以太假说的兴衰
李秉铎
宇宙空间充满以太物质的假说是由古希腊的哲学家最早提出的，它的原意是指青天或上层大气。十七世纪，以太被引入物理学。从此以后，以太就象一个神秘莫测的幽灵，徘徊在物理学的大厅里，纠缠了若干代的物理学家，一直持续了两百多年。考察以太假说的兴衰史，对于我们从一个侧面了解物理学的发展史是有益的。
一、笛卡儿把以太引入物理学
十七世纪，开普勒(１５７１－１６３０)关于行星运动的三定律的发现，促使人们进一步思考：是什么样的力维持着这些天体遵循这样的轨道运行？对此，科学家们众说纷纭，１６４４年，法国哲学家笛卡儿(１５９６－１６５０)提出一个旋涡说来解释天体间的相互吸引和运转。他假定星际空间充满连续的以太粒子。天体周围的以太粒子互相推挤，各部分产生圆周运动，形成旋涡，如地球周围的涡流卷着月亮绕地球旋转，太阳周围的涡流卷着各个行星绕太阳旋转。笛卡儿在《哲学原理》一书中就附有一幅旋涡图。因为这个理论很形象，所以风行一时，为英、法、美各国所接受。
后来，荷兰物理学家惠更斯(１６２９－１６９５)进一步把以太引入了光的波动理论中。１６８７年，惠更斯提出光的波动理论。他认为充塞宇宙空间及万物之中的光以太是传播光振动的媒质，犹如传声的空气一样。光是以太扰动的传播，和声波一样是纵波。
这样，在十七世纪，以太被假定为一种没有重量，非常稀薄，渗透于一切 物体之中，弥漫于整个宇宙空间中的流体。
二、牛顿学派对以太的否定
牛顿(１６４２－１７２９)的经典力学是不需要以太媒质的，但由于割裂了物质和运动的联系，承认绝对空间和绝对时间的独立存在，牛顿只能以纯粹数学的形式表示出万有引力定律，不能回答万有引力定律是如何传递和发生作用的。因此牛顿仍假定存在以太，并用以太的“痉挛”来解释光的折射和反射现象。
笛卡儿的追随者坚持旋涡说，反对引力的反平方定律，因而牛顿的追随者起来反对笛卡儿的旋涡说和以太论。随着万有引力定律在天体力学中取得一个又一个重大成就，“超距作用”观点得到承认，并推广到电力和磁力，因为在库仑定律中也不包含时间因素，相互作用力只与荷电体或磁极间相互位置有关。由于牛顿的威望，光的波动说也被放弃了，微粒说得到广泛承认。因而以太假说在十八世纪遭到了冷落。在十八世纪，只有少数科学家感到需要以太这种物质，而牛顿的“光”粒子则被认为是必不可少的，除了这些飞行的粒子外，在那个世纪里星际空间被认为是空虚的。
三、以太假说在十九世纪的复兴
经过十八世纪的静寂后，十九世纪一开始，由英国科学家托马斯. 杨(１７７３－１８２９)对光的干涉现象作了定量研究，法国科学家菲涅耳(１７８８－１８２７)从１８１８年开始陆续公布了能详细说明光的干涉，衍射和偏振等事实的若干计算结果，光的波动说节节获胜，看来把光描述为介质中的振动是无懈可击的。而光的波动说的胜利就为以太在物理学中的复兴奠定了基础。但光波是横波的发现使物理学家们头痛万分，从机械波的观点分析，只有固体具有抗切变和抗弯曲的能力，能产生横波，气体里是不会有横波的，而且光的传播速度如此之大，就要求传播光的以太不仅是固体，而且其刚劲程度比钢铁大千万倍，那么行星和其它天体又怎能在其中运动而毫无阻力呢？
随后，在电磁场理论的发展中，机械以太被电磁以太所代替。法拉第(１７９１－１８６７)首先把以太引入电磁学。他认为以太是光波传播的场所，电场，磁场可能也是用以太为舞台，才表现出如此紧密的关系。１８６１年，麦克斯韦(１８３１－１８７９)提出他的光的电磁理论，指出光是电磁波的一种特殊情况，因而电磁场是以太的载波，这就是“电磁以太”的假说。这样，电磁以太和光以太就统一起来了。法拉第和麦克斯韦关于“场”的观念是物理学发展中的一次深刻变革，但他们还没有完全摆脱牛顿的绝对时空观，所以仍然用具有机械性质的以太来作为媒质。这样，通过介质已知的电性质和磁性质就可以预言光在该介质中的速率。所以，尽管以太的难以捉摸性仍显得神秘测但在以太和普通物质之间不再存在如此巨大的鸿沟了。波动理论和传播波的以太得到了普遍承认。门捷列夫(１８３４－１９０７)甚至考虑到以太的分子构，在他的元素周期表中曾把以太列为周期表中原子序数等于零的物质。
