物理學(xué)睛空的“兩朵烏云”

　　“完美”的經(jīng)典物理學(xué)

　　19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，英國(guó)著名物理學(xué)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(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻若有所思地講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)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(dòng)理論上，”“第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)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(guò)題為《19世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云》的文章。他所說(shuō)的第一朵烏云，主要是指A．邁克爾孫實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太漂移說(shuō)相矛盾；他所說(shuō)的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及勢(shì)輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。開爾文是19世紀(jì)英國(guó)杰出的理論物理和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，是一位頗有影響的物理學(xué)權(quán)威，他的說(shuō)法道出了物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期的基本狀況，反映了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的主要思潮。

　　物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說(shuō)是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。例如，一切力學(xué)現(xiàn)象原則上都能夠從經(jīng)典力學(xué)得到解釋，牛頓力學(xué)以及分析力學(xué)已成為解決力學(xué)問(wèn)題的有效的工具。對(duì)于電磁現(xiàn)象的分析，已形成麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，這是電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論，這種理論還可用來(lái)闡述波動(dòng)光學(xué)的基本問(wèn)題。至于熱現(xiàn)象，也已經(jīng)有了唯象熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論，它們對(duì)于物質(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，幾乎都能夠作出合理的說(shuō)明�？傊�，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)典物理大廈已經(jīng)建成，而且基礎(chǔ)牢固，宏偉壯觀！在這種形勢(shì)下，難怪物理學(xué)家會(huì)感到陶醉，會(huì)感到物理學(xué)已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當(dāng)時(shí)在物理界不但普遍存在，而且由來(lái)已久。

　　普朗克曾在1924年做過(guò)一次演講。在演講中，他回憶1875年在慕尼黑大學(xué)學(xué)物理時(shí)，物理老師P．約里（PhilippvonJolly,1809-1884）曾勸他不要學(xué)純理論，因?yàn)槲锢韺W(xué)“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學(xué)”，現(xiàn)在這門科學(xué)“看來(lái)很接近于采取最穩(wěn)定的形式。也許，在某個(gè)角落里還有一粒塵屑或一個(gè)小氣泡，對(duì)它們可以去進(jìn)行研究和分類，但是，作為一個(gè)完整的體系，那是建立得足夠牢固的。而理論物理學(xué)正在明顯地接近于幾何學(xué)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(xué)的G·基爾霍夫（GustayRobertKirchhoff,1824-1887）也說(shuō)過(guò)類似的話，他說(shuō)“物理學(xué)已經(jīng)無(wú)所作為，往后無(wú)非在已知規(guī)律的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字而已。”盡管開爾文對(duì)物理學(xué)成就的評(píng)價(jià)言之過(guò)激，但他能夠在此萬(wàn)晴空中發(fā)現(xiàn)“兩朵烏云”并為之憂心忡忡，足見他富有遠(yuǎn)見。物理學(xué)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(chǎng)大風(fēng)暴。

　　第一朵烏云——邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)與“以太”說(shuō)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(zhì)都不能傳播。太陽(yáng)光穿過(guò)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(guò)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(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)―“以太”。

　　最早提出“以太”的是古希臘哲學(xué)家亞里士多德。亞里士多德認(rèn)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(wàn)有引力之后，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什么介質(zhì)傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復(fù)活了亞里士多德的“以太”說(shuō)，認(rèn)為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質(zhì)。后來(lái)，物理學(xué)家又發(fā)展了“以太”說(shuō)，認(rèn)為“以太”也是光波的傳播介質(zhì)。光和引力一樣，是由“以太”傳播的。他們還假定整個(gè)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(jué)不到的媒介。19世紀(jì)時(shí)，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質(zhì)說(shuō)成是一種沒(méi)有重量，可以絕對(duì)滲透的“以太”。“以太”既具有電磁的性質(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，又具有機(jī)械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對(duì)靜止的參考系，一切運(yùn)動(dòng)都相對(duì)于它進(jìn)行。這樣，電磁理論因牛頓力學(xué)取得協(xié)調(diào)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(xué)”。

　　但是，肯定了“以太”的存在，新的問(wèn)題又產(chǎn)生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來(lái)，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接?ldquo;以太風(fēng)”存在與否。

　　為了觀測(cè)“以太風(fēng)”是否存在，1887年，邁克耳遜（A．A．Michalson，1852－1931）與美國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：“邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)”，即“以太漂移”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“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，方法上精確可靠，所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。

　　邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經(jīng)說(shuō)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(xué)”更古老的哥白尼的地動(dòng)說(shuō)。經(jīng)典物理學(xué)在這個(gè)著名實(shí)驗(yàn)面前，真是一籌莫展。

　　第二朵烏云——黑體輻射與“紫外災(zāi)難”

　　在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長(zhǎng)）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng)，比如煤炭對(duì)電磁波的吸收率可達(dá)到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來(lái)的輻射而毫無(wú)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(gè)表面開有一個(gè)小孔的空腔，則可以看作是一個(gè)近似的黑體。因?yàn)橥ㄟ^(guò)小孔進(jìn)入空腔的輻射，在腔里經(jīng)過(guò)多次反射和吸收以后，不會(huì)再?gòu)男】淄赋觥?/p>

　　19世紀(jì)末，盧梅爾（Lummer1860－1925）等人的著名實(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，它按波長(zhǎng)的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學(xué)的角度看來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是不可思議的。

　　怎樣解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果呢？當(dāng)時(shí)，人們都從經(jīng)典物理學(xué)出發(fā)尋找實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。前提和出發(fā)點(diǎn)不正確，最后都導(dǎo)致了失敗的結(jié)果。例如，德國(guó)物理學(xué)家維恩建立起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、溫度比較低的時(shí)候才和實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合。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)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(zhǎng)的變短，輻射強(qiáng)度可以無(wú)止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬(wàn)八千里，是根本不可能的。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。它的失敗無(wú)可懷疑地表明經(jīng)典物理學(xué)理論在黑體輻射問(wèn)題上的失敗，所以這也是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的“災(zāi)難”。