以太萬物理論（四）之以太學的前世

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【本期話題】

以太學的新理論——以太萬物理論

作者：宋景巖 宋歧雋

第2章 以太學的前世

——以太學曾經(jīng)大起而紅極一時、萬人敬仰，

如今大落而被人遺忘、無人問津。

以太學是經(jīng)典物理時期的主流基礎(chǔ)理論，以太學自誕生后經(jīng)過了多個世紀的發(fā)展壯大，從18世紀的衰落，到19世紀的復蘇、再發(fā)展、再壯大、再衰落，直至20世紀被基本否認的歷史進程，乃至當今21世紀可能的重新復活。以太學的發(fā)展道路，反映了人類科學文明發(fā)展道路上的曲折歷程，是人類對客觀世界認知水平提高與完善的過程。由于種種原因，現(xiàn)在許多人固執(zhí)地認為以太早就被否定了，其實以太的存在從未被否定，被否定的只是機械的、僵化的以太、被否定的只是絕對靜止的以太、被否定的只是人們對以太的不正確認識，以及強加于以太身上的一些物理屬性。

要正確認識以太，就必須抱著科學的態(tài)度，全面地、客觀地了解以太學的發(fā)展演化過程，用辯證唯物主義和歷史唯物主義的思想去認識以太，用發(fā)展的觀點去看待以太學，以太的內(nèi)涵是隨著人們對自然界認識的逐步深入而不斷演化的，我們必須重新審視以太學過去，尋找以太的真實面目，對以太的正確認識，將會引起人類思想和實踐的最偉大突破，以太學的復蘇和重生，給人們認識客觀世界帶來新的希望與新的曙光。

2.1 古代自然哲學中以太觀

2.1.1古希臘自然哲學的以太觀

?“以太”一詞起源于古希臘，最初見于一則神話傳說：暗神伊利波斯與夜神尼卡絲結(jié)合生出個精靈氣旺的宙斯神，宙斯也稱以太．在那時，以太表示精靈之氣彌漫宇宙。以太是圣潔之物，它不包含任何矛盾和對立，因而是永遠不會發(fā)生變化，是永恒的。

以太的自然哲學應(yīng)用起源于對真空（或空間）的認識，古希臘時期，一種比較流行的觀點是哲學家留基伯提出的原子論，認為萬物都是由最小的、不能再分的原子組成的，原子之間是一片虛空，宇宙是由原子和虛空共同組成，而原子在虛空中運動著。原子論者認為“如果沒有我們稱為虛空的空間、場所，物體就無法安置，根本也不能移動?！?/p>

古希臘偉大的哲學家亞里士多德（公元前384年 ——322年）反對原子論，尤其反對虛空的存在。他在《物理學》和《論天》等著作中寫道“不可分的虛空是沒有運動和變化的，一切物體的運動都是在某種介質(zhì)中進行的，只有這樣，運動才可以理解。如果承認了虛空，那就等于否定了運動?！薄俺鋵嵉目臻g里能夠有變化，并且即使在物體之間沒有虛空把它們分開，他們也能夠彼此掉換位置。相反，虛空其實倒會把運動取消，在虛空里面，只會有一個普遍的靜止?！?因此，亞里士多德認為“大自然厭惡虛空”，虛空是根本不存在的，空間處處為連綿不斷的物質(zhì)所充滿，他認為月層以下的一切物體都是由水、土、氣、火四元素組成，月層以上的天體是由更純潔的第五種元素“以太”組成的，以太作為宇宙的本原物質(zhì)的概念逐漸從神話走到自然哲學中來。后來，化學家門捷列夫也曾把以太作為原子的零序數(shù)物質(zhì)列入他的元素周期表中。

在古希臘宇宙學中，用以太表示占據(jù)宇宙空間的物質(zhì)，認為宇宙中應(yīng)該存在一種浩瀚的物質(zhì)“海洋”或物質(zhì)背景，它們被稱為“以太”，天體的浮游需要充滿太空的以太作為載體，星光傳播需要以太作為傳播媒體。以太論在托勒密宇宙體系中占有重要位置，托勒密繼承亞里士多德思想，把宇宙看成一種有等級的體

