“以太論”的發(fā)展及其物理教育價(jià)值

梁 瑤 袁海泉 桑芝芳（蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部，江蘇蘇州 215006）

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“以太論”的發(fā)展及其物理教育價(jià)值

梁 瑤 袁海泉 桑芝芳
（蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部，江蘇蘇州 215006）

摘 要“以太”是物理學(xué)中古老而富有爭(zhēng)議的一個(gè)極其重要的概念，它伴隨著物理學(xué)，尤其是經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展而發(fā)展．以太論的發(fā)展過程，是人類科技發(fā)展道路上曲折的進(jìn)步歷程．因此在物理教學(xué)應(yīng)強(qiáng)化知識(shí)建構(gòu)過程的背景下，“以太論”具有重要的物理教育價(jià)值．本文簡(jiǎn)要論述了“以太論”在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷史、內(nèi)涵演變以及現(xiàn)代物理學(xué)中對(duì)以太的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上探討了“以太論”的物理教育價(jià)值．

關(guān)鍵詞以太；發(fā)展；經(jīng)典物理學(xué)；現(xiàn)代物理學(xué)；物理教育價(jià)值

“以太”是物理學(xué)發(fā)展中一個(gè)極其重要的概念，它的形成與發(fā)展伴隨著科學(xué)的萌芽、發(fā)展和進(jìn)步，它見證了物理學(xué)，尤其是經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展．但是物理教學(xué)中物理教師常?；乇堋耙蕴毕嚓P(guān)問題的教學(xué)，其原因是認(rèn)為“以太”是被否定了的物理假設(shè)，甚至認(rèn)為“以太”是錯(cuò)誤的概念，不具有教育教學(xué)價(jià)值．在物理教學(xué)應(yīng)強(qiáng)化知識(shí)建構(gòu)過程的背景下，本文簡(jiǎn)要概述了“以太”論的發(fā)展過程及其內(nèi)涵演變，在此基礎(chǔ)上探討了“以太論”的物理教育價(jià)值．

1 “以太論”發(fā)展簡(jiǎn)述

“以太”是為了解釋某些難以理解的物理現(xiàn)象而引入的一個(gè)物理概念，它的含義隨著物理學(xué)的發(fā)展而變化，它經(jīng)歷了哲學(xué)以太、機(jī)械以太、光以太及電磁以太等，每種以太在一定程度上促進(jìn)了當(dāng)時(shí)物理學(xué)的發(fā)展．

1．1 哲學(xué)以太

“以太”本來是哲學(xué)概念，起源于古希臘，最初見于一則神話傳說：暗神伊利波斯與夜神尼昔絲結(jié)合，生出個(gè)精靈氣旺的宙斯神來，這就是以太［1］．在那個(gè)時(shí)候，以太表示精靈之氣，彌漫于宇宙．亞里士多德有句名言：“大自然是厭惡真空的”．他提出了五元素說，認(rèn)為月層以下的一切物體都是由土、水、氣、火四元素組成的，月層以上的天體則是由更純潔的第五種元素“以太”構(gòu)成．“以太”處在整個(gè)宇宙的最高處，包圍著神圣的物體以及它們有次序的軌道運(yùn)動(dòng)［2］．此外，以太在古希臘科學(xué)中又用來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)．俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫曾把以太作為原子序數(shù)為零的物質(zhì)列入他的元素周期表中．

1．2 機(jī)械以太

法國(guó)科學(xué)家笛卡兒最先將以太引入自然科學(xué)，并賦予它力學(xué)性質(zhì)，提出了引力的“以太渦旋說”［3］．他認(rèn)為不存在超距作用，只有當(dāng)物體相互接觸時(shí)才能產(chǎn)生相互作用和運(yùn)動(dòng)．他認(rèn)為“虛空”是不可能的，整個(gè)宇宙充滿著一種特殊的易動(dòng)物體，這就是以太，以太處于不停的激烈運(yùn)動(dòng)中，各部分相互作用，形成許多大小、速度等不同的旋渦，太陽(yáng)就處在一個(gè)大旋渦的中心，周圍的旋渦帶動(dòng)著行星，地球與行星又帶著它們周圍的小旋渦．笛卡兒的“以太渦旋說”的意義是在于它試圖根據(jù)力學(xué)而不是以泛靈論觀點(diǎn)解釋宇宙．

