物理學睛空的“兩朵烏云”

　　物理學睛空的“兩朵烏云”

　　“完美”的經(jīng)典物理學

　　19世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，英國著名物理學家W．湯姆生（即開爾文男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時，他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上，”“第二朵烏云出現(xiàn)在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。”W．湯姆生在1900年4月曾發(fā)表過題為《19世紀熱和光的動力學理論上空的烏云》的文章。他所說的第一朵烏云，主要是指A．邁克爾孫實驗結果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災難”最為突出。開爾文是19世紀英國杰出的理論物理和實驗物理學家，是一位頗有影響的物理學權威，他的說法道出了物理學發(fā)展到19世紀末期的基本狀況，反映了當時物理學界的主要思潮。

　　物理學發(fā)展到19世紀末期，可以說是達到相當完美、相當成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應的理論中得到滿意的回答。例如，一切力學現(xiàn)象原則上都能夠從經(jīng)典力學得到解釋，牛頓力學以及分析力學已成為解決力學問題的有效的工具。對于電磁現(xiàn)象的分析，已形成麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動光學的基本問題。至于熱現(xiàn)象，也已經(jīng)有了唯象熱力學和統(tǒng)計力學的理論，它們對于物質熱運動的宏觀規(guī)律和分子熱運動的微觀統(tǒng)計規(guī)律，幾乎都能夠作出合理的說明�？傊�，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)典物理大廈已經(jīng)建成，而且基礎牢固，宏偉壯觀！在這種形勢下，難怪物理學家會感到陶醉，會感到物理學已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當時在物理界不但普遍存在，而且由來已久。

　　普朗克曾在1924年做過一次演講。在演講中，他回憶1875年在慕尼黑大學學物理時，物理老師P．約里（PhilippvonJolly,1809-1884）曾勸他不要學純理論，因為物理學“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學”，現(xiàn)在這門科學“看來很接近于采取最穩(wěn)定的形式。也許，在某個角落里還有一粒塵屑或一個小氣泡，對它們可以去進行研究和分類，但是，作為一個完整的體系，那是建立得足夠牢固的。而理論物理學正在明顯地接近于幾何學在數(shù)百年中所已具有的那樣完美的程度。”普朗克的另一位名師，柏林大學的G·基爾霍夫（GustayRobertKirchhoff,1824-1887）也說過類似的話，他說“物理學已經(jīng)無所作為，往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點后面加上幾個數(shù)字而已。”盡管開爾文對物理學成就的評價言之過激，但他能夠在此萬晴空中發(fā)現(xiàn)“兩朵烏云”并為之憂心忡忡，足見他富有遠見。物理學發(fā)展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏云，終于釀成了一場大風暴。

　　第一朵烏云——邁克耳遜－莫雷實驗與“以太”說破滅

　　人們知道，水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質是什么？物理學家給光找了個傳播介質―“以太”。

　　最早提出“以太”的是古希臘哲學家亞里士多德。亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素，“以太”。牛頓在發(fā)現(xiàn)了萬有引力之后，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什么介質傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復活了亞里士多德的“以太”說，認為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質。后來，物理學家又發(fā)展了“以太”說，認為“以太”也是光波的傳播介質。光和引力一樣，是由“以太”傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的“以太”。“以太”既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對于它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學取得協(xié)調一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學”。

　　但是，肯定了“以太”的存在，新的問題又產(chǎn)生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。這個問題的產(chǎn)生，引起人們去探討“以太風”存在與否。

　　為了觀測“以太風”是否存在，1887年，邁克耳遜（A．A．Michalson，1852－1931）與美國化學家、物理學家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗：“邁克耳遜－莫雷實驗”，即“以太漂移”實驗。實驗結果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設想的“以太”之間沒有相對運動。因而，根本找不到“以太”或“絕對靜止的空間”。由于這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。

　　邁克耳遜一莫雷實驗使科學家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經(jīng)說明電磁及光的許多現(xiàn)象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那末，他們必須放棄比“以太學”更古老的哥白尼的地動說。經(jīng)典物理學在這個著名實驗面前，真是一籌莫展。

　　第二朵烏云——黑體輻射與“紫外災難”

　　在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。真正的黑體并不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經(jīng)過多次反射和吸收以后，不會再從小孔透出。

　　19世紀末，盧梅爾（Lummer1860－1925）等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。從經(jīng)典物理學的角度看來，這個實驗的結果是不可思議的。

　　怎樣解釋黑體輻射實驗的結果呢？當時，人們都從經(jīng)典物理學出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。前提和出發(fā)點不正確，最后都導致了失敗的結果。例如，德國物理學家維恩建立起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、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。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種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經(jīng)典物理學的“災難”。