4.以太论的起源与衰弱

4.以太论的起源与衰弱人类对以太的探索历史悠久，有着肯定和否定两种观点.古希腊的泰勒斯认为“以太是灵魂的碎片”.伊辟鸠鲁认为，“如果实体是存在的物质，而真空是非存在，那么非存在比存在更多的存在着物质”.古希腊大哲学家亚里士多德（公元前384～前322）认为：天体间一定充满着某种看不见的媒质，当时就称这种媒质为“以太”.1.恩格斯对于以太的观点如果我们进步到能建立以太力学，这种力学自然就会把现在不得不归到物理学中的许多东西包括进去.（恩格斯：《自然辩证法》第91页）以太说一方面指出一条道路，去克服关于两种相反的电流体的原始的愚蠢观念，同时，另一方面，它也使人们有希望弄清楚，什么是电运动的真正物质基础，什么东西的运动引起电现象.以太说已经有一个不可否认的成就.大家知道，至少有这样的一个点存在，在这一个点上，电直接改变光的运动：它使后者的极化面回转.克拉克·麦克斯韦根据他的前面说过的理论，计算出一个物体的比电媒容量等于它的折光率的平方.波尔茨曼研究了各种非导体的介质常数，发现硫磺、松香和石蜡的介质常数的平方根分别等于其折光率.最高的误差——在硫磺中——仅百分之四.这样一来，麦克斯韦的以太说就在实验上被证实了.（恩格斯：《自然辩证法》第101页）以太有着和任何外部物体同样的实在性.（彭加勒，转引自列宁的《唯物主义和经验批判主义》第293页）恩格斯在《自然辩证法》第268页中有两个札记写道：“理论发展中的对抗性：“从自然嫌恶真空，立刻过渡到绝对空虚的宇宙空间，只是在这以后才出现了以太”.恩格斯在《自然辩证法》中写道：“仅电磁学方面，以太就是不可否认的成就，电不是物质的属性，而是物质的一种运动形式，只要片面的思维在研究部门占优势，正确的观点就不会被承认，他们禁锢思维.在这个领域要找到无所不包的理论，经过长时间再看分晓.只有那些个别的人，像骑牧的游士，向未知领域进军的人，才是大有希望的.”“如果以太确有阻抗，那么它对光也一定有阻抗，因而在一定的距离上光就不能透过了.但是，既然以太能传播光，是光的媒质，这必然就包含着：它对光有阻抗，否则光就不能发生振动……”在436页中又写到，“……同样说的是以太，但是它不是存在于天体之外，而是存在于天体的粒子的空隙之间”.他还在别的页码中说“仅光的折射以太就是不可缺少的”.2.文艺复兴之前对于以太的认识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.以德谟克利特(Democritus)为代表的原子论观点，主张“一切事物的本原是原子和虚空，别的说法都只是意见”，认为存在着某种无限的空虚空间，无数的原子在空无一物的空间中横冲直撞.古希腊哲学家把以太概念引入了哲学，例如亚里土多德的以太是指天或高空大气，与土、火、气、水并列为组成物质的第五种元素.亚里士多德（Aristotle）信奉“自然界厌恶真空”，认为空间无论何处都是充满的.在古希腊的神话传说中，以太表示精灵之气，弥漫于整个宇宙.与古希腊原子论自然观相对立，中国古代唯物主义自然观的基本理论是元气论，它萌芽于先秦，形成于两汉，至宋、明、清得到了高度的发展.汉代的王充，北宋的张载和明末清初的王夫之是元气论形成和发展过程中的3座丰碑.中国古代的“元气说”，认为天地间的虚空中充斥着“元气”，万物都由元气凝聚而成.元气说的集大成者张载，更是把元气与万物之间的关系说得非常明确，他说：“太虚即气”，“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚.”依照张载和王夫之的论述，成熟形态的元气论的主要观点可以概括如下.第一，气是连续性的一般物质存在，充满了整个宇宙.没有任何物质的虚空是不存在的.第二，作为物质一般的气永恒存在，不会消灭，并且处在永恒的有规律的运动变化之中.第三，气运动变化的根本原因在于它内部的矛盾性，气是包含着阴阳两个对立面的统一体.第四，气凝聚而成有形有象的物体，气散则归于太虚.气是构成万物的本原.第五，气不仅构成一切有形有象的物体，还充满在这些物体之中.未聚之气不仅与物体发生相互转化和相互作用，而且是物体与物体之间相互作用的中介.气把天地万物联系成一个整体.总之，中国古代元气论是以连续的物质本原，气化流行生生不息，阴阳的对立统一和有机联系的整体观为其基本特征的.3.笛卡尔对于以太的认识笛卡儿(1596-1650)把古希腊人的以太说，系统地总结成以太涡旋理论.据北大武际可教授考证：“17世纪法国的笛卡尔（1596～1650）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，并赋予它某种力学性质.