以太

以太是一個歷史上的名詞，它的涵義也隨著歷史的發(fā)展而發(fā)展。

　　在古希臘，以太指的是青天或上層大氣。在宇宙學(xué)中，有時又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。17世紀(jì)的笛卡兒是一個對科學(xué)思想的發(fā)展有重大影響的哲學(xué)家，他最先將以太引入科學(xué)，并賦予它某種力學(xué)性質(zhì)。

　　在笛卡兒看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質(zhì)來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質(zhì)所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球?qū)Τ毕�的作用力�?/FONT>

　　后來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學(xué)說相聯(lián)系。光的波動說是由胡克首先提出的，并為惠更斯所進(jìn)一步發(fā)展。在相當(dāng)長的時期內(nèi)(直到20世紀(jì)初)，人們對波的理解只局限于某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動。這種媒介物質(zhì)就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。

　　由于光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質(zhì)(以太)應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來說明引力的現(xiàn)象。

　　牛頓雖然不同意胡克的光波動學(xué)說，但他也像笛卡兒一樣反對超距作用，并承認(rèn)以太的存在。在他看來，以太不一定是單一的物質(zhì)，因而能傳遞各種作用，如產(chǎn)生電、磁和引力等不同的現(xiàn)象。牛頓也認(rèn)為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因?yàn)楫?dāng)時光的波動學(xué)說還不能解釋光的偏振現(xiàn)象，也不能解釋光為什么會直線傳播。

　　18世紀(jì)是以太論沒落的時期。由于法國笛卡兒主義者拒絕引力的平方反比定律，而使牛頓的追隨者起來反對笛卡兒哲學(xué)體系，因而連同他倡導(dǎo)的以太論也一同進(jìn)入了反對之列。

　　隨著引力的平方反比定律在天體力學(xué)方面的成功，以及探尋以太得試驗(yàn)并未獲得實(shí)際結(jié)果，使得超距作用觀點(diǎn)得以流行。光的波動說也被放棄了，微粒說得到廣泛的承認(rèn)。到18世紀(jì)后期，證實(shí)了電荷之間(以及磁極之間)的作用力同樣是與距離平方成反比。于是電磁以太的概念亦被拋棄，超距作用的觀點(diǎn)在電學(xué)中也占了主導(dǎo)地位。

　　19世紀(jì)，以太論獲得復(fù)興和發(fā)展，這首先還是從光學(xué)開始的，主要是托馬斯·楊和菲涅耳工作的結(jié)果。楊用光波的干涉解釋了牛頓環(huán)，并在實(shí)驗(yàn)的啟示下，于1817年提出光波為橫波的新觀點(diǎn)，解決了波動說長期不能解釋光的偏振現(xiàn)象的困難。

　　菲涅耳用被動說成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象，他提出的理論方法(現(xiàn)常稱為惠更斯-菲涅耳原理)能正確地計(jì)算出衍射圖樣，并能解釋光的直線傳播現(xiàn)象。菲涅耳又進(jìn)一步解釋了光的雙折射，獲得很大成功。

　　1823年，他根據(jù)楊的光波為橫波的學(xué)說，和他自己在1818年提出的：透明物質(zhì)中以太密度與其折射率二次方成正比的假定，在一定的邊界條件下，推出關(guān)于反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地說明了布儒斯特?cái)?shù)年前從實(shí)驗(yàn)上測得的結(jié)果。

　　菲涅耳關(guān)于以太的一個重要理論工作是導(dǎo)出光在相對于以太參照系運(yùn)動的透明物體中的速度公式。1818年他為了解釋阿拉果關(guān)于星光折射行為的實(shí)驗(yàn)，在楊的想法基礎(chǔ)上提出：透明物質(zhì)中以太的密度與該物質(zhì)的折射率二次方成正比，他還假定當(dāng)一個物體相對以太參照系運(yùn)動時，其內(nèi)部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動(以太部分曳引假說)。利用菲涅耳的理論，很容易就能得到運(yùn)動物體內(nèi)光的速度。

