物理學中的兩片烏云，源于英國著名物理學家威廉·湯姆森（開爾文男爵）1900年4月27日在倫敦皇家學會發(fā)表的題為《籠罩在熱學和光動力學理論之上的19世紀烏云》的演講。
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他在回顧物理學的偉大成就時說，物理學大廈已經(jīng)落成，只剩下一些收尾工作。同時，在展望20世紀物理學的前景時，他若有所思地說：“動力學理論證實了熱和光是兩種運動方式，現(xiàn)在，它美麗而晴朗的天空被兩片烏云遮蔽了”，“第一片烏云出現(xiàn)在光的波動理論中”，“第二片烏云出現(xiàn)在麥克斯韋—玻爾茲曼能量均分理論中”。
1900年4月，威廉·湯姆遜發(fā)表了一篇題為《19世紀熱和光的動力學理論之上的烏云》的文章。他提到的第一朵烏云主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結(jié)果與以太漂移理論之間的矛盾；他提到的第二朵烏云主要是指熱力學中的能量均分定律在對氣體比熱和熱輻射能譜的理論解釋上給出了與實驗不同的結(jié)果，其中最突出的是黑體輻射理論中出現(xiàn)的“紫外災變”。開爾文是19世紀英國杰出的理論物理學家和實驗物理學家，是物理學界頗具影響力的權(quán)威。他的言論揭示了19世紀后期物理學發(fā)展的基本情況，反映了當時物理學界的主流思潮。
目錄
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簡單的介紹
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到了19世紀末，物理學已經(jīng)達到了相當完善和成熟的水平，一切物理現(xiàn)象似乎都能從相應的理論中得到滿意的答案。例如一切機械現(xiàn)象都可以從原則上用經(jīng)典力學來解釋，牛頓力學和分析力學成為解決力學問題的有效工具。對于電磁現(xiàn)象的分析，形成了麥克斯韋電磁場理論，它是電磁場的統(tǒng)一理論，這個理論也可以用來解釋波動光學的基本問題。對于熱現(xiàn)象，還有現(xiàn)象熱力學和統(tǒng)計力學的理論，它們幾乎可以對物質(zhì)熱運動的宏觀規(guī)律和分子熱運動的微觀統(tǒng)計規(guī)律作出合理的解釋。總之，以經(jīng)典力學、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計力學為三大支柱的經(jīng)典物理學大廈已經(jīng)建成，并且根基牢固而宏偉！ 在此情況下，難怪物理學家們會陶醉其中，覺得物理學已經(jīng)大功告成了，并因此斷言，以后很難再做出成就。這種想法不僅在當時的物理學界盛行，而且由來已久。
普朗克曾在1924年發(fā)表過一次演講，在演講中他回憶起1875年他在慕尼黑大學學習物理時，他的物理老師P.約利（1809—1884）曾勸他不要學純理論，因為物理學“是一門高度發(fā)達、近乎完美的科學”，而現(xiàn)在這門科學“似乎已經(jīng)非常接近于采取最穩(wěn)定的形式，也許某個角落里還有一粒灰塵或一個小氣泡，可以研究和分類，但作為一個完整的體系，它已經(jīng)建立得足夠牢固了。而且理論物理學顯然正在接近幾何學幾百年來所達到的完美程度。”普朗克的另一位著名老師、柏林大學的G.基爾霍夫（1824—1887）也說過類似的話，他說：“物理學什么也沒做，將來只不過是在已知定律的小數(shù)點后再加幾個數(shù)字而已。” 雖然開爾文對物理學成就的評價有些夸張，但他能在這片晴朗的天空中發(fā)現(xiàn)“兩片烏云”并為此擔憂，說明他目光遠大。物理學發(fā)展史表明，正是這兩片小烏云，最終引發(fā)了一場大風暴。
作品
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第一片烏云
邁克爾遜-莫雷實驗與“以太”理論的破滅
人們知道，水波傳播需要水作為介質(zhì)，聲波傳播需要空氣作為介質(zhì)，沒有介質(zhì)就無法傳播。太陽光通過真空傳播到地球，億萬光年外星系的光也通過宇宙?zhèn)鞑サ降厍颉９獠槭裁茨茉谡婵罩袀鞑ィ克膫鞑ソ橘|(zhì)是什么？物理學家找到了光的傳播介質(zhì)——“以太”。
