以太

以太是一個歷史上的名詞，它的涵義也隨著歷史的發展而發展。

　　在古希臘，以太指的是青天或上層大氣。在宇宙學中，有時又用以太來表示占據天體空間的物質。17世紀的笛卡兒是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家，他最先將以太引入科學，并賦予它某種力學性質。

　　在笛卡兒看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。

　　后來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學說相聯系。光的波動說是由胡克首先提出的，并為惠更斯所進一步發展。在相當長的時期內(直到20世紀初)，人們對波的理解只局限于某種媒介物質的力學振動。這種媒介物質就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。

　　由于光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質(以太)應該充滿包括真空在內的全部空間，并能滲透到通常的物質之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來說明引力的現象。

　　牛頓雖然不同意胡克的光波動學說，但他也像笛卡兒一樣反對超距作用，并承認以太的存在。在他看來，以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如產生電、磁和引力等不同的現象。牛頓也認為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因為當時光的波動學說還不能解釋光的偏振現象，也不能解釋光為什么會直線傳播。

　　18世紀是以太論沒落的時期。由于法國笛卡兒主義者拒絕引力的平方反比定律，而使牛頓的追隨者起來反對笛卡兒哲學體系，因而連同他倡導的以太論也一同進入了反對之列。

　　隨著引力的平方反比定律在天體力學方面的成功，以及探尋以太得試驗并未獲得實際結果，使得超距作用觀點得以流行。光的波動說也被放棄了，微粒說得到廣泛的承認。到18世紀后期，證實了電荷之間(以及磁極之間)的作用力同樣是與距離平方成反比。于是電磁以太的概念亦被拋棄，超距作用的觀點在電學中也占了主導地位。

　　19世紀，以太論獲得復興和發展，這首先還是從光學開始的，主要是托馬斯·楊和菲涅耳工作的結果。楊用光波的干涉解釋了牛頓環，并在實驗的啟示下，于1817年提出光波為橫波的新觀點，解決了波動說長期不能解釋光的偏振現象的困難。

　　菲涅耳用被動說成功地解釋了光的衍射現象，他提出的理論方法(現常稱為惠更斯-菲涅耳原理)能正確地計算出衍射圖樣，并能解釋光的直線傳播現象。菲涅耳又進一步解釋了光的雙折射，獲得很大成功。

　　1823年，他根據楊的光波為橫波的學說，和他自己在1818年提出的：透明物質中以太密度與其折射率二次方成正比的假定，在一定的邊界條件下，推出關于反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地說明了布儒斯特數年前從實驗上測得的結果。

　　菲涅耳關于以太的一個重要理論工作是導出光在相對于以太參照系運動的透明物體中的速度公式。1818年他為了解釋阿拉果關于星光折射行為的實驗，在楊的想法基礎上提出：透明物質中以太的密度與該物質的折射率二次方成正比，他還假定當一個物體相對以太參照系運動時，其內部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動(以太部分曳引假說)。利用菲涅耳的理論，很容易就能得到運動物體內光的速度。

　　19世紀中期，曾進行了一些實驗，以求顯示地球相對以太參照系運動所引起的效應，并由此測定地球相對以太參照系的速度，但都得出否定的結果。這些實驗結果可從菲涅耳理論得到解釋，根據菲涅耳運動媒質中的光速公式，當實驗精度只達到一定的量級時，地球相對以太參照系的速度在這些實驗中不會表現出來，而當時的實驗都未達到此精度。

　　在楊和菲涅耳的工作之后，光的波動說就在物理學中確立了它的地位。隨后，以太在電磁學中也獲得了地位，這主要是由于法拉第和麥克斯韋的貢獻。

　　在法拉第心目中，作用是逐步傳過去的看法有著十分牢固的地位，他引入了力線來描述磁作用和電作用。在他看來，力線是現實的存在，空間被力線充滿著，而光和熱可能就是力線的橫振動。他曾提出用力線來代替以太，并認為物質原子可能就是聚集在某個點狀中心附近的力線場。他在1851年又寫道：“如果接受光以太的存在，那么它可能是力線的荷載物。”但法拉第的觀點并未為當時的理論物理學家們所接受。

　　到19世紀60年代前期，麥克斯韋提出位移電流的概念，并在提出用一組微分方程來描述電磁場的普遍規律，這組方程以后被稱為麥克斯韋方程組。根據麥克斯韋方程組，可以推出電磁場的擾動以波的形式傳播，以及電磁波在空氣中的速度為每秒31萬公里，這與當時已知的空氣中的光速每秒31.5萬公里在實驗誤差范圍內是一致的。

　　麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之后寫道：“光就是產生電磁現象的媒質(指以太)的橫振動”。后來，赫茲用實驗方法證實了電磁波的存在。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質，這樣以太不僅在電磁學中取得了地位，而且電磁以太同光以太也統一了起來。

