经典物理上空的两朵乌云是什么意思

A. 物理学史上的“两朵乌云”指的是什么

19世纪的最后一天，欧洲着名的科学家欢聚一堂。会上，英国着名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。

普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中，他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P.约里（1809-1884）曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”普朗克的另一位名师，柏林大学的G?基尔霍夫（1824-1887）也说过类似的话，他说“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激，但他能够在此万里晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。

B. 如何理解经典物理学“天空中飘浮着两朵乌云”

第一朵乌云 “以太(aether)” 指电磁场依托的一种固态介质，但无法通过实验测出以太本身的运动速度。 由此引出相对论
第二朵乌云 物体比热，即观测到的物体比热总是低于经典物理学中能量均分定理给出的值。 由此引出能量量子化，继而发展为量子力学

C. 经典物理学上空的两朵乌云是

19世纪末、20世纪初，物理学有两个发现，一是美国人迈克尔逊和莫雷的试验，证明绝对静止的空间是不存在的。而牛顿力学的前提是物体的运动与空间和时间没有关系，即时间和空间在牛顿那里是绝对静止的。二是高温物体辐射形成的光谱分析，即黑体辐射问题。经典物理学不能解释光谱分析中所发现的现象。这两个发现使得经典物理学在新的实践面前无能为力，原有的严密的体系出现了漏洞。因此被人们称为“物理学上空的两朵乌云”。

D. 物理学史上的两朵乌云指的是什么

第一朵乌云出现在光的波动理论上，----迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说
光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，迈克耳逊）与莫雷合作，在克利夫兰进行了一个着名的“迈克耳逊－莫雷实验”，但是实验结果和却以太漂移说相矛盾。使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。

第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。——黑体辐射与“紫外灾难”。
19世纪末，卢梅尔等人的着名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。

E. 如何理解经典物理学“天空中飘浮着两朵乌云”

在19世纪末期，物理学家认为现有的经典物理学已经完全可以解决所有的物理现象，而只有两个物理现象无法进行解释，认为解决了这两个物理问题后，物理学将走到尽头。所以认为这两个问题，就是漂浮在天空中的两朵乌云，解决了这两朵乌云，物理的天空就再无遮拦和秘密。

1、 第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭

这朵乌云对经典物理学中的波的传播需要介质这一定理提出了挑战，它的存在让经典物理学不那么完美，当时的科学界将经典物理学奉为真理，认为所有的物理现象都可以由经典物理学进行解释，所以认为这是一片乌云。这朵乌云引出了光的波粒二象性。

2、 第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”

这朵乌云对经典物理学的连续性提出了挑战，经典物理学认为能量，波这些物理量是连续存在的，这朵乌云的背后是普朗克常量。

(5)经典物理上空的两朵乌云是什么意思扩展阅读：

1、光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质——“以太”。

但是，肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。

迈克耳逊－莫雷实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。

2、在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在。但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。

19世纪末,卢梅尔（1860－1925）等人的着名实验―黑体辐射实验,发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。

F. 物理学头上的两片乌云是什么意思

那是上个世纪初，着名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）说的。1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果。
所涉及的内容不好用一两句话说清楚，但是能够指出的是，正是对这两个问题——开尔文所称的两朵乌云的研究，导致了20世纪最伟大的两个物理理论——相对论和量子力学的诞生。

G. 物理学界的两朵乌云是什么

物理学上空的“两朵乌云” 在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇着名的讲演。 开耳芬勋爵本名威廉·汤姆逊，是英国杰出的理论和实验物理学家，二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。他在电磁学和热学研究方面取得了显着的成就，一生共发表了约七百篇科学论文。从1858年起，他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。他还为大不列额建立了第一所物理实验室。由于卓着的成就和出色的贡献，他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员，1890年到1895年担任皇家学会会长，1892年被封为开耳芬勋爵。 开耳芬勋爵后来以新世纪初的这次讲演为基础写了一篇文章，补充了从1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)为止的十三个月的工作，扩展了在讲演中阐述的问题。他的秘书安德森帮他绘制了各种精确的几何图形，进行了许多代数和算术运算，核对了大量的个别结果。开耳芬的文章以“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”为题，刊登在了1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。 文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论；它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。” 关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运动时，原子就要排除它们前面空间中的以太——那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。 开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，他不同意托马斯·扬的下述看法：以太在物体分子和原子间通过时，犹如清风吹过树丛一样，并不是完全自由的。 按照菲涅耳的静止以太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。 然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得“实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为，这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓密的。” 开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的可能性。” 他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对，开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途径就是否认这一结论”。 他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二十世纪初就可以使其消失。” 在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守着称，但是他的这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视世纪之交物理学革命洪流的冲击。]

H. 物理学晴空的两朵“乌云”是什么

第一朵乌云—— 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭 人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”。最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（A．A．Michalson，1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫兰进行了一个着名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个着名实验面前，真是一筹莫展。第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难” 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。19世纪末，卢梅尔（Lummer 1860－1925）等人的着名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。

I. 物理学史上的两朵乌云是什么

1、第一朵乌云：迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭

人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。

最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？

为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。

他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。

“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。

为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（1838－1923）合作，在克利夫兰进行了一个着名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。

实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是毋庸置疑的。

迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那么，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个着名实验面前，真是一筹莫展。

2、第二朵乌云：黑体辐射与“紫外灾难”

在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100%的理想物体。

真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。

19世纪末，卢梅尔（1860－1925）等人的着名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。

怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。

例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。

但是，从瑞利——金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。

历史背景

在1900年4月27日，开尔文勋爵在英国皇家研究所做了一篇名为《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》的发言，演讲中开尔文声称：动力学理论认为热和光都是运动的方式，现在这一理论的优美和明晰，正被两朵乌云笼罩着。— 开尔文勋爵，在热和光动力理论上空的十九世纪乌云。

开尔文所言的两朵乌云分别是指迈克耳孙-莫雷实验测量的零结果和黑体辐射理论出现的问题。出自对牛顿理论的高度信任，开尔文也相信这两个问题会被最终扫清，发言中他针对这两个问题提出了自己的解决方案。

对于波动说中为何光以外的其他物质不会和“胶状”以太发生相互作用的问题，开尔文提出假设以太是可伸缩的，从而迈克耳孙-莫雷实验不能完全否定以太的自由运动。

而对于黑体辐射的问题，开尔文认为麦克斯韦、玻尔兹曼和瑞利等人对能量均分定理永远成立的维护是不必要的，“解决问题最简单的途径就是否定这一结论”。

开尔文对这两个问题的在意程度反映了当时物理学界对物理学理论体系的普遍忧虑，但他很有可能没有想到的是，这两朵乌云给物理学带来的是一场突如其来的风暴，这场风暴颠覆了旧理论体系的框架，分别导致了二十世纪物理学的两大理论体系：相对论和量子力学的诞生。