发布时间 : 星期一 文章以太的发展历史及前景更新完毕开始阅读
以太的发展历史及前景
摘要：本文从物理学的发展阐述了以太假说的建立与兴衰，点明了以太的研究工作对物理学发展做出的贡献，以及以太假说探究过程中的几个问题。
关键词：以太 以太发展历史 迈克尔逊—莫雷实验 惠更斯水旋涡试验 裴索实验 菲涅尔“以太拖曳学说”
以太是一个古老而神秘的概念。在欧洲，古希腊哲学家认为世界由水、气、火、土四种元素组成。特别看重几何学的柏拉图把四元素几何化，认为组成它们的原子形状分别是体现其性质的一种正多面体。但是正多面体共有5种，还剩下的一种柏拉图认为对应的是第五种元素，宇宙和天体即由这种最高元素构成。柏拉图的学生亚里斯多德把这种元素称为以太。从此以太成了一个自然哲学的概念。早在中国古代就有“气”这一概念,它与西方以太的概念是相似的。“气”与金、木、水、火、土不同: 人们对金、木、水、火、土看得见, 摸得到; 而对“气”却看不见, 摸不到,人们是在自然界刮风的时候或在自己呼吸的时候感觉到“ 气” 的存在。
科学家们围绕“以太”展开过热烈的讨论，提出了许多有意义的见解，从而有力地推动了科学的发展。纵观历史，以太的发展经历了两起两落。
以太首次应用于科学是在十七世纪，笛卡尔反对物体之间可以通过真空而传递力的“超距作用”概念, 只有通过物质接触才能发生相互作用和产生运动。 他认为“真空不空”，真空中存在着一种稀薄的介质——以太，因此提出了“以太说”，为了解释行星围绕太阳的运转现象,1644年，笛卡尔提出了“以太旋涡学说”，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。1669年，惠更斯又以水碗里的水旋涡能把涂蜡的卯石拉向碗中心的实验来支持笛卡儿的观点。除此之外，笛卡尔提出光是以太介质中某种压力的传播过程，光在真空中的传播就是靠以太作为媒介。惠更斯在1678年向法国科学院提交，而于1690年增补后出版的《论光》一书中提出了光的波动理论。他与笛卡尔的“把光看作是以太媒质中传播的波”的思想一致，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”。由于笛卡尔的以太说从接触作用来说明引力的本质,且符合人们对旋风、水涡流的直觉, 比起超距作用说更易被理解和接受，成为当时英法各国教科书的正统观点。对于光是以以太作为介质的学说，其他科学家并没有权威的反对，以太说在当时风靡一时。
对于笛卡尔的以太说，牛顿的看法是有矛盾的。他曾设想，万有引力可能是以太传递的；但他又引入了超距作用力的概念，认为万有引力作用于彼此离开的物体之间，不以任何物质为媒介。根据笛卡尔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。至此，以太说出现了质疑。1735年，法王路易十五命巴黎科学院进行测量，结果证实牛顿的预言正确。同时，以“光以太”为媒质的波动说又因本身的缺陷被人们放弃，因此，整个十八世纪以太说被冷落，遭到第一次失败。
进入十九世纪，“泊松亮斑”的事实为光的波动说压倒微粒说做出了决定性贡献。光的波动学说占据主流地位，使“以太假说”复活。光的偏振现象的进一步研究说明光是横波，而横波只能在固体中传播。这就说明，弥漫整个宇宙空间的以太不是惠更斯所假设的“没有重量且极其稀薄”的流体，而是固体！横波在介质中的传播速度V=
G（G是切变模量，?是介质密度），由于光的传播速
?度V很大，所以要求G很大，即介质的刚性很强，但它同时要求密度非常小，
这些都说明以太本身的多种属性之间存在着不可调和的矛盾，这让科学家非常头疼。恰在此时，电磁学飞速发展，麦克斯韦提出了“电磁以太”模型，把电学量和磁学量的关系形象的表现出来。1868年，麦克斯韦又建立了光的电磁理论，把光的特性参数和磁的特性参数联系起来，实现了光现象和电磁现象的统一，也就把光以太和电磁以太统一起来了，似乎难以琢磨的以太真的存在。以太学说又一次兴起了。
麦克斯韦指出以太只是光和电磁波的载体，运动物体对以太毫无作用，因而以太静止不动，不参与物体的运动。于是，牛顿派的物理学家就认为这种绝对静止的以太正是梦寐以求的牛顿力学体系的“绝对空间”——以太参考系。既然光相对于以太的速度恒等于c，那么按照经典速度合成法则，在不同惯性系中的观察者所测得的光的速度不会总等于c。如果真是这样，我们就可以通过在不同实验室（如地球）里观察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。顺延上述思路，1887年，迈克尔逊与莫雷合作进行了著名的“迈克尔逊—莫雷实验”，实验通过观察干涉条纹的移动来研究地球相对于静止以太的运动状态。实验结果显示，干涉条纹移动的上限是0.01个，基本没有发生移动，初步认定，地球相对于以太静止。以后人们又多次重复以上实验，1972年，用激光做该实验，在实验精度内得到：如果以太存在，则地球相对以太的速度v≤0.9m/s，这就可能意味着地球相对以太静止。人们不可能接受地球为绝对参考系的结论，这引起了物理学界的震惊。为了挽救以太的困窘，物理学家提出各种理论，企图解释零结果，其中以“收缩假说”最为典型。但这种假说只是纯机械的解释，纯数学的凑合，至此“以太”也就失去了存在的意义，成为多余的了。这就是以太假说的第二次失败，以太假说从此一蹶不振，寿终正寝。
