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开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，他开创了热力学温标并提出了热力学第二定律，是当时绝对的物理权威。而开尔文勋爵被后人津津乐道的另一件事就是预言了近代物理的两大发现：相对论和量子力学。 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，开尔文勋爵发表了新年祝词。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，然而，物理学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，也就是迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；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，也就是热学中的能量均分定则在气体比热以及热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。 当时，物理学的发展已经相当完美，一切物理现象都能从相应的理论中得到满意的回答。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。麦克斯韦的电磁场统一理论可以用来解释各种电磁以及波动光学的基本问题。 然而，恰恰就是开尔文提到的两朵乌云预言了近代科学的两大发现：相对论和量子力学。 第一朵乌云 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭。过去，人们认为，波的传播需要介质，那么光在真空中传播的介质是什么？人们认为是“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。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。 为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊与莫雷合作，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，那么，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。 这个时候伟大的爱因斯坦出现了，他果断地抛弃了以太并建立了相对论，成功地兼容了牛顿力学和电磁学。标志着近代物理学的诞生。 第二朵乌云 黑体辐射与“紫外灾难”。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。19世纪末，卢梅尔等人的著名黑体辐射实验，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。 当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。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，从瑞利金斯公式会造成“紫外灾难”。这也是整个经典物理学的“灾难”。 由此，普朗克统一了两个公式，却万般无奈地引入了量子的概念。由此量子力学在一片质疑声中茁壮成长。 虽然开尔文基本没有直接参与两个理论的建立，但他的洞见毫无疑问地超越了同时代的很多伟大科学家。而他的预言也成功诞生了近代最伟大的两门物理学。 |
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