物理学史论文.doc

物理学史课程论文：以太的探究论文题 目：以太的探究学 院 物理电气信息学院 专 业 物理学（师范） 年 级 07级 学生学号 12007243996 学生姓名 指导教师 2010年 05月25日 以太的探究摘要: 本文系统地回顾了物理学中以太与真空观念的发展,从以太学说的历史演变，分析了以太思想在物理学发展过程和现实中的科学价值；并指出在现代物理学中真空在本质上是一种以太。关键词: 以太；真空；旋涡以太；弹性以太；电磁以太；引力以太；以太的潜在科学价值1以太概念的形成与发展1. 1早期的以太概念 “以太”一词，起源于古希腊，最初见于一则神话传说:暗神伊利波斯与夜神尼卡丝结合，生出个精灵气旺的宙斯神来，这就是以太。在哪个时候，以太表示精灵之气，弥漫于宇宙。后来，以太作为构成物质的一种基本单元出现在古希腊的科学中。亚里士多德有句名言:“大自然是厌恶真空的”。他提出了五元素说，认为月层以下的一切物体都是由土、水、气、火四元素组成的，月层以上的天体则是由更纯洁的第五种元素“以太”构成。俄国化学家门捷列夫曾把以太作为原子序数为零的物质列入他的元素周期表中。1. 2以太作为传媒物被正式引入物理学 16世纪末，吉尔伯特断定地球是一个大磁铁，他认为磁铁有灵魂，并从磁铁内发出来。他借用以太这个名词来表示磁铁的灵魂，磁以太包罗着临近的铁物体，把它们拉向自身。但这只是一种思辩式的大胆想象。在17世纪，R.笛卡儿最先把以太正式引入物理学，并赋予它某种力学性质。笛卡儿认为，物体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。他认为“虚空”是不可能的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物体一以太，以太虽然不能为人的感官所感觉，但能传递和施加力于浸在其中的物体上。以太在不停地激烈运动中，卷起一个个旋涡。太阳周围的以太旋涡，带着行星绕太阳运动，行星周围的以太旋涡，带着卫星及其他小物体运动，这正如河中浮草被卷进旋涡一样。1. 3以太作为光波的荷载物与光的波动说相联系为了解释光的千涉、衍射等现象，探求光的本性，R.胡克首先提出了光的波动说，惠更斯做了进一步发展。在相当长的时期内，人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动，这种媒介物质就叫波的荷载物，如空气就是声波的荷载物。惠更斯认为光波的荷载物就是以太。由于光可以在真空中传播，他认为以太由许多很小的弹性粒子紧密压缩而成，充满了包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中，光是在以太中传播的波，光的传播速度决定于以太的弹性和密度。由此建立了以他的名字命名的次波原理-惠更斯原理。牛顿也承认以太的存在，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、引力等不同的现象，以太可以传播振动，但以太的振动不是光。19世纪菲涅耳根据以太理论导出了光在相对于以太运动的透明物体中的速度公式。他还提出，透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比以及以太曳引假说。 当然，以太说也遇到一些问题。首先，若光波为横波，则以太应为有弹性的媒质，那么天体在其中运行而不受阻力的事实如何解释?为此，有人提出，以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质，对于光那样快的运动，它具有足够的弹性像是固体;而对于像天体那样慢的运动则像流体。另外，弹性媒质中除横波外，一般还应有纵波，但实验却表明没有光纵波。