馮一兵 李春密

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

以太(Ether或Aether)是古希臘時(shí)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(lái)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(duì)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(shí)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(lái).由此看來(lái)，機(jī)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(jiàn)于一則神話(huà)傳說(shuō)：暗神伊利波斯與夜神尼卡絲結(jié)合，生出個(gè)精靈氣旺的宙斯神來(lái)，這就是以太.此時(shí)，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(shuō).他認(rèn)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(lái).后來(lái)，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)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(huà)走到自然哲學(xué)中來(lái).

1.2 以太被引入物理學(xué)

17世紀(jì)初，開(kāi)普勒發(fā)表行星運(yùn)動(dòng)三定律，揭示出天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，這促使人們思考：為什么行星會(huì)在繞日運(yùn)行的軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)不息？是什么力維持著這種運(yùn)動(dòng)？這種力是怎樣形成的？是否需要媒介傳遞等？笛卡兒反對(duì)物質(zhì)之間可以通過(guò)真空而傳遞力的“超距作用”的觀念，他認(rèn)為只有通過(guò)物質(zhì)接觸才能發(fā)生相互作用和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng).為了解釋行星繞日運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，1644年，笛卡兒提出了“以太旋渦學(xué)說(shuō)”，他認(rèn)為宇宙空間充滿(mǎn)著一種稀薄的不可見(jiàn)流質(zhì)“以太”，星體周?chē)囊蕴珖@星體形成大小、速度和密度不同的旋渦式運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生的旋渦卷吸著周?chē)奈矬w趨向中心，這就表現(xiàn)為引力作用.地球周?chē)男郎u卷著月亮繞地球旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)周?chē)男郎u卷著行星繞太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)來(lái)支持笛卡兒的觀點(diǎn).由于笛卡兒所提出的以太旋渦說(shuō)是從接觸作用來(lái)說(shuō)明引力的本質(zhì)，并且符合人們對(duì)旋風(fēng)、水渦流的直覺(jué)，比起超距作用說(shuō)更易理解和接受，從而成為當(dāng)時(shí)的正統(tǒng)觀點(diǎn).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(guò)抽出空氣的真空容器，還可以從遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)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(shū)中最早提出光是以太介質(zhì)中某種壓力的傳播過(guò)程.他認(rèn)為以太充滿(mǎn)宇宙空間和萬(wàn)物之中，無(wú)處不在，真空雖沒(méi)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(diǎn).惠更斯在其《論光》一書(shū)中提出了光的波動(dòng)理論，把光看作是以太媒質(zhì)中的波，光波是與聲波類(lèi)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(lái)，牛頓綜合并發(fā)展前人的成果，提出了著名的萬(wàn)有引力定律，并認(rèn)為物體間的引力是無(wú)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(zhǎng)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(jìn)行測(cè)量，結(jié)果證實(shí)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(diǎn)也得到承認(rèn).而以“光以太”為媒質(zhì)的波動(dòng)說(shuō)因其本身的缺陷逐漸被人們所冷落，以太說(shuō)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(shí)，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(xiàn)來(lái)描述電作用和磁作用，他假設(shè)在電荷和磁極周?chē)目臻g里有一些力線(xiàn)或一些質(zhì)點(diǎn)鏈，這些力線(xiàn)在離開(kāi)源后，可以在空間自由行進(jìn)，并作用于遠(yuǎn)方的導(dǎo)體或磁體上.在他看來(lái)力線(xiàn)是現(xiàn)實(shí)存在的，空間被力線(xiàn)充滿(mǎn)著，而光和熱可能就是力線(xiàn)的橫振動(dòng).他曾提出用力線(xiàn)來(lái)代替以太并認(rèn)為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個(gè)點(diǎn)狀中心附近的力線(xiàn)場(chǎng).他在1851年初寫(xiě)道：“如果接受光以太的存在，它可能是力線(xiàn)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(chǎng)的擾動(dòng)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(shí)已知的空氣中的光速3.15×108m/s在實(shí)驗(yàn)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(dòng).這樣，電磁以太的模型便建立起來(lái)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(lái)，實(shí)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(lái)了.電學(xué)量和磁學(xué)量的可測(cè)性，使神秘莫測(cè)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(yùn)動(dòng)物體對(duì)于以太毫無(wú)作用，因而以太靜止不動(dòng)，不參與物體的運(yùn)動(dòng).麥克斯韋從他的方程組里算出了電磁波的速度c，但沒(méi)有指明是相對(duì)于誰(shuí)的速度.根據(jù)光的以太論，人們自然想到是相對(duì)于以太的速度.這樣，只有相對(duì)于以太靜止的慣性系中測(cè)得光速才是c，而相對(duì)于以太勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)得光速就不是c.如果真如此，我們就可以通過(guò)在不同實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量光在不同方向上速度的差異來(lái)判定實(shí)驗(yàn)室相對(duì)靜止以太的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室在靜止以太中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將伴有“以太風(fēng)”(也稱(chēng)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(jìn)行了“以太漂移”的觀測(cè)，1879年至1887年，邁克耳孫和莫雷通過(guò)一系列極為精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)論中的以太

