为什么现代物理学离不开量子论和相对论

十九世纪末，经典物理学的各种理论已相当完备，当时的许多物理学家普遍有一种发展到顶的思想。英国著名物理学家开耳芬的一句话很有代表性，他说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零星的修补工作就行了。”不过，开耳芬还算是有眼力的，他又指出：“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的小小乌云。”这“两朵乌云”是指当时两个无法用经典物理学理论来解释的实验:一个是热辐射实验，另一个是迈克耳孙一莫雷实验。正是这两朵小小的乌云，不久就给经典物理学带来了一场革命的风暴。在这两个实验及其他一些实验的土壤里孕育出来的“量子论”和“相对论”，为现代物理学奠定了基础。

被加热的物体开始发出红光，随着温度上升，光亮度也増加，光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种现象叫热辐射。由于光的颜色随温度的变化而有规律地变化，所以有经验的炼钢工人能凭钢水的颜色来判断钢水的温度。为了从理论上总结热辐射规律，十九世纪中，物理学家们导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面就是在短波方面与实验结果不符合。物理学家们为此伤透了脑筋。1900年，德国物理学家普朗克导出了一个和实验结果完全一致的公式，但他必须假设发光的原子在辐射能量时，不是连续地而是一点一点地放出去的。辐射能量是一个最小单位的整数倍，这个能量的最小单位叫做能量量子。能量分化为量子的现象叫能量的量子化。这种量子化现象在由分子、原子、基本粒子组成的微观世界中是普遍存在的。例如，自然界一切带电物体所带电量也存在一个最小单位，这就是电子电荷物体所带电量都是e的整数倍。量子概念的建立，为研究微观世界的运动规律提供了重要的理论武器。

经典物理学所遇到的另一个困难就是如何解释迈克耳孙一莫雷实验的结果。进行这项实验是为了证实“以太”的存在。在之前，人们已经知道光可以通过宇宙空间的真空进行传播。然而，按照经典物理学的观点，任何一种波动的传播都需要有一种媒介物，比如声波能传播主要依靠空气，月球上没有空气，因此人们讲话就听不见。为了解释光的传播，物理学家们不得不假设，在宇宙空间中到处存在一种比空气还轻得多，却又比钢还坚硬的“以太”。1887年，美国物理学家迈克耳孙和化学家莫雷合作，以足够的精确度进行了一次光学实验，企图证实以太的存在。但是，实验结果却使物理学家们感到左右为难，他们要么放弃“以太说”，否则就得否定比这更重要的哥白尼的“地动说”。本世纪初，伟大的现代物理学家爱因斯坦找到了摆脱困境的出路。他在总结实验和前人工作的基础上，建立和发展了相对论，并指出经典物理的理论不适用于以接近光速高速运动的情况。在研究高速运动的规律时，必须从新的观念出发，采用相对论来加以说明。

现代物理学经常打交道的对象一个是“小”，一个是“快”。因此，我们若想跨进原子能、半导体、激光、超导等在现代物理的土壤中生长起来的新兴科学技术领域，就非得学习量子论和相对论不可。而热辐射实验和迈克耳孙一莫雷实验，恰好暴露出经典物理学的理论不适用于微观世界和高速运动的情况。不过，少年朋友们千万不要以为量子论和相对论与经典物理学是水火不相容的。若用量子论和相对论去研究质量很大或速度很慢的对象，它们得出的结论和经典物理学得到的结果完全一样。因此，量子论和相对论包括了经典物理学的相应理论，而后者则是前者在宏观和低速情况下的近似。