以太:科學理論-中文百科頻道

以太的定義

以太（Ether、Aether）、阿卡夏（Akashic）。專指：組成空間的意識流、靈界創造物質現象界時所創造的第一種最基本元素。物質現象界的萬物生存在其内。稱為五大基本元素之第一，主聲音。也是四大基本元素的創造者。亦經常作為“空間”的代名詞。在恒星與恒星之間，靈眼可觀察到空間是由一種暗紅色的流體狀意識流所組成，形成一種形狀較穩定的空間流體，此乃以太。

曆史

以太是一個曆史上的名詞，它的涵義也随着曆史的發展而發展。

在古希臘，以太是古希臘哲學家亞裡士多德所設想的一種物質。是物理學史上一種假想的物質觀念，其内涵随物理學發展而演變。“以太”一詞是英文Ether或Aether的音譯。古希臘人以其泛指青天或上層大氣。在亞裡士多德看來，物質元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居于天空上層的以太。在科學史上，它起初帶有一種神秘色彩。後來人們逐漸增加其内涵，使它成為某些曆史時期物理學家賴以思考的假想物質。在宇宙學中，有時又用以太來表示占據天體空間的物質。17世紀的R.笛卡爾是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家。他最先将以太引入科學，并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。

後來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學說相聯系。光的波動說是由R.胡克首先提出的，并為C.惠更斯所進一步發展。在相當長的時期内（直到20世紀初），人們對波的理解隻局限于某種媒介物質的力學振動。這種媒介物質就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。由于光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（以太）應該充滿包括真空在内的全部空間，并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。

17世紀時，法國數學家R.笛卡爾建立了以太旋渦說。他以此解釋太陽系内各行星的運動。笛卡爾的以太觀念，既有助于推翻亞裡士多德體系，又為後來物理學發展提供了一幅可供想象的空間媒介物。荷蘭C.惠更斯和英國R.胡克提倡光的波動說，他們都假定空間具有無所不在的以太，以此作為波動媒介。這時期的以太便稱為“發光以太”或“光以太”。牛頓雖然在光學上提倡射流說（微粒說），但他也借助以太的稀疏和壓縮來解釋光反射和折射，甚至假想以太是造成引力作用的可能原因。整個17世紀是發光以太的重要曆史時期。

牛頓雖然不同意胡克的光波動學說，但他也像笛卡爾一樣反對超距作用并承認以太的存在。在他看來，以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如産生電、磁和引力等不同的現象。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（當時人們還不知道橫波，光波被認為是和聲波一樣的縱波）不能解釋今天稱為的光的偏振現象，也不能解釋光的直線傳播現象。

18世紀是以太論沒落的時期。由于法國笛卡爾主義者拒絕引力的平方反比定律而使牛頓的追随者起來反對笛卡爾哲學體系，連同他倡導的以太論也在被反對之列。随着引力的平方反比定律在天體力學方面的成功以及探尋以太未獲實際結果，使得超距作用觀點得以流行。光的波動說也被放棄了，微粒說得到廣泛的承認。到18世紀後期，證實了電荷之間（以及磁極之間）的作用力同樣是與距離平方成反比。于是電磁以太的概念亦被抛棄，超距作用的觀點在電學中也占了主導地位。

18世紀，波動說被放棄，微粒說占據上風。同時，萬有引力被認為是超距作用的。整個18世紀，人們以為空間是空虛的。以太觀念處于沉寂時期。

19世紀，科學家逐步發現光是一種波，而生活中的波大多需要傳播介質（如聲波的傳遞需要借助于空氣，水波的傳播借助于水等）。受經典力學思想影響，于是他們便假想宇宙到處都存在着一種稱之為以太的物質，而正是這種物質在光的傳播中起到了介質的作用。

19世紀，以太論獲得複興和發展，首先是從光學開始的，這主要是T.楊和A.菲涅耳工作的結果。楊用光波的幹涉解釋了牛頓環，并在實驗的啟示下于1817年提出光波為橫波的新觀點（當時對彈性體中的橫波還沒有進行過研究），解決了波動說長期不能解釋光的偏振現象的困難。