1．3 光以太

當(dāng)時(shí)，人們對(duì)于光的性質(zhì)有兩種不同的假設(shè)：一種是牛頓繼承了笛卡兒提出的微粒說．微粒說認(rèn)為光是服從力學(xué)定律的光微粒．牛頓認(rèn)為，以太不是一種單一的物質(zhì)，因而能傳遞各種作用，例如電、磁和引力．此外，它也可以傳播振動(dòng)，但以太的振動(dòng)不是光．另一種假設(shè)是光的波動(dòng)說．光的波動(dòng)說最初是由胡克提出，并由惠更斯進(jìn)一步發(fā)展．波動(dòng)學(xué)說認(rèn)為光是一種以波動(dòng)形式在空間傳播的機(jī)械波．在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，人們對(duì)波的理解只局限于某種媒介物質(zhì)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)，這種媒介物質(zhì)就稱為波的荷載物，例如空氣就是聲波的荷載物．為了說明光波的荷載物，惠更斯把機(jī)械以太引進(jìn)光學(xué)領(lǐng)域，成為光以太，提出光波的荷載物就是光以太，光以太是包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中．光以太的概念是與光的波動(dòng)學(xué)說相聯(lián)系的，是作為光波的荷載物提出的，因此光以太對(duì)于理解光的波動(dòng)學(xué)說具有重要意義．

1．4 電磁以太

正當(dāng)人們?yōu)榱岁U述光媒而大費(fèi)腦筋的時(shí)候，法拉第發(fā)現(xiàn)了空間具有電和磁的性質(zhì)，他引入了力線來描述電作用和磁作用．他曾提出用力線來代替以太并認(rèn)為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個(gè)點(diǎn)狀中心附近的力線場(chǎng)．在1851年他又寫到“如果接受光以太的存在，它可能是力線的荷載物．”但法拉第的觀點(diǎn)并未被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家所接受．1861年，麥克斯韋又用電場(chǎng)和磁場(chǎng)概念發(fā)展了法拉第的力線模型，他認(rèn)為整個(gè)空間都充滿了由磁力線構(gòu)成的磁力管，各磁力管內(nèi)都充滿了以太，而且都在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．后來，麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程組，他從這個(gè)非常簡(jiǎn)潔而優(yōu)美對(duì)稱的綜合結(jié)果出發(fā)，指出電磁場(chǎng)是在以太中傳播的橫波．麥克斯韋為了說明電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形成電磁波的傳播過程，將光以太引申為電磁以太．1888年，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在．根據(jù)麥?zhǔn)戏匠探M求解電磁波的波速與實(shí)際測(cè)出的光速一致，人們意識(shí)到光是一種以波的形式通過以太傳播的電磁擾動(dòng)，也就是說，光就是客觀存在著的電磁波，并將傳播電力和磁力的電磁以太和當(dāng)時(shí)認(rèn)為傳播光的光以太統(tǒng)一起來．

另外，牛頓在闡明運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，也曾選用了固定參照系，即以太慣性系，由此可以邏輯地演繹出牛頓提出的絕對(duì)時(shí)空觀，從而證明牛頓提出的全部規(guī)律的正確性．

19世紀(jì)90年代，洛倫茲提出了電子論，他把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸之于其中與原子相聯(lián)系的電子效應(yīng)，以太除了荷載電磁振動(dòng)以外，幾乎退化為某種抽象的標(biāo)志．著名的邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)否定了地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，也就是說以太進(jìn)一步失去了絕對(duì)參考系的性質(zhì)．隨著狹義相對(duì)論的確立以及對(duì)場(chǎng)的物質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，“以太論”漸漸被人們所拋棄．

