第一章 宇观领域的现代自然科学.doc

以太问题以太（英语：Luminiferous aether、aether 或 ether），或译乙太，光乙太，是古希腊哲学家亚里斯多德所设想的一种物质，为五元素之一。19世纪的物理学家，认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质1。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明“以太”存在，因此“以太”理论被科学界抛弃。19世纪，科学家们逐步发现光是一种波，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，水波的传播借助于水等）。受经典力学思想影响，于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质，而正是这种物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点： 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。迈克耳孙莫雷实验装置这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性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。按照当时的猜想，以太无所不在，没有质量，绝对静止。以太充满整个宇宙，电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中，由于地球在围绕太阳公转，相 对于以太具有一个速度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 c-v。如果太阳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。1881年-1884年，阿尔伯特迈克耳孙和爱德华莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固，深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式，但无法抛弃以太的观点。然而根据麦克斯韦方程组，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 是真空电容率， 是真空磁导率。爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。虽然后来的事实证明以太确实不存在，不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹，如以太网等。但有些人推测，以太可能是由一种宇宙的暗物质所构成，又称“光引力行为”，光引力行为是一种只有属于光的万有引力，发光者借由暗物质的聚合而产生光，可是这些也只是在构想的阶段。从笛卡尔的角度来看，物体之间所有的作用力都必须透过媒介来传递，不存在所谓的超距作用。因此，空间中不可能是一无所有的，而是充满著一种叫以太的物质。以太虽然无法被人体所感知，但却能传递作用力，例如磁力、月球对潮汐的作用力等。之后，以太又跟光波动说有很大关联，它被当作是光波的荷载物。光波动说是由胡克所提出的，并由惠更斯做进一步的发展。由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介（以太）应该充满了包括真空在内的全部空间，并能渗透到平常的物质当中。以太除了被当作为光的荷载物质之外，惠更斯也利用以太来解释引力的现象。牛顿虽然不同意胡克的 光波动说，但又和笛卡尔一样反对超距作用，并承认以太这种物质的存在。牛顿的观点是，以太不一定是单一的物质，因此能传递各种作用力，如产生电、磁和引力 等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播震动，但以太的震动不是光，因为当时光波动说还不能解释光的偏振现象，亦不能解释光为何会直线传播。十八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，而使牛顿的追随者起来反对笛卡尔哲学体系，因此连笛卡尔倡导的以太论也一并进入了反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功，以及探寻以太的实验并未获得成果，使得超距作用观点得以流行。光波动说也被放弃了，而光微粒说却得到 广泛的承认。到了十八世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是与距离的平方成反比。于是电磁以太的观念被抛弃，超距作用的观点在电磁学中 也占据了主导的位置。十九世纪，以太论获得复兴以及发展，这点首先还是由光学所发展起的，主要是托马斯杨及菲涅尔的实验结果。托马斯杨用光波的干涉解释了牛顿环，并在实验的启示下，于1817年提出的光波为横波的新观点，解决了光波动说长期不能解释光的偏振现象的困难处。菲涅尔用光波动说成功地解释的光的衍射现象，他提出的理论方法(常称为惠更斯菲涅耳原理)能正确地计算出衍射的图案，并且能解释光的直线传播现象。之后菲涅尔又成功进一步解释了光的双折射，获得了很大的成功。1823年，菲涅尔根据托马斯杨的光波为横波的学说，和他自己在1818年所提出的：透明物质中以太密度与及折射二次方成正比的假设，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光震幅的著名公式，他很准确的说明了大卫布儒斯特数年前从实验上所测得的结果。光速不变原理光速不变原理是狭义相对论的两个基础公设之一，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度相对于该观测者都是一个常数，不随光源和观测者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299 792 .458 公里/秒。