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【本期話題】

以太學(xué)的新理論——以太萬物理論

作者：宋景巖 宋歧雋

2.2.2光學(xué)以太

光有時稱“光波”，有時稱“光子”，光到底是一種波還是一種粒子？自古就有爭議，科學(xué)史上影響深遠的三次“波粒之爭”決定了物理基礎(chǔ)理論的發(fā)展方向，光是波則以太必然存在，光是粒子則以太失去存在基礎(chǔ)。古希臘時期，人們傾向把光看成一種非常細小的粒子流，但不能解釋兩道光相互交錯時沒相互彈開現(xiàn)象的發(fā)生、無法解釋光的波長和頻率等問題，但把光看成像聲波一樣是某種介質(zhì)的波動，便可很好解釋光的很多特性。

笛卡爾在他的《方法論》附錄《折光學(xué)》中率先提出：光是一種壓力在媒質(zhì)中傳播，即光是一種波動在以太中的傳播。

羅伯特·胡克在1665年他出版的《顯微術(shù)》中明確支持波動說，認為光是發(fā)光微粒的小振幅、快速振動在均勻彌漫媒質(zhì)即以太中的一種傳播過程，并于

1672年進一步提出“光波是橫波”的觀點。

惠更斯進一步完善了光的波動說，在1690年《光論》發(fā)表光的波動原理，即惠更斯原理，惠更斯指出：荷載光波的以太應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中；對于一種波，從波源發(fā)射的子波中，其波面上的任何一點都可以作為子波傳導(dǎo)的波源，每個發(fā)光體的微粒把脈沖傳給鄰近的以太微粒，每個受激的以太都變成一個球形子波的中心。以太在傳播波動時，本身并不前進，這樣能同時傳播向四面八方行進的脈沖，因此光束彼此相交而不相互影響。

牛頓是光的粒子說的支持者，用粒子解釋部分光的現(xiàn)象，遭到前輩大佬胡克、惠更斯的批評。牛頓采取的回避策略，等到胡克、惠更斯去世后，才出版他早已寫好的光粒子學(xué)說《光學(xué)》，隨著牛頓學(xué)術(shù)絕對權(quán)威性確立，第一次波粒之爭，光的粒子學(xué)派勝出并占據(jù)主流位置一百多年。

十九世紀初，英國人托馬斯·楊通過光的雙縫實驗，發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，托馬斯·楊用光波的干涉解釋了牛頓環(huán)，并在實驗的啟示下于1817年提出光波為橫波的新觀點（當時對彈性體中的橫波還沒有進行過研究），解決了波動說長期不能解釋光的偏振現(xiàn)象的困難。托馬斯·楊提出他的波動性光學(xué)原理：稀疏的和有彈性的發(fā)光以太充滿整個宇宙；光是以光滑波的形式在以太中行進的連續(xù)的振動過程；不同顏色的感覺取決于傳遞給視網(wǎng)膜的以太振動的頻率；一切物體都吸引以太，因此在物體之中及其附近，以太密度大，而以太的彈性則保持不變。

法國人菲涅耳成功地做了光的衍射實驗，建立了以作圖法形式的衍射理論，解釋了光的直線傳播現(xiàn)象，提供了相互垂直的偏振光不相干涉的證明，這也是證實光是一種橫波，菲涅耳圓滿地解釋了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，形成完善的光的波動說理論。托馬斯·楊的雙縫實驗、菲涅耳的泊松亮斑和傅科關(guān)于對空氣和水中光速的精確測量為光的波動說提供了強有力的證據(jù)，第二次光的波粒之戰(zhàn)，光的波動學(xué)派完勝，波動說確立了它在經(jīng)典物理學(xué)中的地位，作為光波載體的以太成了物理學(xué)研究的對象，以太理論在十九世紀重新回到它的主流地位。

不過菲涅耳的彈性固體以太理論也遇到一些質(zhì)疑，如果光波為橫波則以太應(yīng)為有彈性的固體媒質(zhì)，為何天體運行其中而不受到阻力？另外彈性媒質(zhì)中除橫波外一般還應(yīng)有縱波，但實驗卻表明沒有光的縱波，如何消除以太的縱波以及如何

得出推導(dǎo)反射強度公式所需要的邊界條件是各種以太理論長期爭論的難題。光學(xué)對以太性質(zhì)所提出的要求似乎很難同通常的彈性力學(xué)相符合。

