1894年物理学似乎完成了。然后开尔文发现了两朵朦胧现出的“云”

开尔文勋爵被认为已经说过在物理学中没有任何要发现的新东西。他的真实观点是相反的。

HARD SCIENCE — APRIL 3, 2024

Sean Carroll

Credit: Electric Egg Ltd. / Adobe Stock

关键要点

在19世纪末，物理学家来到掌握电学和磁学。

围绕原子的进一步发现导致一些人相信他们已经接近到全面理解物理学的“宏大支撑原理”。

然而，开尔文勋爵（Lord Kelvin）和其他人感觉到了两朵“云”在物理学的地平线上朦胧现出。

摘自QUANTA and FIELDS: The Biggest Ideas in the Universe by Sean Carroll with permission of Dutton, an imprint of Penguin Publishing Group, a division of Penguin Random House LLC. © 2024 by Sean Carroll

随十九世纪接近尾声，你会已经原谅物理学家们希望他们处在理解一切的轨道上。按照这张初步的图片，宇宙被场推动着的粒子组成。

场填满空间的想法在整个19世纪已经起飞。早些时候，艾萨克·牛顿已经提出了一个美丽和迫人的运动和引力的理论，皮埃尔·西蒙·拉普拉斯已经展示了我们怎样按宇宙中每个物体之间的引力场延伸重新定制这一理论。场只是某些在空间中每个点上都有一个值的东西。这个值可以是一个简单的数字或者是一个向量或某些更复杂的，但任何场都存在于空间中到处。

但如果你只关心引力，这个场似乎是可选的——依靠你的喜好你可以选择接受或不接受这个观点。和牛顿做的一样相等好，直接的按在一个物体上被其它的引力拉力创造的力，不用任何在它们之间延伸的东西。

这在19世纪中变化了，因为物理学家开始掌握电学和磁学。带电物体在彼此上施加力，这很自然地归因于它们之间一个延伸的电场的存在。迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的实验表明一个移动的磁铁可以不用实际接触一个导线在导线中感应电流，指向一个单独的磁场的存在，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）设法将这两种场结合为一个电磁场理论，发表于1873年。这是一个统一的巨大胜利，在一个紧凑的理论中解释一组不同的电学和磁学现象。“麦克斯韦方程组”至今困扰着物理学本科生。

麦克斯韦理论的胜利的启示之一是一个光的本质的理解。不是一种独特的物质，而是光是电场和磁场中的一个传播波，也称为电磁辐射。我们认为电磁为一种“力”，它是的，但麦克斯韦告诉我们携带力的场能振动，在电场和磁场的案例中这些振动就是我们感知为光的。光的量子是叫光子的粒子，因此我们有时会说，“光子携带电磁力。”但目前我们仍在经典的思考。

以一个带电粒子为例，比如一个电子。留下它自己坐着，它周围将有一个电场，力线指向电子。力将以平方反比定律衰减掉，就像在牛顿引力中一样。

如果我们移动电子，两件事发生：首先，运动中的一个电荷创造一个磁场和一个电场。其次，存在的电场将调整它如何在空间中被定向以便它仍然朝向粒子。加在一起，这两种效应（小磁场、存在电场中的小偏差）向外涟漪，就像从扔进一个池塘里的卵石中产生的波一样。

麦克斯韦发现，这些涟漪的速度正是光速——因为它是光。从无线电到x射线和伽马射线的任何波长的光都是以电场和磁场传播的振动。你现在看到的几乎所有围绕你的光都有一个在某处抖动的带电粒子中的起源，无论是在灯泡的灯丝还是太阳的表面。

与此同时在十九世纪中，粒子的角色也变得越来越清楚。以约翰·道尔顿为首的化学家倡导了物质由单个原子组成的想法，与每个化学元素都有一种相关的特定的原子。物理学家们姗姗来迟捉住了一旦他们意识到将气体视为反弹原子的集合可以解释温度、压力和熵一样的东西。