为了适应光学的需要，人们要对以太假设一些非常的属性(如容变弹性模量为零，切变弹性模量为无穷大等等)。因为光有不同的频率，每种频率的光还要求有自己的以太。光学对以太性质所提出的要求很难同通常的弹性力学相符合。1. 4电磁以太和光以太的统一 正当人们为了光以太的性质大伤脑筋时，法拉第发现了空间具有电和磁的性质。他引入了力线来描述电作用和磁作用，他假设在电荷和磁极周围的空间里有一些力线或一些质点链，这些力线在离开源后，可以在空间自由行进，作用于远方的导线或磁体上。在他看来力线是现实的存在，空间被力线充满着，而光和热可能就是力线的横振动.他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写到:“如果接受光以太的存在，它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未被当时的物理学家所接受。到19世纪60年代前期，麦克斯韦在前人的基础上总结出了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，并推出电磁场的扰动以波的形式传播，其传播媒质就是电磁以太，电磁波在空气中的速率为，与当时已知的空气中的光速，在实验误差范围内是一致的。麦克斯韦指出光就是产生电磁现象的媒质(以太)的横振动。在1855年，他把磁感应强度比做以太的速度，并认为以太绕磁力线转动形成一个个涡元，在相邻涡元之间有一层电荷粒子。1888年赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光是一种电磁现象，有一种以太就可以传播光和电磁波，这样电磁以太和光以太获得了统一。19世纪90年代洛伦兹提出了新概念，他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子效应。物质中的以太同真空中的以太在密度和弹性上都无区别。他还假定物质运动时并不带动以太运动。由于物体中的电子随物体运动时不仅要受到电场力的作用，还要受到磁场力的作用及物体运动时其中将出现电介质运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。考虑了上述效应后，洛伦兹同样得到了菲涅尔关于运动物质中的光速公式。这时不同频率的光需要不同的以太问题也就不再存在了。在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不在有任何其他的运动和变化。这样它几乎已退化为某种抽象的标志，除了作为电磁波的荷载物和绝对参考系，它己失去了其他所有的具体生动的物理性质。1. 5以太绝对参照系的探求人们普遍认为，牛顿物理学不需要以太，并认为这个无所不在的媒质首先用在光的波动理论中，但情况并非如此，牛顿力学有它未直呼其名的以太，它不过叫绝对空间罢了。在“质量加速度=力”这个运动定律里，不仅提及物质体系，还要提及坐标系。因为要定义加速度，就必须选择一个适当运动状态下的坐标系.如果该坐标系的运动状态选择不当，则对这个坐标系牛顿运动方程将不成立。这就是说，物体所在的环境，以某种隐而不宣的方式作为一种存在因素，随同实际物体本身和实际物体之间的距离一起出现在运动定律里。这里的“环境”就是牛顿的“绝对空间”，它显然是一个惯性系(使牛顿定律成立的坐标系)。麦克斯韦从他的方程组里算出了电磁波的速度。，但没有指明是相对于谁的速度。根据光的以太论，人们自然想到是相对于以太的速度。这样，只有相对于以太静止的惯性系中测得光速才是c，而相对于以太匀速运动的惯性系中测得光速就不是c。这就是说，相对于以太静止的惯性系具有特殊的地位，我们叫它以太参照系或绝对惯性系。那么是否存在以太参照系?光速是否在不同的惯性系里具有不同的速度?