基本介紹
- 中文名：以太
- 外文名：Ether或、Aether、Akashic、Space
- 別稱：乙太 光乙太
- 提出者：亞里士多德
- 提出時間：公元前300年以前
- 套用學科：物理學
以太的定義,歷史,以太說的進展,以太說的否定,推測,
以太的定義
以太（Ether、Aether）、阿卡夏（Akashic）。專指：組成空間的意識流、靈界創造物質現象界時所創造的第一種最基本元素。物質現象界的萬物生存在其內。稱為五大基本元素之第一，主聲音。也是四大基本元素的創造者。亦經常作為“空間”的代名詞。在恆星與恆星之間，靈眼可觀察到空間是由一種暗紅色的流體狀意識流所組成，形成一種形狀較穩定的空間流體，此乃以太。
歷史
以太是一個歷史上的名詞，它的涵義也隨著歷史的發展而發展。
在古希臘，以太是古希臘哲學家亞里士多德所構想的一種物質。是物理學史上一種假想的物質觀念，其內涵隨物理學發展而演變。“以太”一詞是英文Ether或Aether的音譯。古希臘人以其泛指青天或上層大氣。在亞里士多德看來，物質元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居於天空上層的以太。在科學史上，它起初帶有一種神秘色彩。後來人們逐漸增加其內涵，使它成為某些歷史時期物理學家賴以思考的假想物質。在宇宙學中，有時又用以太來表示占據天體空間的物質。17世紀的R.笛卡爾是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家。他最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。在笛卡爾看來，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，如磁力和月球對潮汐的作用力。
牛頓雖然不同意胡克的光波動學說，但他也像笛卡爾一樣反對超距作用並承認以太的存在。在他看來，以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如產生電、磁和引力等不同的現象。牛頓也認為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因為光的波動學說（當時人們還不知道橫波，光波被認為是和聲波一樣的縱波）不能解釋今天稱為的光的偏振現象，也不能解釋光的直線傳播現象。
18世紀是以太論沒落的時期。由於法國笛卡爾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笛卡爾哲學體系，連同他倡導的以太論也在被反對之列。隨著引力的平方反比定律在天體力學方面的成功以及探尋以太未獲實際結果，使得超距作用觀點得以流行。光的波動說也被放棄了，微粒說得到廣泛的承認。到18世紀後期，證實了電荷之間（以及磁極之間）的作用力同樣是與距離平方成反比。於是電磁以太的概念亦被拋棄，超距作用的觀點在電學中也占了主導地位。
18世紀，波動說被放棄，微粒說占據上風。同時，萬有引力被認為是超距作用的。整個18世紀，人們以為空間是空虛的。以太觀念處於沉寂時期。
19世紀，科學家逐步發現光是一種波，而生活中的波大多需要傳播介質（如聲波的傳遞需要藉助於空氣，水波的傳播藉助於水等）。受經典力學思想影響，於是他們便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質，而正是這種物質在光的傳播中起到了介質的作用。
19世紀，以太論獲得復興和發展，首先是從光學開始的，這主要是T.楊和A.菲涅耳工作的結果。楊用光波的干涉解釋了牛頓環，並在實驗的啟示下於1817年提出光波為橫波的新觀點（當時對彈性體中的橫波還沒有進行過研究），解決了波動說長期不能解釋光的偏振現象的困難。
以太首先是個哲學概念，而物理學家總是期望將之變成物理學概念。當一切尋找以太粒子的努力失敗後，人們拋棄了以太說。但是事實上，拋棄的僅是發現以太粒子的希望，以太這個哲學概念更加根深蒂固，大多數人認可了微觀結構存在的可能性。
19世紀的物理學家，認為它是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質。但後來的實驗和理論表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理現象可以有更為簡單的解釋。也就是說，沒有任何觀測證據表明“以太”存在，因此“以太”理論被科學界拋棄。
以太說的進展
