以太观的历史演变及启示

冯一兵 李春密

(信阳师范学院物理与电子工程学院 河南 信阳 464000)(北京师范大学物理系 北京 100875)

以太(Ether或Aether)是古希腊时期的重要哲学概念之一，在哲学史和科学史上占有十分重要的地位.早期以太指的是上层大气，17世纪笛卡儿最先将以太引入物理学，用它来作为传递物体间作用力的某种中间介质.之后，以太伴随着物理学的发展几经兴衰，经历了哲学以太、力学以太、光以太、电磁以太和相对论以太等；每种以太模型的建立都取得了一定的成功，但同时也都遇到了一些难以克服的困难.到了20世纪，又把真空与以太联系了起来.由此看来，机械的以太论是死亡了，但以太观念的某些精神仍然活着，并仍具有旺盛的生命力.

1 以太观的形成

1.1 以太溯源

追溯历史，“以太”一词起源于古希腊，最初见于一则神话传说：暗神伊利波斯与夜神尼卡丝结合，生出个精灵气旺的宙斯神来，这就是以太.此时，以太表示精灵之气，弥漫宇宙.之后，亚里士多德在其“大自然厌恶真空”这一思想基础上，提出了五元素说.他认为月层以下的一切物体都是由水、土、气、火四元素组成的，月层以上的天体是由更纯洁的第五种元素“以太”构成；为此，他把以太作为一种元素正式在自然哲学中提了出来.后来，俄国化学家门捷列夫曾把以太作为原子序数为零的元素列入他的元素周期表中.从此，以太作为某种元素或物质的概念逐渐从神话走到自然哲学中来.

1.2 以太被引入物理学

17世纪初，开普勒发表行星运动三定律，揭示出天体运动的规律性，这促使人们思考：为什么行星会在绕日运行的轨道上转动不息？是什么力维持着这种运动？这种力是怎样形成的？是否需要媒介传递等？笛卡儿反对物质之间可以通过真空而传递力的“超距作用”的观念，他认为只有通过物质接触才能发生相互作用和产生运动.为了解释行星绕日运转现象，1644年，笛卡儿提出了“以太旋涡学说”，他认为宇宙空间充满着一种稀薄的不可见流质“以太”，星体周围的以太围绕星体形成大小、速度和密度不同的旋涡式运动，它产生的旋涡卷吸着周围的物体趋向中心，这就表现为引力作用.地球周围的旋涡卷着月亮绕地球旋转，太阳周围的旋涡卷着行星绕太阳旋转.1669年，惠更斯又以水碗里的水旋涡能把涂腊的卵石拉向碗中心的实验来支持笛卡儿的观点.由于笛卡儿所提出的以太旋涡说是从接触作用来说明引力的本质，并且符合人们对旋风、水涡流的直觉，比起超距作用说更易理解和接受，从而成为当时的正统观点.于是，17世纪以太作为一种媒介物质被正式引入物理学.

2 以太观的历史演变

2.1 光以太

光能穿过抽出空气的真空容器，还可以从遥远的太阳和恒星传播到地球，那么传递光的载体或媒介是什么呢？笛卡儿在《屈光学》一书中最早提出光是以太介质中某种压力的传播过程.他认为以太充满宇宙空间和万物之中，无处不在，真空虽没有空气，但存在着以太，光在真空中的传播就是靠以太作为媒介.胡克、惠更斯等人接受了笛卡儿的以太观点.惠更斯在其《论光》一书中提出了光的波动理论，把光看作是以太媒质中的波，光波是与声波类似的纵波.声波靠空气传播，光波靠以太传播，并把它叫做“光以太”.

后来，牛顿综合并发展前人的成果，提出了著名的万有引力定律，并认为物体间的引力是无需媒介传递的“超距作用”.根据笛卡儿的以太旋涡理论得出地球是两极稍长的橄榄形，而按照牛顿的引力理论得出地球应是两极稍微扁平的南瓜形，两者恰好相反.1735年，法王路易十五命令巴黎科学院进行测量，结果证实了牛顿的预言.由于牛顿理论取得了辉煌胜利，因此超距作用观点也得到承认.而以“光以太”为媒质的波动说因其本身的缺陷逐渐被人们所冷落，以太说从而也遭遇了第一次失败.

2.2 电磁以太

正当人们为了光以太的性质大伤脑筋时，法拉第发现某些空间具有电和磁的性质.他引入了力线来描述电作用和磁作用，他假设在电荷和磁极周围的空间里有一些力线或一些质点链，这些力线在离开源后，可以在空间自由行进，并作用于远方的导体或磁体上.在他看来力线是现实存在的，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年初写道：“如果接受光以太的存在，它可能是力线的荷载物.”

1865年，麦克斯韦在前人基础上总结出了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，并推出电磁场的扰动以波的形式传播，其传播媒质就是电磁以太，电磁波在空气中的速率为3.1×108m/s，与当时已知的空气中的光速3.15×108m/s在实验误差范围内是一致的，麦克斯韦指出光就是产生电磁现象的媒质的横振动.这样，电磁以太的模型便建立起来了.