最早提出“以太”概念的人是古希臘哲學家亞里士多德。亞里士多德認為下層世界由火、水、土、氣四種元素構(gòu)成；上層世界則增加了第五種元素“以太”。牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力后，遇到了一個難題：在宇宙真空中，引力用什么介質(zhì)來傳播呢？為了找到徹底的解決辦法，牛頓復活了亞里士多德的“以太”理論，認為“以太”是宇宙真空中引力傳播的介質(zhì)。后來，物理學家們又發(fā)展了“以太”理論，認為“以太”也是光波傳播的介質(zhì)。光和引力一樣，都是靠“以太”來傳播的。他們還假設整個宇宙都充滿了“以太”，這是一種由非常小的彈性小球組成的稀薄的、難以察覺的介質(zhì)。 19世紀1931英國物理學家，麥克斯韋的電磁理論也把光和電磁波的傳播介質(zhì)描述為無重量、絕對可透的“以太”。 “以太”既具有電磁性質(zhì)，是電磁效應的載體，又具有力學性質(zhì)，是一個絕對靜止的參考系，一切運動都是相對于它而言的。這樣，電磁理論就與牛頓力學相協(xié)調(diào)。 “以太”是光、電、磁的共同載體這一概念被人們普遍接受，形成了“以太學”。
然而一旦確認了“以太”的存在，新的問題就出現(xiàn)了：地球以每秒30公里的速度繞太陽轉(zhuǎn)，必然會遇到一道以每秒30公里的速度向它吹來的“以太風”，同時，這道風還要對光的傳播產(chǎn)生影響。這個問題的出現(xiàn)，引發(fā)了人們對“以太風”是否存在的探索。
為了觀察“以太風”是否存在，1887年邁克爾遜（1852—1931）與美國化學家、物理學家莫雷（1838—1923）在美國克利夫蘭合作，進行了一次著名的實驗：“邁克爾遜—莫雷實驗”1931英國物理學家，又稱“以太漂移”實驗。實驗結(jié)果證明，無論地球運動方向與光的方向一致還是相反，測得的光速都是相同的，地球與假定的“以太”之間不存在相對運動。因此，不可能找到“以太”或“絕對靜止的空間”。由于這個實驗在理論上簡單易懂，方法準確可靠，實驗結(jié)果否定“以太”的存在是毋庸置疑的。
邁克爾遜—莫雷實驗讓科學家陷入了兩難境地，他們不得不放棄解釋了很多電磁和光現(xiàn)象的以太理論，如果不敢放棄以太，那就不得不放棄比“以太理論”更古老的哥白尼日心說，面對這個著名的實驗，古典物理學實在是束手無策。
第二片烏云
黑體輻射和“紫外線災難”
同一溫度下，不同物體發(fā)光亮度和顏色（波長）不同，顏色深的物體吸收輻射的能力更強，如煤炭對電磁波的吸收率可達80%左右。所謂“黑體”，是指能完全吸收外界輻射而不發(fā)生任何反射和透射的理想物體，吸收率為100%。真正的黑體并不存在物理資源網(wǎng)，但表面開有小孔的空腔可看作近似的黑體。這是因為通過小孔進入空腔的輻射在空腔內(nèi)經(jīng)過多次反射、吸收后，不會再穿過小孔。
19世紀末，魯默爾（1860-1925）等人做了一個著名實驗——黑體輻射實驗，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，其按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。從古典物理學的角度來看，這個實驗的結(jié)果是不可思議的。
如何解釋黑體輻射實驗的結(jié)果？當時人們都是從經(jīng)典物理學的角度去尋找實驗的規(guī)律，前提和出發(fā)點都是錯誤的，最終導致失敗。比如德國物理學家維恩建立了黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的情況下才符合實驗事實。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一個連續(xù)變化的物理量，建立了在波長比較長、溫度比較高的情況下更符合實驗事實的黑體輻射公式。但根據(jù)瑞利-金斯公式，在短波區(qū)（紫外區(qū)），隨著波長變短，輻射強度可以無限增大，這與實驗數(shù)據(jù)相差甚遠，根本就是不可能的。因此，這次失敗被艾倫費斯特稱為“紫外災難”。 它的失敗無疑表明了經(jīng)典物理理論在黑體輻射問題上的失敗，因此對于整個經(jīng)典物理學來說也是一場“災難”。
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