物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。威廉.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不符的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

1 第一朵乌云与狭义相对论

人们以前认为，光传播的介质需要“以太”，后来人们又发现光可以在真空中传播，这就有疑问了，另外，光速在“以太“中的传播服从伽利略速度叠加原理吗？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。

 

1905年，在洛仑兹提出光速不变观点10年后，爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。同时保留洛仑兹变换来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。

爱因斯坦提出狭义相对论的两条基本原理：

（1）相对性原理：物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达式。这个跟伽利略的相对性原理有什么不同呢？伽利略的相对性原理只说到了力学的定律，爱因斯坦的相对性原理还包括了电磁学定律，是对伽利略观点的一个推广。

（2）光速不变原理：在彼此相对作匀速直线的任一参考系中，所测得光在真空中的传播速度都是相等的。简单来讲就是光在任何参考系下测量都是光速，不会与参考系的速度进行叠加。

相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的（广义相对论则认为物体的质量会引起时空的弯曲）。

2 第二朵乌云：黑体辐射与量子论

我们周围的一切物体，包括我们自己，都在不停地辐射电磁波。

物体除了自己辐射电磁波，还会吸收和反射外来的电磁波。不同物体吸收和反射电磁波的本领有差异。一些物体吸收电磁波的能力较强，而反射电磁波的能力较弱，所以尽管周围有光，它们看起来也比较黑。如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。

但现实世界不存在这种理想的黑体，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。

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。

如下图，在空腔壁上开一个小孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，进得去出不来。这是典型的黑体。

 

黑体还有一个特殊之处，就是它辐射电磁波的强度按波长的分布只与自身温度有关（一般的物体还与材料种类和表面状况等有关），这激发了科学家们的研究兴趣——他们想找出黑体辐射的强度与波长的函数关系式。然而不研究不知道，一研究可不得了，因为最后“能量连续变化”的传统观念被推翻了，能量子的引入使物理学开始进入一个新纪元。

 

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”。普朗克使用插值法将两个公式化成了一条公式也即普朗克公式，并为了解释这个半经验公式的准确性提出了能量量子化假设：辐射中心是带电的线性谐振子，它能够同周围的电磁场交换能量，谐振子的能量不连续，是一个量子能量的整数倍。黑体辐射所展现出的问题，也就是著名的麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说，最终导致了量子论革命的爆发。这也是二十世纪，物理学跳跃式的进步。

 

 

普朗克公式在高频范围hvkT的极限条件下，过渡到维恩公式。在热平衡状态下，几乎不存在高频光子，这是因为高频光子的能量远大于kT，而黑体发射这样高能量的光子的几率是极小的。普朗克公式在低频hv<<kT的极限条件下，过渡到瑞利－金斯公式，这正是以经典统计理论为基础的能量均分的结果。在瑞利-金斯公式中不出现普朗克常数h。可见，把h看作很小乃至零时，量子理论就过渡到经典理论。

光辐射与传播↓

 

 

“辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到某种外界能量激发，可跃迁至高能级，当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐射的形式，向外传播能量。

E=hc/λ

c=λv

式中E代表光子的能量，h为普朗克常数；c是光在真空中的光速，近似为2.998x10^8m/s。

v是频率，单位为赫兹(Hz，简称赫)，λ是波长，单位为m。

c=λv表示，波长越长，频率越低，因为C是一个固定值。

振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。例如，可能是或2、3……当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值叫做能量子。普朗克的量子化假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响，普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本牲征。

最后以一张图片来总结两朵乌云与量子论和相对论：

 

光是一种电磁波（电磁辐射），是自然界中速度最快的存在，传播不存在“以太”介质，速度不能叠加。

当很多原子或分子从高能量的状态跃迁到低能量的状态，它们损失的能量以辐射的形式释放出来。在微观视角，当原子中的电子从一个兴奋状态到了一个低能量的状态，这个过程就释放了多余的能量，就产生了可见光，同样，当光被电子吸收后，电子的能量就会升高。

从宏观角度，电子的电荷产生了一个变化的磁场，随之出现一个和它垂直的变化的电场。这两个场在空间内移动着，给对方提供能量，并包含了它们来源的信息。

光就是光谱上的一部分，基本颗粒也表现得像波，光是一种震荡的电磁场，由两个相互垂直的场推动，以宇宙中有限的最大速度传播。

光是波也是粒子（光子），光子没有质量，从光子诞生的那一刻起，它就已经达到了最高速度。有质量的物体的运动速度越快，它就会变得越重；而物体变得越重，要想加速也就越难，因此你永远不可能达到光速。

原子中的电子通过能级跃迁来交换能量，电磁辐射能量视作是单独的“小份”构成的，普朗克将这种“小份”称作“量子”。

－End－