里的速度向它吹来的“以太风”。同时，它还必须对光的传输产生影响。这个问题的出现引起了人们对“以太风”存在的讨论。

为了观察“以太风”的存在，1887年，迈克尔逊(A.A .迈克尔森，1852-1931)与美国化学家、物理学家莫雷(e . w .莫雷，1838-1923)合作，在克利夫兰进行了一项著名的实验:“迈克尔逊-莫雷实验”，即“以太漂移实验”。实验结果证明，无论地球运动的方向是与光的方向相同还是相反，测得的光速都是相同的，地球与假想的“以太”之间没有相对运动。因此，根本没有“以太”或“绝对静止的空间”。因为这个实验在理论上简单易懂，在方法上准确可靠，毫无疑问，实验结果否定了“乙醚”的存在。

迈克尔逊-莫雷实验让科学家们进退两难。他们可能不得不放弃以太网理论，该理论曾经解释了许多电磁和光的现象。如果他们不敢放弃以太，那么他们必须放弃哥白尼的地面运动，这比“向商业学习”要古老。在这个著名的实验面前，经典物理学真的无能为力。

第二黑云——黑体辐射与“紫外线灾难”

在相同的温度下，不同的物体有不同的发光亮度和颜色(波长)。深色物体有很强的吸收辐射的能力。例如，煤可以吸收大约80%的电磁波。所谓的“黑体”是指一种理想的物体，它能吸收所有的外部辐射而不反射或透射，吸收率为100%。真正的黑体是不存在的，但是一个表面有一个小孔的空腔可以被认为是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射在空腔中被多次反射和吸收后不会通过小孔。

19世纪末，Lummer1860-1925和其他著名的实验——黑体辐射实验发现，黑体辐射的能量不是连续的，其在波长上的分布只与黑体的温度有关。从经典物理学的角度来看，这个实验的结果是不可思议的。

如何解释黑体辐射实验的结果？那时，人们开始从经典物理学中寻找实验定律。前提和出发点不正确，最终导致失败。例如，德国物理学家韦恩建立了黑体辐射能量按波长分布的公式，但该公式仅在波长相对较短、温度相对较低时才与实验事实相符。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家詹金斯认为能量是一个不断变化的物理量，并建立了黑体辐射公式，当波长相对较长、温度相对较高时，该公式与实验事实相对一致。然而，根据瑞利-詹金斯公式，短波区(紫外区)的辐射强度会随着波长的减小而不断增加，这与实验数据相差甚远，是不可能的。所以这次失败被艾伦·费斯特称为“紫外线灾难”。它的失败无疑标志着经典物理理论在黑体辐射上的失败，因此它也是整个经典物理的“灾难”。