　　麥克斯韋還設想用以太的力學運動來解釋電磁現象，他在1855年的論文中，把磁感應強度比做以太的速度。后來他接受了湯姆孫(即開爾文)的看法，改成磁場代表轉動而電場代表平動。

　　他認為，以太繞磁力線轉動形成一個個渦元，在相鄰的渦元之間有一層電荷粒子。他并假定，當這些粒子偏離它們的平衡位置即有一位移時，就會對渦元內物質產生一作用力引起渦元的變形，這就代表靜電現象。

　　關于電場同位移有某種對應，并不是完全新的想法，湯姆孫就曾把電場比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出，當絕緣物質放在電場中時，其中的電荷將發生位移。麥克斯韋與法拉第不同之處在于，他認為不論有無絕緣物質存在，只要有電場就有以太電荷粒子的位移，位移的大小與電場強度成正比。當電荷粒子的位移隨時間變化時，將形成電流，這就是他所謂的位移電流。對麥克斯韋來說，位移電流是真實的電流，而現在我們知道，只是其中的一部分(極化電流)才是真實的電流。

　　在這一時期還曾建立了其他一些以太模型，不過以太論也遇到一些問題。首先，若光波為橫波，則以太應為有彈性的固體媒質。那么為何天體運行其中會不受阻力呢？有人提出了一種解釋：以太可能是一種像蠟或瀝青樣的塑性物質，對于光那樣快的振動，它具有足夠的彈性像是固體，而對于像天體那樣慢的運動則像流體。

　　另外，彈性媒質中除橫波外一般還應有縱波，但實驗卻表明沒有縱光波，如何消除以太的縱波，以及如何得出推導反射強度公式所需要的邊界條件是各種以太模型長期爭論的難題。

　　為了適應光學的需要，人們對以太假設一些非常的屬性，如1839年麥克可拉模型和柯西模型。再有，由于對不同的光頻率，折射率也不同，于是曳引系數對于不同頻率亦將不同。這樣，每種頻率的光將不得不有自己的以太等等。以太的這些似乎相互矛盾性質實在是超出了人們的理解能力。

　　19世紀90年代，洛倫茲提出了新的概念，他把物質的電磁性質歸之于其中同原子相聯系的電子的效應。至于物質中的以太，則同真空中的以太在密度和彈性上都并無區別。他還假定，物體運動時并不帶動其中的以太運動。但是，由于物體中的電子隨物體運動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力，以及物體運動時其中將出現電介質運動電流，運動物質中的電磁波速度與靜止物質中的并不相同。

　　在考慮了上述效應后，洛倫茲同樣推出了菲涅耳關于運動物質中的光速公式，而菲涅耳理論所遇到的困難(不同頻率的光有不同的以太)已不存在。洛倫茲根據束縛電子的強迫振動，可推出折射率隨頻率的變化。洛倫茲的上述理論被稱為電子論，它獲得了很大成功。

　　19世紀末可以說是以太論的極盛時期。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運動和變化，這樣它幾乎已退化為某種抽象的標志。除了作為電磁波的荷載物和絕對參照系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質，這就又為它的衰落創造了條件。

　　如上所述，為了測出地球相對以太參照系的運動，實驗精度必須達到很高的量級。到19世紀80年代，邁克耳孫和莫雷所作的實驗第一次達到了這個精度，但得到的結果仍然是否定的，即地球相對以太不運動。此后其他的一些實驗亦得到同樣的結果，于是以太進一步失去了作為絕對參照系的性質。這一結果使得相對性原理得到普遍承認，并被推廣到整個物理學領域。

　　在19世紀末和20世紀初，雖然還進行了一些努力來拯救以太，但在狹義相對論確立以后，它終于被物理學家們所拋棄。人們接受了電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。

　　量子力學的建立更加強了這種觀點，因為人們發現，物質的原子以及組成它們的電子、質子和中子等粒子的運動也具有波的屬性。波動性已成為物質運動的基本屬性的一個方面，那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已完全被沖破。

　　然而人們的認識仍在繼續發展。到20世紀中期以后，人們又逐漸認識到真空并非是絕對的空，那里存在著不斷的漲落過程(虛粒子的產生以及隨后的湮沒)。這種真空漲落是相互作用著的場的一種量子效應。

　　今天，理論物理學家進一步發現，真空具有更復雜的性質。真空態代表場的基態，它是簡并的，實際的真空是這些簡并態中的某一特定狀態。目前粒子物理中所觀察到的許多對稱性的破壞，就是真空的這種特殊的“取向”所引起的。在這種觀點上建立的弱相互作用和電磁相互作用的電弱統一理論已獲得很大的成功。

　　這樣看來，機械的以太論雖然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在絕對空虛意義上的真空)仍然活著，并具有旺盛的生命力。