曾經(jīng)席卷整個(gè)物理學(xué)的“以太理論”，為什么是錯(cuò)誤的？

公元前300多年，亞里士多德提出了“以太”，稱(chēng)其為除水、火、氣、土之外第五種構(gòu)成世界的元素。在之后的兩千余年，以太好像被人們淡忘了，直到經(jīng)典力學(xué)時(shí)代才被賦予了全新的科學(xué)使命。此后，光的波動(dòng)說(shuō)直接將以太推上神壇。至此，以太學(xué)說(shuō)成為正統(tǒng)理念，統(tǒng)治物理學(xué)界100多年。

亞里士多德

19世紀(jì)末，狹義相對(duì)論即將問(wèn)世。那時(shí)，赫茲、洛倫茲已經(jīng)看到了相對(duì)論的曙光，但卻被最后一道門(mén)檻拒之門(mén)外，而這道門(mén)檻就是以太。可以說(shuō)，在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，誰(shuí)敢打破以太的桎梏，誰(shuí)就可以率先提出狹義相對(duì)論，直接在物理學(xué)界封神。

從以太的提出、發(fā)展、衰落，直至消亡，前后歷經(jīng)了2000余年，所以本期就讓我們來(lái)了解一下以太發(fā)展的始末。

有機(jī)物理論與自然機(jī)械觀

中世紀(jì)的歐洲，人們習(xí)慣用理解人類(lèi)和動(dòng)物行為的方式來(lái)理解自然現(xiàn)象，以生物的行為來(lái)解釋諸如天體，拋物等物體的運(yùn)動(dòng)，這就是有機(jī)物理論。

中世紀(jì)的基督教會(huì)正是這一理論的堅(jiān)定推崇者，在教會(huì)眼里，天體的運(yùn)動(dòng)被某個(gè)更高等的自然精神力量控制了，而維持永恒不變的運(yùn)動(dòng)正是這種精神力量的本能，就如同趨利避害是低等有機(jī)體的本能一樣。

在奉行地心說(shuō)的教會(huì)眼中，天體的運(yùn)動(dòng)軌跡是這樣的。

相較于哥白尼的日心說(shuō)，地心說(shuō)所描述的天體運(yùn)動(dòng)就顯得雜亂無(wú)章，地心說(shuō)是有機(jī)物理論孕育出的必然產(chǎn)物。盡管這一觀念在本質(zhì)上相當(dāng)愚昧，卻被中世紀(jì)基督教會(huì)封為神學(xué)思想的基礎(chǔ)，并且深深地烙印在民眾的觀念中。

這是布魯諾

布魯諾

文藝復(fù)興時(shí)期的思想家，哲學(xué)家和自然科學(xué)家。在他眼里，教會(huì)所推崇的有機(jī)物理是愚昧而無(wú)知的，布魯諾用日心說(shuō)和無(wú)限宇宙論炮轟有機(jī)物理論，被教會(huì)認(rèn)定為異端，活活燒死在羅馬鮮花廣場(chǎng)。布魯諾雖然死了，可是他的思想?yún)s撼動(dòng)了有機(jī)物理論的地位。

從17世紀(jì)開(kāi)始，伽利略和牛頓在力學(xué)上做出了一系列影響廣泛的研究，促成了物理學(xué)史上第一次重大的革命，自然機(jī)械觀得以形成。

牛頓

在這種觀念中，杠桿、滑輪等簡(jiǎn)單的機(jī)器可以完美地解釋自然現(xiàn)象，特別是在萬(wàn)有引力的加持下，使得機(jī)械觀獲得了巨大的成功。至此，機(jī)械論替代有機(jī)物理論成為自然科學(xué)的范本。

直到1870年，機(jī)械論達(dá)到了頂峰。甚至成為衡量科學(xué)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。而以太，正是這種機(jī)械論觀念下的必然產(chǎn)物。

以太與引力

太陽(yáng)既沒(méi)接觸也沒(méi)用繩子拖拽地球，為什么地球會(huì)乖乖繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)？

