學過物理的人應該聽說過開爾文的兩朵烏雲之說： 「十九世紀末，物理學的大廈已經建成，晴朗天空中的遠處飄浮著兩朵的令人不安的烏雲...」，後來的事情大家也知道，兩朵烏雲掀起了狂風暴雨，催生出了二十世界現代物理學的兩大支柱—相對論和量子力學。開爾文爵士成了被歷史無情打臉的典型之一，在大眾心裡是一個驕傲自大、要被打倒的學術權威形象。
圖1：頭頂兩朵烏雲的開爾文勳爵
然而，開爾文真的是這樣的人嗎？
仔細查閱開爾文的經歷以及兩朵烏雲之說的上下文和歷史背景，可以發現開爾文是一個極富遠見的人，他在做「兩朵烏雲」演講時，已經清楚地意識到當時古典物理學的僵局，並且給後繼者指明應該遵循什麼方向。
咱們先看一下開爾文的經歷，在維基百科中時這麼介紹的：
開爾文勳爵（Lord Kelvin），原名威廉·湯姆森（1824年6月26日－1907年12月17日），在北愛爾蘭出生的英國數學物理學家、工程師，也是熱力學溫標（絕對溫標）的發明人，被稱為熱力學之父。在格拉斯哥大學時他與休布來克本進行了密切的合作，研究了電學的數學分析、將第一和第二熱力學定律公式化，和把各門新興物理學科統一為現代形式。他被廣為人知是由於他認識到了溫度的下限，也就是絕對零度。
他對電報機所作出的貢獻使他開始出名並帶給他財富和榮譽。先是因為在橫跨大西洋的電報工程中所作出的貢獻，他在1866年獲得爵士頭銜。到1892年，由於他在熱力學方面的工作，以及反對愛爾蘭自治的作為，使他被封為拉格斯的開爾文男爵，所以他通常被稱為開爾文男爵，這個頭銜來自於流經他在蘇格蘭格拉斯哥大學實驗室的開爾文河。受爵後，他因而成為首位進入英國上議院的科學家。
注意，開爾文第一次被封爵是因為在橫跨大西洋的電報工程中所作出的貢獻，第二次受爵才是熱力學上的貢獻以及在政治上的貢獻。開爵是一個全能性人才，橫跨工程、物理、數學、社會等多個方面，在當時具有非常高的聲望。
開爵在航海時發明了一種預測潮汐的機器，以及可調節指南針，以便糾正由於船舶製造中大量使用鐵而產生的磁偏差。在電學方面，開爾文發明了包括象限靜電計，電流天平等儀器，也被稱為「開爾文天平」或「安培天平」。
圖2：開爾文發明的預測潮汐的機器
圖3：開爾文發明的可調節指南針
可能是樹大招風。開爵太出名了，容易招黑。據說還有一段話廣泛被誤認為是開爾文所說：「物理學沒有什麼新的可以發現的事物了；所有剩下的只是更多和更精確的測量」；這段話要麼沒有引用，要麼說是引自對英國科學促進會的講話（1900年）中。沒有任何證據表明開爾文說了這段話；這段話其實是根據阿爾伯特·邁克耳孫所說的話改編的，他在1894年的一次演講中指出：「……似乎可以說，物理學宏大的基本原則已經牢固確立……一個著名的物理學家說，未來物理科學的真理應當從六位小數中尋找」。 麥可遜在芝加哥講話時，還有一位美國實驗物理學家密裡根也在場，他猜測麥可遜說的「著名的物理學家」是那位一言九鼎的開爾文勳爵。溫伯格在《終極理論之夢》書中對這一歷史也有所提及，被他稱為「在科學傳說裡，有一個不知是誰杜撰的故事」。這一黑，更加加深了開爵驕傲自大的形象。
說完開爵，現在來好好說一說「兩朵烏雲」的來龍去脈。
「兩朵烏雲」最原始出處來自1901年7月出版的 《哲學雜誌》 和 《科學雜誌》合刊上，刊登的是開爾文於1900年4月27日在英國皇家學會上發表演講的修訂版，題為「在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲」。
文章一開始 , 開爾文就開宗明義: 「 動力學理論斷言熱和光都是運動的方式, 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。 菲涅耳和託馬斯·楊研究過這個理論, 它包括這樣一個問題: 地球如何能夠通過本質上是光以太這樣的彈性固體運動呢? 第二朵鳥雲是麥克斯韋一玻耳茲曼關於能量均分的學說。」
他認為, 舊以太觀念「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」讓人非常不好接受，我們需要有令人滿意的以太和物質的關係, 使所有現象更快地得到充分解釋。 並且開爾文在總結總寫到「恐怕我們還必須把第一朵烏雲看作是很濃厚的」。
