物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。例如，一切力學(xué)現(xiàn)象原則上都能夠從經(jīng)典力學(xué)得到解釋，牛頓力學(xué)以及分析力學(xué)已成為解決力學(xué)問題的有效的工具。對(duì)于電磁現(xiàn)象的分析，已形成麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動(dòng)光學(xué)的基本問題。至于熱現(xiàn)象，也已經(jīng)有了唯象熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論，它們對(duì)于物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的宏觀規(guī)律和分子熱運(yùn)動(dòng)的微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，幾乎都能夠做出合理的說明。總之，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)建成，而且基礎(chǔ)牢固，宏偉壯觀！在這種形勢(shì)下，難怪物理學(xué)家會(huì)感到陶醉，會(huì)感到物理學(xué)已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當(dāng)時(shí)在物理界不但普遍存在，而且由來已久。

19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，英國著名物理學(xué)家威廉.湯姆生（即開爾文男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻若有所思地講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，”“第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。威廉.湯姆生在1900年4月曾發(fā)表過題為《19世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云》的文章。他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)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(shí)驗(yàn)不符的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。

1 第一朵烏云與狹義相對(duì)論

人們以前認(rèn)為，光傳播的介質(zhì)需要“以太”，后來人們又發(fā)現(xiàn)光可以在真空中傳播，這就有疑問了，另外，光速在“以太“中的傳播服從伽利略速度疊加原理嗎？地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。

為了觀測(cè)“以太風(fēng)”是否存在，1887年，邁克耳遜（1852－1931）與美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷（1838－1923）合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：“邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)”，即“以太漂移”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定“以太”之存在是毋庸置疑的。

1905年，在洛侖茲提出光速不變觀點(diǎn)10年后，愛因斯坦認(rèn)為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太、以光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論。同時(shí)保留洛侖茲變換來解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變。

愛因斯坦提出狹義相對(duì)論的兩條基本原理：

（1）相對(duì)性原理：物理定律在一切慣性參考系中都具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這個(gè)跟伽利略的相對(duì)性原理有什么不同呢？伽利略的相對(duì)性原理只說到了力學(xué)的定律，愛因斯坦的相對(duì)性原理還包括了電磁學(xué)定律，是對(duì)伽利略觀點(diǎn)的一個(gè)推廣。

（2）光速不變?cè)恚涸诒舜讼鄬?duì)作勻速直線的任一參考系中，所測(cè)得光在真空中的傳播速度都是相等的。簡單來講就是光在任何參考系下測(cè)量都是光速，不會(huì)與參考系的速度進(jìn)行疊加。

相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體。在狹義相對(duì)論中，整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的（廣義相對(duì)論則認(rèn)為物體的質(zhì)量會(huì)引起時(shí)空的彎曲）。

2 第二朵烏云：黑體輻射與量子論

我們周圍的一切物體，包括我們自己，都在不停地輻射電磁波。

物體除了自己輻射電磁波，還會(huì)吸收和反射外來的電磁波。不同物體吸收和反射電磁波的本領(lǐng)有差異。一些物體吸收電磁波的能力較強(qiáng)，而反射電磁波的能力較弱，所以盡管周圍有光，它們看起來也比較黑。如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡稱黑體。

但現(xiàn)實(shí)世界不存在這種理想的黑體，為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家們定義了一種理想物體——黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。

在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng)，比如煤炭對(duì)電磁波的吸收率可達(dá)到80%左右。

如下圖，在空腔壁上開一個(gè)小孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，進(jìn)得去出不來。這是典型的黑體。

黑體還有一個(gè)特殊之處，就是它輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與自身溫度有關(guān)（一般的物體還與材料種類和表面狀況等有關(guān)），這激發(fā)了科學(xué)家們的研究興趣——他們想找出黑體輻射的強(qiáng)度與波長的函數(shù)關(guān)系式。然而不研究不知道，一研究可不得了，因?yàn)樽詈蟆澳芰窟B續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念被推翻了，能量子的引入使物理學(xué)開始進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。

19世紀(jì)末，盧梅爾（1860－1925）等人的著名實(shí)驗(yàn)―黑體輻射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學(xué)的角度看來，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是不可思議的。

