曾经席卷整个物理学的“以太理论”，为什么是错误的？

公元前300多年，亚里士多德提出了“以太”，称其为除水、火、气、土之外第五种构成世界的元素。在之后的两千余年，以太好像被人们淡忘了，直到经典力学时代才被赋予了全新的科学使命。此后，光的波动说直接将以太推上神坛。至此，以太学说成为正统理念，统治物理学界100多年。

亚里士多德

19世纪末，狭义相对论即将问世。那时，赫兹、洛伦兹已经看到了相对论的曙光，但却被最后一道门槛拒之门外，而这道门槛就是以太。可以说，在19世纪末20世纪初，谁敢打破以太的桎梏，谁就可以率先提出狭义相对论，直接在物理学界封神。

从以太的提出、发展、衰落，直至消亡，前后历经了2000余年，所以本期就让我们来了解一下以太发展的始末。

有机物理论与自然机械观

中世纪的欧洲，人们习惯用理解人类和动物行为的方式来理解自然现象，以生物的行为来解释诸如天体，抛物等物体的运动，这就是有机物理论。

中世纪的基督教会正是这一理论的坚定推崇者，在教会眼里，天体的运动被某个更高等的自然精神力量控制了，而维持永恒不变的运动正是这种精神力量的本能，就如同趋利避害是低等有机体的本能一样。

在奉行地心说的教会眼中，天体的运动轨迹是这样的。

相较于哥白尼的日心说，地心说所描述的天体运动就显得杂乱无章，地心说是有机物理论孕育出的必然产物。尽管这一观念在本质上相当愚昧，却被中世纪基督教会封为神学思想的基础，并且深深地烙印在民众的观念中。

这是布鲁诺

布鲁诺

文艺复兴时期的思想家，哲学家和自然科学家。在他眼里，教会所推崇的有机物理是愚昧而无知的，布鲁诺用日心说和无限宇宙论炮轰有机物理论，被教会认定为异端，活活烧死在罗马鲜花广场。布鲁诺虽然死了，可是他的思想却撼动了有机物理论的地位。

从17世纪开始，伽利略和牛顿在力学上做出了一系列影响广泛的研究，促成了物理学史上第一次重大的革命，自然机械观得以形成。

牛顿

在这种观念中，杠杆、滑轮等简单的机器可以完美地解释自然现象，特别是在万有引力的加持下，使得机械观获得了巨大的成功。至此，机械论替代有机物理论成为自然科学的范本。

直到1870年，机械论达到了顶峰。甚至成为衡量科学理论正确与否的唯一标准。而以太，正是这种机械论观念下的必然产物。

以太与引力

太阳既没接触也没用绳子拖拽地球，为什么地球会乖乖绕太阳公转？

在那个没有场概念的时代，人类自然会认为，物体与物体之间的作用势必要通过接触来传递，不管是直接接触还是间接接触。

天体引力，跨越亿万公里，之间空无一物，这种超距作用完全不符合常识中的逻辑经验。

哲学家笛卡尔认为：物体之间所有的作用力都必须通过媒介来传递，不存在所谓的超距作用。因此，空间中不可能是一无所有的，而是充满着一种叫以太的物质，以太虽然无法被人体所感知，但却能传递作用力。

笛卡尔

牛顿对超距作用也感到困惑，他在给牧师本特利的一封信中曾写道：“ 一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上，而不需要任何其他介质，这种观点在我看来是荒唐之极的！”

牛顿默认了笛卡尔的观点，认为以太是引力传递的介质。

牛顿

以太与光波

1800年，托马斯·杨发现了光的干涉现象以及光的偏振性，彻底让波动说力压微粒说，成为光本质的主流学说。

这时候，物理学家对光波的认识还停留在机械波的概念上，太空中没有任何介质，遥远的恒星发出的光却仍能到达地球，基于机械波的传播需要介质的特性。

人们认为，必然存在某种介质在太空中承载了光的传播。于是，以太再一次以介质的身份登上了科学史的舞台。

以太，绝对静止且充满宇宙各个角落，充当了光波与力传递的介质。如果没有以太，当时的经典物理学就不能自洽，将会面临坍塌的风险。所以当时物理学家普遍认为以太绝对存在且不可撼动。

