有以太吗

   以太(ether)一词．译得很巧，既采用了音译．又采用了比较贴切的汉字，首先以太二字就给人一种神秘感觉，而且“太”字又有初始的涵意。在希腊文里，以太是指形成白云上面蓝天的那种物质，很有点像古代中国的“元气”。

作为物质本原的以太
    在古希腊人的想象中，万物总该由少数几种本原物质组成。多数人从身边常见的物质想起，提出过水、火、木、土、气，个别人则想到，在白云之上，湛蓝的天空既般不是无色的，那么一定有一种比云(气)更轻更稀薄的物质的本原之一。到了亚里士多德(公元前 384～前322年)为前人学说作总结的时候，他主张物质应该轻在上、重在下，提出。地在水里，水在空气里，空气在以太里，以太在宇宙里”。他将以太视为只存在于天上的第五种本原物质。受他的影响，哥白尼在《天体运行论，一书中，也是将宇宙按地球、空气、以太、月、水星、金星……这样顺序来排列的。伽利略在《星的使者》中，认为木星的卫星是一个浓密的以太球体。

作为介质的以太
    对物质本原的探寻，在文艺复兴之后，人们已经摆脱古希腊自然哲学家那种思辨方法，而开始尊重实验，才认识到问题绝不是那样简单，连金、木、水、火、气都不是本原物质，而是由一些化学元素组成；当然以太就更应失去其本原物质的资格，因为化学家根本找不到以太作为分析的样品。有趣地是，乙醚后来竟采用了以太作为名称，在英文里乙醚与以太是同一个词。
    物理学家在16、17世纪，主要研究对象是力学，而最早推出天体运动规律的是德国天文学家约翰内斯·开普勒(1571～l630年)。人们想到，维持天体运动必定有一种引力存在，于是以太作为一种天上特有的介质，就又引起人们的关注。首先天体穿行其中，应当不受阻力才能满足已发现的运动定律；其次，维持运动的引力除非是超距作用，否则必然通过以太介质来“传递”这种作用。著名的法国科学家笛卡尔是反对超距作用的。在他看来，物体之问的所有作用力(当时还不了解光的本质：也没有电磁学知识)，都必须透过某种中间媒介物质来传递；而这种物质的性质又极特殊，使人觉察不出它在传递过程中对作力力的干扰。因此他认为，这种介质应该是以太；它充满了整个宇宙空间。牛顿也承认以太的存在，但是他认为以太不一定是单一的物质，因而它能传递不同作用，产生电、磁和引力现象。他认为以太可以传递振动，但是以太的振动却不是光。在这一时期，以太被赋予弹性，却保留原有的极为稀薄的特性。

