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第六集
一九零零年四月二十七号
伦敦的天气还有一些阴冷呢
马路边的咖啡店里面
人们兴致勃勃的正讨论着当时正在巴黎举办的万国博览会
街上的报童在大声叫卖报纸
那上面正在讨论着中国义和团运动最新的局势进展
以及各国在北京使馆人员的情况
一位绅士啊
彬彬有礼的扶着贵妇人上了马车
赶去听普吉尼的歌剧波西米亚人
两位老太太羡慕的望着马车远去
对这贵妇帽子的样式是大为赞叹
但不久后
他们就找到了新的话题
开始对拉塞尔伯爵的离婚案评头论足起来
看来即便是这个新世纪的到来
也不能改变这个城市古老而传统的生活方式
相比之下
在阿尔伯马尔街皇家研究所啊举行的这个报告会
他没多少人注意
伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗莱
戴维爵士那里面倾注的一干二净了
以至于啊
在其后的几十年时间里面
都表现的格外漠然
不过对科学界来说
这可是一件大事儿
欧洲有名的科学家都敢来这儿聆听那位德高望重
然而却顽固出名的老头子开尔文难觉的发言
开尔文的这篇演讲名为在热和光动力理论上空的十九世纪乌云
当时老爷子已经七十六岁了
白发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言
他的第一段话是这么说的
动力学理论断言
热和光都是运动的方式
但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽
显得黯然失色了
这个乌云的比喻啊
后来变得如此出名
以至于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复的引用
成为了一种模式化的陈述
联系到呢
当时人们对物理学大一统的乐观情绪
许多时候啊
这个表述又变成了
在物理学阳光灿烂的天空中
漂浮着两朵小乌云
这两朵著名的乌云呢
分别指的是经典物理在光以态和麦克斯韦波尔兹曼能量均分学说上遇到的难题
再具体一点
指的就是人们在迈克尔逊莫雷实验和黑体辐射研究中的困境
我们首先来简单的讲讲这第一朵乌云
也就是迈克尔逊
莫雷实验
这个实验的用意呢
是在于探测光以态对于地球的漂移速度
在人们当时的观念里面啊
以太代表了一个绝对静止的参考系
而地球穿过以太在空间中运动
就相当于一艘船在高速行驶
迎面会吹来强烈的以太风
迈克尔逊呢
在一八八一年啊
进行了一个实验
想测出这个相对速度
但结果并不十分的令人满意
于是他就和另外一位物理学家莫雷合作啊
在一八八六年安排了第二次实验
这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了
他们动用了最新的干涉仪
为了提高系统的灵敏度和稳定性
他们甚至啊
多方筹措
弄来了一块大石板
把它放在了一个水银槽上
这样呢
就可以把干扰的因素降到了最低
然而
这实验结果却让他们震惊和失望无比
这两束光线根本就没有表现出任何的时间差
仪态似乎对于穿越其中的光线毫无影响
迈克尔逊和穆雷不甘心的一连观测了四天
本来啊
甚至想连续观测一年
以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别
但因为这个否定的结果是如此的清晰而不容置疑
这个计划也被无奈的取消了
迈克尔逊
莫雷实验啊
是物理史上最有名的失败的实验
他当时在物理界引起了轰动
因为以钛这个概念作为绝对运动的代表
是经典物理学和经典时空观的基础
而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱
竟然被一个实验的结果而无情的否定了
那就意味着整个物理世界的轰然崩塌
不过
那时候再悲观的人也不认为说
我这刚刚取得了伟大胜利
到达了光辉顶峰的经典物理学会莫名其妙就这样倒台
所以呢
当时人们还是提出了许多折中的办法
爱尔兰物理学家费兹杰热和荷兰物理学家洛伦兹啊
分别独立的提出了一种假设
认为说物体在运动的方向上会发生长度的收缩
从而使得以太的相对运动速度没法被测量到
这些假说呢
虽然使得以太的概念得以继续保留
但也已经对它的意义提出了强烈的质问
因为很难想象啊
一个只具有理论意义的假设物理量
究竟有多少存在的必要呢
果不其然嘛
当相对论被提出以后
这以太的概念终于就光荣退休了
成为了一个历史名词啊
不过那是后话了啊
这个开尔文所说的第一朵乌云
就是在这个意义上提出来的
不过呢
他认为
这个长度收缩的假设无论如何已经使人们摆脱了困境
所要做的
只是修改现有的理论
以更好的使以态和物质的相互作用得以自洽罢了
哎
这朵乌云呢
最终会消失的
至于这第二朵乌云呢
指的就是黑体辐射实验和理论的不一致
它是我们故事的一条主线
所以呢
我们会在后面的章节里面仔细的探讨这个问题
在凯尔文发表演讲的时候呢
这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象
不过凯尔文对此的态度倒也很乐观
因为他本人呢
本来就不相信这波尔兹曼的能量均分学说
他认为要驱散这朵乌云
最好的办法就是否定波尔兹曼的学说
而且说老实话呀
这波尔兹曼的分子运动理论
在当时的确啊
还是有着巨大的争议的
以至于这位罕见的天才这苦闷不堪
精神还出现了问题
当年这波尔兹曼就尝试自杀而未成功
但是啊
他终于在六年后的一片小森林里
亲手结束了自己的生命
留下了一个科学史上的大悲剧
年迈的凯尔文站在讲台上
