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光的简史18: 戏说光以太退出历史舞台真相
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上回说到,19世纪随着波动说重新兴起,以太也重回了它的主流地位。以太成为科学研究的重要对象后,物理学也被分成两部门:一门研究普通物质;另一门研究以太,称为“以太学”。以太当时的地位之高,由此可见一斑。 前文说过,在波动说重新崛起过程中,微粒说曾经把以太面临的困境作为攻击波动说的一个重要战场。如果说当时微粒说的攻击还存有立场情绪的话,那么,19世纪中期波动说打败微粒说后,对以太的研究就几乎不受立场因素的影响了。然而,在接下来的时间里,对以太性质的研究并没有取得实质性的进展。 上回说到,法拉第把以太视为电力线和磁力线的荷载物,光和热视为力线的横振动。似乎是他第一个把以太引入电磁领域。后来,麦克斯韦拓展和强化了法拉第观点,认为光就是产生电磁现象的媒质‘以太’的横振动。由此,光以太概念拓展到了电磁领域,迎来了它的高光时刻。 然而,这个看似令人振奋的进展,实际上只是扩张了以太的版图而已,因为关于以太性质的问题还在那里,并没有取得任何进展。这预示着以太的这个高光时刻,终逃不出昙花一现的宿命。从此,光以太就开始了身份的不断变迁,而踏上了它的不归路。 后来,洛伦兹根据他提出的三个假定,同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,一举解决了菲涅耳的一个困难——“不同频率的光有不同的以太”的问题。 但是,洛伦兹的以太几乎退化为一种抽象标志,除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,以太已失去了所有其他具体的物理性质。而菲涅耳的这个困难只是光以太所有困难中的一小部分,为了解决这个小问题,却让以太几乎丧失了全部物理性质,这个代价也未免太高昂了吧。 当然,洛伦兹这个手法也有它高明的一面。虽然他并没有从正面来解决光以太所面临的那些困难,却通过掏空以太物理性质的办法,将以太变成了一个空壳,这样光以太原来的那些困难自然也就不存在了。这种“似进实退”的结果,确实让许多人兴奋不已。殊不知光以太已深陷死亡循环之中。 一路走来,惠更斯那个充盈的光以太,用“温水煮青蛙”的方式,经过法拉第的“力线以太”、麦克斯韦的“电磁以太”和洛伦兹的“电子论以太”的不断变迁,最终仅剩下电磁波的荷载物和绝对参照系这两个性质。 然而,随着“电磁场本身就是物质存在的一种形式”的观念的建立,以及“以太漂移”实验的实施,以太仅剩的这两点性质也彻底丧失了。最终,狭义相对论成为压死以太这头骆驼的最后一根稻草。我想,以太临死前肯定很郁闷:本来是与普通物质平分秋色的一个部门,怎么就突然关门了呢? 纵观光以太退出历史舞台的过程,这既像是微粒说的“复仇者”们扳回的一局,又像是波动说一次华丽转身——直接用电磁场代替了以太的本体,用这种“狸猫换太子”的方式,一举将以太困境化解于无形。又或者说,这更像是一个“圈套”:先用电磁以太做诱饵引光以太上钩,再用电子以太和漂移实验去掏空它,等找好电磁场这个替身后,最后狭义相对论扣动了扳机。 总之,人们用“温水煮青蛙”或者“偷梁换柱”的奇妙方式,让波动理论彻底摆脱了困境。然而,用这种方式建构起来的波动理论根基,又能支撑波动王朝多久呢?从下回可知,在这个根基尚未完全夯实的时候,它就已经开始显露松动迹象了。 实际上,“温水煮青蛙”这样的奇特处置方式,在物理发展史上并不少见。比如后来的“波粒二象性”的提出过程,就是人们将水火不容的死对头波粒两大学派,一步一步地把它们硬生生地捆在一起而产生的一个“怪胎”,这也是人们抛弃“笛卡尔以太”后所带来的严重后果之一。不知道人们何时才能从这种“无奈的历史轮回”中摆脱出来。 就这样,惠更斯的“光以太”死了,麦克斯韦的“电磁以太”和洛伦兹的“电子以太”也都死了。然而,笛卡尔的那个以太并没有就此沉沦,因为“电磁场以太”还在,后来“真空能以太”来了,“暗能量以太”也来了。 如果说笛卡尔的以太有分身术的话,到底哪一个才是它的真身呢?还是笛卡尔的以太就是一头大象,它们各自只是这头大象的不同部位?相信在波粒论战尘埃落定后,我们一定能从中寻找到一个答案。
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