光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的，并为迈克耳孙-莫雷实验所证实。光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。在广义相对论中，由于所谓惯性参照系不再存在，爱因斯坦引入了广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的，这也使得光速不变原理可以应用到所有参考系中。 光速不变就是绝对速度值问题。迈克耳孙莫雷实验迈克耳孙莫雷实验是为了观测“以太”是否存在而作的一个实验，是在1887年由阿尔伯特迈克耳孙与爱德华莫雷合作，在美国的克利夫兰进行的。实验原理实验装置当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。迈克耳孙莫雷实验就是在这个基础上进行的。当“以太风”的速度为0时，两束光应同时到达，因而相位相同；如“以太风”速度不为零，即装置相对以太运动，则两列光波相位不同。假设装置在以太中向右以速度运动，且从部分镀银的玻璃片到两面镜子的距离为，那么向右的那一束光在向右的过程中相对装置速度为，花费的时间，返回时速度为，时间。所以总的时间是而对于向上的那一束光，设它到达镜子所需的时间为，在这段时间里镜子向右移动了，所以光走过的路程是一个直角三角形的斜边，于是有由此可得而返回时间与此相同，所以总时间所以两束光的到达时间是不同的，根据这个实验应该能测量出地球通过以太的速度红色激光造成的迈克耳孙干涉环空气介质的影响由于实验是在空气介质中进行，此时光的介质相对于实验装置的速度为0， 所以在两个路径上的来回的时间均为2l/c。 因此，在装置旋转90后，没有干涉条纹的移动。莫雷不确信他自己的结论，继续与达通米勒做更多的实验。米勒制作了更大的实验设备，最大的安装于威尔逊山天文台的臂长32米（有效长度）的仪器。为了避免实体墙可能造成的对以太风的阻挡，他使用了帆布为主体的流动墙。他每次旋转设备都会观测到不同的小偏移，不论是恒星日还是年。他的测量值仅达到10 km/s，而不是从地球轨道运动所期待的30 km/s。他仍然不确信这是由于局部拖拽造成的，他没有尝试进行详细的解释。肯尼迪后来在威尔逊山上作了实验，米勒发现1/10的漂移，并且不受季节影响。米勒的发现当时认为非常重要，并于1928年在一份会议报告上与迈克耳孙、洛伦兹等人讨论。普遍认为需要更多的实验来检验米勒的结果。洛伦兹认可这个结论，造成漂移的原因不符合他的以太说或者爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦没有出席会议，但是感觉这个实验结果恐怕是实验误差。后来的实验没能重新获得米勒的结果，现代实验的精度推翻了此实验结论。对实验结果的解释乔治斐兹杰惹（George FitzGerald）在1892年对迈克耳孙莫雷实验提出了一种解释。他指出如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克耳孙莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量乔治斐兹杰惹的缩短值，但都没有成功。这类实验表明乔治斐兹杰惹的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法判断他们体系内的绝对速度，光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者，动系中的短缩，乃是所有物体皆短缩，而动系中的人，是无法测量到自己短缩值的。1904年，荷兰物理学家洛伦兹提出了著名的洛伦兹变换，用于解释迈克耳孙-莫雷实验的结果。他提出运动物体的长度会收缩，并且收缩只发生运动方向上。如果物体静止时的长度为，当它以速度以平行于长度的方向运动时，长度收缩为引入这条规律后，成功地解释了实验结果。（参见：洛伦兹变换）1905年，爱因斯坦在抛弃以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质，也可以推导出洛伦兹变换。里茨在1908年设想光速是依赖于光源的速度的，企图以此解释迈克耳孙莫雷实验。但是德希特于1931年在莱顿大学指出，如果是这样的话，那么一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动，而这种现象并没有观察到。由此也证明了爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响是正确的，而且既然没有一种静止的以太传播光波振动，牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。有人认为，爱因斯坦在提出狭义相对论的 过程中，曾经受到过迈克耳孙莫雷实验结果的影响。John Stachel在爱因斯坦和以太漂移实验一文中指出，有间接的有力证据表明，爱因斯坦在1889年一定知道迈克耳孙莫雷实验，并从 18891901年间，持续感兴趣于设计光学实验，以检查地球穿行于以太的假定运动。爱因斯坦在1922年，在我是怎样创造了相对论中说道:“那时我想用某种方法演示地球相对以太的运动，在给自己提出这一问题时，我没有怀疑 过以太的存在和地球的运动。于是，我预料如果把光源发出的光线用镜子反射，则当它的传播方向是平行或反平行于地球的运动方向时，应该具有不同的能量。所以 我提出使用两个热电偶，利用测量它们所生热量的差值，来证实这一点。”人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克耳孙莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高27。除光学方法外，还有使用其他技术进行的类似实验28。如1958年利用微波激射所做的实验得到地球相对以太的速度上限是310-2 km/s29，1970年利用穆斯堡尔效应所做的实验得到此速度的上限只有510-5 km/s30。综合各种实验结果，人们基本可以判定地球不存在相对以太的运动。