物理学中的“两朵乌云”是什么？

在历史进入新世纪的日子里，英国科学界著名元老开尔文勋爵于1900年4月27日在英国皇家学会发表了著名的演讲。

开尔文勋爵，本名威廉·汤姆森，是英国杰出的理论和实验物理学家。22岁时，他成为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令人瞩目的成就，一生发表了约700篇科学论文。从1858开始，他领导完成了横跨大西洋、连接欧美的海底电缆铺设工程。他还为大北建立了第一个物理实验室。由于他的杰出成就和贡献，于1851年当选为伦敦皇家学会会员，于1890年至1895年担任皇家学会会长，并于1892年被封为开尔文勋爵。

凯尔芬勋爵后来在新世纪初根据这篇演讲写了一篇文章，补充了从1900开头到文章完成之日(1901 2月3日)13个月的工作，并对演讲中阐述的问题进行了扩展。他的秘书安德森帮助他画出各种精确的几何图形，进行了许多代数和算术运算，并检查了大量的单项结果。凯尔芬的文章名为《悬浮在热力和光动力理论上空的19世纪的乌云》，发表在7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》联合刊上，1901。

在文章的开头，凯尔芬直截了当地写道:“动力学理论断言热和光都是运动的模式，但现在，这一理论的美丽和清晰被两朵乌云所掩盖。随着菲涅耳和托马斯·严研究的光的波动理论，第一个乌云开始出现。包括问题:地球如何穿过弹性固体运动，弹性固体本质上是光以太？第二朵乌云是麦克斯韦-玻尔兹曼的能量共享理论。”

关于第一个乌云，即“以太与可测量物体之间的相对运动”，凯尔芬回顾并分析了物理学家在这个问题上的观点。他认为，如果我们在以太和物质之间有一个令人满意的基本关系，而不是旧的令人尴尬的概念，即当物质的原子相对于它们周围的以太运动时，原子会排斥它们前面空间中的以太，那么所有现象都可以更快地得到充分解释。

开尔文非常赞同菲涅耳的观点。他不同意托马斯·严的观点，即以太在分子和原子之间穿过时并不是完全自由的，就像微风吹过树木一样。

根据菲涅耳的静态以太理论，如果忽略地球的自转和整个太阳系的运动，在平行于地球轨道的切线上，应该有一个每秒30公里的以太流。“但是，唉！发生了与这个结论相矛盾的事情，地球大气中的以太并没有相对于地球运动。”迈克尔逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“可以保证实验的结果是可靠的”，“我看不出实验的想法或实施有什么缺陷”。

但菲茨杰拉德和洛伦茨独立提出的“绝妙建议”似乎摆脱了困境，使得“实验结果无法反驳以太在地球所占空间中自由运动的结论”成为可能。尽管开尔文更倾向于静态以太理论，赞同收缩假说，但他似乎仍然理性地认为这个问题仍然没有解决。他在这里对此持谨慎态度:“我们还必须把第一片乌云看得非常密集。”

开尔文花了大部分篇幅详细讨论“第二个乌云”。他简要回顾了能量均衡理论的过程，分析了理论的内容和遇到的困难，特别列举了双原子或多原子气体比热的理论计算值与实际观测值之间的距离。凯尔芬断言:“观察到的明显偏差绝对足以证明玻尔兹曼-麦克斯韦理论”，“事实上玻尔兹曼-麦克斯韦理论的偏差比我们所列举的要大”，“不存在玻尔兹曼-麦克斯韦理论与气体比热的真实情况相符合的可能性。”

他在文章中极力强调了两个大胆的结论:就玻尔兹曼-麦克斯韦理论而言，对数学结论未被证明、实验结论不可靠颇为不满。与瑞利试图捍卫玻尔兹曼-麦克斯韦理论相反，凯尔芬明确指出:“要达到预期结果，最简单的方法就是否定这个结论。”

他自信地预言，第二朵花“覆盖了十九世纪最后四分之一的热与光分子光的乌云，人们可以在二十世纪初让它消失。”

在物理学史上，开尔文勋爵以保守著称，但他的演讲深刻而中肯。他不仅洞察了19世纪物理学面临的两个难题，还指出了更明智的努力方向。这固然与他天才的直觉能力有关，恐怕也不能忽视世纪之交物理学革命洪流的影响。