｜几块小乌云｜
英国著名物理学家之一开尔文爵士在1900年发表了一段经常被引用的谈话，在谈话中他指出，在现代科学本应晴朗的天空里，现在只有几块“小乌云”了。开尔文所指的“小乌云”中，有两块比较重要，分别是迈克尔逊-莫雷实验结果和对黑体辐射理解上的某些问题。下面我们将对这两个问题分别进行讨论，同时还会对在1900年左右时仍有问题的某些其他领域进行简要探讨。
事实上，对迈克尔逊-莫雷实验结果的理解有赖于爱因斯坦相对论的确立，而对与黑体辐射相关命题的理解，以及对下面要讨论的其他命题的理解，都有赖于量子理论的创立。这些理论是现代物理学最重要的两个分支，两者都对牛顿科学和牛顿世界观的某些方面产生了举足轻重的影响。考虑到以上几点，开尔文所说的小乌云实际上一点都不小。在本章剩余的篇幅中，我们将简要了解迈克尔逊-莫雷实验、与黑体辐射相关的命题，以及其他看起来无足轻重的命题。在后续的章节中，我们将探讨相对论和量子理论，以及这些理论对牛顿世界观的影响。
迈克尔逊-莫雷实验
迈克尔逊-莫雷实验涉及光速和光传播的方式。阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）和爱德华·莫雷（1838—1923）进行了大量有关这些命题的实验，最重要的几个发生于19世纪80年代末期。一些背景信息将有所帮助。
思考一下水波的运动。波是介质之间机械干涉的结果，而正是通过这种介质，波才得以运动，这种介质就是水。当然，在没有基础介质也就是没有水的情况下，就不可能有水波的运动。
声波与此相似。声波也是介质之间机械干涉的结果，也是通过介质才可以传播。空气是典型的介质，尽管声波也可以通过其他多种介质进行传播。同样地，基础介质对声波传播也是必需的，没有基础介质，也就没有波。
总的来说，为了与整体牛顿科学体系保持一致，任何波的运动都被认为是需要某种基础介质的机械干涉。由于我们有很好的理由来认为光是波，所以，在牛顿科学体系内，光的传播就需要依赖于某种基础介质。下面这段话摘自德沙内尔所著的《自然哲学》，对光的传播进行了精准总结。这本书在19世纪80年代末期是物理学的标准教科书。（在“科学”这个单词成为标准之前，“自然哲学”就用来指代我们所说的科学。顺带提一下，德沙内尔的书出版于迈克尔逊-莫雷实验之前，后来，这个实验给书中牛顿科学体系内关于光传播的观点带来了大量问题。）
跟声音一样，光被认为是来源于震动的；但是，跟声音一样，它也不需要空气或其他有形物质的存在来使其震动从源头传播到周边。……似乎需要假设存在一种远比普通物质更为稀薄的介质……【这种介质】可以用远远超过声速的速度来传播震动。……这种假设存在的介质被称为“以太”。（德沙内尔，1885，p.947）
“以太”（ether）这个名字源于过去的“以太”概念，也就是在亚里士多德世界观里被认为可以在月上区域中找到的元素以太。然而，除了名字，亚里士多德世界观里的以太和被当作是光传播所需基础介质的以太并没有什么相似点。
请注意，这个关于光传播的观点是如何与牛顿科学体系内机械论的宇宙拼合在一起的。与声波和水波等现象一样，光传播被认为需要某个基础介质的机械干涉。迈克尔逊-莫雷实验的目的是找出更多直接证据来证明以太的存在。实验的核心设想是，从一个点发射出两道光，夹角为90度，随后（通过镜子反射）使两道光从两个方向反射回来。如果光通过以太这样的介质来传播，那么由于地球很有可能像船在水面上划过那样在介质以太中运动，预计将看到的两道光反射回来时有微小的时间差。举个与这个实验核心想法相似的例子，假设让两个人从运动着的船上出发去游泳。思考一下图22-1所展示的关于船和游泳者的类比。假设三条船都以同样的速度在水中运动，船B1与船B3之间的距离和船B2与船B3之间的距离相等。其中一人（也就是图中的S1）的任务是游到位于图示上方的船B1，然后回到他最初出发的船上（也就是B3）。由于船在水中运动，因此这个人需要以一定的角度游向船B1，然后同样以一定的角度游回船B3。另一个人（图中的S2）的任务是追上位于他出发的船B3前面的船B2，然后回到船B3。
图22-1 船和游泳者的类比
相对于最初的船B3，两个人往返的距离相等。但是，请注意，相对于两个人所游过的介质（也就是水），两人游过的距离就不相等了。具体来说，相对于水，S1游过的距离比S2稍微短一些。（如果你感兴趣，可以运用勾股定理和一些代数算法算出每个人所游的确切距离。）由于相对于他们运动所在的介质，两个人游过的距离不同，因此他们将在不同时间点回到最初的船上，如图22-2所示。
图22-2 在不同时间点返回的人
迈克尔逊-莫雷实验的核心想法完全可以与这个船和游泳者的例子进行类比。在实验中，迈克尔逊和莫雷从一个定点发射出两道光，这个定点就相当于类比中两个人出发的船B3。两道光发出时夹角为直角，而这两道光就相当于类比中的两个人S1和S2。两道光分别通过与光源距离相等的两面镜子反射回来，这两面镜子就相当于船B1和船B2。
如果牛顿科学体系内关于光传播的机械论观点是正确的，也就是光通过介质以太来传播，那么光源和镜子应该在以太中运动。这是因为光源和镜子本身在地球上，而地球在围绕太阳运转的时候就将在以太中运动。那么，以太就相当于船与游泳者类比中的水。尽管相对于光源，两道光传播的距离相等，但是由于光源和镜子同时在以太中运动，那么对于以太，两道光传播的距离将是不相等的（造成这种情况的确切原因，与两个人相对于其所在介质游过的距离不同是一样的）。因此，我们预计可以看到两道光回到光源处时有微小的时间差。
然而，与大家所预期的相反，两道光总是在相同时间点回到光源处。这个结果非常出人意料，在这种情况下，应该反复进行这个实验，不断验证。事实也正是如此。但是每次实验结果都相同，也就是两道光总是同时回到光源处。
请注意，这一点符合第4章讨论过的不证实推理模式：如果牛顿科学体系内关于光传播的机械论描述是正确的，那么光应该在不同的时间点回到光源处。然而，它们并非如此，所以，一定是哪里有问题。
由于牛顿科学体系非常成功，因此科学家如果因为这个实验结果而放弃牛顿科学体系内的观点，将是非常不明智的。但是，一定有哪里不太对，正如开尔文爵士提到过的，迈克尔逊-莫雷实验的结果似乎是本应晴朗的天空中为数不多的几块乌云之一。后来证明，这些有关光的命题根本不是小问题，事实上，到了爱因斯坦相对论问世，这些问题才最终得以解决。后面我们将看到，相对论本身对我们通常关于宇宙的观点将会有某些有趣的影响。我们将会在下一章对此进行研究，在那之前，我们先简要讨论一下其他几块看起来无足轻重的小乌云。
