1 以太之谜和迈克耳逊—莫雷实验
从十九世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对传光媒质以太议论不休，其中一个重要问题就是以太和可称量物质(特别是地球)的关系问题。
当时，有两种针锋相对的观点。菲涅耳在1818年认为，地球是由极为多孔的物质组成的，以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率近于 1，因而不能或者只能极其微弱地曳引以太，可以把地球表面的以太看作是静止的。
斯托克斯认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因而是不能容许的。他于1845年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象(由于地球公转，恒星的麦观位置在一年内会发生变化)，因而人们普遍赞同它。
假使静止以太说是正确的，那么由于地球公转速度是每秒三十公里，在地球表面理应存在“以太风”。多年来，人们做了一系列的光学和电学实验(即所谓的“以太漂移”实验)，企图度量地球通过以太的相对运动。但是，由于实验精度的限制，只能度量地球公转速度和光速之比的一阶量，这些一阶实验一律给出否定的结果。
随着麦克斯韦电磁理论的发展，人们了解到，与地球公转速度和光速之比的平方有关的效应，应该能在光学和电学实验中检测到。因为麦克斯韦理论隐含着，光、电现象有一个优越的参照系，这就是以太在其中静止的参照系，以太漂移的二阶效应理应存在。但是这个实验精度要求太高，一时还难以实现。
其实，麦克斯韦早在1867年就指出，在地球上做测量光速的实验，因为光在同一路径往返，地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879年，麦克斯韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划，当时在事务所工作的迈克耳逊采纳了这一建议。
1881年，迈克耳逊正在德国柏林赫尔姆霍兹手下留学。由于在柏林无法完成实验，迈克耳逊把别人为他建造的整个装置运到波茨坦天体物理观测站进行实验。他所期望的位移是干涉条纹的0.1，但实际测得的位移仅仅是0.004～0.005，这只不过相当于实验的误差而己。
显然，否定结果(也称“零结果”)表明，企图检测的以太流是不存在的。迈克耳逊面对事实不得不认为：“静止以太的假设被证明是不正确的，并且可以得到一个必然的结论：该假设是错误的”，“这个结论与迄今被普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾”，“他不能不与斯托克斯1846年在《哲学杂志》发表的论文附加摘要相一致”。
不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881年冬，巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误(估计的效果比实际大了两倍)，洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳逊还是其他人，都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值，对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。
1884年秋，威廉·汤姆逊访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就1881年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于1887年7月在克利夫兰重新进行了实验，此时的迈克耳逊已是克利夫兰城凯思应用科学院的教授了。
为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返八次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实测值还达不到0.01。
迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”
1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望，他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。
迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。
洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐，他在1892年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，……我们就根本不会有一个合适的理论了”。洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克耳逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”
瑞利在1892年的一篇论文中认为：“地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”，并敦促迈克耳逊再做一次实验。威廉·汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。
顺便说说，迈克耳逊的实验工作和爱因斯坦的相对论在历史上并无什么直接联系。但是在1900年前后，他的“以太漂移”实验对洛伦兹等人的电子论却产生了毋庸置疑的影响。尽管学术界对该实验的历史作用仍有不同的看法，但迈克耳逊本人晚年仍念念不忘“可爱的以太”。直到1927年，他在自己最后一本书中谈到相对论己被人们承认时，仍然对新理论疑虑重重。
迈克耳逊—莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说，而静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境，斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”。
他们认为，由于干涉仪的管在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度，这样便补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移，从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进而认为，这种收缩是真实的动力学效应，对于物质来说具有普遍意义。拉摩也十分赞同这一看法，他证明如果物质由电子组成，这种情况便能够发生。
4．2 经典能量均分定理面临困境
反常现象接踵而来，经典的能量均分定理也与气体比热的实验结果发生了尖锐的冲突。1857年，克劳修斯把分子的速度看作是一定的，得出了分子动能与绝对温度成正比的结论。他检查了定压热容量与定容热容量的比值后指出，必须考虑分子的自由度。