系，地上物體由土、火、氣、水四種元素組成，而天上物體由透明無重量的“以太”構(gòu)成；地上的物質(zhì)是速朽的，而天上的“以太”是永恒不朽的。

2.1.2中國古代的以太觀

有文獻記載的最古老的以太觀源于易經(jīng)，認為“萬物負陰抱陽”，“形而上者謂之道，形而下者謂之器”。所謂“道”，是以空間的方式存在的無形物質(zhì)態(tài)，這種物質(zhì)態(tài)聚合則生成器（即物質(zhì)）。主張“天人合一”是指“天地與我并生，萬物與我為一”，“天人合一”是“道器合一”的自然推論。中國古代一直流傳著“先天一炁”作為宇宙創(chuàng)世的神秘力量的說法，指生天生地生人生萬物的原始之炁，是構(gòu)成天地萬物的基本元素，道自虛無生一炁，便從一炁產(chǎn)陰陽，陰陽再合成三體，三體重生萬物張。

老子的《道德經(jīng)》：“有物混成，先天地生，寂兮寥兮，獨立而不改，周行而不殆，可以為天下母。吾不知其名，字之曰道，強為之名曰大。大曰逝，逝曰遠，遠曰反”。有一個東西混然天成，在天地形成以前就已經(jīng)存在，聽不到它的聲音也看不見它的形體，寂靜而空虛，它獨立長存永不停息，循環(huán)運行而永不衰竭，可以作為萬物的根本，“道”是宇宙萬物的源頭根本，物質(zhì)、精神、規(guī)律都是“道”的派生物。“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，世間所有事物都要遵循于道，天地萬物在道的作用下生生不息?！婪ㄗ匀?，宇宙用最簡單的方式構(gòu)成了無比繁復的世界。

中國古代唯物主義自然觀的主要理論是元氣論，它萌芽于先秦，形成于兩漢，至宋、明、清時期得到了高度的發(fā)展，漢代的王充、北宋的張載和明末清初的王夫之是元氣論的代表人物，元氣論的主要觀點可以概括如下：第一，“元氣”是一種無形的、連續(xù)性的物質(zhì)，充滿了整個宇宙，沒有任何物質(zhì)的虛空是不存在的；第二，作為物質(zhì)的“元氣”永恒存在，并處在有規(guī)律的運動變化之中；第三，“元氣”運動變化的根原在于它內(nèi)部的矛盾性，“元氣”是包含著陰陽兩個對立面的統(tǒng)一體；第四，“元氣”聚則為有形的物體，“元氣”散則歸于太虛，“元氣”是構(gòu)成萬物的本原；第五，“元氣”不僅構(gòu)成一切有形有像的物體，還充滿在這些物體之中；“元氣”不僅與物質(zhì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化和相互作用，而且是物質(zhì)之間相互作用的中介，并把天地萬物聯(lián)系成一個整體。

元氣論和古希臘自然哲學的以太觀對宇宙本原的認識，從本質(zhì)是異曲同工的，中國古代的以太觀認為以太是一種流體，中國道家把以太空間統(tǒng)稱為“若水”。從某種意義上講，中國的元氣論、“道”比古希臘自然哲學中的以太觀對宇宙的認識更深刻、更博大，但由于古、近代中國科學技術(shù)發(fā)展的停滯，這些先進的哲學觀點沒有得到很好的應(yīng)用、驗證和發(fā)展，因而，其影響力反而大大弱于西方的以太理論。

