第213章 经典物理学的璀璨与乌云

1909年7月15日,格里高利等人终于完成了所有资料的整理。

李奇维开始了为期三天的闭关模式。

他要试图用一条清晰的脉络,串联好经典物理学与现代物理学。

原始的稿件肯定是不能给世人看到的,他在10月份的演讲也只会从中截取。

因为他的稿件里会有未来二三十年的所有物理学大事。

任何一个拿出来,都是诺奖级的成果。

普通物理学家一生所求,可能只是稿件里微不足道的一段话。

放在玄幻世界,这妥妥的就是至高神器,真理之书。

看着面前被几个博士生整理的井井有条的论文和作者研究内容,李奇维心生感慨。

他终于走到了这一步。

以至高的视角,梳理物理学史,为后人开辟新的方向和道路。

这应该算是,为往圣继绝学,为万世开太平!

虽然这个时间点,物理学还有很多的理论和现象没有发现。

但是几十年后,李奇维必然还会以崇高的身份,再做一次类似的事情。

物理学史和传统的文明历史不同,没有足够的物理知识,肯定写不出逻辑自洽的故事。

他抛开杂念,开始下笔。

19世纪,是经典物理学最辉煌的时期。

经典物理学由三大理论组成,分别是:牛顿力学理论、麦克斯韦电磁学理论、热力学和统计力学理论。

三大理论,主管了力、光、电、磁、热等物理现象,互相呼应和补充,能解释世间万物运行的规律。

至于其他声、波动等现象,都是这三大理论的组合和延伸而已。

每个理论都有其核心和里程碑时刻。

牛顿力学理论的核心是牛顿三大定律和万有引力定律。

1846年,物理学家通过万有引力定律,成功预测出海王星的存在,并找到了它。

海王星也被称为“笔尖上的行星”。

这是牛顿力学最高光的时刻。

人类仅仅通过一支笔,就计算出天体那样伟大的存在,以孱弱之躯,战胜自然。

牛顿力学也从此被捧上神坛,它权威、神圣、真理。

法国物理学家拉普拉斯,更是大胆,他想象出有一个拉普拉斯兽。

它可以获得宇宙中所有物质的运动状态,并且知道物质之间的相互作用。

那么按照牛顿力学的计算,拉普拉斯兽就可以知道整个宇宙的过去、现在和未来。

这种绝对性、连续性、因果性的宇宙观,就是牛顿力学的哲学观。

这种观念统治着所有人。

在这种思想下成长起来的物理学家,他们都叫经典物理学家。

包括洛伦兹、普朗克,甚至是爱因斯坦。

这也是为什么洛伦兹离相对论只有临门一脚,却始终不敢迈过去,因为相对论违反了绝对性。

普朗克为什么推开了量子论的大门,却不敢再进一步,因为量子论违反了连续性。

而爱因斯坦到死都不愿意承认量子力学的概率解释,因为概率解释违反了因果性。

爱因斯坦作为旧物理与新物理交替时代产生的大佬,他的身上有一种矛盾之美。

他不顾无数人的反对,坚持相对论,却认为量子力学是错的。

当然,这些是后话了。

牛顿力学之后,就是麦克斯韦电磁学。

它的核心是麦克斯韦方程组,高光时刻则是电磁波的发现。

电和磁这两种现象,其实早在牛顿之前,就有很多人研究了。

因为它们太常见了,自然界就存在闪电和磁铁,想不注意这二者都难。

但是直到19世纪初期,物理学家们才发现两者之间的关系。

1819年,丹麦物理学家奥斯特发现,放在通电导线旁边的罗盘竟然发生了偏转。

接着,法国物理学家安培更进一步,他发现两根电流方向不同的通电导线,他们之间竟然会产生吸引力。

而若是通电方向相同,则会产生排斥力。

这说明,通电的导线竟然产生了磁场,所谓的电生磁现象。

后来英国物理学家法拉第,来了一个逆向思维,既然电能生磁,那磁能不能生电呢?

