学帮网物理领域的“两朵乌云”是什么?
来源：学生作业学帮网 编辑：学帮网 时间：2024/05/04 02:59:40
物理领域的“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著名的讲演.
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著的成就,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.由于卓著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著称,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.