两朵乌云指的是什么

物理学中的两朵乌云起源于1900年4月27日，英国著名物理学家威廉汤姆孙(即开尔文男爵)在英国皇家学会发表了题为《19世纪的乌云盖过了热和光动力理论》的演讲。

回顾物理学取得的巨大成就，他说物理楼已经建成，剩下的只是一些装修工作。同时，他在展望20世纪物理学的前景时，若有所思地说， '动力论肯定了热和光是运动的两种方式。现在，它美丽晴朗的天空被两朵乌云笼罩着。第一个乌云出现在光的波动理论中，第二个乌云出现在关于能量共享的麦克斯韦-玻尔兹曼理论中。

威廉汤姆孙在1900年4月发表了一篇题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他说的第一个乌云主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果与以太漂移理论的矛盾；他提到的第二个乌云，主要是指在气体比热和热辐射光谱的理论解释中，热中的能量均分规律与实验有不同的结果，特别是黑体辐射理论中的‘紫外灾难’。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理学家和实验物理学家，也是一位颇具影响力的物理学权威。他的陈述讲述了物理学发展到19世纪末的基本情况，反映了当时物理学领域的主要思潮。19世纪，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为支柱的经典物理体系达到了顶峰。当时科学家普遍认为在牛顿力学基础上形成的经典力学体系是万能的，是物质世界的终极真理。这时候‘两朵乌云’飘来，掀起了足以颠覆当时物理学理论体系框架的大风暴。这‘两朵乌云’是两个‘失败的实验’——以太漂移实验和黑体辐射实验。

当时科学界普遍认为以太是光、电、磁在真空中传播的介质。科学家认为，当地球围绕太阳运行时，会遇到以同样速度吹来的‘以太风’，同时，必然会对光的传播产生影响。为了探索‘以太风’是否存在，1887年，物理学家迈克尔逊和莫雷合作在克利夫兰进行了一次以太漂移实验。实验表明，地球与想象中的以太没有相对运动，也就是说，找不到以太。这从一个侧面证明了光速的不变性，为狭义相对论的诞生奠定了基础。

所谓黑体，就是能够完全吸收外界辐射而不发生反射和透射的理想物体，吸收率为100%。19世纪末，Lummel等人通过黑体辐射实验发现，黑体辐射的能量不是连续的，其按波长的分布只与黑体的温度有关。从经典物理学的角度来看，这个实验的结果是不可思议的。为了解释黑体辐射实验的结果，英国物理学家瑞利提出了一个关于热辐射的公式(瑞利-詹金斯公式)，推导出一个与实验数据相差十万八千里的不可能结果。它的失败表明了经典物理理论在黑体辐射问题上的失败。

其实除了这两个著名的‘失败实验’，还有其他几个‘小乌云’。比如光电效应，原子的线性光谱等等。

后来随着X射线、放射性和电子的发现，经典物理学的统治地位岌岌可危。困境是突破的前夜，此时物理学上空乌云密布，充满危险。一场史无前例的物理学革命随即爆发，新一代科学精英逐渐崭露头角，激烈挑战旧权威。

