以太理論和相對論

物理學(xué)家已經(jīng)建立了一個(gè)有實(shí)際重量的物質(zhì)觀念，然而他們還要另外再建立這樣一個(gè)概念——以太，這是為什么呢？因?yàn)樗麄円贸嘧饔?sup>，以及波動(dòng)論的觀點(diǎn)。下面我們就對這兩個(gè)問題討論一番。

不在物理界的人不理解什么是超距作用。因?yàn)楦鶕?jù)早期經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)物體之間除了我們通常認(rèn)識到的直接接觸產(chǎn)生的相互作用，比如碰撞、擠壓、拉動(dòng)，或用火加熱、燃燒等，此外物體間就不存在其他作用了。其實(shí)，不是這樣的，重力就是一種超距作用力，這在日常經(jīng)驗(yàn)中，已經(jīng)得到了證實(shí)。但是因?yàn)樵谖覀兊娜粘Ｉ钪校亓μＲ娏?，不管何時(shí)何地，它似乎都是一種不變量，與其他事件沒有任何關(guān)系，所以我們很難認(rèn)識到這種超距作用力。直到牛頓的出現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)了萬有引力，并提出了萬有引力定律，把這種引力解釋為物質(zhì)間的超距作用力，這時(shí)人們才注意到了這種力的作用。盡管牛頓的這一發(fā)現(xiàn)和建立的理論解釋了很多自然現(xiàn)象，標(biāo)志著物理學(xué)上的劃時(shí)代進(jìn)步，然而他仍然遭到了同時(shí)代人的質(zhì)疑，因?yàn)樗c當(dāng)時(shí)已經(jīng)證明的原理存在著矛盾，大家已有的共識就是，只能接觸才能產(chǎn)生力，沒有媒介的超距作用力是不可能產(chǎn)生的。

人類的求知欲逐漸接受了這樣一種觀點(diǎn)，但是與自然力概念仍然存在不一致性的問題，怎么解決呢？首先，我們可以假設(shè)接觸力也是一種在極為微小的距離中產(chǎn)生的超距作用力，而且是可以覺察到的。牛頓的繼任者們基本上都是沿著這條路向前走的，因?yàn)樗麄儗εｎD太癡迷了，對他的學(xué)說和理論絲毫不存在疑問。其次，假定牛頓的超距作用力是虛構(gòu)的力，不需要任何傳播介質(zhì)，那么問題也可以得到解決。其實(shí)問題沒有那么簡單，事實(shí)上這種力是需要媒質(zhì)傳遞的，不管是由于這種媒質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，還是因?yàn)樗膹椥孕巫兊淖饔媒Y(jié)果。于是，在統(tǒng)一解釋這個(gè)力的過程中，人們只好憑空產(chǎn)生了以太的概念，認(rèn)為以太充滿空間。以太假說沒有給引力理論和物理學(xué)帶來一點(diǎn)兒進(jìn)步，反而使人們開始對牛頓迷信起來，認(rèn)為他的引力定律是再簡單不過的公理了。因此，以太假說開始在物理學(xué)家的思想中占統(tǒng)治地位，并且起了不小的作用，哪怕只是在開始階段起到了潛在的作用，但畢竟發(fā)生了作用。

到了19世紀(jì)上半葉，人們發(fā)現(xiàn)，光的性質(zhì)與實(shí)際物質(zhì)的彈性波的性質(zhì)存在很多相似性，這個(gè)時(shí)候，以太假說更得到了有力的支持。利用光的性質(zhì)，完全可以解釋這種充滿宇宙空間、并且具有彈性的惰性媒質(zhì)的振動(dòng)過程了。光具有偏振性，因而以太應(yīng)該也具備這種性質(zhì)，并且還需是一種固體，因?yàn)闄M波在流體中是不可能存在的。就這樣產(chǎn)生了光以太理論。這種理論認(rèn)為光以太的各部分之間基本上是固定的，除了因?yàn)閭鬟f而發(fā)生的微小形變。

