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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。以太也被认为是第五元素,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。
19世纪的物理学家曾认为它是一种电磁波的传播媒质,但后来的实验和理论表明,如果假定“以太”的不存在,很多物理现象可以有更为简单的解释。
以太的定义:以太(Ether、Aether),古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质,物质现象界的万物生存在其内,是除了水、火、气、土四大基本元素之外的第五元素。
以太的发展: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。
古希腊时期:“以太”一词,最初见于一则古代希腊的神话传说:暗神伊利波斯和夜神尼卡丝结合,生出一个精灵气旺的宙斯神——埃忒尔(Aether),这就是以太。在那个时候,以太表示精灵之气,弥漫于整个宇宙。埃忒尔是希腊神话里的三层大气(air)之一,是“以太”神,“光”和“光亮的高层大气”的神。
在古希腊,唯物主义哲学家留基伯和德漠克利特提出了原子论,认为万物都是由最小的,不能再分的微粒——原子组成的,人的灵魂也由最活动、最精微的原子组成,这种原子一旦分散,灵魂随之消失。原子之间的空隙里有什么呢一无所有,一片虚空。这样,“万物的始基是原子和虚空”,而原子在虚空中运动着。原子论者认为:“如果没有我们称为虚空的空间、场所,物体就无法安置,根本也不能移动。”
古希腊哲学家亚里士多德反对原子论,尤其反对虚空的存在。他在《物理学》和 《论天》等着作中写道:“不可分的东西是没有运动和变化的。”“充实的空间里能够有变化,并且,即使在物体之间没有虚空把它们分开,他们也能够彼此调换位置。“相反,“虚空其实倒会把运动取消,在虚空里面,会只有一个普遍的静止。”因此,亚里士多德认为,虚空是根本不存在的,空间处处为连绵不断的物质所充满。他认为,地上的物体包含四种原素,即土、火、气和水。原素不呈微粒状,而是连续的,原素也不是不可破坏,而是“从彼此产生出来的”。除此之外,还要加上第五种原素—天上的实质。他说:“天与土、火、气和水不同,天乃是古代人所称为以太的东西。”以太是圣洁之物,它不包含任何矛盾和对立, 因而是永远不会发生变化,是永恒的。以太作为宇宙的本原物质的概念逐渐从神话走到自然哲学中来。
十七、十八世纪:十七世纪的勒内·笛卡尔是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家。他建立了以太旋涡说,最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。在笛卡尔看来,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。
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(直到二十世纪初),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。这时期的以太也称为“发光以太”或“光以太”。
牛顿对以太的态度是极其矛盾的,他一面继承了勒内·笛卡尔和伽利略·伽利雷的部分思想,提出绝对时空理论,但在他1687年发表《自然哲学的数学原理》中,回避了以太的问题,关于物体之间作用力的本质,他只字未提,认为当时不可能深入探讨力的本质。之后,牛顿运用超距的吸引和排斥的观点轻而易举地解释了万有引力、化学聚合力、光粒子的反射和折射等现象,因而逐步地接近超距作用的观点。承认超距作用,当然否定以太的存在。但是牛顿本人并不赞成超距作用解释,在对待以太的问题上也是摇摆不定的,他在给R·本特利的一封信中写道:“很难想象没有别种无形的媒介,无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。……假定引力是物质的一种根本的和固有的属性,因此一个物体能够超距地通过虚空的任何距离作用于另一个物体,不经任何媒介就传递作用力,在我看来,这是多么荒诞,以致对于任何一个通晓哲学事理的人都是不可思议的。引力应是由按一定规律起作用的媒介引起的。但是,这种媒介究竟是物质的还是非物质的呢?我让读者自己去判断。”在力的传递上,牛顿本人是倾向于赞同以太理论的观点的,只是在细节上有所不同,但他并没有对力的本质再做进一步的研究和说明。
十八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。
十九世纪:十九世纪随光的波动学的重新兴起,以太重回它的主流地位。以太成为科学研究的重要对象,物理学也被分成两部门:一门研究普通物质,另一门研究以太,称为“以太学”。