……真空是不可理解的，物体之间的所有作用力都必须通过直接物体接触或通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用.因此，空间不是空无所有的，而是被以太这种媒介物质所充满.以太虽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.”笛卡尔还认为，“光”是一种波动，是“在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递的.”笛卡尔的“以太论”，几乎统治了整个欧洲长达一个世纪.据北大武际可教授考证：“17世纪法国的笛卡尔（1596～1650）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，并赋予它某种力学性质.……真空是不可理解的，物体之间的所有作用力都必须通过直接物体接触或通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用.因此，空间不是空无所有的，而是被以太这种媒介物质所充满.以太虽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.”笛卡儿以太论在西文是前无师承的，因为即使在持连续物质世界观点的古希腊哲学家那里，也不把以太看作是世界的唯一本原.但是比较可以发现，笛卡儿的以太论和张载的元气论极为类同，笛卡儿的以太旋涡说和张载的太虚旋涡说(见《正蒙·参两篇》)也如出一辙.把“元气”一词译成“以太”，即弥漫于整个宇宙的精灵之气.无论从词源和语义来说，都是十分贴切的.【2】把分立物体通过实在的介质传递其相互作用的观念叫作十九世纪古典物理学的近作用原理，换言之，近作用原理肯定了力场的实在性.这样，近作用原理的形成过程也就是从场的形式的概念向着实在场的物理表象的过渡过程.前几章所介绍的古典物理学的基本原理和特点正是这种过渡的历史条件.近作用和远作用的冲突是古典物理学中尚未找到逻辑上完整的，无矛盾的答案的基本问题之一，在相对论量子物理中这个问题有可能找到答案.近作用和远作用概念的矛盾还在十七十八世纪就已然表现出来了.机械论的自然科学从它自已发生的那个时候开始力求从世界图景中驱逐除位置，速度，质量以外的运动物体的一切属性.伽俐略由于以不十分明确也不完全固定的形式表现了这种倾向，所以他否定了引力，进而把宇宙中的惯性运动认为是曲线运动.17世纪的笛卡儿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，并赋予它某种力学性质.笛卡尔由于引入了惯性运动是直线运动的概念，从而在其涡旋的理论中用相邻物体的冲击解释了轨迹的弯曲.笛卡尔派的物理学（那种万能的，动理学宇宙观的尝试）排除隔着一段距离起作用的力.假设物体Ａ作用于处在距物体Ａ为某一距离的物体Ｂ上，这就意味着在这两个物体之间有一连串中间物体，这些物体由绝对刚性的杆组成，并把冲量从Ａ传给Ｂ.而且这种冲量的传递是瞬间发生的.把光想象成由另一种元素构成的刚性的杆，这种杆把光源和眼睛连接起来，于是光也同样是瞬间传播的.后来，笛卡尔曾写道，光以有限的速度传播或许从根本上动摇了他的哲学.在笛卡儿看来，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.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，提出了“以太旋涡说”【1】，他认为物质是连续的，不存在虚空和任何超距作用；以太是连续的物质世界的唯一本原；以太处于不停的激烈运动之中，各部分相互作用形成许多不同大小、速度和密度的旋涡.以此来解释气态、液态、固态物质的生成和太阳系行星的运动.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.光的波动说是由胡克首先提出的，并为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，因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象，也不能解释光为什么会直线传播.笛卡尔还认为，“光”是一种波动，是“在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递的.”笛卡尔的以太论，几乎统治了整个欧洲长达一个世纪.4.牛顿对于以太的认识牛顿（1642～1727）对“以太”的认识，却一直处于犹豫、摇摆之中.