? ? ? ? 在 20 世紀(jì)之前，“以太”是所有物理學(xué)家都深信不疑的物質(zhì)觀念，所有的物理學(xué)家所做的理論、研究、成果都是圍繞著“以太”而展開，即使是牛頓、麥克斯韋這樣的大神，這朵籠罩在物理史上的烏云，差點(diǎn)掀翻了整個(gè)經(jīng)典力學(xué)、電磁理論，讓所有物理學(xué)家辛辛苦苦構(gòu)建的物理大廈轟然倒塌。

? ? ? “以太”（Ether）一開始是一個(gè)哲學(xué)概念，誕生于古希臘時(shí)期，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(zhì)元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居于天空上層的以太。在科學(xué)史上，它起初帶有一種神秘色彩。后來人們逐漸增加其內(nèi)涵，使它成為某些歷史時(shí)期物理學(xué)家賴以思考的假想物質(zhì)。

? ? ? ? 到了笛卡爾的手里，以太就正式入駐物理這座大廈，笛卡爾是一個(gè)對(duì)物理學(xué)、數(shù)學(xué)的發(fā)展都有著重大影響的哲學(xué)家。他最先將以太引入科學(xué)，并賦予它某種力學(xué)性質(zhì)。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(zhì)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(zhì)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?qū)Τ毕淖饔昧Α?/p>

? ? ? ? 在牛頓之前，大家關(guān)于這個(gè)對(duì)于物體之間的作用就存在兩種對(duì)立的猜想：一種認(rèn)為物體之間除了通常的接觸作用（拉壓、沖擊）之外，還存在超距作用；一種認(rèn)為物體之間的所有作用力都是近距作用，兩個(gè)遠(yuǎn)離物體之間的作用力必須通過某種中間媒介物質(zhì)傳遞，不存在任何超距作用，這種中間媒質(zhì)被稱為以太。當(dāng)然了，我們現(xiàn)在知道，宇宙之間有四大力，分別是強(qiáng)力、弱力、引力、電磁力。

? ? ? ? 而笛卡爾可謂是牛頓的引路人，牛頓創(chuàng)立流數(shù)術(shù)（微積分）也是從笛卡爾《幾何學(xué)》獲取的靈感，當(dāng)時(shí)他對(duì)笛卡爾求切線的“圓法”發(fā)生興趣并試圖尋找更好的方法。最終，牛頓首創(chuàng)了小o記號(hào)表示x的無限小且最終趨于零的增量。牛頓就借助于幾何解釋把流數(shù)理解為增量消逝時(shí)獲得的最終比。

? ? ? ? 盡管牛頓是光的微粒說的創(chuàng)始人，當(dāng)時(shí)對(duì)于光究竟是什么，物理學(xué)家產(chǎn)生了激烈的爭執(zhí)，牛頓的老對(duì)手胡克和法國科學(xué)界掌門人惠更斯提出了波動(dòng)說，他們認(rèn)為認(rèn)為光線在一個(gè)名為發(fā)光以太的介質(zhì)中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影響，他假設(shè)光會(huì)在進(jìn)入高密度介質(zhì)時(shí)減速。荷載光波的媒介物質(zhì)也就是以太應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來說明引力的現(xiàn)象。

? ? ? ? 而牛頓的微粒說則認(rèn)為物體是由大量堅(jiān)硬粒子組成的，但牛頓還是給以太在物理大廈中找到了一個(gè)位置。

? ? ? ? 牛頓也認(rèn)為以太可以傳播振動(dòng)，但以太的振動(dòng)不是光，因?yàn)楣獾牟▌?dòng)學(xué)說不能解釋光的偏振現(xiàn)象，也不能解釋光的直線傳播現(xiàn)象。所以牛頓認(rèn)為以太不一定是單一的物質(zhì)，因而能傳遞各種作用，如產(chǎn)生電、磁和引力等不同的現(xiàn)象。