以太首先是個哲學概念，而物理學家總是期望将之變成物理學概念。當一切尋找以太粒子的努力失敗後，人們抛棄了以太說。但是事實上，抛棄的僅是發現以太粒子的希望，以太這個哲學概念更加根深蒂固，大多數人認可了微觀結構存在的可能性。

19世紀的物理學家，認為它是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質。但後來的實驗和理論表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理現象可以有更為簡單的解釋。也就是說，沒有任何觀測證據表明“以太”存在，因此“以太”理論被科學界抛棄。

進展

19世紀，以太觀念真正展現威力。1825年前後，英國T.楊和法國A.菲涅耳提出光的波動說理論，以波動說成功地解釋了幹涉、衍射、雙折射、偏振、甚至光的直線傳播現象。菲涅耳提出的理論方法（現常稱為惠更斯-菲涅耳原理）能正确地計算出衍射圖樣，并且能解釋光的直線傳播現象。菲涅耳進一步解釋了光的雙折射，獲得很大成功。1823年他根據托馬斯·楊的光波為橫波的學說和他自己1818年提出的透明物質中以太密度與其折射率二次方成正比的假定，在一定的邊界條件下，推出關于反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地說明了D.布儒斯特數年前從實驗上測得的結果。一個重要理論工作是導出光在相對于以太參考系運動的透明物體中的速度公式。1818年他為了解釋關于星光的折射行為，在楊的想法基礎上提出：透明物質中以太的密度與該物質的折射率二次方成正比，他還假定當一個物體相對以太參考系運動時，其内部的以太隻是超過真空的那一部分被物體帶動（以太部分曳引假說）。鑒于光的波動說需要傳播光的媒介，因此，19世紀大多數物理學家相信以太的存在。1817年，菲涅耳進一步假定，以太靜止在自由空間和不透明物體中；同時推導出，在透明物體内，以太以小于透明體運動速度的一定比率（此比率與透明體物質的折射率相關，并被稱為菲涅耳系數）而運動。菲涅耳的推論被法國物理學家A.斐索在1815年的實驗所證實。菲索在這實驗中測量了光在水流中的速度，得出水中的以太隻是部分被拖曳而慢速前進。其拖曳系數與菲涅耳的推導一緻。但在空氣中，以太被大多數物理學家看作是靜止的。

在楊和菲涅耳的工作之後，光的波動說就在物理學中确立了它的地位。

随着光的波動說的順利，以太及其力學性質的假定也給物理學帶來諸多負擔。首先，若光波為橫波。另外，彈性媒質中除橫波外一般還應有縱波，但實驗卻表明沒有縱光波。光學對以太性質所提出的要求似乎很難同通常的彈性力學相符合。為了适應光學的需要，人們要對以太假設一些非常的屬性。因為楊和菲涅耳假定光是橫波，這就必然要求有一種彈性固體的以太。但是，它的存在又如何對天體的運動毫無阻礙呢？英國G.斯托克斯和開爾文又提出，以太就像鞋匠的擦線蠟。它既可能發生振動（如激烈打擊之下），又塑性地允許重物穿過它緩慢運動。不同顔色的光有不同的頻率，當它們穿過透明體時折射率也不同，于是，菲涅耳和菲索的拖曳系數也不同。這樣，有多少種頻率的光在透明體内就會有多少種不同的以太。

縱使如此，以太的觀念畢竟助波動說獲得了成功。其後，以太在電磁學中也獲得了地位。這主要是由于M.法拉第和J.麥克斯韋的貢獻。

1831年，M.法拉第關于電磁感應實驗的成功，促使他建立了電磁力線的概念，并以此概念解釋電、磁及其彼此感應的作用，後來，他又提出了電場、磁場和力線場的概念，放棄以太觀念，但其間他也曾懷疑光以太是否為力線的荷載物。

在法拉第心目中，作用是逐步傳過去的看法有着十分牢固的地位。他用力線來描述磁作用和電作用。在他看來，力線是現實的存在，空間被力線充滿着，而光和熱可能就是力線的橫振動。他曾提出用力線來代替以太并認為物質原子可能就是聚集在某個點狀中心附近的力線場，但法拉第的觀點并未為當時的理論物理學家們所接受。

