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  • 以太假說發(fā)展的歷史過程,從中概括假說具有的基本特征

    以太假說發(fā)展的歷史過程,從中概括假說具有的基本特征
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    17世紀(jì)的笛卡兒是一個(gè)對(duì)科學(xué)思想的發(fā)展有重大影響的哲學(xué)家,他最先將以太引入科學(xué),并賦予它某種力學(xué)性質(zhì). 在笛卡兒看來,物體之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.因此,空間不可能是空無所有的,它被以太這種媒介物質(zhì)所充滿.以太雖然不能為人的感官所感覺,但卻能傳遞力的作用,如磁力和月球?qū)Τ毕淖饔昧? 后來,以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動(dòng)學(xué)說相聯(lián)系.光的波動(dòng)說是由胡克首先提出的,并為惠更斯所進(jìn)一步發(fā)展.在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)(直到20世紀(jì)初),人們對(duì)波的理解只局限于某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動(dòng).這種媒介物質(zhì)就稱為波的荷載物,如空氣就是聲波的荷載物. 由于光可以在真空中傳播,因此惠更斯提出,荷載光波的媒介物質(zhì)(以太)應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間,并能滲透到通常的物質(zhì)之中.除了作為光波的荷載物以外,惠更斯也用以太來說明引力的現(xiàn)象. 牛頓雖然不同意胡克的光波動(dòng)學(xué)說,但他也像笛卡兒一樣反對(duì)超距作用,并承認(rèn)以太的存在.在他看來,以太不一定是單一的物質(zhì),因而能傳遞各種作用,如產(chǎn)生電、磁和引力等不同的現(xiàn)象.牛頓也認(rèn)為以太可以傳播振動(dòng),但以太的振動(dòng)不是光,因?yàn)楫?dāng)時(shí)光的波動(dòng)學(xué)說還不能解釋光的偏振現(xiàn)象,也不能解釋光為什么會(huì)直線傳播. 18世紀(jì)是以太論沒落的時(shí)期.由于法國(guó)笛卡兒主義者拒絕引力的平方反比定律,而使牛頓的追隨者起來反對(duì)笛卡兒哲學(xué)體系,因而連同他倡導(dǎo)的以太論也一同進(jìn)入了反對(duì)之列. 隨著引力的平方反比定律在天體力學(xué)方面的成功,以及探尋以太的試驗(yàn)并未獲得實(shí)際結(jié)果,使得超距作用觀點(diǎn)得以流行.光的波動(dòng)說也被放棄了,微粒說得到廣泛的承認(rèn).到18世紀(jì)后期,證實(shí)了電荷之間(以及磁極之間)的作用力同樣是與距離平方成反比.于是電磁以太的概念亦被拋棄,超距作用的觀點(diǎn)在電學(xué)中也占了主導(dǎo)地位. 19世紀(jì),以太論獲得復(fù)興和發(fā)展,這首先還是從光學(xué)開始的,主要是托馬斯·楊和菲涅耳工作的結(jié)果.楊用光波的干涉解釋了牛頓環(huán),并在實(shí)驗(yàn)的啟示下,于1817年提出光波為橫波的新觀點(diǎn),解決了波動(dòng)說長(zhǎng)期不能解釋光的偏振現(xiàn)象的困難.科學(xué)家們逐步發(fā)現(xiàn)光是一種波,而生活中的波大多需要傳播介質(zhì)(如聲波的傳遞需要借助于空氣,水波的傳播借助于水等).受傳統(tǒng)力學(xué)思想影響,于是他們便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質(zhì),而正是這種物質(zhì)在光的傳播中起到了介質(zhì)的作用. 以太的假設(shè)事實(shí)上代表了傳統(tǒng)的觀點(diǎn):電磁波的傳播需要一個(gè)“絕對(duì)靜止”的參照系,當(dāng)參照系改變,光速也改變. 然而根據(jù)麥克斯韋方程組,電磁波的傳播不需要一個(gè)“絕對(duì)靜止”的參照系,因?yàn)樵摲匠汤飪蓚€(gè)參數(shù)都是無方向的標(biāo)量,所以在任何參照系里光速都是不變的.
