以太

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以太假說:地球行經承載光的介質以太

以太英語Luminiferous aetheraetherether),或譯乙太光乙太,是古希臘哲學家亞里斯多德所設想的一種物質,為五元素之一。19世紀的物理學家,認為它是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質[1]。但後來的實驗和理論表明,如果不假定「以太」的存在,很多物理現象可以有更為簡單的解釋。也就是說,沒有任何觀測證據表明「以太」存在,因此「以太」理論被科學界拋棄。

歷史[編輯]

19世紀,科學家們逐步發現是一種波,而生活中的波大多需要傳播介質(如聲波的傳遞需要藉助於空氣,水波的傳播藉助於等)。受古典力學思想影響,於是他們便假想宇宙到處都存在着一種稱之為以太的物質,而正是這種物質在光的傳播中起到了介質的作用。

以太的假設事實上代表了傳統的觀點: 電磁波的傳播需要一個「絕對靜止」的參照系,當參照系改變,光速也改變。

邁克生-莫立實驗裝置

這個「絕對靜止系」就是「以太系」。其他慣性系的觀測者所測量到的光速,應該是 "以太系" 的光速,與這個觀測者在 "以太系" 上的速度之向量和。

按照當時的猜想,以太無所不在,沒有質量,絕對靜止。以太充滿整個宇宙,電磁波可在其中傳播。假設太陽靜止在以太系中,由於地球在圍繞太陽公轉,相對於以太具有一個速度v,因此如果在地球上測量光速,在不同的方向上測得的數值應該是不同的,最大為 c+v,最小為 c-v。如果太陽在以太繫上不是靜止的,地球上測量不同方向的光速,也應該有所不同。

1881年-1884年,阿爾伯特·邁克生愛德華·莫立為測量地球和以太的相對速度,進行了著名的邁克生-莫立實驗。實驗結果顯示,不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了光速不變原理,即真空中光速在任何參照系下具有相同的數值,與參照系的相對速度無關,以太其實並不存在。後來又有許多實驗支持了上面的結論。

以太說曾經在一段歷史時期內在人們腦中根深蒂固,深刻地左右着物理學家的思想。著名物理學家勞侖茲推導出了符合電磁學協變條件的勞侖茲變換公式,但無法拋棄以太的觀點。

然而根據麥克斯韋方程組,電磁波的傳播不需要一個「絕對靜止」的參照系,因為該方程式裡兩個參數都是無方向的純量,所以在任何參照系裡光速都是不變的。

c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}

其中 \varepsilon_0真空電容率\mu_0真空磁導率

愛因斯坦則大膽拋棄了以太學說,認為光速不變是基本的原理,並以此為出發點之一創立了狹義相對論。雖然後來的事實證明以太確實不存在,不過以太假說仍然在我們的生活中留下了痕迹,如以太網等。

但有些人推測,以太可能是由一種宇宙暗物質所構成,又稱「光重力行為」,光重力行為是一種只有屬於光的萬有引力,發光者藉由暗物質的聚合而產生光,可是這些也只是在構想的階段。

笛卡爾的角度來看,物體之間所有的作用力都必須透過媒介來傳遞,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,例如磁力、月球對潮汐的作用力等。

之後,以太又跟光波動說有很大關聯,它被當作是光波的荷載物。光波動說是由虎克所提出的,並由惠更斯做進一步的發展。

由於光可以在真空中傳播,因此惠更斯提出,荷載光波的媒介(以太)應該充滿了包括真空在內的全部空間,並能滲透到平常的物質當中。以太除了被當作為光的荷載物質之外,惠更斯也利用以太來解釋重力的現象。

牛頓雖然不同意虎克的光波動說,但又和笛卡爾一樣反對超距作用,並承認以太這種物質的存在。牛頓的觀點是,以太不一定是單一的物質,因此能傳遞各種作用力,如產生電、磁和重力等不同的現象。牛頓也認為以太可以傳播震動,但以太的震動不是光,因為當時光波動說還不能解釋光的偏振現象,亦不能解釋光為何會直線傳播。

十八世紀是以太論沒落的時期。由於法國笛卡兒主義者拒絕重力的平方反比定律,而使牛頓的追隨者起來反對笛卡爾哲學體系,因此連笛卡爾倡導的以太論也一併進入了反對之列。

隨着重力的平方反比定律在天體力學方面的成功,以及探尋以太的實驗並未獲得成果,使得超距作用觀點得以流行。光波動說也被放棄了,而光微粒說卻得到廣泛的承認。到了十八世紀後期,證實了電荷之間(以及磁極之間)的作用力同樣是與距離的平方成反比。於是電磁以太的觀念被拋棄,超距作用的觀點在電磁學中也占據了主導的位置。

十九世紀,以太論獲得復興以及發展,這點首先還是由光學所發展起的,主要是托馬斯·楊菲涅爾的實驗結果。托馬斯·楊用光波的干涉解釋了牛頓環,並在實驗的啟示下,於1817年提出的光波為橫波的新觀點,解決了光波動說長期不能解釋光的偏振現象的困難處。

菲涅爾用光波動說成功地解釋的光的繞射現象,他提出的理論方法(常稱為惠更斯-菲涅耳原理)能正確地計算出繞射的圖案,並且能解釋光的直線傳播現象。之後菲涅爾又成功進一步解釋了光的雙折射,獲得了很大的成功。

1823年,菲涅爾根據托馬斯·楊的光波為橫波的學說,和他自己在1818年所提出的:

透明物質中以太密度與及折射二次方成正比的假設,在一定的邊界條件下,推出關於反射光和折射光震幅的著名公式,他很準確的說明了大衛·布儒斯特數年前從實驗上所測得的結果。

參閱[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ The 19th century science book A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar provides a brief summary of scientific thinking in this field at the time.

外部連結[編輯]