怎樣解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果呢？當(dāng)時(shí)，人們都從經(jīng)典物理學(xué)出發(fā)尋找實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。前提和出發(fā)點(diǎn)不正確，最后都導(dǎo)致了失敗的結(jié)果。例如，德國物理學(xué)家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個(gè)公式只在波長比較短、溫度比較低的時(shí)候才和實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合。英國物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學(xué)理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的“災(zāi)難”。普朗克使用插值法將兩個(gè)公式化成了一條公式也即普朗克公式，并為了解釋這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性提出了能量量子化假設(shè)：輻射中心是帶電的線性諧振子，它能夠同周圍的電磁場交換能量，諧振子的能量不連續(xù)，是一個(gè)量子能量的整數(shù)倍。黑體輻射所展現(xiàn)出的問題，也就是著名的麥克斯韋－玻爾茲曼能量均分學(xué)說，最終導(dǎo)致了量子論革命的爆發(fā)。這也是二十世紀(jì)，物理學(xué)跳躍式的進(jìn)步。

普朗克公式在高頻范圍hvkT的極限條件下，過渡到維恩公式。在熱平衡狀態(tài)下，幾乎不存在高頻光子，這是因?yàn)楦哳l光子的能量遠(yuǎn)大于kT，而黑體發(fā)射這樣高能量的光子的幾率是極小的。普朗克公式在低頻hv<<kT的極限條件下，過渡到瑞利－金斯公式，這正是以經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的能量均分的結(jié)果。在瑞利-金斯公式中不出現(xiàn)普朗克常數(shù)h?？梢?，把h看作很小乃至零時(shí)，量子理論就過渡到經(jīng)典理論。

光輻射與傳播↓

“輻射”的本質(zhì)是原子中電子的能級(jí)躍遷并交換能量的結(jié)果，低能級(jí)電子受到某種外界能量激發(fā)，可躍遷至高能級(jí)，當(dāng)這些處于不穩(wěn)定狀態(tài)的受激電子落入較低能級(jí)時(shí)，就會(huì)以輻射的形式，向外傳播能量。

E=hc/λ

c=λv

式中E代表光子的能量，h為普朗克常數(shù)；c是光在真空中的光速，近似為2.998x10^8m/s。

v是頻率，單位為赫茲(Hz，簡稱赫)，λ是波長，單位為m。

c=λv表示，波長越長，頻率越低，因?yàn)镃是一個(gè)固定值。

振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍。例如，可能是或2、3……當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量為單位一份一份地輻射或吸收的，這個(gè)不可再分的最小能量值叫做能量子。普朗克的量子化假設(shè)，使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響，普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本牲征。

最后以一張圖片來總結(jié)兩朵烏云與量子論和相對(duì)論：

光是一種電磁波（電磁輻射），是自然界中速度最快的存在，傳播不存在“以太”介質(zhì)，速度不能疊加。

當(dāng)很多原子或分子從高能量的狀態(tài)躍遷到低能量的狀態(tài)，它們損失的能量以輻射的形式釋放出來。在微觀視角，當(dāng)原子中的電子從一個(gè)興奮狀態(tài)到了一個(gè)低能量的狀態(tài)，這個(gè)過程就釋放了多余的能量，就產(chǎn)生了可見光，同樣，當(dāng)光被電子吸收后，電子的能量就會(huì)升高。

從宏觀角度，電子的電荷產(chǎn)生了一個(gè)變化的磁場，隨之出現(xiàn)一個(gè)和它垂直的變化的電場。這兩個(gè)場在空間內(nèi)移動(dòng)著，給對(duì)方提供能量，并包含了它們來源的信息。

光就是光譜上的一部分，基本顆粒也表現(xiàn)得像波，光是一種震蕩的電磁場，由兩個(gè)相互垂直的場推動(dòng)，以宇宙中有限的最大速度傳播。

光是波也是粒子（光子），光子沒有質(zhì)量，從光子誕生的那一刻起，它就已經(jīng)達(dá)到了最高速度。有質(zhì)量的物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，它就會(huì)變得越重；而物體變得越重，要想加速也就越難，因此你永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速。

原子中的電子通過能級(jí)躍遷來交換能量，電磁輻射能量視作是單獨(dú)的“小份”構(gòu)成的，普朗克將這種“小份”稱作“量子”。

－End－