1．5 以太與現(xiàn)代物理學(xué)

隨著現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們又逐漸認(rèn)識(shí)到真空并非是絕對(duì)的空，那里存在著不斷的漲落過程（虛粒子的產(chǎn)生以及隨后的湮沒），這種真空漲落是相互作用著的場(chǎng)的一種量子效應(yīng)．真空態(tài)代表場(chǎng)的基態(tài)，它是簡(jiǎn)并的，實(shí)際的真空是這些簡(jiǎn)并態(tài)中的某一特定狀態(tài)．粒子物理中出現(xiàn)的“真空極化”和“真空對(duì)稱性自發(fā)破缺”等觀點(diǎn)使“以太”的某些精神（不存在超距作用，不存在絕對(duì)空虛意義上的真空）仍然存在，甚至有物理學(xué)家認(rèn)為現(xiàn)代物理學(xué)中的“真空”可能就是“以太”，而且關(guān)于“以太漂移”實(shí)驗(yàn)仍在不斷探索中［7－9］．

關(guān)于引力的本源問題，物理學(xué)中提出“引力子（Graviton）”概念，它是一個(gè)傳遞引力的假想粒子，在量子力學(xué)中，引力子被定義為一個(gè)自旋為2、質(zhì)量為零的玻色子，引力子的提出，使量子理論試圖解釋引力問題．因此也有學(xué)者認(rèn)為這就是“引力以太”模型．［10］

暗物質(zhì)與暗能量是當(dāng)代物理與天文學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題，它的客觀存在性已經(jīng)被證實(shí)，暗能量在宇宙中約占到73%，暗物質(zhì)約占到23%，普通物質(zhì)僅占到4%，預(yù)示著人們認(rèn)識(shí)到的宇宙只占整個(gè)宇宙的4%，而占96%的東西竟然不為我們所知．“暗物質(zhì)”和“暗能量”的本質(zhì)問題還不為人類所知，在美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)布一份題為《建立夸克與宇宙的聯(lián)系：新世紀(jì)11大科學(xué)問題》的研究報(bào)告所列出的11個(gè)大問題中將其分列為第一、第二位，也有科學(xué)家將此問題和“以太”觀念聯(lián)系在一起．

由此可以看出，“以太”觀念和現(xiàn)代物理學(xué)的新觀念息息相關(guān)，但是這已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的“以太論”．

總之，以太論從14世紀(jì)誕生后，經(jīng)歷了發(fā)展壯大、衰落、復(fù)蘇、再發(fā)展壯大、再衰落，至直19世紀(jì)初的滅亡，當(dāng)今可能復(fù)蘇的歷史進(jìn)程．以太的發(fā)展道路，是人類科技道路上曲折的進(jìn)步歷程，是人類對(duì)大自然認(rèn)識(shí)水平不斷提高與完善的歷程．因此我們要抱著科學(xué)的態(tài)度，正確認(rèn)識(shí)“以太論”在物理學(xué)發(fā)展中的重要作用，發(fā)揮它的物理教育價(jià)值．

2 “以太論”的物理教育價(jià)值分析

2．1 構(gòu)建學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系，理解知識(shí)的本質(zhì)

