物理学史上的两朵乌云是什么？

众所周知，水是传播水波的介质，空气是传播声波的介质，没有介质它们就无法传播。阳光通过真空传播到地球，来自数十亿光年外的星系的光也通过太空传播到地球。光波为什么能在真空中传播？它的传播媒介是什么？物理学家发现了光的传播介质——“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由火、水、土、气四种元素组成。在上界加上第五元素“以太”。牛顿发现引力后，遇到了一个难题:在宇宙真空中，引力是通过什么介质传播的？

为了找到完整的解决方案，牛顿复活了亚里士多德的“以太”理论，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来物理学家发展了“以太”理论，认为“以太”也是光波的传播介质。光和重力一样，是通过以太传播的。

他们还假设整个宇宙充满了“以太”，这是一种由非常小的弹性球组成的薄而不易察觉的介质。在19世纪，麦克斯韦的电磁理论还把传播光和电磁波的介质描述为一种没有重量、绝对可以穿透的“以太”。

“以太”既有电磁性质，又有电磁传输和机械性质。它是一个绝对静态的参照系，一切运动都是相对于它的。这样，电磁理论就和牛顿力学和谐一致了。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念被人们普遍接受，形成了“以商为商”。

但“以太”的存在被肯定后，新的问题又出现了:当地球以每秒30公里的速度绕太阳运行时，必须遇到以每秒30公里的速度迎面吹来的“以太风”，同时也必须对光的传播产生影响。这个问题的出现引起了人们对“以太风”存在的探究。

为了观测“以太风”的存在，1887年，迈克尔逊(1852-1931)与美国化学家、物理学家默里(1838-1923)合作，在克利夫兰进行了一项研究。

实验结果表明，无论地球运动的方向与光的方向相同还是相反，测得的光速都是一样的，地球与想象中的“以太”没有相对运动。因此，根本不存在“以太”或“绝对静止空间”。因为这个实验在理论上容易理解，方法上准确可靠，所以毫无疑问，实验结果否定了“以太”的存在。

迈克尔逊-莫雷实验让科学家们进退两难。他们可能不得不放弃曾经解释了许多电磁和光现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那么他们就必须放弃比“取太学”更古老的哥白尼的地球运动学说。经典物理学在这个著名的实验面前真的是无所适从。

2.第二朵乌云:黑体辐射和“紫外线灾难”

在同一温度下，不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。深色物体吸收辐射的能力很强。比如煤对电磁波的吸收率可以达到80%左右。所谓“黑体”，是指能够完全吸收外界辐射而不发生任何反射和透射的理想物体，吸收率为100%。

不存在真正的黑体，但表面有小孔的腔体可以看作近似的黑体。因为通过小孔进入腔内的辐射，在腔内经过多次反射和吸收后，不会通过小孔。

19年底，Lummel (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。

如何解释黑体辐射实验的结果？当时人们从经典物理出发，寻找实验规律。前提和出发点不正确，最终导致失败。

比如德国物理学家韦恩建立了黑体辐射能量随波长分布的公式，但这个公式只在波长较短、温度较低时才符合实验事实。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家詹金斯认为能量是一个不断变化的物理量，建立了波长更长、温度更高时更符合实验事实的黑体辐射公式。

但从瑞利-詹金斯公式来看，在短波区(紫外区)，随着波长的缩短，辐射强度可以无止境地增加，这与实验数据相差甚远，是绝对不可能的。所以这次失败被Ellen Fister称为“紫外线灾难”。它的失败无疑说明了经典物理理论在黑体辐射上的失败，所以也是整个经典物理的“灾难”。

历史背景

1900年4月27日，开尔文勋爵在英国皇家研究所做了题为《19世纪的乌云笼罩在热和光动力理论之上》的演讲。开尔文在演讲中声称，动力学理论认为热和光都是运动的模式，现在这一理论的美丽和清晰被两朵乌云所笼罩。—?开尔文勋爵，热量和光动力理论之上的19世纪的乌云。

开尔文提到的两个乌云分别指的是迈克尔逊-莫雷实验测量的零结果和黑体辐射理论的问题。出于对牛顿理论的高度信任，开尔文也相信这两个问题最终会搞清楚。在演讲中，他对这两个问题提出了自己的解决方案。

对于波动理论中为什么光以外的其他物质不与“胶体”以太相互作用的问题，开尔文提出以太是可伸缩的，因此迈克尔逊-莫雷实验不能完全否定以太的自由运动。

对于黑体辐射问题，开尔文认为麦克斯韦、玻尔兹曼、瑞利没有必要去维护能量均分的永恒定理。“解决问题最简单的方法就是否定这个结论。”

开尔文对这两个问题的关注反映了当时物理学界对物理学理论体系的普遍关注，但他大概没想到的是，这两朵乌云给物理学带来了一场突如其来的风暴，颠覆了旧理论体系的框架，导致了二十世纪物理学两大理论体系的诞生:分别是相对论和量子力学。