以太的興衰

孫元和

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

以太的興衰

孫元和

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

以太是牛頓絕對時空觀的理論基礎(chǔ)，曾在經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展中起到了不可忽視的作用.探索以太的存在及其性質(zhì)，對人類的時空觀、物質(zhì)觀、運(yùn)動觀和宇宙觀都具有重大的歷史意義.

以太；以太漂移；絕對時空

1 以太學(xué)說的起源

在物理學(xué)思想的發(fā)展中，“以太”是作為一種特殊物質(zhì)被引進(jìn)物理學(xué)的.笛卡爾1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》中也引用了以太的觀念.他認(rèn)為由于太陽周圍以太出現(xiàn)漩渦，才造成行星圍繞太陽的運(yùn)動，為了解釋物體之間的作用力，特別是萬有引力現(xiàn)象，最先賦予了以太某種力學(xué)性質(zhì).在他看來，空間被以太這種連續(xù)的媒質(zhì)所充滿，物體之間的所有作用力都是通過以太的應(yīng)變和運(yùn)動來傳遞的，不存在任何超距作用.1678年惠更斯把光振動類比于聲振動，看成是以太中的彈性脈沖，以太又充當(dāng)了光波的載體.因?yàn)榘凑债?dāng)時的力學(xué)理論，任何波動都是某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動的傳播.由于光可以在真空中傳播，因此以太必然是充滿全部空間的，包括真空和對于光是透明的各種物體之中.但是后來由于光的微粒說占了上風(fēng)，以太理論受到壓抑.

1800年以后，由于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學(xué)說重新抬頭.在波動說的支持者看來光既然是一種波，就一定要有載體存在.光能通過萬籟俱靜的虛空，證明虛空中存在充滿這種載體，這種載體就是以太.隨著光的波動說的復(fù)興，作為傳播光波的媒介，以太又成為物理學(xué)所不可或缺的一種“客觀實(shí)在”.法拉第把以太看作是力線的荷載體；而麥克斯韋則設(shè)想用以太的力學(xué)運(yùn)動對電磁現(xiàn)象作出解釋.他所提出的光的電磁理論，又把產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒介和光以太統(tǒng)一起來.在電磁波以光速傳播的預(yù)言被證實(shí)后，以太的存在便在物理學(xué)界獲得了廣泛的承認(rèn).

2 以太的特殊性質(zhì)

為了解釋光和電磁現(xiàn)象，必須賦予以太一些奇妙的性質(zhì).在19世紀(jì)，人們提出了各種各樣的以太模型，但都無法擺脫以太的神秘色彩.僅僅從參照系的觀點(diǎn)看來，如果光是在以太中的傳播過程，相對于靜止的以太，光或電磁波的傳播速度必是各向同性的.事實(shí)上，在麥克斯韋的電磁學(xué)方程組里就出現(xiàn)一個常數(shù)c，它表明電磁波在真空中總是以不變的速度c向各個方向傳播，是各向同性的.但是按照經(jīng)典的速度合成法則，相對于以太靜止和相對于運(yùn)動的兩種參照系，或者更廣義地說在不同的慣性系中，光或電磁波沿不同方向的速度就會出現(xiàn)明顯差別，不會是都等于c的.若如此，就應(yīng)該存在一個特殊的參照系，在這個參照系里，麥克斯韋方程組才取標(biāo)準(zhǔn)形式，而對于其它參考系，麥克斯韋方程組都不應(yīng)成立.這就是說，對于電磁現(xiàn)象的研究，可以定義一個最優(yōu)慣性系，即相對于以太靜止的參照系，這實(shí)際上就是牛頓的“絕對空間”，而且利用在靜止以太中以太恒定速度傳播的光信號，又可以確定出在宇宙中一切地點(diǎn)都同步的“絕對時間”.這樣，充滿整個宇宙的絕對靜止的以太，就成了牛頓絕對時空的物質(zhì)框架.因而通過“以太漂移”的實(shí)驗(yàn)探索以太的存在狀態(tài)，就成了非常重要的問題.

3 以太的消亡

由于以太是一種假想的“物質(zhì)”，為了解釋光和電磁現(xiàn)象，只能根據(jù)光和電磁現(xiàn)象的行為推測以太的特性，卻無法直接用實(shí)驗(yàn)證明以太的存在.人們從不同的角度提出有關(guān)以太的模型，得到的是相互矛盾的結(jié)論.例如有人認(rèn)為以太是一種無處不在、絕對靜止、極其稀薄的剛性“物質(zhì)”.1804年托馬斯.楊寫道“光以太充滿所有物資之中，很少受到或不受阻力，就像風(fēng)從一小叢林中穿過一樣.”也就是說，地球在以太的“汪洋大海”中遨游，在地球和以太之間，必有相對運(yùn)動.那么運(yùn)動物體是否對以太有影響，也就是說以太是否會被運(yùn)動物體所拖曳，是全部拖曳、部分拖曳還是根本不拖曳？在“以太漂移”的觀測和研究中，產(chǎn)生了許多令人困惑的難題.