也有人把這種理論叫做“靜態(tài)光以太理論”。另外，那個(gè)也被稱為狹義相對論基礎(chǔ)的斐索實(shí)驗(yàn)對此也是一個(gè)強(qiáng)有力的支持。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)，人們得出了這樣的結(jié)論，光以太在物體的運(yùn)動(dòng)中沒有直接參與。還有光行差現(xiàn)象同時(shí)對以太理論也是一個(gè)有力的支持。

麥克斯韋和洛倫茲給電學(xué)理論指出了向前發(fā)展的道路，將已有的以太觀念來了一個(gè)最意外的轉(zhuǎn)變。麥克斯韋認(rèn)為，盡管以太的機(jī)械性質(zhì)比可摸到的固體的性質(zhì)要復(fù)雜得多，但不管怎樣，它仍然是一種具有純粹機(jī)械性質(zhì)的實(shí)體。遺憾的是，無論是麥克斯韋，還是他的繼任者，都沒有能做出一種以太機(jī)械模型，因此，麥克斯韋的電磁場定律就此失去了一種更令人信服的力學(xué)解釋?！?，人們開始愿意接受這樣的觀念——電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與力學(xué)基本概念一樣，都屬于基本概念的范疇，而不再要求什么力學(xué)解釋了。緊接著，純粹機(jī)械的自然觀漸漸淡出了人們的視線。誰也沒有想到，這一變化結(jié)果卻導(dǎo)致另外一種可怕的二元論。人們向相反的方向?qū)ふ医鉀Q之道，即讓電學(xué)的基本概念將力學(xué)的基本概念包裹起來。當(dāng)時(shí)，β射線的發(fā)現(xiàn)，以及高速陰極射線方面的實(shí)驗(yàn)，也對牛頓的經(jīng)典力學(xué)方程產(chǎn)生了一定作用。

H·赫茲認(rèn)為，物質(zhì)不僅是速度、動(dòng)能和機(jī)械壓力的載體，也是電磁場的載體。他認(rèn)為，在真空中（自由的以太中）存在著這種場，所以以太就是電磁場的載體，以太與有重力的物質(zhì)完全一樣?！?/p>

H·A·洛倫茲就是在這種情況下登場的。他通過對基礎(chǔ)理論的一種神奇的簡化，使得理論和經(jīng)驗(yàn)彼此之間的關(guān)系非常和諧，兩者得以完美地結(jié)合在一起。雖然，以太被他取消了力學(xué)的性質(zhì)，物質(zhì)被他取消了電磁性質(zhì)，H·A·洛倫茲因此卻獲得了電學(xué)上的重大突破，這是繼麥克斯韋之后，電學(xué)發(fā)展史上最重要的進(jìn)步。

事實(shí)上，物體內(nèi)部并不像原子論者認(rèn)為的那樣，電磁場的基體不是他們所設(shè)想的物質(zhì)，而是一個(gè)充滿了以太的空間。根據(jù)洛倫茲的觀點(diǎn)，物質(zhì)的基本粒子由于自身所帶的電荷，才產(chǎn)生了一系列的電磁效能，并且它們只能做一些簡單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由此，洛倫茲通過對麥克斯韋一場真空方程的運(yùn)用，合理又成功地揭示了所有的電磁現(xiàn)象。

這樣一來，人們會幽默地說，對于自己提出的以太力學(xué)物質(zhì)，洛倫茲做出的唯一定性，就是它不動(dòng)性的力學(xué)性質(zhì)。另外，補(bǔ)充一點(diǎn)，正是由于狹義相對論取消了不動(dòng)性，這個(gè)以太最后的力學(xué)性質(zhì)，才給以太的概念帶來了全面的變革。不過，應(yīng)該及時(shí)對這句話加以解釋說明，以便能正確地理解其中的含義。