在那個(gè)沒(méi)有場(chǎng)概念的時(shí)代，人類(lèi)自然會(huì)認(rèn)為，物體與物體之間的作用勢(shì)必要通過(guò)接觸來(lái)傳遞，不管是直接接觸還是間接接觸。

天體引力，跨越億萬(wàn)公里，之間空無(wú)一物，這種超距作用完全不符合常識(shí)中的邏輯經(jīng)驗(yàn)。

哲學(xué)家笛卡爾認(rèn)為：物體之間所有的作用力都必須通過(guò)媒介來(lái)傳遞，不存在所謂的超距作用。因此，空間中不可能是一無(wú)所有的，而是充滿(mǎn)著一種叫以太的物質(zhì)，以太雖然無(wú)法被人體所感知，但卻能傳遞作用力。

笛卡爾

牛頓對(duì)超距作用也感到困惑，他在給牧師本特利的一封信中曾寫(xiě)道：“ 一個(gè)物體可以通過(guò)真空超距地作用在另一個(gè)物體上，而不需要任何其他介質(zhì)，這種觀點(diǎn)在我看來(lái)是荒唐之極的！”

牛頓默認(rèn)了笛卡爾的觀點(diǎn)，認(rèn)為以太是引力傳遞的介質(zhì)。

牛頓

以太與光波

1800年，托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象以及光的偏振性，徹底讓波動(dòng)說(shuō)力壓微粒說(shuō)，成為光本質(zhì)的主流學(xué)說(shuō)。

這時(shí)候，物理學(xué)家對(duì)光波的認(rèn)識(shí)還停留在機(jī)械波的概念上，太空中沒(méi)有任何介質(zhì)，遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光卻仍能到達(dá)地球，基于機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)的特性。

人們認(rèn)為，必然存在某種介質(zhì)在太空中承載了光的傳播。于是，以太再一次以介質(zhì)的身份登上了科學(xué)史的舞臺(tái)。

以太，絕對(duì)靜止且充滿(mǎn)宇宙各個(gè)角落，充當(dāng)了光波與力傳遞的介質(zhì)。如果沒(méi)有以太，當(dāng)時(shí)的經(jīng)典物理學(xué)就不能自洽，將會(huì)面臨坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。所以當(dāng)時(shí)物理學(xué)家普遍認(rèn)為以太絕對(duì)存在且不可撼動(dòng)。

以太的驗(yàn)證

在那個(gè)時(shí)代，驗(yàn)證以太是許多科學(xué)家追求的目標(biāo)，可很多實(shí)驗(yàn)由于設(shè)計(jì)和誤差等原因都沒(méi)能成功。直到邁克爾遜出現(xiàn)，對(duì)以太的驗(yàn)證才步入正軌。

1879年，他聯(lián)合愛(ài)德華·莫雷多次改進(jìn)干涉儀，并設(shè)計(jì)了對(duì)以太風(fēng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

這是邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)所用的干涉儀

邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)干涉儀

實(shí)驗(yàn)的大致原理是這樣的：假如光的傳播就像是平靜水面上的一串漣漪，那么光波的速度相對(duì)于以太就是恒定的，然而觀察者所觀察的光線(xiàn)傳播速度可能會(huì)大于或者小于光線(xiàn)本身在以太中傳播的速度，這就是以太風(fēng)，其數(shù)值取決于觀察者是向著光源運(yùn)動(dòng)還是遠(yuǎn)離光源運(yùn)動(dòng)。

如果地球沒(méi)有拖拽以太，地球以每秒接近30公里的速度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，就必然迎面受到每秒30公里的“以太風(fēng)”。

邁克爾遜和莫雷一開(kāi)始就沒(méi)質(zhì)疑過(guò)以太，而是直接去測(cè)量以太風(fēng)。可實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是“不僅沒(méi)測(cè)到以太風(fēng)，反倒讓以太的存在都成了問(wèn)題。”