　　19世紀(jì)中期，曾進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，以求顯示地球相對以太參照系運(yùn)動所引起的效應(yīng)，并由此測定地球相對以太參照系的速度，但都得出否定的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可從菲涅耳理論得到解釋，根據(jù)菲涅耳運(yùn)動媒質(zhì)中的光速公式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)精度只達(dá)到一定的量級時，地球相對以太參照系的速度在這些實(shí)驗(yàn)中不會表現(xiàn)出來，而當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)都未達(dá)到此精度。

　　在楊和菲涅耳的工作之后，光的波動說就在物理學(xué)中確立了它的地位。隨后，以太在電磁學(xué)中也獲得了地位，這主要是由于法拉第和麥克斯韋的貢獻(xiàn)。

　　在法拉第心目中，作用是逐步傳過去的看法有著十分牢固的地位，他引入了力線來描述磁作用和電作用。在他看來，力線是現(xiàn)實(shí)的存在，空間被力線充滿著，而光和熱可能就是力線的橫振動。他曾提出用力線來代替以太，并認(rèn)為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個點(diǎn)狀中心附近的力線場。他在1851年又寫道：“如果接受光以太的存在，那么它可能是力線的荷載物。”但法拉第的觀點(diǎn)并未為當(dāng)時的理論物理學(xué)家們所接受。

　　到19世紀(jì)60年代前期，麥克斯韋提出位移電流的概念，并在提出用一組微分方程來描述電磁場的普遍規(guī)律，這組方程以后被稱為麥克斯韋方程組。根據(jù)麥克斯韋方程組，可以推出電磁場的擾動以波的形式傳播，以及電磁波在空氣中的速度為每秒31萬公里，這與當(dāng)時已知的空氣中的光速每秒31.5萬公里在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是一致的。

　　麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之后寫道：“光就是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒質(zhì)(指以太)的橫振動”。后來，赫茲用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了電磁波的存在。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質(zhì)，這樣以太不僅在電磁學(xué)中取得了地位，而且電磁以太同光以太也統(tǒng)一了起來。

　　麥克斯韋還設(shè)想用以太的力學(xué)運(yùn)動來解釋電磁現(xiàn)象，他在1855年的論文中，把磁感應(yīng)強(qiáng)度比做以太的速度。后來他接受了湯姆孫(即開爾文)的看法，改成磁場代表轉(zhuǎn)動而電場代表平動。

　　他認(rèn)為，以太繞磁力線轉(zhuǎn)動形成一個個渦元，在相鄰的渦元之間有一層電荷粒子。他并假定，當(dāng)這些粒子偏離它們的平衡位置即有一位移時，就會對渦元內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生一作用力引起渦元的變形，這就代表靜電現(xiàn)象。

　　關(guān)于電場同位移有某種對應(yīng)，并不是完全新的想法，湯姆孫就曾把電場比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出，當(dāng)絕緣物質(zhì)放在電場中時，其中的電荷將發(fā)生位移。麥克斯韋與法拉第不同之處在于，他認(rèn)為不論有無絕緣物質(zhì)存在，只要有電場就有以太電荷粒子的位移，位移的大小與電場強(qiáng)度成正比。當(dāng)電荷粒子的位移隨時間變化時，將形成電流，這就是他所謂的位移電流。對麥克斯韋來說，位移電流是真實(shí)的電流，而現(xiàn)在我們知道，只是其中的一部分(極化電流)才是真實(shí)的電流。

　　在這一時期還曾建立了其他一些以太模型，不過以太論也遇到一些問題。首先，若光波為橫波，則以太應(yīng)為有彈性的固體媒質(zhì)。那么為何天體運(yùn)行其中會不受阻力呢？有人提出了一種解釋：以太可能是一種像蠟或?yàn)r青樣的塑性物質(zhì)，對于光那樣快的振動，它具有足夠的彈性像是固體，而對于像天體那樣慢的運(yùn)動則像流體。

