晴空万里，乌云两朵（第一朵，共两朵）

编者按：It seems probable that most of the grand underlying principles have been firmly established … Aneminent physicist remarked that the future truths of physical science are to belooked for in the sixth place of decimals.（物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作）

作者 | 颜相宁

十九世纪末，物理学的几个重要分支，包括：力学，热力学、电磁学，光学等，都已经得到了相当的发展。尤其是以经典力学、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是基础牢固，且宏伟壮观！

 

当时的物理学家们普遍认为，物理学已经得到了相当的发展。很多著名的物理学家都曾断言，未来的物理学的发展也仅仅是“对数字的小数点六位数之后的修饰”，伟大的发现将不会再有。

 

1900年4月，在英国皇家研究所，威廉·汤姆森，就是开尔文男爵发表演讲，引用了开篇这句话。但是，在他展望20世纪物理学前景时，却讲出了一段关乎未来一个多世纪里现代物理学发展方向的“谜题”：

 

“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。”

 

美丽而健全的大厦已经建成，可是两个问题却始终没被清楚的证明。这便是著名的“物理学界的两朵乌云”。

 

今天先来说说这第一朵乌云。

 

第一朵乌云主要是指迈克尔孙实验结果和以太漂移说的矛盾。而这朵乌云也敲开了相对论的大门。

 

以太是什么呢？

 

“以太漂移”又是关于什么的假说呢？

 

我们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都无法传播。

 

可是光呢？光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？太阳光，甚至几十亿光年以外的星系发出的光，也可以穿过真空的宇宙空间传到地球上。

 

后来，物理学家为光波的传播找到了一种媒介——“以太”。

 

其实，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，亚里士多德的“以太”说被“复活”，成为了在真空的宇宙中传播引力的介质。

 

以太漂移的问题起源于对光行差的观测。1725年左右，英国天文学家布拉德雷在观测恒星方位时发现，恒星一年内在天顶的位置均为圆形。后来，航船上的旗帜在改变航向时的飘忽不定让他明白，恒星圆形轨迹的原因为——地球围绕太阳旋转。他因此粗略测出了光速的值（虽然并不正确）。

 

后来，同为“光微粒说”的支持者、法国物理学家阿拉果从经典力学的速度叠加原理出发，做了观测光行差实验，但是实验结果却无法为“光微粒说”所解释。

 

相反，随着“光波动说”的不断完善，“以太”作为“光波载体物质”而被重新重视。他们假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种无所不在的、极其稀薄的、感觉不到的刚性物质。

 

19世纪以后，菲涅尔成为“以太学说”的重要支持者，并提出了部分曳引假说来解释光行差现象与阿拉果的实验。

 

可在物理学家们肯定了“以太”的存在之后，又不得不面对新的难题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就肯定会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来；同时，它也一定对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们对“以太风”存在与否的探讨。

 

为了观测“以太风”是否存在，1887年，美国物理学家迈克尔孙与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验——迈克耳孙-莫雷实验，即“以太漂移”实验。实验结果表明，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，地球同设想的“以太”之间没有任何相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。

 

182年，英国物理学家洛奇也做了测试“以太漂移”的实验，但是实验结果同迈克尔孙-莫雷的实验一样，均毋庸置疑的否定了“以太”的存在。

 

迈克耳孙—莫雷实验的结果使很多支持“以太学说”科学家处于左右为难的境地。因为他们可能需要放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论，否则，他们就必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的“地动学说”。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。

 

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为了继续证明“以太”的存在，自1889年始，物理学家又提出了“收缩假说”，即物体的长度会由于分子力的作用发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。这个假说可以协调迈克尔孙-莫雷实验与“以太学说”之间的冲突。

 

然而现实更加残酷，也没有任何实验能验证长度收缩现象的存在，就像无法观测到“以太”一样。

 

最终科学家“被迫”认为，“以太只是一种人为的惯性坐标系”，而非真实存在的物质，因而无法被人类观测到。

事情没有就此终止，反而是产生了“柳暗花明又一村”的效果。因为关于以太的这一切和电子的发现都为爱因斯坦的狭义相对论的诞生奠定了重要的基础。

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