人们做了许多实验来探求以太绝对参照系，最著名的就是迈克尔逊一莫雷实验，实验表明光速在不同的惯性系里是相同的，与光源的运动无关，以太参照系是不存在的，麦克斯韦的电磁理论在所有的惯性系里都成立。1. 6相对论里的以太既然光速在不同的惯性系里是相同的，爱因斯坦在1905年的论文里写到:引入以太是多余的。但在1924年爱因斯坦又从不同角度重新审视了以太，他说:“我们现在如果来谈以太，当然不是谈力学理论里的那个解说波动的物理以太或物质以太。”他认为，不去谈什么以太，而来谈空间的性质可能也一样。这样一来，牛顿的绝对空间就是力学以太，但以太不再是牛顿力学的怪胎，而是自然界中确有与之对应的物理实在，而且相对论也需要以太。力学以太保留下来的唯一东西是以太有确定的运动状态，这个状态代表的是绝对静止。狭义相对论中的以太也是绝对的，因为它把以太对惯性的和对光的传播的影响看成与任何物理影响无关。按照狭义相对论物体的几何性质不但受到动力学的影响，而且还要受到以太的影响。广义相对论的以太不是绝对的，它既不同与经典力学的以太，也不同与狭义相对论的以太，如果宇宙是封闭的，空间是有限的，则以太性质的规定是完备的。广义相对论的以太是这样的一种媒质，它本身完全没有一切力学的和运动学的性质，但它却参与对力学(和电磁学)事件的决定。从这里可以看出，爱因斯坦所讲的以太就是空间的性质。爱因斯坦说:“依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的;因为在这样的空间里，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间一时间间隔。”1.7以太与真空爱因斯坦说:“理论物理学决不能没有以太，即，具有物理性质的连续场;因为广义相对论排除直接的超距作用。然而每种接触作用的理论都认定要连续场的，因此也就认定有一个以太存在。”在这里爱因斯坦又把以太和场联系了起来。在爱因斯坦心目中，除去物质就是场，而场是在物理学里起因果纽带作用的东西，场是传递量子之间相互作用的。物质之间有场，物体之间的空间有力，场或者力体现空间的性质。现代量子论的研究表明，物质与“真空”是相互影响的，只此一点就可说明“真空”与广义相对论的“以太”相类似。因为从来没有人给“以太”这个名词下过科学的、严格的定义，也没有对“以太”的性质给出令人信服的规定，“以太”的内涵是随着时代的发展而发展的。为此，我们可以认为，现代量子场论研究的“真空”就是爱因斯坦所谓的理论物理学不可或缺的那个“以太”或物理空间。“以太”、空间、真空指的是有物理性质的同一个物理实在，只是名称不同而己。2以太在物理学发展史上的重要地位2. 1以太概念在人们探求真理中起到的作用 物理规律并不是人们一开始就明白、清楚的，都是要经过长期的探索，反复验证才确立下来的。而在探索和验证的过程当中，总要出现一些曲折，甚至错误，人们就是在纠正错误的过程中获得真理的。以太概念的演变与发展从一个侧面反映了物理学的发展规律。特别是作为探索物理学规律的探针，以太在人们探索物质结构、探索光的本性以及人们正确时空观的确立过程中都起到了非常巨大的作用。2. 2以太概念与近代物学 近代物理的建立与发展与以太概念有着不可否认的联系。首先，相对论的建立直接与以太参照系的探求有关。19世纪末，许多人在设计实验来测量以太漂移的速度，寻求以太参照系，但都劳而无功。经典力学和电动力学之间出现了矛盾，爱因斯坦正是从解决矛盾出发，否定了绝对参考系的存在，开始了物理学的革命。其次，以太论的“空间不空”的物理思想在今天看来是完全正确的。以太论认为空间不是虚空的，而是充满了一种特殊物质一以太，它是许多物理事件的携带者或媒介。今天的量子场论认为真空不是虚空，是量子场系统的基态，真空的激发或振动能造成可观测的物理效应。另外，以太论认为的自然界不存在超距作用的思想与近代物理学的理论也早一致的。