雖然，麥克斯韋—洛倫茲的電磁場理論符合狹義相對論的所有要求，并為狹義相對論的運(yùn)動(dòng)學(xué)和空間——時(shí)間理論提供了一個(gè)相關(guān)的初步形態(tài)。但是，從另一個(gè)角度來說，狹義相對論卻因此得以展現(xiàn)出它的另一面。舉例說明，我們設(shè)定這樣的一個(gè)坐標(biāo)系為R，如果對于R來說，洛倫茲以太是靜止不動(dòng)的，那么，麥克斯韋—洛倫茲方程則必定第一個(gè)對這個(gè)坐標(biāo)系起作用。但是，依據(jù)狹義相對論的觀點(diǎn)，任意的新坐標(biāo)系R1，只要它和坐標(biāo)系R處于相對勻速平移運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，這些方程對于新的坐標(biāo)系同樣起作用。這樣就出現(xiàn)了讓人不安的情況：既然從物理角度，R和R1是完全等效的，那么為什么我會為了突顯坐標(biāo)系R，而在在狹義相對論中使用這個(gè)以太對R是靜止的假設(shè)條件呢？對于理論家而言，他們不能容忍的是：理論結(jié)構(gòu)的不對稱性，而這種不對稱性又是和一個(gè)毫無經(jīng)驗(yàn)的體系出現(xiàn)的不對稱性相對稱的。不過，我認(rèn)為，在對于R以太是靜止，而對于R1以太是運(yùn)動(dòng)的這個(gè)假設(shè)條件下，R和R1在物理上是等效的。就邏輯角度而言，即便這個(gè)結(jié)論不是絕對的錯(cuò)誤，也是無法認(rèn)同接受的。

在這種情況下，以太根本完全不存在是人們最容易接受的觀點(diǎn)。人們會認(rèn)為電磁場不再是一種媒介，也不是別的任何東西，就像是重物質(zhì)的原子，是獨(dú)立存在的實(shí)質(zhì)，不會附著于任何載體。正是由于洛倫茲的理論，這種解釋才顯得尤為自然。而且，依據(jù)狹義相對論的內(nèi)容，當(dāng)重物質(zhì)失去了它的特性，顯現(xiàn)出的是能量的一種特殊形式的時(shí)候，輻射和物質(zhì)也只是作為能量分配的特殊形式出現(xiàn)，因此，如同重物質(zhì)那樣，電磁輻射也具有能量和沖量。

不過，以太沒有必要必須被狹義相對論否定其存在，這是經(jīng)過更為精準(zhǔn)的驗(yàn)證而得出的結(jié)論。只要不認(rèn)為它有固定的運(yùn)動(dòng)模式，我們就可以假設(shè)存在以太。換句話說，就是把洛倫茲認(rèn)定的力學(xué)特征從以太的身上去掉。我們將會看到，廣義相對論已經(jīng)證實(shí)了這種觀點(diǎn)。為了讓這種觀點(diǎn)在我們的想象中更加的形象清楚，我想通過對比說明這一點(diǎn)，也許這個(gè)對比并不非常恰當(dāng)。

設(shè)想一下，水面上產(chǎn)生的波紋。兩種不同的事物都可以通過這個(gè)過程得到自己的闡釋。首先，我們可以看到水和空氣的波形界面是怎樣的，同時(shí)還可以跟蹤記錄下它們隨時(shí)間變化的情況。當(dāng)然，也可以借助別的介質(zhì)，例如一些微小的漂浮物，記錄下水分子在不同時(shí)間所處的不同位置。假如無法借助這些微小的漂浮物測量水分子的運(yùn)動(dòng)變化，假如過程中只能觀察到液體空間位置的變化，即使這樣讓我們無法建立一個(gè)假設(shè)，即水是由無數(shù)運(yùn)動(dòng)分子組成的。我們依然可以把水稱做媒介。

與上述的情況類似，電磁場也是這樣。假設(shè)無數(shù)根力線構(gòu)成了電磁場，如果以某種實(shí)在的物質(zhì)解釋這種力線的話，那么我們就可以隨著時(shí)間，追蹤記錄下每一條力線的變化，這樣就把通過力線的某種運(yùn)動(dòng)解釋為動(dòng)力學(xué)的過程。不過，我們所有人對此都心知肚明，這樣會產(chǎn)生矛盾。

