玻璃流动探索者分享 http://blog.sciencenet.cn/u/mqjiang 中国科学院力学研究所 非线性力学国家重点实验室 Associate Prof., Ph.D.

博文

科学大争论——以太是不是真的存在?

已有 4426 次阅读 2009-11-19 09:35 |个人分类:科学史话|系统分类:科普集锦


  ·方舟子·

                              (上)

    以太是希腊语的译音,意思是“上天的空气”,在古希腊神话中,指天神呼
吸的纯净空气,与凡人呼吸的下层浑浊空气不同。

    哲学家也喜欢“上天的空气”。古希腊哲学家认为世界由水、气、火、土四
种元素组成。特别看重几何学的柏拉图(公元前427-347)把四元素几何化,认
为组成它们的原子形状分别是体现其性质的一种正多面体。但是正多面体共有5
种,还剩下的一种柏拉图认为对应的是第五种元素,宇宙和天体即由这种最高元
素构成。柏拉图的学生亚里斯多德(公元前384~322)把这种元素称为以太。从
此以太成了一个自然哲学的概念。

    在亚里斯多德的自然哲学体系中,水、气、火、土是构成地球的元素,它们
是变化的,并做直线运动。而以太是充满太空和构成天体的元素,它是永恒不变
的,并做完美的圆周运动。中世纪西方哲学家基本上接受了亚里斯多德的说法,
只是做了一点小改动:以太的密度是会变化的,构成天体的以太密度要比充满太
空的以太介质的密度要大一些。

    牛顿力学的创立颠覆了传统观念,证明天体和地球一样由相同的物质构成,
遵循相同的物理定律,例如万有引力定律。天体不再被认为是由以太组成的。但
是太空中充满以太这个观念却不仅没有被抛弃,反而有了一定的科学依据,由哲
学观念变成了科学假说。

    万有引力定律告诉我们,两个物体不互相接触,也彼此存在吸引力,即使二
者的距离非常遥远,这种力也依然存在。那么,这种超距离作用是如何产生的呢?
力可以不接触就传递开去,这是难以想像的,似乎应该有一种介质来传递引力,
牛顿(1642~1727)和其他许多人都假定这种媒介就是以太。不过,牛顿在这个问
题上的立场并不一致。在其他场合,他拒绝提出假说来解释引力的性质。而据牛
顿的朋友说,牛顿后来干脆说引力直接遵循上帝的旨意。

    当考虑到光的传播时,问题更大。第一个有关光的性质的科学假说是荷兰科
学家惠更斯(1629~1693)提出的。他认为光是一种波。光的衍射现象很容易让人
想到光是一种波,就像水波的衍射一样。但是要用波动来解释光的直线传播、反
射、折射等各种光学现象却不容易。惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”
的学说阐明波面在媒体中的传播性质,在此基础上用作图法巧妙地解释了各种光
学现象,让光的波动学说有了理论依据。

    但是光如果是一种波的话,根据当时的知识,这就意味着它需要借助某种介
质来传播,就像声波以空气为介质、水波以水为介质传播一样。然而,波义耳
(1627~1691)已证明在真空中声音不能传播,光线却可以传播——你可以透过
真空看到东西。这表明在真空中有某种比空气还要细微的介质来传播光波。惠更
斯认为这种光波介质就是以太。

    如果光是一种通过以太介质传播的波,而我们能够看到星光,说明以太介质
充满了太空。牛顿认为这将会阻碍天体的运行,但是既然所有的观察都表明天体
的运行并没有受到什么介质的影响,没有证据能够证明这种介质的存在,就不应
该认为光的传播需要介质,那么光就不是一种波。

    牛顿提出了一个针锋相对的学说,认为光是一种极其细小的微粒,而且它们
的运动遵循他发现的三大运动定律。光的微粒学说很容易解释光的直线传播和反
射:光微粒的运动速度极快,所以光做直线传播;光线反射是由于光微粒碰撞反
射面引起的。但是用微粒学说来解释光的折射和衍射却很困难。为了解释折射现
象,牛顿不得不假定存在一种以太介质,它传递振动的速度比光要快,折射被认
为是在不同地方的以太介质的密度和弹性不同引起的。至于这种以太介质究竟是
什么东西,牛顿承认他不清楚。