据中国科学院自然科学史研究所阎康年研究员考证：在1674年前，牛顿坚持“光的微粒说”，但在受到胡克和笛卡尔-惠更斯学派的有力批评之后，牛顿开始向“以太说”妥协，而且牛顿“向以太说的妥协由光学扩展到了整个物质观方面”.“牛顿的重力观点转向以太效应，即重力是由以太密度差异产生的压力差引起的，而不是以太旋涡造成的离心力.这种解释固然可以使重力的产生和传递的原因相一致，但是，这是既无法用实验证明也难以用数学论证的假设，在牛顿看来仍是不可取的”.牛顿企图用自己设计的摆的实验和波义耳的真空实验来证明以太的存在，但均以失败告终.不过牛顿并未就此完全放弃以太，“1717年牛顿发表了《光学》的第二版，并且附加了<疑问17～24>.在这些疑问中，牛顿都围绕着以太提出问题……是否可以用以太介质做出解释？”特别是，许多人都误认为牛顿的引力理论意味着“超距作用”，牛顿反驳：如果“一个物体可以通过真空而没有其他东西的中介，超距作用到另一个物体上，……对我来说是极其荒谬的，我相信没有一个在哲学上有思考能力的人，会陷入这种谬论之中.”爱因斯坦指出：“牛顿所最强烈反对的是一种能够自己在空虚空间中传递的力的概念.牛顿希望用以太来把超距作用归结为接触力.”爱因斯坦说：“物理学家在那个从日常生活抽象出来的有重物质观念之外，为什么还要建立起存在另一种物质——以太的观念呢？其理由无疑在于引起超距作用力理论的那些现象，以及导致波动论的光的那些性质.”霍金指出：“如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的.这样人们就提出，甚至在‘真空’中也存在一种无所不在的称为‘以太’的物质.正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言的.”在十八世纪和十九世纪前半期，物理学以及在很大程度上还有哲学都力求建立一种排除actionindistance（隔着一段距离发生）相互作用的图景.这样一些尝试都未得出任何一种能指出有益于近作用的，并且是有决定意义的，实验的理论.18世纪是以太论没落的时期.由于法国笛卡儿主义者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儿哲学体系，因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列.随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功，以及探寻以太得试验并未获得实际结果，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.1804年托马斯.杨写到：“光以太充满所有的物质之中，很少受到或者不受到阻力，就像风从小丛林穿过一样.”牛顿（1642～1727）对“以太”的认识，却一直处于犹豫、摇摆之中.荷兰的物理学家惠更斯认为“光振动是在一种特殊的介质——以太中传播的弹性脉动波，而这种介质充满了宇宙”.牛顿认为：自然界不存在以太运动，一切都是永恒不变的存在着.牛顿的万有引力论认为:真空中是绝对空虚的，从而认为一切天体都是孤立的与外界毫无联系的，一成不变的永恒存在着.以太如果存在就会把天体弄乱，所以他否定了笛卡儿的以太说(详见牛顿著的《自然哲学之数学原理》第13一17页).因此人们把笛卡儿的以太说从教科书中删掉，而把牛顿的万有引力的绝对空虚的宇宙空间理论编进了教科书.但牛顿绝对空虚的空间观点又和他自己的另一个观点“用流体力学的观点说明电和磁是一种流质……”(引自《科学技术史讲义》1982年8月清华大学出版社出版，第44页)直接矛盾.康德第一个向牛顿这个永恒不变的自然观开炮猛轰：“自然不是存在着，而是生长着和消逝着的永恒流动.”据中国科学院自然科学史研究所阎康年研究员考证：在1674年前，牛顿坚持“光的微粒说”，但在受到胡克和笛卡尔-惠更斯学派的有力批评之后，牛顿开始向“以太说”妥协，而且牛顿“向以太说的妥协由光学扩展到了整个物质观方面”.“牛顿的重力观点转向以太效应，即重力是由以太密度差异产生的压力差引起的，而不是以太旋涡造成的离心力.这种解释固然可以使重力的产生和传递的原因相一致，但是，这是既无法用实验证明也难以用数学论证的假设，在牛顿看来仍是不可取的”.牛顿企图用自己设计的“摆”的实验[4]和波义耳的真空实验来证明“以太”的存在，但均以失败告终.不过牛顿并未就此完全放弃以太，“1717年牛顿发表了《光学》的第二版，并且附加了<疑问17～24>.在这些疑问中，牛顿都围绕着以太提出问题……[探索]是否可以用以太介质做出解释.”