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头顶两朵乌云,开尔文好冤

2018-04-12

学过物理的人应该听说过开尔文的两朵乌云之说: “十九世纪末,物理学的大厦已经建成,晴朗天空中的远处飘浮着两朵的令人不安的乌云...”,后来的事情大家也知道,两朵乌云掀起了狂风暴雨,催生出了二十世界现代物理学的两大支柱—相对论和量子力学。开尔文爵士成了被历史无情打脸的典型之一,在大众心里是一个骄傲自大、要被打倒的学术权威形象。


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图1:头顶两朵乌云的开尔文勋爵


然而,开尔文真的是这样的人吗?


仔细查阅开尔文的经历以及两朵乌云之说的上下文和历史背景,可以发现开尔文是一个极富远见的人,他在做“两朵乌云”演讲时,已经清楚地意识到当时古典物理学的僵局,并且给后继者指明应该遵循什么方向。


咱们先看一下开尔文的经历,在维基百科中时这么介绍的:


开尔文勋爵(Lord Kelvin),原名威廉·汤姆森(1824年6月26日-1907年12月17日),在北爱尔兰出生的英国数学物理学家、工程师,也是热力学温标(绝对温标)的发明人,被称为热力学之父。在格拉斯哥大学时他与休‧布来克本进行了密切的合作,研究了电学的数学分析、将第一和第二热力学定律公式化,和把各门新兴物理学科统一为现代形式。他被广为人知是由于他认识到了温度的下限,也就是绝对零度。


他对电报机所作出的贡献使他开始出名并带给他财富和荣誉。先是因为在横跨大西洋的电报工程中所作出的贡献,他在1866年获得爵士头衔。到1892年,由于他在热力学方面的工作,以及反对爱尔兰自治的作为,使他被封为拉格斯的开尔文男爵,所以他通常被称为开尔文男爵,这个头衔来自于流经他在苏格兰格拉斯哥大学实验室的开尔文河。受爵后,他因而成为首位进入英国上议院的科学家。


注意,开尔文第一次被封爵是因为在横跨大西洋的电报工程中所作出的贡献,第二次受爵才是热力学上的贡献以及在政治上的贡献。开爵是一个全能性人才,横跨工程、物理、数学、社会等多个方面,在当时具有非常高的声望。


开爵在航海时发明了一种预测潮汐的机器,以及可调节指南针,以便纠正由于船舶制造中大量使用铁而产生的磁偏差。在电学方面,开尔文发明了包括象限静电计,电流天平等仪器,也被称为“开尔文天平”或“安培天平”。

 

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图2:开尔文发明的预测潮汐的机器


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图3:开尔文发明的可调节指南针


可能是树大招风。开爵太出名了,容易招黑。据说还有一段话广泛被误认为是开尔文所说:“物理学没有什么新的可以发现的事物了;所有剩下的只是更多和更精确的测量”;这段话要么没有引用,要么说是引自对英国科学促进会的讲话(1900年)中。没有任何证据表明开尔文说了这段话;这段话其实是根据阿尔伯特·迈克耳孙所说的话改编的,他在1894年的一次演讲中指出:“……似乎可以说,物理学宏大的基本原则已经牢固确立……一个着名的物理学家说,未来物理科学的真理应当从六位小数中寻找”。 迈克尔逊在芝加哥讲话时,还有一位美国实验物理学家密里根也在场,他猜测迈克尔逊说的“著名的物理学家”是那位一言九鼎的开尔文勋爵。温伯格在《终极理论之梦》书中对这一历史也有所提及,被他称为“在科学传说里,有一个不知是谁杜撰的故事”。这一黑,更加加深了开爵骄傲自大的形象。


说完开爵,现在来好好说一说“两朵乌云”的来龙去脉。


“两朵乌云”最原始出处来自1901年7月出版的 《哲学杂志》 和 《科学杂志》合刊上,刊登的是开尔文于1900年4月27日在英国皇家学会上发表演讲的修订版,题为“在热和光动力理论上空的十九世纪乌云”。


文章一开始 , 开尔文就开宗明义: “ 动力学理论断言热和光都是运动的方式, 现在这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。 第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的。 菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论, 它包括这样一个问题: 地球如何能够通过本质上是光以太这样的弹性固体运动呢? 第二朵鸟云是麦克斯韦一玻耳兹曼关于能量均分的学说。”


