光传播需要媒介物吗？

         ——以太概念的产生、沿革及物理意义

以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质。是物理学史上一种假想的物质观念，其内涵随物理学发展而演变。“以太”一词是英文Ether或Aether的音译。古希腊人以其泛指青天或上层大气。在亚里士多德看来，物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种居于天空上层的以太。在科学史上，它起初带有一种神秘色彩。后来人们逐渐增加其内涵，使它成为某些历史时期物理学家赖以思考的假想物质。

1、历史

以太是一个历史上的名词，它的涵义也随着历史的发展而发展^[1] 。

在古希腊，以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的R.笛卡尔是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家。他最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在笛卡儿看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力^[1] 。

后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由R.胡克首先提出的，并为C.惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内（直到20世纪初），人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物，如空气就是声波的荷载物。由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介物质（以太）应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外，惠更斯也用以太来说明引力的现象^[1] 。

17世纪时，法国哲学家R.笛卡尔建立了以太旋涡说。他以此解释太阳系内各行星的运动。笛卡尔的以太观念，既有助于推翻亚里士多德体系，又为后来物理学发展提供了一幅可供想象的空间媒介物。荷兰C.惠更斯和英国R.胡克提倡光的波动说，他们都假定空间具有无所不在的以太，以此作为波动媒介。这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。牛顿虽然在光学上提倡射流说（微粒说），但他也借助以太的稀疏和压缩来解释光反射和折射，甚至假想以太是造成引力作用的可能原因。整个17世纪是发光以太的重要历史时期^[2] 。

牛顿虽然不同意胡克的光波动学说，但他也像笛卡尔一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声波一样的纵波）不能解释今天称为的光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象^[1] 。

18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡尔主义者拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对笛卡尔哲学体系，连同他倡导的以太论也在被反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实际结果，使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了，微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占了主导地位^[1] 。

18世纪，波动说被放弃，微粒说占据上风。同时，万有引力被认为是超距作用的。整个18世纪，人们以为空间是空虚的。以太观念处于沉寂时期^[2] 。

19世纪，科学家逐步发现光是一种波，而生活中的波大多需要传播介质（如声波的传递需要借助于空气，水波的传播借助于水等）。受经典力学思想影响，于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质，而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。

19世纪，以太论获得复兴和发展，首先是从光学开始的，这主要是T.杨和A.菲涅耳工作的结果。杨用光波的干涉解释了牛顿环，并在实验的启示下于1817年提出光波为横波的新观点（当时对弹性体中的横波还没有进行过研究），解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难^[1] 。

以太首先是个哲学概念，而物理学家总是期望将之变成物理学概念。当一切寻找以太粒子的努力失败后，人们抛弃了以太说。但是事实上，抛弃的仅是发现以太粒子的希望，以太这个哲学概念更加根深蒂固，大多数人认可了微观结构存在的可能性。

19世纪的物理学家，认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明“以太”存在，因此“以太”理论被科学界抛弃。

2、以太说的进展

19世纪，以太观念真正展现威力。1825年前后，英国T.杨和法国A.菲涅耳提出光的波动说理论，以波动说成功地解释了干涉、衍射、双折射、偏振、甚至光的直线传播现象。菲涅耳提出的理论方法（现常称为惠更斯-菲涅耳原理）能正确地计算出衍射图样，并且能解释光的直线传播现象^[2] 。菲涅耳进一步解释了光的双折射，获得很大成功。1823年他根据托马斯·杨的光波为横波的学说和他自己1818年提出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地说明了D.布儒斯特数年前从实验上测得的结果。一个重要理论工作是导出光在相对于以太参考系运动的透明物体中的速度公式。1818年他为了解释关于星光的折射行为，在杨的想法基础上提出：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个物体相对以太参考系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动（以太部分曳引假说）^[1] 。鉴于光的波动说需要传播光的媒介，因此，19世纪大多数物理学家相信以太的存在。1817年，菲涅耳进一步假定，以太静止在自由空间和不透明物体中；同时推导出，在透明物体内，以太以小于透明体运动速度的一定比率（此比率与透明体物质的折射率相关，并被称为菲涅耳系数）而运动。菲涅耳的推论被法国物理学家A.斐索在1815年的实验所证实。菲索在这实验中测量了光在水流中的速度，得出水中的以太只是部分被拖曳而慢速前进。其拖曳系数与菲涅耳的推导一致。但在空气中，以太被大多数物理学家看作是静止的^[2] 。