他做了一个实验,把磁铁放在螺旋线圈中,让磁铁上下运动,线圈中果然产生了电流。

这就是电磁感应现象。

于是,物理学家们开始思考,为何电和磁两种看起来完全不相关的现象,却会有这样的联系和作用。

直到麦克斯韦横空出世,发表了麦克斯韦方程组,统一了电和磁。

他证明电和磁,只是电磁这个现象的不同表现形式而已。

并且,麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在,计算出它的速度是c,和当时测量的光速一样。

所以,麦克斯韦认为光就是一种电磁波。

8年后,德国物理学家赫兹真的在实验室发现了电磁波,测量其速度发现和方程计算的结果一样。

至此,麦克斯韦彻底封神,电磁理论完美无缺,和牛顿力学一样。

最后的热力学和统计力学,之所以前面没有冠上名字,是因为它的诞生,是许多物理学家合力的结果。

不像牛顿和麦克斯韦,完全是凭借一己之力硬生生创造一门理论。

热力学和统计力学的核心是三大定律。

其实在1900年之前,热力学三大定律就已经成型了。

虽然第三定律在1906年才被能斯特发表,但那也只是最终的确认过程。

热力学第一定律是能量守恒定律,由焦耳在1850年提出,其核心参数是内能。

如今所有的物理学家都默认这个定律是正确的。

第一定律也证明了第一类永动机(一种能不断自动做功而无须消耗任何能源的机器)是不可能存在的。

热力学第二定律是熵增原理。

在克劳修斯、开尔文勋爵、麦克斯韦、玻尔兹曼等几位大佬的努力下,得到完善。

克劳修斯第一个提出“熵”的概念,麦克斯韦第一个用统计学来描述宏观气体。

那个时期原子都还没有被证明存在,麦克斯韦是假设原子存在,然后用统计学解释了气体的压力和温度等。

大佬确实牛逼,干任何领域都牛逼。

热力学只是麦克斯韦无聊时的研究乐趣而已。

而开尔文勋爵则提出了第二定律的标准说法:不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。

这个定律也彻底否定了第二类永动机的存在。

后来,玻尔兹曼继承了麦克斯韦的思想,他把熵和系统的无序状态联系在一起。

从统计力学的角度,重新用概率定义了热力学第二定律。

这也是为何热力学和统计力学往往是放在一起讲的。

而这种统计力学的思想,也为后面的爱因斯坦提供了灵感。

接下来,就是能斯特发现热力学第三定律,彻底补齐热力学理论。

至此,经典物理学的三大理论全部完成,熠熠生辉,神圣无比,统治物质世界。

自然界的任何现象,都可以用这三大理论解释。

大到天体运动,小到苹果落地;快到电磁波,慢到机械波;热到太阳之力,冷到极寒之力。

三大理论牢不可破,宛如神灵,支配世界。

所以,物理学家们才会膨胀了,认为物理学已经完美了,没啥可研究的了。

这就是开尔文勋爵在1900年4月的那场报告上,所处的时代背景。

他认为目前物理学界只有两朵乌云。

然而在更遥远的地方,其实还有几朵小乌云,只不过当时的物理学家没有在意而已。

如果说经典物理学是牛人辈出,大神同台竞技。

那么现代物理学则是天才宛如流星划过,璀璨至极。

李奇维写到这里,微微一笑,接下来,就是各种颠覆的现象的现代物理学出现了。

第一朵乌云和麦克斯韦电磁学有关,也就是迈克尔逊-莫雷实验。

该实验发现以太不存在,光速不变。

由此引发了李奇维和爱因斯坦合作发表的狭义相对论。

而接下来,将是震惊世界的广义相对论,当然,李奇维现在还没有准备好。

第二朵乌云和热力学有关,即能量均分定理在黑体辐射中遇到了问题。

由此引发了李奇维和普朗克合作发表的量子论。

而未来的玻尔将会把量子概念,应用到原子结构中,提出量子化轨道。

这将是旧量子论的巅峰。

真实历史上,普朗克、爱因斯坦、玻尔,就是旧量子论三巨头。

然而现在,三巨头将会变成了普朗克、李奇维、玻尔。

但即便到那个时候,量子论依然没有蜕变成量子力学。

直到海森堡提出矩阵力学,量子力学才真正成为一门理论,后面不断完善。

这中间发生的故事,涉及到的物理学家比较多。

李奇维慢慢地按照时间顺序,记录下来。

除了上面的两朵乌云,还有几朵小乌云。

第一朵小乌云是光电效应,已经被李奇维提出的光量子解决。

真实历史上,是被爱因斯坦解决,这也是他为何会被称为旧量子论三巨头之一的原因。

