如何理解以太 - 国家科技图书文献中心.doc

1如何理解以太如何理解以太孟庆勇 编著自以太(ether)概念提出以来，在科学历史发展的不同时期人们对于以太有着不同的理 解，直到今天人们对于以太仍有许多种不同的理解，以太问题成为目前物理学界乃至哲学 界学术讨论的一个焦点以太问题迟迟得不到解决，严重阻碍了物理学的发展，已经成为 发展物理学的最大障碍本文搜集和整理了一部分有代表性的以太观点的历史资料，从这 些历史资料中我们可以获得对以太认识的有意义的启发 以太概念最早是由古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前 384～公元前 322）提 出的，以太最初被指为青天和上层大气亚里士多德认为运行的天体是物质的实体，地球 是宇宙的中心；地球（下界）和天体（上界）是由不同的物质组成，地球上的物质是由水 气火土四种元素组成，而天体是由第五种元素“以太” （ 占据天体空间的物质）构成亚 里士多德反对原子论，不承认有真空存在 17 世纪的 R.笛卡儿（Rene Descartes，1596～1650）是一个对科学思想的发展有重大 影响的哲学家他最先将以太引入物理学，并赋予他某种力学性质在笛卡儿看来，物体 之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。

因此，空 间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满他认为物质充满空间，即不存在 真空，要说有一个绝对无物体的虚空或空间，那是反乎理性的，他又认为物质可以无限分 割， “宇宙中并不能有天然不可分的原子或物质部分存在” ， “要是世界充满了坚硬的微粒， 它们既不能屈缩让位又不能分割，就像人们所描述的原子那样，那么运动就是不可能的 ” 他还认为空间是无限的（世界的广袤是无限定的） ，并且肯定物质世界的统一性与多样性 （天上和地下的物质都是一样的，而且世界不是多元的，物质的全部花样或其形式的多样 性，都依靠于运动） 因此恩格斯在《反杜林论》中称赞笛卡儿是辩证法的卓越代表人物之 一笛卡儿的方法论对于后来物理学的发展有着重要的影响笛卡儿用以太旋涡模型第一 次依靠力学而不是神学解释了天体、太阳、行星、卫星、慧星等的形成过程他认为天体 的运动来源于惯性（沿轨道切向）和某种宇宙物质，以太旋涡对天体的压力，在各种大小 不同的旋涡的中心必有某一天体（如太阳） ，以这种假说来解释天体间的相互作用不过， “笛卡尔以太”模型中的以太是静止不动的，而且与周围实体没有任何关系，它只起着传 递实体间相互作用力的作用。

之后莱布尼兹(Leibniz,1646～1716)发展了笛卡尔以太学说莱布尼茨觉察到了“笛卡 尔以太”模型中的困境，为了使“以太”能够运动起来，莱布尼茨便从东方的“元气”学 说中“移植”过来元气有聚散、屈伸等观念他认为，以太“实际上并没有根本的坚硬性， 相反地，流动性倒是根本的” 关于以太为什么可以“流动” ，在莱布尼兹看来，是因为以 太本身具有“活力” 即运动是来自物质的运动，亦即中国古代哲学“气一元论”的“动非 自外”的观点气一元论（元气论)认为，这个世界上没有超自然的造物主和万能的主宰， 所以，一切都是自然、自在和自为的气是不断地运动着的物质实体，是世界万事万物的 本原（或本体） ，为宇宙天体和天地万物统一的物质基础运动是气的根本特性，阴阳是气 的固有属性，气是阴阳的矛盾统一体，气的胜复作用即阴阳的矛盾运动是物质世界运动变 化的根源，气聚而成形，散而为气，形（有形）与气（无形）及其相互转化是物质世界存 在和运动的基本形式物质世界在阴阳二气的相互作用下，不断地运动变化 后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系光的波动说是 由胡克(Robert Hooke,1635～1703)于 1665 年首先提出的，并为惠更斯((Christian Huygens, 1629～1695 )所进一步发展。

以太学说进入物理学之后，首先就被惠更斯用于光本性的描2述，即光的波动学说惠更斯在 1678 年给巴黎科学院的信和 1690 年发表的《光论》一 书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近 一种弥漫媒质（“以太” ）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．他从弹性碰撞 理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲， 因而光束彼此交叉而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象 由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介物质以太应该充满包括真空 在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中他认为，整个宇宙空间都充满了以太，以 太是一种非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的介质，在一般物体的原子之间也充满 了以太除了把以太作为光波的荷载物以外，惠更斯也用以太来说明引力的现象按照这 种学说，光和水波、声波一样，是由连续的媒介来传递的一种机械波，这种媒介就是连续 在宇宙空间的以太不过，当时惠更斯只是认为光是一种与声波类似的纵向振动，按照惠 更斯的看法，光的传播过程就是运动从一个小球传递到另一个小球的过程，这个过程类似 于许多钢球相挨着排成一条直线，脉动着沿着钢球传播的。

