以太(ether)(或译乙太;英语:ether或aether)
以太是古希腊哲学家所设想的一质,是一
被假想的电磁波的传播媒质,被认为无所不在。
在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学,有时又用以太来表示占据天
空间的
质。
17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引科学,并赋予它某
力学
质。
在笛卡儿看来,之间的所有作用力都必须通过某
间媒介
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
媒介
质所充满。以太虽然不能为人的
官所
觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对
汐的作用力。
后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提
的,并为惠更斯所
一步发展。在相当
的时期
(直到20世纪初),人们对波的理解只局限于某
媒介
质的力学振动。这
媒介
质就称为波的荷载
,如空气就是声波的荷载
。
由于光可以在真空传播,因此惠更斯提
,荷载光波的媒介
质(以太)应该充满包括真空在
的全
空间,并能渗透到通常的
质之
。除了作为光波的荷载
以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。
顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的
质,因而能传递各
作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。
顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。
18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使顿的追随者起来反对笛卡儿哲学
系,因而连同他倡导的以太论也一同
了反对之列。
随着引力的平方反比定律在天力学方面的成功,以及探寻以太得试验并未获得实际结果,使得超距作用观
得以
行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观
在电学
也占了主导地位。
19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托斯·杨和菲涅耳工作的结果。杨用光波的
涉解释了
顿环,并在实验的启示
,于1817年提
光波为横波的新观
,解决了波动说
期不能解释光的偏振现象的困难。科学家们逐步发现光是一
波,而生活
的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,
波的传播借助于
等)。受传统力学思想影响,于是他们便假想宇宙到
都存在着一
称之为以太的
质,而正是这
质在光的传播
起到了介质的作用。
以太的假设事实上代表了传统的观:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。
然而据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的。
其e0是真空介电常数,μ0是真空磁导率。
这个“绝对静止系”就是「以太系」。其他惯系的观察者所测量到的光速,应该是"以太系"的光速,与这个观察者在"以太系"上的速度之矢量和。
以太无所不在,没有质量,绝对静止。照当时的猜想,以太充满整个宇宙,电磁波可在其
传播。假设太
静止在以太系
,由于地球在围绕太
公转,相对于以太
有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为c+v,最小为cv。如果太
在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。
菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍现象,他提
的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算
衍
图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳又
一步解释了光的双折
,获得很大成功。
1823年,他据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提
的:透明
质
以太密度与其折
率二次方成正比的假定,在一定的边界条件
,推
关于反
光和折
光振幅的著名公式,它很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果。
菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导光在相对于以太参照系运动的透明
的速度公式。1818年他为了解释阿拉果关于星光折
行为的实验,在杨的想法基础上提
:透明
质
以太的密度与该
质的折
率二次方成正比,他还假定当一个
相对以太参照系运动时,其
的以太只是超过真空的那一
分被
带动(以太
分曳引假说)。利用菲涅耳的理论,很容易就能得到运动
光的速度。
19世纪期,曾
行了一些实验,以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度,但都得
否定的结果。这些实验结果可从菲涅耳理论得到解释,
据菲涅耳运动媒质
的光速公式,当实验
度只达到一定的量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验
不会表现
来,而当时的实验都未达到此
度。
在杨和菲涅耳的工作之后,光的波动说就在理学
确立了它的地位。随后,以太在电磁学
也获得了地位,这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献。
在法拉第心目,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引
了力线来描述磁作用和电作用。在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和
可能就是力线的横振动。他曾提
用力线来代替以太,并认为
质原
可能就是聚集在某个
状
心附近的力线场。他在1851年又写
:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载
。”但法拉第的观
并未为当时的理论
理学家们所接受。
到19世纪60年代前期,麦克斯韦提位移电
的概念,并在提
用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。
据麦克斯韦方程组,可以推
电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气
的速度为每秒31万公里,这与当时已知的空气
的光速每秒31.5万公里在实验误差范围
是一致的。
麦克斯韦在指电磁扰动的传播与光传播的相似之后写
:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来,赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的
质,这样以太不仅在电磁学
取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来。
麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文,把磁
应
度比
以太的速
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