19世紀，以太觀念真正展現威力。1825年前後，英國T.楊和法國A.菲涅耳提出光的波動說理論，以波動說成功地解釋了干涉、衍射、雙折射、偏振、甚至光的直線傳播現象。菲涅耳提出的理論方法（現常稱為惠更斯-菲涅耳原理）能正確地計算出衍射圖樣，並且能解釋光的直線傳播現象。菲涅耳進一步解釋了光的雙折射，獲得很大成功。1823年他根據托馬斯·楊的光波為橫波的學說和他自己1818年提出的透明物質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，推出關於反射光和折射光振幅的著名公式，它很好地說明了D.布儒斯特數年前從實驗上測得的結果。一個重要理論工作是導出光在相對於以太參考系運動的透明物體中的速度公式。1818年他為了解釋關於星光的折射行為，在楊的想法基礎上提出：透明物質中以太的密度與該物質的折射率二次方成正比，他還假定當一個物體相對以太參考系運動時，其內部的以太只是超過真空的那一部分被物體帶動（以太部分曳引假說）。鑒於光的波動說需要傳播光的媒介，因此，19世紀大多數物理學家相信以太的存在。1817年，菲涅耳進一步假定，以太靜止在自由空間和不透明物體中；同時推導出，在透明物體內，以太以小於透明體運動速度的一定比率（此比率與透明體物質的折射率相關，並被稱為菲涅耳係數）而運動。菲涅耳的推論被法國物理學家A.斐索在1815年的實驗所證實。菲索在這實驗中測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進。其拖曳係數與菲涅耳的推導一致。但在空氣中，以太被大多數物理學家看作是靜止的。
在楊和菲涅耳的工作之後，光的波動說就在物理學中確立了它的地位。
隨著光的波動說的順利，以太及其力學性質的假定也給物理學帶來諸多負擔。首先，若光波為橫波。另外，彈性媒質中除橫波外一般還應有縱波，但實驗卻表明沒有縱光波。光學對以太性質所提出的要求似乎很難同通常的彈性力學相符合。為了適應光學的需要，人們要對以太假設一些非常的屬性。因為楊和菲涅耳假定光是橫波，這就必然要求有一種彈性固體的以太。但是，它的存在又如何對天體的運動毫無阻礙呢？英國G.斯托克斯和開爾文又提出，以太就像鞋匠的擦線蠟。它既可能發生振動（如激烈打擊之下），又塑性地允許重物穿過它緩慢運動。不同顏色的光有不同的頻率，當它們穿過透明體時折射率也不同，於是，菲涅耳和菲索的拖曳係數也不同。這樣，有多少種頻率的光在透明體內就會有多少種不同的以太。
1831年，M.法拉第關於電磁感應實驗的成功，促使他建立了電磁力線的概念，並以此概念解釋電、磁及其彼此感應的作用，後來，他又提出了電場、磁場和力線場的概念，放棄以太觀念，但其間他也曾懷疑光以太是否為力線的荷載物。
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。他用力線來描述磁作用和電作用。在他看來，力線是現實的存在，空間被力線充滿著，而光和熱可能就是力線的橫振動。他曾提出用力線來代替以太並認為物質原子可能就是聚集在某個點狀中心附近的力線場，但法拉第的觀點並未為當時的理論物理學家們所接受。
19世紀60年代，J.麥克斯韋提出位移電流的概念，借用以太觀念成功地將法拉第的電磁力線表述為一組數學方程式。它被人們稱為麥克斯韋方程組。在導出這方程組時，麥克斯韋曾提出，磁感應強度就是以太速度；以太繞磁力線轉動形成帶電渦元；甚至將他的位移電流概念從絕緣體推廣到以太範圍。人們將麥克斯韋的以太稱為電磁以太。從麥克斯韋方程組中可以導出，電磁擾動的傳播速度與已知的光速在實驗誤差範圍內是一致的。因此，麥克斯韋在指出電磁擾動的傳播與光傳播的相似之後寫道：“光就是產生電磁現象的媒質（以太）的橫振動”，傳播電磁與傳播光“只不過是同一種介質而已”。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質，這樣以太不僅在電磁學中取得了地位，麥克斯韋在統一光和電磁現象的同時也統一了發光以太和電磁以太。1888年，H.赫茲以實驗證明電磁擾動的傳播及其速度，也即發現電磁波的真實存在。這個事實曾一度被人們理解為證實以太存在的決定性實驗。
關於電場同位移有某種對應，並不是完全新的想法，W.湯姆孫就曾把電場比作以太的位移。另外，法拉第在更早（1838）就提出，當絕緣物質放在電場中時，其中的電荷將發生位移。麥克斯韋與法拉第不同之處在於，他認為不論有無絕緣物質存在，只要有電場就有以太電荷粒子的位移，位移D的大小與電場強度E成正比。當電荷粒子的位移隨時間變化時，將形成電流，這就是所謂的位移電流。
儘管麥克斯韋在電磁理論上取得了很大進展，但他和赫茲等人試圖將電磁理論推廣到運動物質上並未成功，因為這理論的一個難題是物質本身並不會衰變為以太。
19世紀90年代H.洛倫茲提出了電子的概念。他將物質的電磁性質歸之為物質中同原子相關的電子的效應，至於物質中的以太則同真空中以太在密度和彈性方面並無區別。他還假定，以太是靜止的，不參與任何運動。但是，由於物體中的電子隨物體運動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力以及物體運動時其中將出現電介質運動電流，運動物質中的電磁波速度與靜止物質中的並不相同。在考慮了上述效應後，他同樣推出了菲涅耳關於運動物質中的光速公式。而菲涅耳理論所遇到的困難（不同頻率的光有不同的以太）現已不存在。洛倫茲根據束縛電子的強迫振動並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。這樣，在19世紀結束之前，所有的物理似乎都可以簡化為以太的物理。
