开尔文勋爵演讲揭示的物理学乌云与逆袭：相对论和量子力学

我们之前讲到，牛顿力学标志着自然的数学化，而麦克斯韦的电磁学标志着这个力学世界的统一，热、声、光、电等各类现象都被“力学”所统摄。以至于到19世纪末，许多人相信物理学的大厦已经基本“封顶”了，剩下的无非是一些修修补补的工作了。

在1900年的一次著名的演讲中，据说当时76岁高龄的开尔文勋爵（图15.2.1）感叹：理论物理学领域已经没有什么可发现的了，剩下的事情主要就是测量得更精确一些。相传他还说过一句类似的话：“物理学的未来只能到小数点第6位之后去找了。”

图15.2.1　德高望重的开尔文勋爵

这两句话是否是开尔文勋爵本人所说是有争议的，但这的确反映了当时许多科学家对物理学现状的理解。普朗克后来也回忆道：他当年准备投身物理学时，他的老师劝他，物理学领域可供年轻人开拓的空间已经很少了，献身物理学不值得。

的确，在19世纪末完成的经典力学体系看起来非常完善了，各种现象都被统一到由几条简洁的公式推演出来的力学体系之内，而且这一体系又能够提供惊人的精确性。当然，尚未解决的问题还是有不少的，但人们一般只会认为这好比是一幅接近完成的拼图上还缺了那么几块，早晚都能补上，暂时补不上也无关大局，有谁会想到为了填补一幅已经拼得近乎完美的拼图上的几个小漏洞，就需要打乱整个的布局呢？

开尔文勋爵在1900年的演讲中就提到了这幅拼图上的两个小漏洞，即“在热与光的动力学理论上空的两朵乌云”，第一朵是迈克尔逊（公元1852年—1931年）的以太漂移实验，第二朵是黑体辐射问题。最后驱散这两朵乌云的恰好分别是相对论和量子力学。(www.xing528.com)

除了这两朵“乌云”之外，在19世纪末，还有一系列新发现动摇了物理学的基础^[1]。例如：

1895年伦琴发现X射线（远超一般电磁辐射的波长极限）。

1896年贝克勒耳（公元1852年—1908年）发现放射性现象（铀矿石能够在没有曝光的照相底片上产生影响，后被居里夫人命名为“放射性”，并从矿石中提炼出钋和镭）。

1897年汤姆孙发现电子（亦即发现电流通过真空容器时产生的阴极射线是比氢原子质量小得多的粒子流）。

1898年卢瑟福发现α、β射线（到1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验提出原子核式结构模型）。

这些发现让物理学开始探索原子内部，也让经典力学刚刚确立不久的一些常识发生动摇，但更具颠覆性的还是那两朵乌云。