19世紀60年代，J.麥克斯韋提出位移電流的概念，借用以太觀念成功地将法拉第的電磁力線表述為一組數學方程式。它被人們稱為麥克斯韋方程組。在導出這方程組時，麥克斯韋曾提出，磁感應強度就是以太速度；以太繞磁力線轉動形成帶電渦元；甚至将他的位移電流概念從絕緣體推廣到以太範圍。人們将麥克斯韋的以太稱為電磁以太。從麥克斯韋方程組中可以導出，電磁擾動的傳播速度與已知的光速在實驗誤差範圍内是一緻的。因此，麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之後寫道：“光就是産生電磁現象的媒質（以太）的橫振動”，傳播電磁與傳播光“隻不過是同一種介質而已”。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質，這樣以太不僅在電磁學中取得了地位，麥克斯韋在統一光和電磁現象的同時也統一了發光以太和電磁以太。1888年，H.赫茲以實驗證明電磁擾動的傳播及其速度，也即發現電磁波的真實存在。這個事實曾一度被人們理解為證實以太存在的決定性實驗。

關于電場同位移有某種對應，并不是完全新的想法，W.湯姆孫就曾把電場比作以太的位移。另外，法拉第在更早（1838）就提出，當絕緣物質放在電場中時，其中的電荷将發生位移。麥克斯韋與法拉第不同之處在于，他認為不論有無絕緣物質存在，隻要有電場就有以太電荷粒子的位移，位移D的大小與電場強度E成正比。當電荷粒子的位移随時間變化時，将形成電流，這就是所謂的位移電流。

盡管麥克斯韋在電磁理論上取得了很大進展，但他和赫茲等人試圖将電磁理論推廣到運動物質上并未成功，因為這理論的一個難題是物質本身并不會衰變為以太。

19世紀90年代H.洛倫茲提出了電子的概念。他将物質的電磁性質歸之為物質中同原子相關的電子的效應，至于物質中的以太則同真空中以太在密度和彈性方面并無區别。他還假定，以太是靜止的，不參與任何運動。但是，由于物體中的電子随物體運動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力以及物體運動時其中将出現電介質運動電流，運動物質中的電磁波速度與靜止物質中的并不相同。在考慮了上述效應後，他同樣推出了菲涅耳關于運動物質中的光速公式。而菲涅耳理論所遇到的困難（不同頻率的光有不同的以太）現已不存在。洛倫茲根據束縛電子的強迫振動并推出折射率随頻率的變化。洛倫茲的上述理論被稱為電子論，它獲得了很大成功。這樣，在19世紀結束之前，所有的物理似乎都可以簡化為以太的物理。

以太的假設事實上代表了傳統的觀點：電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參考系，當參考系改變，光速也改變。這個“絕對靜止系”就是“以太系”。其他慣性系的觀察者所測量到的光速，應該是“以太系”的光速，與這個觀察者在“以太系”上的速度之矢量和。

按照當時的猜想，以太無所不在，沒有質量，絕對靜止。以太充滿整個宇宙，電磁波可在其中傳播。假設太陽靜止在以太系中，由于地球在圍繞太陽公轉，相對于以太具有一個速度v，因此如果在地球上測量光速，在不同的方向上測得的數值應該是不同的，最大為 c + v，最小為 c－v。如果太陽在以太系上不是靜止的，地球上測量不同方向的光速，也應該有所不同。

19世紀中期曾進行了一些實驗以求顯示地球相對以太參考系運動所引起的效應，并由此測定地球相對以太參考系的速度v，但都得出否定的結果。

19世紀末可以說是以太論的極盛時期。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運動和變化。這樣它幾乎已退化為某種抽象的标志。除了作為電磁波的荷載物和絕對參考系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質，這又為它的衰落創造了條件。

當麥克斯韋試圖用力學以太模型解釋“場論”，當人們深入思考麥克斯韋方程組時，問題還是出現了。由麥克斯韋方程組推出的光波與電磁波的常定傳播速度，究竟是相對于哪一個參考系而言的？從麥克斯韋的電磁理論看，以太是測定光速的絕對參考系。整個麥克斯韋方程組隻對于絕對靜止的以太參考系才是成立的。事實上，以太在這裡成了牛頓力學中物化了的絕對空間。那麼，是否可以測定以太的絕對運動？以太會否随地球運動而漂移？1887年，A.邁克耳孫和E.莫雷以高精度的實驗得到的結果仍然是否定的（即地球相對以太不運動），并未發現任何以太漂移。實驗結果顯示，不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了以太其實并不存在。此後其他一些實驗也得到同樣的結果。于是以太進一步失去了它作為絕對參考系的特質。這一結果使得相對性原理得到普遍承認，并被推廣到整個物理學領域（見狹義相對論）。這個結果被稱為19—20世紀之交物理學天空上的第一朵烏雲。突破以太觀念與實驗不合的唯一辦法就是放棄以太。它作為可供思考的假想物質的功用已經發揮到了極點。

