在物理學晴朗天空的遠處,還有兩朵小小的、令人不安的烏雲

2020-12-04 WULI168

17世紀, 牛頓在伽利略、克卜勒工作的基礎上, 建立了完整的經典力學理論,開創了現代意義上的物理學。從18 世紀到世紀, 在大量實驗的基礎上,物理學的各個分支學科都得到 了很大發展:卡諾、焦耳、開爾文、克勞修斯等建立了宏觀熱力 學理論,克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼等建立了熱現象的氣體 動理論;庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等建立了電磁學理論;託馬斯楊、菲涅耳等建立了波動光學理論。到19世紀末經典物理的框架已經十分完美,顯示出一種形式上的完整,被譽為「 一座莊嚴雄偉的建築和動人心弦的美麗殿堂 巍然聳立,使人們普遍產生了一種錯覺,認為物理學的發展已完成,對 物理世界的解釋已達終點,宇宙萬物必然按照由精美的數學方程 所表達的物理定律永遠運動下去。

面對物理學所取得的如此輝煌的成就,不少物理學家除了讚嘆,還發出志得意滿和無所作為的感慨。德國著名物理學家基爾霍夫曾經表示:「物理學將無所作為了,至多只能在已知規律的公式的小數點後面加幾個數字罷了。作為世紀量子物理學的奠基人之 的普朗克曾向他的老師、著名科學家約利 請教, 進大學後學什麼,是否還學物理學?他的老師非常誠懇地教導他: 物理學將會很快地具備自己終極的穩定形式;雖然在這個或那個角落裡,還可能發覺到或消除掉一粒塵土或一個小氣泡,但作為整體的體系卻足夠牢固可靠了,理論物理學已明顯地接近幾何學幾百年前已經具有的那種完善程度幸虧未來的科學大師沒有認真聽他的,否則物理學也許還真會多穩定若干年也未可知。

這中間最有代表性的是1900年,在剛剛跨入20世紀的第一天,國著名物理學家開爾文勳爵 在一篇展望20世紀物理學的「新年獻辭」中說:「在已經建成的科學大廈中,後輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。」 他同時還敏銳地:「發現但是在物理學晴朗天空的遠處,還有兩朵小小的、令人不安的烏雲。」 這兩朵烏雲, 指的是當時物理學無法解釋的兩個實驗,一個是熱輻射實驗,另一個是麥可遜一莫雷實驗。事實證明, 開爾文不愧為科學大師, 正是這兩朵小小的烏雲, 孕育著驚天動地的暴風驟雨。當物理學進入20世紀,沒過幾年由第一個實驗發展出量子力學,而由第二個實驗則誕生了相對論,而量子力學和相對論正是構成近代物理學新摩天大廈的兩大支柱,小小烏雲轉眼成為推翻舊科學大廈的革命風暴,開爾文 一定始料不及。但事實上,在高潮到來之前,已經有三個重大的事件,揭開了近代物理學的序幕,這就是電子、射線放射性現象的發現。這三件事後來被證實具有根本的意義,因而被人們 稱為世紀之交物理學的三大發現。

百年之後的今天,當我們回顧那個歷史時刻時,當時物理學所面臨的形勢,豈止是像有人形容的山雨欲來風滿樓,更像是坐 在即將噴發的火山口上,隆隆雷聲,滾滾地火,沒多久爆發了 場偉大而深刻的科學革命,導致了現代物理學的誕生,更使人類 的社會生活發生了翻天覆地的、不同於歷史上任一時期的變化。 而在當時居然有那麼多大科學家具有那樣的物理學已經到達終極的認識,這在物理學的發展史,乃至人類的思想史上,是否具有 深刻的教益呢?

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    在19世紀與20世紀之交,堅不可摧的經典物理學大廈已經構建起來。然而,還有兩朵「烏雲」籠罩在這上空,這令當時的一些物理學家惴惴不安,誰也沒有想到最終會引發物理學史上最大的一場變革。一朵「烏雲」是紫外災變,黑體輻射能量呈現出不連續性,最終從中誕生了量子力學。
  • 物理學的第二朵「烏雲」讓普朗克打開了量子世界的大門!
    今天給大家帶了的是近代物理學中的第二朵「烏雲」。在十九世紀末,歐洲的許多物理學家就聚在一起。由於當時在力學方面的都能從經典力學中得到解決;麥克斯韋的電磁場理論,對電磁場進行了統一;在熱學方面也形成了理論體系。開爾文就很自信說到,物理的大廈已經落成,剩下的就是小補小修的工作。但它晴朗的天空飄來了兩朵烏雲,其中一朵烏雲就讓普朗克悄悄打開了量子世界的大門。
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    然而,他還是低估了這兩朵「烏雲」的威力。它們是從根基上動搖了經典物理學大廈,使經典物理學處於深刻的危機之中。開爾文所稱的第一朵烏雲就是指的邁克耳遜一莫雷的「以太」漂移實驗。人們知道,水波的傳播要有水做媒介,聲波的傳播要有空氣做媒介,它們離開了介質都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上,幾十億光年以外的星系發出的光,也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什麼能在真空中傳播?它的傳播介質是什麼?
  • 物理學上的紫外災難是什麼
    並給出輻射能量對頻率的分布公式,這個公式在大部分頻率範圍內都與實驗符合得很好,只在頻率很小時與實驗符合得不好(見圖2-2).既然黑體輻射討論的是電磁波的發射問題,電磁學中已經知道,帶電粒子或電流作簡諧振動時就將輻射電磁波,黑體輻射問題就應該可以在電磁學的理論基礎上討論解決.1899年,英國物理學家瑞利(Third Baron Rayleign)和天體物理學家金斯(JamesHopwood Jeans)在電動力學和統計物理學的基礎上從理論上又普遍導出一個輻射能量對頻率的分布公式
  • 暗物質和暗能量:21世紀初物理學天空的兩朵烏雲
    科技日報記者 陸成寬「像20世紀初一樣,21世紀初的物理學天空也存在兩朵烏雲,它們是暗物質和暗能量。」還有很多其他的天文觀測證據也表明有暗物質存在。宇宙微波背景輻射觀測實驗的結果給出了暗物質在宇宙物質總量的比例。在宇宙中,普通物質只佔4.9%,暗物質佔到26.8%,暗能量佔到68.3%。「這個結果是相當驚人的。
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    早在1900年,英國大物理學家開爾文勳爵曾公開宣稱:「物理學已走到盡頭,例外的只是漂浮在遠方地平線上的兩小朵烏雲。」開爾文勳爵所指的兩朵「烏雲」,實際是指當時處於萌芽狀態的量子理論和相對論。但是,幾乎所有當代的物理學家內心都明白,現在歡呼勝利還為時過早,因為還有兩朵「烏雲」籠罩在物理學和宇宙學頭上,這兩朵「烏雲」分別是暗物質和暗能量。最近幾十年的觀測表明,我們的宇宙主要是由未知的物質和能量構成的,宇宙中足足有70%的物質密度似乎來自暗能量的形式,有26%是來自暗物質,只有4%是普通物質。
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  • 暗物質和暗能量:21世紀籠罩物理學的兩朵烏雲
    牛頓和愛因斯坦的理論雙劍合璧,令人們對物理學感到滿意,因為地球上絕大多數自然現象都得到了圓滿的解釋。然而,從20世紀20年代開始,發現了許多新的天文現象,證實在宇宙尺度下,有許多引力現象無法用牛頓和愛因斯坦的理論解釋。例如,漩渦星系的弧線的曲率與理論預測有很大差異,如果理論是對的,這些曲線應該更彎一些。