測(cè)量結(jié)果顯示：地球相對(duì)于以太的“漂移速度”為零，也就是說(shuō)以太風(fēng)根本不存在。莫雷始終不愿意相信自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，則繼續(xù)與戴頓·米勒重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果依舊沒(méi)有測(cè)出以太風(fēng)。

即便實(shí)驗(yàn)事實(shí)了然可見(jiàn)，但物理學(xué)家們依然篤信以太。

以太與電磁波

1864年，麥克斯韋建立了完整的電磁學(xué)理論，預(yù)測(cè)了電磁波的存在，并斷言光就是電磁波。

麥克斯韋

1888年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁波的存在，當(dāng)他用麥克斯韋理論描述電磁波現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)將以太引入，計(jì)算非常繁瑣復(fù)雜，若去掉以太，計(jì)算起來(lái)會(huì)簡(jiǎn)單許多。

倘若赫茲堅(jiān)信“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”的信念，就會(huì)摒棄以太，但作為一個(gè)老保守派，放棄以太是不可能放棄的，這輩子都不可能放棄！

赫茲

后來(lái)，有一位物理學(xué)家以絕對(duì)靜止的“以太”為參考系，從經(jīng)典的伽利略變換出發(fā)

利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)了麥克斯韋方程組在運(yùn)動(dòng)參考系中的協(xié)變方程，這就是著名的“洛倫茲變換”。

一開(kāi)始，洛倫茲引入以太參考系，推導(dǎo)“洛倫茲變換”的方向上就是錯(cuò)的，那么，他與狹義相對(duì)論失之交臂也就不足為奇。

洛倫茲

這是亨利·龐加萊

亨利·龐加萊

1902年，龐加萊在《科學(xué)的假設(shè)》中對(duì)絕對(duì)時(shí)空觀和以太學(xué)說(shuō)提出尖銳的批判。

1904年，龐加萊提出了“相對(duì)性原理”。

1905年，龐加萊基本完成了《電子的電動(dòng)力學(xué)》，此時(shí)龐加萊已經(jīng)十分接近狹義相對(duì)論的本質(zhì)，不過(guò)他的論文還沒(méi)有正式發(fā)表，愛(ài)因斯坦的論文——《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》就已經(jīng)橫空出世，前后只差了6個(gè)月。

以太的否定，狹義相對(duì)論誕生

這是馬赫

馬赫

曾痛批絕對(duì)時(shí)空觀和以太學(xué)說(shuō)，他并不那么出名，可其思想?yún)s深深影響了愛(ài)因斯坦。作為馬赫的粉絲，愛(ài)因斯坦繼承了馬赫的批判思想，徹底拋棄了以太，率先提出狹義相對(duì)論。

愛(ài)因斯坦

為什么說(shuō)否定以太是狹義相對(duì)論誕生的關(guān)鍵點(diǎn)？

狹義相對(duì)論有兩個(gè)基本假設(shè)：

第一條：在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式

如果以太不剔除，絕對(duì)靜止的以太參考系就是獨(dú)立于其他參考系的特殊存在。

第一條：光速不變?cè)恚凑婵罩械墓馑賹?duì)不同慣性系的觀察者來(lái)說(shuō)都是c。

如果以太不剔除，真空中的光速不變僅僅只是相對(duì)于以太而言是成立的，光速一旦脫離以太參考系，就會(huì)因觀察者而改變。

只要以太的概念在物理學(xué)中持續(xù)發(fā)揮作用，狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)就不存在普適性。

縱觀以太的發(fā)展史，我們不難發(fā)現(xiàn)，任何偉人的成就都無(wú)法突破時(shí)代的局限性，沒(méi)有先人的前赴后繼，也就沒(méi)有愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。縱使愛(ài)因斯坦力挽狂瀾，也只不過(guò)是站在前人的肩膀上，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，狹義相對(duì)論更像是群星璀璨的結(jié)果。