物理世界（五十一）

刘文旺

光学（九）乌云下的曙光

赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌，令人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观，现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑，它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置信，著名的麦氏方程组刚一问世，就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中，玻尔兹曼情不自禁地引用歌德的诗句说：“难道是上帝写的这些吗？”一直到今天，麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范，即使在还没有赫兹的实验证实之前，已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为它的魅力折服，并受它深深的影响，有着对于科学美的坚定信仰，甚至认为：对于一个科学理论来说，简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。无论从哪个意义上来说，电磁论都是一种伟大的理论。罗杰•彭罗斯在他的名著《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind）一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学，相对论和量子论并列，称之为“Superb”的理论。

物理学征服了世界。在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒，反而更加凸现出它的伟大和坚固来。从天上的行星到地上的石块，万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。1846年海王星的发现，更是它所取得的最伟大的胜利之一。在光学的方面，波动已经统一了天下，新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面，热力学三大定律已经基本建立（第三定律已经有了雏形），而在克劳修斯、范德瓦尔斯、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯等天才的努力下，分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是，这一切都彼此相符而互相包容，形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大，这样地令人神往。人们也许终于可以相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没有遗漏的地方。从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的，因为所知道的一切物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切，都在控制之中，而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信，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。如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修正和补充，更加精确地测量一些常数值罢了。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。一位著名的科学家说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

19世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒，象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的，或许也将是绝后的。然而，这个统一的强大帝国却注定了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛，终究要像泡沫那样破灭凋零。

今天回头来看，赫兹1887年的电磁波实验（的意义应该是复杂而深远的。它一方面彻底建立了电磁场论，为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔；在另一方面，它却同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器，孕育出了革命的种子。

我们还是回到我们故事的第一部分那里去：在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花，明白无误地昭示着电磁波的存在。

但偶然间，赫兹又发现了一个奇怪的现象：当有光照射到这个缺口上的时候，似乎火花就出现得更容易一些。

赫兹把这个发现也写成了论文发表，但在当时并没有引起很多的人的注意。当时，学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞，马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已，没有人想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道，量子存在的证据原来就在他的眼前，几乎是触手可得。不过，也许量子的概念太过爆炸性，太过革命性，命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现，而把怀旧和经典留给了旧世纪吧。只是可惜赫兹走得太早，没能亲眼看到它的诞生，没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

终于，在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了，仿佛是一个不祥的预兆。

伦琴

1895年，伦琴发现了X射线。1896年，贝克勒尔发现了铀元素的放射现象。1897年，居里夫人和她的丈夫皮埃尔?居里研究了放射性，并发现了更多的放射性元素：钍、钋、镭。1897年，J.J.汤姆逊在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。1899年，卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了元素的嬗变现象。

如此多的新发现接连涌现，令人一时间眼花缭乱。每一个人都开始感觉到了一种不安，似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立，看上去依然那么雄伟，那么牢不可破，但气氛却突然变得异常凝重起来，一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到，人们不知道即将发生什么，历史将要何去何从。眺望天边，人们隐约可以看到两朵小小的乌云，小得那样不起眼。没人知道，它们即将带来一场狂风暴雨，将旧世界的一切从大地上彻底抹去。

                                贝克勒尔

但是，在暴风雨到来之前，还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空，作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上，把一切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下，是那样庄严雄伟，溢彩流光，令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿。谁又会想到，这震撼人心的壮丽，却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉。

居里夫人

     在经典物理学之后就是近代物理的两大分支——相对论或量子力学了。细心的读者会发现。简单的光学占了很大的版面这似乎有些异常。

    其实，光学好像在物理学中占有特殊的位置，近代物理都是与光有关的，量子理论是在解释黑体光辐射的发散现象爱那个是诞生的，它也是被用来原子中轨道电子发生能级跃迁时吸收或放出光子的；相对论则是为了解释迈克尔逊-莫雷实验中发现的光速不变现象产生的。

洛伦兹

为了解释光速不变现象，科学家洛伦兹推导出了洛伦兹变换：

 x^ˊ=(x-vt)/(1-β²)^1/2                  

y^、=y                                   

z^、=z                                   

t^ˊ=[t-vx/c²]/(1-β²)^1/2              

     在此基础上，得出了光速叠加公式：

 u_x^ˊ=(u_x-v)/(1- vu_x/c更改图片²)                          

u_y =u_y^ˊ(1-β²)^1/2/(1+ vu_x^ˊ/c²)                         

u_y =u_y(1-β²)^1/2/(1-vu_x/c²)                  

     这些公式能很好地解释，迈克尔逊-莫雷实验发现的零结果。并且推出了钟慢尺缩现象，确定了同时性具有相对性。此时，时间与空间的概念变得模糊起来他们满足新的变化关系：t₀=t(1-(v/c)²)^1/2  、L=L^，[1-（v/c）²]^1/2而且，后来发现，若果假定经典意义下的质量是一个不变量，则在此间的相互作用中，动量不守恒。为了保证动量守恒，运动物体的质量会随运动速度的增加而增大，满足：m=m^，/[1-（v/c）²]^1/2这一质速关系；并且进一步推到出最为著名的质能方程：E=mC²，就连美国的战争机器——小鹰号航空母舰上，舰员们都排成这一公式的形式，来显示其力量。

而且，有无数的实验证明了上述公式的成立。而且，在建造回旋加速器时，必须考虑质速关系。好像这些成果完美的解释了十九世纪末，二十世纪初无力天空中的两朵乌云。

但是，问题并没有这样简单。稍加思考就会发现其中的问题。我们简述如下，详细的结果见我的博客“狭义相对论的终结”与“广义相对论的终结”。

由质能关系E=mC²可知，光子拥有的质量为：m=hν²/c²。但是，把这一公式代入m=m^，/[1-（v/c）²]^1/2中，我们会发现，这是一个发散数值，再把光子波长公式λ=c/ν带入L=L^，[1-（v/c）²]^1/2得到同样的结果。这就奇怪了，为了描述光速不变等到的公式，使用于静质量不是零的粒子、物体，但就是不适用于光子本身。这种解释？！

光学我们暂时说到做到这里。

（未完待续）