序言 乌云蔽空

伦敦

1900年4月

20世纪伊始，有太多理由足以让人们相信，物理学的伟大征程即将完结。

经典物理学的架构以17世纪艾萨克·牛顿集大成的成就为基石，并在接下来200年的科学研究中，创造了一个看似无懈可击的世界模型。这个模型能够解释一切，从研究运动物体的动力学中力与运动的相互作用到热力学、光学、电学、磁学以及万有引力，可以说是包罗万象。它还能够描述一切，近到地球上日常生活中的物品，远到可见宇宙的最边缘之物。对于经典物理学的基本准确性、基本真理，似乎再没有可供怀疑的地方了。

然而，牛顿在发展他的理论的时候也做了妥协。他需要一个绝对空间和一个绝对时间来提供一个框架，以测量所有的运动。其中最令人烦忧的是引力。在牛顿的所有力学中，力是一个物体通过接触，作用到另一个物体的物理现象，而牛顿的引力，是指物体之间一种神秘的、相互的超距作用产生的影响。他由于在原本理性的、物理的和数学的精确描述中引入了“超自然的力量”，而遭世人诟病。牛顿在他最著名的杰作《自然哲学的数学原理》的第二版（1713年）中，添加了《综合注释》（General Scholium）一文，他写道：

到目前为止，我们已经用引力解释了天空和海洋的现象，但还没有找出此种力量的起因……我没能从现象中发现引力属性的原因，也没有提出任何假设。

牛顿认为，引力是一种能够瞬时发挥作用的力。除了一种假想的、被称为以太的物质外，引力发挥作用无须任何其他媒介。而以太则无处不在、无比稀薄、充满整个空间。

牛顿还将自己的力学范围扩展至了光，他认为光是由微小的粒子构成的。与他同时期的英国自然哲学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）和荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）则与他意见相左，认为光是一种波。鉴于牛顿的声望和权威，微粒说在近一个世纪的时间里一直处于统治地位。

就在牛顿去世的大约80年后，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）于1801年至1803年向伦敦的英国皇家学会递交了一系列论文，重振了光的波动学说。杨认为波动说是唯一可以解释光的衍射和干涉现象的理论。在一项通常归功于杨的实验中，光在穿过两个狭窄的、间距很小的孔或缝时，会产生明暗相间的条纹。这种现象用光的波动理论很容易解释。光波从两条缝射出来后，两者的波峰和波谷刚好“步调一致”，即“同相”。在那些一条光波的波峰与另一条光波的波峰一致的地方，两波会叠加并加强，这叫作相长干涉，从而产生亮条纹；在那些一条光波的波峰与另一条光波的波谷一致的地方，两波相遇，互相抵消，这叫作相消干涉，从而产生暗条纹。

很明显，杨的解释逻辑清晰、无可辩驳，但当时的物理学界却强烈否定了他的观点，有些人甚至谴责他的解释“避开了所有优点”。

但是，波动说最终证明它是不容忽视的。19世纪60年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）把电学和磁学合二为一，创立了电磁学。电现象和磁现象存在紧密的联系，这一点多年来已为世人公认，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在伦敦的英国皇家研究院所做的卓越的实验研究，则把这一点推向高潮。通过与流体力学的对比类推，麦克斯韦认为存在电磁场，并用一套复杂的微分方程描述了它的性质。

关于这些场如何在空间传播，麦克斯韦没有提出自己的猜想。但是，这些方程明确表明，电场和磁场穿过自由空间时，是相互依存的，也就明确说明了电场和磁场都是以波动方式传播的。此外，麦克斯韦还发现，这些电磁波的传播速度与光速完全相同。

但是，波是某种物质中的扰动。池塘表面的水波就是水中的扰动，树林中一棵树倒下，产生的噪声则以声波的形式在空气中传播。所有的波动都需要媒介的支持，那么光波在传播时的媒介究竟是什么呢？以太，再一次被赋予了使命。虽然法拉第拒绝以太的概念，但麦克斯韦在建立自己的理论时却非常倚仗它。

如果没有以太，引力和电磁现象似乎都无法得到解释。而有了以太，某些物理结果就能够预言了。地球在太空中的运动，可以认为是拖曳着周围的以太一起运动。而且，就像声波顺着强风传播速度会加快一样，光波顺着“以太风”的传播速度也会加快。这也就意味着，相对于地球在太空中的运动方向，不同方向的光速会存在可测量的偏差。1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelsen）和爱德华·莫雷（Edward Morley）对这一预言做了最严苛的检验。结果他们发现，没有证据能够证明存在拖曳效应，因此也就没有证据证明地球和以太之间存在相对运动。

19、20世纪之交，牛顿宏伟的力学大厦整体上依然显得坚不可摧。整个结构运转得如此完美，它是那样无懈可击，物理学家别无选择，要么放弃引力的超距作用，要么缄默不语，不再把它当作一个问题。此前的事实已经证明，牛顿在光的问题上是有可能犯错的，但到了此时，有一点已经非常明显：尽管麦克斯韦在光波的传播媒介上存在一些疑点，但光的波动理论与他创建的同样完美的结构非常契合。

19世纪末的物理学家满怀着胜利在望的期许——或许，我不应该苛责他们。1900年，伟大的英国物理学家开尔文勋爵（威廉·汤姆森，William Thomson）在英国科学促进会的一次会议上发表了著名的宣言：“现在，物理学中已没有什么新东西有待发现了，剩下的工作就是越来越精确的测量。”

这句宣言广为人知，反映出了当时人们的心态，不过，它也很可能是杜撰出来的。实际情况是，在19世纪的最后十年，随着反面证据越来越多，经典物理学的力学结构大厦已经开始嘎吱作响、摇摇欲坠了。1900年4月，开尔文在英国皇家研究院的演讲中说道，他认为在热和光的动力学理论上空，仍残存着两朵19世纪的“乌云”。

开尔文不鼓吹胜利主义，而是有先见之明。

此时，乌云仍在聚集，即将遮蔽天空。但没有人能准确地判断出，暴风雨将在哪儿降临。