讓牛頓麥克斯韋都淪陷的以太，差點顛覆整個經典力學、電磁理論

力學物理勒內·笛卡兒諾貝爾物理學獎月球宇宙體育亞里士多德哲學胖福的小木屋 2019-05-30

在 20 世紀之前，“以太”是所有物理學獎都深信不疑的物質觀念，所有的物理學家所做的理論、研究、成果都是圍繞著“以太”而展開，即使是牛頓、麥克斯韋這樣的大神，這朵籠罩在物理史上的烏雲，差點掀翻了整個經典力學、電磁理論，讓所有物理學家辛辛苦苦構建的物理大廈轟然倒塌。

“以太”（Ether）一開始是一個哲學概念，誕生於古希臘時期，古希臘人以其泛指青天或上層大氣。在亞里士多德看來，物質元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居於天空上層的以太。在科學史上，它起初帶有一種神祕色彩。後來人們逐漸增加其內涵，使它成為某些歷史時期物理學家賴以思考的假想物質。

當時古希臘人認為的元素

到了笛卡爾的手裡，以太就正式入駐物理這座大廈，笛卡爾是一個對物理學、數學的發展都有著重大影響的哲學家。他最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。在笛卡爾看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。

在牛頓之前，大家關於這個對於物體之間的作用就存在兩種對立的猜想：一種認為物體之間除了通常的接觸作用（拉壓、衝擊）之外，還存在超距作用；一種認為物體之間的所有作用力都是近距作用，兩個遠離物體之間的作用力必須通過某種中間媒介物質傳遞，不存在任何超距作用，這種中間媒質被稱為以太。當然了，我們現在知道，宇宙之間有四大力，分別是強力、弱力、引力、電磁力。

而笛卡爾可謂是牛頓的引路人，牛頓創立流數術（微積分）也是從笛卡爾《幾何學》獲取的靈感，當時他對笛卡爾求切線的“圓法”發生興趣並試圖尋找更好的方法。最終，牛頓首創了小o記號表示x的無限小且最終趨於零的增量。牛頓就藉助於幾何解釋把流數理解為增量消逝時獲得的最終比。

儘管牛頓是光的微粒說的創始人，當時對於光究竟是什麼，物理學家產生了激烈的爭執，牛頓的老對手胡克和法國科學界掌門人惠更斯提出了波動說，他們認為認為光線在一個名為發光以太的介質中以波的形式四射，並且由於波並不受重力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。荷載光波的媒介物質也就是以太應該充滿包括真空在內的全部空間，並能滲透到通常的物質之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來說明引力的現象。

而牛頓的微粒說則認為物體是由大量堅硬粒子組成的，但牛頓還是給以太在物理大廈中找到了一個位置。

牛頓在做光學實驗

牛頓也認為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因為光的波動學說不能解釋光的偏振現象，也不能解釋光的直線傳播現象。所以牛頓認為以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如產生電、磁和引力等不同的現象。

引力甚至電、磁力是在以太中傳播的。受經典力學思想影響,物理學家便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質,他們普遍認為以太是傳播電磁波和光的媒介。而經典物理學理論中，將這種無處不在的“以太”看作絕對慣性系，其它參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。以太作為絕對運動的代表，是經典物理學和經典時空觀的基礎。而這根支撐著經典物理學大廈的樑柱。我們知道，經典物理學有三大理論：經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學。

除了經典統計力學，其他的兩大理論都和以太有關。麥克斯韋建立的電磁場理論，將電學、磁學、光學統一起來，是19世紀物理學發展的最光輝的成果，是科學史上最偉大的綜合之一。可以說，沒有電磁學就沒有現代電工學，也就不可能有現代文明。

而麥克斯韋為了把電磁場理論由介質推廣到空間，假設在空間存在一種動力學以太，它有一定的密度，具有能量和動量：它的動能體現磁的性質，勢能體現電的性質，它的動量是電磁最基本的量，表示電磁場的運動性質和傳力的特徵。在1865年，他提出了一共包含20個變量的20個方程式，即著名的麥克斯韋方程組。

後來，對麥克斯韋方程組進行簡化和完善的是奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯，他們以矢量分析的形式重新表達，才有了現在我們所看到的麥克斯韋方程組！

麥克斯韋方程組有積分和微分兩種形式

簡單來說，麥克斯韋電磁理論把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的“以太”。“以太”既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對於它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學取得協調一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受。

