容質疑,這個計劃也被無奈地取消了。
邁克爾遜-莫雷實驗是物理史上最有名的“失敗的實驗”。它當時在物理界引起了轟動,因為以太這個概念作為絕對運動的代表,是經典物理學和經典時空觀的基礎。而這根支撐著經典物理學大廈的梁柱竟然被一個實驗的結果而無情地否定,那馬上就意味著整個物理世界的轟然崩塌。不過,那時候再悲觀的人也不認為,剛剛取得了偉大勝利,到達光輝頂峰的經典物理學會莫名其妙地就這樣倒台,所以人們還是提出了許多折衷的辦法,愛爾蘭物理學家費茲傑惹(GeorgetzGerald)和荷蘭物理學家洛倫茲(HendrikAntoonLorentz)分別獨立地提出了一種假說,認為物體在運動的方向上會發生長度的收縮,從而使得以太的相對運動速度無法被測量到。這些假說雖然使得以太的概念得以繼續保留,但業已經對它的意義提出了強烈的質問,因為很難想象,一個隻具有理論意義的“假設物理量”究竟有多少存在的必要。開爾文所說的“第一朵烏雲”就是在這個意義上提出來的,不過他認為長度收縮的假設無論如何已經使人們“擺脫了困境”,所要做的隻是修改現有理論以更好地使以太和物質的相互作用得以自洽罷了。
至於“第二朵烏雲”,指的是黑體輻射實驗和理論的不一致。它在我們的故事裏將起到十分重要的作用,所以我們會在後麵的章節裏仔細地探討這個問題。在開爾文發表演講的時候,這個問題仍然沒有任何能夠得到解決的跡象。不過開爾文對此的態度倒也是樂觀的,因為他本人就並不相信玻爾茲曼的能量均分學說,他認為要驅散這朵烏雲,最好的辦法就是否定玻爾茲曼的學說(而且說老實話,玻爾茲曼的分子運動理論在當時的確還是有著巨大的爭議,以致於這位罕見的天才苦悶不堪,精神出現了問題。當年玻爾茲曼就嚐試自殺而未成,但他終於在6年後的一片小森林裏親手結束了自己的生命,留下了一個科學史上的大悲劇)。
年邁的開爾文站在講台上,台下的聽眾對於他的發言給予熱烈的鼓掌。然而當時,他們中間卻沒有一個人(包括開爾文自己)會了解,這兩朵小烏雲對於物理學來說究竟意味著什麼。他們絕對無法想象,正是這兩朵不起眼的烏雲馬上就要給這個世界帶來一場前所未有的狂風暴雨,電閃雷鳴,並引發可怕的大火和洪水,徹底摧毀現在的繁華美麗。他們也無法知道,這兩朵烏雲很快就要把他們從豪華舒適的理論宮殿中驅趕出來,放逐到布滿了荊棘和陷阱的原野裏去過上二十年顛沛流離的生活。他們更無法預見,正是這兩朵烏雲,終究會給物理學帶來偉大的新生,在烈火和暴雨中實現涅磐,並重新建造起兩幢更加壯觀美麗的城堡來。
第一朵烏雲,最終導致了相對論革命的爆發。
第二朵烏雲,最終導致了量子論革命的爆發。
今天看來,開爾文當年的演講簡直像一個神秘的讖言,似乎在冥冥中帶有一種宿命的意味。科學在他的預言下打了一個大彎,不過方向卻是完全出乎開爾文意料的。如果這位老爵士能夠活到今天,讀到物理學在新世紀裏的發展曆史,他是不是會為他當年的一語成讖而深深震驚,在心裏麵打一個寒噤呢?
*********飯後閑話:偉大的“意外”實驗
我們今天來談談物理史上的那些著名的“意外”實驗。用“意外”這個詞,指的是實驗未能取得預期的成果,可能在某種程度上,也可以稱為“失敗”實驗吧。
我們在上麵已經談到了邁克爾遜-莫雷實驗,這個實驗的結果是如此的令人震驚,以致於它的實驗者在相當的一段時期裏都不敢相信自己結果的正確性。但正是這個否定的證據,最終使得“光以太”的概念壽終正寢,使得相對論的誕生成為了可能。這個實驗的失敗在物理史上卻應該說是一個偉大的勝利,科學從來都是隻相信事實的。
近代科學的曆史上,也曾經有過許多類似的具有重大意義的意外實驗。也許我們可以從拉瓦錫(ALLaroisier)談起。當時的人們普遍相信,物體燃燒是因為有“燃素”離開物體的結果。但是1774年的某一天,拉瓦錫決定測量一下這種“燃素”的具體重量是多少。他用他的天平稱量了一塊錫的重量,隨即點燃它。等金屬完完全全地燒成了灰燼之後,拉瓦錫小心翼翼地把每一粒灰燼都收集起來,再次稱量了它的重量。
結果使得當時的所有人都瞠目結舌。按照燃素說,燃燒後的灰燼應該比燃燒前要輕。退一萬步,就算燃素完全沒有重量,也應該一樣重。可是拉瓦錫的天平卻說:灰燼要比燃燒前的金屬重,測量燃素重量成了一個無稽之談。然而拉瓦錫在吃驚之餘,卻沒有怪罪於自己的天平,而是將懷疑的眼光投向了燃素說這個龐然大物。在他的推動下,近代化學終於在這個體係倒台的轟隆聲中建立了起來。
到了1882年,實驗上的困難同樣開始困擾劍橋大學的化學教授瑞利(J.W.SRayleigh)。他為了一個課題,需要精確地測量各種氣體的比重。然而在氮的問題上,瑞利卻遇到了麻煩。事情是這樣的:為了保證結果的準確,瑞利采用了兩種不同的方法來分離氣體。一種是通過化學家們熟知的辦法,用氨氣來製氮,另一種是從普通空氣中,盡量地除去氧、氫、水蒸氣等別的氣體,這樣剩下的就應該是純氮氣了。然而瑞利卻苦惱地發現兩者的重量並不一致,後者要比前者重了千分之二。