光的简史20：开尔文提出两朵乌云最终孕育出革命种子

发布人

1900年的4月27日，在阿尔伯马尔街皇家研究所举行报告会上，德高望重的开尔文发表了演讲。他的第一段话是这么说的：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”
	这两朵著名的乌云，分别指的是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。再具体一些，指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。
	前面说过，迈克尔逊-莫雷实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊1881年做了一个实验，但结果并不十分令人满意。于是他和莫雷合作在1886年做了第二次实验。这是当时物理史上进行过的最精密的实验：他们动用了最新的干涉仪，为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至弄来了一块大石板，把它放在一个水银槽上，这样就把干扰因素降到了最低。
	然而，实验结果却让他们震惊和失望无比：两束光线根本就没有任何时间差，以太对穿越于其中的光线毫无影响。他们不甘心一连观测了四天，本来想连续观测一年，以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别，但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑，这个计划也就无奈地取消了。
	迈克尔逊-莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”，当时在物理界引起了轰动。因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验结果无情否定，那马上就意味着整个物理世界的轰然崩塌。
	不过，那时候再悲观的人也不认为，刚刚取得伟大胜利的经典物理学，会莫名其妙地就这样倒台，所以人们还是提出了许多折衷的办法，物理学家费兹杰惹和洛伦兹分别提出了一种假说，认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩，从而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留，但业已对它的意义提出了强烈的质问，因为很难想象，一个只具有理论意义的“假设物理量”，究竟有多少存在的必要。
	开尔文所说的“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的，不过他认为长度收缩的假设，无论如何已经使人们“摆脱了困境”，所要做的只是修改现有理论，使以太和物质的相互作用得以自洽罢了。
	至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐射实验和理论的不一致。在开尔文发表演讲的时候，这个问题仍然没有解决的迹象。不过开尔文对此的态度是乐观的，因为他本人就不相信玻尔兹曼的能量均分学说，他认为要驱散这朵乌云，最好的办法就是否定玻尔兹曼的学说。
	说老实话，玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确有着巨大的争议，以致于这位罕见的天才苦闷不堪，精神出现了问题。当年玻尔兹曼就尝试自杀而未成，但他终于在6年后的一片小森林里亲手结束了自己的生命，留下了一个科学史上的大悲剧。
	在这次报告会现场，包括开尔文自己在内，没有一个人知道，这两朵小乌云对于物理学究竟意味着什么。他们绝对无法想象，正是这两朵小乌云，马上就要给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨，彻底摧毁现在的繁华。他们更无法预见，正是这两朵乌云，终究会给物理学带来伟大的新生，在烈火和暴雨中实现涅磐，重新建造起两幢更加壮观的城堡来。
	第一朵乌云，推动了“电磁场本身就是物质存在的一种形式”的革命性观念的建立，最终导致了相对论革命的爆发。这也是波粒双方的以太战场，随着狭义相对论的确立，以太最终退出历史舞台。这个战场的大体情况前面已经说过了，等波粒战争结束后，我们在还原“波粒战争现场”的时候，还会重点谈到它。
	第二朵乌云，孕育出“量子”这颗与现实世界格格不入的天生就具有革命基因的种子，最终导致了量子论革命的爆发。一方面，从一开始人们对量子就怀有深深的惧意，而把它看作只是为了方便而引入的一个假设；另一方面，量子概念太过革命性，人们要从几百年来连续世界的观念中转变过来，还需要一些时间以及更多的验证。
	接下来，我们就跟随“量子”的产生与成长历程，一起看看这场史诗级的世界大战——第三次波粒战争吧。

打开封面下载高清视频观看高清视频视频下载器