    光的波动学说和微粒学说基本上还只是见仁见智的理论思辨,它们的接受程
度,主要取决于其倡导者的影响力。但是在牛顿系统地提出微粒学说时,惠更斯
已经死了,没有重量级的人物能跟牛顿对抗,何况惠更斯的学术地位还不如牛顿。
由于牛顿的巨大影响力,此后相当长时间内,光微粒学说占了主导地位。

    但是进入19世纪后,形势开始逆转。英国物理学家托马斯·杨(1773~1829)、
法国物理学家菲涅耳(1788~1827)用干涉实验证明了光是一种波。1850年,法国
物理学家傅科(1819~1868)用实验证明了光在水中的速度比在空气中慢,这一结
果与微粒学说相冲突(认为光在水中的速度比在空气中快),而符合波动学说的
预测(在水中光波波长减小),牛顿的学说被推翻了。此后,英国物理学家麦克
斯韦(1831~1879)建立电磁学,他的电磁方程计算出电磁波在真空中的速度恰好
等于真空中的光速,表明光就是一定频率范围内的电磁波。德国物理学家赫兹
(1857~1894)用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。

    波动学说的胜利也是以太学说的胜利。当时的物理学家仍然认为,正如机械
波的传播需要特定介质,包括光波在内的电磁波的传播也需要特定介质,这种介
质必须充满所有的空间,惠更斯的以太因此又复活了。

    而且,麦克斯韦电磁方程要求所有的电磁波在真空中都以恒定的速度(也即
光速)传播。在牛顿力学中,这要求有一个绝对的参照系,否则参照系发生变化,
电磁波的相对速度也应该跟着变化。静止地充满宇宙的以太被认为就是麦克斯韦
电磁方程所需要的绝对参照系。

    在这个时候,以太的存在是科学推理的结果,对物理学家来说,假定以太的
存在是最自然不过的事了。

                               (中)

    到了19世纪,光被证明是一种波之后,光波的传播介质——以太——的存在,
就被认为是理所当然的事情。如果要理解光的性质,就必须理解其介质的性质。
反过来,从已知的光波性质,又可以推导出以太应该有什么样的性质。

    这些推导,都是根据机械波的研究,这就使得以太的性质显得非常古怪。机
械波是机械振动在介质中的传播,声波、水波、绳波都是机械波。其中绳波最简
单。把绳子的一端固定,拿起另一端抖动,就可以看见有一个波形在绳子上传播,
连续不断地进行周期性的上下抖动,就形成了绳波。波在绳子上的传播速度取决
于绳子的弹性和质量。绳子的弹性越大,质量越小,波速就越快。光波和以太似
乎也应该遵循同样的关系。1746年,瑞士大数学家欧拉(1707~1783)就计算出以
太的密度至少要比空气小100万倍,而弹性又要比空气大1000倍,比钢还要硬。

    机械波有纵波和横波两种。振动方向与波传播方向一致的波叫纵波,例如声
波。振动方向与传播方向垂直的波叫横波,例如绳波。当光的波动学说刚刚被提
出的时候,光波被认为是和声波一样的纵波,以太被认为是一种弹性流体。光被
证明是一种波的同时,也被发现光波不是纵波,而是一种横波,其振动方向与传
播方向垂直。

    但是流体是不能传播横波的,只有固体才能传播横波,因此以太必须是固体。
横波的传播速度取决于介质的弹性力和密度。光波的传播速度如此之快,表明以
太必定是一种非常坚刚的固体介质,但是以太却又没有对星体之类的大物体的运
动造成任何阻碍作用,这似乎是自相矛盾的。有人因此提出,以太也许是一种像
果冻一样的物质,在物体运动速度较低时,它就像流体,而在物体振动频率很高
时,它又像固体。这样,地球、天体能够轻易地在以太中运行,而以太又有足够
的坚刚来支持光的传播。

