6.以太的发展史再回顾.docx

以太的发展史再回顾

1.以太的古典意义、以太论

以太是一个历史上的名词，它的涵义也随着历史的发展而发展.在古希腊，以太指的是青天或上层大气.在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质.17世纪的Ｒ.笛卡尔是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家.他最先将以太引入科学，并赋予他某种力学性质.在笛卡尔看来，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.

2.笛卡尔的以太观

17世纪的笛卡尔（1596年3月31日—1650年2月11日）认为：物质由微粒构成，物质微粒是唯一的实体，物质的本性是其空间广延性，机械运动即位置变动是物质唯一的运动形式.一切自然现象，一切物质性质（包括色、香、硬度、热等）都是由于物质粒子的机械相互作用产生的.有了物质（空间）和（机械）运动，就能按照物质运动本身的自然规律构造出全部世界，无须上帝照管.这类机械论的自然观以后曾统治自然科学两个多世纪.他又认为物质充满空间，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），物质可以无限分割（宇宙中并不可能有天然不可分的原子或物质部分），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.笛卡尔的方法论对于后来物理学的发展有重要的影响.

笛卡儿把他的机械论观点应用到天体，形成了他关于宇宙发生与构造的学说.他认为，从发展的观点来看而不只是从己有的形态来观察，对事物更易于理解.他用以太旋涡模型（如图示），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.

笛卡尔的天体演化说、旋涡模型和近距作用观点，正如他的整个思想体系一样，一方面以丰富的物理思想和严密的科学方法为特色，起着反对经院哲学、启发科学思维、推动当时自然科学前进的作用，对许多自然科学家的思想产生深远的影响.而另一方面又经常停留在直观和定性阶段，不是从定量的实验事实出发，因而一些具体结论往往有很多缺陷，成为后来牛顿物理学的主要对立面，导致了广泛的争论.尽管如此，作为自然科学家和哲学家，“笛卡尔”的唯物论已成为真正的自然科学的财富.笛卡尔以太观中一个最大的忽略之处，是在于把以太与天体以及物质的微观粒子之间相互脱离.如果笛卡尔当时把以太与天体以及微观粒子紧密结合、并一体化思维的话，人类的科技进步必将少走许多弯路，科技水准必将早已远远超越今天的状态.

3.牛顿的以太观

牛顿，1643年1月4日诞生于英格兰林肯郡乡村.1686年，发表了他根据据J.开普勒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，这是一项伟大的发现.看起来，牛顿的引力定律似乎支持超距作用观点，但是牛顿本人并不赞成超距作用解释.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.”牛顿本人倒是倾向于以太观点的，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.但是地对于以太的具体设想与当时颇有影响的Ｒ.笛卡尔观点只是在细节上有所不同.

众所周知，牛顿在理解光的本质上持微粒说.但他在同胡克、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.其实不然，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.

14、15世纪以来欧洲的学者对以太着了迷，以太学说风靡一时.科学巨匠笛卡尔对以太的存在深信不疑.他认为行星之运行可以以太旋涡来解释.以太学说成为一时哲学思潮.尊重实验的牛顿也不免卷入这股哲学思潮中去，倾向于它存在.当时人们对超距作用看法不一.牛顿曾经提出他的引力相互作用定理，并不认为是最终的解释，而只是从实验中归纳出来的一条规则.因此牛顿并未就引力本质作出结论.可是，《原理》第二编最后文字中牛顿澄清了旋涡假设与天体运动无关.显然，牛顿同笛卡尔一样，也没有把物质与以太统一一体而思维.因此，留下了“引力相互作用定理，并不认为是最终的解释，且未就引力本质作出结论”的遗憾.今天，我们从物质的“物、磁”二重性的原理，显然是可以归纳出以太与宇宙及物质的根本联系性极其特征的，进而对整个宇宙自然有一个更加深刻与本质的认识.

4.以太的发展进程

以太观认为，以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力.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Ｒ.胡克首先提出的并为Ｃ.惠更斯所进一步发展.在相当长的时期内（直到20世纪初），人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动.这种媒介物质就称为波的荷载物，如空气就是声波的荷载物.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.除了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.

牛顿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，因为光的波动学说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声波一样的纵波）不能解释现在称为光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象.

