原標題:以太學說的發展和以太內涵的演變
摘要:以太是物理學中最古老且最富有爭議的一個概念,伴隨著經典物理學的發展而發展。以太學說的每一次興起總是伴隨著一些物理學基本問題的提出,而以太學說的衰落也總是伴隨著人們對這一基本問題認識的深化和進步。本文論述了以太學說在力學、光學、電磁學等經典物理學領域的發展歷史,并闡明隨著經典物理學的成熟和現代物理學的建立,以太模型已經被目前主流物理學家眼中更完美的現代物理學理論所放棄,以太存在的土壤也已經消失。
關鍵詞:以太;相互作用;演變
以太從被引入物理學之日起,一直吸引著許多當時一流的哲學家、物理學家的關注。從笛卡爾、惠更斯、牛頓到菲涅耳、法拉第、麥克斯韋、洛倫茲、愛因斯坦等一流物理學家都曾討論過以太的性質,并促進以太內涵的演變。因此,以太是物理學史中一個極其重要的概念[1].了解以太的發展及其內涵的演變過程,有助于加深對相互作用、空間等物理學基本概念的理解,有助于對一些物理學基本問題認識深化過程的理解。
目前高校所廣泛采用的物理學教材中,大多是在講述邁克耳孫-莫雷實驗時以其結果作為“否定以太存在”的直接證據并導致相對論誕生的的情境下提到以太的[2],然而此前對以太這一歷史久遠、內涵豐富的概念大多未作介紹。容易造成以太學說消亡的原因僅僅只是由于邁克耳孫-莫雷實驗的錯覺。事實上,邁克耳孫-莫雷實驗只是證實了作為“絕對靜止參考系”的以太不存在; 同時,現代物理中對場和物質波的新認識也使得作為“傳遞相互作用的介質”和“承載電磁波的介質”的以太失去了存在的必要。本文力圖通過描述對以太在物理學發展過程中內涵的演變,來展現以太學說的來龍去脈和人們對相互作用機制及空間等基本問題認識逐步深化的過程,同時闡明正是由于相對論和量子力學為兩大支柱的現代物理學的建立和發展,才徹底鏟除了以太存在的土壤。
1以太的起源
以太(Ether) 來源于希臘語aither,有著充滿天空的物質的意思,被古希臘的哲學家們認為是組成世界的不可缺少的物質[3].以太這個概念一開始就與宇宙的結構和物質的構成等哲學命題緊密相連,有著濃厚的哲學色彩同時伴隨著爭議。古希臘的哲學家原子論者德謨克利特 (Democritus,約B. C.460-370) 認 為 宇 宙 是“原 子 加 虛 空 (atom andvoids)”,而柏拉圖(Plato,約B. C. 427-347) 認為宇宙是由水、火、土、氣、以太五種元素組成,亞里士多德(Aristotle,B. C. 384-322) 認為自然界不可能有虛空,天體之間充滿了以太。此時,以太開始具備彌散在整個空間,是一種連續介質,不存在絕對虛空等基本特點,其巨大的外延為后來物理學家賦予以太不同的物理性質提供了廣闊的空間。
2以太走進力學
2. 1傳遞相互作用的介質以太
最先將以太引入物理學并賦予以太一定力學性質的是法國哲學家、物理學家、數學家笛卡爾(Des-cartes,1596-1650)[4].為了解決物體之間相互作用力本質的問題,他繼承并發展了亞里士多德的觀點,在1644年發表的《哲學原理》中引用了以太的概念,描述以太是“一種看不見、摸不著、連續的、可壓縮的媒介物質”; 物體之間的相互作用力必須通過中間媒介以太傳遞,不存在超距作用; 空間充滿以太,不存在空無一物的空間。
笛卡爾在這個以太模型的基礎上,進一步提出了“以太-旋渦”理論[4,5],用于解釋宇宙天體的形成及其運動。他首次將天體之間的運動歸因于力學而非當時廣泛流行的泛靈論( 萬物皆有靈,天體在神的支配下運動) ,排除了物質世界和物體運動中“神”的作用,為當時的物理學擺脫宗教的控制走上科學的發展道路邁出了重要的一步,對牛頓萬有引力的誕生起到了思想啟蒙作用。
然而,牛頓(Newton,1642-1727) 于1687年出版的《自然哲學之數學原理》中提出的萬有引力定律使以太學說受到了首次打擊。由于最初笛卡爾的追隨者排斥牛頓的萬有引力理論,導致牛頓的追隨者反對笛卡爾的哲學體系以及“以太-旋渦”理論。盡管牛頓本人反對超距作用,如他曾在1693年給本特利(R. Bentley,1662-1742) 的信中提及,“沒有其他東西作為媒介,一個物體可以超越距離,通過真空對另一個物體產生作用……在我看來這種思想是極為荒謬的……”,但由于牛頓的力學方程不顯性地依賴以太,而被牛頓的追隨者解讀為力的超距作用,并以此來反對笛卡爾的哲學思想。隨著牛頓萬有引力理論的巨大成功,超距作用觀點成為主流思想,從而,以作為傳遞相互作用力的介質為內涵的以太,被慢慢拋棄。