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以太

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以太(Ether)(或译乙太;英语:ether或aether)在相对论之前,人们认为以太是一种存在于的充满整个宇宙空间,且绝对静止的某种有弹性而又坚固的媒介。但是后来被迈克尔逊-莫雷实验所证明,这种物质并不存在。   在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。

以太-应运而生编辑本段回目录

经典力学中,人们认为电磁波声波一样,要依赖某种弹性介质才能传播,人们就在空间假想了一种媒介——以太。这种物质充满整个宇宙空间,而且是绝对静止,电磁波的传播速度就是相对于这一绝对静止的介质来说的。

 

著名理论 编辑本段回目录


  17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。
  在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。
  后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的,并为惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初),人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物,如空气就是声波的荷载物。
  由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。
  牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。
  18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系,因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。
  随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及探寻以太得试验并未获得实际结果,使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观点在电学中也占了主导地位。
  19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托马斯·杨和菲涅耳工作的结果。杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在实验的启示下,于1817年提出光波为横波的新观点,解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。科学家们逐步发现光是一种波,而生活中的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于水等)。受传统力学思想影响,于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。
  以太的假设事实上代表了传统的观点:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。
  然而根据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的。
  
  其中ε0是真空介电常数,μ0 是真空磁导率。
  这个“绝对静止系”就是「以太系」。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是"以太系"的光速,与这个观察者在"以太系"上的速度之矢量和。
  以太无所不在,没有质量,绝对静止。按照当时的猜想,以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中,由于地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为c +v,最小为cv。如果太阳在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。
  菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳又进一步解释了光的双折射,获得很大成功。
  1823年,他根据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提出的:透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果。
  菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年他为了解释阿拉果关于星光折射行为的实验,在杨的想法基础上提出:透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)。利用菲涅耳的理论,很容易就能得到运动物体内光的速度。
  19世纪中期,曾进行了一些实验,以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度,但都得出否定的结果。这些实验结果可从菲涅耳理论得到解释,根据菲涅耳运动媒质中的光速公式,当实验精度只达到一定的量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来,而当时的实验都未达到此精度。
  在杨和菲涅耳的工作之后,光的波动说就在物理学中确立了它的地位。随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献。
  在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引入了力线来描述磁作用和电作用。在他看来,力线是现实的存在,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年又写道:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。
  到19世纪60年代前期,麦克斯韦提出位移电流的概念,并在提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里,这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里在实验误差范围内是一致的。
  麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来,赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来。
  麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度比做以太的速度。后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。
  他认为,以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象。
  关于电场同位移有某种对应,并不是完全新的想法,汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外,法拉第在更早就提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于,他认为不论有无绝缘物质存在,只要有电场就有以太电荷粒子的位移,位移的大小与电场强度成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时,将形成电流,这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说,位移电流是真实的电流,而现在我们知道,只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流。
  在这一时期还曾建立了其他一些以太模型,不过以太论也遇到一些问题。首先,若光波为横波,则以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运行其中会不受阻力呢?有人提出了一种解释:以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体。
  另外,弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波,以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。
  为了适应光学的需要,人们对以太假设一些非常的属性,如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有,由于对不同的光频率,折射率也不同,于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样,每种频率的光将不得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力。
  1881年-1884年,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。实验结果显示,不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理,即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值,与参照系的相对速度无关,以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。
  以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固,深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式,但无法抛弃以太的观点。
  19世纪90年代,洛伦兹提出了新的概念,他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应。至于物质中的以太,则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动。但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力,以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。
  在考虑了上述效应后,洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动,可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论,它获得了很大成功。
  19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化,这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它已失去所有其他具体生动的物理性质,这就又为它的衰落创造了条件。
  如上所述,为了测出地球相对以太参照系的运动,实验精度必须达到很高的量级。到19世纪80年代,麦克尔逊和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度,但得到的结果仍然是否定的,即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果,于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域。
  在19世纪末和20世纪初,虽然还进行了一些努力来拯救以太,但在狭义相对论确立以后,它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播。
  量子力学的建立更加强了这种观点,因为人们发现,物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面,那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破。
  然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后,人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空,那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。
  今天,理论物理学家进一步发现,真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态,它是简并的,实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏,就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。
  但爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说,认为光速不变是基本的原理,并以此为出发点之一创立了狭义相对论。虽然后来的事实证明确实不存在以太,不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹,如以太网等。
  这样看来,机械的以太论虽然死亡了,但以太概念的某些精神(不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着,并具有旺盛的生命力。

以太-事实胜于雄辩 编辑本段回目录


当时,科学家们注意到,若以太绝对静止,那么可将它视作一个优于其他惯性系的绝对参考系。通过实验就课测出物体相对于它的绝对运动,历史上不少人做了一系列的实验和大量的天文观测,事实证明以太这种物质的不存在。

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