圖4：以太假說--地球行經承載光的介質以太
開爾文用大半篇幅論述了第二朵烏雲。 他簡述了能量均分學說出現的歷史, 舉例論述了該學說的內容及其面臨的困難。開爾文特別指出理論上計算的雙原子或多原子的定壓熱容量和定容熱容量之比的值與實驗觀察值的偏差 (理論值比實際值要小 )。開爾文寫道 : 「 與觀察的明顯偏離絕對足以否證玻耳茲曼一麥克斯韋學說」,「事實上, 玻耳茲曼一麥克斯韋學說的偏差比上面列舉的還要大」。他進而指出, 當我們考慮到分子光譜的有關數據時, 情況變得甚至更為嚴重, 我們從光譜發現, 每個分子的自由度比用來決定冷的數目大得多. 「實際上不存在玻耳茲曼一麥克斯韋學說與氣體比熱真實情況相符的可能性。」 顯然 , 開爾文論述第二朵烏雲時舉的是氣體比熱的例子, 也涉及到分子光譜, 然而卻沒有提到黑體輻射問題, 儘管黑體輻射問題的研究動搖了玻耳茲曼一麥克斯韋的能量均分學說, 是上世紀末物理學家十分熱衷的問題。 開爾文在文章中連致力於黑體輻射研究的普朗克和維恩都未提及。開爾文談到, 玻耳茲曼和麥克斯韋兩人都承認他們的學說與實驗相矛盾, 並且迫切要求解釋這種矛盾。 並且開爾文明確宣布 : 「達到所期望的結果的最簡單途徑就是否認能量均分這一結論」。
圖5：一個α螺旋肽分子的熱運動。這種不停的運動是既隨機又複雜的，而且任一原子的能量起伏都可以很大。然而，使用能量均分定理可以計算出每個原子的平均動能，以及許多振動態的平均勢能。灰色、紅色及藍色的球分別代表碳、氧及氮原子，而小白球則代表氫原子。
這裡可以看出開爾文是很謹慎的看待第一朵烏雲的，他指出現有的以太說難以讓人接受，需要有新的以太觀念來解釋現象。在第二朵烏雲上面，開爾文闡述了矛盾的所在，以及各大佬的觀點，然後明確指出解決矛盾最簡單途徑就是否認能量均分這一結論。
看到這裡不得不佩服開爾文的遠見，在這兩個問題上，他都抓住了問題的核心，解決問題的思路也很正確：1. 呼喚新的以太觀，我們知道在後來的相對論中直接拋棄了以太說，這也算是新的以太觀；2. 否認能量均分結論，後來的量子化假說也算是對能量均分的否定。
這其實跟我們現在學術會議中做大會報告的大佬一樣，先講自己的工作進展，然後分析了本領域中遇到的困難，最後提一提解決思路，套路一樣一樣的。沒顯得很驕傲自滿，只不過開爾文當時站的角度更高。注意開爾文還是首位進入英國上議院的科學家，地位相當的高，面對一群小弟講話，吹吹牛似乎也很正常。試想年終總結大會上，哪個老闆不對學生吹吹牛打打氣。
圖6：十九世紀的英國上議院
人們更傾向相信他們願意相信的事情。二十世紀發展起來的相對論和量子力學確實是對傳統物理學的顛覆，很不幸，開爾文因為兩個烏雲的比喻成了被顛覆的權威的代表。如同亞里斯多德，是世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家，後來由於各種「反形上學「的學說興起，亞里斯多德在大眾眼裡似乎也成了被打倒的對象。
目前「兩朵烏雲「的比喻仍在沿用，例如，暗物質和暗能量被稱為「籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏雲」。
參考文獻：
[1] Lord Kelvin, Phil. Mag., 2-7,1 (1901)
[2] Lord Kelvin, Boltimore Lecture on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light, London(1904)
[3] John Horgan, The End of Science. (1996)
[4] 史蒂芬.溫伯格. 終極理論之夢. 湖南科技出版社（2003）
[5] https://zh.wikipedia.org/wiki/第一代開爾文男爵威廉·湯姆森
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