因为光量子的概念,就是把光当成了一个个量子。

虽然密立根已经证实了该理论的正确性,但是很多物理学家依然不相信,光会是量子的。

因为他们想象不出来这个图景。

第二朵小乌云是元素的光谱问题,即光谱学。

它是研究电磁波和物质之间的相互作用的一门学科。

早在几百年前,牛顿就已经使用三棱镜分解太阳光,发现了太阳的简易光谱。

后来物理学家们借助更先进的光栅等光学仪器,可以分析一束电磁波的波长分布。

这种各个波长的电磁波排列在面板上的图像就是所谓的光谱。

十九世纪,德国是光学研究的中心,黑体辐射问题也是德国最先提出和展开研究的。

1850年左右,德国物理学家基尔霍夫,发现了元素的放射光谱。

那个时代,人们还不知道原子到底存不存在。

所谓的化学家,能干的事就是称量一下反应前后的重量变化,或者是把元素放在火上烧一烧。

嘿,你别说,这一烧,就烧出个重大成果。

化学家们发现,每种元素在被火焰灼烧时,都会有自己特定的颜色。

比如钾元素是紫色、钠元素是黄色、钙元素是红色。

后世的我们知道这些是焰色反应,是由电子跃迁造成的。

但那时的科学家们可不知道。

后来基尔霍夫知道这个现象后,他很感兴趣。

他制作了一个光谱仪,专门分析这些元素被烧时放射的光谱。

他发现元素的放射光谱都是分开的线条,就像条形码一样,而不是连续的波谱。

接着,他把当时已知的所有元素的放射光谱,全都做实验记录了下来。

以后拿到一团未知的物质,只要放在火上一烧,分析它的光谱,就能知道物质的组成元素。

后来,基尔霍夫宣称他知道了太阳的组成。

这立马在科学界引起了轩然大波,超级震动。

所有人都觉得不可思议,然而当他们了解了基尔霍夫的理论后,发现好像确实能知道太阳的组成了。

因为只要分析太阳的发射光谱就行了。

但是,激动过后,物理学家们就产生了疑问。

元素的发射光谱是如何形成?

为什么这些光谱是分开的线条而不连续?

为什么每种元素的发射光谱不一样呢?

真实历史上,这些问题都会被未来的玻尔解决。

第三朵小乌云是元素周期表的排列问题。

虽然门捷列夫大神,创造了震惊世人的元素周期表,但他是按照原子量的大小排列各种元素的。

比如氢元素的原子量最小,定为1。

其他元素依次按照重量与其比较,不同的原子量就排在不同的位置。

然而随着卢瑟福发现了放射性现象的本质。

人们又发现了很多新的元素,这些元素和某些元素化学性质完全一样,但是原子量却不一样。

那么这些新的元素要放在元素周期的什么位置?

真实历史上,索迪提出同位素的概念后,才完美解决了这个问题。

而索迪的成果,几乎都是在卢瑟福的实验基础上完成的。

可见这个时代,化学家相比物理学家多么卑微。

化学家在世人的眼里就是炼金术士,根本毫无理论可言。

物理学家们随手漏点,都够化学家消化一段时间了。

也难怪说化学的本质是物理。

至于第四朵小乌云,李奇维把“场”放了上来。

电场、磁场等等,此时的物理学家们对于场的概念一点也不陌生。

用它解决问题得心应手。

然而场看不见、摸不着,却又真实存在,就像幽灵一般。

没有人知道场的本质是什么。

后来狄拉克把场和量子力学结合在一起,创造了量子场论,深深影响了后世的物理学。

李奇维写到这里,就停下笔了。

他终于把经典物理学遇到的最主要的问题,梳理完毕。

接下来,就是实验物理学家们发现的更多的问题。

比如伦琴的X射线、居里夫人的放射性、汤姆逊的原子结构研究等等。

这些都是属于现代物理学的内容了。

这也是从1900年到1909年为止,物理学家们主要的研究内容。

再加上相对论和量子论,新旧物理学泾渭分明。

这些新的理论和现象,才算是真正打开物理学的大门,让人类一窥真理的面容。

曾经让所有物理学家引以为傲的经典物理学大厦,开始风雨飘摇。

而新的大厦,刚刚打下地基,还未展现它璀璨的一面。

这是最好的时代,旧神已经陨落,新神还未归位。

这也是最坏的时代,物理学的发展逐渐超越了人类的想象,世界的本质甚至都变得模糊。

哪怕是真神也有被蒙蔽双眼的时候。

李奇维突然豪情万丈。

他作为相对论和量子力学的共同创始人,自然知道未来是多么的精彩。

那一个个激动人心的理论和发现,都将与他脱不开关系。

他要超越众神,成为众神之神!

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