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第一朵乌云就是很难理解地球如何在以太中运动。19世纪初期的科学家认为以太存在于固体中的原子之间。它就像“吹过树林的风”一样“吹过”原子。但麦克斯韦认为以太一定更类似于液体或者固体，而且以太能对通过其中的物体施加力的作用。这意味着地球相对以太的运动是可以探测到的。不过汤姆逊接着又说，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）最近进行了一个“绝妙的实验”，排除了上述可能。该实验在设计和实施上都无懈可击。此时，乔治·菲兹杰拉德（George Fitzgerald）和亨得里克·洛仑兹（Hendrik Lorentz）独立提出了一个解决方案：如果将在以太中运动的物体运动方向上的维度稍作变化，科学家们就可以保住“以太”，而且只要一亿分之一的变化量（地球绕太阳的运行速度与光速之比的平方）就够了。汤姆逊虽然认为这种想法“非常聪明”，但同时也难免有怪诞之嫌。他得出结论：“恐怕我们依旧得认为第一朵乌云的密度是很大的。”
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第二朵乌云与“能量等分定理”有关。该定理由麦克斯韦和玻耳兹曼提出。根据该定理，分子中的能量均匀分配在各条可能的路径上。它解释了人们熟知的固体在高温下的热容量定律问题，但却与固体、气体和金属在低温下的实验结果存在严重的矛盾。此时热力学已经取得了极大的成功，所以当时的科学家对这种矛盾非常困惑，想要找到一个解释。汤姆逊承认自己对此无能无力。他引用了英国物理学家瑞利爵士的一句大胆的话：我在等待能把我们从能量均分定理的“破坏性的简单性中解放出来”的新原理出现。汤姆逊在报告的结论中称：第二朵乌云“在19世纪的最后25年中，遮蔽了光热分子理论的光辉”，如果有朝一日果真有新原理出现，第二朵乌云就会散去。
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汤姆逊不会知道，正是19世纪的这两朵乌云，不久之后演变成了20世纪的飓风，也就是“相对论”和“量子力学”。
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其他版本的热力学第二定律戏剧在细节和广度、角色的数量和大小上与本书的这一版本可能会有不同。但我要说的是，这部剧是莎士比亚式的。剧中的演员都是伟大的人物，他们倾其身心，对科学研究满怀执着。他们对实验结果和实验预期的偏差感到苦恼和困惑，要进一步进行研究，来更好地了解世界。这种苦恼和困惑有时是深刻的、悲剧式的，而剧中的每一幕都以此开场。试想一下，世上的剧中，还有哪一部能有如此独一无二、精巧刻画的人物？还有哪一部对人类和世界产生的影响能比它更深远？
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茶歇 不可能的科学
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科学上的每一次进步都是要付出代价的。人类在智力上所取得的每一个新的成就都意味着对旧有观点和概念的抛弃。因此，这么说来，科学家们所自恃的对自然的“理解”将随着知识的增加而不断减少。
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——海森堡
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科学上的许多定理都是如下的形式：“如果这么做，结果就会如何如何。”牛顿第二定律就是一个例子。它说的是某个物体的加速度与所受力的大小成正比。诸如此类的原理表明某些效应实际上是有可能发生的。然而，有一小部分却是属于另一类，这类原理说的是“哪些是不可能发生的”。这些原理表明某些效应在物理上是不可能的。
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关于后者，众所周知的例子就是热力学第一和第二定律，其他的例子还有海森堡的不确定性原理和相对论。相对论的基本思想是认为绝对速度是不可能的，以及任何物体的速度都不可能超过光速。这些原理所代表的并不是“新物理学”，而是根据其他原理得出的推断性结论。这些原理的不同之处在于它们的形式。而这种形式（断言某物在物理上是不可能的）促使科学家们去突破。
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不可能科学有好几个名字。一个是“忘了它”科学，另一个是“没门”科学。半个世纪以前，数学家和科学史学家埃德蒙·惠特克（Edmund Whittaker）爵士提出了“无效假设”，断言“有些事情是无法实现的，哪怕可能实现的道路有千万条也无济于事”。
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惠特克写道：“无效假设并不是某个实验，也不是有限个实验的直接结果。它不提测量、数值关系或者解析方程，只是断言一个结论，即某件事，不管怎样努力地去做，都是注定要失败的。”
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无效假设既不像人们从经验中发现的实验事实，也不像先验的、按定义正确无疑的数学描述。惠特克接着说：但是这些假设是科学的基础。他说：热力学就可以认为是从无效假设中得出的一组推论，即能量和熵的守恒。他接着说：在遥远的将来，科学上的各个分支完全可能像欧几里得的《几何原本》那样，以合理的不可能做到的假设呈现出来。