但从古希腊的物质的一个不可分割的基本单位的想法借用的原子这个词，原来是有点为时过早。尽管它们是化学元素的构造块，但现代原子并不是不可分割的。这是一个快速和肮脏的概述，稍后补充有细节：原子由质子和中子组成的原子核组成，被环绕的电子包围。质子有一个正电荷，中子有零电荷，电子有一个负电荷。如果我们让质子和电子的数量相等，我们能制造一个中性原子，因为它们的电荷将彼此抵消掉。

这些日子我们知道质子和中子本身是由叫夸克的更小粒子组成的，夸克被胶子把持在一起，但在20世纪初没有这方面的暗示。Sean Carroll

质子和中子有大致相同的质量，中子只是略更重一点，但电子远更轻，大约是一个质子质量的1/1800。因此，一个人或另一个宏观物体中的大部分质量来自质子和中子。轻重量的电子更能四处移动，因此对化学反应和电流是负责的。这些日子我们知道质子和中子本身是由叫夸克的更小粒子组成的，夸克被胶子把持在一起，但在20世纪初没有这方面的暗示。

这幅原子的图片被逐渐拼凑起来。1897年英国物理学家J·J·汤普森发现了电子，他测量了电子的电荷并确定电子比原子远更轻。因此不知何故在一个原子中一定有两个成分：轻重量的、带负电的电子和一个更重、带正电的片。几年后，汤普森提出了一幅其中微小的电子在一个更大的带正电荷的体积内漂浮的图片。这成了所谓的“李子布丁模型”，电子扮演着李子的角色。

李子布丁模型没有兴旺多久。由欧内斯特·卢瑟福、汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登的一项著名实验朝一张金箔上发射了阿尔法粒子（现在已知是氦原子核）。预期是它们大多会直接的穿过如果它们碰巧正好穿过一个原子并与电子（李子）或弥漫的带正电的斑点（布丁）相互作用它们的轨迹会略有偏转。电子太轻不能干扰阿尔法粒子的轨迹，而一个散布出去的正电荷也会太分散不会有太多影响。

但发生的是虽然大多数粒子确实不受影响的疾驰过，但有些粒子以疯狂的角度反弹开甚至直接返回。这只有当某些沉重和实在的东西让粒子撞击后弹开才会发生。1911年，卢瑟福正确地解释了这一结果，摆出正电荷被集中在一个巨大的中心核中。当一个入射的阿尔法粒子足够幸运直接击中小但重的原子核时它会以一个锐角被偏转，这就是被观察到的。1920年，卢瑟福提出了质子的存在（质子只是氢原子核因此已经被发现），1921年，他理论化了中子的存在（最终于1932年中子被发现）。

其他物理学家，从麦克斯韦本人开始认识到粒子和波集合的已知行为并不总是与我们的经典预期一致。Sean Carroll

我们想象中的最后一位物理学家认为到目前为止，一切都很好。物质是由粒子组成的，粒子经由力相互作用，而这些力被场携带。整个机制将按照被经典物理学框架建立的规则运行。对粒子这是非常熟悉的：我们指定所有粒子的位置和动量，然后用我们的一种经典技术（牛顿定律或等效技术）来描述它们的动力学。场以基本相同的方式工作，只是一个场的“位置”是它的在空间中每一点的值，而它的“动量”是在每一点它正在多快变化。无论在哪种情况下，整体的经典画片都适用。

怀疑物理学已经接近全部被弄清楚不完全的是无稽之谈。1894年，阿尔伯特·迈克尔逊在芝加哥大学一个新的物理实验室落成典礼上宣布了“（物理学）的大多数伟大的支撑原理已经被牢固确立似乎是可能的。”

他相当的错了。

但他也是少数派。其他物理学家从麦克斯韦本人开始认识到粒子和波集合的已知行为并不总是与我们的经典预期一致。开尔文勋爵（Lord Kelvin）威廉·汤姆森（William Thomson）往往是一句错误引用的受害者，“现在在物理学中没有任何被发现新的东西。所有剩下的只是越来越精确的测量” 。他的真实观点恰恰相反。在1900年的一次演讲中，汤姆森强调了在物理学上朦胧现出的两团“云”，其中一团最终被相对论的制定驱散，另一团被量子力学理论驱散。

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