以太论

以太是一个历史上的名词,它的涵义也随着历史的发展而发展。在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。“以太”是经典力学中曾经占统治地位几百年的一个观点和基石,后来被证明其存在的实验的反向结论而被戏剧性地否定。

在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。

17世纪时,对科学发展有重大影响的哲学家笛卡儿,把以太引入科学,并赋于他力学性质,认为物体之间的所有作用力都是通过中间媒介以太传播的。光波是胡克提出的,惠更斯加以发展,但惠更斯却认为光波的媒介是以太,还认为引力也是以太传播的。牛顿也认为引力甚至电、磁力是在以太中传播的。

18世纪是以太的没落时期,由于法国的笛卡儿主义者为反对超距作用而否定引力与距离平方成反比的牛顿引力定律,这遭到牛顿追随者的强烈反对,而且天体力学也证明了引力和距离平方成反比,而且静电、静磁的引力也与距离平方成反比,光的波动说和电磁以太的概念被抛弃了。

19世纪,以太首先从光学上获得了复兴和发展。杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在1817发表光波为横波的新观点,解决了光的波动说长期不能解决的解释光的偏振现象的困难。菲涅耳又用波动说解释了光的衍射现象,提出了惠更斯-菲涅耳原理,并用其计算出衍射图样,并能解释光的直线传播。还进一步解释了光的双折射。1823光波是横波和以太论推出反射光和折射光振幅的著名公式。这使以太又复兴了。光的波动说也在物理学中超过了粒子说。当时也发现以太论有不少疑点。首先,若光波是横波,则以太应是有弹性的固体媒质,为何本体运动没有阻力呢?另外,弹性媒质中除横波外,一般还应有纵波,但实验却表明没有纵波。再如,由于对不同光频率的折射率的值也不同,于是曳引系对于不同的频率也不同,这每种频率的光必须有自己的以太等。这些疑点基本上被法拉第、麦克斯韦和洛伦兹在电磁学中解决了。法拉第认为,作用是逐步传给对方的,他引入力线来描述电磁作用。他本来认为力线是现实存在的,充满空间,光和热可能是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太并认为原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。但他又无法全面否定以太,所以1851年又写道:“如果接受以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”

19世纪60年代前期,麦克斯韦提出以太中的位移电流概念,并给出一组描述电磁场的麦克斯韦方程,并从中推出电磁场的扰动以波的形式在真空中速度为31×108米/秒。这刚好相当于当时测定的真空中光速315×108米/秒。他提出了:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动。”1888年,赫兹用实验证明了电磁波的存在,这样电磁理论成功地解释了光波的性质,电磁以太和光以太也因此统一起来了。

19世纪90年代,洛伦兹把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应,物质中的以太在密度和弹性上同真空中的以太并无区别,而且物体运动时并不带动其中的以太运动。他又认为物体中的电子随物体运动时,要受到电磁场的作用力而出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中电磁波速度不同。基于上述认识他给出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,解决了不同频率的光必须有不同以太的困难。这样当时以太遇到的三大困难全被解决了。但以太论又遇到新的困难:(1)在洛伦兹的理论中,以太除了荷载电磁振动以外,已不存在任何其他的运动和变化。(2)以太是绝对参考系观点被19世纪80年代迈克耳逊等没有测到地球相对以太在运动的结论否定了。这使相对论原理被普遍接受和推广。(3)现在知道麦克斯韦的位移电流是真实的电流并不对,它只有其中的一部分极化电流是真实的,这正是法拉第在1838年提出的绝缘物质放在磁场中的电荷位移。

直到20世纪初还有很多物理学家想拯救以太论,但在狭义相对论确立以后,它终于被物理界所抛弃。人们认为法拉第、麦克斯韦、洛伦兹的电磁场论本身就是物质存在的一种形式,场可以在真空中以波的形式传播,完全不需借助于以太。这样场论代替了以太论。

量子力学的建立进一步否定了以太论,因人们发现,微观世界中的粒子如原子、电子、质子、中子、光子等都有波、粒二重性,波动性是物质运动的基本属性,把波动理解为必须在某种媒介物质中的力学振动的观点是狭隘的,也是错误的。以太论虽然被否定了,但它必竞对物理学发展发挥了举足轻重的促进作用。

以太

以太(Ether)(或译乙太;英语:ether或aether)是古希腊哲学家所设想的一种物质,是一种被假想的电磁波的传播媒质,被认为无所不在。

在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。

在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。

后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的,并为惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初),人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物,如空气就是声波的荷载物。

由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。

牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。

18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系,因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。

随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及探寻以太得试验并未获得实际结果,使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观点在电学中也占了主导地位。

19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托马斯杨和菲涅耳工作的结果。杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在实验的启示下,于1817年提出光波为横波的新观点,解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。科学家们逐步发现光是一种波,而生活中的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于水等)。受传统力学思想影响,于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。

