有关“以太”

光的波动理论虽然在解释干涉、衍射和偏振等光学现象方面取得了一系列伟大的成功。但它的前景仍使人忧心忡忡。因为波动理论回避了一个重要的事实，波是在煤质（如、空气、绳、弦）中传播的一种扰动。那么传播光的媒质又是什么呢？是空气吗？不是，法国科学家波义耳曾做过这样的实验，他把一个玻璃容器内的空气几乎抽尽，而容器内的物体依然清晰可见。再说，太阳光是穿越了广阔无垠的，没有空气存在的宇宙才来到了地球上，所以空气并不是传播光的媒质。那么，对于一个说不出是什么被扰动了的扰动是难以想象的。于是人们只能假设存在着一种称为“以太”的物质，说这种“以太”是传播光的媒质。

事实“以太”是一个很古老的概念，原来的意思是“高空”。1644 年法国著名哲学家笛尔卡提出了“以大漩涡说”，给“以太”赋予了新的内涵，这个学说认为“虚空”是不能存在的，整个宇宙充满了一种特殊而易动的物体——“以太”。由于太阳周围以太出现漩涡，才造成行星围绕太阳的运动。后来，光的波动说兴起的时候，人们普遍认为波与媒质应该像鱼和水一样，不能分开。那么这种媒质又是什么呢？于是波动说的创始人惠更斯把“以太” 请进到光学理论中来。在 17 和 18 世纪，人们把以太想象成一种密度很低的看不见的流体，它贯穿一切物质并充满了整个空间，它可能与想象用来解释磁力和电力的“流素”（某种“流出”的东西）发生某种联系。托马斯·杨给以太作了四条具体说明：

整个宇宙内充满稀薄的具有弹性的以太物质；
发光物体在以太中激发起波动；
不同颜色的感觉取决于传递给视网膜的以太振动的频率；
一切物体都吸引以太，因此，在物体附近的以大密度大，而以太的弹性则保持不变。

经过托马斯·杨精心装饰，郑重推出的以太，还没有站稳脚，就又一次地被抛弃了。因为这种类似于空气的弹性流体只允许产生纵波。然而，为了能解释光的偏振行为，菲涅耳、阿拉果，也包括托马斯·杨都认为光应该是一种横波。横波只能在固体媒质中传播，无法以气体或液体作为媒质。这样一来必须设想“以太”是一种固体，光速是如此之大，就必须假设这种固体“以太”有很大的硬度。这样的结果使这群波动说的复兴者又陷入深深的困惑之中，说整个宇宙空间里充满了坚硬的固体以太，岂不要让人笑掉大牙。再说天体的运行也根本没有觉察到坚硬以太的阻力。那么神奇的“以太”究竟是否存在呢？

1884 年某日，当时欧洲科学界的泰斗汤姆生应邀到美国讲学，在一次演讲中即兴回答听众问题说：“以太到底是否真有其物，现在还不能定论，我们只知道地球是以每秒 30 公里的速度绕日运行，那么迎面就应该有一股以太风不断吹来。如谁能用实验证明了这股风的存在也就证明了以太的存在，但这要靠实验。”俗话说言者无意，听者有心。听众里有位青年听到这句话不觉眼前一亮，一个新的研究课题便在脑子里挂上了钧。这位青年名叫迈克尔逊，原是德国人，两岁时他还在母亲的襁褓之中就背井离乡，飘洋过海来到了美国。17 岁时他考进海军学校。在海军服役期间他省吃俭用积攒了钱，又回到柏林留学深造。在柏林著名的赫尔姆雷茨实验室里他见到了世界上一流

光学仪器，真是大开了眼界。不久他自己也研制成功了一台可以测量微小长度、折射率和光波波长的干涉仪。他用这台仪器测量出许多有价值的物理量，而测验以太风是他的“第一次成功的尝试”。

再说自从那天迈克尔逊听了汤姆生的话，回家后就开始研究寻找以太的办法。他想船在流水中航行时，它对岸的速度要考虑到水的流速，即顺水行舟，速度是船速加水速；逆水行舟，速度是船速减水速。以此类推，如果地球周围确实存在着一股以速度为 v 漂移着的以太风，那么光沿着以太漂移方向传播和垂直以太漂移方向传播，两者的合速度是肯定不相同的，如果能测出这种差别，不就证明以太确实存在了吗？

迈克尔逊的主要实验仪器就是他发明的干涉仪。不过他的干涉仪并没有放在固定的桌面或者地面上，而是放在一块浮在水银池面的大理石板上，为的是使仪器能灵活转动又不致摇晃。从光源 S 发出的光，经过一半镀了银层的，且与光成 45°的玻璃片 M，分成了互相垂直的两束光。透射光 I1 经面镜M1 反射，回到 M 后再次反射到望远镜 T 中，（设以太的漂移速度 v 与光速 I 平行），反射光 I2 经面镜 M2 反射，回到 M 后再透过 M 到达望远镜。以太风使光束 I1 在两面镜之间来回

1 1 2′

时经历时间t1 = c − v + c + v 使光束I 2 在两面镜之间来回经历时间t 2 = 。

这两束光到达望远镜有一个恒定的时间差，于是在望远镜里可以看到一个稳定的干涉图像。然后，迈克尔逊把整台仪器转过 90°，使以太风这次与光速I2 平行，与光速 I1 垂直。这样两束光的时间差就会有一个较大的变化，根据迈克尔逊的预测这样一来干涉条纹将会移动 0.04 条，然而他没有看到干涉条纹的移动。读者也许会说光速如此之大，干涉仪的臂架又有多少长，即使产生了光程差也未必能测到哩！这一点读者倒不必担心，因为地球在以每秒 30

公里速度绕太阳运行，以太的漂移速度也为每秒 30 公里，这个速度为光速万分之一，影响的光程差即使再缩小 100 倍也在干涉仪的灵敏度之内。1886 年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰州的阿德尔伯特学院做了整整 4 天实验，仍然看不到干涉条纹的变化。于是迈克尔逊宣布实验结论是：“实验的结果只能解释为干涉条纹没有位移。可见，静止以太的假设是不对的。”

再说迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起了一场轩然大波。因为以太一旦被否定，那牛顿力学的时空观将从根本上动摇，经历了两个世纪建立起来的经典物理学大厦突然出现了裂缝，于是各个国家的物理学家纷纷提出各种方案试图来挽救以太，希望迈克尔逊的实验还能有另一种方法来解释。

1892 年英国物理学家斐兹杰惹提出一种假说：一切物体在自己的运动方向上都要收缩，并计算出每秒运动 26 万公里的物体收缩可达 50％。物体运动的速度达到光速，它在运动方向上的长度就变为零，显然这是物体运动的极限速度。按照这样的说法，迈克尔逊在实验时，顺着地球运动方向的两块镜面间的距离就会变短，这正好弥补了光束逆以太传播而减少的速度，所以并不影响它和另一束横向光同时返回到观察镜里。不久，荷兰物理学家洛仑兹也提出了相似的观点，这些观点都说明了一件事，光速是宇宙中所能达到的最高速度，而且无论沿着什么方向光速都是每秒 30 万里，光速是不变的，这就是著名的光速不变原理。至于起变化的则是运动物体的质量和长度等

等。这样一来，不仅能对迈克尔逊的干涉实验作出合理的解释，而且这时候人们发现这个“以太”既没有自己的速度、质量，也看不到、摸不着，它的存在和不存在又有什么差别呢！科学家们开始觉得它碍手碍脚，就把这它踢开了。