物理學的兩朵烏雲如何解決

『壹』 物理學史上的兩朵烏雲指的是什麼

第一朵烏雲出現在光的波動理論上。

第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。

19世紀的最後一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，英國著名物理學家威廉.湯姆生（即開爾文男爵）發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。同時，他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：「動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式。

(1)物理學的兩朵烏雲如何解決擴展閱讀

普朗克曾在1924年做過一次演講。在演講中，他回憶1875年在慕尼黑大學學物理時，物理老師P.約里（1809-1884）曾勸他不要學純理論，因為物理學「是一門高度發展的、幾乎是臻善臻美的科學」，現在這門科學「看來很接近於採取最穩定的形式。

也許，在某個角落裡還有一粒塵屑或一個小氣泡，對它們可以去進行研究和分類，但是，作為一個完整的體系，那是建立得足夠牢固的。而理論物理學正在明顯地接近於幾何學在數百年中所已具有的那樣完美的程度。」普朗克的另一位名師，柏林大學的G·基爾霍夫（1824-1887）也說過類似的話，他說「物理學已經無所作為，往後無非在已知規律的小數點後面加上幾個數字而已。」

盡管開爾文對物理學成就的評價言之過激，但他能夠在此萬里晴空中發現「兩朵烏雲」並為之憂心忡忡，足見他富有遠見。物理學發展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏雲，終於釀成了一場大風暴。

『貳』 如何理解經典物理學「天空中飄浮著兩朵烏雲」

在19世紀末期，物理學家認為現有的經典物理學已經完全可以解決所有的物理現象，而只有兩個物理現象無法進行解釋，認為解決了這兩個物理問題後，物理學將走到盡頭。所以認為這兩個問題，就是漂浮在天空中的兩朵烏雲，解決了這兩朵烏雲，物理的天空就再無遮攔和秘密。

1、 第一朵烏雲——邁克耳遜－莫雷實驗與「以太」說破滅

這朵烏雲對經典物理學中的波的傳播需要介質這一定理提出了挑戰，它的存在讓經典物理學不那麼完美，當時的科學界將經典物理學奉為真理，認為所有的物理現象都可以由經典物理學進行解釋，所以認為這是一片烏雲。這朵烏雲引出了光的波粒二象性。

2、 第二朵烏雲——黑體輻射與「紫外災難」

這朵烏雲對經典物理學的連續性提出了挑戰，經典物理學認為能量，波這些物理量是連續存在的，這朵烏雲的背後是普朗克常量。

(2)物理學的兩朵烏雲如何解決擴展閱讀：

1、光波為什麼能在真空中傳播？它的傳播介質是什麼?物理學家給光找了個傳播介質——「以太」。

但是，肯定了「以太」的存在,新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動,就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討「以太風」存在與否。

邁克耳遜－莫雷實驗結果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反,測出的光速都相同，在地球同設想的「以太」之間沒有相對運動。因而，根本找不到「以太」或「絕對靜止的空間」。

2、在同樣的溫度下，不同物體的發光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80％左右。所謂「黑體」是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。真正的黑體並不存在。但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經過多次反射和吸收以後，不會再從小孔透出。

19世紀末,盧梅爾（1860－1925）等人的著名實驗―黑體輻射實驗,發現黑體輻射的能量不是連續的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。從經典物理學的角度看來，這個實驗的結果是不可思議的。

『叄』 什麼是經典物理學上空的兩朵烏雲

上節課我們說了，經典物理學的輝煌成就，也說了牛頓到底有多牛，最後我們還說了，在19世紀末，也就是20世紀初，經典物理學大廈上空飄著兩朵烏雲，遠處還能隱隱約約看到有幾朵小烏雲，正在緩慢地襲來，給人造成了一種「山雨欲來風滿樓」的感覺。

