以太觀的歷史演變及啟示

馮一兵 李春密

(信陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 河南 信陽 464000)(北京師范大學(xué)物理系 北京 100875)

以太(Ether或Aether)是古希臘時期的重要哲學(xué)概念之一，在哲學(xué)史和科學(xué)史上占有十分重要的地位.早期以太指的是上層大氣，17世紀(jì)笛卡兒最先將以太引入物理學(xué)，用它來作為傳遞物體間作用力的某種中間介質(zhì).之后，以太伴隨著物理學(xué)的發(fā)展幾經(jīng)興衰，經(jīng)歷了哲學(xué)以太、力學(xué)以太、光以太、電磁以太和相對論以太等；每種以太模型的建立都取得了一定的成功，但同時也都遇到了一些難以克服的困難.到了20世紀(jì)，又把真空與以太聯(lián)系了起來.由此看來，機械的以太論是死亡了，但以太觀念的某些精神仍然活著，并仍具有旺盛的生命力.

1 以太觀的形成

1.1 以太溯源

追溯歷史，“以太”一詞起源于古希臘，最初見于一則神話傳說：暗神伊利波斯與夜神尼卡絲結(jié)合，生出個精靈氣旺的宙斯神來，這就是以太.此時，以太表示精靈之氣，彌漫宇宙.之后，亞里士多德在其“大自然厭惡真空”這一思想基礎(chǔ)上，提出了五元素說.他認為月層以下的一切物體都是由水、土、氣、火四元素組成的，月層以上的天體是由更純潔的第五種元素“以太”構(gòu)成；為此，他把以太作為一種元素正式在自然哲學(xué)中提了出來.后來，俄國化學(xué)家門捷列夫曾把以太作為原子序數(shù)為零的元素列入他的元素周期表中.從此，以太作為某種元素或物質(zhì)的概念逐漸從神話走到自然哲學(xué)中來.

1.2 以太被引入物理學(xué)

17世紀(jì)初，開普勒發(fā)表行星運動三定律，揭示出天體運動的規(guī)律性，這促使人們思考：為什么行星會在繞日運行的軌道上轉(zhuǎn)動不息？是什么力維持著這種運動？這種力是怎樣形成的？是否需要媒介傳遞等？笛卡兒反對物質(zhì)之間可以通過真空而傳遞力的“超距作用”的觀念，他認為只有通過物質(zhì)接觸才能發(fā)生相互作用和產(chǎn)生運動.為了解釋行星繞日運轉(zhuǎn)現(xiàn)象，1644年，笛卡兒提出了“以太旋渦學(xué)說”，他認為宇宙空間充滿著一種稀薄的不可見流質(zhì)“以太”，星體周圍的以太圍繞星體形成大小、速度和密度不同的旋渦式運動，它產(chǎn)生的旋渦卷吸著周圍的物體趨向中心，這就表現(xiàn)為引力作用.地球周圍的旋渦卷著月亮繞地球旋轉(zhuǎn)，太陽周圍的旋渦卷著行星繞太陽旋轉(zhuǎn).1669年，惠更斯又以水碗里的水旋渦能把涂臘的卵石拉向碗中心的實驗來支持笛卡兒的觀點.由于笛卡兒所提出的以太旋渦說是從接觸作用來說明引力的本質(zhì)，并且符合人們對旋風(fēng)、水渦流的直覺，比起超距作用說更易理解和接受，從而成為當(dāng)時的正統(tǒng)觀點.于是，17世紀(jì)以太作為一種媒介物質(zhì)被正式引入物理學(xué).

2 以太觀的歷史演變

2.1 光以太

光能穿過抽出空氣的真空容器，還可以從遙遠的太陽和恒星傳播到地球，那么傳遞光的載體或媒介是什么呢？笛卡兒在《屈光學(xué)》一書中最早提出光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過程.他認為以太充滿宇宙空間和萬物之中，無處不在，真空雖沒有空氣，但存在著以太，光在真空中的傳播就是靠以太作為媒介.胡克、惠更斯等人接受了笛卡兒的以太觀點.惠更斯在其《論光》一書中提出了光的波動理論，把光看作是以太媒質(zhì)中的波，光波是與聲波類似的縱波.聲波靠空氣傳播，光波靠以太傳播，并把它叫做“光以太”.