以太說曾經在一段曆史時期内在人們腦中根深蒂固，深刻地左右着物理學家的思想。著名物理學家洛倫茲推導出了符合電磁學協變條件的洛倫茲變換公式，但無法抛棄以太的觀點。

然而根據麥克斯韋方程組，由于所測量的數據都是在地球上測量出來的，所以該方程裡兩個參數無方向的标量，是無需指明的指的是地球參考系，所以在地球參考系裡光速都是不變的。

以太說的否定

以太說的否定主要有3點：

1：以太存在難以想象。根據當時的以太學說：以太是一種剛性的粒子，十分地堅硬，比最硬的物質金剛石還要硬上不知多少倍。同時又是如此稀薄，以緻物質在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力，“就像風穿過一小片叢林”（托馬斯·楊語）。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒有實驗測定到它的存在,如果通過麥克斯韋方程來理解電磁波‘‘光”,那麼以太非常柔軟,因為介質密度越小,折光率越低光(電磁波)速越快一般情況下,真空中光速為c(2.99792×10^8m⁄s),空氣中非常接近于c,在水中約為3⁄4c,玻璃中約為2⁄3c。星光穿越幾億億公裡的以太來到地球，然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運動，哪怕是最微小的灰塵也不行！因此許多科學家懷疑以太的存在。

不過以現在的觀點看來也不算什麼，現代物理認為宇宙中存在着暗物質，暗能量。按當時的觀點來看也是難以理解的。

2：邁克爾遜-莫雷實驗的零結果。以太說認為以太是光媒介質，那麼地球在以太中運動，在地球上各個方向的光速與地球運動應該符合伽利略變換，即C+V和C-V。邁克爾遜-莫雷實驗正是測量C+V和C-V中的V，得到結果為零。這一結果讓當時的科學家不解。

由于邁克爾遜-莫雷實驗是光的幹涉實驗，屬光速測量的二階實驗。所以實驗結果并不能直接證明光速變化為零。曆史上對邁克爾遜-莫雷實驗還有其它的解釋。愛爾蘭物理科學家費茲傑惹，荷蘭物理科學家洛侖茲就曾認為是量杆在以太中運動，組成量杆的原子和電子之間的距離變短了。而這個觀點是符合麥克斯韋電磁方程組的。

3：根據麥克斯韋方程組推導得出光速為常數，其中ε0是真空電容率，μ0是真空磁導率。這兩個量當時是通過實驗測量出來的，被認為是常數。

真空電容率和真空磁導率被認為是常數，有不合理的地方。它的邏輯是這樣的：因為真空中什麼都沒有，所以真空電導率和真空磁導率是常數。我們可以用相同的邏輯換個思路：因為真空中有以太，地球在以太中運動，所以地球上真空電導率和真空磁導率不同方向有差異。

在19世紀末20世紀初，雖然還有些科學家努力拯救以太，但在1905年愛因斯坦大膽抛棄了以太說，認為光速不變是基本的原理，并以此為出發點之一創立了狹義相對論。愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文的前言中說：“‘光以太’的引用将被證明是多餘的。” 人們從此接受了電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。随後量子力學的建立使人們認識到粒子與波實為一個硬币的兩面。那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已完全被沖破。之後“以太”被主流物理學家所抛棄。

在相對論建立之後，無論發光以太還是電磁以太都被排除了。但現代物理學的空間觀念中仍然保留了某些和以太相似的看法。例如，不存在超距作用；真空不可視為空無一物，而應當看作是許多能量作用的場所。

