神祕的“第五元素”——以太

以太(Aether,或Ether)概念在西方有著悠久的歷史淵源。最早出現於古希臘神話,其原初的意思是“乾淨的空氣”。其後,被古希臘哲學家發展為宇宙中除土、水、氣、火四種基礎元素之外,充實於“上界”(即月上區)的無形、無味、無重,晶瑩剔透的“第五元素”。歐洲中世紀宗教統治時期,以太更是天堂的象徵之一,具有某種神聖的至高無上地位。

神秘的“第五元素”——以太

古希臘五種元素在宇宙中的分佈

文藝復興後,17世紀,以太被法國哲學家笛卡爾重新引入科學範疇,作為宇宙間作用力的傳導媒介,並藉此創立了所謂“以太旋渦”(Eddies of the ether)這樣的類似某種機械作用理論,用以解釋日月星辰的視運動。牛頓雖然受笛卡爾的影響很大,但是他卻拋棄了笛卡爾將以太作為作用力“媒介”的觀點,而提出某種超距作用以及“絕對空間”概念。特別是他主張光的“微粒”說,光的傳播也就不再需要特殊的傳導媒介。牛頓雖在其《自然哲學的數學原理》一書中多處提到以太,但對於以太的本質究竟是什麼則語焉不詳。由此以太似乎不再重要而沉寂了一個多世紀,直到光的波動說重新佔據統治地位時,以太作為光在真空中傳播的媒介,才重新回到人們的視野。特別是這時候電磁理論的發展,使以太成為牛頓“絕對空間”的載體,是諸如光一類的電磁波傳播的“絕對參照系”。這種充斥於整個宇宙空間、絕對靜止,但又看不見、摸不著、幽靈一樣存在的東西,也成了經典物理學的一塊心病。因此吸引了很多人試圖確定它到底是什麼。

在各種用實驗探測以太的方案中,最著名的就是美國物理學家邁克爾遜和莫雷在1887年開始的測試“以太風”系列實驗。按照他們的設想,地球如果在充滿靜止不動的以太空間中快速運動,則應感受到迎面而來的“以太風”。當然,這種“感受”並不是人體感官的直接效應,而是利用了光在沿著地球運動和垂直於這種運動兩個方向上傳播的差異來感受的。但結果大出人們的預料,光在這兩個互相垂直的方向上的傳播並沒有任何差異,亦即:光速+地球運動速度=垂直地球運動方向的單純光速!換言之,他們沒有“感受”到任何“以太風”。這個實驗,一般被認為是否定以太存在的判決性實驗。最強有力的證據,就是1900年4月英國物理學家開爾文勳爵的那個關於19世紀物理學晴朗天空中有兩朵烏雲的著名演講。他所說的烏雲之一,就是指邁克爾遜-莫雷實驗對以太存在的否定性測量。

神秘的“第五元素”——以太

邁克爾遜、莫雷及其實驗裝置

實際上,以太作為實體實在和理論實在的結合體,一兩個實驗並不能徹底否定或斷絕人們對以太存在性的觀念。真實的歷史過程是,雖然邁克爾遜-莫雷實驗在實體實在方面似乎否定了以太的存在性,但科學界還是隻將這種結果看做是一個懷疑(所謂“烏雲”)而已。僅當愛因斯坦提出相對性理論並拋棄了以太概念後,作為絕對參考系和光傳播媒介的機械性以太才成為不必要概念,就此暫時退出了歷史舞臺。

神秘的“第五元素”——以太

量子漲落示意圖

然而,退出歷史舞臺的只是那種機械性質的以太,而近些年的科學進展表明,宇宙中的所謂“真空”並非一無所有的“虛空”,而是“場”的一種特殊狀態。一旦有個風吹草動(量子漲落),從這些“真空”中又會“無中生有”的產生出某些粒子。從這個意義上說,機械以太雖然消亡了,但“以太精神”似乎並沒有消失。

由此令人聯想到牛頓在其《自然哲學的數學原理》全書中最後一段談到的意味深長的話語:“現在有可能增添關於某種氣(spiritus)的一些內容,它極為精細……但這些事情三言兩語說不清楚;而且沒有足夠多的實驗,由它們能精確地確定和證明這種氣的作用規律。”

牛頓此處所說的氣,就是指以太。今日事態的發展,令人真的感覺牛頓有點先知先覺了。


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