加载中…
个人资料
叶波
叶波
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:9,563
  • 关注人气:3
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

第十一回    两朵乌云引发的轩然大波

(2007-12-09 09:28:15)
标签:

知识/探索

 

第十一回    两朵乌云引发的轩然大波

 

1900年4月27日,是特别的一天。 英国的伦敦市,是特别的城市。 阿尔伯马尔街,是一个特别的地方。

所有物理学家的目光都聚焦到了这里。此时,这里正举行一场世纪之交的物理学报告会。在雷动的掌声中,一位白发苍苍、已是76岁高龄的老人走上了讲台,面对台下千万的听众,他清了请嗓子。

他就是开尔文勋爵。德高望重的他将要做一场题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他谈道:“动力学理论断言,热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……”

开尔文勋爵本名威廉·汤姆逊,是英国杰出的理论和实验物理学家,二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。他在电磁学和热学研究方面取得了显著的成就,一生共发表了约七百篇科学论文。从1858年起,他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。他还为英国建立了第一所物理实验室。由于卓著的成就和出色的贡献,他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员,1890年到1895年担任皇家学会会长,1892年被封为开尔文勋爵。

19世纪末、20世纪初,物理学有两个发现,一个是高温物体辐射形成的光谱分析,即黑体辐射问题,也称为“紫外灾难”;第二个是我们前面所讲的迈克尔逊——莫雷试验的零结果。这两个发现使得经典物理学在新的事实面前无法解释,原有的经典物理体系出现了问题。因此被人们称为“物理学上空的两朵乌云”。

这两朵小小的、令人不安的乌云实在是太出名了!以致几乎每一本说到这个时期的物理学科普都会提到。这两朵小乌云,跟牛顿的苹果一样,是物理学舞台上的明星。人们普遍认为由“紫外灾难”的乌云诞生了量子物理学。由以太飘移这朵乌云引发了相对论。对于前一朵乌云是属于量子物理学的范围,而后一朵乌云是属于相对论的范围,正好是我们所讨论的重点。

开尔文勋爵总结了19 世纪物理学取得的巨大成就, 同时也忧心忡忡地指出了物理学上空出现的两朵乌云。恰恰是这两朵乌云形成了巨大的风暴,酿就了20世纪初物理学领域的革命和倒退。

关于物理学的情况,我们在第一章已经进行了详细的历史回顾。在 19 世纪 60 年代,物理学的发展在当时说来,可谓达到了辉煌的顶点。经典物理学已经形成十分完备的理论体系。它所包含的经典力学和经典电磁学理论已达到 “尽善尽美”的地步。牛顿以其创立的第一、第二、第三三条运动定律和万有引力定律构建了 “坚不可摧”的经典力学大厦。麦克斯韦运用数学分析法建立了麦克斯韦方程组,从而把光、电、磁现象统一了起来。至此,很多人认为,经典物理学已经达到了顶峰,人类对自然的认识也已达到了尽头。因此,物理学从 19世纪 70年代起直至 19 世纪末,再没有取得显著进展。所以当物理学家们送别19 世纪,迎接 20 世纪的时候,才有本文开头开尔文勋爵的历史总结性演讲。

嘿嘿!请注意哟!古典物理学万里晴空中竟然还漂荡着两朵 “乌云”嘞!其中之一朵 “紫外灾难”问题的乌云,开尔文认为它还可望 “在 20 世纪开头获得解决”;而另外一朵“以太漂移”的否定结果的乌云则看不到任何可解决的途径。开尔文说 “恐怕我们仍然必须把这一朵乌云看作是非常稠密的”。

1887年迈克耳逊—莫雷实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的。按照菲涅耳的静止以太说,如果忽略地球自转和整个太阳系的运动,那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太风。“但是,与该结论相抵触的事发生了,地球大气中的以太相对于地球并不运动”,因为迈克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可靠的”,“无论在实验的设想方面或实施方面,我无法看出任何缺陷”。于是,从光行差现象的观测结果来看,地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”;而从迈克尔逊——莫雷试验的结果来看,则地球又完全带动“以太”和它一起运动,因为只有这样才能产生迈克尔逊——莫雷试验的零结果,这样一对尖锐的矛盾就产生了。

在很长一段时间内人们不为其所动。并没有认为该实验是判决性的,就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望,他称自己的实验是一次“失败”,以致放弃了在实验报告中许下的诺言:每五天进行六小时测量,连续重复三个月,以便消除所有的不确定性等等。不愿再进行长期的观察,而把干涉仪用来于其他事去了。

    迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义,他觉得实验之所以有意义,是因为设计了一个灵敏的干涉仪,并以此自我安慰。直到晚年,他还亲自对爱因斯坦说,他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”,他实在是有点懊悔的。

    洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐,他在1892年写给瑞利的信中说:“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾,不过我仍然相信,如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论,……我们就根本不会有一个合适的理论了”。洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重:“在迈克耳逊先生的实验中,迄今还会有一些仍被看漏的地方吗?”

    瑞利在1892年的一篇论文中认为:“地球表面的以太是绝对的静止呢,还是相对的静止呢?”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”,并敦促迈克耳逊再做一次实验。开尔文直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。

    迈克耳逊的 “以太漂移”实验对洛伦兹等人的电子论却产生了毋庸置疑的影响。尽管学术界对该实验的历史作用仍有不同的看法,但迈克耳逊本人晚年仍念念不忘“可爱的以太”。直到1927年,他在自己最后一本书中谈到相对论己被人们承认时,仍然对新理论疑虑重重。

    迈克耳逊—莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说,而静止以太说不仅为电磁理论所要求,而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境,斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”。

    他们认为,由于干涉仪的水平臂在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度,这样便补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移,从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进而认为,这种收缩是真实的动力学效应,对于物质来说具有普遍意义。拉摩也十分赞同这一看法,他证明如果物质由电子组成,这种情况便能够发生。

然而,斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境,使得“实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自由运动着”的结论。尽管开尔文倾向静止以太说并赞同收缩假说,但是他好像还是理智地认为,这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态度:“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓密的。”

    在物理学史上,开尔文勋爵索以保守著称,但是他的这次讲演却深中肯邃,他不仅洞察到十九世纪物理学面临的两个难题,而且还指出了较为明智的努力方向。这固然与他的天才的直觉能力有关,恐怕也不能无视世纪之交物理学革命洪流的冲击。

   山雨欲来风满楼。开尔文毕竟把物理学的天空看得过于晴朗了。其实,当时物理学的天空上又何止“两朵乌云”!早在开尔文演讲之前,就已经是“黑云压城城欲摧”,“山雨欲来风满楼”了!物理学陷入到严重的危机之中了,物理学革命的急风暴雨在一些领域已经降临。但我认为久晴必有久雨,这是很正常的事情!

    事实上,在十九世纪末,黑体辐射、光电效应、原子光谱等实验事实也接二连三地和经典力学和经典物理学的理论发生了尖锐的对立。实际情况比我们所述的还要广泛,还要深刻。

    乌云本是不祥之兆。处在世纪之交的物理学家们,以此坦露了他们感到的困惑。这两朵乌云就预示着经典物理学的理论有某种问题。然而,正是这两朵乌云引发了 20 世纪的物理学的大革命和大倒退,其中“紫外灾难”问题的最终解决,使经典物理学从山重水复疑无路,走进了柳暗花明又一村。而“以太漂移”乌云则导致了狭义相对论的创立,产生了经不起任何分析的狭义相对论怪胎,把历史车轮引入了岐途。

    这就是十九世纪末两朵乌云引发的轩然大波。

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有