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以太的历史与认知:从力传递到电磁波

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:以太是力的远距离传递介质,在笔者看来,这是对以太的第二代认知。由此人们认为,空间中存在以太海是确定无疑的,而以太海是光波的介质。这个时期的以太被称为“光以太”,这是对以太的第三代认知。麦克斯韦认为以太正是电磁学在物质上的基础,电场与磁场只是以太海的不同状态,而电磁波也仅仅是以太海中以太的波动。但在赫兹看来,这不仅是对电磁波存在的证明,也是以太海与电磁以太存在的证明。

以太的历史与认知:从力传递到电磁波

对于当今时代而言,以太是一个可有可无的模糊概念。

绝大多数人是通过“以太网”(Ethernet)这个词才保留了对以太这个词汇的认知,以太网的原意正是“无所不在的网络”,这是信息时代的物理基础。

以太是一个物理学上的词语,但它却不是现在任何物理教材中的内容,只有一些科普书籍在涉及经典物理学史时才会轻描淡写地提起这个概念并一带而过。

但如果深入探求我们会发现,以太在物理史上占有过举足轻重的地位,甚至可以说,光学力学电磁学的发展,都与对以太这种假设物质的猜想密切相关。

以太是一个颇为古老的概念,它的提出者是古希腊哲学家亚里士多德,他认为地上的一切都由土、气、水、火这四种元素组成,天空中的一切则由另一种更纯净的元素组成,他将其命名为以太,也就是第五元素。

在古代自然科学时期,以太这个词语第一次出现,它来源于哲学家对宇宙本质的想象与思考。当时人们认为,以太是天空中的元素。如果让笔者对其划分,会认为这是人类对以太的第一代认知。

到了17世纪,被誉为近代科学始祖的法国数学家物理学家、哲学家笛卡尔在1644年发表了《哲学原理》,首次将以太引入物理学,并赋予它力学的性质。

在笛卡尔看来,物体之间的作用力不应跨越空间而发生,必须紧贴才能出现的推力或摩擦力是这样,隔着空间发生作用的磁力潮汐力(月球大海的引力)也应该是这样。磁力与引力看似可以隔着空间发生作用,但这只能说明现实空间中不可能真的空无所有,它必须被某种媒介物质所充满,虽然这种媒介物质不能为人的感官所察觉,但它可以传递力的作用。

在笛卡尔的世界里,即使在真空中也充满了以太这种空间物质,他认为以太是容易运动的,以太这种假设物质围绕太阳形成漩涡,裹挟着各大行星随之旋转,这导致太阳系的形成。这就是笛卡尔的“以太漩涡理论”,也是17世纪最权威宇宙论

以太是力的远距离传递介质,在笔者看来,这是对以太的第二代认知。

在发现光具有波动性以后,英国胡克与荷兰的惠更斯都将空间中的以太当作光波在传递时的荷载物,并用波动学说的方法开始对光进行研究。

但光具有波动性这件事并不那么容易被当时所有人接受,因为光一直被认为是一种微小的粒子。大科学家牛顿就是持这种观点的。在万有引力定律的发现者身份上,牛顿斗赢了胡克;在光到底是波动还是粒子的问题上,他也压制住了惠更斯。不过,虽然各自的理论与认识不同,牛顿的力学与光学体系仍然构建于以太观念的基础之上。

在那个时代,绝大部分人都相信以太存在,因为如果没有这种神奇的物质,人们不但无法想象引力如何才能跨越空间发生作用,也无法解释光波如何才能在空间中传播。而且,有亚里士多德“自然界厌恶真空”这样的名言在先,所以“以太这种物质充满了空间”符合那个时期人们的认知。只不过当时还没有人找到办法来直接证明以太这种物质的真实存在。

1818年以后,通过诸如“泊松亮斑”“双缝干涉”等光学实验,科学界终于确认光的确具有波动性。而按宏观世界中的经验,波动现象总要依赖于某种介质,这似乎能间接佐证以太的存在。由此人们认为,空间中存在以太海是确定无疑的,而以太海是光波的介质。

这个时期的以太被称为“光以太”,这是对以太的第三代认知。

到了18世纪,人们开始对电磁现象进行科学研究。很多人可能知道麦克斯韦方程组是现代电磁学的重要基础,也知道麦克斯韦首先提出了“光就是电磁波”这种观点,但你可能不知道,他同样是以太论的支持者。(www.xing528.com)