2.3 光以太与电磁以太的统一及其否定

1868年，麦克斯韦又创立了光的电磁理论，指出光是电磁波的特例，并把光的特性参数(折射率n、吸收系数b、光速c)和电磁的特性参数(介电常数ε、磁导率μ、电导率σ)联系起来，实现了光现象和电磁现象的统一，这也就把光以太和电磁以太统一起来了.电学量和磁学量的可测性，使神秘莫测的以太与普通物质之间的鸿沟有所缩小，似乎难以捉摸的以太真的存在着.

麦克斯韦指出，以太只是电磁波和光波的载体，运动物体对于以太毫无作用，因而以太静止不动，不参与物体的运动.麦克斯韦从他的方程组里算出了电磁波的速度c，但没有指明是相对于谁的速度.根据光的以太论，人们自然想到是相对于以太的速度.这样，只有相对于以太静止的惯性系中测得光速才是c，而相对于以太匀速运动的惯性系中测得光速就不是c.如果真如此，我们就可以通过在不同实验室里测量光在不同方向上速度的差异来判定实验室相对静止以太的运动状态.或者反过来说，实验室在静止以太中运动时，将伴有“以太风”(也称为“以太漂移”)，而从以太风又可确定以太的存在.为了寻找以太，物理学家广泛进行了“以太漂移”的观测，1879年至1887年，迈克耳孙和莫雷通过一系列极为精确的实验测定，表明光速在不同惯性系里都相同，麦克斯韦的电磁理论在所有的惯性系里都成立，以太参照系是不存在的，从而否定了以太的存在.

2.4 相对论中的以太

爱因斯坦在1905年的论文里写道：“既然光速在不同的惯性系里是相同的，那么引入以太就是多余的.”但在1924年爱因斯坦又从不同角度重新审视了以太，并说：“我们现在如果来谈以太，当然不是谈力学理论里的那个解说波动的物理以太或物质以太.”力学以太保留下来的唯一东西是以太有确定的运动状态，这个状态代表的是绝对静止.狭义相对论中的以太也是绝对的，因为它把以太对惯性的和对光的传播的影响看成与任何物理影响无关.按照狭义相对论，物体的几何性质不但受到动力学的影响，而且还要受到以太的影响.广义相对论的以太不是绝对的，它既不同于经典力学的以太，也不同于狭义相对论的以太，如果宇宙是封闭的，空间是有限的，则以太性质的规定是完备的.爱因斯坦说：“依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的，因为在这样的空间里，不但光不能传播，而且量尺和时钟也不存在，因此，也就没有物理意义上的时—空间隔.”于是，相对论又赋予以太以新的含义.

2.5 真空与以太

虽然以太说在宏观物体的机械运动和宏观电磁场运动的研究中屡遭失败，但以太说也有着合理的内涵，那就是真空不空，不存在绝对虚空，不存在超距作用.

真空中充满着不断产生、不断消灭的正反虚粒子对，它是各种物质场的基态，它的自作用会导致真空对称性自发破缺.通过真空自发破缺的观点，由希格斯机制产生了中间玻色子的质量.1983年1月，由意大利物理学家鲁比亚领导的研究组与范德梅尔合作，在西欧核子研究中心发现中间玻色子，它不仅使弱电统一理论得到直接的实验证明，也给真空自发破缺以间接的支持，预示真空—以太的存在价值.真空会与普通物质场发生种种复杂的相互作用，从而影响在真空背景上发生的物理过程，产生一系列可观察的现象.因此，从现代物理学的角度，以太有着重新提出的必要，对以太的深入研究有可能导致物理学的一场新革命.

3 启示

3.1 真理的探求是一个动态发展的过程

从以太观的演变历程可以看出，人们对自然及其规律的认识并不是一开始就明白、清楚的，是要经过长期的探索、反复验证才能逐步清晰.而在探索和验证的过程中，会出现一些曲折反复，甚至错误；人们就是在纠正错误的过程中获得真理的.在物理学中，对原子的认识是这样，对光的本性的探求也是这样.以太观的演变与发展从一个侧面反映了物理学的发展规律：或是一种螺旋式上升，或是在一种否定之否定中发展.作为探索物理学规律的“探针”之一，以太在人们探索物质结构、光的本性以及正确认识时空观的过程中，都起到了非常巨大的作用.但我们目前仍不能说，我们已认识了以太的本质，它或许将永远是我们不断探索的物理概念或观念之一.

3.2 人类的认识过程是一个不断创造的过程

从元素以太到力学以太，再到光以太、电磁以太、相对论中的以太以及真空以太等，人们围绕以太这一概念所进行的探索、研究及其成果，客观上推动了人类对物质世界的认识.虽然在这一过程中，时而遇到挫折，时而产生错误，但每一次改变或进步都是一次人类认识上的革命，都是人类认识的一次创造过程，我们应对每一次新的观念和认识给予积极的对待，唯有这样，才能使人类的创造活动得以延续.

以太观的形成及演变伴随着科学的萌芽、起步、发展和巨大进步，它在物理学的发展过程，虽然于19世纪末20世纪初的科学革命中暂时地被淘汰，但是科学家们借助这一学说所做出的科学发现、科学发明和科学创造是人类科学史上的宝贵财富，而思想家围绕以太观所作出的种种思考、建立的种种学说也同样丰富了人类的思想宝库.以太学说中那个被加上种种机械的、绝对性质的以太被否定了，但作为物理本原物质的以太还远没有完全水落石出.或许随着物理学的发展，以太观还会被赋予新的含义.

参考文献

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