以太最初是應(yīng)用在哲學(xué)里，物理學(xué)家把它引入物理科學(xué)，并且它的發(fā)展貫穿了力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等物理學(xué)發(fā)展的重要時(shí)期．以太在不斷被肯定和否定的變化中推動(dòng)著物理學(xué)的發(fā)展．也就是說，從根本上講，人的認(rèn)識(shí)是一個(gè)創(chuàng)造和利用概念進(jìn)行理論構(gòu)造的過程，沒有概念建構(gòu)過程，就不會(huì)獲得任何真理．在進(jìn)行基礎(chǔ)物理教學(xué)時(shí)，我們應(yīng)利用核心概念組織開展教學(xué)，構(gòu)建核心概念間的聯(lián)系，使學(xué)生理解知識(shí)的本質(zhì)．另外，教師可以在課堂教學(xué)中穿插史料，以物理學(xué)史作為線索進(jìn)行部分知識(shí)的教學(xué)，使學(xué)生體會(huì)物理學(xué)研究的方法．例如，在光的波粒二象性教學(xué)時(shí)，可以以探究的形式，滲透物理學(xué)史：科學(xué)家探究光的本質(zhì)依據(jù)什么提出了哪些假設(shè)，最終又是如何來驗(yàn)證假設(shè)，讓學(xué)生自己“參與”到物理知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程，自主構(gòu)建知識(shí)體系，理解知識(shí)的本質(zhì)．

此外，學(xué)生也感受到各個(gè)學(xué)科或者某個(gè)學(xué)科的知識(shí)之間具有很大的聯(lián)系．例如，以太貫穿于力學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)中，它們具有哪些相同或者不同的地方，本質(zhì)原因是什么呢？學(xué)生在探究思考的同時(shí)加深了對(duì)知識(shí)的理解．

2．2 培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神

以太論的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程，科學(xué)家在探究過程中肯定、否定、再肯定……探究以太的同時(shí)，推動(dòng)物理學(xué)迅速發(fā)展．光以太論時(shí)期，胡克與惠更斯并沒有因?yàn)榕ｎD堅(jiān)持微粒說而終止自己的研究，他們敢于質(zhì)疑，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，提出了與之相悖的波動(dòng)說．麥克斯韋在探究以太的本質(zhì)時(shí)，提出麥克斯韋光的電磁場(chǎng)理論．赫茲治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，積極探索，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在．

在基礎(chǔ)物理教學(xué)時(shí)，教師可以在課堂上講述相關(guān)物理學(xué)家的事跡．通過以太論的例子，學(xué)生能夠體會(huì)到質(zhì)疑精神在物理學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新中所起的重大作用．學(xué)生也了解到歷史上有許多科學(xué)家犯了錯(cuò)誤，也有許多科學(xué)家敢于質(zhì)疑，敢于創(chuàng)新，最后獲得成功．這會(huì)很大程度上增強(qiáng)學(xué)生質(zhì)疑的勇氣和決心．

2．3 有助于科學(xué)方法與辯證唯物主義教育

在物理學(xué)的長(zhǎng)期發(fā)展中，發(fā)展了許多物理學(xué)的研究方法，如理想模型、理想過程、理想實(shí)驗(yàn)等理想化方法，另外還有如觀察和實(shí)驗(yàn)、分析和綜合、歸納和演繹、類比和聯(lián)想、猜測(cè)和試探、佯謬和反證、邏輯推理、科學(xué)假設(shè)等方法，所有這些研究方法促成了許多定律的發(fā)現(xiàn)．

機(jī)械以太、光以太和電磁以太，它們都是科學(xué)家在探究過程中遇到無法解決的問題時(shí)提出來的猜想與假設(shè)，但這不是最終的結(jié)果．提出假設(shè)之后，科學(xué)家有的利用實(shí)驗(yàn)方法，例如為了驗(yàn)證光的波動(dòng)性，進(jìn)行光的衍射和折射等實(shí)驗(yàn)；有的利用類比和聯(lián)想的方法，例如麥克斯韋把電場(chǎng)、磁場(chǎng)與流速場(chǎng)類比，流管里充滿了流體而磁力場(chǎng)里充滿了以太．在此基礎(chǔ)上，他建立了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論．通過結(jié)合科學(xué)家的真人真事，不但可以讓學(xué)生掌握科學(xué)方法，還能讓學(xué)生的思維能力得到訓(xùn)練．這樣再遇到相似問題時(shí)，學(xué)生能夠舉一反三，這對(duì)其他學(xué)科的學(xué)習(xí)也是有益的．