所以，簡言之，我們必須承認(rèn)，并不是任意的運(yùn)動(dòng)理論都適用于所有的物理客體。也就是說，我們可以假設(shè)有一部分帶有延展性的物理客體是無法應(yīng)用任何運(yùn)動(dòng)理論的。我們無法把它們看做是由粒子組成的物質(zhì)，即某種可以長時(shí)間追蹤，并觀察其粒子變化的物質(zhì)。用明可夫斯基的觀點(diǎn)來解釋就是：在四維空間中，世界線并不是一切具有廣延性的實(shí)體都會擁有的。其實(shí)，狹義相對論和以太假說兩個(gè)理論本身并不相互矛盾，只不過根據(jù)狹義相對論，我們無法假設(shè)那些可以隨時(shí)追蹤的粒子就是以太的組成物。因此，我們只要不給以太強(qiáng)加一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就可以了。

其實(shí)，以太假說從狹義相對論的角度來說，根本毫無用處。因?yàn)?，只有電荷密度和線場的強(qiáng)度出現(xiàn)在電磁場方程中?？雌饋?，其他物理量根本無法影響電磁過程在真空中的進(jìn)程，似乎只有那個(gè)內(nèi)在的定律會起到?jīng)Q定性的作用。當(dāng)電磁場作為一種獨(dú)立的、確定的、實(shí)在的形式出現(xiàn)時(shí)，如果以太再次以一種各向同性、均勻的介質(zhì)出現(xiàn)的話，那么就必須把電磁場認(rèn)定是以太存在的狀態(tài)，這樣就顯得多此一舉了。

不過，這也可以作為有利于以太假說的另一個(gè)的重要論據(jù)。如果我們對以太的存在加以否認(rèn)，這就代表著我們不得不承認(rèn)空虛空間不具備任何的物理性質(zhì)。這種觀點(diǎn)又違背了力學(xué)的基本客觀事實(shí)。對于一個(gè)自由飄浮在空虛空間中的物質(zhì)體系來說，決定其力學(xué)行為的要素不只有相對距離和相對速度，還有它自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。從物理的角度上說，我們必須把這種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)理解為其自身的特征之一。牛頓把空間看成是客觀存在的，就是為了把這種轉(zhuǎn)動(dòng)從形式上看做是一種具體的存在。依照他的想法，既然絕對空間是客觀存在的事物，那么這種相對于絕對空間的轉(zhuǎn)動(dòng)也是客觀存在的事物。同樣的，牛頓也可以稱自己的絕對空間為“以太”。只是，把肉眼可以看到的和無法察覺的東西都視為是某種客觀事物，目的就是為了把這種轉(zhuǎn)動(dòng)和加速度都視為一種客觀存在，這才是問題的本質(zhì)。

馬赫曾經(jīng)做過類似的嘗試。為了避免作出有某種無法察覺的客觀事物存在必要性的這種假設(shè)，他在力學(xué)的基礎(chǔ)上，用世界上一切運(yùn)動(dòng)事物的平均加速度作為絕對空間加速度的替代值。但是，一種遠(yuǎn)距離物體的相對加速度都具有一定的慣性阻力，所以必須提前作出一種假設(shè)，那就是具有超遠(yuǎn)距離的直接作用。不過，這樣的假設(shè)是現(xiàn)代物理學(xué)家不會作的，在這種情況系，就必須再次回到以太上，因?yàn)樗茏鳛閼T性作用的媒介。只是，馬赫在這個(gè)問題思考過程中引入的以太概念和他的思維模式，這與牛頓、菲涅耳以及洛倫茲提出的相關(guān)理論和概念在本質(zhì)上就是有所區(qū)別的。對于慣性物體的行為，不僅受到馬赫所提出的以太概念的影響，還取決于慣性物體的狀態(tài)。