所以說，以太這個假象的物質觀念可以說幾乎充斥了整個物理大廈，在當時，偏偏許多物理學家認為這座由經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學構建的物理大廈已經足夠完美。著名物理學家基爾霍夫就說過：“物理學已經無所作為，往後無非在已知規律的小數點後面加上幾個數字而已。”

普朗克的老師約裡就曾勸他不要學純理論，因為物理學“是一門高度發展的、幾乎是臻善臻美的科學”。後來普朗克啪啪打了老師的臉，創建了量子力學，直接建了一座新的物理大廈，成為了現代物理學的兩大支柱。

這才是老師叫普朗克不要學物理的原因啊

如果以太學說被掀翻，那麼物理學家關於光電、磁的所有認知都會被推翻，不僅僅是經典力學、電磁場理論將會覆滅，整個物理大廈也將搖搖欲墜。

這個時候，一個非常尷尬的事情發生了，著名物理學家邁克爾想要證明以太的存在。進行了著名的邁克耳孫—莫雷實驗。

這個實驗的用意在於探測光以太對於地球的漂移速度，從而證明以太的存在。因為在經典力學裡，以太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運動，就相當於一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的“以太風”。若能測定以太與地球的相對速度，即以太漂移速度，便可證明以太的存在。

以太風

邁克爾遜在1881年進行了第一次實驗，想測出這個相對速度，但結果並不十分令人滿意。於是，他和另外一位物理學家莫雷合作，在1886年安排了第二次實驗。這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了。他們動用了最新的干涉儀。為了提高系統的靈敏度和穩定性，他們甚至多方籌措，弄來了一塊大石板，把它放在一個水銀槽上。這樣就把干擾的因素降到了最低的限度。

邁爾克實驗

然而，實驗結果卻讓他們無比震驚和失望：兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差。以太似乎對穿越於其中的光線毫無影響。根本測量不到地球相對於以太參照系的運動速度。地球相對以太不運動。此後其他的一些實驗亦得到同樣的結果。邁克爾遜和莫雷不甘心，一連觀測了四天，情況都是一樣。邁克爾遜和莫雷甚至還想連續觀測一年，以確定在四季中，地球繞太陽運行對以太風造成的差別。但因為這個否定的結果是如此清晰而不容質疑，這個計劃被無奈地取消了。

邁爾克實驗

邁克爾遜－莫雷實驗是物理史上最有名的“失敗的實驗”。當時，它在物理界引起了轟動。因為以太這個概念作為絕對運動的代表，是經典物理學和經典時空觀的基礎，也是電磁理論的核心。而這根支撐著經典物理學大廈的樑柱竟然被一個實驗的結果而無情地否定，那馬上就意味著，整個物理世界將會轟然崩塌。

至死，邁克爾都不願意相信實驗的結果，仍然固執相信以太的存在，念念不忘“可愛的以太”。而許多物理學家則開始了轟轟烈烈的補救行動，花費數百年時間辛苦搭建的物理大廈，怎麼可能讓他付之東流，其中，最為著名的就是哈倫茲提出的哈倫茲變換。

洛倫茲為了在承認光速與參照系無關的條件下，拯救以太假設，便拋棄了空間間隔和時間間隔與參照系無關的絕對觀念。在他看來，常駐以太參照系是基本參照系，在這個參照系中，時間是均勻流逝的，空間是均勻的，各向同性的。任何實際參照系都相對於這個基本參照系運動著。

根據他的設想，觀察者相對於以太以一定速度運動時，長度在運動方向上發生收縮，抵消了不同方向上由於光速差異，這樣就解釋了邁克耳孫-莫雷實驗的零結果。

洛倫茲變換一定程度上拯救了經典物理學這座大廈，然而卻治標不治本，隨著實驗器材的精度不斷提高，邁克耳孫-莫雷實驗被眾多物理學家相信，他們開始慢慢懷疑以太的存在，這也讓經典物理學大廈隨時都有倒塌的風險。

這時候，愛因斯坦出現了，既然萬事源於以太，那就把以太丟掉好了。

愛因斯坦認為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。於是拋棄靜止參考系以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了狹義相對論。愛因斯坦基於事實的觀察著眼於修改運動、時間、空間等基本概念，重新導出洛倫茲變換，並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容，來解釋邁克爾遜-莫雷實驗和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數學的空間縮短，不再是組成量杆的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實質性的物理意義。