以太理論和相對論

物理學家已經(jīng)建立了一個有實際重量的物質(zhì)觀念，然而他們還要另外再建立這樣一個概念——以太，這是為什么呢？因為他們要用超距作用，以及波動論的觀點。下面我們就對這兩個問題討論一番。

不在物理界的人不理解什么是超距作用。因為根據(jù)早期經(jīng)驗，兩個物體之間除了我們通常認識到的直接接觸產(chǎn)生的相互作用，比如碰撞、擠壓、拉動，或用火加熱、燃燒等，此外物體間就不存在其他作用了。其實，不是這樣的，重力就是一種超距作用力，這在日常經(jīng)驗中，已經(jīng)得到了證實。但是因為在我們的日常生活中，重力太常見了，不管何時何地，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，標志著物理學上的劃時代進步，然而他仍然遭到了同時代人的質(zhì)疑，因為它與當時已經(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，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，因為他們對牛頓太癡迷了，對他的學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。其實問題沒有那么簡單，事實上這種力是需要媒質(zhì)傳遞的，不管是由于這種媒質(zhì)的運動，還是因為它的彈性形變的作用結(jié)果。于是，在統(tǒng)一解釋這個力的過程中，人們只好憑空產(chǎn)生了以太的概念，認為以太充滿空間。以太假說沒有給引力理論和物理學帶來一點兒進步，反而使人們開始對牛頓迷信起來，認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世紀上半葉，人們發(fā)現(xiàn)，光的性質(zhì)與實際物質(zhì)的彈性波的性質(zhì)存在很多相似性，這個時候，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)的振動過程了。光具有偏振性，因而以太應該也具備這種性質(zhì)，并且還需是一種固體，因為橫波在流體中是不可能存在的。就這樣產(chǎn)生了光以太理論。這種理論認為光以太的各部分之間基本上是固定的，除了因為傳遞而發(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，那個也被稱為狹義相對論基礎(chǔ)的斐索實驗對此也是一個強有力的支持。從這個實驗，人們得出了這樣的結(jié)論，光以太在物體的運動中沒有直接參與。還有光行差現(xiàn)象同時對以太理論也是一個有力的支持。

麥克斯韋和洛倫茲給電學理論指出了向前發(fā)展的道路，將已有的以太觀念來了一個最意外的轉(zhuǎn)變。麥克斯韋認為，盡管以太的機械性質(zhì)比可摸到的固體的性質(zhì)要復雜得多，但不管怎樣，它仍然是一種具有純粹機械性質(zhì)的實體。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解釋?！?，人們開始愿意接受這樣的觀念——電場強度、磁場強度與力學基本概念一樣，都屬于基本概念的范疇，而不再要求什么力學解釋了。緊接著，純粹機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，即讓電學的基本概念將力學的基本概念包裹起來。當時，β射線的發(fā)現(xiàn)，以及高速陰極射線方面的實驗，也對牛頓的經(jīng)典力學方程產(chǎn)生了一定作用。

H·赫茲認為，物質(zhì)不僅是速度、動能和機械壓力的載體，也是電磁場的載體。他認為，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上的重大突破，這是繼麥克斯韋之后，電學發(fā)展史上最重要的進步。

事實上，物體內(nèi)部并不像原子論者認為的那樣，電磁場的基體不是他們所設(shè)想的物質(zhì)，而是一個充滿了以太的空間。根據(jù)洛倫茲的觀點，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械運動。由此，洛倫茲通過對麥克斯韋一場真空方程的運用，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物質(zhì)，洛倫茲做出的唯一定性，就是它不動性的力學性質(zhì)。另外，補充一點，正是由于狹義相對論取消了不動性，這個以太最后的力學性質(zhì)，才給以太的概念帶來了全面的變革。不過，應該及時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動學和空間——時間理論提供了一個相關(guān)的初步形態(tài)。但是，從另一個角度來說，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)定這樣的一個坐標系為R，如果對于R來說，洛倫茲以太是靜止不動的，那么，麥克斯韋—洛倫茲方程則必定第一個對這個坐標系起作用。但是，依據(jù)狹義相對論的觀點，任意的新坐標系R1，只要它和坐標系R處于相對勻速平移運動的狀態(tài)下，這些方程對于新的坐標系同樣起作用。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系R，而在在狹義相對論中使用這個以太對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毫無經(jīng)驗的體系出現(xiàn)的不對稱性相對稱的。不過，我認為，在對于R以太是靜止，而對于R1以太是運動的這個假設(shè)條件下，R和R1在物理上是等效的。就邏輯角度而言，即便這個結(jié)論不是絕對的錯誤，也是無法認同接受的。

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。人們會認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，是獨立存在的實質(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)過更為精準的驗證而得出的結(jié)論。只要不認為它有固定的運動模式，我們就可以假設(shè)存在以太。換句話說，就是把洛倫茲認定的力學特征從以太的身上去掉。我們將會看到，廣義相對論已經(jīng)證實了這種觀點。為了讓這種觀點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，也許這個對比并不非常恰當。