后來，牛頓綜合并發(fā)展前人的成果，提出了著名的萬有引力定律，并認為物體間的引力是無需媒介傳遞的“超距作用”.根據(jù)笛卡兒的以太旋渦理論得出地球是兩極稍長的橄欖形，而按照牛頓的引力理論得出地球應(yīng)是兩極稍微扁平的南瓜形，兩者恰好相反.1735年，法王路易十五命令巴黎科學(xué)院進行測量，結(jié)果證實了牛頓的預(yù)言.由于牛頓理論取得了輝煌勝利，因此超距作用觀點也得到承認.而以“光以太”為媒質(zhì)的波動說因其本身的缺陷逐漸被人們所冷落，以太說從而也遭遇了第一次失敗.

2.2 電磁以太

正當(dāng)人們?yōu)榱斯庖蕴男再|(zhì)大傷腦筋時，法拉第發(fā)現(xiàn)某些空間具有電和磁的性質(zhì).他引入了力線來描述電作用和磁作用，他假設(shè)在電荷和磁極周圍的空間里有一些力線或一些質(zhì)點鏈，這些力線在離開源后，可以在空間自由行進，并作用于遠方的導(dǎo)體或磁體上.在他看來力線是現(xiàn)實存在的，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為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個點狀中心附近的力線場.他在1851年初寫道：“如果接受光以太的存在，它可能是力線的荷載物.”

1865年，麥克斯韋在前人基礎(chǔ)上總結(jié)出了描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，并推出電磁場的擾動以波的形式傳播，其傳播媒質(zhì)就是電磁以太，電磁波在空氣中的速率為3.1×108m/s，與當(dāng)時已知的空氣中的光速3.15×108m/s在實驗誤差范圍內(nèi)是一致的，麥克斯韋指出光就是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒質(zhì)的橫振動.這樣，電磁以太的模型便建立起來了.

2.3 光以太與電磁以太的統(tǒng)一及其否定

1868年，麥克斯韋又創(chuàng)立了光的電磁理論，指出光是電磁波的特例，并把光的特性參數(shù)(折射率n、吸收系數(shù)b、光速c)和電磁的特性參數(shù)(介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ)聯(lián)系起來，實現(xiàn)了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一，這也就把光以太和電磁以太統(tǒng)一起來了.電學(xué)量和磁學(xué)量的可測性，使神秘莫測的以太與普通物質(zhì)之間的鴻溝有所縮小，似乎難以捉摸的以太真的存在著.

麥克斯韋指出，以太只是電磁波和光波的載體，運動物體對于以太毫無作用，因而以太靜止不動，不參與物體的運動.麥克斯韋從他的方程組里算出了電磁波的速度c，但沒有指明是相對于誰的速度.根據(jù)光的以太論，人們自然想到是相對于以太的速度.這樣，只有相對于以太靜止的慣性系中測得光速才是c，而相對于以太勻速運動的慣性系中測得光速就不是c.如果真如此，我們就可以通過在不同實驗室里測量光在不同方向上速度的差異來判定實驗室相對靜止以太的運動狀態(tài).或者反過來說，實驗室在靜止以太中運動時，將伴有“以太風(fēng)”(也稱為“以太漂移”)，而從以太風(fēng)又可確定以太的存在.為了尋找以太，物理學(xué)家廣泛進行了“以太漂移”的觀測，1879年至1887年，邁克耳孫和莫雷通過一系列極為精確的實驗測定，表明光速在不同慣性系里都相同，麥克斯韋的電磁理論在所有的慣性系里都成立，以太參照系是不存在的，從而否定了以太的存在.

2.4 相對論中的以太

愛因斯坦在1905年的論文里寫道：“既然光速在不同的慣性系里是相同的，那么引入以太就是多余的.”但在1924年愛因斯坦又從不同角度重新審視了以太，并說：“我們現(xiàn)在如果來談以太，當(dāng)然不是談力學(xué)理論里的那個解說波動的物理以太或物質(zhì)以太.”力學(xué)以太保留下來的唯一東西是以太有確定的運動狀態(tài)，這個狀態(tài)代表的是絕對靜止.狹義相對論中的以太也是絕對的，因為它把以太對慣性的和對光的傳播的影響看成與任何物理影響無關(guān).按照狹義相對論，物體的幾何性質(zhì)不但受到動力學(xué)的影響，而且還要受到以太的影響.廣義相對論的以太不是絕對的，它既不同于經(jīng)典力學(xué)的以太，也不同于狹義相對論的以太，如果宇宙是封閉的，空間是有限的，則以太性質(zhì)的規(guī)定是完備的.愛因斯坦說：“依照廣義相對論，一個沒有以太的空間是不可思議的，因為在這樣的空間里，不但光不能傳播，而且量尺和時鐘也不存在，因此，也就沒有物理意義上的時—空間隔.”于是，相對論又賦予以太以新的含義.

