主题：【文摘】趣谈物理学的革命和统一 -- 夏翁

我们上文讲到了美国鬼子迈克尔逊（A. A. Michelson）、莫雷（E. W. Morley）失败的“以太”漂移试验 (1887年) 和英国佬瑞利勋爵（Rayleigh, 原名J. M. Strutt）算出的黑体辐射的紫外灾难（1900年）。前者是从实验上否定了“以太”（aether）的存在。“以太”这个概念来自古希腊，意思为高空。法国出生的笛卡尔（R. Descartes）于1664年首先把它引入科学，表示一种充满宇宙，作旋涡运动的球形无重物质，它不能被人的五官察觉，但能传递力并能对物体产生作用。后者则对牛顿以来的物理理论提出了不信任案，其中包括人们赖以自豪的麦克司韦电磁理论、分子运动论和统计热力学理论等。如果要细究十九世纪末的科学大师们为什么落入了如此难堪的境地，在下有必要交待一些背景材料，特别是人们对光的认识。

3-1．光的波动与粒子之争

最早有记载的对光的研究大概当属我国战国时期（约公元前400年）的《墨经》。其中有300多字的内容论述了8条与几何光学有关的知识。古希腊的欧几理德，托勒密和阿基米德（约公元前287年）等也对光有过研究。据说阿基米德还组织人马用多块反射镜烧掉了古罗马海军的战舰。而信奉基督教的西方人则主要是从《圣经》中得到一些光的知识，因为在第一章创世记中，上帝说要有光，于是就有了光。在十五世纪文艺复兴的巨匠达－芬奇（L. da Vinci）横空出世前，西方人一直认为他们之所以能看见东西是他们的眼中会发出光线。

对光本性的研究，始于1665年英国物理学家胡克（R. Hooke）提出的光的波动学说。现在的大多数人知道胡克是因为他发现了以他命名的物体弹性定律。同时这位因染上天花而留下一脸麻子的科学怪才还用显微镜做了大量的生物学研究。他对牛顿大师早期光学研究的刁难(牛顿不信服他的光的波动学说)在一定程度上迫使牛顿转向天空而发现了万有引力定律。

荷兰物理学家惠更斯（C. Huygens）1678年对光的波动学说进行了严格的数学论证，使光的波动学说兴盛一时。因发现了万有引力定律而功成名就后的牛顿大师，终于不必理会胡克的胡搅蛮缠再度转回了光学的研究（他甚至还有闲情逸致做了大量的炼金术研究），在他1704年发表的《论光》的著作中明确提出了光的微粒学说。惠更斯光的波动学说和牛顿光的微粒学说都可以解释多种光学现象，同时也都有各自的不完善之处：例如惠更斯把光波理解成为声音一样的纵波，而牛顿则不能圆满解释两束光相撞后，它们的强度为什么都不会减弱等。

这两种理论对光在水与空气中的传播速度有着相反的预言，但终因当时的测量手段太粗糙而不能判别谁是谁非。鉴于牛顿大师的崇高威望，光的微粒学说便统治了西方学术界一百多年之久。直到1800年，一位叫托玛斯－扬（Thomas Young）的英国医生以著名的光的双缝干涉实验向光的微粒学说提出了挑战，借助法国土木工程师菲涅耳（A. J. Fresnel）1815年以来更为严密的数学论证，为光的波动学说平了反。以发明傅科摆而证明地球自转的法国实验物理学家傅科（J. B. Foucault）在1850年对光在水与空气中传播速度的判决性实验，使十九世纪下半叶的物理学家们完全放弃了对牛顿光微粒学说的顶礼膜拜。

但是光以什么为媒介来传播却令学者们煞费苦心。尽管胡克、惠更斯等用古希腊先哲们发明的“以太”来当此重任，但“以太”必须具备多种奇异的禀性来满足当时已知的各种物理学上的清规戒律。比如：实验表明光波是横波，而横波只能在对切变产生阻力的介质中传播，所以“以太”应该为一种固态弹性介质；从光的巨大速度看，“以太”应该具有极大的刚性；从天体不受阻碍地按牛顿定律运转，“以太”应该极其稀薄和没有质量；其中最为令人不安的是“以太”漂移问题。哥白尼的科学革命，牛顿大师的严格计算都要求我们居住的地球绕太阳运转。经过多位天文学家近两百年前仆后继的艰苦奋斗，证明地球绕太阳公转所应观察到的恒星位置变化，即所谓的“光行差”现象，终于在1727年被英国的天文学家布雷德利（J. Bradly）捕捉到。要用光的波动学说来解释“光行差”现象，则只能假设“以太”相对于太阳是静止的，因此地球绕太阳公转时相对于“以太”是漂移的。