在隸屬于廣義相對論的以太理論中，馬赫的觀點(diǎn)得到了充分的擴(kuò)展。依照這種理論，如果時(shí)空點(diǎn)是分開的，它附近的時(shí)空連續(xù)區(qū)內(nèi)的度規(guī)應(yīng)該互不相同，這兩者還與該區(qū)域之外的其他實(shí)際物質(zhì)關(guān)系密不可分。如果量桿和時(shí)鐘存在一定關(guān)系，并且共同存在于一個(gè)空間內(nèi)，即時(shí)間上存在變異，也就是我們通常所說的“空虛空間”，在物理關(guān)系上，它既不均勻，也不存在各向同性，因此，我們就得用一個(gè)函數(shù)（引力勢gμv）對空虛空間的狀態(tài)進(jìn)行描述，這樣的結(jié)果是，我們必須改變物理上空虛的說法。由此，以太就有了確定的內(nèi)容，它與光的機(jī)械波動(dòng)說有出入。在廣義相對論中，以太首先是一種媒質(zhì)，本身缺少力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)上的一切性質(zhì)，但在力學(xué)和電磁學(xué)方面，它卻起了一定的決定性作用。

這種新型廣義相對論的以太理論和洛倫茲以太理論，在原則上的對立點(diǎn)就是：決定每一點(diǎn)廣義相對論以太狀態(tài)的，是它和物質(zhì)的關(guān)系，以及它和周圍相鄰各點(diǎn)以太狀態(tài)的關(guān)系。這種關(guān)系可以通過一些定律，用微分方程的形式表示出來。不過，對于洛倫茲以太，如果不存在電磁場的話，各點(diǎn)以太的狀態(tài)都是一樣的，而且與它自身以外的任何東西都無關(guān)。假如我們不考慮決定以太狀態(tài)的一切原因，對于用來描述廣義相對論以太的各個(gè)函數(shù)都用常數(shù)來取代的話，這樣在想象中，我們就可以把廣義相對論以太理論轉(zhuǎn)化為洛倫茲以太理論。所以，有人說洛倫茲以太理論加上相對論便轉(zhuǎn)化為了廣義相對論以太理論，這種說法是切實(shí)可行的。

到目前為止，我們知道對于未來物理學(xué)，這種新型以太必然會在世界圖像中發(fā)揮自己的作用。只是，我們還不清楚這是怎樣的作用。我們了解到，它可以在空間—時(shí)間連續(xù)區(qū)中確定度規(guī)關(guān)系。例如，可以確定有關(guān)固體的引力場和可能出現(xiàn)的各種排列方式。我們知道，物質(zhì)是由帶電的基本粒子構(gòu)成的。但是，我們不了解在這種基本粒子的結(jié)構(gòu)中，它充當(dāng)怎樣的角色，是否是其重要的組成部分。我們也不明白它的結(jié)構(gòu)是否只有位于重物質(zhì)的附近時(shí)，才會和洛倫茲以太的結(jié)構(gòu)有所差異。另外，有關(guān)宇宙范圍的空間幾何是否與歐幾里得的幾何十分相似，這也是我們無法了解的。

但是，由相對論中的引力方程我們可以斷定，在宇宙中，即使有一個(gè)極小物質(zhì)的正的平均密度，也必然會讓宇宙數(shù)量級空間的性狀與歐幾里得幾何產(chǎn)生偏離。一般在這種情況下，宇宙必然是處于一種封閉的狀態(tài)，而且具有大小的限制。決定宇宙大小的就是那個(gè)物質(zhì)平均密度的具體數(shù)值。