      其中ε0是真空介電常數(shù),μ0 是真空磁導(dǎo)率. 這個(gè)“絕對(duì)靜止系”就是「以太系」.其他慣性系的觀察者所測(cè)量到的光速,應(yīng)該是"以太系"的光速,與這個(gè)觀察者在"以太系"上的速度之矢量和. 以太無所不在,沒有質(zhì)量,絕對(duì)靜止.按照當(dāng)時(shí)的猜想,以太充滿整個(gè)宇宙,電磁波可在其中傳播.假設(shè)太陽(yáng)靜止在以太系中,由于地球在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),相對(duì)于以太具有一個(gè)速度v,因此如果在地球上測(cè)量光速,在不同的方向上測(cè)得的數(shù)值應(yīng)該是不同的,最大為c +v,最小為cv.如果太陽(yáng)在以太系上不是靜止的,地球上測(cè)量不同方向的光速,也應(yīng)該有所不同. 菲涅耳用波動(dòng)說成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象,他提出的理論方法(現(xiàn)常稱為惠更斯-菲涅耳原理)能正確地計(jì)算出衍射圖樣,并能解釋光的直線傳播現(xiàn)象.菲涅耳又進(jìn)一步解釋了光的雙折射,獲得很大成功. 1823年,他根據(jù)楊的光波為橫波的學(xué)說,和他自己在1818年提出的:透明物質(zhì)中以太密度與其折射率二次方成正比的假定,在一定的邊界條件下,推出關(guān)于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地說明了布儒斯特?cái)?shù)年前從實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的結(jié)果. 菲涅耳關(guān)于以太的一個(gè)重要理論工作是導(dǎo)出光在相對(duì)于以太參照系運(yùn)動(dòng)的透明物體中的速度公式.1818年他為了解釋阿拉果關(guān)于星光折射行為的實(shí)驗(yàn),在楊的想法基礎(chǔ)上提出:透明物質(zhì)中以太的密度與該物質(zhì)的折射率二次方成正比,他還假定當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)以太參照系運(yùn)動(dòng)時(shí),其內(nèi)部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動(dòng)(以太部分曳引假說).利用菲涅耳的理論,很容易就能得到運(yùn)動(dòng)物體內(nèi)光的速度. 19世紀(jì)中期,曾進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn),以求顯示地球相對(duì)以太參照系運(yùn)動(dòng)所引起的效應(yīng),并由此測(cè)定地球相對(duì)以太參照系的速度,但都得出否定的結(jié)果.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可從菲涅耳理論得到解釋,根據(jù)菲涅耳運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)中的光速公式,當(dāng)實(shí)驗(yàn)精度只達(dá)到一定的量級(jí)時(shí),地球相對(duì)以太參照系的速度在這些實(shí)驗(yàn)中不會(huì)表現(xiàn)出來,而當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)都未達(dá)到此精度. 在楊和菲涅耳的工作之后,光的波動(dòng)說就在物理學(xué)中確立了它的地位.隨后,以太在電磁學(xué)中也獲得了地位,這主要是由于法拉第和麥克斯韋的貢獻(xiàn). 在法拉第心目中,作用是逐步傳過去的看法有著十分牢固的地位,他引入了力線來描述磁作用和電作用.在他看來,力線是現(xiàn)實(shí)的存在,空間被力線充滿著,而光和熱可能就是力線的橫振動(dòng).他曾提出用力線來代替以太,并認(rèn)為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個(gè)點(diǎn)狀中心附近的力線場(chǎng).他在1851年又寫道:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力線的荷載物.”但法拉第的觀點(diǎn)并未為當(dāng)時(shí)的理論物理學(xué)家們所接受. 到19世紀(jì)60年代前期,麥克斯韋提出位移電流的概念,并在提出用一組微分方程來描述電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律,這組方程以后被稱為麥克斯韋方程組.