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，同時還可以跟蹤記錄下它們隨時間變化的情況。當然，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動變化，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假設(shè)，即水是由無數(shù)運動分子組成的。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，如果以某種實在的物質(zhì)解釋這種力線的話，那么我們就可以隨著時間，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動解釋為動力學的過程。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，并不是任意的運動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用任何運動理論的。我們無法把它們看做是由粒子組成的物質(zhì)，即某種可以長時間追蹤，并觀察其粒子變化的物質(zhì)。用明可夫斯基的觀點來解釋就是：在四維空間中，世界線并不是一切具有廣延性的實體都會擁有的。其實，狹義相對論和以太假說兩個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)那些可以隨時追蹤的粒子就是以太的組成物。因此，我們只要不給以太強加一種運動狀態(tài)就可以了。

其實，以太假說從狹義相對論的角度來說，根本毫無用處。因為，只有電荷密度和線場的強度出現(xiàn)在電磁場方程中?？雌饋恚渌锢砹扛緹o法影響電磁過程在真空中的進程，似乎只有那個內(nèi)在的定律會起到?jīng)Q定性的作用。當電磁場作為一種獨立的、確定的、實在的形式出現(xiàn)時，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的重要論據(jù)。如果我們對以太的存在加以否認，這就代表著我們不得不承認空虛空間不具備任何的物理性質(zhì)。這種觀點又違背了力學的基本客觀事實。對于一個自由飄浮在空虛空間中的物質(zhì)體系來說，決定其力學行為的要素不只有相對距離和相對速度，還有它自身的運動狀態(tài)，即轉(zhuǎn)動狀態(tài)。從物理的角度上說，我們必須把這種轉(zhuǎn)動狀態(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)，他在力學的基礎(chǔ)上，用世界上一切運動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)，那就是具有超遠距離的直接作用。不過，這樣的假設(shè)是現(xiàn)代物理學家不會作的，在這種情況系，就必須再次回到以太上，因為它能作為慣性作用的媒介。只是，馬赫在這個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，馬赫的觀點得到了充分的擴展。依照這種理論，如果時空點是分開的，它附近的時空連續(xù)區(qū)內(nèi)的度規(guī)應該互不相同，這兩者還與該區(qū)域之外的其他實際物質(zhì)關(guān)系密不可分。如果量桿和時鐘存在一定關(guān)系，并且共同存在于一個空間內(nèi)，即時間上存在變異，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，我們就得用一個函數(shù)（引力勢gμv）對空虛空間的狀態(tài)進行描述，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，它與光的機械波動說有出入。在廣義相對論中，以太首先是一種媒質(zhì)，本身缺少力學和運動學上的一切性質(zhì)，但在力學和電磁學方面，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，在原則上的對立點就是：決定每一點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，這種說法是切實可行的。

到目前為止，我們知道對于未來物理學，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，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候，是從以太假說的觀點入手，那么，這里就有一個原則性的差異，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。這是因為空間的度規(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。這是因為引力以太不是可以決定電磁場的性質(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，例如標勢的某種場也會一樣合適。

既然按照我們現(xiàn)在的觀點，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的客觀實在，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立的?；蛘?，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，成為一個完整的實體，便絕對是空間的進步。到那時，法拉第和麥克斯韋開創(chuàng)了理論物理學的新紀元，會得到非常讓人滿意的結(jié)果。到那時，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，物理學會形成一個非常完備的思想體系，會達到類似與幾何學、運動學和引力理論那樣的程度。在這個方向上，數(shù)學家H·維爾的研究十分有才華，但是我認為在現(xiàn)實面前，他的理論未必能站得住腳。而且，為了理論物理學的即將到來的未來，我們一定要考慮到量子論解釋的事實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，一個空間如果不存在以太將是無法想象的。在這個空間里，無法傳播光線，也不可能存在量桿和時鐘，更不要說物理意義上的空間和時間的區(qū)別。但是，不能認為在這樣的以太身上具備那些重媒質(zhì)的特性，也不能認為它的組成部分是那些可以隨時追蹤的粒子，運動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的特邀教授，就職時，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。在宇宙學中，早期人們認為是以太占據(jù)了整個天體的空間。
2. 物理學歷史上的一種觀點，認為相隔一定距離的兩個物體之間存在直接的、瞬時的相互作用，不需要任何媒質(zhì)，也不需要時間。
3. 光本身是一種電磁波，而電磁波是橫波。振動方向與波前進方向構(gòu)成振動面，振動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)點的振動方向與波的傳播方向相垂直的波。
5. 1859年，斐索做了一個流水實驗，為了考察介質(zhì)的運動對在其中傳播的光速有何影響，從而判斷以太是否被拖曳。這個實驗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，運動中的觀測者與靜止的觀測者同時觀測天體的方向之間存在的一定偏差。