愛(ài)因斯坦在1905年的論文里寫(xiě)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(ài)因斯坦又從不同角度重新審視了以太，并說(shuō)：“我們現(xiàn)在如果來(lái)談以太，當(dāng)然不是談力學(xué)理論里的那個(gè)解說(shuō)波動(dòng)的物理以太或物質(zhì)以太.”力學(xué)以太保留下來(lái)的唯一東西是以太有確定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)代表的是絕對(duì)靜止.狹義相對(duì)論中的以太也是絕對(duì)的，因?yàn)樗岩蕴珜?duì)慣性的和對(duì)光的傳播的影響看成與任何物理影響無(wú)關(guān).按照狹義相對(duì)論，物體的幾何性質(zhì)不但受到動(dòng)力學(xué)的影響，而且還要受到以太的影響.廣義相對(duì)論的以太不是絕對(duì)的，它既不同于經(jīng)典力學(xué)的以太，也不同于狹義相對(duì)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(ài)因斯坦說(shuō)：“依照廣義相對(duì)論，一個(gè)沒(méi)有以太的空間是不可思議的，因?yàn)樵谶@樣的空間里，不但光不能傳播，而且量尺和時(shí)鐘也不存在，因此，也就沒(méi)有物理意義上的時(shí)—空間隔.”于是，相對(duì)論又賦予以太以新的含義.

2.5 真空與以太

雖然以太說(shuō)在宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和宏觀電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的研究中屢遭失敗，但以太說(shuō)也有著合理的內(nèi)涵，那就是真空不空，不存在絕對(duì)虛空，不存在超距作用.

真空中充滿(mǎn)著不斷產(chǎn)生、不斷消滅的正反虛粒子對(duì)，它是各種物質(zhì)場(chǎng)的基態(tài)，它的自作用會(huì)導(dǎo)致真空對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺.通過(guò)真空自發(fā)破缺的觀點(diǎn)，由希格斯機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jià)值.真空會(huì)與普通物質(zhì)場(chǎng)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(guò)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(duì)以太的深入研究有可能導(dǎo)致物理學(xué)的一場(chǎng)新革命.

3 啟示

3.1 真理的探求是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程

從以太觀的演變歷程可以看出，人們對(duì)自然及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)并不是一開(kāi)始就明白、清楚的，是要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、反復(fù)驗(yàn)證才能逐步清晰.而在探索和驗(yàn)證的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些曲折反復(fù)，甚至錯(cuò)誤；人們就是在糾正錯(cuò)誤的過(guò)程中獲得真理的.在物理學(xué)中，對(duì)原子的認(rèn)識(shí)是這樣，對(duì)光的本性的探求也是這樣.以太觀的演變與發(fā)展從一個(gè)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(rèn)識(shí)時(shí)空觀的過(guò)程中，都起到了非常巨大的作用.但我們目前仍不能說(shuō)，我們已認(rèn)識(shí)了以太的本質(zhì)，它或許將永遠(yuǎn)是我們不斷探索的物理概念或觀念之一.

3.2 人類(lèi)的認(rèn)識(shí)過(guò)程是一個(gè)不斷創(chuàng)造的過(guò)程

從元素以太到力學(xué)以太，再到光以太、電磁以太、相對(duì)論中的以太以及真空以太等，人們圍繞以太這一概念所進(jìn)行的探索、研究及其成果，客觀上推動(dòng)了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí).雖然在這一過(guò)程中，時(shí)而遇到挫折，時(shí)而產(chǎn)生錯(cuò)誤，但每一次改變或進(jìn)步都是一次人類(lèi)認(rèn)識(shí)上的革命，都是人類(lèi)認(rèn)識(shí)的一次創(chuàng)造過(guò)程，我們應(yīng)對(duì)每一次新的觀念和認(rèn)識(shí)給予積極的對(duì)待，唯有這樣，才能使人類(lèi)的創(chuàng)造活動(dòng)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(jìn)步，它在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，雖然于19世紀(jì)末20世紀(jì)初的科學(xué)革命中暫時(shí)地被淘汰，但是科學(xué)家們借助這一學(xué)說(shuō)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(lèi)科學(xué)史上的寶貴財(cái)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(shuō)也同樣豐富了人類(lèi)的思想寶庫(kù).以太學(xué)說(shuō)中那個(gè)被加上種種機(jī)械的、絕對(duì)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(yuǎn)沒(méi)有完全水落石出.或許隨著物理學(xué)的發(fā)展，以太觀還會(huì)被賦予新的含義.

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