假如我們在考察電磁場和引力場的時(shí)候，是從以太假說的觀點(diǎn)入手，那么，這里就有一個(gè)原則性的差異，需要我們特別注意。引力勢存在于所有的空間，以及所有空間的所有部分。這是因?yàn)榭臻g的度規(guī)正是由這些引力勢引起的，我們無法想象沒有度規(guī)的空間會是什么樣。引力場與空間的存在是密不可分，直接連接在一起的。相反，我們可以想象出空間中如果有部分不存在電磁場會是什么樣子。所以，我們可以看出與引力場剛好相反，電磁場看起來似乎只和以太之間存在某種間接的聯(lián)系。這是因?yàn)橐σ蕴皇强梢詻Q定電磁場的性質(zhì)和形式的根本因素。從現(xiàn)在的理論程度來說，與引力場相比，電磁場的基礎(chǔ)好像是一種全新的形式因，它似乎被自然界賜予了一種與以太以電磁場完全不同的場，例如標(biāo)勢的某種場也會一樣合適。

既然按照我們現(xiàn)在的觀點(diǎn)，按其本質(zhì)而言，構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子的不是別的物質(zhì)，而是電磁場的凝聚。那么，對于現(xiàn)今的世界圖像，引力場和電磁場就是我們必須承認(rèn)的客觀實(shí)在，即使在因果關(guān)系上兩者是彼此聯(lián)系的，但是在概念上兩者則是完全獨(dú)立的。或者，人們可以直接叫它們——空間和物質(zhì)。

假如把引力場和電磁場合并在一起，成為一個(gè)完整的實(shí)體，便絕對是空間的進(jìn)步。到那時(shí)，法拉第和麥克斯韋開創(chuàng)了理論物理學(xué)的新紀(jì)元，會得到非常讓人滿意的結(jié)果。到那時(shí)，會逐漸消除以太和物質(zhì)的這種對立關(guān)系。通過廣義相對論，物理學(xué)會形成一個(gè)非常完備的思想體系，會達(dá)到類似與幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和引力理論那樣的程度。在這個(gè)方向上，數(shù)學(xué)家H·維爾的研究十分有才華，但是我認(rèn)為在現(xiàn)實(shí)面前，他的理論未必能站得住腳。而且，為了理論物理學(xué)的即將到來的未來，我們一定要考慮到量子論解釋的事實(shí)會給場論帶來一定的界限，而這種界限是以后就不可能再跨越的。

由此，我們可以作出這樣的總結(jié)：根據(jù)廣義相對論，空間具有了物理性質(zhì)。因而，以太在某種意義上是存在的。根據(jù)廣義相對論，一個(gè)空間如果不存在以太將是無法想象的。在這個(gè)空間里，無法傳播光線，也不可能存在量桿和時(shí)鐘，更不要說物理意義上的空間和時(shí)間的區(qū)別。但是，不能認(rèn)為在這樣的以太身上具備那些重媒質(zhì)的特性，也不能認(rèn)為它的組成部分是那些可以隨時(shí)追蹤的粒子，運(yùn)動(dòng)概念也不能用于以太。

1. 1920年10月27日，愛因斯坦將出任荷蘭萊頓大學(xué)的特邀教授，就職時(shí)，他發(fā)表了這篇講話。以太是希臘語，原意為上層的空氣，即天上的神所呼吸的空氣。在宇宙學(xué)中，早期人們認(rèn)為是以太占據(jù)了整個(gè)天體的空間。
2. 物理學(xué)歷史上的一種觀點(diǎn)，認(rèn)為相隔一定距離的兩個(gè)物體之間存在直接的、瞬時(shí)的相互作用，不需要任何媒質(zhì)，也不需要時(shí)間。
3. 光本身是一種電磁波，而電磁波是橫波。振動(dòng)方向與波前進(jìn)方向構(gòu)成振動(dòng)面，振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光。
4. 橫波是指質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直的波。
5. 1859年，斐索做了一個(gè)流水實(shí)驗(yàn)，為了考察介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)對在其中傳播的光速有何影響，從而判斷以太是否被拖曳。這個(gè)實(shí)驗(yàn)相對論的速度變換式，因而被人們追崇。
6. 光行差是指在同一瞬間，運(yùn)動(dòng)中的觀測者與靜止的觀測者同時(shí)觀測天體的方向之間存在的一定偏差。