作为载体的以太
    文艺复兴以来的物理学的发展史上，l8世纪是个低谷，那时，牛顿的力学已经确立，但是还不完善。一批法国数学家先是使数学分析日趋成熟，然后以它为工具使力学理论体系更为完善。研究风格的数学化，再加上实验手段跟不上，造成引力的超距作用的观点占了上风，以太就被回避了。
    另一方面，物理学的其它分支学科，如声学、光学、热学在18世纪也开始引起研究者的兴趣。他们观察到一些新现象，需要作出理论解释。在解释热和声的传递的时候，因为它们传递速度缓慢，而且会被真空阻挡，所以认识到常见物质是热和声的传递媒质。唯独光现象令人迷惑不解：先是发生了光是粒子还是波的争论；到19世纪初，光的波动本性得到了物理学家的承认，于是随之而来的就是光的传递问题。光速极快，而且能通过真空，光借助于什么传递呢？或者说以什么为载体呢？
    很长一个时期物理学家们一直认为，波的传递应有载体，这时又把一度受到冷落的以太请了出来，人们认为它充当光波的载体最为合适。法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅耳(1788-1827年)假设存在光以太，认为透明物质中的以太密度与折射率的二次方成正比，得出了光在相对于以太运动的透明物体中的速度。在解释衍射现象时，最初菲涅耳也把光比作声波，认为它是纵波；可是后来发现的光偏振现象，使他改变了看法，并且从光为横波的观点出发得出了为后人惊异的重要公式。
    然而光要是横渡，就要求它的载体以太必须是固体(只有固体可传递横渡)，而且又要有一定的弹性。这与以前赋予以太的假想特性(是极稀薄的、无孔不入的、比空气还轻的)相矛盾，因为很难设想天体的运行是在穿过固体物质。为了调和这种矛盾，物理学家们设想出好几种以太模型，使它在传递快速运动时有足够硬度，传递慢运动时又像流体。一时间，以太的形象扑朔迷离，各种各样。
    1845年，英国物理学家乔治·加布里尔·斯托克斯(1819～1903年)指出，有些固体，例如沥青和蜡，就硬得可以传递横向振动，然而它们又能被压缩和延伸；光以太只要具有这种性质，就无矛盾了。他还设想以太就像在水里溶入高度稀薄的胶状物，这样的溶液既容许物体通过，又能传播横向振动，各种设想的光以太模型，其实都未能摆脱机械观点．而且是将以太作为光的载体来考虑的。爱因斯坦在他的《物理学进化》中就一针见血地指出：“错误的根源似乎在于根本假设上，就是我们不应该认为可以用机械观(力学观)解释一切自然现象。”但是以太在电磁学的发展中，仍然扮演过重要角色。
    电磁感应的发现者英国物理学家化学家米切尔·法拉第(1791～1867年)是不相信超距作用的，但是他也不想借助于以太来建立他的理论。他提出了很直观现象的力线(电力线、磁力线)来解释他所发现的电磁现象，进而发展成场概念(电场、磁场)。这在当时是非常难能可贵的。法拉第倒不是完全抛弃以太，他曾说：“如果接受光以太的存在，那么它可能是力线的荷载物。”
    电磁理论的集人成者、物理学史上的里程碑人物英国物理学家麦克斯韦，以他雄厚的数学根底和对新思想的敏感，立誓要将法拉第的力线和场概念，归结成严密的理论体系。为此，他需要建立起计算所依据的模型。麦克斯韦的功绩是辉煌的，但是他的物理思想却仍然是属于经典的，就是相信力学能最终解决所有问题。所以在他的模型中，以太仍占重要角色。他设想，在真空里依然有以太存在。
    麦氏方程的一个重要结果是，发现电磁波的传播速度与光速相同。这就把电、磁、光三种物理学分支统一起来，形成19世纪中叶物理学的一次大综合；这也就把当时流行的光以太、电以太、磁以太统一起来；如果有以太，它就是一种以太。

以太的否定
    以太到底是否存在呢？麦克斯韦的电磁理论表明，电磁波在真空中总是以不变的速度(光速)向各个方扁传播的，是各向同性的。光是一种可见的电磁波，当然也应如此。那么人们就可以设计一种实验来判定以太是否存在；可以通过观测沿地球自转方向和反方向的光速是否有差异来判定；反过来将地球视为不动，就理应出现“以太漂移”或“以太风”。著名的“以太漂移”实验是美国的艾伯特·亚伯拉罕·迈克尔孙(1852—1931年)和爱德华·威廉·莫雷(1838—1923年)做的。1881年，迈克尔孙用他发明的干涉仪在德国波茨坦天体物理观象台的地下窒第一次进行了“以太漂移”的观测。l887年迈克尔孙又与莫雷合作，用改进后的干涉仪重做实验。两次实验非常确凿地判定“以太漂移”不存在，实际上即假设的静止以太是不存在的。爱因斯坦的相对论的提出，彻底摆脱了以太的困扰。我们的空间有传播波的物理性质，这样便不必再用以太这个名字了。
    后来的研究证明，电磁场本身就是物质存在的一种形式，而场可以在真空中以波的形式传播。但是这绝不意味着以太从科学舞台上彻底消亡。

3K微波背景辐射的启示
    60年代天文学上四大发现之一，3 K宇宙微波背景辐射就是耐人寻味的问题。电子仪器中的不规则干扰信号，其大小是用温度来表示。1964年，美国的两位射电天文学家发现，不论他们的喇叭形天线指向天空何方，都会出现相当于3K左右的噪声(为此他二人获1978年度诺贝尔奖)。由于他们是在微波波段进行的测量，而且在天空各方向都有这种辐射，因此称为3K微波背景辐射。这一发现为大爆炸宇宙学假说提供了旁证。可是从这一辐射布满天空而且各向同性来看，有人说，它可以算作一种新的以太。这样看来，以太之谜还不能说已经解开，还有待于科学家继续研究。

原作：杨福征 

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵　

返回