前述美国鬼子迈克尔逊、莫雷的“以太”漂移试验是根据十九世纪的牛顿¾麦克斯韦（J. C. Maxwell）1879年寄往美国的一封信得到启示的。它的原理是：如果地球相对于“以太”运动，那么沿地球运动方向发出一个光信号，到一定距离后返回所需的时间，要稍大于同样信号沿垂直于地球运动方向在相等的距离上往返的时间。令迈克尔逊、莫雷沮丧不已的是，他们的实验精度已经达到0.0000000025还是测不出地球相对于“以太”的运动。

3-2．麦克斯韦的电磁理论

要了解英国佬瑞利算出的黑体辐射的紫外灾难，我们则需要回到电和磁。从古希腊时起，人们对电和磁的现象就有不断的兴趣。但是一直到了1800年意大利物理学家伏达发明了能提供恒稳电流的伏达电池，人们对电磁现象的研究才有了迅速的突破。在1820年，丹麦物理学家奥斯特（H. C. Oersted）发现电流周围有磁场。1822年法国物理学家安培（A. M. Ampere）给出了电流产生磁力的安培定律，奠定了电动力学的基础。1831年英国的实验物理学大师法拉第（M. Faladay）发现磁铁与导线相对运动时，导线中有电流产生。为了解释他发现的这一被称为电磁感应定律的现象，法拉第提出了“力线”和“场”的概念。认为带电物体和磁铁等是通过布满空间的电力线，磁力线形成的场来相互作用的。由于这一观念太具革命性，当时的物理学家都认为“场”是虚无缥缈的妄想。

一直到了1858年，才有年仅27岁的英国理论物理学家麦克斯韦（J. C. Maxwell）接收了这一革命思想。麦克斯韦认为，既然电磁物体间是分别通过电场和磁场来传递相互作用的，而运动的电荷（电流）会产生磁力，运动的磁铁会产生电力，那么运动的电场应会产生磁场，运动的磁场也会产生电场。在充分利用十九世纪二、三十年代发展起来的理论力学成果的基础上，麦克斯韦把法拉第场的思想用数学语言精确化，别出心裁地引入“位移电流”等新概念，该方程组预言了电磁波的存在，电磁波的传播速度为光速。1888年德国的物理学家赫兹（H. R. Hertz）通过电路的振荡放电在附近不相连的另一电路产生电火花验证了电磁波的存在。进一步对电磁波的反射，折射干涉和衍射等全面证实了麦克斯韦的电磁理论。

对黑体辐射的研究来源于人们对物体加热时获得的经验。当物体受热温度不太高时，它只能发出人眼看不见的热射线（红外线），随着温度升高，物体陆续会发出红光、白光、蓝光、紫光及能杀死细菌的人眼看不见的射线（紫外光）。黑体是指一种能完全吸收电磁辐射而完全没有反射和透射的理想物体。1893年德国物理学家维恩（W. Wein）从以上麦克斯韦的电磁理论推出，黑体的绝对温度同所发出的最大能量的波长成反比。为了验证黑体辐射的理论，1895年维恩和陆末（O. Lummer）提出：被严密器壁围起来而开一小孔的空腔加热后所发出的辐射接近黑体辐射。1896年维恩通过半理论半经验的方法得出一个描述黑体辐射本领最大值与黑体绝对温度间关系的公式。1897年陆末等从实验上实现了接近黑体辐射的辐射空腔，1899年陆末的测量发现维恩的公式在长波地区与实验不符。1900年六月瑞利根据严格的经典统计力学和电磁理论推出的黑体辐射能量分布曲线的公式。在长波地区与实验符合很好，但在短波区则严重偏离实验数据。该结果被荷兰物理学家埃伦菲斯特（P. Ehrenfest）称为“紫外灾难”

在面临的巨大挑战中，物理学家们的反映真是五花八门，但是绝大多数都是想尽办法抱残守缺。所幸的是最终他们的一部分走向了革命。