意思是人类被过度膨胀了，膨胀的结果是扼杀了一个很神奇的东西——量子力学。

物理学笑话：“如果你认为你第一次理解了量子力学，说明你还没有理解。」

这句话是量子力学的创始人玻尔说的。

为什么量子力学会得到这么奇怪的评价？

因为量子理论看起来像一套形而上学的理论，所以经历过经典物理教育的人很难

今天为了吹好这只大牛，我们把时间尺度拉长一点，从科学的起源说起。

人类自诞生之日起就一直试图了解世界。

最早的理解充满想象，后来逐渐演变为“宗教”，用一套完整的神的体系来解释世界。

比如为什么打雷闪电？那是因为雷霆领主电母。

当然，这种说法肯定不靠谱。

聪明人很快发现，旧社会不下雨，和你做了什么没有关系！

于是这些聪明人就在思考“世界的起源是什么”、“万物为什么会坠落”、“太阳为什么会在西方升起落下”等等。

然而，早期的智者只是坐在办公室里，通过头脑风暴来研究世界，而不是通过观察和实验。

但他毕竟是个聪明人。时间长了，他总能折腾出一些靠谱的说法。后来，这种简单的推测逐渐演变成了一种“哲学”。

但是问题并没有解决。

大家坐下来聊了聊。虽然这份工作很体面，但是谁对谁错呢？张三说世界在乌龟背上，李四说天是方的，地是圆的。

那他们就不能出去核实一下吗？当然不是！

土鳖只动手，君子只说话，夸张到什么程度？

亚里士多德认为“女人的牙齿比男人少”，这样的理论几百年来被奉为经典。在这几百年间，没有人张嘴去数谁的牙齿多。

在很长一段时间里，人们通过拍脑袋来研究世界。

直到17世纪，一个家伙灵光一现，开始了一项实验。这个人就是伽利略。

关于伽利略，你可能听说过比萨斜塔的自由落体测试。伽利略将一大一小两个铁球同时丢在比萨斜塔上，以测试重的东西是否会比轻的东西掉得快。

伽利略是第一个通过实验系统地研究事物的人。这就是“科学”的雏形，所以伽利略是伟大的。

是不是觉得早生几百年，你我都是科学家？

不要天真了，其实经常以负面形象出现的亚里士多德，绝对属于当时最聪明的人，时代局限性造成的「无知」不是无知。

咱们继续，各位，「世界是由金木水火土构成」，这个题目是哲学还是科学？

科学和哲学在五百年前可真是一家人哦！伽利略去世后刚好一年，牛顿诞生！

如果你认为是牛顿三大定律成就了牛逼顿，那就大错特错了。

牛顿的代表作是《自然哲学的数学原理》，你看看这名字就说明了一切，说的就是自然哲学里包含的数学原理。

牛顿系统地把数学工具引入到研究中，在伽利略的基础上，不但动手做实验，还进一步用数学来解释实验现象，这才使「哲学」和「科学」彻底分开，揭开了经典物理学的序幕。

牛顿是第一个用系统的数学工具研究世界的人，这与伽利略用的简单数学工具有本质区别，所以牛顿更伟大，毫无争议的物理学史上头把交椅。

既然牛顿做了示范，其他人也不傻嘛。

往后数百年，各式牛人不断用数学和实验研究这个世界的本质，逐渐构成了经典物理学大厦。

宗教、哲学、科学，三驾马车拉着人类文明向前飞奔。

科学的优势在于数学，数学可以让科学的理论精确描述，精确重复，迅速传播，这非常重要，你就可以在他人基础上进一步发展，所以科学在300年时间内快速成长。

而宗教往往需要靠「悟」，比如「心静自然凉」，你无法用数学精确描述这个过程，所以也就无法重复这个现象，那大家就很难验证与学习，因此这个理论很难发展。

最终，「科学」摧枯拉朽般统一了人类的认知，虽然最近几年西方反智主义盛行，但不影响科学的绝对主流地位。

如今，无数个科学公式和理论交织在一起，相互印证，相互利用，自洽的解释这个世界。

同学们注意，重点来了，什么是「自洽」？

举个例子：

小姑娘，你体重多少？--50公斤。

你怎么知道的？--用体重称称出来的。

这个称准吗？--弹簧已经校准了。

弹簧怎么校准的？--用标准砝码啊。

砝码哪里来？--标准体积的金属啊。

体积怎么量的？--用刻度尺啊。

刻度尺精度怎么样吗？--用激光校准。

……

这个问题是无限循环的，不同的科学理论相互印证，但人类永远无法知道「小姑娘体重」这个真相。

就如警察破案，100个证人和1000个证据，都完美无缺的相互解释，那么警察就认为这就是真相，至于真相到底是什么已经不重要了。

人类这样自洽的解释世界，会不会出错？

几十亿人，成千上万个理论，运行了三百年，从来没有出现丝毫的错误！对统计学稍微有点常识的人都知道，这个体系出错的概率实在太小了。

没错，但再小的概率还是意味着有可能。

这个「可能」就是「量子力学」和「相对论」，这两个令人叹为观止的理论将原先构建了几百年的经典物理学大厦彻底摧毁！

很多人不知道经典物理学的「经典」是什么意思，说白了，就是符合你想象的东西，比如：热学、力学、电磁学、光学、声学等，差不多就是中学的那些东西。

就算物理学的再差，肯定会有基本的科学常识，比如这发刊词中提到的，大家都认为车库的车不会瞬间移动到客厅来。这就是经典的含义，因为牛顿第一个掀开经典物理的序幕，所以经典物理也叫牛顿物理。

