神秘而朦胧的存在——以太

每每仰望星空，你是否曾想过，声音的传递需要介质，那光的传递是否也需要介质呢，如果需要，那这个介质又会是什么呢。

以太（Aether），是古希腊人创造出的一个概念，而早在古希腊哲学产生之前，古希腊诗人赫西阿德（Hesiod）就已在《神谱》中提到了“以太”，而此时的以太，指的是更高一层的大气。

后来，巴门尼德（Parmenides of Elea）和赫拉克利特（Heraclitus）曾谈到以太，巴门尼德认为以太是一种实体的存在；而赫拉克利特认为世界的本源是火，而火的变化与运动、火与万物 的相互转化是有规律的，这一规律叫做“逻各斯”，而以太，就是和“逻各斯”相连的东西。赫拉克利特的想法对提出了“种子说”的古希腊哲学家、原子唯物论的思想先驱阿那克萨戈拉（Anaxagoras）产生重大影响，其直接将以太等同于火。

图2：

而到了亚里士多德（Aristotle）的时代，他认为以太是土、火、气、水之外的第五种元素，而土在水中，水在气中，气在火中，火在以太中，这些构成了整个宇宙，而以太处在宇宙的最高处。以太的哲学思想在托勒

密（ClaudiusPtolemaeus）的宇宙体系中达到顶峰，。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，这主要体现在它们的物质构成中：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。

而随着1543年哥白尼（Nikolaj Kopernik）的《天体运行论》的发表，人类科学开始摆脱宗教束缚，而走在当时科学最前沿的，便是天文学和光学。1664年，笛卡尔（René Descartes）首次将以太应用于科学中，力图用以太—旋涡理论解释宇宙中一切事物及运动，但这一理论既没有运用其自己倡导的数学方法，更没有实验观测结果的支持，因此以太—旋涡理论只能属于自然哲学的假说，算不上科学的理论。尽管如此，

在当时神学统治和教会势力十分强大的背景下，以太—旋涡理论在避免与教会发生冲突的前提下为哥白尼日心理论的立足提供了依据。并且其理论是建立在笛卡尔的机械论与动力学思想的基础上的，为后世科学发展提供了方法论思想。而后，胡克（Robert Hooke）则认为，光是发光体微粒的小振幅的快速振动，它沿 直线向四面八方传播，通过弥漫的均匀媒质，穿过透明物体，其速度无比大但不一定无限大。而惠更斯（Christiaan Huyg（h）ens）明确提出了光的波动说。他认为光的运动不是物质微粒的运动而是媒质的运动即波动，光通过的这种媒质不是空气，而是“以太”。而他们对于光的认识也更多的在于光的波动说上。

而光的粒子说的支持者，牛顿（Isaac Newton）则对光的波动说进行了反驳。第一，波动说不能很好解释光的直线传播。如果光是波动的话，光波也会像声波一样绕过障碍物，但我们没有观察到这种现象；第二，波动说不能解释冰洲石的双折射现象，即当一束光线从空气传入冰洲石之类的晶体媒质之内时，便分为两束不同的折射光：一束为平 常光，它遵循笛卡儿定律，而另一束则为非常光，它不受该定律的限制。尽管如此，牛顿在1675年给奥尔登堡的一封信中，阐述了他对以太的看法：“以太”的结构和空气相似，但稀薄得多，精细得多，而且更有弹性。“以太”由主体及附属部分组成，主体较迟钝，附属部分以太气精较灵活，电、磁和重力都与以太相关。而光既不是以太，也不是以太的振动，而是从发光物体传播出来的东西。光和以太相互作用，以太使光折射而光使以太发热，最稠密的以太作用也最强。

受到牛顿的巨大影响，光的波动论受到冷落。直到十九世纪初，托马斯·杨（Thomas Young）向英国皇家学会提交了一篇为惠更斯光的波动论辩护的论文，波动论又重新回到大众视野中。而后的1815年法国工程师菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）发现了光的干涉现象，又经历了数年的严密数学论证，将光的波动论发展到近乎圆满。

时至1850年，法国物理学家傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）测出光在水中的传播速度比在空气中小，这同牛顿从发射论所推导出的预测相反，从而宣告波动论的完全胜利。自此，牛顿的经典物理学被打开了缺口，而以太也成为了科学研究中的一个重要对象并形成了“以太学”。同时人们也提出了疑问：地球与以太的相对运动是什么样的？十九世纪以来各国物理学家都做出了各种各样的实验，而其中，1887年迈克尔逊（Albert Abraham Michelson）与莫雷（E·W·Morley）做出的“以太漂移”实验得到了与理论预测相反的结果，震惊科学界。

十九世纪中，许多理论都是基于以太观念表述出来的，如麦克斯韦（James Clerk Maxwell）认为空间存在着电磁现象借以产生的处于运动中的以太物质。根据他的唯象理论，以太围绕力线旋转而形成了一个个涡元，在各涡元间存在着相互作用，他以此说明电磁运动规律，并在次基础上运用数学方法提出了电磁场方程组，即麦克斯韦方程组。

时至二十世纪初，物理学迎来了井喷式发展，传统的以太观点，即电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参考系，当参考系改变，光速也改变的观点在爱因斯坦（Albert Einstein）的狭义相对论的问世后受到了有史以来最大的冲击，以狭义相对性原理与光速不变原理为基础的狭义相对论的提出，阐释了光以太是多余的。人们自此接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。1920年，爱因斯坦在莱顿大学做了一个“以太与相对论”的报告，试图调和相对论和以太论。他指出，狭义相对论虽然不需要以太的概念，但是并未否定以太，而根据广义相对论，空间具有物理性质，在这个意义上，以太是存在的。他甚至说，根据广义相对论，没有以太的空间是无法想像的。爱因斯坦所说的“以太”其实是广义相对论中的度规场，并不具有物质性。随着量子力学的建立使人们认识到粒子与波实为一个硬币的两面。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破。自此物质以太被主流物理学家所抛弃。而对于以太的部分思想仍存在着，如不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空等。

 时至今日，我们仍不能说以太是绝对存在或不存在的，人类对于以太的理解与认知，自古希腊时期的哲学理解到之后引入到物理学中，人们围绕着以太这一看不见，摸不着甚至可能不存在的事物展开了长达数千年的思考与研究。我认为，以太是否存在对于人类来讲也许已不是重要之事，而这长达数千年，跨越时代的思考，天才们思维上的碰撞，人类不断追求和接近真理的过程，以及这一过程中积累的宝贵经验，才是以太所带给人类最珍贵的东西。

参考文献：

[1]王锡伟.论“以太”说的现代认识论意义.江苏社会科学，2007，第2期.

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[5]李佩珊、许良英.20世纪科学技术简史.北京：科学出版社，1999年，第2版.