以太的假設事實上代表了傳統的觀點： 電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參考系，當參考系改變，光速也改變。這個“絕對靜止系”就是“以太系”。其他慣性系的觀察者所測量到的光速，應該是“以太系”的光速，與這個觀察者在“以太系”上的速度之矢量和。
按照當時的猜想，以太無所不在，沒有質量，絕對靜止。以太充滿整個宇宙，電磁波可在其中傳播。假設太陽靜止在以太系中，由於地球在圍繞太陽公轉，相對於以太具有一個速度v，因此如果在地球上測量光速，在不同的方向上測得的數值應該是不同的，最大為 c + v，最小為 c－v。如果太陽在以太繫上不是靜止的，地球上測量不同方向的光速，也應該有所不同。
19世紀中期曾進行了一些實驗以求顯示地球相對以太參考系運動所引起的效應，並由此測定地球相對以太參考系的速度v，但都得出否定的結果。
19世紀末可以說是以太論的極盛時期。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運動和變化。這樣它幾乎已退化為某種抽象的標誌。除了作為電磁波的荷載物和絕對參考系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質，這又為它的衰落創造了條件。
當麥克斯韋試圖用力學以太模型解釋“場論”，當人們深入思考麥克斯韋方程組時，問題還是出現了。由麥克斯韋方程組推出的光波與電磁波的常定傳播速度，究竟是相對於哪一個參考系而言的？從麥克斯韋的電磁理論看，以太是測定光速的絕對參考系。整個麥克斯韋方程組只對於絕對靜止的以太參考系才是成立的。事實上，以太在這裡成了牛頓力學中物化了的絕對空間。那么，是否可以測定以太的絕對運動？以太會否隨地球運動而漂移？1887年，A.邁克耳孫和E.莫雷以高精度的實驗得到的結果仍然是否定的（即地球相對以太不運動），並未發現任何以太漂移。實驗結果顯示，不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參考系下具有相同的數值，與參考系的相對速度無關，以太其實並不存在。此後其他一些實驗也得到同樣的結果。於是以太進一步失去了它作為絕對參考系的特質。這一結果使得相對性原理得到普遍承認，並被推廣到整個物理學領域（見狹義相對論）。這個結果被稱為19—20世紀之交物理學天空上的第一朵烏雲。突破以太觀念與實驗不合的唯一辦法就是放棄以太。它作為可供思考的假想物質的功用已經發揮到了極點。
然而根據麥克斯韋方程組，由於所測量的數據都是在地球上測量出來的，所以該方程里兩個參數無方向的標量，是無需指明的指的是地球參考系，所以在地球參考系裡光速都是不變的。
以太說的否定
以太說的否定主要有3點：
1：以太存在難以想像。根據當時的以太學說：以太是一種剛性的粒子，十分地堅硬，比最硬的物質金剛石還要硬上不知多少倍。同時又是如此稀薄，以致物質在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力，“就像風穿過一小片叢林”（托馬斯·楊語）。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒有實驗測定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來到地球，然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運動，哪怕是最微小的灰塵也不行！因此許多科學家懷疑以太的存在。
2：麥可遜-莫雷實驗的零結果。以太說認為以太是光媒介質，那么地球在以太中運動，在地球上各個方向的光速與地球運動應該符合伽利略變換，即C+V和C-V。麥可遜-莫雷實驗正是測量C+V和C-V中的V，得到結果為零。這一結果讓當時的科學家不解。
由於麥可遜-莫雷實驗是光的干涉實驗，屬光速測量的二階實驗。所以實驗結果並不能直接證明光速變化為零。歷史上對麥可遜-莫雷實驗還有其它的解釋。愛爾蘭物理科學家費茲傑惹，荷蘭物理科學家洛侖茲就曾認為是量桿在以太中運動，組成量桿的原子和電子之間的距離變短了。而這個觀點是符合麥克斯韋電磁方程組的。
真空電容率和真空磁導率被認為是常數，有不合理的地方。它的邏輯是這樣的：因為真空中什麼都沒有，所以真空電導率和真空磁導率是常數。我們可以用相同的邏輯換個思路：因為真空中有以太，地球在以太中運動，所以地球上真空電導率和真空磁導率不同方向有差異。