在杨和菲涅耳的工作之后，光的波动说就在物理学中确立了它的地位^[1] 。

随着光的波动说的顺利，以太及其力学性质的假定也给物理学带来诸多负担^[2] 。首先，若光波为横波。另外，弹性媒质中除横波外一般还应有纵波，但实验却表明没有纵光波。光学对以太性质所提出的要求似乎很难同通常的弹性力学相符合。为了适应光学的需要，人们要对以太假设一些非常的属性。因为杨和菲涅耳假定光是横波，这就必然要求有一种弹性固体的以太。但是，它的存在又如何对天体的运动毫无阻碍呢？英国G.斯托克斯和开尔文又提出，以太就像鞋匠的擦线蜡。它既可能发生振动（如激烈打击之下），又塑性地允许重物穿过它缓慢运动。不同颜色的光有不同的频率，当它们穿过透明体时折射率也不同，于是，菲涅耳和菲索的拖曳系数也不同。这样，有多少种频率的光在透明体内就会有多少种不同的以太^[1] 。

纵使如此，以太的观念毕竟助波动说获得了成功。其后，以太在电磁学中也获得了地位。这主要是由于M.法拉第和J.麦克斯韦的贡献^[1] 。

1831年，M.法拉第关于电磁感应实验的成功，促使他建立了电磁力线的概念，并以此概念解释电、磁及其彼此感应的作用，后来，他又提出了电场、磁场和力线场的概念，放弃以太观念，但其间他也曾怀疑光以太是否为力线的荷载物^[2] 。

在法拉第心目中，作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位。他用力线来描述磁作用和电作用。在他看来，力线是现实的存在，空间被力线充满着，而光和热可能就是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场，但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受^[1] 。

19世纪60年代，J.麦克斯韦提出位移电流的概念，借用以太观念成功地将法拉第的电磁力线表述为一组数学方程式。它被人们称为麦克斯韦方程组。在导出这方程组时，麦克斯韦曾提出，磁感应强度就是以太速度；以太绕磁力线转动形成带电涡元；甚至将他的位移电流概念从绝缘体推广到以太范围。人们将麦克斯韦的以太称为电磁以太。从麦克斯韦方程组中可以导出，电磁扰动的传播速度与已知的光速在实验误差范围内是一致的。因此，麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道：“光就是产生电磁现象的媒质（以太）的横振动”，传播电磁与传播光“只不过是同一种介质而已”。光的电磁理论成功地解释了光波的性质，这样以太不仅在电磁学中取得了地位，麦克斯韦在统一光和电磁现象的同时也统一了发光以太和电磁以太。1888年，H.赫兹以实验证明电磁扰动的传播及其速度，也即发现电磁波的真实存在。这个事实曾一度被人们理解为证实以太存在的决定性实验^[2] 。

关于电场同位移有某种对应，并不是完全新的想法，W.汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外，法拉第在更早（1838）就提出，当绝缘物质放在电场中时，其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于，他认为不论有无绝缘物质存在，只要有电场就有以太电荷粒子的位移，位移D的大小与电场强度E成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时，将形成电流，这就是所谓的位移电流。^[1] 

尽管麦克斯韦在电磁理论上取得了很大进展，但他和赫兹等人试图将电磁理论推广到运动物质上并未成功，因为这理论的一个难题是物质本身并不会衰变为以太。

19世纪90年代H.洛伦兹提出了电子的概念。他将物质的电磁性质归之为物质中同原子相关的电子的效应，至于物质中的以太则同真空中以太在密度和弹性方面并无区别。他还假定，以太是静止的，不参与任何运动^[2] 。但是，由于物体中的电子随物体运动时，不仅要受到电场的作用力，还要受到磁场的作用力以及物体运动时其中将出现电介质运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。在考虑了上述效应后，他同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式。而菲涅耳理论所遇到的困难（不同频率的光有不同的以太）现已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动并推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论，它获得了很大成功^[1] 。这样，在19世纪结束之前，所有的物理似乎都可以简化为以太的物理^[2] 。

