曾經席卷整個物理學的“以太理論”，為什么是錯誤的？

公元前300多年，亞里士多德提出了“以太”，稱其為除水、火、氣、土之外第五種構成世界的元素。在之后的兩千余年，以太好像被人們淡忘了，直到經典力學時代才被賦予了全新的科學使命。此后，光的波動說直接將以太推上神壇。至此，以太學說成為正統理念，統治物理學界100多年。

亞里士多德

19世紀末，狹義相對論即將問世。那時，赫茲、洛倫茲已經看到了相對論的曙光，但卻被最后一道門檻拒之門外，而這道門檻就是以太。可以說，在19世紀末20世紀初，誰敢打破以太的桎梏，誰就可以率先提出狹義相對論，直接在物理學界封神。

從以太的提出、發展、衰落，直至消亡，前后歷經了2000余年，所以本期就讓我們來了解一下以太發展的始末。

有機物理論與自然機械觀

中世紀的歐洲，人們習慣用理解人類和動物行為的方式來理解自然現象，以生物的行為來解釋諸如天體，拋物等物體的運動，這就是有機物理論。

中世紀的基督教會正是這一理論的堅定推崇者，在教會眼里，天體的運動被某個更高等的自然精神力量控制了，而維持永恒不變的運動正是這種精神力量的本能，就如同趨利避害是低等有機體的本能一樣。

在奉行地心說的教會眼中，天體的運動軌跡是這樣的。

相較于哥白尼的日心說，地心說所描述的天體運動就顯得雜亂無章，地心說是有機物理論孕育出的必然產物。盡管這一觀念在本質上相當愚昧，卻被中世紀基督教會封為神學思想的基礎，并且深深地烙印在民眾的觀念中。

這是布魯諾

布魯諾

文藝復興時期的思想家，哲學家和自然科學家。在他眼里，教會所推崇的有機物理是愚昧而無知的，布魯諾用日心說和無限宇宙論炮轟有機物理論，被教會認定為異端，活活燒死在羅馬鮮花廣場。布魯諾雖然死了，可是他的思想卻撼動了有機物理論的地位。

從17世紀開始，伽利略和牛頓在力學上做出了一系列影響廣泛的研究，促成了物理學史上第一次重大的革命，自然機械觀得以形成。

牛頓

在這種觀念中，杠桿、滑輪等簡單的機器可以完美地解釋自然現象，特別是在萬有引力的加持下，使得機械觀獲得了巨大的成功。至此，機械論替代有機物理論成為自然科學的范本。

直到1870年，機械論達到了頂峰。甚至成為衡量科學理論正確與否的唯一標準。而以太，正是這種機械論觀念下的必然產物。

以太與引力

太陽既沒接觸也沒用繩子拖拽地球，為什么地球會乖乖繞太陽公轉？

在那個沒有場概念的時代，人類自然會認為，物體與物體之間的作用勢必要通過接觸來傳遞，不管是直接接觸還是間接接觸。

天體引力，跨越億萬公里，之間空無一物，這種超距作用完全不符合常識中的邏輯經驗。

哲學家笛卡爾認為：物體之間所有的作用力都必須通過媒介來傳遞，不存在所謂的超距作用。因此，空間中不可能是一無所有的，而是充滿著一種叫以太的物質，以太雖然無法被人體所感知，但卻能傳遞作用力。

笛卡爾

牛頓對超距作用也感到困惑，他在給牧師本特利的一封信中曾寫道：“ 一個物體可以通過真空超距地作用在另一個物體上，而不需要任何其他介質，這種觀點在我看來是荒唐之極的！”

牛頓默認了笛卡爾的觀點，認為以太是引力傳遞的介質。

牛頓

以太與光波

1800年，托馬斯·楊發現了光的干涉現象以及光的偏振性，徹底讓波動說力壓微粒說，成為光本質的主流學說。

這時候，物理學家對光波的認識還停留在機械波的概念上，太空中沒有任何介質，遙遠的恒星發出的光卻仍能到達地球，基于機械波的傳播需要介質的特性。

人們認為，必然存在某種介質在太空中承載了光的傳播。于是，以太再一次以介質的身份登上了科學史的舞臺。

以太，絕對靜止且充滿宇宙各個角落，充當了光波與力傳遞的介質。如果沒有以太，當時的經典物理學就不能自洽，將會面臨坍塌的風險。所以當時物理學家普遍認為以太絕對存在且不可撼動。

