真空作为连续介质与机械以太的本质区别

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把真空作为连续介质，似乎使人想起早已被狭义相对论淘汰的以太。但是，真空作为连续介质的提出与真空的性质都与历史上假想的以太有着本质的区别。事实上，广义相对论的建立就已经意味着以太在某种意义上的复归，爱因斯坦在提出广义相对论以后，就感到空间与以太似乎有着某种相似性，但同时空间又与经典的以太有着本质的区别。他在1920年的一次演讲中说：“依照广义相对论，空间赋予了一些物理性质，因此从这个意义上说，以太是存在的。根据广义相对论，没有以太的空间是不可思议的。因为在这样的空间里，不但光不能传播，而且标尺和时钟也不能存在，所以也就没有物理意义上的空间—时间距离。但是这种以太又不能认为具有重量媒质所特有的那些性质，也不可以认为它是有某些其运动可被追随的粒子所组成的，而且也不可能把运动概念应用于它”。1952年他又在为《狭义与广义相对论浅说》英译本第15版所加的说明空间概念演变历史的附录中说：“空间—时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性。这样，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义。”

我们先来回顾一下二十世纪初以前以太是怎样提出的，并且它被赋予了怎样的性质。
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4 a0 t' Z9 J2 Y2 L% B2 K7 p以太的提法由来已久，早在远古时代，古希腊人就认为以太是组成物质的本原之一，到了公元前3-4百年间，亚里士多德则进一步提出“地在水里，水在空气里，空气在以太里，以太在宇宙里。”将以太视为只存在于天上的物质本原之一。在德国天文学家开普勒推出天体运动规律以后，人们认为要维持天体的运动，天体之间必然存在引力，并进而认为以太就是传递天体引力的介质（一种机械以太）。
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4 I- y- Y( V# i, M, B  在近代物理学史上，对以太学说的争论是与光、电、磁本质的认识紧密联系在一起的。光学是最早发展起来的一门自然科学学科，在十七世纪上半叶之前，人们对光学的研究仅限于其几何性质，十七世纪下半叶，牛顿和惠更斯几乎同时提出了光的两种对立的学说——微粒说和波动说。牛顿坚持微粒说，但与牛顿同时代的惠更斯却从振动力学的角度出发，把光现象与水波、声波相类比，形成了光本性的波动说。他认为光是由发光物体的振动引起的一种机械波，依靠具有弹性的媒质—以太（具有机械以太性质的光以太）来传播，遵从振动力学的规律。

6 l2 _- r% \& K$ Q  人们在当时认为，如果以太是客观存在的，那么微粒说肯定是错误的，因为连续的阻力将会使微粒速度不断降低。反之，如果以太不存在，波动说就失去了它存在的基础。因此，对以太的争论一直牵涉到对光的本质认识。牛顿反对波动说，他认为：一个最大的反对理由在于行星和慧星在天空中各种轨道上的运动是那么地有规则和持久。显然天空中没有一切可观察到的阻力，所以就没有可观察到的物质，由于它的存在是没有用途的，而且妨碍自然界的动作并使它衰退，所以它的存在是没有根据的，从而应该抛弃。
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9 d4 v- @+ y# k  c/ o" c在牛顿以后的整个18世纪里，可以说牛顿的微粒说占据着绝对的统治地位。到了19世纪，微粒说与波动说的争论又以新的面貌开始了。首先是英国的物理学家托马斯·扬修改了惠更斯的波动理论，并根据自己所发现的双缝干涉现象为波动说竖起了一面旗帜，他指出了光的微粒说的严重缺陷：首先它不能解释由强光源和弱光源所发出的光为什么会有同样的速度，其次，当光从一种介质反射到另一种介质的界面时，为什么会有一部分光被反射，而另一部分光被折射，以及他自己发现的双缝干涉现象。它假设存在光以太，认为透明物质中的光以太密度与折射率的平方成正比，并把光比作声波，以太比作稀薄气体，认为光是纵波，解释了当时所知的所有光学现象，使光的波动说和光以太被普遍接受下来。但后来发现了光的偏振现象，使人们认识到光是一种横波，这就要求光以太必须是一种固体，并且要有一定的弹性，因为只有弹性的固体才能传递横波，气态的光以太不能传递横波。这与以前关于光以太的假想特性（极稀薄的，无孔不入的、比空气还轻的、无任何阻力的等）相矛盾。为了调和这种矛盾，物理学家们设想出好多种新的以太模型。使它在传递光时有足够的硬度，而当物体在其中运动时又像流体。如英国的斯托克斯设想以太就像水里溶入了高度稀薄的胶状物，它既可传递横波，又能使物体通过。
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在人们认识到存在电场与磁场以后，也曾将以太作为电场与磁场的载体（电以太与磁以太），法拉第曾说，“如果存在以太，那么它可能是力线（电力线和磁力线）的荷载物”。后来，麦克斯维统一了电与磁，建立了麦克斯维电磁场方程，预言了电磁波的存在，使人们认识到光就是一种电磁波。但麦克斯维仍然认为以太是传递电磁力和电磁波的介质（具有电磁性质的光以太），并计算出了光在以太中的传播速度。当时几乎所有的物理学家都相信了以太的真实存在。但是，人们对以太并不了解，如对以太和物质的关系问题、以太的功能等问题都缺乏一目了然的了解。人们设想电磁作用(包括光)是靠以太为介质传递的，以太弥漫于整个宇宙空间、没有重量，它既有机械力学特性，又有电磁特性，能传递电磁力，等等。

: M. ~% B" k  S* Z6 T3 d2 U对于以太与物体的运动以及与光的传播之间的关系人们设想了种种可能性，并试图用实验加以检验。人们设想物体的运动能够带动以太运动；又设想了物体的运动与以太无关，以太永远处于静止；还设想了介于两者之间的情形，即物体的运动会部分带动以太的运动。对于以上种种情形人们计算出了它们对光的传播速度的影响，但计算结果始终与实验不符。实验证明无论物体是否带动以太运动，光的速度都不受物体（光源及观察者）运动的影响。这一实验结果导致了爱因斯坦狭义相对论的建立，狭义相对论使人们彻底摆脱了以太的困扰，尤其后来光量子理论的成功和量子力学的建立，使人们认识到光同物质粒子一样具有波粒二象性，光本身就是一种具有波动性的粒子—光子，光的传播不需要像经典机械波那样的传播媒介。

以上所述的各种以太模型，其实都是企图用力学的方法来解释各种自然现象，把以太作为各种场与光波传递的媒介。正像爱因斯坦所说，“错误的根源似乎在于根本假设上，就是我们不应该用机械观解释一切现象。”

6 [& U& l# q2 Y以太的历史使我们可以清楚地看到作为连续介质的真空与机械以太、电以太、磁以太、光以太的本质区别与联系。真空与各种假想的以太都是连续介质，但作为连续介质的真空与物质及场是统一的，物质与场不过是真空的一种特殊形态。而历史上所提出的这些以太却与物质没有关系，它们是相互独立的，以太不过是传递力或场或光波的媒介。远古时代的原始以太也只是古人把以太作为若干物质本原的一种，不过现在看来，这已确属难能可贵，充分体现了古代哲人的伟大智慧。尤其中国古代把气作为物质的本原，老子“道生一，一生二，二生三，三生万物”的“道”的本原说更是如此，这些思想从某种意义上可以说是“物质是真空中的孤立子”的哲学表述，充分说明了中国古典文化的博大与深刻。