以太的假设事实上代表了传统的观点： 电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参考系，当参考系改变，光速也改变。这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性系的观察者所测量到的光速，应该是“以太系”的光速，与这个观察者在“以太系”上的速度之矢量和。

按照当时的猜想，以太无所不在，没有质量，绝对静止。以太充满整个宇宙，电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中，由于地球在围绕太阳公转，相对于以太具有一个速度v，因此如果在地球上测量光速，在不同的方向上测得的数值应该是不同的，最大为 c + v，最小为 c－v。如果太阳在以太系上不是静止的，地球上测量不同方向的光速，也应该有所不同。

19世纪中期曾进行了一些实验以求显示地球相对以太参考系运动所引起的效应，并由此测定地球相对以太参考系的速度v，但都得出否定的结果^[1] 。

19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是，在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化。这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参考系，它已失去了所有其他具体生动的物理性质，这又为它的衰落创造了条件^[1] 。

当麦克斯韦试图用力学以太模型解释“场论”，当人们深入思考麦克斯韦方程组时，问题还是出现了。由麦克斯韦方程组推出的光波与电磁波的常定传播速度，究竟是相对于哪一个参考系而言的？从麦克斯韦的电磁理论看，以太是测定光速的绝对参考系。整个麦克斯韦方程组只对于绝对静止的以太参考系才是成立的。事实上，以太在这里成了牛顿力学中物化了的绝对空间。那么，是否可以测定以太的绝对运动？以太会否随地球运动而漂移？1887年，A.迈克耳孙和E.莫雷以高精度的实验得到的结果仍然是否定的（即地球相对以太不运动），并未发现任何以太漂移^[2] 。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参考系下具有相同的数值，与参考系的相对速度无关，以太其实并不存在。此后其他一些实验也得到同样的结果。于是以太进一步失去了它作为绝对参考系的特质^[2] 。这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域（见狭义相对论）。这个结果被称为19—20世纪之交物理学天空上的第一朵乌云。突破以太观念与实验不合的唯一办法就是放弃以太。它作为可供思考的假想物质的功用已经发挥到了极点^[2] 。

以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固，深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式，但无法抛弃以太的观点。

然而根据麦克斯韦方程组，电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参考系，因为该方程里两个参数都是无方向的标量，所以在任何参考系里光速都是不变的，如公式c=√ε₀μ₀，其中ε₀是真空电容率，μ₀是真空磁导率。

3、以太说的否定

在19世纪末20世纪初，虽然还有些科学家努力拯救以太，但在1905年爱因斯坦大胆抛弃了以太说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。之后“以太”终于被物理学家所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文的前言中说：“‘光以太’的引用将被证明是多余的。” 人们从此接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。随后量子力学的建立使人们认识到粒子与波实为一个硬币的两面。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破^[2] 。

在相对论建立之后，无论发光以太还是电磁以太都被排除了。但现代物理学的空间观念中仍然保留了某些和以太相似的看法。例如，不存在超距作用；真空不可视为空无一物，而应当看作是许多能量作用的场所^[2] 。

量子力学的建立更加强了这种观点，因为人们发现，物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面^[1] 。

然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后，人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程（虚粒子的产生以及随后的湮没）。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。今天，理论物理学家进一步发现，真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态，它是简并的，实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。今天粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏是真空的这种特殊“取向”所引起的（见对称性和守恒律、电弱统一理论）。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功^[1] 。

这样看来，机械以太虽然死亡了，但以太的某些精神（不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空）仍然活着，并具有旺盛的生命力^[1] 。

