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科学曾经笃信的真理——以太(1/3)

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以太(ether)(或译乙太;英语:ether或aether)

以太是古希腊哲学家所设想的一质,是一被假想的电磁波的传播媒质,被认为无所不在。

在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天空间的质。

17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引科学,并赋予它某力学质。

在笛卡儿看来,之间的所有作用力都必须通过某中间媒介质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这媒介质所充满。以太虽然不能为人的官所觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对汐的作用力。

后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提的,并为惠更斯所一步发展。在相当的时期(直到20世纪初),人们对波的理解只局限于某媒介质的力学振动。这媒介质就称为波的荷载,如空气就是声波的荷载

由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提,荷载光波的媒介质(以太)应该充满包括真空在的全空间,并能渗透到通常的质之中。除了作为光波的荷载以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。

顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的质,因而能传递各作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。

18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使顿的追随者起来反对笛卡儿哲学系,因而连同他倡导的以太论也一同了反对之列。

随着引力的平方反比定律在天力学方面的成功,以及探寻以太得试验并未获得实际结果,使得超距作用观得以行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观在电学中也占了主导地位。

19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托斯·杨和菲涅耳工作的结果。杨用光波的涉解释了顿环,并在实验的启示,于1817年提光波为横波的新观,解决了波动说期不能解释光的偏振现象的困难。科学家们逐步发现光是一波,而生活中的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,波的传播借助于等)。受传统力学思想影响,于是他们便假想宇宙到都存在着一称之为以太的质,而正是这质在光的传播中起到了介质的作用。

以太的假设事实上代表了传统的观:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。

然而据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的。

其中e0是真空介电常数,μ0是真空磁导率。

这个“绝对静止系”就是「以太系」。其他惯系的观察者所测量到的光速,应该是"以太系"的光速,与这个观察者在"以太系"上的速度之矢量和。

以太无所不在,没有质量,绝对静止。照当时的猜想,以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播。假设太静止在以太系中,由于地球在围绕太公转,相对于以太有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为c v,最小为cv。如果太在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。

菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍现象,他提的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳又一步解释了光的双折,获得很大成功。

1823年,他据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提的:透明质中以太密度与其折率二次方成正比的假定,

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