虽然以太学说在宏观物体的机械运动和宏观电磁运动的研究中，两次遭到失败，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。在探求以太的过程中，迈克尔逊制成了著名的迈克尔逊干涉仪，为日后的光学研究创造了条件，同时也为狭义相对论的提出起到了催化作用。
科学的发展并没有因此止步，1905年爱因斯坦发表了《论动体电动力学》，提出狭义相对论，形成了崭新的时空观，极大的推动了科学的发展。
以太学说现在仍然存在争议，很多学者认为有恢复以太学说的必要性，同时也有学者认为以太没有存在的意义。这个困扰人们几个世纪的问题还等待着人们去探索和发现。
以太的探究过程一波三折，笔者在此过程中发现了以下几方面的问题： 1）惠更斯水旋涡实验
1669年，惠更斯以水碗里的水旋涡能把涂蜡的卯石拉向碗中心的实验，来
支持笛卡尔的“以太旋涡学说”（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）。
首先，类比假设不严密。笔者认为，该实验是利用水旋涡可以将放入其中的物体带入旋涡中心位置，以此类比笛卡尔“以太旋涡学说”，从接触作用来说明引力的本质，由此来支持笛卡尔的观点。但类比存在漏洞，水是一种流体，密度为1.0kg/m3，并非一种稀薄、不可见的流质，并且对放入其中的运动物体存在较大的阻力作用，其物理特性和化学特性都和假想的以太存在很大差距，因此，此实验并不具有科学的严密性，不足以令人信服。其次，若该学说成立，将该学说套用于天体的运动，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。以此作用，天体运行的最终结果应是，所有天体处在以太旋涡的中心（以地球和月球为例，月球应最终和地球一同处在以太旋涡中心，即重合）但现实并非如此，经历几千万年的演变，行星（卫星）依旧以相对稳定的轨道和周期围绕其相应的恒星（行星）周而复始的做着周期运动。该学说，只是解释了天体运动的引力作用，对于斥力作用没有做出合理的解释。
2）裴索实验怎样证实以太存在和以太被物质拖曳？ 1818年，法国物理学家菲涅尔提出“以太拖曳学说”，即，物体内的以太密度应当比真空中的大，因此像望远镜这样的物体可拖动部分以太和它一起运动，就好像湖水中的船会拖曳部分湖水和它一起运动一样。菲涅尔进一步定义了菲涅尔拖曳系数，拖曳系数如果为1，表示以太可以完全跟上物体的运动，如果是介于0、1之间，则表示以太只能部分的跟上物体的运动，为0则表示以太完全不能被拖曳，即对应静止以太。
1859年，裴索做了一个流水实验，实验的目的是考察介质的运动对在其中传播的光速有何影响，从而判断以太是否被拖曳。实验装置如下图所示。
光束由光源发出后，经过半透镜后分为两束，一束光与水流方向一致，另一束光则与水流方向相反，两束光在观察者处产生干涉条纹。裴索实验计算出以太被水拖曳的系数为0.46，而菲涅尔理论预测的系数为0.44，看起来吻合的很好。裴索实验似乎说明以太是部分被拖曳的，而这也被认为19世纪以太学说的重要胜利。
笔者对于上述实验论证过程存在以下几点疑问。 a) 菲涅尔拖曳系数是如何定义的？
b) 裴索实验考察水的运动对在其中传播的光速有何影响，并没有涉及到以太，何以证明以太存在和以太被物质拖曳？
c) 裴索实验的结果——以太被水拖曳的系数0.46是如何得出的？菲涅尔的理论预测是如何得出的？
3)迈克尔逊—莫雷实验的进一步猜想 迈克尔逊—莫雷实验的结果显示，地球相对于以太是静止的，假设太阳与以太固连，即地球和太阳运动的相对速度为零，显然是矛盾的。推理得出，静止以
太不存在这一事实。由此，笔者进一步猜想，月球与地球之间充满以太，假设①电磁场方向在绝对惯性系中严格成立（月球上近似成立），②在以太中光速各向同性，且恒等于c，而在其他参考系中光速各向异性，③地球与以太固连，月球相对于以太的速度就是月球绕地球的运动速度。在月球上，排除地球表面大气的作用，重复迈克尔逊—莫雷实验，观察干涉条纹的移动，计算出月球相对于以太的运动速度（也就是月球相对于地球的运动速度）。若干涉条纹移动幅度非常小，则说明月球与地球的相对速度几乎为零，显然不成立，进一步论证静止以太是不存在的。若由测得的条纹移动个数计算所得的月球相对于以太的速度符合现实中月球相对地球的运动速度，则说明以太仍有存在的可能性。
本实验的设计目的：在表面为真空的月球上实验，可以排除大气的影响，更符合以太的“真空不空”的内涵，实验结果更具有说服力。
参考文献
【1】 耿天明 《真空和以太》 北京石油化工学院学报 2006年12月 第14卷
第4期；
【2】 刘文浩 《恢复以太的必要性》 科技创新导报 2007年NO.36；
【3】 王锡伟 《论“以太”说的现代认识论意义》 江苏社会科学 2007年第2
期；
【4】 颜期增 《论以太假说的兴衰》 安徽教育学院学报 1997年第2期（总
第74期）；
【5】 杨世平 张波等 《电动力学》 科学出版社
【6】 方舟子 《以太是否真的存在》 http://blog.sina.com.cn/fangzhouzi 【7】 http://qiji.lamost.org/ blog/2007/05/blog-post_27.html 【8】 http://baike.http://www.china-audit.com//view/1077953.html