根據(jù)麥克斯韋方程組,可以推出電磁場(chǎng)的擾動(dòng)以波的形式傳播,以及電磁波在空氣中的速度為每秒31萬公里,這與當(dāng)時(shí)已知的空氣中的光速每秒31.5萬公里在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是一致的. 麥克斯韋在指出電磁擾動(dòng)的傳播與光傳播的相似之后寫道:“光就是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的媒質(zhì)(指以太)的橫振動(dòng)”.后來,赫茲用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了電磁波的存在.光的電磁理論成功地解釋了光波的性質(zhì),這樣以太不僅在電磁學(xué)中取得了地位,而且電磁以太同光以太也統(tǒng)一了起來. 麥克斯韋還設(shè)想用以太的力學(xué)運(yùn)動(dòng)來解釋電磁現(xiàn)象,他在1855年的論文中,把磁感應(yīng)強(qiáng)度比做以太的速度.后來他接受了湯姆孫(即開爾文)的看法,改成磁場(chǎng)代表轉(zhuǎn)動(dòng)而電場(chǎng)代表平動(dòng). 他認(rèn)為,以太繞磁力線轉(zhuǎn)動(dòng)形成一個(gè)個(gè)渦元,在相鄰的渦元之間有一層電荷粒子.他并假定,當(dāng)這些粒子偏離它們的平衡位置即有一位移時(shí),就會(huì)對(duì)渦元內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生一作用力引起渦元的變形,這就代表靜電現(xiàn)象. 關(guān)于電場(chǎng)同位移有某種對(duì)應(yīng),并不是完全新的想法,湯姆孫就曾把電場(chǎng)比作以太的位移.另外,法拉第在更早就提出,當(dāng)絕緣物質(zhì)放在電場(chǎng)中時(shí),其中的電荷將發(fā)生位移.麥克斯韋與法拉第不同之處在于,他認(rèn)為不論有無絕緣物質(zhì)存在,只要有電場(chǎng)就有以太電荷粒子的位移,位移的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比.當(dāng)電荷粒子的位移隨時(shí)間變化時(shí),將形成電流,這就是他所謂的位移電流.對(duì)麥克斯韋來說,位移電流是真實(shí)的電流,而現(xiàn)在我們知道,只是其中的一部分(極化電流)才是真實(shí)的電流. 在這一時(shí)期還曾建立了其他一些以太模型,不過以太論也遇到一些問題.首先,若光波為橫波,則以太應(yīng)為有彈性的固體媒質(zhì).那么為何天體運(yùn)行其中會(huì)不受阻力呢?有人提出了一種解釋:以太可能是一種像蠟或?yàn)r青樣的塑性物質(zhì),對(duì)于光那樣快的振動(dòng),它具有足夠的彈性像是固體,而對(duì)于像天體那樣慢的運(yùn)動(dòng)則像流體. 另外,彈性媒質(zhì)中除橫波外一般還應(yīng)有縱波,但實(shí)驗(yàn)卻表明沒有縱光波,如何消除以太的縱波,以及如何得出推導(dǎo)反射強(qiáng)度公式所需要的邊界條件是各種以太模型長(zhǎng)期爭(zhēng)論的難題. 為了適應(yīng)光學(xué)的需要,人們對(duì)以太假設(shè)一些非常的屬性,如1839年麥克可拉模型和柯西模型.再有,由于對(duì)不同的光頻率,折射率也不同,于是曳引系數(shù)對(duì)于不同頻率亦將不同.這樣,每種頻率的光將不得不有自己的以太等等.以太的這些似乎相互矛盾性質(zhì)實(shí)在是超出了人們的理解能力. 1881年-1884年,阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷為測(cè)量地球和以太的相對(duì)速度,進(jìn)行了著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,不同方向上的光速?zèng)]有差異.這實(shí)際上證明了光速不變?cè)?即真空中光速在任何參照系下具有相同的數(shù)值,與參照系的相對(duì)速度無關(guān),以太其實(shí)并不存在.后來又有許多實(shí)驗(yàn)支持了上面的結(jié)論. 以太說曾經(jīng)在一段歷史時(shí)期內(nèi)在人們腦中根深蒂固,深刻地左右著物理學(xué)家的思想.著名物理學(xué)家洛倫茲推導(dǎo)出了符合電磁學(xué)協(xié)變條件的洛倫茲變換公式,但無法拋棄以太的觀點(diǎn). 19世紀(jì)90年代,洛倫茲提出了新的概念,他把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸之于其中同原子相聯(lián)系的電子的效應(yīng).