力学模型与以太的提出

在19世纪末,古典物理学家统一诸种物理现象的主要方式是:找出该类物理现象的一个力学模型。当时认为,“一切物理现象都能够从力学的角度来说明。这是一条公理。整个物理学就建造在这条公理之上”。

例如,当我们把声音统一在关于声源振动在物质媒介中的纵向传播时,就将声学统一在关于振动的力学之中;声音的媒介可以是空气、水、铁轨等。当我们把热看成细微分子的运动之后,就可以将热学统一在关于大量的分子运动的力学之中。

电磁学似乎与力学的距离较远,但也有统一它们的方式。比如,我们同样可以将电磁波看成某种电磁振荡在某种媒介中的传播。如果这种模型成立的话,就可以把电磁学与力学统一起来了。

用力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是,它是在什么物质媒介中振荡传播的。人们没有发现电磁振荡靠的是什么媒介。实验表明,它在真空中也能传播(而声波不能穿过真空)。这就表明,这种媒介不是我们能看得见、摸得着的物质。

图1　狭义相对论研究框图

以太(ether)是一种从古希腊传承下来的概念。在亚里士多德的宇宙中,众星体就漂浮在以太的海洋中。以太被描述为一种看不见、摸不着的物质。笛卡儿也曾提出过一种处处充满以太的物理模型。19世纪的物理学家认为,电磁传播的媒介是以太,而地球的真正运动也可以用“以太”为基准来测量。这是因为地球并不是绝对静止,而是以一定的速度相对于“以太”运动的。那么,以太具有什么样的物理性质呢?它有重量吗?它对物体运动会产生阻力吗?它的密度有多大?在当时的物理学家看来,以太有许多奇妙的性质。它无所不在,不但要充满宇宙空间,而且要渗入气体、水和玻璃之中。它还必须没有一点摩擦阻力,既不影响行星的运动,也不影响分子和原子的运动。以太不但是光波的媒介,而且是电磁场的承担者和传播者。

20世纪前的物理学界一直被“以太”的概念引导着,但以太到底是什么,谁也说不清楚。