以太是什么

到了 19 世纪下半叶,麦克斯韦建立了完整的电磁理论,这个理论和伽里略变换不相容。什么意思呢?假如麦克斯韦理论在某一个惯性参考系中成立,那么,根据伽里略变换,麦克斯韦理论在别的惯性参考系中就不可能成立。

那怎么办?是抛弃伽里略变换,还是假设麦克斯韦理论只在一个惯性参考系中成立?19 世纪末,多数人是不打算抛弃伽里略变换的,毕竟,伽里略-牛顿时空观早已深入人心,那么,只能假设麦克斯韦理论只在一个惯性参照系中成立。

这挺好的,这不正是牛顿想找的绝对空间吗?在这个特殊的参考系中,空间当然也是特殊的,因为漂亮的麦克斯韦理论在这个空间中成立。

其实,麦克斯韦本人在建立他的不朽的方程时,就假设了这个绝对空间的存在。对于麦克斯韦来说,你看,水波啊声音啊这些波,都需要一个介质在那里。水是水波的介质,或者说,水波是水振动的结果;空气是声音的介质,或者说,声音即声波是空气振动的结果。那么,电磁波不该是某种介质振动的结果吗?这是什么介质呢?就是传说中的以太。

我们来看看麦克斯韦在 1862 年发表的他的第一篇关于电磁理论的论文,这篇论文的标题是《论物理的力线》。这篇论文把物质中的磁场推广到以太。他觉得,磁场是以太这种特殊介质中的一排排漩涡。他利用以太可以简单地解释法拉第引进的「场」 的概念,完全类似我们研究介质时介质的特性,比如变形啊等等。

有了以太,就很好地解释了与以太相对静止的绝对空间。你看,在地球上,我们也觉得相对地球静止的空间很特殊,因为空气与地球是相对静止的。我不动的时候,不需要任何力量,可是我在空气跑动的时候,就感受到空气的阻力。

其实,麦克斯韦并不是第一个想到以太的人。以太这个概念,最早是由古希腊哲学家亚里士多德提出的。它是一种假想的物质,均匀地分布在宇宙中的每一个角落,而且始终保持绝对静止。由于它的密度很低,我们无法感受到它的存在。后来,法国哲学家笛卡尔给以太赋予了物理学的含义。他宣称,以太是用来传播光的东西。

众所周知,水波要靠水来传播,声波要靠空气来传播;要是没有水和空气,就不会有水波和声波。我们已经讲过,光本身也是一种波。那光要靠什么来传播呢?笛卡尔认为,传播光的东西就是以太。

以现在的眼光来看,以太其实是物理学史上最大的垃圾桶。在 20 世纪以前,凡是有解决不了的难题,人们都会用以太来解释它。比如说,以前的科学家都普遍相信,所谓的光速,其实就是光相对于以太参考系的速度。换句话说,那时的人们把以太当成一种绝对静止的存在;世界上一切物体的速度,都是它们相对于以太参考系的速度。

必须说,假想以太的存在,帮助了麦克斯韦找到了正确的电磁理论。但是你注意到没有,我们在第 10 节课中讲麦克斯韦理论的时候,并没有假定以太。其实,在现代所有电磁理论的课本中,也根本不会提到以太。为什么?因为以太压根不存在。

麦克斯韦之后的物理学家,继承了麦克斯韦的说法,认为以太存在。于是,问题来了,如果以太存在,那么它相对静止的参考系是哪一个?首先,根本不可能是地球这个参考系,因为地球常年绕着太阳转,它时刻在调整速度的方向。熟悉哥白尼体系的人,自然会想到,也许以太是相对太阳是静止的。因为,那个时候,人们还不知道其实太阳也在银河系中不断地调整自己的速度。

不论以太是否相对太阳是静止的,我们总可以做一个实验,来找出以太静止的这个参考系。

要解释这个实验,我们先回顾一下伽里略变换。其实也不需要用到这个变换,我们只需要知道,在伽里略-牛顿的时空观中,速度是叠加的。也就是说,现在,假设地球相对以太有一个速度,那么,光在地球上的速度就不等于光在以太中的速度,光在地球上的速度是光在以太中的速度加上地球在以太中运动的速度。

为了简单地说明问题,我们假设以太相对于太阳是静止的。地球在绕太阳旋转;它的运动速度是每秒 30 公里,大概是光速的万分之一。这个速度是相对于以太参考系而言的。反过来讲,如果把地球视为静止不动,那么以太就相对于地球以每秒 30 公里的速度运动。这种感觉,就像是一阵每秒 30 公里的大风刮过静止不动的地球。这就是所谓的「以太风」 。