麦克斯韦认为，气体分子具有各种各样的速度，他从概率的角度处理了这个问题。他把气体分子看作刚性球，并在1859年证明：处于热平衡状态下的气体，所有分子的每个自由度平均分配KT/2的能量，其中K是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。玻耳兹曼后来又把平均动能相等的定理推广到任何无限大数目的粒子系中去。因此，该定理也被称为麦克斯韦—玻耳兹曼能量均分定理。
能量均分定理能够解释许多现象，对于常温下的固体和单原子气体的比热，它也给出了较为满意的结果。但是对于双原子和多原子气体，实测的定压热容量与定容热容量的比值显著地大于理论计算值。面对这种差异，连统计力学创始人之一的吉布斯也不得不承认：“众所周知，理论要求双原子气体每个分子具有六个自由度，在我们的比热实验中，我们发现自由度不能多于五个。的确，人们正在一个不牢靠的基础上进行建设。”
其实，麦克斯韦和玻耳兹曼也注意到他们的学说与实验事实的不可调和的矛盾。玻耳兹曼建议用分子和周围以太的相互作用来加以解释，但是麦克斯韦却指出，这条道根本走不通，它只会带来更多的麻烦。
在十九世纪的最后十年，威廉·汤姆逊、瑞利、金斯、彭加勒等人都对这个课题进行过细致的分析。瑞利一直是麦克斯韦—玻耳兹曼学说的坚定支持者，他在1900年发表的短文“动能均分定律”中指出，人们面临的基本困难“不仅仅与气体运动论有关，确切地讲，而且也涉及到一般动力学”，它破坏了根据能量均分定律进行“计算的简单性”。
但是，瑞利这位经典观念的维持者却坚持认为：“似乎所希望的东西就是避免破坏关于能量均分这一普遍结论的简单性。”
4．3 物理学上空的“两朵乌云”
在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演。
开耳芬勋爵本名威廉·汤姆逊，是英国杰出的理论和实验物理学家，二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。他在电磁学和热学研究方面取得了显著的成就，一生共发表了约七百篇科学论文。从1858年起，他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。他还为大不列额建立了第一所物理实验室。由于卓著的成就和出色的贡献，他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员，1890年到1895年担任皇家学会会长，1892年被封为开耳芬勋爵。
开耳芬勋爵后来以新世纪初的这次讲演为基础写了一篇文章，补充了从1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)为止的十三个月的工作，扩展了在讲演中阐述的问题。他的秘书安德森帮他绘制了各种精确的几何图形，进行了许多代数和算术运算，核对了大量的个别结果。开耳芬的文章以“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”为题，刊登在了1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。
文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论；它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。”
关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运动时，原子就要排除它们前面空间中的以太——那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。
开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，他不同意托马斯·扬的下述看法：以太在物体分子和原子间通过时，犹如清风吹过树丛一样，并不是完全自由的。
按照菲涅耳的静止以太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。
然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得“实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为，这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓密的。”
开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的可能性。”
他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对，开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途径就是否认这一结论”。
他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二十世纪初就可以使其消失。”
在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视世纪之交物理学革命洪流的冲击。
4．4 山雨欲来风满楼
然而，开耳芬毕竟把物理学的天空看得过于晴朗了。其实，当时物理学的天空上又何止“两朵乌云”！早在开耳芬演讲之前，就已经是“黑云压城城欲摧”，“山雨欲来风满楼”了！物理学早就陷入到严重的危机之中了，物理学革命的急风暴雨在一些领域已经降临了。
事实上，在十九世纪末，黑体辐射、光电效应、原子光谱等实验事实也接二连三地和经典力学和经典物理学的理论发生了尖锐的对立。实际情况比我们所述的还要广泛，还要深刻。
物理学革命可以说是从1895年揭开序幕的。特别是由于放射性的发现和研究，有力地冲击了原子不可分、质量不可变的传统物质观念，动摇了经典力学和经典物理学的基础。新发现一个接一个地写入物理学的编年史，就连那些坚持旧观点的人，也无法反对大量确凿的实验证据，至多只能抱一种走着瞧的态度。
1895年11月8日到12月28日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了具有惊人贯穿能力的X射线。
1896年，法国物理学家贝克勒耳发现铀元素具有放射性。
1897年，英国的J.J汤姆孙和荷兰的塞曼分别测定了阴极射线的荷质比，确证了电子的存在。
1898年，居里夫妇(皮埃尔·居里，玛丽·居里—斯克罗多夫斯卡)又发现了放射性极强的新元素钋和镭。
1899年，卢瑟福把注意力转向辐射本性的研究，他和索迪于1902年提出了元素蜕变说。居里又于1903年测定了镭的热效应。
X射线的发现和放射性的研究摇撼了十九世纪的一些传统科学观念，引起了极大的轰动。当时各种报纸和科学杂志都充满着报道这方面内容的大字标题。
彭加勒曾把镭誉为“当代伟大的革命家”；克鲁克斯中肯地评论道：“十分之几克镭就破坏了化学中的原子论，革新了物理学的基础，复活了炼金术士的观念，给某些趾高气扬的化学家以沉重的打击。”；密立根的激动心情也可以从他1904年初写的两篇通俗文章中略见一斑：“古代炼金术家的梦想是真的，对放射性元素来说，全部都缓慢而自发地嬗变为别的元素。”
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