科学曾经笃信的真理——以太 (2/2)

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传播与光传播的相似之后写道：“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来，赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。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。

    麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象，他在1855年的论文中，把磁感应强度比做以太的速度。后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法，改成磁场代表转动而电场代表平动。

    他认为，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。他并假定，当这些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一作用力引起涡元的变形，这就代表静电现象。

    关于电场同位移有某种对应，并不是完全新的想法，汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出，当绝缘物质放在电场中时，其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于，他认为不论有无绝缘物质存在，只要有电场就有以太电荷粒子的位移，位移的大小与电场强度成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时，将形成电流，这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说，位移电流是真实的电流，而现在我们知道，只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流。

    在这一时期还曾建立了其他一些以太模型，不过以太论也遇到一些问题。首先，若光波为横波，则以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运行其中会不受阻力呢？有人提出了一种解释：以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质，对于光那样快的振动，它具有足够的弹性像是固体，而对于像天体那样慢的运动则像流体。

    另外，弹性媒质中除横波外一般还应有纵波，但实验却表明没有纵光波，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模型长期争论的难题。

    为了适应光学的需要，人们对以太假设一些非常的属性，如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有，由于对不同的光频率，折射率也不同，于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样，每种频率的光将不得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力。

    1881年－1884年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊－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蒂固，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。

    19世纪90年代，洛伦兹提出了新的概念，他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应。至于物质中的以太，则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定，物体运动时并不带动其中的以太运动。但是，由于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电介质运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。

    在考虑了上述效应后，洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式，而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动，可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论，它获得了很大成功。

    19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是，在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化，这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系，它已失去所有其他具体生动的物理性质，这就又为它的衰落创造了条件。

    如上所述，为了测出地球相对以太参照系的运动，实验精度必须达到很高的量级。到19世纪80年代，麦克尔逊和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度，但得到的结果仍然是否定的，即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果，于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域。

    在19世纪末和20世纪初，虽然还进行了一些努力来拯救以太，但在狭义相对论确立以后，它终于被物理学家们所抛弃。人们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。

    量子力学的建立更加强了这种观点，因为人们发现，物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面，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。

    然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后，人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。

    今天，理论物理学家进一步发现，真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态，它是简并的，实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏，就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。

    但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确实不存在以太，不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹，如以太网等。

    这样看来，机械的以太论虽然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着，并具有旺盛的生命力。

    众所周知，人类的科学是对已知自然现象的归纳和总结，当人类观测自然的手段和方法取得进步时，许多已知的知识，甚至是被奉为真理的规条，难免与实验观测结果发生不相吻合的状况。为了解决这个矛盾，要么是放弃曾经的真理，修正知识体系，要么是不顾眼前发生的事实，恪守神圣不可动摇的真理。至于那些信奉科学到了迷信地步的人，才会为了维护真理而篡改事实，殊不知，当真理走到了必须依靠信仰来维持，而不是事实来验证，真理就已经不再是真理，科学也已经不再是科学，彻头彻尾地便成了一种迷信。