以太学的新理论——以太万物理论（五）

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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

2.2.2光学以太

光有时称“光波”，有时称“光子”，光到底是一种波还是一种粒子？自古就有争议，科学史上影响深远的三次“波粒之争”决定了物理基础理论的发展方向，光是波则以太必然存在，光是粒子则以太失去存在基础。古希腊时期，人们倾向把光看成一种非常细小的粒子流，但不能解释两道光相互交错时没相互弹开现象的发生、无法解释光的波长和频率等问题，但把光看成像声波一样是某种介质的波动，便可很好解释光的很多特性。

笛卡尔在他的《方法论》附录《折光学》中率先提出：光是一种压力在媒质中传播，即光是一种波动在以太中的传播。

罗伯特·胡克在1665年他出版的《显微术》中明确支持波动说，认为光是发光微粒的小振幅、快速振动在均匀弥漫媒质即以太中的一种传播过程，并于

1672年进一步提出“光波是横波”的观点。

惠更斯进一步完善了光的波动说，在1690年《光论》发表光的波动原理，即惠更斯原理，惠更斯指出：荷载光波的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；对于一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波传导的波源，每个发光体的微粒把脉冲传给邻近的以太微粒，每个受激的以太都变成一个球形子波的中心。以太在传播波动时，本身并不前进，这样能同时传播向四面八方行进的脉冲，因此光束彼此相交而不相互影响。

牛顿是光的粒子说的支持者，用粒子解释部分光的现象，遭到前辈大佬胡克、惠更斯的批评。牛顿采取的回避策略，等到胡克、惠更斯去世后，才出版他早已写好的光粒子学说《光学》，随着牛顿学术绝对权威性确立，第一次波粒之争，光的粒子学派胜出并占据主流位置一百多年。

十九世纪初，英国人托马斯·杨通过光的双缝实验，发现了光的干涉现象，托马斯·杨用光波的干涉解释了牛顿环，并在实验的启示下于1817年提出光波为横波的新观点（当时对弹性体中的横波还没有进行过研究），解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。托马斯·杨提出他的波动性光学原理：稀疏的和有弹性的发光以太充满整个宇宙；光是以光滑波的形式在以太中行进的连续的振动过程；不同颜色的感觉取决于传递给视网膜的以太振动的频率；一切物体都吸引以太，因此在物体之中及其附近，以太密度大，而以太的弹性则保持不变。

法国人菲涅耳成功地做了光的衍射实验，建立了以作图法形式的衍射理论，解释了光的直线传播现象，提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这也是证实光是一种横波，菲涅耳圆满地解释了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，形成完善的光的波动说理论。托马斯·杨的双缝实验、菲涅耳的泊松亮斑和傅科关于对空气和水中光速的精确测量为光的波动说提供了强有力的证据，第二次光的波粒之战，光的波动学派完胜，波动说确立了它在经典物理学中的地位，作为光波载体的以太成了物理学研究的对象，以太理论在十九世纪重新回到它的主流地位。

不过菲涅耳的弹性固体以太理论也遇到一些质疑，如果光波为横波则以太应为有弹性的固体媒质，为何天体运行其中而不受到阻力？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的纵波，如何消除以太的纵波以及如何

得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太理论长期争论的难题。光学对以太性质所提出的要求似乎很难同通常的弹性力学相符合。

2.2.3电磁以太

法拉第在1838年提出，当绝缘物质放在电场中时，其中的电荷将发生位移。W·汤姆逊也曾把电场比作以太的位移。法拉第引入力线来描述磁的作用和电的作用，他认为力线是确实的存在，空间是被力线所充满着的，而光和热可能就是力线的横振动。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线的荷载物。

到19世纪60年代，麦克斯韦提出了电磁以太模型，认为在空间存在着电磁现象是借以产生、处于运动之中的以太，以太的运动赋予电磁场的各种的属性，电磁场只不过是运动以太的激发态，并提出位移电流的概念，进一步得出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律，把电学量和磁学量之间的关系形象地表现出来，这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组，可以推出电磁场的扰动以波的形式传播，麦克斯韦从他的方程组里算出了电磁波的速度和光的速度是高度一致的，他指出“光就是产生电磁现象的媒质（指以太）的横振动。” 1888年德国的赫兹通用实验方法证实了电磁波的存在，证实了电磁波与光波是同一种事物，当时的学术界也把赫兹的实验结果看作是以太确实存在的证据。光的电磁理论成功地解释了光波的性质，这样以太不仅在电磁学中取得了地位，而且电磁以太同光以太也统一了起来。

麦克斯韦把磁感应强度Ｂ比做以太的速度，后来改成磁场代表转动而电场代表平动。麦克斯韦认为以太绕磁力线转动形成一个个涡元，在相邻的涡元之间有一层电荷粒子，当这些以太粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时，就会对涡元内物质产生作用力引起涡元的变形，这就代表静电现象。麦克斯韦认为，不论有无绝缘物质存在，只要有电场就有以太粒子的位移，位移的大小与电场强度成正比。当以太粒子的位移随时间变化时，将形成电流，这就是麦克斯韦所说的位移电流，麦克斯韦来认为位移电流是才真实的电流。

麦克斯韦是一位以太的坚定拥护者，他坚决反对超距作用，他曾说：“广阔的行星际和星际区域将不再被视为宇宙中无用的场所，人们不再认为造物主还没

有在他的王国里找到合适的、具有多重象征的东西来填补其中。我们将发现，这些场所已经充满了这种神奇的介质。它们是如此丰盈，人类没有任何力量可以将其从哪怕是最小的空间上移去，或在其无穷的连续上留下哪怕最轻微的缺损。”

19世纪90年代Ｈ.Ａ.洛伦兹以绝对静止的以太为基础， 对电磁理论进行了研究，创建了他的电子论。在这个理论中，物质世界区分为连续的以太和分立的带电粒子两种元素，并且把静止以太看作电磁场的载体，把实物视为带电粒子的集合。带电粒子在静止以太中杂乱无章地运动着，它们产生电磁场，电磁场是以太状态的一种描述。物体运动时并不带动其中的以太运动，但物体中的电子随物体运动时，不仅要受到电场的作用力，还要受到磁场的作用力，以及物体运动时其中将出现运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的不相同，并推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式，解决了菲涅耳理论所遇到的困难（不同频率的光有不同的以太）。

电子论取得了很大成功，但在洛伦兹的理论中，以太除了荷载电磁振动和作为绝对参照系以外，不再有任何其它的运动和变化，这样以太失去了其它具体、生动的物理性质，这又成为以太理论衰落的巨大隐患。

当量子力学在亚原子领域取得巨大成功后，用假设存在正负电荷可以超距地相互吸收排斥的方法，可以解释众多电磁领域的现象，又证实了电荷之间、磁极之间作用力同样遵循距离平方成反比定律，电荷超距作用的观点在电磁领域、亚原子领域占主导地位，以太的概念基本被抛弃了。

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