2.5 真空與以太

雖然以太說在宏觀物體的機械運動和宏觀電磁場運動的研究中屢遭失敗，但以太說也有著合理的內(nèi)涵，那就是真空不空，不存在絕對虛空，不存在超距作用.

真空中充滿著不斷產(chǎn)生、不斷消滅的正反虛粒子對，它是各種物質(zhì)場的基態(tài)，它的自作用會導(dǎo)致真空對稱性自發(fā)破缺.通過真空自發(fā)破缺的觀點，由希格斯機制產(chǎn)生了中間玻色子的質(zhì)量.1983年1月，由意大利物理學(xué)家魯比亞領(lǐng)導(dǎo)的研究組與范德梅爾合作，在西歐核子研究中心發(fā)現(xiàn)中間玻色子，它不僅使弱電統(tǒng)一理論得到直接的實驗證明，也給真空自發(fā)破缺以間接的支持，預(yù)示真空—以太的存在價值.真空會與普通物質(zhì)場發(fā)生種種復(fù)雜的相互作用，從而影響在真空背景上發(fā)生的物理過程，產(chǎn)生一系列可觀察的現(xiàn)象.因此，從現(xiàn)代物理學(xué)的角度，以太有著重新提出的必要，對以太的深入研究有可能導(dǎo)致物理學(xué)的一場新革命.

3 啟示

3.1 真理的探求是一個動態(tài)發(fā)展的過程

從以太觀的演變歷程可以看出，人們對自然及其規(guī)律的認識并不是一開始就明白、清楚的，是要經(jīng)過長期的探索、反復(fù)驗證才能逐步清晰.而在探索和驗證的過程中，會出現(xiàn)一些曲折反復(fù)，甚至錯誤；人們就是在糾正錯誤的過程中獲得真理的.在物理學(xué)中，對原子的認識是這樣，對光的本性的探求也是這樣.以太觀的演變與發(fā)展從一個側(cè)面反映了物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律：或是一種螺旋式上升，或是在一種否定之否定中發(fā)展.作為探索物理學(xué)規(guī)律的“探針”之一，以太在人們探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)、光的本性以及正確認識時空觀的過程中，都起到了非常巨大的作用.但我們目前仍不能說，我們已認識了以太的本質(zhì)，它或許將永遠是我們不斷探索的物理概念或觀念之一.

3.2 人類的認識過程是一個不斷創(chuàng)造的過程

從元素以太到力學(xué)以太，再到光以太、電磁以太、相對論中的以太以及真空以太等，人們圍繞以太這一概念所進行的探索、研究及其成果，客觀上推動了人類對物質(zhì)世界的認識.雖然在這一過程中，時而遇到挫折，時而產(chǎn)生錯誤，但每一次改變或進步都是一次人類認識上的革命，都是人類認識的一次創(chuàng)造過程，我們應(yīng)對每一次新的觀念和認識給予積極的對待，唯有這樣，才能使人類的創(chuàng)造活動得以延續(xù).

以太觀的形成及演變伴隨著科學(xué)的萌芽、起步、發(fā)展和巨大進步，它在物理學(xué)的發(fā)展過程，雖然于19世紀(jì)末20世紀(jì)初的科學(xué)革命中暫時地被淘汰，但是科學(xué)家們借助這一學(xué)說所做出的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)發(fā)明和科學(xué)創(chuàng)造是人類科學(xué)史上的寶貴財富，而思想家圍繞以太觀所作出的種種思考、建立的種種學(xué)說也同樣豐富了人類的思想寶庫.以太學(xué)說中那個被加上種種機械的、絕對性質(zhì)的以太被否定了，但作為物理本原物質(zhì)的以太還遠沒有完全水落石出.或許隨著物理學(xué)的發(fā)展，以太觀還會被賦予新的含義.

參考文獻

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