而实践却证实光是一种横波， 为此曾出现了一次关于光波动学说的危机，但很快菲涅耳就设想了一种新的以太模型解决 了这个问题，从此，光的波动学说就占据了物理学上主导地位，之后，光的电磁波理论的 成功更是让人们确信了光的波动学说的科学性，而以太这个波动学说的基础也就理所当然 地被认定是客观存在的东西 牛顿（Isaac Newton，1643～1727）于 1686 年发表了他根据据 J.开普勒 （JohannesKepler,1571～1630）行星运动定律得到的万有引力定律，并用以说明了月球和 行星的运动以及潮汐现象当时他在思考，在宇宙真空中引力是由什么介质传播的呢？为 了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引 力的传播介质他在给 R.本特利的一封著名的信中写道：“很难想象没有别种无形的媒介， 无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响……引力对于物 质是天赋的、固有的和根本的，因此，没有其他东西的媒介，一个物体可超越距离通过真 空对另一物体作用，并凭借和通过它，作用力可从一个物体传递到另一个物体，在我看来， 这种思想荒唐之极，我相信从来没有一个在哲学问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。

” 牛顿本人倾向于以太的观点，他在给 R.玻意耳的信中私下表示相信，最终一定能够找 到某种物质作用来说明引力但是他对于以太的具体设想与当时颇有影响的 R.笛卡儿观点 只是在细节上有所不同 牛顿在理解光的本质上持微粒说，虽然不同意胡克的光波动学说，但他也像笛卡儿一 样反对超距作用，并承认以太的存在在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递 各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的 振动不是光，因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象，也不能解释光为什么会直 线传播 他在同胡克、惠更斯等讨论光的本质时，说光具有这种或那种本能激发以太的振动 这意味着以太是光振动的媒质于此，似乎牛顿对光的双重性有所理解他对以太媒质之 存在极似空气之无所不在，只是远为稀薄、微细而具有强有力的弹性他又重申说，就是 由于以太的动物气质才使肌肉收缩和伸长，动物得以运动他又进一步以以太来解释光的 反射与折射，透明与不透明，以及颜色的产生（包括牛顿环） 他甚至于设想地球的引力是 由于有如以太气质不断凝聚使然 《原理》第二编第六章诠释的结尾说，从记忆中他曾做实 验倾向于以太充斥于所有物体的空隙之中的说法，虽然以太对于引力没有觉察的影响。

《原 理》第二编最后文字中牛顿澄清了以太旋涡假设与天体运动无关 19 世纪，以太论获得复兴和发展，首先是从光学开始的，这主要是托马斯·杨和 A.J. 菲涅耳工作的结果托马斯·杨（Thomas Young，1773～1829）用光波的干涉原理成功 的解释了牛顿环，并在实验的启示下于 1817 年提出光波为横波的新观点（当时对弹性体3中的横波还没有进行过研究） ，解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难 法国物理学家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788～1827）用波动说成功地解释了 光的衍射现象，他提出的理论方法（现常称为惠更斯——菲涅耳原理）能正确地计算出衍 射图样，并能解释光的直线传播现象菲涅耳进一步解释了光的双折射，获得很大成功 1823 年，他根据杨的光波为横波的学说和他自己 1818 年提出的透明物质中以太密度 与其折射率二次方成正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光振幅的 著名公式，它很好地说明了 D.布德斯特数年前从实验上测得的结果 菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中 的速度公式1818 年，他为了解释阿喇戈（Arago，Dominique Fransois Jean ，1786～1853 年）关于星光折射行为的实验，在杨的光波为横波的想法基础上提出：透明 物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个物体相对以太参照系 运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动（以太部分曳引假说） 。

由此即可得出物体中以太的平均速公式：(1－1/n²)v ，其中 v 为物体的速度菲涅耳在 1818 年 提出的静态以太理论认为，充满在宇宙中的以太是绝对静止的，因而以太是绝对静止参考 系的物质承担者地球是由极为多孔的物质组成，以太在其中运动几乎不受什么阻碍地 球表面的空气由于其折射率 n 近于 1，所以随着地球一起运动的空气，应不曳引以太或者 只能极其微弱地曳引以太，因此可以把地球表面大气中的以太看作是静止的，不受地球运 动的影响这样对于地球上的观察者来说，将有以太风存在 英国物理学家斯托克斯（George Gabriel Stokes，1819～1903）于 1846 年，对菲涅 耳的假设表示异议，他认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因 而是不能容许的他提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太 只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的他认为把以太分成不动 和可动的两部分不如假设物体能够完全拖曳以太，在物体表面附近有一速度逐渐减慢的区 域，在空间中以太完全静止斯托克斯这一完全曳引假说似乎比菲涅耳部分曳引假说更合 理些，但是由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象（由于地球公转，恒星的表 观位置在一年内会发生变化） ，还受到了斐索的流水实验和霍克实验的支持，因而人们普遍 赞同它，所以斯托克斯的假说不大受人重视。

随后，以太在电磁学中也获得了地位，这主要是由于 m.法拉第（M.Michael Faraday, 1791～1867）和 j.c.麦克斯韦（J.C. James Clerk Maxwell，1831～1879)的贡献法拉第 是电磁场理论的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静 电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，他把力场确定为 物质的实体，建立了电场、磁场的概念，否定了超距作用观点法拉第在 1838 年就提出， 当绝缘物质放在电场中时，其中的电荷将发生位移在法拉第心目中，作用是逐步传过去 的看法有着十分牢固的地位，他引入了力线来描述磁作用和电作用，他认为电磁作用是由 弥漫整个空间的以太形态产生的，这些以太是由力线或力的管子所组成，这些力线或力的 管子将相反的电荷或磁极连接起来，并且沿力线的方向有张力作用，在垂直于力线的方向 则有压力作用在他看来，力线是现实的存在，空间被力线充满着，而光和热可能就是力 线的横振动他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附 近的力线场他在 1851 年又写道。