3以太说的潜科学价值3.1以太说起源于对未知物质形态的哲学思辩 恩格斯曾指出“如果理论自然科学想追溯自己今天的一般原理发生和发展的历史，它也不得不回到希腊人那里去。以太说起源于人类对物质存在形式的猜想。泰勒斯作为古希腊的第一个自然哲学家留下一句名言“万物源于水”，其后自然哲学家相继发展了对自然进行说明的理论。其中德漠克利特提出了在科学思想史上极为重要的原子论。虽然这一理论在希腊时期还只是一种哲学的思辨，但作为一种杰出的科学思想，它指出世界的共同基础是原子。另一重要假说即朴素的元素说，早期由哲学家爱奥尼提出，并用物质自身的运动和变化来说明自然、宇宙、物质的本质问题。后来亚里士多德加以发展，他设想天体和地球是由不同材料组成:月层以下的一切物体都是由土、水、气、火四种元素组成，月层以上的天体则是由更纯洁的第五种元素“以太”(希腊文，意思为徽烧和发光)构成的。因此“以太”最初是被作为一种特殊物质而引进了物理学的，虽然这只是人类对自然科学认识开始时对未知物质形态的一种幼稚猜测，但却从一开始就具有明确的唯物主义倾向，是“在自己(科学)的萌芽期就十分自然地把自然现象的无限多样性的统一看作不言而喻的，并且在某种具有固定形体的东西中，在某种特殊的东西中去寻求这个统一。”此后，以太在宇宙论中一直被作为天空占有物使用。在科学历史发展的过程中以太经历了哲学以太、力学以太、光以太和电磁以太等而不断地被赋予新的内涵，其生动的物质模型在客观上起到理论的基底作用，即使在被新理论抛弃时也会从反面对相关理论的发展、完善和创新提供不小有益的启示。因此，从历史的辨证角度看，以太为后人探索未知物质形态乃至近代有如真空的本质等拓展了思维空间，以太在科学历史上几经兴衰而总是被否定不掉正是由于其物质性所激起的反思。3.2以太的合理内核在于对超距作用的否定 使以太(ether)首次在物理学中被赋予某种力学性质而成为科学中的一种概念的是法国哲学家笛卡尔，他在哲学原理一书中提出“旋涡假说”以解释天体间相互吸引和运转。他假定星际空间充满着连续分布的以太粒子，天体之间的所有作用都是通过以太的应变和运动来传递的，不存在超距作用，各部分因此而产生圆周运动，形成旋涡。如地球周围的涡旋以太卷着月亮绕地球转，太阳周围的涡旋以太卷着各个行星绕太阳转。这一理论虽然没有运用笛卡尔自己倡导的数学方法，更没有实验观察结果的支持，而且有不少可疑假设，也算不上实证科学的理论，但其合理内核 “只有物质相接触才能产生力，不存在超距作用，凡有广延和空间的地方必有实体”的潜科学价值是不容置疑的。首先，在这里笛卡尔用具有力学模型的以太巧妙地把上帝排除在自然规律之外，并且在经典力学体系尚未成熟的时期就突破力学研究的一般模式，着手于天体演化的研究表现出独特的辩证法思想，可以说，这为牛顿从运动理论的角度打破亚里士多德关于日上世界与日下世界的界限奠定重要基础，也为近代科学的发展扫清了道路;其次其中的方法论意义，对后来麦克斯韦电磁场理论乃至近代物理的相对论等均起到独特的、深远的影响;第三，强调了“凡有广延和空间的地方必有实体” “空间和实体实际上没有区别”的“广延实体的思想，其蕴含的“真空不空”的唯物主义观点和物质无限广延的辩证思维被马克思称之为是“真正的自然科学的财产”，其方法论思想为现代物理学提供了指导。在光的波动学的发展过程中，否定超距作用的接触作用观点也起到积极作用。荷兰物理学家惠更斯(1629一169s)首先把以太作为光波载体引人到光的波动理论中，后来托马斯杨和菲涅耳加以发展，牢固了波动光学的基础。有助于人类对光本质的认识，他的理论也激起了牛顿学派对光学研究的兴趣，从而推动了光学理论的发展，其思维上的创新意义是深远的。 19世纪建立并发展完善的电磁理论，从法拉弟把以太看作是力线的荷载体，到麦克斯韦设想把以太作为电磁现象的物理实在，都是基于接触作用观点。并且进一步实现了光和电磁现象的逻辑上的统一。