绕了一大圈，量子力学的故事从这里开始。

19世纪的最后一天，世界著名科学家齐聚一堂「总结旧世纪，展望新世纪」，这群智商最高的人做出了一个现在看来非常荒谬的结论：

所有的科学都被咱搞的差不多了，天上飞的，地上跑的，水里游的，大到恒星，小到原子，看得见的，看不见的，都已经有了比较完备的理论解释。

当时原话是这么说的：

「物理学大厦已经落成，就剩下一些敲敲打打的修饰工作，美丽而晴朗的天空只被两朵乌云笼罩」。

然后这群自恋的人在感叹后人真幸福啊，都不需要干活了！

这就是物理学著名的「两朵乌云」，当时的物理学家认为，所有的科学只剩下这两个问题还没解决。

现在我们再看亚里士多德，是不是觉得他也是一位好同学了？

这叫时代局限性。

那么问题来了，什么样的乌云才能遮住所有人的眼睛？

第一朵乌云。

古人以为空间里什么都没有，近代科学知道是有空气的，声音的传播需要空气。

按照这个思路，是不是空间里还有其他不知道的东西，不然太阳光靠什么传到地球呢。

后来找来找去，也找不出个所以然。物理学家很难过，称之为物理学大厦的第一朵乌云。

很快就飘来了第二朵乌云。

有人在做实验的时候发现，辐射能量很可能是不连续的。

白话文翻译一下：我们知道人是一点点长高的。如果有一天你发现，吃饭吃饭吃饭，没长高，再吃饭再吃饭再吃饭，突然长高了5cm，那么你的科学观是不是要崩溃了？

第二朵乌云给当时物理学家带来的冲击和这个差不多。

不管怎么样，这俩乌云毕竟实打实摆在眼前了，总不能视而不见吧。于是，物理学家提出各种荒诞的理论来满足实验现象，其荒诞程度和童话故事相差无几。

终于，在大家的精心照料下，第一朵乌云诞生了相对论，第二朵乌云诞生了量子力学。咱们先说第二个，量子力学。

因为情节需要，略过了很多重要人物和重要理论，时间先后也有出入，千万别当教科书看，大家品出点味道就可以了。

注意，下面要展开剧情了！19世纪末，手欠的卢梅尔做了个「黑体辐射实验」，发现按照当时的现有理论计算，辐射能量会随着波长减小而变得无穷大，这显然是有问题的。

老前辈普朗克挺身而出，勉强凑出了普朗克辐射公式：「大家别怕，能量这玩意儿其实是一份一份传播的。」这就是量子力学的起点。

电磁波的能量是不连续的，啥意思呢？就像人是一段一段长高，而不是一点一点长，大家瞬间懵逼了。

爱因斯坦马上回过神了，照这个套路，那光是不是也一份一份传播的？

光线并不是一条连续的直线，而像是一串子弹，一颗一颗传播。这说法把「光电效应」的实验现象解释得无比通畅，随后爱因斯坦乐呵呵跑去领了个诺贝尔奖。

德布罗意一看，这还了得！光有干涉衍射的现象，早在牛爷的时代就被证明是一种连续的波，怎么这会儿又变成一粒一粒了？

然后一拍脑袋：难不成光既是连续的又是一粒一粒的，那么反过来，原本是一粒一粒的实物微粒，如电子、原子、分子这些，会不会也是连续的？

德布罗意吓出一身冷汗，于是提出了「德布罗意波」，也叫物质波。

也就是说，所有的粒子既具有粒子性也具有波动性，换句话说，一个人既可以是女人也可以是男人。

诡异的是，这说法居然被实验证明了，机枪打出的一梭子子弹，其实是呈波浪形向前跑的！

