經典物理上空的兩朵烏雲是什麼意思

A. 物理學史上的「兩朵烏雲」指的是什麼

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。

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。

B. 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

C. 經典物理學上空的兩朵烏雲是

19世紀末、20世紀初，物理學有兩個發現，一是美國人邁克爾遜和莫雷的試驗，證明絕對靜止的空間是不存在的。而牛頓力學的前提是物體的運動與空間和時間沒有關系，即時間和空間在牛頓那裡是絕對靜止的。二是高溫物體輻射形成的光譜分析，即黑體輻射問題。經典物理學不能解釋光譜分析中所發現的現象。這兩個發現使得經典物理學在新的實踐面前無能為力，原有的嚴密的體系出現了漏洞。因此被人們稱為「物理學上空的兩朵烏雲」。

D. 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，----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」。

E. 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。

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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。

F. 物理學頭上的兩片烏雲是什麼意思

那是上個世紀初，著名物理學家威廉.湯姆生（即開爾文男爵）說的。1900年4月曾發表過題為《19世紀熱和光的動力學理論上空的烏雲》的文章。他所說的第一朵烏雲，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏雲，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果。
所涉及的內容不好用一兩句話說清楚，但是能夠指出的是，正是對這兩個問題——開爾文所稱的兩朵烏雲的研究，導致了20世紀最偉大的兩個物理理論——相對論和量子力學的誕生。

G. 物理學界的兩朵烏雲是什麼

物理學上空的「兩朵烏雲」 在歷史跨入新世紀的日子裡，英國科學界聲名顯赫的元老開耳芬勛爵，於1900年4月27日在皇家學會發表了一篇著名的講演。 開耳芬勛爵本名威廉·湯姆遜，是英國傑出的理論和實驗物理學家，二十二歲就當上了格拉斯哥大學的自然哲學教授。他在電磁學和熱學研究方面取得了顯著的成就，一生共發表了約七百篇科學論文。從1858年起，他領導完成了橫越大西洋、連接歐美兩大洲的海底電纜敷設工程。他還為大不列額建立了第一所物理實驗室。由於卓著的成就和出色的貢獻，他於1851年就被選為倫敦皇家學會會員，1890年到1895年擔任皇家學會會長，1892年被封為開耳芬勛爵。 開耳芬勛爵後來以新世紀初的這次講演為基礎寫了一篇文章，補充了從1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)為止的十三個月的工作，擴展了在講演中闡述的問題。他的秘書安德森幫他繪制了各種精確的幾何圖形，進行了許多代數和算術運算，核對了大量的個別結果。開耳芬的文章以「懸浮在熱和光動力理論上空的十九世紀的烏雲」為題，刊登在了1901年7月出版的《哲學雜志》和《科學雜志》合刊上。 文章一開始，開耳芬就開門見山地寫道：「動力學理論斷言熱和光都是運動的方式，可是現在，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，菲涅耳和托馬斯·揚研究過這個理論；它包括這樣一個問題：地球如何通過本質上是光以太這樣的彈性固體而運動呢？第二朵烏雲是麥克斯韋—玻耳茲曼關於能量均分的學說。」 關於第一朵烏雲，即「以太和可稱量物體的相對運動」，開耳芬回顧並分析了物理學家對這個問題的看法。他認為，如果我們有一個令人滿意的基本的以太和物質的關系，以代替舊的使人為難的觀念——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——那麼就可以使所有現象更快地得到充分解釋。 開耳芬十分贊同菲涅耳的觀點，他不同意托馬斯·揚的下述看法：以太在物體分子和原子間通過時，猶如清風吹過樹叢一樣，並不是完全自由的。 按照菲涅耳的靜止以太說，如果忽略地球自轉和整個太陽系的運動，那麼在平行於地球公轉軌道的切線上理應存在每秒三十公里的以太流。「但是，哎呀！與該結論相抵觸的事發生了，地球大氣中的以太相對於地球並不運動」，邁克耳遜和莫雷精心完成的實驗證明了這一點。「該實驗的結果可以保證是可靠的」，「無論在實驗的設想方面或實施方面，我無法看出任何缺陷」。 然而，斐茲傑拉德和洛侖茲各自獨立地做出的「出色建議」似乎已經擺脫了面臨的困境，使得「實驗結果不能駁倒以太通過地球所佔空間是自由運動著」的結論。盡管開耳芬傾向靜止以太說並贊同收縮假說，但是他好像還是理智地認為，這個問題依然懸而未決。他在這里對此持謹慎態度：「恐伯我們還必須把第一朵烏雲看作是很濃密的。」 開耳芬用大部分篇幅詳細討論了「第二朵烏雲」。他簡單地回顧了能量均分學說產生的過程，分析了該學說的內容和遇到的因難，他特別列表指出雙原子或多原子氣體比熱的理論計算值和實際觀測值的距離。開耳芬斷言：「與觀察的明顯偏離絕對足以否證玻耳茲曼—麥克斯韋學說」，「事實上，玻耳茲曼—麥克斯韋學說的偏差比我們列舉的還要大」，「實際不存在玻耳茲曼—麥克斯韋學說與氣體比熱真實情況相符的可能性。」 他在文章中極力強調兩個大膽的結論：就玻耳茲曼—麥克斯韋學說而言，使人頗為不滿的是：數學定論沒有證明，實驗定論也不可靠。與瑞利企圖維護玻耳茲曼—麥克斯韋學說的做法針鋒相對，開耳芬明確提出：「達到所期望結果的最簡單途徑就是否認這一結論」。 他信心十足地預言，第二朵「在十九世紀最後四分之一時期內遮蔽了熱和光分子論亮光的烏雲，人們在二十世紀初就可以使其消失。」 在物理學史上，開耳芬勛爵索以保守著稱，但是他的這次講演卻深中肯邃，他不僅洞察到十九世紀物理學面臨的兩個難題，而且還指出了較為明智的努力方向。這固然與他的天才的直覺能力有關，恐怕也不能無視世紀之交物理學革命洪流的沖擊。]

H. 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」。

I. 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。