以太万物理论（四）之以太学的前世

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【本期话题】

以太学的新理论——以太万物理论

作者：宋景岩 宋歧隽

第2章 以太学的前世

——以太学曾经大起而红极一时、万人敬仰，

如今大落而被人遗忘、无人问津。

以太学是经典物理时期的主流基础理论，以太学自诞生后经过了多个世纪的发展壮大，从18世纪的衰落，到19世纪的复苏、再发展、再壮大、再衰落，直至20世纪被基本否认的历史进程，乃至当今21世纪可能的重新复活。以太学的发展道路，反映了人类科学文明发展道路上的曲折历程，是人类对客观世界认知水平提高与完善的过程。由于种种原因，现在许多人固执地认为以太早就被否定了，其实以太的存在从未被否定，被否定的只是机械的、僵化的以太、被否定的只是绝对静止的以太、被否定的只是人们对以太的不正确认识，以及强加于以太身上的一些物理属性。

要正确认识以太，就必须抱着科学的态度，全面地、客观地了解以太学的发展演化过程，用辩证唯物主义和历史唯物主义的思想去认识以太，用发展的观点去看待以太学，以太的内涵是随着人们对自然界认识的逐步深入而不断演化的，我们必须重新审视以太学过去，寻找以太的真实面目，对以太的正确认识，将会引起人类思想和实践的最伟大突破，以太学的复苏和重生，给人们认识客观世界带来新的希望与新的曙光。

2.1 古代自然哲学中以太观

2.1.1古希腊自然哲学的以太观

‚“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，宙斯也称以太．在那时，以太表示精灵之气弥漫宇宙。以太是圣洁之物，它不包含任何矛盾和对立，因而是永远不会发生变化，是永恒的。

以太的自然哲学应用起源于对真空（或空间）的认识，古希腊时期，一种比较流行的观点是哲学家留基伯提出的原子论，认为万物都是由最小的、不能再分的原子组成的，原子之间是一片虚空，宇宙是由原子和虚空共同组成，而原子在虚空中运动着。原子论者认为“如果没有我们称为虚空的空间、场所，物体就无法安置，根本也不能移动。”

古希腊伟大的哲学家亚里士多德（公元前384年 ——322年）反对原子论，尤其反对虚空的存在。他在《物理学》和《论天》等著作中写道“不可分的虚空是没有运动和变化的，一切物体的运动都是在某种介质中进行的，只有这样，运动才可以理解。如果承认了虚空，那就等于否定了运动。”“充实的空间里能够有变化，并且即使在物体之间没有虚空把它们分开，他们也能够彼此掉换位置。相反，虚空其实倒会把运动取消，在虚空里面，只会有一个普遍的静止。” 因此，亚里士多德认为“大自然厌恶虚空”，虚空是根本不存在的，空间处处为连绵不断的物质所充满，他认为月层以下的一切物体都是由水、土、气、火四元素组成，月层以上的天体是由更纯洁的第五种元素“以太”组成的，以太作为宇宙的本原物质的概念逐渐从神话走到自然哲学中来。后来，化学家门捷列夫也曾把以太作为原子的零序数物质列入他的元素周期表中。

在古希腊宇宙学中，用以太表示占据宇宙空间的物质，认为宇宙中应该存在一种浩瀚的物质“海洋”或物质背景，它们被称为“以太”，天体的浮游需要充满太空的以太作为载体，星光传播需要以太作为传播媒体。以太论在托勒密宇宙体系中占有重要位置，托勒密继承亚里士多德思想，把宇宙看成一种有等级的体

系，地上物体由土、火、气、水四种元素组成，而天上物体由透明无重量的“以太”构成；地上的物质是速朽的，而天上的“以太”是永恒不朽的。

有文献记载的最古老的以太观源于易经，认为“万物负阴抱阳”，“形而上者谓之道，形而下者谓之器”。所谓“道”，是以空间的方式存在的无形物质态，这种物质态聚合则生成器（即物质）。主张“天人合一”是指“天地与我并生，万物与我为一”，“天人合一”是“道器合一”的自然推论。中国古代一直流传着“先天一炁”作为宇宙创世的神秘力量的说法，指生天生地生人生万物的原始之炁，是构成天地万物的基本元素，道自虚无生一炁，便从一炁产阴阳，阴阳再合成三体，三体重生万物张。