這些縈繞在經典物理學大廈上空的烏雲，就是我們今天的主題——「困境」。

1900年的4月，新的百年剛剛開始，各行各業開個大會總結一下過去，展望一下未來還是非常必要的，科學界也不例外。

他們用這個發現還解釋了困擾人類已久的夫琅和費線，也就是太陽可見光譜中的暗線，其實所有的暗線都對應了特定元素的吸收線。

1859年，他們向德國科學院報告了此事，說已經知道了太陽的組成，當時所有的人都驚呆了，竟然能知道太陽的組成，簡直有點不可思議。

從這件事就能看出實驗物理學， 已經遠遠地領先於理論物理學，元素光譜是怎樣形成的？為什麼是分立線條？為什麼每種元素的光譜都不一樣？

這就是19世紀困擾人類的原子線狀光譜的問題，要想解決這個問題，還得等正在操場上踢足球的波爾大神完成學業。

最後還有元素周期表中元素化學性質，表現出來的周期相似性問題，這也得等波爾大神出馬才能解決。

好了，現在我們已經說完了19世紀經典物理學的輝煌以及困境，接下來，我們將正是踏入就量子論，看看舊量子論的三大巨頭普朗克、愛因斯坦和波爾，是如何解決經典物理學的困境。

『肆』 如何理解經典物理學「天空中飄浮著兩朵烏雲」

第一朵烏雲 「以太(aether)」 指電磁場依託的一種固態介質，但無法通過實驗測出以太本身的運動速度。 由此引出相對論
第二朵烏雲 物體比熱，即觀測到的物體比熱總是低於經典物理學中能量均分定理給出的值。 由此引出能量量子化，繼而發展為量子力學

『伍』 物理學兩朵烏雲是怎樣解決的

普朗克
提出能量是一份一份的，解決了第一朵烏雲
愛因斯坦提出
光量子
，解決第二朵烏雲
然後出現了相對論和
量子理論
，也就出現了
一大團
烏雲，比原來更密布

『陸』 當經典物理的大廈建立起來時，但有「兩朵烏雲」人們無法用經典物理去解釋，這兩朵烏雲是什麼

第一朵烏雲出現在光的波動理論上，----邁克耳遜－莫雷實驗與「以太」說
光波為什麼能在真空中傳播？它的傳播介質是什麼？物理學家給光找了個傳播介質―「以太」，肯定了「以太」的存在，新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討「以太風」存在與否。為了觀測「以太風」是否存在，邁克耳遜）與莫雷合作，在克利夫蘭進行了一個著名的「邁克耳遜－莫雷實驗」，但是實驗結果和卻以太漂移說相矛盾。使科學家處於左右為難的境地。他們或者須放棄曾經說明電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那末，他們必須放棄比「以太學」更古老的哥白尼的地動說。 第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。——黑體輻射與「紫外災難」。 19世紀末，盧梅爾等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發現黑體輻射的能量不是連續的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。為了解釋黑體輻射實驗的結果，物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的「災難」。
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『柒』 物理學晴空的兩朵「烏雲」是什麼

第一朵烏雲—— 邁克耳遜－莫雷實驗與「以太」說破滅 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？物理學家給光找了個傳播介質―「以太」。最早提出「以太」的是古希臘哲學家亞里士多德。亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素，「以太」。牛頓在發現了萬有引力之後，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什麼介質傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復活了亞里士多德的「以太」說，認為「以太」是宇宙真空中引力的傳播介質。後來，物理學家又發展了「以太」說，認為「以太」也是光波的傳播介質。光和引力一樣，是由「以太」傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了「以太」，「以太」是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的「以太」。「以太」既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對於它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學取得協調一致。「以太」是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門「以太學」。

但是，肯定了「以太」的存在，新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討「以太風」存在與否。為了觀測「以太風」是否存在，1887年，邁克耳遜（A．A．Michalson，1852－1931）與美國化學家、物理學家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗：「邁克耳遜－莫雷實驗」，即「以太漂移」實驗。實驗結果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設想的「以太」之間沒有相對運動。因而，根本找不到「以太」或「絕對靜止的空間」。由於這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結果否定「以太」之存在是勿庸置疑的。邁克耳遜一莫雷實驗使科學家處於左右為難的境地。他們或者須放棄曾經說明電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那末，他們必須放棄比「以太學」更古老的哥白尼的地動說。經典物理學在這個著名實驗面前，真是一籌莫展。第二朵烏雲——黑體輻射與「紫外災難」 在同樣的溫度下，不同物體的發光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80％左右。所謂「黑體」是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。真正的黑體並不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經過多次反射和吸收以後，不會再從小孔透出。19世紀末，盧梅爾（Lummer 1860－1925）等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發現黑體輻射的能量不是連續的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。從經典物理學的角度看來，這個實驗的結果是不可思議的。怎樣解釋黑體輻射實驗的結果呢？當時，人們都從經典物理學出發尋找實驗的規律。前提和出發點不正確，最後都導致了失敗的結果。例如，德國物理學家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的「災難」。