那么台下的听众对于他的发言给予了热烈的鼓掌
然而当时他们当中呢
没有一个人
包括凯尔文自个儿会了解说这两朵小乌云对于物理学来说究竟意味着什么
他们绝对无法想象
正是这两朵不起眼的小乌云
却要给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨
电闪雷鸣
并引发可怕的大火和洪水
彻底摧毁现在的繁华美丽
旧世界的一切将被彻底的荡涤干净
曾经以为可以高枕无忧的人们
将被抛弃到荒野中去
不得不在痛苦的探索中过上三十年艰难潦倒
颠沛飘零的生活
他们更没法预见的是
正是这两朵乌云
终究会给物理学带来伟大的新生
在烈火和暴雨中实现涅槃
并且重新塑造起了两栋更加壮观美丽的城堡来
第一朵乌云啊
最终导致了相对论革命的爆发
第二朵乌云
最终导致了量子论革命的爆发
今天看来呢
凯尔文当年的演讲
简直就像一个神秘的衬言
似乎在冥冥中是带有一种宿命的意味
科学在他的预言下打了一个大弯儿
不过方向却是完全出乎凯尔文意料的
如果这位老爵士能够活到今儿
读到物理学在新世纪里面的发展历史
他会不会为他当年的一语成谶而深深的震惊
在心里面哎
打一个寒碜呐
除此之外 啊
今天的饭后闲话
我们得聊聊这个伟大的意外实验
那么用意外这个词
指的是实验未能取得预期的成果
可能在某种程度上
也可以称之为失败的实验吧
啊
比如像我们上面已经谈到了这个迈克尔逊
莫雷实验
那么这个实验的结果是如此的令人震惊
以至于他的实验者在相当一段时间里都不敢相信自己结果的正确性
但正是这个否定的证据
最终使得光以态的概念寿终正寝了
使得相对论的诞生成为了可能
这个实验的失败
在物理史上却应该说是一个伟大的胜利
科学从来都是只相信事实的
近代科学的历史上
也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验
也许我们可以从拉瓦西谈起
啊
当时的人们普遍相信
这物体燃烧是因为有燃速离开物体的结果
但是
一七七四年的某一天
拉瓦西决定测量一下这种燃塑的具体重量是多少
他用他的天平称量了一块锡的重量
随即点燃它
等金属完完全全的烧成了灰烬之后
拉马西小心翼翼的把每一粒灰烬都收集起来
再次称量了它的重量
结果使得当时的所有人都瞠目结舌
那按照燃速说
燃烧是燃速离开物体的结果对吧
那么
所以显然啊
那你燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻啊
退一万步
就算你燃速完全没有
重量也应该一样重啊
可是拉瓦西的天平却说
灰烬要比燃烧前的金属还重
测量燃塑重量成为了一个无稽之谈
然而
拉瓦西在吃惊之余
却没有怪罪于自个儿的天平
而是将怀疑的眼光投向了然素说啊这个庞然大物
在他的推动下
近代化学终于在这个体系倒台的轰隆声中建立起来
到了一八八二年
实验上的困难呢
同样开始困扰了剑桥大学的化学教授瑞丽
他为了一个课题
需要精确的测量各种气体的比重
然而
在氮的问题上
瑞丽却遇到了麻烦
事情是这样的
为了保证结果的准确
瑞丽采用了两种不同的方法来分离气体
一种是通过化学家们熟知的办法
用氨气来制氮
另外一种呢
是从普通空气中尽量的除去氧
氢
水蒸气等别的气体
这样剩下的就应该是纯氮期了
然而
瑞丽却苦恼的发现
两者的重量并不一致
后者要比前者重了千分之二
虽然这是一个小差别
但是对于瑞丽这样讲究精确的科学家来说呢
是不能容忍的
为了消除这个小差别
他想尽了办法
几乎检查了他所有的仪器
重复了几十次实验
但是这个千分之二的差别
他就是顽固的存在在那儿
随着每一次测量
反而更加精确起来
这个障碍使得瑞丽几乎要发疯了
在百般无奈下
他写信给了另外一位化学家拉姆塞求救
后者呢
敏锐的指出
这个重量差啊
可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的
在两者的共同努力下
亚气终于被发现了
那么也最终导致了整个惰性气体族的发现
成为了元素周期表存在的一个重要证据
当然
还有另外一个值得一谈的实验
是一八九六年的贝克勒尔做出的
当时x射线刚刚被发现不久
人们对它的来由还不是很清楚
有人提出啊
太阳光照射荧光物质能够产生x射线
于是这贝克勒尔对此展开了研究
他选择了一种油的氧化物作为荧光物质
把它呀放在太阳下暴晒
结果发现
它的确是黑纸中的底片感光了
贝克勒尔得出了初步结论
阳光照射荧光物质的确能产生x射线
但是正当他要进一步研究时
意外的事儿发生了
天气转阴
乌云是一连几天遮蔽了太阳
这贝克勒尔只好把他的全套实验用具
包括底片和油盐全部都放进了保险箱里
然而
到了第五天
天气仍然没有转晴的趋势
贝克勒尔忍不住了
决定把底片冲洗出来再说吧
这油盐曾受到了一点微光的照射
不管如何
在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧
然而
在拿到照片时
贝克勒尔的脑中却是一片晕眩
底片曝光的是如此彻底
上面的花纹是如此清晰
甚至比强烈阳光下都要超出一百倍
这是一个历史性的时刻
元素的放射性第一次被人们发现了
虽然是一个戏剧性的场合啊
贝克勒尔的惊奇终究打开了通向原子内部的大门
使得人们很快就看到了一个全新的世界
其实
在量子论的故事后面啊
我们会看见更多这样的意外
这些意外为科学史增加了一份绚丽的传奇色彩
也使人们对神秘的自然更加的兴致勃勃啊
那也是科学给我们带来的快乐之一呀
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