这和普通人看到鬼是差不多感觉了！

事情发展成这样，大家都觉得很棘手，你想想，如果所有的粒子都有波动性，那由这些粒子组成的人、房子、甚至地球……都不敢往下想了！

更关键的是，粒子为什么会变成这样！

这和大家原先认识的电子、质子、原子完全不同，仿佛所有的物理学家一夜之间都失恋了，对着女朋友说：我从来没想到你居然是这样的人，你变了，变得我完全不认识了！

没错，我想当时的物理学家一定是这种感觉！

失恋真是件痛苦的事情，于是物理学家都疯了，提出无数荒诞的原子模型，和酒后胡话相差无几。

放纵之后，一个叫玻尔的人终于把狗屎一样的理论「玻尔模型」，在氢原子上解释成功了。

大概是说，电子轨道也是不连续的，也是一段一段的。

拿宏观世界的卫星举个例子：卫星可以在500公里的轨道上转圈，给点能量就可以跑到501公里的轨道上，你想在哪转圈就在哪转圈，对吧。

电子轨道是怎么回事呢？

你给点能量，卫星还在500公里，再给点能量，仍然没动，再给，再给，再给，当能量足够时，卫星突然就瞬移到了600公里的轨道上，仿佛500公里和600公里之间的空间是不存在的。

玻尔模型就是这么扯淡。

本文开头嘲笑大家第一次学不会量子力学的，就是这个玻尔。别不服气，人家还是足球队员，当年丹麦报纸的标题是这样写的：「我国足球运动员获得诺贝尔物理学奖。」

中国国足掩面奔走……

各位，对「量子」是不是有概念了？

其实就是不连续的，一段一段的意思。

大家一脸惊奇的看着玻尔，发酒疯讲胡话，也能撩到妹子！于是，大家纷纷回头开始研究自己之前吹过的牛！

可惜玻尔模型虽然完美解释了氢原子的各种特性，比如氢原子的光谱，氢原子各个常数之间的关系，还解释了「电子绕着原子核为什么不会被吸到原子核上」诸如此类的问题，玻尔模型把「氢原子」这个妹子吃的死死的。

但是当玻尔模型把魔爪伸向其他妹子的时候，突然不灵了！哪怕只是多了一个质子的氦原子。

既然这技巧也不是老少通吃，大家松了口气，看来还有机会！

其中，冷艳高贵的「反常塞曼效应」始终不理睬玻尔模型，甚至连正眼都没看一眼。

所谓的反常塞曼效应，简单来说，只要稍微加一点点磁场，电子轨道就会分裂成好几条，这种情况玻尔模型完全无法解释。

于是，其他物理学家继续各种献殷勤，都没能博得美人一笑。正当大家一筹莫展时，荷兰的两个名不见经传的博士生（这在物理撩妹界属于小学生级别），提出了一个设想：

电子具有自旋的属性，而且只有2个方向。这俩娃还写成论文发表，不过随即就后悔了，自己也觉得太扯蛋，想找导师撤回论文，导师安慰他们，年轻人闹点笑话没关系。

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著名的实验："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。经典物理学在这个著名实验面前，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）等人的著名实验―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"。