2.2 近代物理學中的以太理論

2.2.1力學以太

十七世紀，被譽為現(xiàn)代哲學之父的笛卡爾反對“超距作用力”的說法，并否認虛空的存在，笛卡兒認為，自然界的力只有通過物體間的相互接觸才能發(fā)生作用，不存在任何超距作用。“凡有廣延和空間的地方必有實體”“空間和實體實際上沒有區(qū)別”，笛卡爾所說的實體就是以太，并最先把以太的概念正式引入物理學，賦予它某種力學性質(zhì)，提出了引力的“以太旋渦說”，笛卡爾認為，物質(zhì)是連續(xù)的，物體只有相互接觸才能產(chǎn)生運動，物體間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質(zhì)來傳遞，不存在任何超距作用，“虛空”是不可能存在的，整個宇宙充滿著一種特殊的易動物質(zhì)——以太，以太雖然不能為人的感官所感覺，但能傳遞和施加力于浸在其中的物體上。以太在不停地激烈運動中，卷起一個個旋渦，如太陽周圍的有一個巨大的以太旋渦，帶著行星繞太陽運動；行星周圍的以太旋渦，帶著衛(wèi)星及其他小物體運動，每個行星產(chǎn)生的重力現(xiàn)象就是行星旋渦中心產(chǎn)生的；物體更小的旋渦使各部分之間產(chǎn)生內(nèi)聚力，正如河中浮草被卷進漩渦一樣，在漩渦中重物趨向中心，輕物離開中心，因此，重物總是落下地面。笛卡爾把行星的圓周運動、重物的下落都歸之于以太漩渦吸引的結(jié)果。

伽利略對笛卡爾的以太學說進行了具體化、理論化，提出了著名的伽利略變換，強調(diào)了靜止以太的參考系功能以及該參考系的優(yōu)越性。

牛頓對以太的態(tài)度是極其矛盾的，他一方面繼承了笛卡兒和伽利略的部分思想，提出絕對時空理論，但又在他1687年發(fā)表《自然哲學的數(shù)學原理》中，回避了以太的問題，關(guān)于物體之間作用力的本質(zhì)，他只字未提，認為當時不可能深入探討力的本質(zhì)。之后，牛頓運用超距的吸引和排斥的觀點輕而易舉地解釋了萬有引力、化學聚合力、光粒子的反射和折射等現(xiàn)象，因而逐步地接近超距作用的觀點。承認超距作用，當然否定了以太的存在，但是牛頓本人并不贊成超距作用解釋，在對待以太的問題上也是搖擺不定的，他在給Ｒ.本特利的一封信中寫道：“很難想象沒有別種無形的媒介，無生命無感覺的物質(zhì)可以毋須相互接觸而對其他物質(zhì)起作用和產(chǎn)生影響……假定引力是物質(zhì)的一種根本的和固有的屬性，因此一個物體能夠超距地通過虛空的任何距離作用于另一個物體，不經(jīng)任何媒介就傳遞作用力，在我看來，這是多么荒誕，以致對于任何一個通曉哲學事理的人都是不可思議的。引力應(yīng)是由按一定規(guī)律起作用的媒介引起的。但是，這種媒介究竟是物質(zhì)的還是非物質(zhì)的呢？我讓讀者自己去判斷?！痹诹Φ膫鬟f上，牛頓本人是傾向于贊同以太理論的觀點的，只是在細節(jié)上有所不同，但他并沒有對力的本質(zhì)再做進一步的研究和說明。

人們一般認為，牛頓力學不需要以太，但情況并非如此，牛頓力學只是利用一個叫“絕對空間”的概念，而未直呼其名的以太，在牛頓第二定律——慣性定律中，不僅提及運動參考系，還要利用參考系因為要定義加速度，就必須選擇一個適當運動狀態(tài)下的參考系，如果對參考系的狀態(tài)選擇不當，則對這個參考系牛頓運動方程將不成立，這就是說，物體所在的空間環(huán)境，以某種隱而不宣的方式具有一種客觀實在性，隨同物體本身和物體之間的距離一起出現(xiàn)在運動定律里，這里的“空間環(huán)境”就是牛頓的“絕對空間”。使牛頓定律成立的參考系必需是一個慣性系，物體的慣性反應(yīng)也是相對它所處的以太空間，牛頓力學中的慣性系實質(zhì)是物體所處的以太空間，這里的絕對參考系也就是以太參照系?？梢哉f，沒有以太也就沒有牛頓的絕對時空觀建立的基礎(chǔ)。