量子力學的建立更加強了這種觀點，因為人們發現，物質的原子以及組成它們的電子、質子和中子等粒子的運動也具有波的屬性。波動性已成為物質運動的基本屬性的一個方面。

然而人們的認識仍在繼續發展。到20世紀中期以後，人們又逐漸認識到真空并非是絕對的空，那裡存在着不斷的漲落過程（虛粒子的産生以及随後的湮沒）。這種真空漲落是相互作用着的場的一種量子效應。今天，理論物理學家進一步發現，真空具有更複雜的性質。真空态代表場的基态，它是簡并的，實際的真空是這些簡并态中的某一特定狀态。今天粒子物理中所觀察到的許多對稱性的破壞是真空的這種特殊“取向”所引起的（見對稱性和守恒律、電弱統一理論）。在這種觀點上建立的弱相互作用和電磁相互作用的電弱統一理論已獲得很大的成功。

這樣看來，機械以太雖然死亡了，但以太的某些精神（不存在超距作用，不存在絕對空虛意義上的真空）仍然活着，并具有旺盛的生命力。

現代物理學裡的以太

洛倫茲認為光速不變，相信以太存在，并不認可相對論。1920年，愛因斯坦在萊頓大學做了一個“以太與相對論”的報告，試圖調和相對論和以太論。他指出，狹義相對論雖然不需要以太的概念，但是并未否定以太，而根據廣義相對論，空間具有物理性質，在這個意義上，以太是存在的。他甚至說，根據廣義相對論，沒有以太的空間是無法想像的。愛因斯坦所說的“以太”其實是廣義相對論中的度規場，并不具有物質性。

1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”成員的哈佛大學天文學家基爾希納根據超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢，反而在一種看不見的、無人能解釋的力量的控制推動下變快。國際廣義相對論學界認為，這種現象是和一種叫“暗能量”的尚不太清楚的宇宙内容物有關（具體内容可以參考廣義相對論書籍，比如梁燦彬《微分幾何入門與廣義相對論<上冊>》第十章）。

人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現，事實上宇宙是在不斷膨脹并且這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相符，愛因斯坦引入的“宇宙常數”便被人們遺忘。後來的一次天文探測顯示宇宙可能在加速膨脹，預示着宇宙中存在着某種“巨大的能量”，“宇宙常數”被賦予“暗能量”的含義。

當科學家一再通過各種的觀測和計算證實，暗能量在宇宙中約占到73%，暗物質約占到23%，普通物質僅占到4%，預示着人們認識到的宇宙隻占整個宇宙的4%，而占96%的東西竟然不為我們所知。

關于暗物質和暗能量的客觀存在性，李政道先生在其所著的《物理學的挑戰》中已經有所讨論。

2005年10月25日，李政道在清華大學演講中指出：“21世紀初科學技術最大的謎是暗物質和暗能量。暗物質存在于人類已知的物質之外，人們知道它的存在，但不知道它是什麼；它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前後的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。”

新世紀之初美國國家研究委員會發布一份題為《建立誇克與宇宙的聯系：新世紀11大科學問題》的研究報告，認為暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重，“暗物質”的本質問題和“暗能量”的性質問題在報告所列出的11個大問題中分列為第一、第二位。

19世紀的“以太”觀念可能包含了暗物質及暗能量，若與有關引力物理實質的文章中的基本粒子結構新觀念對比，就可以看出“以太”觀念和21世紀的科學新觀念息息相關：其缺陷在于把誇克、磁單極子、引力子、能量子這些暗粒子流籠統的作為“以太”而混為一談。實際上，随着21世紀人類對暗物質、暗能量研究的開展，“以太說”在某種程度上開始複活，但是這已經不是傳統意義上的“以太說”。

新推測

洛倫茲相信以太的存在，認為它與相對論并不矛盾。1920年，愛因斯坦在萊頓大學做了一個“以太與相對論”的報告，試圖調和相對論和以太論。他指出，狹義相對論雖然不需要以太的概念，但是并未否定以太，而根據廣義相對論，空間具有物理性質，在這個意義上，以太是存在的。他甚至說，根據廣義相對論，沒有以太的空間是無法想像的。愛因斯坦所說的“以太”其實是廣義相對論中的度規場，并不具有物質性。

有些人推測，以太可能是由一種宇宙的暗物質所構成，又稱“光引力行為”，光引力行為是一種隻有屬于光的萬有引力，發光者借由暗物質的聚合而産生光，可是這些也隻是在構想的階段。