4、新推测

洛伦兹相信以太的存在，认为它与相对论并不矛盾。1920年，爱因斯坦在莱顿大学做了一个“以太与相对论”的报告，试图调和相对论和以太论。他指出，狭义相对论虽然不需要以太的概念，但是并未否定以太，而根据广义相对论，空间具有物理性质，在这个意义上，以太是存在的。他甚至说，根据广义相对论，没有以太的空间是无法想像的。爱因斯坦所说的“以太”其实是广义相对论中的度规场，并不具有物质性。

有些人推测，以太可能是由一种宇宙的暗物质所构成，又称“光引力行为”，光引力行为是一种只有属于光的万有引力，发光者借由暗物质的聚合而产生光，可是这些也只是在构想的阶段。

关于暗能量概念的起源，可以追溯到爱因斯坦他在1917年由广义相对论导出的一组引力方程式，方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动，这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背，为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态，爱因斯坦给方程式引入了一个“宇宙常数”项。

1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家基尔希纳根据超新星的变化显示，宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢，反而在一种看不见的、无人能解释的力量的控制推动下变快，人们只是猜测：我们所处的宇宙可能处于一种人类还不了解、还未认识到另一种物质状态的控制作用之下，这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制，科学家称之为“暗物质”、将其具备的作用称之为“暗能量”，“暗物质”成为当今天文学界、宇宙学界和物理学界等最大的谜团之一。

人们经过哈勃空间望远镜观测发现，事实上宇宙是在不断膨胀并且这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符，爱因斯坦引入的“宇宙常数”便被人们遗忘。后来的一次天文探测显示宇宙可能在加速膨胀，预示着宇宙中存在着某种“巨大的能量”，“宇宙常数”被赋予“暗能量”的含义。

当科学家一再通过各种的观测和计算证实，暗能量在宇宙中约占到73%，暗物质约占到23%，普通物质仅占到4%，预示着人们认识到的宇宙只占整个宇宙的4%，而占96%的东西竟然不为我们所知。

关于暗物质和暗能量的客观存在性，1957年诺贝尔奖获得者李政道在其所著的《物理学的挑战》中已经详细而全面地论证了。

2005年10月25日，李政道在清华大学演讲中指出：“21世纪初科学技术最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么；它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。” 他还指出：“20世纪科学最大的谜题是‘太阳能量的来源’。几乎20世纪绝大部分的科技文明，如狭义相对论、核能、激光、半导体、超级计算机等理论和应用，都是从研究这个世纪谜题中产生的。正像19世纪的人想象不出上述这些新科技一样，21世纪对暗物质和暗能量的研究，也会产生今天的人类无法想象的新发明。” 李政道进一步指出，从天文观察中人类能感知到的常规物质的能量只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们所知的物质构成的。地球、太阳和所有我们看得见的星云都是由电子、质子、中子构成的，其中有极少数的反物质：正电子、反质子——可是我们知道的这类物质，在宇宙中仅仅占不到5%。宇宙中的大多数能量是暗物质和暗能量，既看不见也不知道为何物？暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起任何作用。可是暗物质有引力场，通过引力场我们知道其存在，而且其能量比现有物质的总能量要大5倍或5倍以上。然而对暗物质的其它性质，人类完全不知道！

新世纪之初美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告，认为暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位。

美国航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的超新星材料也证明宇宙膨胀速度在变快。这些变化的含义的确令科学家不安，因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”。

19世纪的“以太”观念可能包含了暗物质及暗能量，若与有关引力物理实质的文章中的基本粒子结构新观念对比，就可以看出“以太”观念和21世纪的科学新观念息息相关：其缺陷在于把夸克、磁单极子、引力子、能量子这些暗粒子流笼统的作为“以太”而混为一谈。实际上，随着21世纪人类对暗物质、暗能量研究的开展，“以太说”在某种程度上开始复活，但是这已经不是传统意义上的“以太说”。

【注】原文地址：百度百科：

http://baike.baidu.com/link?url=9RqQ-5kw2rjZUqTdxr-haxOMKXGZeDkNSWuwuH6sIgxNKAmAUHxAYA2GPiG6eFOlY_080_MHJhj6zZwHowvsUmqFMA_Sr7PCDKffCb7yj37