2.2.3電磁以太

法拉第在1838年提出，當絕緣物質(zhì)放在電場中時，其中的電荷將發(fā)生位移。W·湯姆遜也曾把電場比作以太的位移。法拉第引入力線來描述磁的作用和電的作用，他認為力線是確實的存在，空間是被力線所充滿著的，而光和熱可能就是力線的橫振動。1851年法拉第指出：如果接受光以太的存在，那么以太就可能是力線的荷載物。

到19世紀60年代，麥克斯韋提出了電磁以太模型，認為在空間存在著電磁現(xiàn)象是借以產(chǎn)生、處于運動之中的以太，以太的運動賦予電磁場的各種的屬性，電磁場只不過是運動以太的激發(fā)態(tài)，并提出位移電流的概念，進一步得出用一組微分方程來描述電磁場的普遍規(guī)律，把電學(xué)量和磁學(xué)量之間的關(guān)系形象地表現(xiàn)出來，這組方程以后被稱為麥克斯韋方程組。根據(jù)麥克斯韋方程組，可以推出電磁場的擾動以波的形式傳播，麥克斯韋從他的方程組里算出了電磁波的速度和光的速度是高度一致的，他指出“光就是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒質(zhì)（指以太）的橫振動?！?1888年德國的赫茲通用實驗方法證實了電磁波的存在，證實了電磁波與光波是同一種事物，當時的學(xué)術(shù)界也把赫茲的實驗結(jié)果看作是以太確實存在的證據(jù)。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質(zhì)，這樣以太不僅在電磁學(xué)中取得了地位，而且電磁以太同光以太也統(tǒng)一了起來。

麥克斯韋把磁感應(yīng)強度Ｂ比做以太的速度，后來改成磁場代表轉(zhuǎn)動而電場代表平動。麥克斯韋認為以太繞磁力線轉(zhuǎn)動形成一個個渦元，在相鄰的渦元之間有一層電荷粒子，當這些以太粒子偏離它們的平衡位置即有一位移時，就會對渦元內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生作用力引起渦元的變形，這就代表靜電現(xiàn)象。麥克斯韋認為，不論有無絕緣物質(zhì)存在，只要有電場就有以太粒子的位移，位移的大小與電場強度成正比。當以太粒子的位移隨時間變化時，將形成電流，這就是麥克斯韋所說的位移電流，麥克斯韋來認為位移電流是才真實的電流。

麥克斯韋是一位以太的堅定擁護者，他堅決反對超距作用，他曾說：“廣闊的行星際和星際區(qū)域?qū)⒉辉俦灰暈橛钪嬷袩o用的場所，人們不再認為造物主還沒

有在他的王國里找到合適的、具有多重象征的東西來填補其中。我們將發(fā)現(xiàn)，這些場所已經(jīng)充滿了這種神奇的介質(zhì)。它們是如此豐盈，人類沒有任何力量可以將其從哪怕是最小的空間上移去，或在其無窮的連續(xù)上留下哪怕最輕微的缺損?！?/p>

19世紀90年代Ｈ.Ａ.洛倫茲以絕對靜止的以太為基礎(chǔ)， 對電磁理論進行了研究，創(chuàng)建了他的電子論。在這個理論中，物質(zhì)世界區(qū)分為連續(xù)的以太和分立的帶電粒子兩種元素，并且把靜止以太看作電磁場的載體，把實物視為帶電粒子的集合。帶電粒子在靜止以太中雜亂無章地運動著，它們產(chǎn)生電磁場，電磁場是以太狀態(tài)的一種描述。物體運動時并不帶動其中的以太運動，但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(xiàn)運動電流，運動物質(zhì)中的電磁波速度與靜止物質(zhì)中的不相同，并推出了菲涅耳關(guān)于運動物質(zhì)中的光速公式，解決了菲涅耳理論所遇到的困難（不同頻率的光有不同的以太）。

電子論取得了很大成功，但在洛倫茲的理論中，以太除了荷載電磁振動和作為絕對參照系以外，不再有任何其它的運動和變化，這樣以太失去了其它具體、生動的物理性質(zhì)，這又成為以太理論衰落的巨大隱患。

當量子力學(xué)在亞原子領(lǐng)域取得巨大成功后，用假設(shè)存在正負電荷可以超距地相互吸收排斥的方法，可以解釋眾多電磁領(lǐng)域的現(xiàn)象，又證實了電荷之間、磁極之間作用力同樣遵循距離平方成反比定律，電荷超距作用的觀點在電磁領(lǐng)域、亞原子領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，以太的概念基本被拋棄了。

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