许多人都误认为牛顿的引力理论意味着承认“超距作用”，牛顿反驳：“如果……一个物体可以通过真空而没有其他东西的中介，超距作用到另一个物体上，……对我来说是极其荒谬的，我相信没有一个在哲学上有思考能力的人，会陷入这种谬论之中.”爱因斯坦则客观地指出：“牛顿所最强烈反对的是一种能够自己在空虚空间中传递的力的概念.牛顿希望用以太来把超距作用归结为接触力.”牛顿的绝对空虚的空间理论，遭到法拉第和麦克斯韦哲学的否定.1874年英国的麦克斯韦，把法拉第的以太媒递哲学翻译成了数学语言的方程组，预言着在真空里可以产生传递能量的电磁波，以光速进行，这就把光和电统一起来了，即光波就是电磁波.法拉第和麦克斯韦认为：“以太是传递电磁力的媒质，绝对空虚的空间不会传导电磁力”.这种观点在19世纪占有优势，得到多数科学家的认同.5.洛伦兹对于以太的认识电子论指19世纪末到20世纪初提出来的将宏观媒质的电磁和光学效应归于其中所含带电粒子的作用的一种理论.它的提出不仅是电磁理论的一个重要进展，而且构成狭义相对论和物性微观理论发展中的一个重要环节.关于宏观媒质的电磁和光学性质的理论现已在原子的核模型和量子力学、量子统计的基础上发展成许多门有关的学科,如原子和分子物理学、固体物理学中的有关部分,以及更加专门的半导体物理学，限速度传播的概念引入带电磁学、电介质物理学和超导电物理学等.洛伦兹理论与早先理论的主要差别在于，它将电磁扰动以有粒子之间的相互作用中.洛伦兹电子论的一个重要成果是根据电磁场的边界条件，麦克斯韦电磁论的基础上推出了运动媒质中光的传播速度.电子论的另一方面内容是解释金属的各方面性质，如光学，热电效应、霍耳效应、导热率与电导率的关系等.1892年洛伦兹发表了划时代的论文——《麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用》，奠定了电子论的基础.麦克斯韦在1864年提出的电磁场方程组共有20个分量方程，场量除了有虽然麦克斯韦的整个理论是建立在电磁作用以有限速度传播的假设的基础上的，但是他的方程组中仍有与此不相协调的地方，例如在方程中电场强度E由矢量势对时间的微商和静电势在空间的梯度两项构成，等式右边第一项表明矢量势是在时间中变化的，而第二项似乎说静电势的传播不需要时间.鉴于这种不协调性，赫兹在1884年和亥维赛（O．Heaviside）在1885年先后对麦克斯韦方程组进行了简化，取消了A和j，化简为四个较为对称的矢量方程（与现在教科书上的麦克斯韦方程组的形式相似）.洛伦兹认为赫兹铲除原麦克斯韦方程组中的势是完全必要的，但是简化后的方程还不能解释电磁场中的电荷运动.他在1892年的论文中结合麦克斯韦的电磁场理论和克劳修斯的电动力学，推导出电荷在场中受力的公式，即著名的洛伦兹力公式在洛伦兹电子论中，以太和物质在力学上是互相独立的，而在电磁学中是互相联系的，联系它们的“桥梁”是电子.同时，电子的运动又是一切电磁场的根源.这种思想比麦克斯韦更深入了一步，因为麦克斯韦从来不问及电磁场是怎样产生的，在他的理论中电磁波总是来自无穷远处.洛伦兹用电子论解释了光的反射和折射、光的色散、以及金属对光的吸收.这都是麦克斯韦电磁场理论没有解决的问题.再让我们看看洛伦兹和麦克斯韦在处理电位移上的区别.由于麦克斯韦认为以太既是电磁场的载体，又是电位移产生的场所，因此他只能给出D=εE的关系.洛伦兹把对电位移的认识向前推进了一步，他认为以太只能是电磁场的载体，而极化在有重介质中才能产生，所以电位移应当是电场强度和极化强度的叠加的结果，即D=E＋4πP式中P表示极化强度.公式的意思可以解释为：电子相对于以太的位移和相对于介质的位移的矢量合成，就构成了电位移.洛伦兹在这个公式的基础上，再根据电子受电场激发而产生的受迫振荡的模式，推导出介质的介电常数：式中N为单位体积内可极化的分子数，k为使电子恢复平衡位置的弹性系数.m和e分别表示电子的质量和电量，ω为电磁波（即光波）的频率,用这个公式可以定量分析光的色散.Lorentz电子论的意义不仅在于融合了两派理论，在电子发现之前就从理论上预言了电子的存在，解决了电子运动与电磁场的关系，从而解释了物质的电磁学（光学）性质，而且还从正反两方面对Einstein狭义相对论的创立提供了许多根本性的值得思考的问题，把经典电磁理论推上了最后的高峰.在Maxwell的电磁理论中，以太是唯一的主角，电磁场是从属于以太的，电磁场是以太的某种状态.Lorentz（1853-1928）认为，带电粒子是客观存在的实体（吸收了源论派的观点），在全部电磁现象中，除以太外还必须考虑含有带电粒子的