以太的假设事实上代表了传统的观点:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。

然而根据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的。

其中ε0是真空介电常数,μ0 是真空磁导率。

这个“绝对静止系”就是「以太系」。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是"以太系"的光速,与这个观察者在"以太系"上的速度之矢量和。

以太无所不在,没有质量,绝对静止。按照当时的猜想,以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中,由于地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为c+v,最小为c-v。如果太阳在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。

菲涅耳用被动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳又进一步解释了光的双折射,获得很大成功。

1823年,他根据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提出的:透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果。

菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年他为了解释阿拉果关于星光折射行为的实验,在杨的想法基础上提出:透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)。利用菲涅耳的理论,很容易就能得到运动物体内光的速度。

19世纪中期,曾进行了一些实验,以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度,但都得出否定的结果。这些实验结果可从菲涅耳理论得到解释,根据菲涅耳运动媒质中的光速公式,当实验精度只达到一定的量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来,而当时的实验都未达到此精度。

在杨和菲涅耳的工作之后,光的波动说就在物理学中确立了它的地位。随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献。

在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引入了力线来描述磁作用和电作用。在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和热可能就是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太,并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写道:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。

到19世纪60年代前期,麦克斯韦提出位移电流的概念,并在提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里,这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里在实验误差范围内是一致的。

麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来,赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来。

麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度比做以太的速度。后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。

他认为,以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象。

关于电场同位移有某种对应,并不是完全新的想法,汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外,法拉第在更早就提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于,他认为不论有无绝缘物质存在,只要有电场就有以太电荷粒子的位移,位移的大小与电场强度成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时,将形成电流,这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说,位移电流是真实的电流,而现在我们知道,只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流。

在这一时期还曾建立了其他一些以太模型,不过以太论也遇到一些问题。首先,若光波为横波,则以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运行其中会不受阻力呢?有人提出了一种解释:以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体。

另外,弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波,以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。

为了适应光学的需要,人们对以太假设一些非常的属性,如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有,由于对不同的光频率,折射率也不同,于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样,每种频率的光将不得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力。

1881年-1884年,阿尔伯特迈克尔逊和爱德华莫雷为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。实验结果显示,不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理,即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值,与参照系的相对速度无关,以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。

以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固,深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式,但无法抛弃以太的观点。

19世纪90年代,洛伦兹提出了新的概念,他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应。至于物质中的以太,则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动。但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力,以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。

在考虑了上述效应后,洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动,可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论,它获得了很大成功。

19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化,这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它已失去所有其他具体生动的物理性质,这就又为它的衰落创造了条件。

如上所述,为了测出地球相对以太参照系的运动,实验精度必须达到很高的量级。到19世纪80年代,麦克尔逊和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度,但得到的结果仍然是否定的,即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果,于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域。

在19世纪末和20世纪初,虽然还进行了一些努力来拯救以太,但在狭义相对论确立以后,它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播。

量子力学的建立更加强了这种观点,因为人们发现,物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面,那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破。

然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后,人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空,那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。

今天,理论物理学家进一步发现,真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态,它是简并的,实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏,就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。

但爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说,认为光速不变是基本的原理,并以此为出发点之一创立了狭义相对论。虽然后来的事实证明确实不存在以太,不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹,如以太网等。

这样看来,机械的以太论虽然死亡了,但以太概念的某些精神(不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着,并具有旺盛的生命力。

1.古希腊哲学家首先设想出来的一种媒质。十七世纪后,物理学家为解释光的传播以及电磁和引力相互作用而又重新提出。当时认为光是一种机械的弹性波,但由于它可以通过真空传播,因此必须假设存在一种尚未为实验发现的以太作为传播光的媒质。这种媒质是无所不在的,没有质量的,而且是“绝对静止”的,电磁和引力作用则是它的特殊机械作用。以太这一概念到十九世纪曾为人们所普遍接受,但科学家始终无法通过实验来证明它的存在。到了二十世纪初,随着相对论的建立和对场的进一步研究,确定光的传播和一切相互作用的传递都通过各种场,而不是通过机械媒质,以太才作为一个陈旧的概念而被抛弃。

2.近代康有为、谭嗣同、孙中山等使用的哲学名词,是物理学名词的借用。 康有为在《孟子微》中把以太与“仁”、“不忍人之心”等道德观念等同起来。 谭嗣同在《仁学》、《以太说》中既把以太说成宇宙间无所不在的无色、无声、无臭的物质, 但同时又作了种种精神性的解释,把孔子的“仁”、“元”、“性”,墨家的“兼爱”,佛家的“慈悲”,基督的“灵魂”等,都看作是以太的作用。 孙中山则在《孙文学说》中把以太看作物质世界的本源,认为它“动而生电子,电子凝而成元素,元素合而成物质,物质聚而成地球”,并不具有精神性质。

虽然我们可以看到光,但是却从来没有人能直接看到以太,而只能用间接的方法来确定。当然,即使是间接的方法,只要能用观测仪器确实测定,仍然可以视为以太存在的证据。

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