    光速在真空中是一个固定的常数,这说明以太是静止不动的。虽然物体能在
以太中穿行,但是以太本身是不动的,而以太又迷漫了整个太空,这样,所有物
体的运动都可以看成是相对于以太在运动,以太在一定意义上就相当于绝对空间。

    所以,如果以太存在,它就为所有运动提供了一个绝对参照系,可以根据它
来测量物体的运动速度,例如地球相对于以太的速度。当地球绕着太阳公转,就
会产生“以太漂移”,这是地球穿过静止的以太时,出现的以太风,就像你坐在
行驶的车中,把手伸到窗外,能感受到风一样。以太风应该会对光速产生影响,
可以利用这一点来测量地球的速度。1879年,麦克斯韦给美国航海年历局写了一
封信,询问是否能够通过观察木星的卫蚀来测量地球的绝对运动。他指出,如果
地球相对于以太在运动,那么沿着地球运动方向(也就是以太风的方向)发出一
个光信号,它的速度就会受到反方向“吹”的以太风的影响,到一定距离后反射
回来,来回往返的时间,要略大于同样的光信号在垂直于地球运动的方向在相等
的距离往返的时间。这个差异将会极其微小,麦克斯韦认为是无法测出的:地球
公转的速度只有光速的万分之一,而当时对光速的测量精确度只能达到大约5%。

    当时年仅25岁的美国物理学家迈克尔逊(1852~1931)刚好在美国航海年历
局,看到这封信受到了启发。他发明了一种利用光的干涉现象精密测量距离的仪
器——干涉仪,能够用它测出互相垂直的两束相干光的速度差异。这个仪器的主
要部分是一个半透明的镜子,两个分别放在与光源水平和垂直的相等距离上的反
射镜。一束光照射到半透明的镜子上,一部分穿透镜子,一部分被反射,分离成
了互相垂直的两束相干光,分别射到两个反射镜上。这两束光波再分别反射回来,
互相重叠时,就会出现干涉条纹:在某些区域加强,在另一些区域则削弱,形成
稳定的明暗条纹。如果两束光分别在干涉仪等长的水平臂和垂直臂上往返的时间
出现微小的差异,就会使干涉条纹发生变化。

    如果干涉条纹发生变化,有可能是以太风引起的,也有可能是仪器误差引起
的,例如水平臂和垂直臂的长度存在微小的差异,也会让光的传播时间出现差异。
在实际操作中,不可能让两臂的等长精确到不对光的传播产生任何影响。迈克尔
逊想到了一个巧妙的办法解决长度误差问题:他让水平臂和垂直臂的位置对调,
让它们交替地处在和地球运动方向平行和垂直的位置上,比较在对调前后的干涉
条纹有无变化,这样就可以消除长度误差产生的差异。

    1881年,迈克尔逊做了第一个以太漂移实验。1887年,迈克尔逊和莫雷
(1838~1923)合作,对仪器进行了改进,进一步减少误差,重复了实验。后来人
们提到以太漂移实验,一般指后一个实验。

    这个实验后来被称为史上最著名的失败实验。后人在提及这个实验时,有一
些不准确的说法。比如说这个实验未能发现两束光的速度有差异。实际上,他们
测量到了微小的差异,但是远小于预期的结果。计算表明,如果以太存在,他们
应该能观察到0.4条干涉条纹的移动,而实际上他们只观察到0.01条干涉条纹的
移动,这可能是实验误差。

    另一种说法是,迈克尔逊做这个实验的目的是为了验证以太是否存在。实际
上这并非迈克尔逊的目的。和当时其他物理学家一样,迈克尔逊已假定以太的存
在,他只是想要测量出以太的存在会产生的影响,但是未能得到预期的结果。从
这个意义上说,它是一个“失败”的实验。

    还有一种说法,这个“失败”的实验证明了以太不存在,宣布了以太的死刑。
但是迈克尔逊、莫雷和当时的物理学家都不这么看。他们仍然相信以太的存在,
迈克尔逊-莫雷实验没能测量到以太的作用,应该有别的解释。一种解释是,地
球在运动时带着周围的以太一起运动,这样在地球上就不存在以太风,迈克尔逊
-莫雷实验也就测不出光速的差异。这是迈克尔逊本人接受的解释。