在19世紀末20世紀初，雖然還有些科學家努力拯救以太，但在1905年愛因斯坦大膽拋棄了以太說，認為光速不變是基本的原理，並以此為出發點之一創立了狹義相對論。愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文的前言中說：“‘光以太’的引用將被證明是多餘的。” 人們從此接受了電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。隨後量子力學的建立使人們認識到粒子與波實為一個硬幣的兩面。那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已完全被衝破。之後“以太”被主流物理學家所拋棄。
然而人們的認識仍在繼續發展。到20世紀中期以後，人們又逐漸認識到真空並非是絕對的空，那裡存在著不斷的漲落過程（虛粒子的產生以及隨後的湮沒）。這種真空漲落是相互作用著的場的一種量子效應。今天，理論物理學家進一步發現，真空具有更複雜的性質。真空態代表場的基態，它是簡併的，實際的真空是這些簡併態中的某一特定狀態。今天粒子物理中所觀察到的許多對稱性的破壞是真空的這種特殊“取向”所引起的（見對稱性和守恆律、電弱統一理論）。在這種觀點上建立的弱相互作用和電磁相互作用的電弱統一理論已獲得很大的成功。
這樣看來，機械以太雖然死亡了，但以太的某些精神（不存在超距作用，不存在絕對空虛意義上的真空）仍然活著，並具有旺盛的生命力。
推測
有些人推測，以太可能是由一種宇宙的暗物質所構成，又稱“光引力行為”，光引力行為是一種只有屬於光的萬有引力，發光者藉由暗物質的聚合而產生光，可是這些也只是在構想的階段。
關於暗能量概念的起源，可以追溯到愛因斯坦他在1917年由廣義相對論導出的一組引力方程式，方程式的結果都預示著宇宙是在做永恆的運動，這個結果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背，為了使這個結果能預示宇宙是呈靜止狀態，愛因斯坦給方程式引入了一個“宇宙常數”項。
1997年12月，作為“大紅移超新星搜尋小組”成員的哈佛大學天文學家基爾希納根據超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢，反而在一種看不見的、無人能解釋的力量的控制推動下變快，人們只是猜測：我們所處的宇宙可能處於一種人類還不了解、還未認識到另一種物質狀態的控制作用之下，這種物質不同於普通物質的一切屬性及其存在和作用機制，科學家稱之為“暗物質”、將其具備的作用稱之為“暗能量”，“暗物質”成為當今天文學界、宇宙學界和物理學界等最大的謎團之一。
人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現，事實上宇宙是在不斷膨脹並且這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相符，愛因斯坦引入的“宇宙常數”便被人們遺忘。後來的一次天文探測顯示宇宙可能在加速膨脹，預示著宇宙中存在著某種“巨大的能量”，“宇宙常數”被賦予“暗能量”的含義。
當科學家一再通過各種的觀測和計算證實，暗能量在宇宙中約占到73%，暗物質約占到23%，普通物質僅占到4%，預示著人們認識到的宇宙只占整個宇宙的4%，而占96%的東西竟然不為我們所知。
2005年10月25日，李政道在清華大學演講中指出：“21世紀初科學技術最大的謎是暗物質和暗能量。暗物質存在於人類已知的物質之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什麼；它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前後的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。” 他還指出：“20世紀科學最大的謎題是‘太陽能量的來源’。幾乎20世紀絕大部分的科技文明，如狹義相對論、核能、雷射、半導體、超級計算機等理論和套用，都是從研究這個世紀謎題中產生的。正像19世紀的人想像不出上述這些新科技一樣，21世紀對暗物質和暗能量的研究，也會產生今天的人類無法想像的新發明。” 李政道進一步指出，從天文觀察中人類能感知到的常規物質的能量只占整個宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我們所知的物質構成的。地球、太陽和所有我們看得見的星雲都是由電子、質子、中子構成的，其中有極少數的反物質：正電子、反質子——可是我們知道的這類物質，在宇宙中僅僅占不到5%。宇宙中的大多數能量是暗物質和暗能量，既看不見也不知道為何物？暗物質對所有我們能測量的光、電場、磁場、強作用（核的能力場）都不起任何作用。可是暗物質有引力場，通過引力場我們知道其存在，而且其能量比現有物質的總能量要大5倍或5倍以上。然而對暗物質的其它性質，人類完全不知道！
