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以太

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以太假说:地球行经承载光的介质以太
以太假说:地球行经承载光的介质以太

以太(英语:Luminiferous aetheraetherether)或译为光以太,是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质,为五元素之一。19世纪的物理学家,认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质[1]。但后来的实验和理论表明,如果不假定“以太”的存在,很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说,没有任何观测证据表明“以太”存在,因此“以太”理论被科学界抛弃。

历史

19世纪,科学家们逐步发现是一种波,而生活中的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于等)。受经典力学思想影响,于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,是这种物质作为光的传播中的介质

以太的假设事实上代表了传统的观点: 电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。

迈克耳孙-莫雷实验装置
迈克耳孙-莫雷实验装置

这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是 "以太系" 的光速、与这个观察者在 "以太系" 上的速度之矢量和。

按照当时的猜想,以太无所不在,没有质量,绝对静止。以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中,由于地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为 c+v,最小为 c-v(如同船只动力c,河流流速v,则船速可能为正向c+v、逆向c-v)。如果太阳在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。

1881年-1884年,阿尔伯特·迈克耳孙爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。实验结果显示,不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理,即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值,与参照系的相对速度无关,以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。

以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深柢固,深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式,但无法抛弃以太的观点。

然而根据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的。

其中 真空电容率真空磁导率

爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说,认为光速不变是基本的原理,并以此为出发点之一创立了狭义相对论。虽然后来的事实证明以太确实不存在,不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹,如以太网路等。

但有些人推测,以太可能是由一种宇宙暗物质所构成,又称“光引力行为”,光引力行为是一种只有属于光的万有引力,发光者借由暗物质的聚合而产生光,可是这些也只是在构想的阶段。

笛卡尔的角度来看,物体之间所有的作用力都必须透过媒介来传递,不存在所谓的超距作用。因此,空间中不可能是一无所有的,而是充满着一种叫以太的物质。以太虽然无法被人体所感知,但却能传递作用力,例如磁力、月球对潮汐的作用力等。

之后,以太又跟光波动说有很大关联,它被当作是光波的荷载物。光波动说是由胡克所提出的,并由惠更斯做进一步的发展。

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(以太)应该充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到平常的物质当中。以太除了被当作为光的荷载物质之外,惠更斯也利用以太来解释引力的现象。

牛顿虽然不同意胡克的光波动说,但又和笛卡尔一样反对超距作用,并承认以太这种物质的存在。牛顿的观点是,以太不一定是单一的物质,因此能传递各种作用力,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震动,但以太的震动不是光,因为当时光波动说还不能解释光的偏振现象,亦不能解释光为何会直线传播。

十八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尔哲学体系,因此连笛卡尔倡导的以太论也一并进入了反对之列。

随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及探寻以太的实验并未获得成果,使得超距作用观点得以流行。光波动说也被放弃了,而光微粒说却得到广泛的承认。到了十八世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离的平方成反比。于是电磁以太的观念被抛弃,超距作用的观点在电磁学中也占据了主导的位置。

十九世纪,以太论获得复兴以及发展,这点首先还是由光学所发展起的,主要是托马斯·杨菲涅尔的实验结果。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年提出的光波为横波的新观点,解决了光波动说长期不能解释光的偏振现象的困难处。

菲涅尔用光波动说成功地解释的光的衍射现象,他提出的理论方法(常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射的图案,并且能解释光的直线传播现象。之后菲涅尔又成功进一步解释了光的双折射,获得了很大的成功。

1823年,菲涅尔根据托马斯·杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年所提出的:

透明物质中以太密度与及折射二次方成正比的假设,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,他很准确的说明了大卫·布儒斯特数年前从实验上所测得的结果。

参阅

参考文献

  1. ^ The 19th century science book A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar provides a brief summary of scientific thinking in this field at the time.

外部链接

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