變幻莫測的“以太\"

在物理學(xué)的發(fā)展過程中，沒有哪一個概念像“以太”這樣，讓人們?nèi)绱思m結(jié)。它曾幾次出現(xiàn)，又幾次被證明是不存在的，或者是沒有存在的必要。可是，每次當(dāng)“以太”出現(xiàn)和退出的時候，物理學(xué)都會有革命性的突破。

最早的“以太”是以第五元素的身份出現(xiàn)在亞里士多德的萬物理論之中。

17世紀，引力理論盛行。牛頓成為世界的寵兒，引力定律被奉為經(jīng)典，可是牛頓的引力理論并沒有說明引力的來源及其本質(zhì)，只是給出了數(shù)量關(guān)系和作用方式。為了說明引力的產(chǎn)生機制，“以太”又一次出現(xiàn)在人們的面前，這次想到他的人是笛卡爾。笛卡爾提出物體周圍存在著旋轉(zhuǎn)的、稀薄的、不可見的以太；處于以太中的物體被吸卷著向中心的物體靠攏，這就是引力作用，這是以太第一次嘗試著對引力的作用進行解釋。漩渦以太把引力形象化，并且物體之間的相互作用也變得可以理解了。可是后來證明笛卡爾的漩渦理論是與人們對引力數(shù)值上的要求不相符，可見漩渦理論是不完備的。可是人們并沒有完全拋棄它，若干年后，以太以新的身份出現(xiàn)在引力理論之中。

同時期，惠更斯在對光的本性的解釋中，以太再次發(fā)揮了重要作用。這次以太是作為光的傳播介質(zhì)出現(xiàn)的。惠更斯堅信光是一種機械波，我們知道機械波的傳播是需要介質(zhì)的。所以以太被惠更斯賦予傳播光的使命，稱為“光以太”。“光以太”和后來提出的“電磁以太”統(tǒng)一之后，以太就成了電、磁、光的共同載體。到此，以太的成就達到了頂峰。

18世紀、19世紀發(fā)展起來的電磁理論，為我們打開了自然的另一扇窗。

1785年，法國物理學(xué)家?guī)靵霭l(fā)現(xiàn)了著名的庫侖定律。庫侖定律和引力定律一樣，也面臨著作用機制問題，萬惡的“超距作用”終于激起了人們的反抗。引領(lǐng)這次革命的是英國物理學(xué)家法拉第，法拉第稱電荷周圍存在著一種特殊的物質(zhì)——電場，電場對放入其中的電荷有力的作用，這就很好地解釋了電力的作用機制。比如，電荷O在周圍空間激發(fā)電場，電場對放入其中的帶電體q產(chǎn)生力的作用。這樣就擺脫了超距作用的陰影，電場理論說明不是電荷Q和q產(chǎn)生力的作用，而是Q激發(fā)的電場對q產(chǎn)生力的作用。利用同樣的理論，法拉第也解釋了磁力的作用。方法就是引入磁場的概念。麥克斯韋利用數(shù)學(xué)工具把法拉第的場寫入方程，稱為麥克斯韋方程組。至此，場的概念深入人心。

法拉第建立了場的物理圖景。麥克斯韋給了場精確的數(shù)學(xué)表述，現(xiàn)在，場的概念已深入人心。模仿電磁場，人們對引力理論做了下面的修正：所有有質(zhì)量的物體都會在空間激發(fā)一個引力場，這個引力場會對處于場中的物體產(chǎn)生引力的作用。關(guān)于引力場的理論是愛因斯坦的廣義相對論。在廣義相對論中，愛因斯坦建立了引力場方程。利用引力場方程，愛因斯坦預(yù)言：光通過大質(zhì)量的天體時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個現(xiàn)象在1919年發(fā)生日全食時被愛丁頓觀測到了，從而證明了理論的正確性。在理論上我們還可以證明牛頓的引力理論只是愛因斯坦引力場方程在宏觀、低速條件下的近似。

場的概念被人們接受了，可當(dāng)我們回頭看的時候，發(fā)現(xiàn)“場”和以前的“以太”是如此的相似。原來“場”在某種意義上來說就是以太。有意思的是在狹義相對論中，愛因斯坦否定了以太的存在價值，而在廣義相對論中場的應(yīng)用又預(yù)示著以太的回歸。

電磁場很好地解決了電磁現(xiàn)象中的困難。這個理論是如此的成功，我們不禁想到，是否可以用它去解決其他領(lǐng)域的困難呢?比如說一引力理論。模仿電磁場，人們假設(shè)任何物體周圍也有一種特殊的物質(zhì)，這就是引力場。經(jīng)過長期的沉淀，“以太”終于可以再次對引力理論進行嘗試了。愛因斯坦的引力場方程把引力理論場化，利用引力場方程我們就可以很好地研究引力問題了。而且我們可以證明牛頓的引力理論只是愛因斯坦引力場方程在宏觀、低速條件下的應(yīng)用。可是引力場是否可以成為引力理論的最終歸宿?我們還需要一個實驗上的證明，那就是“引力子”的存在證據(jù)。當(dāng)人們找到引力子的時候，引力場也就是以太在物理學(xué)中全面勝利的時刻。我們有理由相信這一天不會太遠了。

回顧以太理論的發(fā)展史，我們可以發(fā)現(xiàn)：以太其實是我們對自然界進行探索時用到的一個普遍的方法。當(dāng)我們對未知的世界進行探索時，所能采用的方法只能是大膽地假設(shè)，然后在進一步的研究當(dāng)中逐步地去驗證和完善我們的假設(shè)。有些假設(shè)后來被證明是不正確的，而有些假設(shè)則被證明是正確的，從而發(fā)展成為一套物理理論。我們要以全局的觀點來正確地看待以太，才能認識物理的發(fā)展，認識物理。這應(yīng)該是“以太”給我們教育者一個教學(xué)理念的啟示吧!

(作者單位河北省故城縣鄭口中學(xué))