经典物理概念“以太”：从提出到被证伪，科学也可以如此跌宕精彩

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前言

在物理学的发展史上，有很多经典概念，比如“力”、比如“场”，这些概念对物理学的完善和传播起到了巨大的作用。

但是，很少有人知道，物理学中还有另外一些概念——最初提出来时非常流行，但是最终却被证明是错误的或者是不存在的——同样对物理学的发展起到了巨大的促进作用。

其中，最著名的当属“以太(Ether)”。

以太是否存在？

02

亚里士多德的“以太说”

什么是“以太”呢？

“以太”这个概念最早是古希腊哲学家亚里士多德提出的。

亚里士多德认为物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种居于天空上层的“以太”。

亚里士多德

当然限于当时的科学水平，亚里士多德的观点是纯思维式的，并没有太多事实依据。

这里，我们主要讨论的是科学时代的“以太说”。

03

跌宕起伏的“以太说”

（1）“以太说”的第一次兴起

“以太说”的第一次兴起是为了解释光的传播。

对于光的本质的讨论，最初有两种说法：

一种是牛顿提出的“粒子说”，认为光是一个个小的微粒；

一种是惠更斯提出的“波动说”，认为光是一种波。

由于光可以在真空中传播，因此持有“波动说”的惠更斯提出：应该存在着一种物质，充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中——这就是“以太”。

同时，惠更斯还用“以太”来说明引力的现象。

惠更斯

牛顿虽然提倡“粒子说”，但他也借助“以太”的稀疏和压缩来解释光反射和折射，甚至牛顿也曾假想“以太”是造成引力作用的可能原因。

由于牛顿的权威性，“以太”的“存在”在这个阶段得到了广泛的认可。

牛顿

（2）“漩涡以太论”的兴起和没落

牛顿的万有引力定律有一个重要缺陷，就是其公式中没有时间参数，也就是说，万有引力的传播不需要时间！

这在物理上或者哲学上被称为“超距说”。

“超距”的问题现在已经被场的理论解释了，但在当时，就算牛顿自己也不认可“超距”的设定，但也没有做出更多解释。

由于反对“超距”的万有引力，法国数学家和哲学家笛卡尔建立了“以太漩涡说”，试图用“以太”的理论——而不是牛顿的万有引力——来解释太阳系的运行。

笛卡尔

也就是说，笛卡尔和牛顿，同样认可“以太”的存在，但是对“以太”的认识大大不同。

这样，笛卡尔被牛顿的追随者反对，一起反对的还有他的“以太漩涡说”。

同时，由于万有引力在实验和天文发现中的惊艳表现，最终被人普遍接受，“超距说”也同时被接受，“以太说”基本被完全摒弃，同时被抛弃的还有与之联系紧密的“光的波动说”。

而且在不久之后，库仑发现的库仑定律表明——电荷之间的相互作用也满足平方反比定律，和万有引力定律一样，也是“超距”的——从此，“以太说”和“光的波动说”彻底被打入冷宫。

库仑定律

（3）再次兴起

时间进入19世纪，峰回路转，“以太说”又得以复兴和发展。

主要原因就是在光学上，托马斯·杨和菲涅尔用实验证明了：光的“波动说”才是正确的理论——从著名的“杨氏双缝干涉实验”就可以明显看出来。

双缝干涉实验

既然能发生干涉现象，那光一定就是波！

“波动说”的复兴，也就带动了“以太说”的复兴。

（4）达到巅峰

在19世纪中期到末期，“以太说”达到巅峰！

物理界已经普遍认为“以太”是传播光和电磁波的媒介（当时还不知道光就是电磁波）。

一方面，还是从占了上风的“波动说”的角度来看：光是一种波，而波的传递需要介质——显而易见，那么宇宙中存在这种介质，就是“以太”。

另外一方面，从麦克斯韦方程组中可以解出：电磁波的传播速度等于光速，而且各个方向都是相同的。我们知道，描述一个物体的速度，一定要有一个参照物——那么，电磁波速度的参照物是谁呢？——对的，也是“以太”。

麦克斯韦

于是，“以太”的存在看起来是毫无疑问的了！

那么如何验证以太的存在呢？——方法就是：测量地球在“以太”中运行的速度。

这就是著名的“迈克尔逊-莫雷实验”！

（5）惊天实验

当时的科学家已经知道，地球绕太阳公转的速度大约为30公里每秒钟，相对光速已经不算小（达到了光速的万分之一）。

所以我们优秀的实验物理学家迈克尔逊就开始着手设计实验了——这个实验，利用“光的干涉”原理，通过精确测量光速的变化来计算地球在“以太”中“漂移”的速度。

为什么“测量光速的改变”就可以“测量地球在以太中的漂移速度”呢？

我在另一篇专门讲解迈克尔逊-莫雷实验的文章中做了详细回答，好奇的读者可以点击关注后查看。

在这里您只需要知道可以就行了。

迈克尔逊

迈克尔逊-莫雷实验本来是为了测量“光速的改变”从而证明“以太的存在”的——这种改变，在迈克尔逊和莫雷心中是提前预设好的；但是，实验最终的结果却在极高的精度上证明了光速不变——即“以太并不存在”——这不能不说是上天开了一个大大的玩笑。

（6）最后的抵抗

为了“强行”解释迈克尔逊-莫雷实验的“零结果（即光速没有变化）”，洛伦兹提出了著名的“洛伦兹变换”：光速之所以“看似没变”，是因为地球在“以太”中运动时“被压缩”了。

最终，爱因斯坦的相对论横空出世，彻底抛弃“以太说”，也彻底击溃了“以太说”最后的抵抗。

而洛伦兹关于运动物体会被“压缩”的描述，成了狭义相对论中著名的“尺缩原理”。

爱因斯坦

04

结语

科学的发展不只有光鲜的、成功的理论，还有一系列的失败和假设。

科学就是在不断假设、不断失败、不断纠正的过程中得以持久发展的。

有些错误的概念，在认识它为什么错误的过程中，会收获更多新的知识，甚至获得颠覆性的改变。

永远不要低估失败的力量，不是有句老话么？失败乃成功之母！

忝以此文，抛砖引玉，与君共勉。

（完）

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