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！