老子的《道德经》：“有物混成，先天地生，寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天下母。吾不知其名，字之曰道，强为之名曰大。大曰逝，逝曰远，远曰反”。有一个东西混然天成，在天地形成以前就已经存在，听不到它的声音也看不见它的形体，寂静而空虚，它独立长存永不停息，循环运行而永不衰竭，可以作为万物的根本，“道”是宇宙万物的源头根本，物质、精神、规律都是“道”的派生物。“道生一，一生二，二生三，三生万物”，世间所有事物都要遵循于道，天地万物在道的作用下生生不息。……道法自然，宇宙用最简单的方式构成了无比繁复的世界。

中国古代唯物主义自然观的主要理论是元气论，它萌芽于先秦，形成于两汉，至宋、明、清时期得到了高度的发展，汉代的王充、北宋的张载和明末清初的王夫之是元气论的代表人物，元气论的主要观点可以概括如下：第一，“元气”是一种无形的、连续性的物质，充满了整个宇宙，没有任何物质的虚空是不存在的；第二，作为物质的“元气”永恒存在，并处在有规律的运动变化之中；第三，“元气”运动变化的根原在于它内部的矛盾性，“元气”是包含着阴阳两个对立面的统一体；第四，“元气”聚则为有形的物体，“元气”散则归于太虚，“元气”是构成万物的本原；第五，“元气”不仅构成一切有形有像的物体，还充满在这些物体之中；“元气”不仅与物质发生相互转化和相互作用，而且是物质之间相互作用的中介，并把天地万物联系成一个整体。

元气论和古希腊自然哲学的以太观对宇宙本原的认识，从本质是异曲同工的，中国古代的以太观认为以太是一种流体，中国道家把以太空间统称为“若水”。从某种意义上讲，中国的元气论、“道”比古希腊自然哲学中的以太观对宇宙的认识更深刻、更博大，但由于古、近代中国科学技术发展的停滞，这些先进的哲学观点没有得到很好的应用、验证和发展，因而，其影响力反而大大弱于西方的以太理论。

2.2 近代物理学中的以太理论

2.2.1力学以太

十七世纪，被誉为现代哲学之父的笛卡尔反对“超距作用力”的说法，并否认虚空的存在，笛卡儿认为，自然界的力只有通过物体间的相互接触才能发生作用，不存在任何超距作用。“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”，笛卡尔所说的实体就是以太，并最先把以太的概念正式引入物理学，赋予它某种力学性质，提出了引力的“以太旋涡说”，笛卡尔认为，物质是连续的，物体只有相互接触才能产生运动，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，“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质——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，如太阳周围的有一个巨大的以太旋涡，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，每个行星产生的重力现象就是行星旋涡中心产生的；物体更小的旋涡使各部分之间产生内聚力，正如河中浮草被卷进漩涡一样，在漩涡中重物趋向中心，轻物离开中心，因此，重物总是落下地面。笛卡尔把行星的圆周运动、重物的下落都归之于以太漩涡吸引的结果。

伽利略对笛卡尔的以太学说进行了具体化、理论化，提出了著名的伽利略变换，强调了静止以太的参考系功能以及该参考系的优越性。

牛顿对以太的态度是极其矛盾的，他一方面继承了笛卡儿和伽利略的部分思想，提出绝对时空理论，但又在他1687年发表《自然哲学的数学原理》中，回避了以太的问题，关于物体之间作用力的本质，他只字未提，认为当时不可能深入探讨力的本质。之后，牛顿运用超距的吸引和排斥的观点轻而易举地解释了万有引力、化学聚合力、光粒子的反射和折射等现象，因而逐步地接近超距作用的观点。承认超距作用，当然否定了以太的存在，但是牛顿本人并不赞成超距作用解释，在对待以太的问题上也是摇摆不定的，他在给Ｒ.本特利的一封信中写道：“很难想象没有别种无形的媒介，无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响……假定引力是物质的一种根本的和固有的属性，因此一个物体能够超距地通过虚空的任何距离作用于另一个物体，不经任何媒介就传递作用力，在我看来，这是多么荒诞，以致对于任何一个通晓哲学事理的人都是不可思议的。引力应是由按一定规律起作用的媒介引起的。但是，这种媒介究竟是物质的还是非物质的呢？我让读者自己去判断。”在力的传递上，牛顿本人是倾向于赞同以太理论的观点的，只是在细节上有所不同，但他并没有对力的本质再做进一步的研究和说明。

