物理領域的「兩朵烏雲」是什麼?

題目：

物理領域的「兩朵烏雲」是什麼?

解答：

物理學上空的「兩朵烏雲」
在歷史跨入新世紀的日子裡,英國科學界聲名顯赫的元老開耳芬勳爵,於1900年4月27日在皇家學會發表了一篇著名的講演.
開耳芬勳爵本名威廉·湯姆遜,是英國傑出的理論和實驗物理學家,二十二歲就當上了格拉斯哥大學的自然哲學教授.他在電磁學和熱學研究方面取得了顯著的成就,一生共發表了約七百篇科學論文.從1858年起,他領導完成了橫越大西洋、連接歐美兩大洲的海底電纜敷設工程.他還爲大不列額建立了第一所物理實驗室.由於卓著的成就和出色的貢獻,他於1851年就被選爲倫敦皇家學會會員,1890年到1895年擔任皇家學會會長,1892年被封爲開耳芬勳爵.
開耳芬勳爵後來以新世紀初的這次講演爲基礎寫了一篇文章,補充了從1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)爲止的十三個月的工作,擴展了在講演中闡述的問題.他的祕書安德森幫他繪製了各種精確的幾何圖形,進行了許多代數和算術運算,核對了大量的個別結果.開耳芬的文章以「懸浮在熱和光動力理論上空的十九世紀的烏雲」爲題,刊登在了1901年7月出版的《哲學雜誌》和《科學雜誌》合刊上.
文章一開始,開耳芬就開門見山地寫道：「動力學理論斷言熱和光都是運動的方式,可是現在,這種理論的優美性和明晰性被兩朵烏雲遮蔽得黯然失色了.第一朵烏雲是隨著光的波動論而開始出現的,菲涅耳和托馬斯·揚研究過這個理論；它包括這樣一個問題：地球如何通過本質上是光以太這樣的彈性固體而運動呢?第二朵烏雲是麥克斯韋—玻耳茲曼關於能量均分的學說.」
關於第一朵烏雲,即「以太和可稱量物體的相對運動」,開耳芬回顧並分析了物理學家對這個問題的看法.他認爲,如果我們有一個令人滿意的基本的以太和物質的關係,以代替舊的使人爲難的觀念——當物質原子相對於它們周圍的以太運動時,原子就要排除它們前面空間中的以太——那麼就可以使所有現象更快地得到充分解釋.
開耳芬十分贊同菲涅耳的觀點,他不同意托馬斯·揚的下述看法：以太在物體分子和原子間通過時,猶如清風吹過樹叢一樣,並不是完全自由的.
按照菲涅耳的靜止以太說,如果忽略地球自轉和整個太陽系的運動,那麼在平行於地球公轉軌道的切線上理應存在每秒三十公里的以太流.「但是,哎呀!與該結論相牴觸的事發生了,地球大氣中的以太相對於地球並不運動」,邁克耳遜和莫雷精心完成的實驗證明了這一點.「該實驗的結果可以保證是可靠的」,「無論在實驗的設想方面或實施方面,我無法看出任何缺陷」.
然而,斐茲傑拉德和洛侖茲各自獨立地做出的「出色建議」似乎已經擺脫了面臨的困境,使得「實驗結果不能駁倒以太通過地球所占空間是自由運動著」的結論.儘管開耳芬傾向靜止以太說並贊同收縮假說,但是他好像還是理智地認爲,這個問題依然懸而未決.他在這裡對此持謹慎態度：「恐伯我們還必須把第一朵烏雲看作是很濃密的.」
開耳芬用大部分篇幅詳細討論了「第二朵烏雲」.他簡單地回顧了能量均分學說產生的過程,分析了該學說的內容和遇到的因難,他特別列表指出雙原子或多原子氣體比熱的理論計算值和實際觀測值的距離.開耳芬斷言：「與觀察的明顯偏離絕對足以否證玻耳茲曼—麥克斯韋學說」,「事實上,玻耳茲曼—麥克斯韋學說的偏差比我們列舉的還要大」,「實際不存在玻耳茲曼—麥克斯韋學說與氣體比熱真實情況相符的可能性.」
他在文章中極力強調兩個大膽的結論：就玻耳茲曼—麥克斯韋學說而言,使人頗爲不滿的是：數學定論沒有證明,實驗定論也不可靠.與瑞利企圖維護玻耳茲曼—麥克斯韋學說的做法針鋒相對,開耳芬明確提出：「達到所期望結果的最簡單途徑就是否認這一結論」.
他信心十足地預言,第二朵「在十九世紀最後四分之一時期內遮蔽了熱和光分子論亮光的烏雲,人們在二十世紀初就可以使其消失.」
在物理學史上,開耳芬勳爵索以保守著稱,但是他的這次講演卻深中肯邃,他不僅洞察到十九世紀物理學面臨的兩個難題,而且還指出了較爲明智的努力方向.這固然與他的天才的直覺能力有關,恐怕也不能無視世紀之交物理學革命洪流的衝擊.