科學認識君的《通俗物理100課》系列

【第18課：以太的發展史】

在物理學史上，科學家經常走進一個死衚衕，越走越深，致使後人廢了老勁才能擺脫死衚衕。當然，死衚衕也間接推動了科學的發展，讓科學家對某一事物有了螺旋式上升的深刻認知。

以太曾經在物理學中發揮著極其“重要”的角色，同時也將科學家的思維束縛住了，曾導致物理學陷入困境。愛因斯坦對以太的否定絕對算得上力挽狂瀾的偉人。

故事發生在萬有引力建立之後。引力理論以巨大的成功贏得了民心，但依舊存在“隱患”。

牛頓

有物理思維的人都會覺得施加力給物體勢必要通過接觸。不管是直接接觸還是間接接觸。但引力既沒有直接接觸也沒有間接接觸就可以隔空作用，這種超距作用完全不符合常識中的邏輯經驗。

太陽沒有撞到地球，也沒有通過繩子拉著地球，為什麼就可以隔空傳遞給地球一種力(引力)來束縛它呢？

萬有引力提出之後，就遭到了同時代部分人的強烈反對。他們認為引力是基於生活經驗而抽象出的規律，那怎麼又能獨立在生活經驗之上呢？生活經驗中物體通過間接或直接接觸來傳播力的思想與萬有引力的非接觸傳播力的思想形成對立，這種二元論的思想無法協調。

於此同時，牛頓也認為這個問題很棘手，就想法子解決。思來想去，發現古希臘先哲提出的以太是個好東西，不如拿來用用。於是牛頓假設宇宙充滿了以太這種物質，雖然我們看不見摸不著它，但是它卻是實實在在的客觀存在，正是由於以太的存在，才充當了萬有引力的傳播介質。

這樣一來，二元論的問題貌似得到了完美地解決。當然在現代人看來，這是牛頓埋在經典力學中的一顆定時炸彈。甚至將後人帶進了思維定勢中。

愛因斯坦後來評價以太說到：牛頓當初引入以太給後人養成了惡劣的習慣，一遇到問題就假設一個不存在的事物，並企圖得到因果觀上的撫慰，這絲毫沒有一點進步，這種不良習慣甚至潛移默化到後來的物理學家中。

在牛頓死後，光的波動說佔據了上風。可是光波為什麼可以在真空中傳播呢？

後來的物理學家的確受到了牛頓的影響，他們直接繼承了以太學說，並解釋到：因為以太均勻充斥在宇宙各個角落，所以就為光波的傳遞提供了介質。光波就像是水波，以太就像是水。光波的傳播離不開以太，就像水波離不開水一樣。

後來，人們發現了光的偏振性，並認為光波是橫波。所以光波不像水波那樣，其振動方向與傳播方向相同，光波的振動方向垂直於傳播方向。而橫波往往是在固體中傳播，縱波才能在氣體、液體這樣可彈性拉伸的介質中傳播。這時候波動學說的簇擁者不假思索的改良了以太學說。它們認為光既然是橫波，那麼只能在固體中傳播，那麼以太就是不流動的準剛體，於是以太學說搖身一變進化成了“靜態以太學說”。

後來一個科學家叫斐索，他就想知道以太的運動到底影響光的運動嗎？

既然以太是光的介質，那隻要得出介質運動是否改變光速就可以得出實驗結果。

於是他把光攝入到水這種介質中，看水流是否影響光速。最後的結果是：水流的確影響光速，但影響幅度遠比預期要小。當然這個實驗漏洞百出。

愛因斯坦最後說，斐索實驗正好驗證了光速不變，因為水流影響光速的微變恰恰是誤差導致的。

後來麥克斯韋的電磁理論認為真空中的光速不變，即便他的理論和以太學說有根本性矛盾，但他依舊認為以太是客觀存在的實體。由此可見以太學說的根深蒂固。

麥克斯韋

事實上，以太理論在當時已經岌岌可危，但是科學家們卻煞費苦心地捍衛以太學說，而不是直接推翻，以太的餘威可見一斑。

為了不讓以太學說倒下，赫茲甚至更改了物質的定義。認為物質只是速度、動能和電磁場的載體。也就是說速度和場等物理量是本質，物質只是表象，這豈不是本末倒置。因為只有這樣，真空中的以太才是場的載體。

當時的人們也另闢蹊徑，如果不承認以太的存在，那麼就得防止出現新隔空作用。人們甚至已經魔怔了，他們認為應該將引力拿掉，把所有力學現象都歸結到電學現象中。因為這樣一來，引力的介質就屬於電磁場，而場作為介質的存在就防止了引力的超距作用！

之後，洛倫茲已經從光速不變的結論出發，把伽利略變換切換成了洛倫茲變換，也就是後來的狹義相對論的基礎公式。但是洛倫茲依舊不放棄以太，即便以太學說和光速不變存在本質性矛盾，他依舊堅信那是因為以太絕對靜止而已，所以在以太中傳遞的光速才不因以太的“運動”而改變。

到20世紀初，龐加萊的一隻腳已經跨進了狹義相對論的大門中，但是他本人仍不放棄以太論。那時候，狹義相對論幾乎已經浮出水面了，誰要是徹底放棄以太，誰將真正意義上成為狹義相對論的創始人。最後第一個徹底拋棄以太學說的人是愛因斯坦。

現在回過頭來看，牛頓當年僅是為了防止引力出現超距作用，就貿然引入以太學說。以太論在波動論者的改良下逐漸潛移默化到每一個人心中，而在逃脫這種根深蒂固的錯誤過程中，後人卻栽了無數個跟斗。正如奧卡姆說的那樣“如無必要，勿增實體”，況且以太還是看不見摸不著的假設物質。

物理學進入到20世紀後半葉，新的問題又出現了，那就是引力理論無法解釋星系的旋轉問題

按照現有理論，星系內天體之間的引力無法提供其繞星系中心公轉，若沒有未知力量作用其中，那麼星系中的天體早已分崩離析。

而且近幾年來子彈星系團碰撞的引力透鏡現象的確暗示了有一種神秘的力量作用其中。科學家只好引入新的假設解釋這一現象，那就是暗物質。

子彈星系團

暗物質和曾經的以太都是為了解釋某一未知現象而提出的假設，那暗物質會重蹈以太的覆轍嗎？

我並不這麼認為。如果我們不假設暗物質的存在，那麼現有的引力理論就需要被修正，而廣義相對論被無數實驗驗證，並預言了黑洞和引力波。不能因為一個未知的現象就修正了廣義相對論。最合理的做法就是針對這一特定的現象，提出特定的解法，那就是假設暗物質的存在。

暗物質和以太最大的不同就是：以太的提出只是為了防止與“不存在超距作用的邏輯經驗”發生衝突。而這種經驗是直觀的，感性的，未必可靠。比如量子糾纏的超距作用就讓這種邏輯經驗付之一炬。

而暗物質的假設是基於自然事實，科學不就是從自然事實到抽象理論嘛！從這一點來說，暗物質的假設比以太靠譜地多。

但沒有人完全確信暗物質的存在，只是大部分科學家相信暗物質存在的可能性很大！