为了探测以太风,美国物理学家迈克尔逊在 19 世纪 80 年代发明了一个仪器,叫作「迈克尔逊干涉仪」 。这个神奇的仪器先后成就了两次诺贝尔物理学奖,而且这两次诺奖之间相隔了整整 110 年。因为发明了这个仪器,迈克尔逊获得了 1907 年的诺贝尔物理学奖。而在 20 世纪末,一些物理学家对这个仪器加以改进,从而造出了今天的激光干涉仪。由于用激光干涉仪于 2015 年 9 月 14 日首次探测到了引力波的存在,他们也获得了 2017 年的诺贝尔物理学奖。

迈克尔逊干涉仪可以利用光在不同方向上的速度不同,来产生光的干涉。1885 年,迈克尔逊开始与化学家爱德华 · 莫雷合作,用迈克尔逊干涉仪来探测以太风。为了提高实验精度,他们把干涉仪装在了一块大理石上,然后又让大理石漂浮在一个水银槽上。这两人一开始还信心满满,觉得他们很快就能探测到以太的存在。结果折腾了很长时间,迈克尔逊和莫雷也没有观测到干涉条纹出现任何改变,不得不宣布他们探测以太的努力以失败告终。

他们没有探测到以太风,麻烦就大了。这说明以太不存在,也就是说,麦克斯韦建立在以太基础上的理论没有根基。

但终其一生,迈克尔逊都是以太的信徒。一直到死,他都认为以太肯定存在,只是自己的能力不够,没找着它。

为了解释迈克尔逊 — 莫雷实验,并且挽救摇摇欲坠的以太理论,不少科学家都站了出来。其中最有名的,是荷兰物理学家洛伦兹。

洛伦兹是如何解决这个问题的?他提出了一种假说,认为物体的长度并非固定不变;当它相对于以太运动时,在运动方向上的长度会发生收缩。换言之,由于迈克尔逊干涉仪在和地球一起相对于以太运动,此运动方向上的干涉仪臂长就会变短。这就是著名的「尺缩效应」 。这样,尽管光速在不同的方向上是不同的,但由于干涉仪长度的变化,造成光的干涉不会改变。

洛伦兹的尺缩假设很自然,你看,尺子在以太中运动,当然会受到以太的影响,不是吗?

洛伦兹后来还将尺缩效应推广,这样,伽里略变换也不再成立了,变成了洛伦兹变换,在洛伦兹变换中,不但尺子变短了,时间也会变化。尽管洛伦兹没有发明相对论,他的变换就是后来爱因斯坦发现的相对论中的变换。这个话题,我们留到下一节再讲。

因为洛伦兹直接启发了爱因斯坦,我们要谈谈他这个人。其实,洛伦兹可以说是古典物理后期最大的理论物理学家了。除了 9 岁那年母亲去世,洛伦兹一生都顺风顺水。17 岁,他考入荷兰的莱顿大学,学习物理和数学。22 岁,他获得了博士学位。24 岁,他成了莱顿大学的理论物理教授。28 岁,他当选为荷兰皇家艺术与科学院院士。49 岁,他获得了 1902 年的诺贝尔物理学奖。

当然,即使是洛伦兹这样的超级大牛,也会有自己的烦恼。长期以来,莱顿大学一直不重视理论物理,所以只给实验物理教授配备了实验室,而不给洛伦兹配备。当洛伦兹拿到诺贝尔奖以后,他跑去找学校,希望要一间自己的实验室。学校先是满口答应,后来却莫名其妙地食了言。堂堂诺贝尔物理学奖得主,却连一件小小的实验室也没能要到,这让洛伦兹非常失望。后来,直到他从莱顿大学退休,并搬到另一座城市去当一个博物馆馆长的时候,洛伦兹才终于拥有了一个自己的实验室。

但与另一件事所带来的痛苦相比,没有自己的实验室就完全不算什么了。洛伦兹是经典物理学的最后一批信徒。所谓的经典物理学,是指在牛顿爵士完成力学大综合和麦克斯韦完成了电磁学大综合之后,建立起来的一座金碧辉煌的物理学大厦。在 19 世纪末,经典物理学的信徒们都相信人类已经掌握了宇宙的终极真理。但到了 20 世纪,以相对论和量子力学为代表的物理学革命彻底颠覆了这种认知。眼看着自己心爱的经典物理学大厦一天天衰落,洛伦兹异常痛苦。他甚至曾哀叹,为什么自己不在 20 世纪之前死去。

总结一下,麦克斯韦理论是与伽里略-牛顿的时空观不相容的,除非我们假定这个理论只在一个参考系中成立,这个参考系就是以太静止的那个参考系。麦克斯韦本人就是利用以太建立起他的理论的。所以,以太要么不存在,要么会导致尺缩效应。以太到底存在不存在呢?

转载自: https://www.zhihu.com/market/albums/1023197334380855296/manuscript/1045627482522378240

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