经典物理学遇到的俩朵乌云是什么

19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂.会上,英国著名物理学家W?汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词.他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作.同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,”“第一朵乌云出现在光的波动理论上,”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上.”W.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章.他所说的第一朵乌云,主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出.开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家,是一位颇有影响的物理学权威,他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况,反映了当时物理学界的主要思潮.
物理学发展到19世纪末期,可以说是达到相当完美、相当成熟的程度.一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答.例如,一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释,牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具.对于电磁现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场统一理论,这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题.至于热现象,也已经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能够做出合理的说明.总之,以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成,而且基础牢固,宏伟壮观!在这种形势下,难怪物理学家会感到陶醉,会感到物理学已大功告成,因而断言往后难有作为了.这种思想当时在物理界不但普遍存在,而且由来已久.
普朗克曾在1924年做过一次演讲.在演讲中,他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时,物理老师P.约里（1809-1884）曾劝他不要学纯理论,因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”,现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式.也许,在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡,对它们可以去进行研究和分类,但是,作为一个完整的体系,那是建立得足够牢固的.而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度.”普朗克的另一位名师,柏林大学的G?基尔霍夫（1824-1887）也说过类似的话,他说“物理学已经无所作为,往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已.”尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激,但他能够在此万里晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡,足见他富有远见.物理学发展的历史表明,正是这两朵小小的乌云,终于酿成了一场大风暴.
第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
人们知道,水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播.太阳光穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上.光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质——“以太”.
最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德.亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素,“以太”.牛顿在发现了万有引力之后,碰上了难题：在宇宙真空中,引力由什么介质传播呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质.后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质.光和引力一样,是由“以太”传播的.他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”,“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介.19世纪时,麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量,可以绝对渗透的“以太”.“以太”既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者,又具有机械力学的性质,它是绝对静止的参考系,一切运动都相对于它进行.这样,电磁理论因牛顿力学取得协调一致.“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学”.
但是,肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响.这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否.
为了观测“以太风”是否存在,1887年,迈克耳逊（1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（1838－1923）合作,在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”,即“以太漂移”实验.实验结果证明,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球同设想的“以太”之间没有相对运动.因而,根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”.由于这个实验在理论上简单易懂,方法上精确可靠,所以,实验结果否定“以太”之存在是毋庸置疑的.
迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地.他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论.如果他们不敢放弃以太,那末,他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说.经典物理学在这个著名实验面前,真是一筹莫展.
第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”
在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同.颜色深的物体吸收辐射的本领比较强,比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右.所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射,吸收率是100％的理想物体.真正的黑体并不存在,但是,一个表面开有一个小孔的空腔,则可以看作是一个近似的黑体.因为通过小孔进入空腔的辐射,在腔里经过多次反射和吸收以后,不会再从小孔透出.
19世纪末,卢梅尔（1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验,发现黑体辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关.从经典物理学的角度看来,这个实验的结果是不可思议的.
怎样解释黑体辐射实验的结果呢?当时,人们都从经典物理学出发寻找实验的规律.前提和出发点不正确,最后都导致了失败的结果.例如,德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合.英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式.但是,从瑞利——金斯公式推出,在短波区（紫外光区）随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和实验数据相差十万八千里,是根本不可能的.所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”.它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败,所以这也是整个经典物理学的“灾难”.