18世纪是以太论没落的时期.由于法国笛卡尔主义拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对笛卡尔哲学体系，连同他倡导的以太论也在被反对之列.随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实际结果，使得超距作用观点得以流行.光的波动说也被放弃了，微粒说得到广泛的承认.到18世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是与距离平方成反比.于是电磁以太的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占了主导地位.19世纪末，在光的电磁理论的发展过程中，有人认为宇宙间充满一种叫做“以太”的介质，光是靠以太来传播的，而且把这种“以太”选作绝对静止的参考系，凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动，以区别于对其他参考系的相对运动.经典电磁理论只有在相对于以太为静止的惯性系中才能成立.根据这个观点，当时物理学家设计了各种实验去寻找以太参考系.其中，1887年，迈克耳孙（A.A.Michelson)和莫雷（E.W.Morley）的实验特别有名.根据他们的设想，如果存在以太，而且以太又完全不为地球运动所带动，那么，地球对于以太的运动速度就是地球的绝对速度.利用地球的绝对运动的速度和光速在方向上的不同，应该在所设计的迈克耳孙干涉仪实验中得到某种预期的结果，从而求得地球相对于以太的绝对速度.迈克耳孙和莫雷在不同地理条件、不同季节条件下多次进行实验，却始终看不到干涉条纹的移动.出乎意料的是原本为验证以太参考系而进行的实验，却无意中提出了否定以太参考系的证据，并被整个物理学领域接受而至今.狭义相对论正是在这种条件下破土而出的.

可是，由于光具有波粒二相性，是一个个非常非常微小的能量个体，不仅仅是直线传播（运行），而是具有波动特性的螺旋运动轨迹.因此，光粒子不是靠以太来传播的，它犹如出镗的子弹，单方向直线运行，只需启动能量，不需介质的传播，更不能简单地等同于声波的机械能量在其介质中的连续的球形传递.同时，把这种“以太”选作绝对静止的参考系，是一种主观片面性.因为，以太凭什么要绝对静止呢？如果“以太”不是绝对静止的物质体系，而恰恰是一个与星系的运动相关的，或者是同步的广密的物质体系，那么，19世纪末之前，人们却正好把“以太”作为绝对静止的参考系来看待，因此则必然导致错误的结论和错误的理论体系！如果分布在地球表面的以太，是与地球运行速度（公转与自转）既同向又同步的话，如同“论统一场”所描述的那样.那么1887年迈克耳孙（A.A.Michelson)和莫雷（E.W.Morley）所做的证明以太存在的光干涉实验，事实上应该是充分地证明了以太肯定存在的科学结论.也即，实验肯定无误，是其假定的前提有误，因而导致了历史性的、截然不同的科学结论！！！显而易见，迈克耳孙和莫雷的为验证以太参考系而进行的光干涉实验，因为其假定的前提条件的不完全充分性，因此不能作为否定以太参考系的证据，哪怕是已经被世界物理学界、科技界认可了一百多年.由此可见，否定以太的实验结论是一个历史的失误或错觉.

进一步地，当以太确实存在，而且不是绝对静止不动的以太，那么，仅仅建立在坐标变换条件下的爱因斯坦相对论，则自然只是数学上的变换而已，并不一定具有确切的物理意义.况且，相对论并没有从具体的物理意义上破译引力场这种特殊物质的物质性质和具体的引力传递与作用机制，仅仅只是一种数学上的描述而已.一个不能直接揭示其物理意义和物质本质的数学描述形式，尽管是所谓的十分精确，但是，它显然在对物质本质的深刻认识与系统全面地破译方面，仍然存在一定差距，甚至是相当的差距.因此，爱因斯坦自己也非常追求理论上的简洁性，并对统一场理论持续了几十年的探寻不已，且直至终生.当他对统一场无能为力之际，也极大地寄希望于后来人.

5.剖析超距作用的唯心点

“超距作用”是物理学历史上出现的一种观点.它认为（至少在早期）相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间.早在牛顿以前，对于物体之间的作用就存在两种对力的猜想：一种认为物体之间除了通常的接融作用（拉压、冲击）之外，还存在超距作用；一种认为物体之间的所有作用力都是近距作用，两个远离物体之间的作用力必须通过某种中间媒介物质传递，不存在任何超距作用，这种中间媒质被称为以太.当时的大多数自然哲学家认为超距作用带有神秘的色彩，而倾向于近距作用观点.早期的超距作用观点认为，作用是瞬时的，这一点在后来曾有所修改.有些物理学家提出“延迟超距作用”，认为源对某一粒子的作用是延迟了一段时间，r／c的超越空间的直接作用，其中，r是源和粒子之间的距离，c为真空中的光速.这种修正了的超距作用观点在说明某些现象时与场作用观点是等效的.但是，在说明另一些现象，特别是正反粒子的湮灭时显得牵强附会.显然，一个既无直接接触、又无中介传递、也无时间延续的，相距一定距离的物体之间的相互作用，只能必然是不可作用.可见超距作用的观点是极其唯心的.因此，它当时被提出之际，就并未被所有的物理学家们接受，进而最终被“引力场”理论所取代.尽管“引力场”理论取代了“超距作用”理论，但是“引力场”理论也并未揭示出“引力场”的具体作用机制，以及对“引力场”的本质认识，这是当代理论物理急需解决的重大课题.