人们一般认为，牛顿力学不需要以太，但情况并非如此，牛顿力学只是利用一个叫“绝对空间”的概念，而未直呼其名的以太，在牛顿第二定律——惯性定律中，不仅提及运动参考系，还要利用参考系因为要定义加速度，就必须选择一个适当运动状态下的参考系，如果对参考系的状态选择不当，则对这个参考系牛顿运动方程将不成立，这就是说，物体所在的空间环境，以某种隐而不宣的方式具有一种客观实在性，随同物体本身和物体之间的距离一起出现在运动定律里，这里的“空间环境”就是牛顿的“绝对空间”。使牛顿定律成立的参考系必需是一个惯性系，物体的惯性反应也是相对它所处的以太空间，牛顿力学中的惯性系实质是物体所处的以太空间，这里的绝对参考系也就是以太参照系。可以说，没有以太也就没有牛顿的绝对时空观建立的基础。

莱布尼茨同样是一个坚定的以太论者，明确反对原子论的虚空观点。他认为引力是通过以太介质传递的，他在与克拉克的论战信中写道：“所谓物体的引力乃是奇迹性的东西，是不能用它们的自然本性来解释的”“完全空的空间是不存在的，空间是全部充满的，即使那些被认为证明虚空存的实验，如托里拆得的水

银玻璃管实验，无非是排除了粗大的物质而已，而某种精细的物质还是存在着的”。

笛卡尔学派和莱布尼茨学派都主张：“万有引力确实是普遍存在着的，但不可能是存在超矩作用”，反对牛顿学派主张的“超矩作用”，由于笛卡尔和莱布尼茨追随者坚持以太学说，拒绝认可牛顿的“引力的距离平方反比定律”，莱布尼茨与牛顿之间又存在着尖锐的“微积分创建者”之争，而使牛顿的追随者联合起来反对笛卡尔的哲学体系和莱布尼茨的学说，连同他们的以太学说一起反对，由于牛顿的力学方程不显性地依赖以太而成立，而被牛顿的追随者解读为力的超距作用，随着引力的平方反比定律在天体力学方面的巨大成功，使得超距作用观点得以流行，作为传递相互作用力介质为内涵的以太，被慢慢抛弃，十八世纪成为以太理论没落的世纪。

十九世纪随光的波动学的重新兴起，以太学重回它的主流地位。以太成为科学研究的重要对象，物理学也被分成两部门：一门研究普通物质，另一门研究以太，称为“以太学”。在以太学中，最令人困惑的问题是：地球在以太中运动，两者的相对运动究竟是怎样的？这就是以太漂移问题。当时，以太理论主流观点是“以太漂移假说”，绝大多数以太理论的学家都认为以太是绝对静止的，以太作为绝对静止参照系，天体与以太空间会产生绝对运动。另外还有两种以太漂移理论：

一是“以太部分曳引假说”，菲涅耳认为以太是绝对静止的，但是，当一个物体相对以太这个参照系运动时，其内部的那一部分以太的被物体带动。菲涅耳用以太绝对静止为基础对光行差现象的解释得到广泛认可，而且菲涅耳预言了艾利实验的结果，即望远镜灌满水，观察的光行差角不会有什么改变。斐索在1851年完成了流水中的光速实验，证明了菲涅耳公式的正确性。

二是“以太完全曳引假说”，英国物理学家乔治·斯托克斯认为把以太分成不动（以太漂移假说）和可动（以太部分曳引假说）的两部分，星体能够完全拖曳一部分以太，在物体表面附近的以太有一个速度逐渐减慢的区域，星体曳引周围的这部分以太一起运动，而距离星体更远空间中的以太则相对静止。即在地球表面，以太与地球具有相同的速度，即地球完全曳引这部分以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。“以太完全曳引假说”也能很好解释了光行差现象。

