从物理学的两朵乌云说起（1）

1900年4月27日，

当中国即将在一个多月后遭受八国联军的侵略之时，

伦敦马路边的咖啡店里，

人们正在兴致勃勃的谈论着巴黎举办的万国博览会。

街上的报童叫卖着有关中国义和团的运动的报纸。

同时，阿尔伯马尔街皇家研究所正在举办一场报告会。

欧洲有名的科学家都齐聚一堂，

聆听着开尔文男爵名为《19世纪笼罩在热和光动力理论上空的乌云》的报告。

时年76岁的老头说到：

“动力学理论可以说明，

光和热都是运动的表现形式。

但现在这一本以为优美的、明晰的理论，

却遭受了两朵乌云的遮蔽，

使得理论本身，

恐怕要黯然失色……”

“乌云”的比喻如此形象，

使得被后来人所铭记。

物理所大厦本以为建立的完美无缺，

逻辑自洽，

但此时，

如同阳光灿烂的天空中飘来两朵乌云。

这两朵乌云，

分别代表着经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。

这里因为是做一点科普，

不讲太深奥的物理学知识。

所以简单的介绍下这两朵乌云带给物理学的困境。

第一朵乌云是以太假说，

我们常识中知道，

波的传播需要介质。

比如水波的传播要有水做媒介，

声波的传播要有空气做媒介，

只要离开了介质这些波都不能传播。

那么光波呢？

太阳光穿过真空来到地球上，

其他几十亿光年以外的星星发出的光，

也是穿过宇宙的空间传到地球上。

那么光波为什么能在真空中传播？

真空真的是空的吗？

光的传播介质是什么？

物理学家给光找了个传播介质——“以太”。

当时，主流物理学界都是承认“以太”假说的。

不仅光是由以太载体传统，

引力也是一样，是由“以太”传播的。

物理学家还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，

所以“真空不空”。

那么以太是什么呢？

“以太”是一种非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。

一直到19世纪时，

麦克斯韦电磁理论中也把传播光和电磁波的介质说成是 “以太”。

可见“万能”的以太理论解释了众多的物理问题。

“以太”既具有电磁的性质，又具有机械力学的性质，

可以说它是绝对静止的参考系，

一切运动都相对于它进行。

因此，电磁理论和牛顿力学取得协调一致。

可是，如果肯定“以太”的话，

新的问题又会产生：

地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，

就会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，

如同我们在船上航行，迎面而来的空气也是相向运动。

既然以太风吹来，

作为光传播的介质，

它也必须对光的传播产生影响。

1887年，两位物理学家在克利夫兰进行了一个著名的实验：

“迈克耳逊－莫雷实验”，

也叫“以太漂移”实验。

实验结果表明：

不论地球运动的方向同光的发射方向一致或相反，

测出的光速都相同，

在地球与设想的“以太”之间并没有相对运动。

因而，真空中并没有“以太”或“绝对静止的空间”。

此实验的结果对否定“以太”的存在是毋庸置疑的。

另一朵乌云是黑体辐射实验和理论的不一致。

这个我们后面有机会慢慢说，

第一个问题导致了相对论革命的诞生，

第二个问题导致了量子论革命的诞生。

开尔文当年的演讲，

如同预言一般，

使得这两朵乌云逐步电闪雷鸣，打破了经典物理的统治，

催生出更伟大壮丽的物理学大厦。

下一节，我们说说黑体辐射实验，

以及科学与玄学的思维对比。