我們都聽到過「以太」，至少現在的“因特網”就又被稱為“以太網”。之所以使用這個名字，或許是由於這個詞曾經代表著一個意思——“無處不在”。

就像「機械說」曾經是科學界最優雅的語言和最睿智的思想，「以太」也曾是物理學家心中最美、最神奇、最全能的存在。「以太」的產生和消亡，是科學史的一個重要情節——若要討論科學的進程，那就回避不開「以太」。

殺死「以太」，是一場驚心動魄的旅程，執行任務的兩個殺手，一個叫「場」，一個叫「光速不變」。

01

「以太」的誕生

說起「以太」的誕生，要追溯到兩千多年前的古希臘時代。

環地中海的開放地貌，讓這裡的人能更自由地生活和思考。從“西方哲學第一人”泰勒斯首先提出“世界的本原是什麼？”的問題，到巴門尼德認為“萬物並不真實”開始，一大批哲人不斷地思考萬物背後的本源。

“物料說”是個不錯的方向。

德謨克利特從一些事實出發、在邏輯上推演出了最樸素的“原子論”；而大哲亞里士多德認為，物質元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居於天空上層的“以太”。（注：“物料說”就是從物質組成成分，去解釋世界的本源；與之並列的還有“動力說”，“趨勢說”等）

「以太」這個天空之子，就這樣從亞里士多德的思想中誕生了！

從詞源上說, “以太”這個詞表達了“燃燒著的空氣” 那樣一種觀念。當荷馬稱朱庇特為“居住在以太之中”時，說的就是同樣的意思。

在這套體系內，「以太」是我們人類無法觸及的遙遠天界的組成成分。它和地上的水、火、土、氣，有相同點，也有不同點。亞里士多德把日月星辰繞地球的轉動和「以太」相聯繫，成為與地上運動有所不同的存在類型。

在天空中，被亞里士多德稱為“月亮之上”的世界（即比月亮遠），太陽、月亮、星辰等等都是在“內在力”的作用下，隨著“天球”在「以太」中做圓周運動，這是一種自然運動。這種運動，由神規定，無需再追究。

“月亮之下”的地方（比月亮近），世界中還存在著另外一種自然運動——即重物豎直下落和輕物豎直上升的運動，這也是在物體在“內在力”的支配下尋找其天然位置的運動。

“月上”和“月下”的劃分，讓亞里士多德的理論具有天然的“神聖性”，同時也就具有了最大的遮蔽效應。

這是一種極端的矛盾，使得為了追究終極的“物料說”，追到了無法解釋的境地，只能再投入神學的懷抱了。「以太」也因此在神的庇護之下，完成了在天空世界的第一次加冕。

02

發展：「漩渦以太」和「光的波動說」

在科學時代到來之時，「以太」有了新的支持。

漩渦以太說

「漩渦以太說」的提出者是著名的數學家、物理學家、哲學家笛卡兒，他以希臘哲學還很模糊，而他自己卻很清楚的

笛卡爾的「以太」是一種實物存在，一切形態的物質，都是從它產生、發展而來的。

笛卡爾根據自己的空間理論，認為世界上根本沒有虛無這樣的東西。一種就像空氣一樣無處不在的東西，像一種精妙的流體，不僅僅充斥在星際領域，而且充滿在物體分子之間的空隙裡。那麼，這種物質是如何作用的呢？這個問題的回答，引申出來了「漩渦以太說」。

