两朵乌云

20世纪的第一个春天来临了，久负盛名的英国物理学界元老、被英国国王授予“开尔文勋爵”荣誉的威廉·汤姆孙发表了《新年献词》。他踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成”，“后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”是的，到19世纪末，以牛顿力学为基础的自然科学体系已经完全确立，并发展到了几乎尽善尽美的程度。自然界的各种物理现象，几乎无一不能用这个理论体系予以解释。人类对自然界的探索似乎已经到了尽头。不过，在这尽善尽美之中，还有两点小小的遗憾，用开尔文勋爵的话来说，就是：“在物理学晴朗天空的远处，还存在两朵小小的、令人不安的乌云。”

这“两朵乌云”指的是什么呢？原来，当时的物理学对两个实验事实还无法解释：一个是研究物体热辐射性质的“黑体辐射”实验；另一个是搜寻“以太”存在证据的“迈克耳孙-莫雷实验”。这就是开尔文勋爵所说的两朵乌云。

开尔文勋爵是有眼力的，他看到了这“两朵乌云”，而且认为它们“令人不安”。但在他心目中，这“两朵乌云”还是“小小的”，迟早总要烟消云散的，而且烟消云散之后，仍然是经典物理学的“晴朗天空”。

历史的发展既在开尔文勋爵的意料之中，又在他的意料之外。这“两朵乌云”确实烟消云散了，但人们迎来的竟是物理学乃至整个自然科学的一片新天地。“黑体辐射”实验带来的矛盾，在微观物理学领域引发了一场革命，催生了量子论和量子力学，给人类带来了原子弹、核电站、集成电路、激光器等数不清的新发现和新发明。“迈克耳孙-莫雷实验”则引发了一场“以太”风波，使人类的时空观发生了革命性的变革，催生了相对论。20世纪物理学的发展，基本上是沿着量子论和相对论这两条主线发展的。

那么，什么是“黑体辐射”？什么是“量子”？什么是“迈克耳孙-莫雷实验”？什么是“以太”？前两个问题将以后介绍，我们先来介绍后两个问题。为此，还是先让我们从牛顿力学说起。