物理學(xué)中的兩片烏云，源于英國(guó)著名物理學(xué)家威廉·湯姆森（開(kāi)爾文男爵）1900年4月27日在倫敦皇家學(xué)會(huì)發(fā)表的題為《籠罩在熱學(xué)和光動(dòng)力學(xué)理論之上的19世紀(jì)烏云》的演講。
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他在回顧物理學(xué)的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，只剩下一些收尾工作。同時(shí)，在展望20世紀(jì)物理學(xué)的前景時(shí)，他若有所思地說(shuō)：“動(dòng)力學(xué)理論證實(shí)了熱和光是兩種運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)中的能量均分定律在對(duì)氣體比熱和熱輻射能譜的理論解釋上給出了與實(shí)驗(yàn)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(zāi)變”。開(kāi)爾文是19世紀(jì)英國(guó)杰出的理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，是物理學(xué)界頗具影響力的權(quán)威。他的言論揭示了19世紀(jì)后期物理學(xué)發(fā)展的基本情況，反映了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的主流思潮。
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到了19世紀(jì)末，物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)完善和成熟的水平，一切物理現(xiàn)象似乎都能從相應(yīng)的理論中得到滿意的答案。例如一切機(jī)械現(xiàn)象都可以從原則上用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋，牛頓力學(xué)和分析力學(xué)成為解決力學(xué)問(wèn)題的有效工具。對(duì)于電磁現(xiàn)象的分析，形成了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，它是電磁場(chǎng)的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論也可以用來(lái)解釋波動(dòng)光學(xué)的基本問(wèn)題。對(duì)于熱現(xiàn)象，還有現(xiàn)象熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論，它們幾乎可以對(duì)物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的宏觀規(guī)律和分子熱運(yùn)動(dòng)的微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律作出合理的解釋。總之，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理學(xué)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(xué)家們會(huì)陶醉其中，覺(jué)得物理學(xué)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(dāng)時(shí)的物理學(xué)界盛行，而且由來(lái)已久。
普朗克曾在1924年發(fā)表過(guò)一次演講，在演講中他回憶起1875年他在慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)物理時(shí)，他的物理老師P.約利（1809—1884）曾勸他不要學(xué)純理論，因?yàn)槲锢韺W(xué)“是一門(mén)高度發(fā)達(dá)、近乎完美的科學(xué)”，而現(xiàn)在這門(mén)科學(xué)“似乎已經(jīng)非常接近于采取最穩(wěn)定的形式，也許某個(gè)角落里還有一粒灰塵或一個(gè)小氣泡，可以研究和分類(lèi)，但作為一個(gè)完整的體系，它已經(jīng)建立得足夠牢固了。而且理論物理學(xué)顯然正在接近幾何學(xué)幾百年來(lái)所達(dá)到的完美程度。”普朗克的另一位著名老師、柏林大學(xué)的G.基爾霍夫（1824—1887）也說(shuō)過(guò)類(lèi)似的話，他說(shuō)：“物理學(xué)什么也沒(méi)做，將來(lái)只不過(guò)是在已知定律的小數(shù)點(diǎn)后再加幾個(gè)數(shù)字而已。” 雖然開(kāi)爾文對(duì)物理學(xué)成就的評(píng)價(jià)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(dān)憂，說(shuō)明他目光遠(yuǎn)大。物理學(xué)發(fā)展史表明，正是這兩片小烏云，最終引發(fā)了一場(chǎng)大風(fēng)暴。
作品
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第一片烏云
邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)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(méi)有介質(zhì)就無(wú)法傳播。太陽(yáng)光通過(guò)真空傳播到地球，億萬(wàn)光年外星系的光也通過(guò)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(xué)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(xué)家亞里士多德。亞里士多德認(rèn)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(wàn)有引力后，遇到了一個(gè)難題：在宇宙真空中，引力用什么介質(zhì)來(lái)傳播呢？為了找到徹底的解決辦法，牛頓復(fù)活了亞里士多德的“以太”理論，認(rèn)為“以太”是宇宙真空中引力傳播的介質(zhì)。后來(lái)，物理學(xué)家們又發(fā)展了“以太”理論，認(rèn)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(lái)傳播的。他們還假設(shè)整個(gè)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(jué)的介質(zhì)。 19世紀(jì)1931英國(guó)物理學(xué)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(wú)重量、絕對(duì)可透的“以太”。 “以太”既具有電磁性質(zhì)，是電磁效應(yīng)的載體，又具有力學(xué)性質(zhì)，是一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)于它而言的。這樣，電磁理論就與牛頓力學(xué)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(xué)”。
然而一旦確認(rèn)了“以太”的存在，新的問(wèn)題就出現(xiàn)了：地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，必然會(huì)遇到一道以每秒30公里的速度向它吹來(lái)的“以太風(fēng)”，同時(shí)，這道風(fēng)還要對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)，引發(fā)了人們對(duì)“以太風(fēng)”是否存在的探索。
為了觀察“以太風(fēng)”是否存在，1887年邁克爾遜（1852—1931）與美國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷（1838—1923）在美國(guó)克利夫蘭合作，進(jìn)行了一次著名的實(shí)驗(yàn)：“邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)”1931英國(guó)物理學(xué)家，又稱“以太漂移”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，無(wú)論地球運(yùn)動(dòng)方向與光的方向一致還是相反，測(cè)得的光速都是相同的，地球與假定的“以太”之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，不可能找到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)在理論上簡(jiǎn)單易懂，方法準(zhǔn)確可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定“以太”的存在是毋庸置疑的。
邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)讓科學(xué)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(shuō)，面對(duì)這個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，古典物理學(xué)實(shí)在是束手無(wú)策。
第二片烏云
黑體輻射和“紫外線災(zāi)難”
同一溫度下，不同物體發(fā)光亮度和顏色（波長(zhǎng)）不同，顏色深的物體吸收輻射的能力更強(qiáng)，如煤炭對(duì)電磁波的吸收率可達(dá)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(kāi)有小孔的空腔可看作近似的黑體。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)小孔進(jìn)入空腔的輻射在空腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射、吸收后，不會(huì)再穿過(guò)小孔。
19世紀(jì)末，魯默爾（1860-1925）等人做了一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)——黑體輻射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，其按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。從古典物理學(xué)的角度來(lái)看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是不可思議的。
如何解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果？當(dāng)時(shí)人們都是從經(jīng)典物理學(xué)的角度去尋找實(shí)驗(yàn)的規(guī)律，前提和出發(fā)點(diǎn)都是錯(cuò)誤的，最終導(dǎo)致失敗。比如德國(guó)物理學(xué)家維恩建立了黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的公式，但這個(gè)公式只在波長(zhǎng)比較短、溫度比較低的情況下才符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)。英國(guó)物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一個(gè)連續(xù)變化的物理量，建立了在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、溫度比較高的情況下更符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(zhǎng)變短，輻射強(qiáng)度可以無(wú)限增大，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，根本就是不可能的。因此，這次失敗被艾倫費(fèi)斯特稱為“紫外災(zāi)難”。 它的失敗無(wú)疑表明了經(jīng)典物理理論在黑體輻射問(wèn)題上的失敗，因此對(duì)于整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)也是一場(chǎng)“災(zāi)難”。
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