萊布尼茨同樣是一個堅定的以太論者，明確反對原子論的虛空觀點。他認為引力是通過以太介質(zhì)傳遞的，他在與克拉克的論戰(zhàn)信中寫道：“所謂物體的引力乃是奇跡性的東西，是不能用它們的自然本性來解釋的”“完全空的空間是不存在的，空間是全部充滿的，即使那些被認為證明虛空存的實驗，如托里拆得的水

銀玻璃管實驗，無非是排除了粗大的物質(zhì)而已，而某種精細的物質(zhì)還是存在著的”。

笛卡爾學派和萊布尼茨學派都主張：“萬有引力確實是普遍存在著的，但不可能是存在超矩作用”，反對牛頓學派主張的“超矩作用”，由于笛卡爾和萊布尼茨追隨者堅持以太學說，拒絕認可牛頓的“引力的距離平方反比定律”，萊布尼茨與牛頓之間又存在著尖銳的“微積分創(chuàng)建者”之爭，而使牛頓的追隨者聯(lián)合起來反對笛卡爾的哲學體系和萊布尼茨的學說，連同他們的以太學說一起反對，由于牛頓的力學方程不顯性地依賴以太而成立，而被牛頓的追隨者解讀為力的超距作用，隨著引力的平方反比定律在天體力學方面的巨大成功，使得超距作用觀點得以流行，作為傳遞相互作用力介質(zhì)為內(nèi)涵的以太，被慢慢拋棄，十八世紀成為以太理論沒落的世紀。

十九世紀隨光的波動學的重新興起，以太學重回它的主流地位。以太成為科學研究的重要對象，物理學也被分成兩部門：一門研究普通物質(zhì)，另一門研究以太，稱為“以太學”。在以太學中，最令人困惑的問題是：地球在以太中運動，兩者的相對運動究竟是怎樣的？這就是以太漂移問題。當時，以太理論主流觀點是“以太漂移假說”，絕大多數(shù)以太理論的學家都認為以太是絕對靜止的，以太作為絕對靜止參照系，天體與以太空間會產(chǎn)生絕對運動。另外還有兩種以太漂移理論：

一是“以太部分曳引假說”，菲涅耳認為以太是絕對靜止的，但是，當一個物體相對以太這個參照系運動時，其內(nèi)部的那一部分以太的被物體帶動。菲涅耳用以太絕對靜止為基礎(chǔ)對光行差現(xiàn)象的解釋得到廣泛認可，而且菲涅耳預言了艾利實驗的結(jié)果，即望遠鏡灌滿水，觀察的光行差角不會有什么改變。斐索在1851年完成了流水中的光速實驗，證明了菲涅耳公式的正確性。

二是“以太完全曳引假說”，英國物理學家喬治·斯托克斯認為把以太分成不動（以太漂移假說）和可動（以太部分曳引假說）的兩部分，星體能夠完全拖曳一部分以太，在物體表面附近的以太有一個速度逐漸減慢的區(qū)域，星體曳引周圍的這部分以太一起運動，而距離星體更遠空間中的以太則相對靜止。即在地球表面，以太與地球具有相同的速度，即地球完全曳引這部分以太。只有在離開地球表面某一高度的地方，才可以認為以太是靜止的?！耙蕴耆芬僬f”也能很好解釋了光行差現(xiàn)象。

以太是絕對靜止的假設(shè)，可以直觀地解釋許多日常的力學和光學現(xiàn)象，“以太是絕對靜止的”成為近代物理學以太理論中關(guān)于以太的突出物理特征，最終這個錯誤的假定也為后來以太理論的沒落埋下了禍根。

被喻為“最接近神的人”——美國偉大的科學家尼古拉·特斯拉，也在十九世紀末提出自己的以太理論，他認為電磁波在以太中的傳送，就像聲波在空氣中傳送一樣；以太是大海，而普通物質(zhì)則是比海水密度輕得多的水泡，引力是源自了物質(zhì)外部受力的壓力差；物體除了從周圍環(huán)境中獲得能量以外，物質(zhì)內(nèi)并無能量，能量不是直接來源自物質(zhì)，能量來自空間，物質(zhì)更像介質(zhì)，讓力作用于它，或者穿過它，沒有以太，也就沒有能量，也沒有力，特斯拉反對相對論的質(zhì)能等價等理論。他說“一切皆是光”，這里的光指以太，意指“一切現(xiàn)象和事物皆來源于以太”。

