從物理學的兩朵烏雲說起

當中國即將在一個多月後遭受八國聯軍的侵略之時，

倫敦馬路邊的咖啡店裡，

人們正在興致勃勃的談論著巴黎舉辦的萬國博覽會。

街上的報童叫賣著有關中國義和團的運動的報紙。

同時，阿爾伯馬爾街皇家研究所正在舉辦一場報告會。

歐洲有名的

科學家

都齊聚一堂，

聆聽著開爾文男爵名為《19世紀籠罩在熱和光動力理論上空的烏雲》的報告。

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時年76歲的老頭說到：

“動力學理論可以說明，

光和熱都是運動的表現形式。

但現在這一本以為優美的、明晰的理論，

卻遭受了兩朵烏雲的遮蔽，

使得理論本身，

恐怕要黯然失色……”

“烏雲”的比喻如此形象，

使得被後來人所銘記。

物理所大廈本以為建立的完美無缺，

邏輯自洽，

但此時，

如同陽光燦爛的天空中飄來兩朵烏雲。

這兩朵烏雲，

分別代表著經典物理在光以太和麥克斯韋-玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。

這裡因為是做一點科普，

不講太深奧的物理學知識。

所以簡單的介紹下這兩朵烏雲帶給物理學的困境。

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第一朵烏雲是以太假說，

我們常識中知道，

波的傳播需要介質。

比如水波的傳播要有水做媒介，

聲波的傳播要有空氣做媒介，

只要離開了介質這些波都不能傳播。

那麼光波呢？

太陽光穿過真空來到地球上，

其他幾十億光年以外的星星發出的光，

也是穿過宇宙的空間傳到地球上。

那麼光波為什麼能在真空中傳播？

真空真的是空的嗎？

光的傳播介質是什麼？

物理學家

給光找了個傳播介質——“以太”。

當時，主流物理學界都是承認“以太”假說的。

不僅光是由以太載體傳統，

引力也是一樣，是由“以太”傳播的。

物理學家還假定整個宇宙空間都充滿了“以太”，

所以“真空不空”。

那麼以太是什麼呢？

“以太”是一種非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。

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一直到19世紀時，

麥克斯韋電磁理論中也把傳播光和電磁波的介質說成是“以太”。

可見“萬能”的以太理論解釋了眾多的物理問題。

“以太”既具有電磁的性質，又具有機械力學的性質，

可以說它是絕對靜止的參考系，

一切運動都相對於它進行。

因此，電磁理論和牛頓力學取得協調一致。

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可是，如果肯定“以太”的話，

新的問題又會產生：

地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，

就會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來，

如同我們在船上航行，迎面而來的空氣也是相向運動。

既然以太風吹來，

作為光傳播的介質，

它也必須對光的傳播產生影響。

1887年，兩位物理學家在克利夫蘭進行了一個著名的實驗：

“邁克耳遜－莫雷實驗”，

也叫“以太漂移”實驗。

實驗結果表明：

不論地球運動的方向同光的發射方向一致或相反，

測出的光速都相同，

在地球與設想的“以太”之間並沒有相對運動。

因而，真空中並沒有“以太”或“絕對靜止的空間”。

此實驗的結果對否定“以太”的存在是毋庸置疑的。

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另一朵烏雲是黑體輻射實驗和理論的不一致。

這個我們後面有機會慢慢說，

第一個問題導致了相對論革命的誕生，

第二個問題導致了量子論革命的誕生。

開爾文當年的演講，

如同預言一般，

使得這兩朵烏雲逐步電閃雷鳴，打破了經典物理的統治，

催生出更偉大壯麗的物理學大廈。

下一節，我們說說黑體輻射實驗，

以及科學與玄學的思維對比。