谈谈20世纪初物理学上空的两朵乌云

一般在各种物理学史的书籍中都会有关于“两朵乌云”的介绍。今天也就从非专业角度简单聊聊。

在聊具体的内容之前，可以先说个定论性的话。物理学天空中两朵乌云掀起了物理学的深刻革命，前者导致了狭义相对论的诞生，后者产生了量子理论，从而开辟新一代的物理学，造就了20世纪的科学技术的繁荣发展，深远的影响了人类文化的各个方面。

怎么提出的两朵乌云呢？

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）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，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“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。”

里面的两朵乌云指的是迈克耳孙-莫雷实验和黑体辐射理论。迈克耳孙-莫雷实验是对于以太风的测定。正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。

简单来说，就是迈克耳孙-莫雷实验是对于以太风的测定。当时人们认为光是靠一种叫做以太的介质传播，而且如果地球绕着太阳转动，就会产生相对应的速度的以太风，所以会影响光的传播。这个实验模拟了这个过程。实验的结果是光的传播并不受到影响，进而以太风就不应该存在。对于实验结果有很多解释，其实也就是证明了绝对静止的空间是不存在的。而牛顿力学的前提是物体的运动与空间和时间没有关系,即时间和空间在牛顿那里是绝对静止的。后来直到爱因斯坦提出了光速不变原理并进而提出狭义相对论而很好的解释。

另一个乌云就是黑体辐射的理论。黑体辐射是指在热平衡状态下黑体发出的热辐射。根据经典理论，对于黑体辐射人们提出了斯特潘-玻尔兹曼定律（黑体辐射能量正比于黑体温度四次方），维恩位移定律（黑体辐射的波长和温度之间是反比）等等。但是这些理论都与实际结果有些不符合，经典物理学不能解释光谱分析中所发现的现象。于是普朗克提出量子化的假设，进而提出普朗克黑体辐射定律。

以上都是简化的理论描述，尽管是简化到极致的，但一般人也看不懂。我们就聊聊为啥这两朵乌云这么被物理学界所重视吧。

因为在当时，经过西方从阿基米德时代，来到文艺复兴后，牛顿大神的经典物理学奠基，直至20世纪初，也就是1900前后，物理学发展达到相当完美、相当成熟的程度。经典物理学三大支柱，也就是经典力学、经典电磁学和经典热力学已经把物理大厦建成，基础牢固，宏伟壮观。当时的人们都相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没有遗漏的地方。物理学家们也开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。人们开始倾向于认为，物理学已经终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了。

而正是这两朵乌云，却成了摧毁物理学大厦的急先锋，经典物理学大厦被瞬间颠覆，物理学由此进入华丽的量子时代。可以这么简单说，牛顿通过绝对空间和时间，并且是独立的空间和时间，构筑了经典物理大厦，解释了苹果坠落的重力等各种力学问题。但是无法解释在广袤的空间宇宙里，太阳如何把重力引力施加给地球的。爱因斯坦用相对论解释了力的传播，空间和时间都是可以弯曲的。超弦理论正在试图解释相对论和量子物理在解释这个时间和空间如何构成的终极难题。

反正这文章按照自己理解，已经引用了不少材料，最后再引用一个玄幻小说作者的言简意赅的话语。

“

阿基米德开凿了一个山洞，可以住人。

伽利略觉得山洞太简陋了，他挖了一个坑，想盖房子。

牛顿包工头，带着开普勒，胡克，笛卡尔等一群小弟打下了地基。

后面几百年，包括法拉第在内的一群物理学家盖了一座看起来漂亮而完美的房子。

开尔文说房子盖完了，大家都去住吧，已经完美了，物理学家没事干了，就是天怎么不晴啊，头上还有两片乌云？

结果乌云的制造者麦克斯韦劈下两道闪电，房子塌了。其实乌云不是麦克斯韦制造的，但是麦克斯韦方程组预言了光速不变，作为物理学的老四，必须给他个霸气的工作，也就是拆房子。

爱因斯坦包工头出现了，先带领洛伦兹等小弟，盖了一层楼「狭义相对论」，后来自己一个人往上盖了一整栋楼！这栋楼盖好了没装修，后面的科学家，什么史瓦西啊，霍金啊，都是在爱因斯坦这栋楼上搞装修的，霍金大概装了一面墙。

与爱因斯坦同时代，普朗克，波尔，海森堡等人，哦，还有爱因斯坦，他们盖了另一栋楼，也就是量子力学，这些人合力盖的，没有包工头，这栋楼现在看起来似乎更牛逼，而杨振宁，在这栋楼里打了一个电梯井，用标准模型贯通了这栋楼。

所以杨振宁跟霍金就好判断谁高谁低了，一个装修了墙，一个打了电梯井。

后来人们发现两栋楼连不起来，威滕这些人就用弦理论在那里搭桥，目前看来只是一道彩虹桥，不能走人，未来就不一定了，也许彩虹桥就是真理呢。”