? ? ? ? 引力甚至電、磁力是在以太中傳播的。受經(jīng)典力學(xué)思想影響,物理學(xué)家便假想宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質(zhì),他們普遍認(rèn)為以太是傳播電磁波和光的媒介。而經(jīng)典物理學(xué)理論中，將這種無處不在的“以太”看作絕對(duì)慣性系，其它參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對(duì)以太參照系的速度的矢量疊加。以太作為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的代表，是經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ)。而這根支撐著經(jīng)典物理學(xué)大廈的梁柱。我們知道，經(jīng)典物理學(xué)有三大理論：經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。

? ? ? ? 除了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)，其他的兩大理論都和以太有關(guān)。麥克斯韋建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。可以說，沒有電磁學(xué)就沒有現(xiàn)代電工學(xué)，也就不可能有現(xiàn)代文明。

? ? ? ? 而麥克斯韋為了把電磁場理論由介質(zhì)推廣到空間，假設(shè)在空間存在一種動(dòng)力學(xué)以太，它有一定的密度，具有能量和動(dòng)量：它的動(dòng)能體現(xiàn)磁的性質(zhì)，勢能體現(xiàn)電的性質(zhì)，它的動(dòng)量是電磁最基本的量，表示電磁場的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和傳力的特征。在1865年，他提出了一共包含20個(gè)變量的20個(gè)方程式，即著名的麥克斯韋方程組。

? ? ? ? 后來，對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行簡化和完善的是奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯，他們以矢量分析的形式重新表達(dá)，才有了現(xiàn)在我們所看到的麥克斯韋方程組！

? ? ? ? 簡單來說，麥克斯韋電磁理論把傳播光和電磁波的介質(zhì)說成是一種沒有重量，可以絕對(duì)滲透的“以太”?！耙蕴奔染哂须姶诺男再|(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，又具有機(jī)械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對(duì)靜止的參考系，一切運(yùn)動(dòng)都相對(duì)于它進(jìn)行。這樣，電磁理論因牛頓力學(xué)取得協(xié)調(diào)一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受。

? ? ? ? 所以說，以太這個(gè)假象的物質(zhì)觀念可以說幾乎充斥了整個(gè)物理大廈，在當(dāng)時(shí)，偏偏許多物理學(xué)家認(rèn)為這座由經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)構(gòu)建的物理大廈已經(jīng)足夠完美。著名物理學(xué)家基爾霍夫就說過：“物理學(xué)已經(jīng)無所作為，往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字而已。”

? ? ? ? 普朗克的老師約里就曾勸他不要學(xué)純理論，因?yàn)槲锢韺W(xué)“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學(xué)”。后來普朗克啪啪打了老師的臉，創(chuàng)建了量子力學(xué)，直接建了一座新的物理大廈，成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。

? ? ? ? 如果以太學(xué)說被掀翻，那么物理學(xué)家關(guān)于光電、磁的所有認(rèn)知都會(huì)被推翻，不僅僅是經(jīng)典力學(xué)、電磁場理論將會(huì)覆滅，整個(gè)物理大廈也將搖搖欲墜。

? ? ? ? 這個(gè)時(shí)候，一個(gè)非常尷尬的事情發(fā)生了，著名物理學(xué)家邁克爾想要證明以太的存在。進(jìn)行了著名的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)。

? ? ? ? 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的用意在于探測光以太對(duì)于地球的漂移速度，從而證明以太的存在。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)里，以太代表了一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于一艘船在高速行駛，迎面會(huì)吹來強(qiáng)烈的“以太風(fēng)”。若能測定以太與地球的相對(duì)速度，即以太漂移速度，便可證明以太的存在。

? ? ? ? 邁克爾遜在1881年進(jìn)行了第一次實(shí)驗(yàn)，想測出這個(gè)相對(duì)速度，但結(jié)果并不十分令人滿意。于是，他和另外一位物理學(xué)家莫雷合作，在1886年安排了第二次實(shí)驗(yàn)。這可能是當(dāng)時(shí)物理史上進(jìn)行過的最精密的實(shí)驗(yàn)了。他們動(dòng)用了最新的干涉儀。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，他們甚至多方籌措，弄來了一塊大石板，把它放在一個(gè)水銀槽上。這樣就把干擾的因素降到了最低的限度。