    另一种解释是爱尔兰物理学家菲茨杰拉德(1851~1901)和荷兰物理学家洛
伦兹(1853~1928)先后在1889年和1891年独立地提出来的。它指出,当物体运动
时,物体内的电磁力会让运动方向上的物体长度缩短。因此,在迈克尔逊-莫雷
实验中,与地球运动方向平行的水平臂的长度会变短,让光程也变短,刚好抵消
了以太风对光速的影响,以太风的作用也就测量不出来了。洛伦兹提出这个解释
的时间虽然比菲茨杰拉德晚,但是做了更系统的阐述并给出了公式,因此这个解
释有时被称为洛伦兹收缩。

    还有一些人则改进以太风实验,试图得到预想的结果,但是都失败了。莫雷
在1905年与米勒(1866~1941)合作改进实验,据说得到非常确定的阳性结果,但
是仍然过小。就在这一年,爱因斯坦发表了狭义相对论,从一个全新的角度解决
了以太的问题。

                                     (下)

    1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”。这一年,还在专利局当职员的爱因斯
坦接连发表了4篇影响深远的论文,解决了困扰当时的物理学界的一些最重要的
难题,改变了我们对时间、空间、物质和光的看法。其中最著名的是第3篇论文,
它提出了狭义相对论。虽然迈克尔逊-莫雷的以太风实验后来经常被做为兆示相
对论的关键实验介绍,但是爱因斯坦提出相对论并不是为了解释该实验的结果。
它只是当时一系列关于以太的实验之一而已,爱因斯坦并没有认真对待它。

    这是一篇非常奇特的论文。它没有引用任何文献,只提到了5个前辈科学家
的名字:牛顿、麦克斯韦、赫兹、多普勒和洛伦兹。前面提到,洛伦兹为了解释
迈克尔逊-莫雷以太风实验的“零结果”,根据麦克斯韦方程推导出当物体运动
时,物体内的电磁力会让运动方向上的物体长度缩短,因而抵消了以太风的影响。
这套方程式被称为洛伦兹变换。爱因斯坦认为洛伦兹变换反映了更普遍的自然规
律,而不是电磁力的作用。根据两条物理原理也可以推导出洛伦兹变换:相对性
原理和光速不变原理。

    相对性原理最早是伽利略提出来的,它认为对于任何不做加速运动的参照系
(即惯性参照系),运动定律都是等价的。例如,不管你是在一辆时速100公里
的车上,还是在时速40公里的车上,运动定律都应该是一样的,二者没有区别。
从麦克斯韦方程可以得出,光在真空中总是以恒定的速度(每秒30万千米)传播。
如果电磁现象也适用相对性原理的话,那么不管是在快车还是在慢车上测量光速,
测得的结果都应该是相同的。但是根据经典力学,这是不可能的,因为任何物体
的运动速度的测量结果和参照系的选择有关。如果在路边测量一辆车的时速是
100公里,那么在时速40公里的车上测量,它的时速就应该变成了60公里,而不
会还是100公里。光速也应该类似,用不同的参照系测量的结果不应该恒定不变。

    这样,相对性原理和光速不变原理就出现了矛盾,要么相对性原理不对,要
么麦克斯韦电磁规律不对。因此当时的物理学家认为电磁规律不适用相对性原理,
麦克斯韦电磁理论只在相对以太静止、也就是相对绝对空间静止的参照系中才成
立。但是爱因斯坦认为相对性原理和光速不变原理都是成立的,只不过我们必须
改变绝对时空的观念。