『捌』 十九世紀末，所說的物理學天空中有「兩朵烏雲」是指什麼導致了什麼結果

這兩朵烏雲，一個是指邁克耳孫和莫雷關於不存在絕對參考系的實驗，另一個是「紫外災難」（由黑體輻射的瑞利---金斯公式，對於溫度給定的黑體的單色輻出度將隨頻率的增高【即波長的變短】而趨於「無窮大」這通常稱為'紫外災難'）。

『玖』 物理學史上的兩朵烏雲是什麼

1、第一朵烏雲：邁克耳遜－莫雷實驗與「以太」說破滅

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？物理學家給光找了個傳播介質——「以太」。

最早提出「以太」的是古希臘哲學家亞里士多德。亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素，「以太」。牛頓在發現了萬有引力之後，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什麼介質傳播呢？

為了求得完整的解決，牛頓復活了亞里士多德的「以太」說，認為「以太」是宇宙真空中引力的傳播介質。後來，物理學家又發展了「以太」說，認為「以太」也是光波的傳播介質。光和引力一樣，是由「以太」傳播的。

他們還假定整個宇宙空間都充滿了「以太」，「以太」是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的「以太」。

「以太」既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對於它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學取得協調一致。「以太」是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門「以太學」。

但是，肯定了「以太」的存在，新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討「以太風」存在與否。

為了觀測「以太風」是否存在，1887年，邁克耳遜（1852－1931）與美國化學家、物理學家莫雷（1838－1923）合作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗：「邁克耳遜－莫雷實驗」，即「以太漂移」實驗。

實驗結果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設想的「以太」之間沒有相對運動。因而，根本找不到「以太」或「絕對靜止的空間」。由於這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結果否定「以太」之存在是毋庸置疑的。

邁克耳遜一莫雷實驗使科學家處於左右為難的境地。他們或者須放棄曾經說明電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那麼，他們必須放棄比「以太學」更古老的哥白尼的地動說。經典物理學在這個著名實驗面前，真是一籌莫展。

2、第二朵烏雲：黑體輻射與「紫外災難」

在同樣的溫度下，不同物體的發光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80%左右。所謂「黑體」是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100%的理想物體。

真正的黑體並不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經過多次反射和吸收以後，不會再從小孔透出。

19世紀末，盧梅爾（1860－1925）等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發現黑體輻射的能量不是連續的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。從經典物理學的角度看來，這個實驗的結果是不可思議的。

怎樣解釋黑體輻射實驗的結果呢？當時，人們都從經典物理學出發尋找實驗的規律。前提和出發點不正確，最後都導致了失敗的結果。

例如，德國物理學家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。

但是，從瑞利——金斯公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的「災難」。

歷史背景

在1900年4月27日，開爾文勛爵在英國皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲》的發言，演講中開爾文聲稱：動力學理論認為熱和光都是運動的方式，現在這一理論的優美和明晰，正被兩朵烏雲籠罩著。— 開爾文勛爵，在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲。

開爾文所言的兩朵烏雲分別是指邁克耳孫-莫雷實驗測量的零結果和黑體輻射理論出現的問題。出自對牛頓理論的高度信任，開爾文也相信這兩個問題會被最終掃清，發言中他針對這兩個問題提出了自己的解決方案。

對於波動說中為何光以外的其他物質不會和「膠狀」以太發生相互作用的問題，開爾文提出假設以太是可伸縮的，從而邁克耳孫-莫雷實驗不能完全否定以太的自由運動。

而對於黑體輻射的問題，開爾文認為麥克斯韋、玻爾茲曼和瑞利等人對能量均分定理永遠成立的維護是不必要的，「解決問題最簡單的途徑就是否定這一結論」。

開爾文對這兩個問題的在意程度反映了當時物理學界對物理學理論體系的普遍憂慮，但他很有可能沒有想到的是，這兩朵烏雲給物理學帶來的是一場突如其來的風暴，這場風暴顛覆了舊理論體系的框架，分別導致了二十世紀物理學的兩大理論體系：相對論和量子力學的誕生。