3.1 光行差的觀測

1728年英國天文學(xué)家布拉德雷（J.Bradley, 1693～1762）所發(fā)現(xiàn)的“光行差”現(xiàn)象，可以看做是關(guān)于“以太漂移”的早期觀測.他發(fā)現(xiàn)從地球上觀測一顆遙遠(yuǎn)的恒星，利用光行差公式可以算出c=3.04× 105千米/秒，這是最早的光速值.這個計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測完全符合.光行差現(xiàn)象意味著，太陽相對于以太是靜止的，地球則以繞日公轉(zhuǎn)速度v在以太海洋中穿行，絲毫不對以太有拖拽作用.

3.2 阿拉果的望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)

如果以太完全不被地球拖曳，運(yùn)動著的地球就應(yīng)感到有“以太風(fēng)”，這種以太風(fēng)將會對從不同方向射到地球的星光產(chǎn)生不同的影響，1810年法國科學(xué)家阿拉果用望遠(yuǎn)鏡觀察來自不同方向恒星光線，企圖發(fā)現(xiàn)由“以太風(fēng)”的作用而產(chǎn)生的這種效應(yīng)，卻意外地得到了否定的結(jié)果.

3.3 菲涅耳提出部分曳引假說

1818年，菲涅耳在得知阿拉果的結(jié)果后，為了使兩個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能夠協(xié)調(diào)，提出了部分曳引假說.他指出，只要假設(shè)以太有確定的一部分被運(yùn)動物質(zhì)曳引，就可以同時使布萊德雷和阿拉果的實(shí)驗(yàn)得到解釋.他假設(shè)，整個宇宙間的以太是靜止著的，在以太中運(yùn)動著的透明物體，本身并不拖曳著與真空中密度相同的這部分以太一起運(yùn)動.但是，透明物質(zhì)按其折射率n的大小，吸收了比真空中更稠密的以太，超過真空密度的這部分以太，將被透明物質(zhì)拖曳著一起運(yùn)動.菲涅耳假設(shè)，介質(zhì)內(nèi)的以太密度同它的折射率n的平方成正比，因此，介質(zhì)內(nèi)超出真空的那部分以太的密度應(yīng)該同n2－1成比例，這超出部分占介質(zhì)內(nèi)以太總數(shù)的份額便是：

這就是菲涅耳的“曳引系數(shù)”.因此，對于以速度v運(yùn)動的、折射率為n的介質(zhì)中的光速c'有菲涅耳公式：

c/n為靜止介質(zhì)中的光速，后一項(xiàng)即“曳引”項(xiàng)，在真空中，由于n=1，曳引系數(shù)為零，就回到了布萊德雷的條件.1871年，英國天文學(xué)家艾里（G.B.Airy, 1801～1892）用充水的望遠(yuǎn)鏡測量了光行差，證實(shí)了菲涅耳的預(yù)言.

與菲涅耳相反，英國物理學(xué)家斯托克斯（G.G. Stokes,1819～1903）卻不相信物體可以在以太中自由穿行而不生擾動.他于1845年提出了以太被運(yùn)動物體全部拖曳的假說.他認(rèn)為，地球?qū)奄N在它表面上的那層以太完全拖曳走，離地面愈高，這種拖曳就愈減弱，直至很遠(yuǎn)處以太完全不受影響而靜止不動.他的結(jié)果能推導(dǎo)出菲涅耳的曳引系數(shù)，也可解釋阿拉果的實(shí)驗(yàn).但是由于不久就有斐索的流水實(shí)驗(yàn)支持了菲涅耳，所以斯托克斯的假說沒有受到重視.

3.4 斐索的流水實(shí)驗(yàn)

菲索的流水實(shí)驗(yàn)

1851年，法國物理學(xué)家斐索（A.H.L.Fizeau, 1819～1896），用干涉方法測定流水中的光速，以檢驗(yàn)光在運(yùn)動的透明物體中的速度是否發(fā)生變化.在圖中他讓一束單色光經(jīng)半鍍膜玻璃片的反射與透射分為兩束相干光，讓它們沿相反方向被反射鏡反射沿一閉合線再會聚到一起產(chǎn)生干涉條紋.在行進(jìn)中一束光穿過同向流動的水，另一束光則逆向穿過這同一水流.斐索的實(shí)驗(yàn)以及后來的改進(jìn)型的實(shí)驗(yàn)，都證實(shí)了菲涅耳的以太部分拖拽假說.