6.“引力场”理论的局限

引力场中的物质引力质量同惯性质量的等价，是爱因斯坦提出等效原理的实验基础，也是整个广义相对论最重要的实验依据.这个等价，早在牛顿时代就有证明.爱因斯坦引力方程是双曲线偏微分方程，它意味着引力场的扰动将以一个有限速度传播，这种扰动就是以光速传播的引力波.尽管爱因斯坦广义相对论中的引力方程能够从定量的角度描述引力场.可是爱因斯坦在引力方程中引入的宇宙常数项之后不久，他本人又放弃了这个宇宙常数项.但是，近年来，不少物理学家认为，引入宇宙常数项是有必要的，并在近期的天文观测上又得到一定证明.爱因斯坦的引力场方程是：R_uv-1/2×g_uvR=8πGT_uv/c⁴.方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量.“引力场”理论的局限在于仅仅是以一个推道出来的，用以描述“引力场”的数学公式，它并未真正地、直接地揭示“引力场”的物理本质极其特性.也即，尽管这个完满的引力场方程可以对引力场予以精确地描述，但是，引力场这类物质的特殊性质究竟是怎样的呢？相对论及现代物理学不但都没有给予回答，而且是回避与不能确切地回答.

牛顿、笛卡尔等“以太论”大师及学者们都试图对以太的物质特性给予回答，但是并不圆满.他们之后，1887年，原本为验证以太而进行的“迈克尔孙——莫雷”实验，却出乎意料地、事与愿违地提出了否定以太的证据，进而使得自14世纪以后在物理学领域站统治地位的“以太论”被戏剧性地予以彻底地否定.

尽管以太论早已经被否定，但是，今天我们把引力场和以太理论两者比较，引力场仅仅在计量上显得优势，而以太论却在具体的物理意义上显得占有优势.然而，否定以太存在的前提，是以太参考系绝对静止的假定条件.当以太本身在实际上不是绝对静止（不为星球和星系的运行带动）的状态之际，也即，当以太参考系在实际上不是绝对静止的状态之际，那么，19世纪末，物理学领域对以太的否定将显然不能成立！！！

　进一步地，以太为什么不可以运动呢？以太为什么不可以与星球、星系的运动甚至是构成密切相关呢？以太为什么不可以与广布宇宙空间和微观粒子空间的磁力线物质（能量）密切相关呢？人类凭什么要在一个假定的静止的以太前提下来约束自己的思维和视野呢？当我们以运动的以太观，以以太与物质和天体相互作用并相互转化的观点来认识世界和宇宙，那么，人类对大自然的认识将发生怎样的变化呢？

　7.否定以太之后的负面作用

　　以太观促进了经典物理学大师们对宇宙自然的探索精神和实践.其主要的代表人物及研究成果分别为：一是笛卡尔的以太观的精髓是：物质由微粒构成，物质微粒是唯一的实体，物质的本性是其空间广延性，机械运动即位置变动是物质唯一的运动形式；提出了以太旋涡模型，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.二是牛顿以太观的精髓是：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；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.三是菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是：1818年之后，导出了光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式；并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）.四是麦克斯韦曾经于1855年把磁场特性、电荷特性与以太观点结合一体而对自然进行了初步揭示的尝试.五是洛伦兹以太观的精髓是：19世纪90年代，他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应，至于物质中的以太则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别.他还假定，物体运动时并不带动其中的以太运动.今天.我们从这些物理大师们对以太的探索进程可以初步领略到，如果物理发展历史上没有那个否定以太的历史性转折点，那么，以太理论的持续发展必将有其更加丰硕的研究成果和运用科技.

　　显而易见，否定以太后的负面作用在于：对以太的否定定理，就象紧窟咒一样，束缚了人类的思维和大胆探索与尝试.比如，人们不敢想象电就是磁、磁就是电；不敢想象除了碳、电力、核力之外的其它可能的能源利用方式；不敢想象太空飞行器的其它动力方式和动力系统；不敢想象具体的超时空方案和超时空技术；不敢想象星球与星系乃至宇宙万物中物质、能量、信息的相互交换与具体的作用机制.即使有个别人敢于冲破这种封闭的框架而大胆探索与尝试，但也往往被大众视为奇谈怪论、痴心妄想、甚至是不务正业.

　　可见，一个建立在人为地、主观地假设以太为绝对静止条件下的，并不具备完全充分理由的实验——1887年的“迈克耳孙、莫雷”干涉仪关于证明以太存在而事得其反的实验结论，导致对以太的彻底否定，并被人类科技理论所接受且持续一百多年至今并坚信不移，这不仅仅是以太论之否定的悲哀，也是人类科技发展道路上的一个挫折与悲哀.对此，历史必将重新给予充分地证明和彻底翻案.可以毫不夸张地说，当今人类的科学思想敢于公正地、公开地认识到这一点，必将会是一个新纪元的开始.