至于物質(zhì)中的以太,則同真空中的以太在密度和彈性上都并無區(qū)別.他還假定,物體運(yùn)動(dòng)時(shí)并不帶動(dòng)其中的以太運(yùn)動(dòng).但是,由于物體中的電子隨物體運(yùn)動(dòng)時(shí),不僅要受到電場(chǎng)的作用力,還要受到磁場(chǎng)的作用力,以及物體運(yùn)動(dòng)時(shí)其中將出現(xiàn)電介質(zhì)運(yùn)動(dòng)電流,運(yùn)動(dòng)物質(zhì)中的電磁波速度與靜止物質(zhì)中的并不相同. 在考慮了上述效應(yīng)后,洛倫茲同樣推出了菲涅耳關(guān)于運(yùn)動(dòng)物質(zhì)中的光速公式,而菲涅耳理論所遇到的困難(不同頻率的光有不同的以太)已不存在.洛倫茲根據(jù)束縛電子的強(qiáng)迫振動(dòng),可推出折射率隨頻率的變化.洛倫茲的上述理論被稱為電子論,它獲得了很大成功. 19世紀(jì)末可以說是以太論的極盛時(shí)期.但是,在洛倫茲理論中,以太除了荷載電磁振動(dòng)之外,不再有任何其他的運(yùn)動(dòng)和變化,這樣它幾乎已退化為某種抽象的標(biāo)志.除了作為電磁波的荷載物和絕對(duì)參照系,它已失去所有其他具體生動(dòng)的物理性質(zhì),這就又為它的衰落創(chuàng)造了條件. 如上所述,為了測(cè)出地球相對(duì)以太參照系的運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)精度必須達(dá)到很高的量級(jí).到19世紀(jì)80年代,麥克爾遜和莫雷所作的實(shí)驗(yàn)第一次達(dá)到了這個(gè)精度,但得到的結(jié)果仍然是否定的,即地球相對(duì)以太不運(yùn)動(dòng).此后其他的一些實(shí)驗(yàn)亦得到同樣的結(jié)果,于是以太進(jìn)一步失去了作為絕對(duì)參照系的性質(zhì).這一結(jié)果使得相對(duì)性原理得到普遍承認(rèn),并被推廣到整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域. 在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初,雖然還進(jìn)行了一些努力來拯救以太,但在狹義相對(duì)論確立以后,它終于被物理學(xué)家們所拋棄.人們接受了電磁場(chǎng)本身就是物質(zhì)存在的一種形式的概念,而場(chǎng)可以在真空中以波的形式傳播. 量子力學(xué)的建立更加強(qiáng)了這種觀點(diǎn),因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn),物質(zhì)的原子以及組成它們的電子、質(zhì)子和中子等粒子的運(yùn)動(dòng)也具有波的屬性.波動(dòng)性已成為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本屬性的一個(gè)方面,那種僅僅把波動(dòng)理解為某種媒介物質(zhì)的力學(xué)振動(dòng)的狹隘觀點(diǎn)已完全被沖破. 然而人們的認(rèn)識(shí)仍在繼續(xù)發(fā)展.到20世紀(jì)中期以后,人們又逐漸認(rèn)識(shí)到真空并非是絕對(duì)的空,那里存在著不斷的漲落過程(虛粒子的產(chǎn)生以及隨后的湮沒).這種真空漲落是相互作用著的場(chǎng)的一種量子效應(yīng). 今天,理論物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),真空具有更復(fù)雜的性質(zhì).真空態(tài)代表場(chǎng)的基態(tài),它是簡(jiǎn)并的,實(shí)際的真空是這些簡(jiǎn)并態(tài)中的某一特定狀態(tài).目前粒子物理中所觀察到的許多對(duì)稱性的破壞,就是真空的這種特殊的“取向”所引起的.在這種觀點(diǎn)上建立的弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論已獲得很大的成功. 但愛因斯坦則大膽拋棄了以太學(xué)說,認(rèn)為光速不變是基本的原理,并以此為出發(fā)點(diǎn)之一創(chuàng)立了狹義相對(duì)論.雖然后來的事實(shí)證明確實(shí)不存在以太,不過以太假說仍然在我們的生活中留下了痕跡,如以太網(wǎng)等. 這樣看來,機(jī)械的以太論雖然死亡了,但以太概念的某些精神(不存在超距作用,不存在絕對(duì)空虛意義上的真空)仍然活著,并具有旺盛的生命力.
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