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然而，“没门”科学之所以重要还有另一层的原因：它强烈吸引着持相反意见者。我所说的“持相反意见者”不是那些白费心思，想要造出永动机，来推翻热力学第二定律的那些傻子愣子。我指的是发现“没门科学”的漏洞，对它提出挑战的具有严肃认真态度的科学家。正是在寻找这些漏洞的过程中，他们阐明了科学领域的基础。
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持相反意见的科学家不仅在科学发现上，而且在不确定性原理等科学原理的解释上也发挥了作用。1926年，海森堡正推广他的新矩阵力学（完全以正规方式研究原子物理），宣称物理学家必须要摒弃在原子内部电子上观察到宏观属性（位置、动量、时间和空间等）的幻想。帕斯卡·约尔当（Pascal Jordan）就担当了持有相反意见的角色。他提出了一个假想实验，来反驳海森堡的论点。约尔当说，假定可以将显微镜的温度降低到绝对零度，那么就可以测量到原子和原子内的组成部分的准确位置和动量。海森堡似乎受此启发，开始考虑观察设备与观察到的现象之间的相互作用。以此为契机，不久后海森堡就提出了不确定性原理。在这里，约尔当，这位意见不同者，强迫海森堡从操作上而不是从哲学上来思考问题，并最终使海森堡澄清了观察结果中涉及的物理学原理。
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此后，爱因斯坦也担当过意见不同者的角色，颇为引人注目。他反对的对象是玻尔。爱因斯坦的目的是想出可以准确测定出粒子的位置和动量的巧妙办法。他的尝试虽然失败了，可是由此所引发的讨论却极大地促进了物理学家对量子力学的本质和意义的理解。
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物理学上另一个著名的意见不同者是麦克斯韦。他提出了一个假想实验，在密闭的盒子内，设置一个小妖，来控制盒子内的一扇小门。通过门的开关，这个小妖就可以将盒子一侧速度较快的分子移动到另一侧，从而使热量定向流动，违反热力学第二定律。对这个假想实验进行的讨论帮助人们澄清了热力学当时的概念之谜。
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海森堡说，科学上的每一次进步，都意味着科学家们降低了对自然的“理解”主张。这番话自然有夸大之嫌。当然，科学的进步更多地是提出更加细致、复杂的概念，来替换、包含已有的简单概念。但是，这些更加细致和复杂的概念常常是由那些对于需要付出海森堡所提到的那种牺牲这一事实不满意的人提出的。
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诚然，不满足感是科学的强大推动力量，它可能以多种方式出现。“不可能科学”导致少数特殊的不满足感的出现。它常常与人们的希望和梦想发生碰撞：关于无限能量、超光速旅行和单一实体（物体总是固定在特定的位置上）。似乎人天生就会有这样的希望，并回避使他们的希望破灭的科学。其实，不可能科学令人感到不满足是不足为奇的。最终从中受益的是科学。
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［1］英尺磅为功的单位，1英尺磅＝1.355牛顿米。——译者注
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［2］麦克斯韦给瑞利爵士的信，1870年，麦克斯韦，《麦克斯韦的科学信件和论文》（The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell），第2卷：1862—1873年（剑桥：剑桥大学出版社，1995），第583页。
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［3］威廉·维恩，“黑体辐射与热力学第二定律的新关系”（A New Relationship Between the Radiation from a Black Body and the Second Law of Thermodynamics），载于《普鲁士科学院学报》（Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin），1893年，第55～62页，第62段。
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［4］马克思·普朗克，“论维恩辐射定律的改进”（On the Improvement of Wien’s Law of Radiation），Verhandl. Dtsch. Phys. Ges. 2（1900），第202页。
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［5］开尔文，“在热和光动力理论上空的19世纪乌云”（Nineteenth Century Clouds over the Dynamic Theory of Heat and Light），载于《巴尔的摩报告——分子动力学和光波动论》（Baltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light），（伦敦：剑桥大学出版社，1904年）。第486～527页。
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