? ? ? ? 然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓他們無比震驚和失望：兩束光線根本就沒有表現(xiàn)出任何的時(shí)間差。以太似乎對(duì)穿越于其中的光線毫無影響。根本測量不到地球相對(duì)于以太參照系的運(yùn)動(dòng)速度。地球相對(duì)以太不運(yùn)動(dòng)。此后其他的一些實(shí)驗(yàn)亦得到同樣的結(jié)果。邁克爾遜和莫雷不甘心，一連觀測了四天，情況都是一樣。邁克爾遜和莫雷甚至還想連續(xù)觀測一年，以確定在四季中，地球繞太陽運(yùn)行對(duì)以太風(fēng)造成的差別。但因?yàn)檫@個(gè)否定的結(jié)果是如此清晰而不容質(zhì)疑，這個(gè)計(jì)劃被無奈地取消了。

? ? ? ? 邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)是物理史上最有名的“失敗的實(shí)驗(yàn)”。當(dāng)時(shí)，它在物理界引起了轟動(dòng)。因?yàn)橐蕴@個(gè)概念作為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的代表，是經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ)，也是電磁理論的核心。而這根支撐著經(jīng)典物理學(xué)大廈的梁柱竟然被一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而無情地否定，那馬上就意味著，整個(gè)物理世界將會(huì)轟然崩塌。

? ? ? ? 至死，邁克爾都不愿意相信實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，仍然固執(zhí)相信以太的存在，念念不忘“可愛的以太”。而許多物理學(xué)家則開始了轟轟烈烈的補(bǔ)救行動(dòng)，花費(fèi)數(shù)百年時(shí)間辛苦搭建的物理大廈，怎么可能讓他付之東流，其中，最為著名的就是哈倫茲提出的哈倫茲變換。

? ? ? ? 洛倫茲為了在承認(rèn)光速與參照系無關(guān)的條件下，拯救以太假設(shè)，便拋棄了空間間隔和時(shí)間間隔與參照系無關(guān)的絕對(duì)觀念。在他看來，常駐以太參照系是基本參照系，在這個(gè)參照系中，時(shí)間是均勻流逝的，空間是均勻的，各向同性的。任何實(shí)際參照系都相對(duì)于這個(gè)基本參照系運(yùn)動(dòng)著。

? ? ? ? 根據(jù)他的設(shè)想，觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，抵消了不同方向上由于光速差異，這樣就解釋了邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。

? ? ? ? 洛倫茲變換一定程度上拯救了經(jīng)典物理學(xué)這座大廈，然而卻治標(biāo)不治本，隨著實(shí)驗(yàn)器材的精度不斷提高，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)被眾多物理學(xué)家相信，他們開始慢慢懷疑以太的存在，這也讓經(jīng)典物理學(xué)大廈隨時(shí)都有倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。

? ? ? ? 這時(shí)候，愛因斯坦出現(xiàn)了，既然萬事源于以太，那就把以太丟掉好了。

? ? ? ? 愛因斯坦認(rèn)為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太、以光速不變原理和狹義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論。愛因斯坦基于事實(shí)的觀察著眼于修改運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間等基本概念，重新導(dǎo)出洛倫茲變換，并賦予洛倫茲變換嶄新的物理內(nèi)容，來解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數(shù)學(xué)的空間縮短，不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實(shí)質(zhì)性的物理意義。

? ? ? ? 在狹義相對(duì)論中，空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體，不同慣性參照系之間的變換關(guān)系式與洛倫茲變換在數(shù)學(xué)表達(dá)式上是一致的。（簡單來說，愛因斯坦給經(jīng)典力學(xué)和電磁場論都劃分了各自適用的領(lǐng)域，一旦超過了這個(gè)范圍，那么將不再適用）

? ? ? ? 愛因斯坦的狹義相對(duì)論剿滅了以太這朵烏云，證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此否認(rèn)了以太（絕對(duì)靜止參考系）的存在，至此，整整桎梏了物理學(xué)家近 300 年的以太徹底消失，經(jīng)典力學(xué)（作用于宏觀低速弱引力領(lǐng)域）與電磁理論在各自領(lǐng)域各司其職，而相對(duì)論也成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一。