以太思想的演變一直伴隨著人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的深入．在科學(xué)歷史發(fā)展的過程中不斷被賦予新的內(nèi)涵，客觀上起到了理論基礎(chǔ)的作用，即使在被新的理論拋棄時(shí)也會(huì)從反面對(duì)相關(guān)理論的發(fā)展、完善和創(chuàng)新提供很大的啟示．

2．4 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是指人們通過一定的過程和方法對(duì)客觀事物和現(xiàn)象進(jìn)行探索、質(zhì)疑和研究．科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一．科學(xué)探究的形式是多種多樣的，其要素主要有：提出問題、猜想與假設(shè)、制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作．

事實(shí)上，以太論最根本的問題在于以太是什么的問題．這個(gè)問題的探究經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的階段，不同的科學(xué)家在不同時(shí)期經(jīng)過探究提出了不同觀點(diǎn)，他們有成功和失敗、喜悅與懊惱、曲折與反復(fù)、分歧與爭(zhēng)論．教師在教學(xué)時(shí)可以講述科學(xué)家探究“以太”的歷史，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究的過程充滿了艱辛與挑戰(zhàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的興趣、科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神．

參考文獻(xiàn)

［1］ 北京大學(xué)哲學(xué)系．古希臘羅馬哲學(xué)［M］．北京：商務(wù)印書館，1961．

［2］ 苗力田．亞里士多德全集（第2卷）［M］．北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，1991．

［3］ 關(guān)洪．物理學(xué)史選講［M］．北京：高等教育出版社，1994．

［4］ 譚暑生．以太論的歷史發(fā)展［J］．自然辯證法研究，1987（03）：7－17．

［5］ 王志?。蕴嬖谖幢环穸ǎ跩］．物理，1984（06）：332－335，378．

［6］ 曹昌褀．以太論的興衰［J］．大學(xué)物理，1982（3）：6－10．

［7］ Consoli M，Pluchino A，Rapisarda A．Basic randomness of nature and ether－drift experiments［J］．Chaos，Solitons ＆Fractals，2001，44：1089－1099．

［8］ Consoli M，Costanzo E．From classical to modern ether－drift experiments：The narrow window for a preferred frame［J］．Physics Letters A，2004，333：355－363．

［9］ Consoli M，Pagano A，Pappalardo L．Vacuum condensates and‘ether－drift’experiments［J］．Physics Letters A，2003，318：292－299．

［10］ Mayeul Arminjon．Ether theory of gravitation：Why and how？［EB／OL］．http：／／arxiv．org／abs／gr－qc／0401021v2

THE DEVELOPMENT OF“ETHER THEORY”AND ITS VALUE OF PHYSICAL EDUCATION

Liang Yao Yuan Haiquan Sang Zhifang
（College of Physics，Optoelectronics and Energy，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215006）

AbstractEther is a very important，old and controversial concept in physics，with the development of physics，especially for classical physics．The development process of ether theory is the progress of human development of science and technology．Under the back ground that the physics teaching should strengthen the construction process of knowledge，the ether theory has an important value on physical education．In this paper，the history and evolution of ether theory are investigated in classical physics field，such as mechanics，electromagnetism，optics，etc．And the understanding of ether is also discussed in modern physics field．On this basis，the physical education value of ether theory is explored．

Key wordsether；development；classical physics；modern physics；physical education value

通訊作者：桑芝芳，女，教授，主要從事物理教學(xué)論，基礎(chǔ)物理教學(xué)與研究工作．sangzf＠suda．edu．cn

作者簡(jiǎn)介：梁瑤，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論；袁海泉，男，副教授，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論．

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題（編號(hào)：D／2013／01／105）和中國(guó)教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)2013—2016年全國(guó)物理教育科研重點(diǎn)課題“基于中學(xué)教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物理教師教學(xué)研究能力培養(yǎng)研究”的階段性研究成果之一．

收稿日期：2015－08－20