    把相对性原理和光速不变原理结合起来,就能推导出洛伦兹变换,由此又可
以推导出一些“奇怪”结果,例如运动物体的长度收缩、时间变慢效应。时空变
成相对的了。经典力学假定存在一个对所有的观察者来说都是一样的绝对空间和
时间。假设有人在路边射箭,甲在旁边观看,他看到射手和靶之间的距离是10米
(空间间隔),箭从射出到中靶用了1秒钟(时间间隔)。乙在行驶的车上同时
观看了整个过程。乙看到的结果会和甲一样吗?常识和经典力学都认为是一样的,
都是10米和1秒。爱因斯坦则认为这个常识是不对的,根据相对论可以算出甲和
乙看到的空间间隔和时间间隔实际上并不一样。空间和时间是相对的,取决于观
察者所在的参照系。如果绝对时空不存在,那么就无需假定存在迷漫太空的以太
做为绝对参照系。在狭义相对论中,以太成了多余的东西。如果以太不存在,迈
克尔逊-莫雷的以太风实验当然只能获得“零结果”。

    在同一年,爱因斯坦发表有关光电效应的研究结果,从另一方面解决了以太
的问题。1887年,赫兹发现光照射到金属上时,金属会发射出电子,称为光电效
应。1902年,匈牙利-德国物理学家勒纳(1862~1947)指出光电效应是金属中
的电子吸收了入射光的能量而逸出的现象,并发现逸出的电子的能量高低与入射
光的强度无关,而随着光的频率增加而增高。这个发现没法用光的波动理论来解
释。但是如果把光看成是由粒子组成的能量流,就可以解释光电效应。这样,光
就可以当成是具有波的性质的粒子,粒子是不需要靠媒介来传播的,光波的传播
也就不需要以太这种介质了。以太存在的另一个理由也消失了。

    但是并不是所有的物理学家都愿意立即抛弃一度被认为是理所当然的观念。
洛伦兹仍然相信我们需要假定以太的存在,继续使用以太的概念,认为它与相对
论并不矛盾。甚至爱因斯坦本人也做了让步。他在1920年在洛伦兹所在的莱顿大
学做了一个“以太与相对论”的报告,试图调和相对论和以太论。他指出,狭义
相对论虽然不需要以太的概念,但是并没有否定以太,而根据广义相对论(把时
空相对性推广到引力现象),空间具有物理性质,在这个意义上,以太是存在的。
他甚至说,根据广义相对论,没有以太的空间是无法想像的。爱因斯坦所说的
“以太”其实只是把广义相对论中的度规场换了个说法,并不具有物质性,和传
统意义上的以太没有相似之处。

    此后还有人继续寻找以太存在的证据。从1920年开始,米勒做了一系列以太
实验,并在1925年宣布测量到地球与以太之间的相对运动。迈克尔逊和其他人立
即重复米勒的实验,但是没有人能证实其结果。1929年,米勒本人也承认他的实
验结果可能是错误的。

    但是要人们彻底地埋葬一个沿用已久的传统观念并不那么容易。直到现在还
有人时不时地试图复活以太,即使他们所谓的“以太”和历史上的“以太”除了
名称相同,没有任何别的关联。不过,对大多数物理学家来说,“以太”已和
“燃素”、“热素”一样,成为了过时的概念。以前的物理学家相信、寻找以太
的历史成了反面教材,在某些人看来似乎是一种可笑的愚蠢举动。这种看法并不
公平。在19世纪,物理学家们有很好的理由相信以太的存在。即便以太风实验没
能检测到以太的作用,也还可以有别的合乎逻辑的解释,并没有否定以太的存在。
甚至相对论也只是认为假定以太的存在是多余的,并没有否定以太的存在。只有
在经过了多年的实验和辩论以后,物理学家们才逐渐有了比较一致的看法,既然
以太无法被检测到,也难以解释其奇怪的性质,还不如抛弃这个概念,更加简单。
“不应无必要地增加实体。”中世纪英国哲学家奥卡姆的威廉曾经写下的这句被
称为奥卡姆剃刀的简短格言,后来也被当做科学研究和理性思维的一条原则。以
太的概念在现在就是被奥卡姆剃刀给“喀嚓”掉的:我们不再相信以太的存在,
因为没有必要假设以太的存在。

2009.10.14., 10.21, 11.4.

(《经济观察报》2009.10.26., 11.2., 11.16)


http://blog.sciencenet.cn/blog-43310-272118.html

上一篇:达尔文一家十“院士”
下一篇:力学能 or 机械能?

1 叶苍

发表评论 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-11-14 09:44

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部