在「漩渦以太說」中，行星在「以太」中流動，猶如小船在漩渦中運動一樣。笛卡爾試圖用「以太」來解釋引力的本源，當然，他最終敗在了萬有引力理論和牛頓力學體系之下。

但是，有趣的是，我們現在發現，銀河系真的就像一個漩渦——笛卡爾的想象和天空的真實圖景似乎戲劇性的重合了——看來，我們真的不能忽略想象的力量！

漩渦狀的銀河

光的波動說

牛頓力學的成功讓笛卡爾的假說沉睡了一百年，直到一縷陽光把它再次喚醒。這縷陽光就是——“光的波動說”。

人類對光的本源的探索，也經歷了漫長的時間。牛頓提出的“微粒說”和惠更斯提出的“波動說”曾經激烈的交鋒。

“微粒說”認為光的本質是小微粒，不同的顏色是不同的微粒；一切光學現象，都可以用這些微粒的傳播，以及它們和物體之間的作用而解釋。

“波動說”則完全不同，認為光的本質是一種波，就和我們聽到的聲音和看到的漣漪類似。用波的理論，同樣可以解釋當時所有關於光的現象。

水波盪漾

到底誰對誰錯？

在這個激烈的碰撞中，天平一開始就不平衡。牛頓以其無與倫比的影響力，帶領“微粒說”的擁躉瘋狂進攻，“波動說”節節敗退，最終只能在數學的領域偏安一隅。但是，即便如此，“波動說”也一直沒有消沉，一直在等待著機會，力圖翻身。

機會終於來了！英國科學家托馬斯·楊在1800年成功設計了雙縫干涉實驗，以其無可比擬的優美和精巧，證實了光的波動性。

在這個實驗中，光沿著“波動說”的預言在“行走”，最後產生“干涉”的條紋。同時代的菲涅爾和泊松等也從理論和試驗上證實了“波動說”的正確性。

一個建築，巧妙的設計成類似光的干涉條紋的形狀

“波動說”的大翻身，也帶來了“以太說”的大翻身！為什麼呢？

因為，波的傳播需要介質！而這種無處不在的介質是什麼呢？對，就是笛卡爾的「以太」！

曾經的神的居住之所，現在成了光的傳播媒介！

不但光學需要以太，熱學也需要以太，電學和磁學也需要以太！以太，一夜之間，又一次成為物理學的寵兒，在物理學家的心中成為無處不在的神奇存在！

有問題解釋不了？那一定是你沒有考慮到以太的存在！你看，加進去之後，問題不就可以解決了麼？

03

殺手出現

在「以太說」風靡的日子裡，似乎一切都是那麼圓滿。幾乎所有的問題，結合以太這種物質，再利用牛頓的力學分析，就能得到較好的解釋。以太，好像成為物理學左後一塊磚頭；加上了它，物理學就變的堅不可摧，牢不可破！

就在這種喜慶的氛圍裡，物理學前所未有的繁榮，但人們沒有注意到的是，有兩個冷酷的殺手已經慢慢出現。

「場」

「場」這個殺手最早出現時，身份是作為法拉第描述磁力和電力的“力線”。

這還要從奧斯特的發現說起。物理學家奧斯特，曾無意中發現：通電導線旁邊的小磁針會發生偏轉，這證明了通電導線對小磁針產生了力的作用。最為奇怪的是，這種力與之前所知道的所有力都不同：最大的不同在於，這種力的方向，並非沿著導線和磁針的連線方向，而是垂直於這個方向。

法拉第在進行更深入的研究之後，除了發現新的電與磁的關係之外，還發明瞭描述這種力的“力線”。

我們用一個試探的磁針放進去一個空間內（比如磁鐵或者螺線管的周圍）的不同位置，磁針最後靜止時的指向能連接成一條條力的方向線；同理，我們把一個試探的電荷放到另個一電荷的周圍空間的不同位置，這個試探電荷的受力也能連接成一條條力線。

這種力線，就是我們要描述的“場”的某種“展現”。

這種“力線”或者叫“場線”，最開始只是想象中的事物，只是做為便於從力的觀點去理解事物的一種工具，19世紀初的科學家認為場是不存在的。在他們看來，只有物質和它的變化才是實在的。比如「以太」，就是這種實在的真實代表。

19世紀中葉，法拉第的學生麥克斯韋，發表了他的方程組（麥克斯韋方程組），用場的理論統一了所有電磁學問題。這讓人們對場的概念產生了全新的思考。

麥克斯韋Maxwell

最初，大家都認為場最後總可以藉助以太用力學的方法來解釋。但是，我們現在知道，這種事情不可能被實現。

愛因斯坦曾說過：“場的功績實在是太顯著了、太重要了，因為它換下了一個力學的教條。”另一方面，替以太設想一個力學模型的問題，越來越沒有意義，“只要看看那些假設的牽強和虛假的性質，就令人沮喪。”