他认为, 旧以太观念“当物质原子相对于它们周围的以太运动时, 原子就要排除它们前面空间中的以太”让人非常不好接受,我们需要有令人满意的以太和物质的关系, 使所有现象更快地得到充分解释。 并且开尔文在总结总写到“恐怕我们还必须把第一朵乌云看作是很浓厚的”。


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图4:以太假说--地球行经承载光的介质以太


开尔文用大半篇幅论述了第二朵乌云。 他简述了能量均分学说出现的历史, 举例论述了该学说的内容及其面临的困难。开尔文特别指出理论上计算的双原子或多原子的定压热容量和定容热容量之比的值与实验观察值的偏差 (理论值比实际值要小 )。开尔文写道 : “ 与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼一麦克斯韦学说”,“事实上, 玻耳兹曼一麦克斯韦学说的偏差比上面列举的还要大”。他进而指出, 当我们考虑到分子光谱的有关数据时, 情况变得甚至更为严重, 我们从光谱发现, 每个分子的自由度比用来决定冷的数目大得多. “实际上不存在玻耳兹曼一麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的可能性。” 显然 , 开尔文论述第二朵乌云时举的是气体比热的例子, 也涉及到分子光谱, 然而却没有提到黑体辐射问题, 尽管黑体辐射问题的研究动摇了玻耳兹曼一麦克斯韦的能量均分学说, 是上世纪末物理学家十分热衷的问题。 开尔文在文章中连致力于黑体辐射研究的普朗克和维恩都未提及。开尔文谈到, 玻耳兹曼和麦克斯韦两人都承认他们的学说与实验相矛盾, 并且迫切要求解释这种矛盾。 并且开尔文明确宣布 : “达到所期望的结果的最简单途径就是否认能量均分这一结论”。


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图5:一个α螺旋肽分子的热运动。这种不停的运动是既随机又复杂的,而且任一原子的能量起伏都可以很大。然而,使用能量均分定理可以计算出每个原子的平均动能,以及许多振动态的平均势能。灰色、红色及蓝色的球分别代表碳、氧及氮原子,而小白球则代表氢原子。


这里可以看出开尔文是很谨慎的看待第一朵乌云的,他指出现有的以太说难以让人接受,需要有新的以太观念来解释现象。在第二朵乌云上面,开尔文阐述了矛盾的所在,以及各大佬的观点,然后明确指出解决矛盾最简单途径就是否认能量均分这一结论。


看到这里不得不佩服开尔文的远见,在这两个问题上,他都抓住了问题的核心,解决问题的思路也很正确:1. 呼唤新的以太观,我们知道在后来的相对论中直接抛弃了以太说,这也算是新的以太观;2. 否认能量均分结论,后来的量子化假说也算是对能量均分的否定。


这其实跟我们现在学术会议中做大会报告的大佬一样,先讲自己的工作进展,然后分析了本领域中遇到的困难,最后提一提解决思路,套路一样一样的。没显得很骄傲自满,只不过开尔文当时站的角度更高。注意开尔文还是首位进入英国上议院的科学家,地位相当的高,面对一群小弟讲话,吹吹牛似乎也很正常。试想年终总结大会上,哪个老板不对学生吹吹牛打打气。


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图6:十九世纪的英国上议院


人们更倾向相信他们愿意相信的事情。二十世纪发展起来的相对论和量子力学确实是对传统物理学的颠覆,很不幸,开尔文因为两个乌云的比喻成了被颠覆的权威的代表。如同亚里士多德,是世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家,后来由于各种“反形而上学“的学说兴起,亚里士多德在大众眼里似乎也成了被打倒的对象。


目前“两朵乌云“的比喻仍在沿用,例如,暗物质和暗能量被称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。


参考文献:

[1] Lord Kelvin, Phil. Mag., 2-7,1 (1901)

[2] Lord Kelvin, Boltimore Lecture on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light, London(1904)

[3] John Horgan, The End of Science. (1996)

[4] 斯蒂芬.温伯格. 终极理论之梦. 湖南科技出版社(2003)

[5] https://zh.wikipedia.org/wiki/第一代开尔文男爵威廉·汤姆森 


(本文为量子研究创作,转载请注明出处)

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