以太是绝对静止的假设，可以直观地解释许多日常的力学和光学现象，“以太是绝对静止的”成为近代物理学以太理论中关于以太的突出物理特征，最终这个错误的假定也为后来以太理论的没落埋下了祸根。

被喻为“最接近神的人”——美国伟大的科学家尼古拉·特斯拉，也在十九世纪末提出自己的以太理论，他认为电磁波在以太中的传送，就像声波在空气中传送一样；以太是大海，而普通物质则是比海水密度轻得多的水泡，引力是源自了物质外部受力的压力差；物体除了从周围环境中获得能量以外，物质内并无能量，能量不是直接来源自物质，能量来自空间，物质更像介质，让力作用于它，或者穿过它，没有以太，也就没有能量，也没有力，特斯拉反对相对论的质能等价等理论。他说“一切皆是光”，这里的光指以太，意指“一切现象和事物皆来源于以太”。

在尼古拉·特斯拉的手稿中写道：“你错了，爱因斯坦先生，以太是存在的！这些天有很多关于爱因斯坦理论的谈论。这个年轻人证明了没有以太，许多人同意他的观点，但我认为这是一个错误。以太的反对者把迈克尔逊-莫利的实验作为证据，他们试图检测地球相对于静止的以太的运动。他们的实验以失败告终了，但这并不意味着没有以太。在我的作品中，我总是依赖于以太的存在，因此我取得了一定的成功。尽管相互作用很弱，我们仍然能感觉到以太的存在。这种交互作用的一个例子显示在重力以及突然加速或刹车时（物体的惯性是以太的存在一个直接证据）。我认为恒星、行星和我们的整个世界都起源于以太，因为某种原因，它的一部分密度变小了。这可以与水中气泡的形成相比较，尽管这种比较非常近似。从四面八方压缩我们的世界，以太试图回到它最初的状态，一旦物质被以太压缩，并将变成以太本身。每一个物体，无论是太阳还是最小粒子，都是以太中的低压区域。因此，以太不可能在物质周围保持不动。基于此，人们可以解释为什么迈克尔逊-莫利的实验显示一个空结果。为了理解这一点，让我们将实验转移到水生环境中，想象你的船在一个巨大的漩涡中旋转，试着探测水相对船的运动，你不会察觉到任何移动，因为船的速度将等于水的速度。把你想象中的船换成地球，把漩涡换成绕太阳旋转的以太风，你就明白为什么迈克尔逊-莫利实验没能成功了。在我的研究中，我始终坚持这样一个原则，即自然界中的所有现象，无论发生在什么物理环境中，总是以同样的方式表现出来，水中有波浪、

空气中有波浪……无线电波和光是以太中的波。爱因斯坦断言没有以太是错误的。很难想象有无线电波，但是没有以太——承载这些波的物理介质。爱因斯坦试图用普朗克的量子假说来解释没有以太时，光的运动。我想知道如果没有以太的存在，爱因斯坦将如何解释球状闪电？爱因斯坦说没有以太，但他实际上证明了以太的存在。至少拿光速来说（“光速不变现象”事实上是以太存在的直接证据），爱因斯坦指出，光速不取决于光源的速度，这是对的，但这个规律只有在光源处于某种物理介质（以太）中才能存在，这种介质以其性质限制了光速。以太物质限制光速，就像空气物质限制声速一样。如果没有以太，那么光速将强烈依赖于光源的速度……”尼古拉·特斯拉以简明的事例和严谨的逻辑论证了以太的存在，可惜的是，尼古拉·特斯拉生前并未发表和推广他的以太理论，他的大部分以太理论仅在他遗留的手稿中发现。

力学以太的一个核心问题是：物体之间的相互作用力是否可以超距产生？这也是物理学最基本的问题，如果物体之间的相互作用力不可以超距产生，空间必然不存在虚空，必然充满着一种叫以太的物质，如果物体之间的相互作用力可以超距产生，以太便失去存在的基础。

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