　　另外，彈性媒質(zhì)中除橫波外一般還應(yīng)有縱波，但實(shí)驗(yàn)卻表明沒有縱光波，如何消除以太的縱波，以及如何得出推導(dǎo)反射強(qiáng)度公式所需要的邊界條件是各種以太模型長期爭論的難題。

　　為了適應(yīng)光學(xué)的需要，人們對以太假設(shè)一些非常的屬性，如1839年麥克可拉模型和柯西模型。再有，由于對不同的光頻率，折射率也不同，于是曳引系數(shù)對于不同頻率亦將不同。這樣，每種頻率的光將不得不有自己的以太等等。以太的這些似乎相互矛盾性質(zhì)實(shí)在是超出了人們的理解能力。

　　19世紀(jì)90年代，洛倫茲提出了新的概念，他把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸之于其中同原子相聯(lián)系的電子的效應(yīng)。至于物質(zhì)中的以太，則同真空中的以太在密度和彈性上都并無區(qū)別。他還假定，物體運(yùn)動時并不帶動其中的以太運(yùn)動。但是，由于物體中的電子隨物體運(yùn)動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力，以及物體運(yùn)動時其中將出現(xiàn)電介質(zhì)運(yùn)動電流，運(yùn)動物質(zhì)中的電磁波速度與靜止物質(zhì)中的并不相同。

　　在考慮了上述效應(yīng)后，洛倫茲同樣推出了菲涅耳關(guān)于運(yùn)動物質(zhì)中的光速公式，而菲涅耳理論所遇到的困難(不同頻率的光有不同的以太)已不存在。洛倫茲根據(jù)束縛電子的強(qiáng)迫振動，可推出折射率隨頻率的變化。洛倫茲的上述理論被稱為電子論，它獲得了很大成功。

　　19世紀(jì)末可以說是以太論的極盛時期。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運(yùn)動和變化，這樣它幾乎已退化為某種抽象的標(biāo)志。除了作為電磁波的荷載物和絕對參照系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質(zhì)，這就又為它的衰落創(chuàng)造了條件。

　　如上所述，為了測出地球相對以太參照系的運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)精度必須達(dá)到很高的量級。到19世紀(jì)80年代，邁克耳孫和莫雷所作的實(shí)驗(yàn)第一次達(dá)到了這個精度，但得到的結(jié)果仍然是否定的，即地球相對以太不運(yùn)動。此后其他的一些實(shí)驗(yàn)亦得到同樣的結(jié)果，于是以太進(jìn)一步失去了作為絕對參照系的性質(zhì)。這一結(jié)果使得相對性原理得到普遍承認(rèn)，并被推廣到整個物理學(xué)領(lǐng)域。

　　在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，雖然還進(jìn)行了一些努力來拯救以太，但在狹義相對論確立以后，它終于被物理學(xué)家們所拋棄。人們接受了電磁場本身就是物質(zhì)存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。

　　量子力學(xué)的建立更加強(qiáng)了這種觀點(diǎn)，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的原子以及組成它們的電子、質(zhì)子和中子等粒子的運(yùn)動也具有波的屬性。波動性已成為物質(zhì)運(yùn)動的基本屬性的一個方面，那種僅僅把波動理解為某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動的狹隘觀點(diǎn)已完全被沖破。

　　然而人們的認(rèn)識仍在繼續(xù)發(fā)展。到20世紀(jì)中期以后，人們又逐漸認(rèn)識到真空并非是絕對的空，那里存在著不斷的漲落過程(虛粒子的產(chǎn)生以及隨后的湮沒)。這種真空漲落是相互作用著的場的一種量子效應(yīng)。

　　今天，理論物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，真空具有更復(fù)雜的性質(zhì)。真空態(tài)代表場的基態(tài)，它是簡并的，實(shí)際的真空是這些簡并態(tài)中的某一特定狀態(tài)。目前粒子物理中所觀察到的許多對稱性的破壞，就是真空的這種特殊的“取向”所引起的。在這種觀點(diǎn)上建立的弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論已獲得很大的成功。

　　這樣看來，機(jī)械的以太論雖然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在絕對空虛意義上的真空)仍然活著，并具有旺盛的生命力。