在尼古拉·特斯拉的手稿中寫道：“你錯了，愛因斯坦先生，以太是存在的！這些天有很多關(guān)于愛因斯坦理論的談?wù)?。這個年輕人證明了沒有以太，許多人同意他的觀點，但我認為這是一個錯誤。以太的反對者把邁克爾遜-莫利的實驗作為證據(jù)，他們試圖檢測地球相對于靜止的以太的運動。他們的實驗以失敗告終了，但這并不意味著沒有以太。在我的作品中，我總是依賴于以太的存在，因此我取得了一定的成功。盡管相互作用很弱，我們?nèi)匀荒芨杏X到以太的存在。這種交互作用的一個例子顯示在重力以及突然加速或剎車時（物體的慣性是以太的存在一個直接證據(jù)）。我認為恒星、行星和我們的整個世界都起源于以太，因為某種原因，它的一部分密度變小了。這可以與水中氣泡的形成相比較，盡管這種比較非常近似。從四面八方壓縮我們的世界，以太試圖回到它最初的狀態(tài)，一旦物質(zhì)被以太壓縮，并將變成以太本身。每一個物體，無論是太陽還是最小粒子，都是以太中的低壓區(qū)域。因此，以太不可能在物質(zhì)周圍保持不動?；诖耍藗兛梢越忉尀槭裁催~克爾遜-莫利的實驗顯示一個空結(jié)果。為了理解這一點，讓我們將實驗轉(zhuǎn)移到水生環(huán)境中，想象你的船在一個巨大的漩渦中旋轉(zhuǎn)，試著探測水相對船的運動，你不會察覺到任何移動，因為船的速度將等于水的速度。把你想象中的船換成地球，把漩渦換成繞太陽旋轉(zhuǎn)的以太風，你就明白為什么邁克爾遜-莫利實驗沒能成功了。在我的研究中，我始終堅持這樣一個原則，即自然界中的所有現(xiàn)象，無論發(fā)生在什么物理環(huán)境中，總是以同樣的方式表現(xiàn)出來，水中有波浪、

空氣中有波浪……無線電波和光是以太中的波。愛因斯坦斷言沒有以太是錯誤的。很難想象有無線電波，但是沒有以太——承載這些波的物理介質(zhì)。愛因斯坦試圖用普朗克的量子假說來解釋沒有以太時，光的運動。我想知道如果沒有以太的存在，愛因斯坦將如何解釋球狀閃電？愛因斯坦說沒有以太，但他實際上證明了以太的存在。至少拿光速來說（“光速不變現(xiàn)象”事實上是以太存在的直接證據(jù)），愛因斯坦指出，光速不取決于光源的速度，這是對的，但這個規(guī)律只有在光源處于某種物理介質(zhì)（以太）中才能存在，這種介質(zhì)以其性質(zhì)限制了光速。以太物質(zhì)限制光速，就像空氣物質(zhì)限制聲速一樣。如果沒有以太，那么光速將強烈依賴于光源的速度……”尼古拉·特斯拉以簡明的事例和嚴謹?shù)倪壿嬚撟C了以太的存在，可惜的是，尼古拉·特斯拉生前并未發(fā)表和推廣他的以太理論，他的大部分以太理論僅在他遺留的手稿中發(fā)現(xiàn)。

力學以太的一個核心問題是：物體之間的相互作用力是否可以超距產(chǎn)生？這也是物理學最基本的問題，如果物體之間的相互作用力不可以超距產(chǎn)生，空間必然不存在虛空，必然充滿著一種叫以太的物質(zhì)，如果物體之間的相互作用力可以超距產(chǎn)生，以太便失去存在的基礎(chǔ)。

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