于是在十九世纪末，形成这样一幅图景：宇宙空间无限延伸着，充塞着弹性的以太，其中存在的荷电粒子是电磁场源，这些电荷的振动引起以太形变。力、电、磁、光都是这个舞台上交替着的角色。导演它们的是牛顿的力学，能的学说和场的理论。
四、爱因斯坦把以太扔出了物理学大厅
物理学家为了寻找以太，作了许多实验，设想了不同的以太模型。德国物理学家赫兹(１８５７－１８９４)，认为物体运动时以太完全被物质所带动。但这种假设和光程差现象和斐索实验相矛盾。光程差现象是英国天文学家布拉特莱(１６９３－１７６３)在１７２７年发现的。布拉特莱发现，用望远镜对准同一颗星，镜筒的指向，在春季和秋季，两者相差４１’，这是由于地球公转而产生的一个周年变化。这说明了：地球在以太中自由运动，以太没有被地球拖曳着一起运动，如果以太被地球所曳引，以太相对于地球相对静止，就不会出现光程差现象。斐索(１８１９－１８９６)用实验证实光通过流水时，光速发生变化，光在媒质中速度的变化不是加上或减去运动媒质的速度v，而是ｖ乘以一个小于１的因子。这说明，作为光的载体的以太，在浸入运动媒质时，即不是被运动媒质所完全带动，也不是一点也不带动，而是部分被带动。
洛仑兹(１８５３－１９２８)和麦克斯韦则认为以太只是电磁波和光的载体，运动物体对于以太是毫无作用的，因而以太静止不动，不参与物体的按这种观点，以太是绝对静止的，在许多物理学家看来，这正是牛顿力学的“绝对空间”，只有在这个特别优越的参考系中，光的传播定律才成立。这样，可以通过实验发现地球相对于绝对静止的以太的运动，或者反过来说，地球在静止的以太的运动，将伴有以太风。美国科学家迈克尔逊(１８５２－１９３１)以善于精密测量著称，由于这方面的成就，在１９０７年他成为第一位获得诺贝尔物理学奖的美籍科学家。迈克尔逊发明了一种空前灵敏的干涉仪，并于十九世纪八十年代和莫雷(１８３８－１９２３)作了一系列光的干涉实验，企图测量沿地面各方向光速的差别，从而探测地球相对于以太的运动，但所有的实验都得到以太风的速度为零。这说明或者是地球相对于以太的运动不存在，或者就是以太本身并不存在。迈克尔逊为了寻找以太的实验，却适得其反，这是对以太假说的致命打击，立即在物理学界引起了轩然大波。有的物理学家惊道：我们还必须等待第二个牛顿出来，建立一种新的以太理论。１９００年汤姆逊(１８２４－１９０７)在一次演说中，留下这样的名言：“十九世纪的物理学上空，犹有两朵乌云，一是迈克尔逊的否定性实验，一是黑体辐射，这两朵乌云注定会在未来卷起漫天风暴。”
至此，以太假说巳陷入矛盾重重，进退维谷之中。它必须密度如此之小，可以让天体通行无阻，但又比钢铁还刚劲千万倍。若假设它是绝对静止的，则与一些实验不相吻合；若假设它被运动物体所曳引，又与另一些实验相矛盾。为寻找它而进行的任何实验都得到否定的结果。爱因斯坦(１８７９－１９５５)最先看到问题的实质，１９０５年他提出著名的狭义相对论。他指出：“光以太的引入将被证明是多余的。”爱因斯坦抛弃了以太，也就抛弃了牛顿力学所设想的绝对运动和绝对参照系。狭义相对论认为电磁场本身就是客观的物质存在，它的传播是电磁场物质本身的运动，而不需要以太介质。随着狭义相对论的确立，以太巳失去存在的意义，终于被物理学家所抛弃。
以太假说被抛弃了，但它也含有一些合理的思想，这就是真空不空，不存在绝对虚空，不存在超距作用的思想。从今天的观点来看，宇宙中没有“绝对虚空”，真空不过是引力场的一种特殊状态，是量子场系统的基态。
(原载《物理教学》１９８５年５期)
