本集教育電台「微型點子對撞機」,邀請中原大學物理系暨中原大學高能研究中心主任高崇文教授,以物理研究剖析物理史,以科學角度講述在新舊物理領域更迭革命之際,一場於1927年所舉辦「索爾維會議」的故事。
19世紀末期,對於當時的科學家來說,物理學發展到了一個前所未見的理想情境,幾乎一切自然界的物理現象,都找到了對應的解釋,令人滿意的回答。例如從1687年,物理學家牛頓提出經典力學之後,力學的發展已經可以解決我們一切看到的力學、或是運動的現象。馬克斯威的電磁統一理論與馬克斯威方程式,也都能漂亮地分析各種電磁現象,並用來理解波的特性。而熱力學與統計力學的發展,更讓人們理解熱對於大尺度物質運動的規律,和小尺度物質統計上的規律,都有著合理且準確的說明。
許多學者形容物理就像是一座已經完工的宏偉的大廈,以經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學為支柱。一切解釋世界運行法則的理論皆已齊備。對於後繼者的工作來說,純理論的物理研究,在一個已接近完美的體系中,已經很難有所作為,剩下的工作,不過就只是在已知的規律中,將各類自然常數更加精確地測量罷了。
19世紀的最後一天,英國物理學家克耳文男爵威廉·湯姆森,在新年祝詞時展望20世紀物理學的發展,他說:動力學理論斷言,熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽,顯得黯然失色了。
第一朵烏雲出現在光的波動理論。今天我們已經知道光的傳遞不需要介質,光可以在真空中傳遞。但是當時人們仍認為光需要透過「以太」來傳遞。但是邁克生-莫雷實驗,卻發現在同一個介質中的光速都是恆定的,如同汽車大都所照出來的光,不管是在靜止狀態還是在高速行進時,光速都是一樣的。這很有可能代表既有的動力理論,並不能解釋光速恆定的現象。
第二朵烏雲則出現在熱力學之中的能量均分定理上。能量均分定理的初始概念是熱平衡時能量被等量分到各種形式的運動中;例如,一個分子在平移運動時的平均動能應等於其做旋轉運動時的平均動能。但到了19世紀末關於黑體輻射的研究時,卻發現根據這個定理,我們會讓黑體輻射在頻率高於紫外光的波段,卻放出無窮大的能量,完全不符合實驗上的結果。
這兩朵經典物理世界的烏雲,在20世紀初期開展了相對論、量子力學等近代物理的研究。而讓物理理論的更迭持續至今。回顧20世紀初期時的索爾維會議,我們可以看到在近代物理誕生之際,全世界最優異的科學家是如何爭辯商議新穎理論的對錯真偽。在當時針對量子力學等的新理論問世的討論,在90年後的今日,仍持續催生著下一代科技如量子電腦等的發展。