指出电磁现象也要像对光和热那样，应该肯定是以同样的以太作为媒质的。“这种以太媒质可以弥撒于空间并渗人物体”0尤其是1887年赫兹用实验证实了麦克斯韦电磁场理论所预言的电磁波的存在以后，以太作为宇宙组成的基本要素被广泛接受。但是值得注意的是，麦克斯韦以电磁以太模型成功解释电磁作用的微观机理，从而使接触作用思想在物理学中深深扎下了根，因此，以太在19世纪麦克斯韦的早期电磁理论及其发展中所起的重要的理论背景作用是毋庸置疑的。 随着电磁理论的进一步发展，特别是寻找绝对参照系的迈克尔逊一莫雷实验的零结果，以及后来狭义相对论和量子力学的创立，人们抛弃了以太而接受了场作为物质存在的一种形式的概念。但是不可否认，在这里爱因斯坦抛弃的是作为绝对时空下最优坐标系载体的“绝对以太”。正如爱因斯坦所说“理论物理决不能没有以太，因为广义相对论排除直接的超距作用，每一种接触作用的理论都认定要连续场的，因而也就认定有一种以太存在。”显然，取而代之的具有“弥漫于空间，并渗人物质“的特殊物质的场，却依然保留着以太的接触作用思想和物质性的合理内核。3.3以太说的还原论思想与场论的发展 追求简单性是科学家的一个长期信念，爱因斯坦曾指出“从希腊哲学到现代物理的整个科学史中，不断有人企图把表观上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。人们在研究复杂事物和复杂过程中所采取的从实体上进行还原的方法，即试图在所有复杂的现象中找到共同具有的物质实体，并把它作为差异性的共同基础。其理论的前提越简单，它所涉及的事物就越多，适用范围就越广，它给人们的印象也就越深刻。 以太说从其哲学起源就隐含还原的本义，亚里士多德把天上现象还原为以太，笛卡尔把天上和地下统一起来提出传播引力作用的涡旋以太，牛顿的绝对静止的最优坐标系用以太作为理论基底，惠更斯、菲涅耳和托马斯杨建立的光以太传播理论，电磁场理论中用充满旋祸的电磁以太模型解释电磁作用的微观表现，还原论思想均在其中起着积极的主导作用，推进了相关理论的发展。这一思想还对近代自然科学的产生和发展起着重大影响，如“热素”“电流质”“磁流质”“光粒子”等“无重流质”等概念以及地质学中的地质单元，生物学中的细胞等，尽管其中有些后来甚至阻碍过科学的进一步发展，但是其潜科学意义是不可否定的。近代量子场论的建立，进一步指出自然界中所有的实物和辐射粒子都是量子化的，现实世界的本质是场的集合，可以说这使得还原论思想得到了最完美的表达。此外，在对自然界四种基本作用力传递载体的探求中，先后找到的光子、介子、胶子以及尚待发现的引力子.其对各种力的本性寻求统一的思维即还原论思想以及否定超距作用的接触作用思想是显而易见的。在此，我们看到科学发展的历史行程中观念的演化、扬弃和升华以及科学思想在逻辑发展中的思维创新。4结束语回顾物理学的发展，我们看到以太自出生以来便是具体物质这个家族中的一个顽童，但这一假的合理内核“不存在超距作用，不存在绝对虚空，真空不空，”的接触作用的哲学观点以及对力的本性寻求统一的还原论思想，确实曾经对物理学的过去产生过重要影响，它对我们从一个侧面了解物理学的发展史是有益的。此外，近代天文学四大发现之一的宇宙微波背景幅射和暗物质，引起的人们对未知物质形态的探索，重新引起人们对以太的反思和审视;真空不空虽已得到证实，但真空的结构又是什么样的?物质世界是否存在与历史上以太的概念完全不同的新的以太?近代以太说的有所复括又引起了人们的关注。爱因斯坦曾经说过“科学史上经常碰到这样的情况，一些重大间题似乎已经得到解决，但是却又以新的形式出现，这也许就是物理学的一个特征。并且，某些基本问题可能会永远纠缠着我们。”只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说，我们是否可以作出这