麦克斯韦认为以太正是电磁学在物质上的基础,电场与磁场只是以太海的不同状态,而电磁波也仅仅是以太海中以太的波动。当他宣布自己不朽的麦克斯韦方程组以后,顺势修正了以往人们关于“光以太”的说法,代之以“电磁以太”。

后来的德国学者赫兹是麦克斯韦电磁以太观点的忠实信徒。赫兹于36岁时病逝于德国波恩,但直到生命的最后他都致力于通过实验来证明以太的存在。

1888年,赫兹完成了火花实验,他在黑暗的房间里观察到电火花,验证了麦克斯韦对电磁波的猜测。但在赫兹看来,这不仅是对电磁波存在的证明,也是以太海与电磁以太存在的证明。

如果电磁波的本质可以被认为是以太海的波动,电磁场的本质是以太海的特殊状态,那电磁场中的力也应当与以太有关。

现在,让我们把视线转向荷兰物理学家洛伦兹。我们知道,磁场对运动电荷的力被称为洛伦兹力,其命名来源于它的发现者洛伦兹,他同样是以太论的坚定支持者。洛伦兹在1895年提出了电子论,他认为一切宏观物质都由微观的带电粒子通过电磁作用组成。因此,一切物质之间的力,其本质无非电磁力与万有引力,它们都应当源于以太这种物质。

我们可以看到,在进入20世纪以前,经典物理学的发展与对以太这种假设物质的探寻是分不开的,而以太是19世纪末物理学领域的明星。在那个时代的研究者看来,以太是自然界中所有力与相互作用存在的基础,宇宙中的一切物理现象无外乎“原子”与以太,这是一切物理研究的根本所在。美中不足的仅仅是以太这种物质无法被我们的感官察觉。不过大家都相信,随着科学技术的发展,我们必然能更好地了解以太这种物质的特性。

以太能承载电磁作用,“电磁以太”是对以太的第四代认知。

如前所述,亚里士多德提出了以太这个概念,笛卡尔为了解释力的远距离作用(磁力与潮汐力)而引入了以太,之后人们为了解释光的传播,更需要假定“光以太”这种看不见的媒介真实存在,到了麦克斯韦与洛伦兹这里,光学、电磁学甚至力学都可以用“电磁以太”进行解释。

在距今一百多年以前“电磁以太”的鼎盛时期,科学界对以太的第四代认知具体而言是这样的:

以太填满空间形成了以太海,引力的实现与光的传播都依赖于以太海的存在。既然光或电磁波能在宇宙空间中传播,既然天体之间存在引力,宇宙空间中自然也充斥着以太海,我们的地球同样被浸泡在以太海中。正是基于无处不在的以太海,物理学中的各种作用才得以实现。

物理学的研究者们需要一种物质来承载力的超距作用与光的传播,以太的相关假设满足了这一需求。但关于以太的所有假设只能被称为“以太假说”,因为这种理应存在的物质是如此难以捉摸,它不仅不被人所感知,哪怕在实验室中也不容易找到它的踪迹——从16世纪开始,人们一直在猜测以太应该具有怎样的物理作用,猜测它会与哪些物质反应,并为此设计了一些实验,其中较为著名的有1859年斐索的流水实验。

法国科学家斐索1849年就在实验室中测量出光速,并在次年测量出光在水中传播的速度。他通过实验证实了光在水中的速度慢于光在空气中的速度,这可以说是光的微粒说与波动说之间决定胜负的判决性实验。斐索是实验物理的一位先驱者,但连他在用实验证明以太存在这一问题上也铩羽而归。

斐索的流水实验是基于第三代对以太的认知,也就是基于“光以太”的猜测而设计的,而麦克斯韦到1865年才提出第四代“电磁以太”的观点,赫兹的火花实验则完成于1888年。

赫兹同样是实验物理的一位高手,他不只通过火花实验证明了电磁波的存在,也通过测量电磁波的速度证明了光同样是一种电磁波。更重要的是,在赫兹看来,电磁波是以太海的波动,通过火花实验他已经证实了麦克斯韦假设的“电磁以太”是存在的。

然而,在他完成火花实验以前,出了一个谁也没想到的意外。

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