序言 烏云蔽空

倫敦

1900年4月

20世紀伊始，有太多理由足以讓人們相信，物理學的偉大征程即將完結(jié)。

經(jīng)典物理學的架構(gòu)以17世紀艾薩克·牛頓集大成的成就為基石，并在接下來200年的科學研究中，創(chuàng)造了一個看似無懈可擊的世界模型。這個模型能夠解釋一切，從研究運動物體的動力學中力與運動的相互作用到熱力學、光學、電學、磁學以及萬有引力，可以說是包羅萬象。它還能夠描述一切，近到地球上日常生活中的物品，遠到可見宇宙的最邊緣之物。對于經(jīng)典物理學的基本準確性、基本真理，似乎再沒有可供懷疑的地方了。

然而，牛頓在發(fā)展他的理論的時候也做了妥協(xié)。他需要一個絕對空間和一個絕對時間來提供一個框架，以測量所有的運動。其中最令人煩憂的是引力。在牛頓的所有力學中，力是一個物體通過接觸，作用到另一個物體的物理現(xiàn)象，而牛頓的引力，是指物體之間一種神秘的、相互的超距作用產(chǎn)生的影響。他由于在原本理性的、物理的和數(shù)學的精確描述中引入了“超自然的力量”，而遭世人詬病。牛頓在他最著名的杰作《自然哲學的數(shù)學原理》的第二版（1713年）中，添加了《綜合注釋》（General Scholium）一文，他寫道：

到目前為止，我們已經(jīng)用引力解釋了天空和海洋的現(xiàn)象，但還沒有找出此種力量的起因……我沒能從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)引力屬性的原因，也沒有提出任何假設(shè)。

牛頓認為，引力是一種能夠瞬時發(fā)揮作用的力。除了一種假想的、被稱為以太的物質(zhì)外，引力發(fā)揮作用無須任何其他媒介。而以太則無處不在、無比稀薄、充滿整個空間。

牛頓還將自己的力學范圍擴展至了光，他認為光是由微小的粒子構(gòu)成的。與他同時期的英國自然哲學家羅伯特·胡克（Robert Hooke）和荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）則與他意見相左，認為光是一種波。鑒于牛頓的聲望和權(quán)威，微粒說在近一個世紀的時間里一直處于統(tǒng)治地位。

就在牛頓去世的大約80年后，英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young）于1801年至1803年向倫敦的英國皇家學會遞交了一系列論文，重振了光的波動學說。楊認為波動說是唯一可以解釋光的衍射和干涉現(xiàn)象的理論。在一項通常歸功于楊的實驗中，光在穿過兩個狹窄的、間距很小的孔或縫時，會產(chǎn)生明暗相間的條紋。這種現(xiàn)象用光的波動理論很容易解釋。光波從兩條縫射出來后，兩者的波峰和波谷剛好“步調(diào)一致”，即“同相”。在那些一條光波的波峰與另一條光波的波峰一致的地方，兩波會疊加并加強，這叫作相長干涉，從而產(chǎn)生亮條紋；在那些一條光波的波峰與另一條光波的波谷一致的地方，兩波相遇，互相抵消，這叫作相消干涉，從而產(chǎn)生暗條紋。

很明顯，楊的解釋邏輯清晰、無可辯駁，但當時的物理學界卻強烈否定了他的觀點，有些人甚至譴責他的解釋“避開了所有優(yōu)點”。

但是，波動說最終證明它是不容忽視的。19世紀60年代，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）把電學和磁學合二為一，創(chuàng)立了電磁學。電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象存在緊密的聯(lián)系，這一點多年來已為世人公認，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）在倫敦的英國皇家研究院所做的卓越的實驗研究，則把這一點推向高潮。通過與流體力學的對比類推，麥克斯韋認為存在電磁場，并用一套復(fù)雜的微分方程描述了它的性質(zhì)。

關(guān)于這些場如何在空間傳播，麥克斯韋沒有提出自己的猜想。但是，這些方程明確表明，電場和磁場穿過自由空間時，是相互依存的，也就明確說明了電場和磁場都是以波動方式傳播的。此外，麥克斯韋還發(fā)現(xiàn)，這些電磁波的傳播速度與光速完全相同。

但是，波是某種物質(zhì)中的擾動。池塘表面的水波就是水中的擾動，樹林中一棵樹倒下，產(chǎn)生的噪聲則以聲波的形式在空氣中傳播。所有的波動都需要媒介的支持，那么光波在傳播時的媒介究竟是什么呢？以太，再一次被賦予了使命。雖然法拉第拒絕以太的概念，但麥克斯韋在建立自己的理論時卻非常倚仗它。

如果沒有以太，引力和電磁現(xiàn)象似乎都無法得到解釋。而有了以太，某些物理結(jié)果就能夠預(yù)言了。地球在太空中的運動，可以認為是拖曳著周圍的以太一起運動。而且，就像聲波順著強風傳播速度會加快一樣，光波順著“以太風”的傳播速度也會加快。這也就意味著，相對于地球在太空中的運動方向，不同方向的光速會存在可測量的偏差。1887年，美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelsen）和愛德華·莫雷（Edward Morley）對這一預(yù)言做了最嚴苛的檢驗。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，沒有證據(jù)能夠證明存在拖曳效應(yīng)，因此也就沒有證據(jù)證明地球和以太之間存在相對運動。

19、20世紀之交，牛頓宏偉的力學大廈整體上依然顯得堅不可摧。整個結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)得如此完美，它是那樣無懈可擊，物理學家別無選擇，要么放棄引力的超距作用，要么緘默不語，不再把它當作一個問題。此前的事實已經(jīng)證明，牛頓在光的問題上是有可能犯錯的，但到了此時，有一點已經(jīng)非常明顯：盡管麥克斯韋在光波的傳播媒介上存在一些疑點，但光的波動理論與他創(chuàng)建的同樣完美的結(jié)構(gòu)非常契合。

19世紀末的物理學家滿懷著勝利在望的期許——或許，我不應(yīng)該苛責他們。1900年，偉大的英國物理學家開爾文勛爵（威廉·湯姆森，William Thomson）在英國科學促進會的一次會議上發(fā)表了著名的宣言：“現(xiàn)在，物理學中已沒有什么新東西有待發(fā)現(xiàn)了，剩下的工作就是越來越精確的測量。”

這句宣言廣為人知，反映出了當時人們的心態(tài)，不過，它也很可能是杜撰出來的。實際情況是，在19世紀的最后十年，隨著反面證據(jù)越來越多，經(jīng)典物理學的力學結(jié)構(gòu)大廈已經(jīng)開始嘎吱作響、搖搖欲墜了。1900年4月，開爾文在英國皇家研究院的演講中說道，他認為在熱和光的動力學理論上空，仍殘存著兩朵19世紀的“烏云”。

開爾文不鼓吹勝利主義，而是有先見之明。

此時，烏云仍在聚集，即將遮蔽天空。但沒有人能準確地判斷出，暴風雨將在哪兒降臨。