物理兩朵烏雲

作者: 來源:點擊數: 發布時間:2012年11月06日
 

物理兩朵烏雲

19世紀的最後一天,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,現在,它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了,”“第一朵烏雲出現在光的波動理論上,”“第二朵烏雲出現在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。”W.湯姆生在19004月曾發表過題爲《19世紀熱和光的動力學理論上空的烏雲》的文章。他所說的第一朵烏雲,主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾;他所說的第二朵烏雲,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的紫外災難最爲突出。開爾文是19世紀英國傑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,一切力學現象原則上都能夠從經典力學得到解釋,牛頓力學以及分析力學已成爲解決力學問題的有效的工具。對于電磁現象的分析,已形成麥克斯韋電磁場理論,這是電磁場統一理論,這種理論還可用來闡述波動光學的基本問題。至于熱現象,也已經有了唯象熱力學和統計力學的理論,它們對于物質熱運動的宏觀規律和分子熱運動的微觀統計規律,幾乎都能夠做出合理的說明。總之,以經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學爲三大支柱的經典物理大廈已經建成,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,因而斷言往後難有作爲了。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.約裏(1809-1884)曾勸他不要學純理論,因爲物理學是一門高度發展的、幾乎是臻善臻美的科學,現在這門科學看來很接近于采取最穩定的形式。也許,在某個角落裏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,作爲一個完整的體系,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(1824-1887)也說過類似的話,他說物理學已經無所作爲,往後無非在已知規律的小數點後面加上幾個數字而已。盡管開爾文對物理學成就的評價言之過激,但他能夠在此萬裏晴空中發現兩朵烏雲並爲之憂心忡忡,足見他富有遠見。物理學發展的曆史表明,正是這兩朵小小的烏雲,終于釀成了一場大風暴。

第一朵烏雲——

  邁克耳遜-莫雷實驗與以太说破灭 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臘哲學家亞裏士多德。亞裏士多德認爲下界爲火、水、土、氣四元素組成;上界加第五元素,以太。牛頓在發現了萬有引力之後,碰上了難題:在宇宙真空中,引力由什麽介質傳播呢?爲了求得完整的解決,牛頓複活了亞裏士多德的以太說,認爲以太是宇宙真空中引力的傳播介質。後來,物理學家又發展了以太說,認爲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調一致。以太是光、電、磁的共同載體的概念爲人們所普遍接受,形成了一門以太學。 但是,肯定了以太的存在,新的問題又産生了:地球以每秒30公裏的速度繞太陽運動,就必須會遇到每秒30公裏的以太風迎面吹來,同時,它也必須對光的傳播産生影響。這個問題的産生,引起人們去探討以太風存在与否。 为了观测以太風是否存在,1887年,邁克耳遜(18521931)與美國化學家、物理學家莫雷(18381923)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學更古老的哥白尼的地動說。經典物理學在這個著名實驗面前,真是一籌莫展。

第二朵烏雲——

  黑體輻射與紫外災難在同樣的溫度下,不同物體的發光亮度和顔色(波長)不同。顔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%的理想物体。真正的黑體并不存在,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體。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世紀末,盧梅爾(18601925)等人的著名實驗黑體辐射实验,发现黑體辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑體的温度有关。从经典物理学的角度看来,这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑體辐射实验的结果呢?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體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體辐射公式。但是,从瑞利——金斯公式推出,在短波區(紫外光區)隨著波長的變短,輻射強度可以無止境地增加,這和實驗數據相差十萬八千裏,是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱爲紫外災難。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑體辐射问题上的失败,所以这也是整个经典物理学的災難

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