以太的驗證

在那個時代，驗證以太是許多科學家追求的目標，可很多實驗由于設計和誤差等原因都沒能成功。直到邁克爾遜出現，對以太的驗證才步入正軌。

1879年，他聯合愛德華·莫雷多次改進干涉儀，并設計了對以太風的測量實驗。

這是邁克爾遜——莫雷實驗所用的干涉儀

邁克爾遜——莫雷實驗干涉儀

實驗的大致原理是這樣的：假如光的傳播就像是平靜水面上的一串漣漪，那么光波的速度相對于以太就是恒定的，然而觀察者所觀察的光線傳播速度可能會大于或者小于光線本身在以太中傳播的速度，這就是以太風，其數值取決于觀察者是向著光源運動還是遠離光源運動。

如果地球沒有拖拽以太，地球以每秒接近30公里的速度繞太陽公轉時，就必然迎面受到每秒30公里的“以太風”。

邁克爾遜和莫雷一開始就沒質疑過以太，而是直接去測量以太風。可實驗結果卻是“不僅沒測到以太風，反倒讓以太的存在都成了問題。”

測量結果顯示：地球相對于以太的“漂移速度”為零，也就是說以太風根本不存在。莫雷始終不愿意相信自己的實驗結論，則繼續與戴頓·米勒重復實驗，結果依舊沒有測出以太風。

即便實驗事實了然可見，但物理學家們依然篤信以太。

以太與電磁波

1864年，麥克斯韋建立了完整的電磁學理論，預測了電磁波的存在，并斷言光就是電磁波。

麥克斯韋

1888年，赫茲通過實驗，驗證了電磁波的存在，當他用麥克斯韋理論描述電磁波現象時，發現將以太引入，計算非常繁瑣復雜，若去掉以太，計算起來會簡單許多。

倘若赫茲堅信“如無必要，勿增實體”的信念，就會摒棄以太，但作為一個老保守派，放棄以太是不可能放棄的，這輩子都不可能放棄！

赫茲

后來，有一位物理學家以絕對靜止的“以太”為參考系，從經典的伽利略變換出發

利用數學方法推導了麥克斯韋方程組在運動參考系中的協變方程，這就是著名的“洛倫茲變換”。

一開始，洛倫茲引入以太參考系，推導“洛倫茲變換”的方向上就是錯的，那么，他與狹義相對論失之交臂也就不足為奇。

洛倫茲

這是亨利·龐加萊

亨利·龐加萊

1902年，龐加萊在《科學的假設》中對絕對時空觀和以太學說提出尖銳的批判。

1904年，龐加萊提出了“相對性原理”。

1905年，龐加萊基本完成了《電子的電動力學》，此時龐加萊已經十分接近狹義相對論的本質，不過他的論文還沒有正式發表，愛因斯坦的論文——《論動體的電動力學》就已經橫空出世，前后只差了6個月。

以太的否定，狹義相對論誕生

這是馬赫

馬赫

曾痛批絕對時空觀和以太學說，他并不那么出名，可其思想卻深深影響了愛因斯坦。作為馬赫的粉絲，愛因斯坦繼承了馬赫的批判思想，徹底拋棄了以太，率先提出狹義相對論。

愛因斯坦

為什么說否定以太是狹義相對論誕生的關鍵點？

狹義相對論有兩個基本假設：

第一條：在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式

如果以太不剔除，絕對靜止的以太參考系就是獨立于其他參考系的特殊存在。

第一條：光速不變原理，即真空中的光速對不同慣性系的觀察者來說都是c。

如果以太不剔除，真空中的光速不變僅僅只是相對于以太而言是成立的，光速一旦脫離以太參考系，就會因觀察者而改變。

只要以太的概念在物理學中持續發揮作用，狹義相對論的兩條基本假設就不存在普適性。

縱觀以太的發展史，我們不難發現，任何偉人的成就都無法突破時代的局限性，沒有先人的前赴后繼，也就沒有愛因斯坦的狹義相對論。縱使愛因斯坦力挽狂瀾，也只不過是站在前人的肩膀上，嚴格意義上來說，狹義相對論更像是群星璀璨的結果。