電磁波

麥克斯韋的方程組中，推導出一種神奇的存在：電磁波。

電磁場存儲著能量，一旦傳播出去，便獨立存在了。（這其實就可以解釋光的傳播不需要以太）

另外，方程的求解顯示，電磁波的速度和光的速度一樣，也是30萬公里每秒鐘。根據這個明顯預示著“光和電磁波有聯繫”的線索，由實驗物理學家赫茲操刀，最終證明：光就是一種電磁波。

光是一種電磁波

另一方面，雖然當時的科學界已經感覺到以太的力學結構上確實有許多困難，但是還是不得不繼續承認以太是傳播電磁波的媒介，及以太是傳播光的媒介。

科學家認為在真空中，或者說在以太中，光速是每秒30萬公里，而光就是在以太中傳播的電磁波。

至此，在第一個殺手「場」的引導下，「以太」走到了它生前所達到的最高頂點——如果能用實驗證明「以太」的確是電磁波的傳播媒介，那麼，這個天空的聖靈，將完全統治力學和電磁學！也就完全統治了整個物理學！

當科學家最終設計實驗，想要驗證以太的存在之時，第二個更為致命的殺手終於浮出水面。

04

邁克爾遜-莫雷實驗和光速不變理論

為了解釋這個著名的實驗，我們先拿聲音做一個類比。

由於聲音可以看做在空氣中傳播的波——這個理論已經很成熟，而且毫無疑問的正確。假如我們在聽一個講座：

如果我們不想聽到演講者的聲音，我們可以這麼做：（當然你可以直接離開或者堵上耳朵）我們用超過聲音傳播速度的速度遠離演講者而去。於是發出的聲波永遠不會到達我們的耳朵。

反之，如果我們想要重複聽一遍某句重要的話，我們就可以用超過聲音傳播速度的速度去趕上早已過去了的聲音，這樣就可以讓聲波再次傳入耳朵一次。

這個情景其實是可以實現的。大炮中射出的炮彈，速度是要超過聲速的——那麼，就會有這樣一個有趣的情景出現——坐在炮彈上的人，是聽不到大炮發射的聲音的。

超音速導彈

邁克爾遜-莫雷實驗

讓我們把聲音換成光，把空氣換成以太，就可以一窺“邁克爾遜-莫雷實驗”的真容了。

拋開較為複雜的設計和原理，這個實驗就是利用地球繞太陽公轉的速度（這個速度大約有30公里每秒，達到了光速的0.01%），來檢測光在以太風中的傳播速度在“

如果實驗結果是正的——即光在沿著地球運動的方向上的速度和垂直地球運動方向的速度有所不同——我們就可以測量出地球在以太中的運動速度，從而證明以太的存在了！

最好的殺手，往往會在目標得以忘形、放鬆警惕時出手！——邁克爾遜-莫雷實驗的結果竟然是：沒有結果！即零結果！

這說明，光的傳播在兩個方向上毫無差別！——即「光速不變」！

零結果的邁克爾遜-莫雷實驗，引起了學術界的震動！

邁克爾遜從1881年開始著手進行第一次試驗，到1929年最後一次試驗，時間跨度近50年。

精度提高了10倍後的邁克爾遜-莫雷實驗裝置

雖然一直致力於發現以太漂移實驗的正結果，但是邁克爾遜沒有牽強附會，而是尊重實驗結果，在1929年，邁克爾遜鄭重宣佈沒有發現絕對速度，以太並不存在！

在相對論日漸得勢的背景下，這一宣言，無疑真正宣佈了「以太說」的滅亡——「以太」終於被“殺死”！

05

結語悼唁

「以太」前輩在上：

千載悠悠，君乘風而來，挾天神之威，裹日月而前行，為萬物本源；

四百年前，經笛卡爾重塑，再現天日，縱橫宇宙之上，穿梭原子之間；

雖曾有牛頓力學，咄咄出擊，犯君疆域，逐君於一隅；

然亦有波動之說，甘忍辱負重，救君於危難，挽既倒之狂瀾；

君幾起幾伏，遍體鱗傷；君幾伏几起，面色不改。

然科學之趨勢，科學之精神，在於求實，

君畢竟非真實存在，為諸子圍攻而亡，斃命於曾經擁躉之手，實為可嘆！

吾輩知君之事，說君之史，敬君之重，嘆君之亡。

以此文記之，為祭。

（完）

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