以太的验证

在那个时代，验证以太是许多科学家追求的目标，可很多实验由于设计和误差等原因都没能成功。直到迈克尔逊出现，对以太的验证才步入正轨。

1879年，他联合爱德华·莫雷多次改进干涉仪，并设计了对以太风的测量实验。

这是迈克尔逊——莫雷实验所用的干涉仪

迈克尔逊——莫雷实验干涉仪

实验的大致原理是这样的：假如光的传播就像是平静水面上的一串涟漪，那么光波的速度相对于以太就是恒定的，然而观察者所观察的光线传播速度可能会大于或者小于光线本身在以太中传播的速度，这就是以太风，其数值取决于观察者是向着光源运动还是远离光源运动。

如果地球没有拖拽以太，地球以每秒接近30公里的速度绕太阳公转时，就必然迎面受到每秒30公里的“以太风”。

迈克尔逊和莫雷一开始就没质疑过以太，而是直接去测量以太风。可实验结果却是“不仅没测到以太风，反倒让以太的存在都成了问题。”

测量结果显示：地球相对于以太的“漂移速度”为零，也就是说以太风根本不存在。莫雷始终不愿意相信自己的实验结论，则继续与戴顿·米勒重复实验，结果依旧没有测出以太风。

即便实验事实了然可见，但物理学家们依然笃信以太。

以太与电磁波

1864年，麦克斯韦建立了完整的电磁学理论，预测了电磁波的存在，并断言光就是电磁波。

麦克斯韦

1888年，赫兹通过实验，验证了电磁波的存在，当他用麦克斯韦理论描述电磁波现象时，发现将以太引入，计算非常繁琐复杂，若去掉以太，计算起来会简单许多。

倘若赫兹坚信“如无必要，勿增实体”的信念，就会摒弃以太，但作为一个老保守派，放弃以太是不可能放弃的，这辈子都不可能放弃！

赫兹

后来，有一位物理学家以绝对静止的“以太”为参考系，从经典的伽利略变换出发

利用数学方法推导了麦克斯韦方程组在运动参考系中的协变方程，这就是著名的“洛伦兹变换”。

一开始，洛伦兹引入以太参考系，推导“洛伦兹变换”的方向上就是错的，那么，他与狭义相对论失之交臂也就不足为奇。

洛伦兹

这是亨利·庞加莱

亨利·庞加莱

1902年，庞加莱在《科学的假设》中对绝对时空观和以太学说提出尖锐的批判。

1904年，庞加莱提出了“相对性原理”。

1905年，庞加莱基本完成了《电子的电动力学》，此时庞加莱已经十分接近狭义相对论的本质，不过他的论文还没有正式发表，爱因斯坦的论文——《论动体的电动力学》就已经横空出世，前后只差了6个月。

以太的否定，狭义相对论诞生

这是马赫

马赫

曾痛批绝对时空观和以太学说，他并不那么出名，可其思想却深深影响了爱因斯坦。作为马赫的粉丝，爱因斯坦继承了马赫的批判思想，彻底抛弃了以太，率先提出狭义相对论。

爱因斯坦

为什么说否定以太是狭义相对论诞生的关键点？

狭义相对论有两个基本假设：

第一条：在一切惯性系中的物理定律都具有相同的形式

如果以太不剔除，绝对静止的以太参考系就是独立于其他参考系的特殊存在。

第一条：光速不变原理，即真空中的光速对不同惯性系的观察者来说都是c。

如果以太不剔除，真空中的光速不变仅仅只是相对于以太而言是成立的，光速一旦脱离以太参考系，就会因观察者而改变。

只要以太的概念在物理学中持续发挥作用，狭义相对论的两条基本假设就不存在普适性。

纵观以太的发展史，我们不难发现，任何伟人的成就都无法突破时代的局限性，没有先人的前赴后继，也就没有爱因斯坦的狭义相对论。纵使爱因斯坦力挽狂澜，也只不过是站在前人的肩膀上，严格意义上来说，狭义相对论更像是群星璀璨的结果。