1868年霍克用更為嚴(yán)密的以太漂移實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了菲涅耳的部分曳引假說，從而使這一假說成了以太理論的重要支柱.但由它引出的另一條結(jié)論，那就是當(dāng)n=1時，曳引系數(shù)等于零.以太應(yīng)該處于靜止.物體在以太中運(yùn)動，從物體上看，就好象以太在漂移.地球沿軌道繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，也必沿相反方向形成以太風(fēng).這就給人們提供一種可能的途徑，通過測量以太相對于地球的漂移速度，來證實(shí)以太的存在和探求以太的性質(zhì).

3.5 邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)

直到1879年還沒有一個實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y出以太漂移速度.麥克斯韋在為《大英百科全書》撰寫的《以太》條目中寫到：“如果可以在地面上從光由一站到另一站所經(jīng)時間測到光速，那么我們就可以比較相反的方向所測速度，來確定以太相對于地球的速度.然而實(shí)際上地面測光速的各種方法都取決于兩站之間的往返行程所增加的時間，以太的相對速度等于地球軌道速度，由此增加的時間僅占整個傳播時間的億分之一，所以的確難以觀察.”這種實(shí)驗(yàn)所觀測的相對時間變動可由下式計(jì)算：

這是一個v/c的二階效應(yīng).

麥克斯韋關(guān)于地面上雙程光路實(shí)驗(yàn)不可能檢測到(v/c)2這樣微小的效應(yīng)的這段話引起了邁克耳遜的注意，并與1881年春天利用他發(fā)明的邁克爾孫干涉儀進(jìn)行了著名的以太漂移的第一次觀測.但結(jié)果卻出乎意料，邁克耳遜做出了靜止以太的假設(shè)是不正確的結(jié)論.

邁克耳遜1881年的實(shí)驗(yàn)遭到懷疑，在1886年他和莫雷合作，進(jìn)一步改進(jìn)干涉儀實(shí)驗(yàn).1887年7月，他們完成了測量工作，這就是歷史上著名的以太漂移實(shí)驗(yàn)的“零結(jié)果”.從那以后許多人不斷提高精確度運(yùn)用這種類型實(shí)驗(yàn)，去探測地球相對于以太的速度，得到的都是否定的結(jié)果.

3.6 洛奇的轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)

邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對菲涅耳部分曳引假說是一個致命打擊.邁克耳遜和莫雷傾向于斯托克斯的完全曳引假說，但是從斯托克斯的完全曳引假說出發(fā)，必然會引出一個結(jié)論，即在運(yùn)動物體表面有一速度梯度的區(qū)域.如果靠得很近，總可以察覺出這一效應(yīng).

洛奇鋼盤實(shí)驗(yàn)原理圖

于是英國物理學(xué)家洛奇在1892年做了一個鋼盤轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，以試驗(yàn)以太的漂移.他把兩塊靠得很近的大鋼鋸圓盤平行的安裝在電機(jī)的軸上，讓它們高速旋轉(zhuǎn).一束光線經(jīng)半鍍銀面分成相干的兩路，分別沿相反方向，繞四方框架在鋼盤之間走三圈，再會合于望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生干涉條紋.

如果鋼盤能帶動其附近的以太旋轉(zhuǎn)，則兩路光線的時間差會造成干涉條紋的移動.但是，不論鋼盤轉(zhuǎn)速如何，鋼盤正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)造成的條紋都是微不足道的.洛奇的鋼盤實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)致人們對斯托克斯的完全曳引假說也失去了信心，這就迫使人們接受非茲杰拉德在1889年和洛倫茲在1892年分別提出的收縮假說.

愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論以后，利用光速不變原理對上述實(shí)驗(yàn)和原理都可以做出科學(xué)解釋，而無需構(gòu)造任何具體的以太模型，伴隨以太的消亡，牛頓的絕對時空觀被否定，物理學(xué)進(jìn)入了一個新的時代.

〔1〕郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史（第2版）.清華大學(xué)出版社.

〔2〕李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程.科學(xué)出版社.

〔3〕東南大學(xué)等七所工科院校.物理學(xué)（第五版）.高等教育出版社.

〔4〕程守洙，江之永.普通物理學(xué)（第五版）.高等教育出版社.

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1673-260X（2010）02-0011-03