让牛顿麦克斯韦都沦陷的以太，差点颠覆整个经典力学、电磁理论

在 20 世纪之前，“以太”是所有物理学奖都深信不疑的物质观念，所有的物理学家所做的理论、研究、成果都是围绕着“以太”而展开，即使是牛顿、麦克斯韦这样的大神，这朵笼罩在物理史上的乌云，差点掀翻了整个经典力学、电磁理论，让所有物理学家辛辛苦苦构建的物理大厦轰然倒塌。

“以太”（Ether）一开始是一个哲学概念，诞生于古希腊时期，古希腊人以其泛指青天或上层大气。在亚里士多德看来，物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种居于天空上层的以太。在科学史上，它起初带有一种神秘色彩。后来人们逐渐增加其内涵，使它成为某些历史时期物理学家赖以思考的假想物质。

当时古希腊人认为的元素

到了笛卡尔的手里，以太就正式入驻物理这座大厦，笛卡尔是一个对物理学、数学的发展都有着重大影响的哲学家。他最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在笛卡尔看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。

在牛顿之前，大家关于这个对于物体之间的作用就存在两种对立的猜想：一种认为物体之间除了通常的接触作用（拉压、冲击）之外，还存在超距作用；一种认为物体之间的所有作用力都是近距作用，两个远离物体之间的作用力必须通过某种中间媒介物质传递，不存在任何超距作用，这种中间媒质被称为以太。当然了，我们现在知道，宇宙之间有四大力，分别是强力、弱力、引力、电磁力。

而笛卡尔可谓是牛顿的引路人，牛顿创立流数术（微积分）也是从笛卡尔《几何学》获取的灵感，当时他对笛卡尔求切线的“圆法”发生兴趣并试图寻找更好的方法。最终，牛顿首创了小o记号表示x的无限小且最终趋于零的增量。牛顿就借助于几何解释把流数理解为增量消逝时获得的最终比。

尽管牛顿是光的微粒说的创始人，当时对于光究竟是什么，物理学家产生了激烈的争执，牛顿的老对手胡克和法国科学界掌门人惠更斯提出了波动说，他们认为认为光线在一个名为发光以太的介质中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影响，他假设光会在进入高密度介质时减速。荷载光波的媒介物质也就是以太应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外，惠更斯也用以太来说明引力的现象。

而牛顿的微粒说则认为物体是由大量坚硬粒子组成的，但牛顿还是给以太在物理大厦中找到了一个位置。

牛顿在做光学实验

牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学说不能解释光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象。所以牛顿认为以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。

引力甚至电、磁力是在以太中传播的。受经典力学思想影响,物理学家便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,他们普遍认为以太是传播电磁波和光的媒介。而经典物理学理论中，将这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系，其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。以太作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱。我们知道，经典物理学有三大理论：经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学。

除了经典统计力学，其他的两大理论都和以太有关。麦克斯韦建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。可以说，没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。

而麦克斯韦为了把电磁场理论由介质推广到空间，假设在空间存在一种动力学以太，它有一定的密度，具有能量和动量：它的动能体现磁的性质，势能体现电的性质，它的动量是电磁最基本的量，表示电磁场的运动性质和传力的特征。在1865年，他提出了一共包含20个变量的20个方程式，即著名的麦克斯韦方程组。

后来，对麦克斯韦方程组进行简化和完善的是奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯，他们以矢量分析的形式重新表达，才有了现在我们所看到的麦克斯韦方程组！

麦克斯韦方程组有积分和微分两种形式

简单来说，麦克斯韦电磁理论把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受。

所以说，以太这个假象的物质观念可以说几乎充斥了整个物理大厦，在当时，偏偏许多物理学家认为这座由经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学构建的物理大厦已经足够完美。著名物理学家基尔霍夫就说过：“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”

普朗克的老师约里就曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”。后来普朗克啪啪打了老师的脸，创建了量子力学，直接建了一座新的物理大厦，成为了现代物理学的两大支柱。

这才是老师叫普朗克不要学物理的原因啊

如果以太学说被掀翻，那么物理学家关于光电、磁的所有认知都会被推翻，不仅仅是经典力学、电磁场理论将会覆灭，整个物理大厦也将摇摇欲坠。

这个时候，一个非常尴尬的事情发生了，著名物理学家迈克尔想要证明以太的存在。进行了著名的迈克耳孙—莫雷实验。

这个实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度，从而证明以太的存在。因为在经典力学里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。若能测定以太与地球的相对速度，即以太漂移速度，便可证明以太的存在。

以太风

迈克尔逊在1881年进行了第一次实验，想测出这个相对速度，但结果并不十分令人满意。于是，他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了。他们动用了最新的干涉仪。为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至多方筹措，弄来了一块大石板，把它放在一个水银槽上。这样就把干扰的因素降到了最低的限度。

迈尔克实验

然而，实验结果却让他们无比震惊和失望：两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。根本测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。 地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果。迈克尔逊和莫雷不甘心，一连观测了四天，情况都是一样。迈克尔逊和莫雷甚至还想连续观测一年，以确定在四季中，地球绕太阳运行对以太风造成的差别。但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑，这个计划被无奈地取消了。

迈尔克实验

迈克尔逊－莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”。当时，它在物理界引起了轰动。因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础，也是电磁理论的核心。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验的结果而无情地否定，那马上就意味着，整个物理世界将会轰然崩塌。

至死，迈克尔都不愿意相信实验的结果，仍然固执相信以太的存在，念念不忘“可爱的以太”。而许多物理学家则开始了轰轰烈烈的补救行动，花费数百年时间辛苦搭建的物理大厦，怎么可能让他付之东流，其中，最为著名的就是哈伦兹提出的哈伦兹变换。

洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下，拯救以太假设，便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念。在他看来，常驻以太参照系是基本参照系，在这个参照系中，时间是均匀流逝的，空间是均匀的，各向同性的。任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着。

根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于光速差异，这样就解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。

洛伦兹变换一定程度上拯救了经典物理学这座大厦，然而却治标不治本，随着实验器材的精度不断提高，迈克耳孙-莫雷实验被众多物理学家相信，他们开始慢慢怀疑以太的存在，这也让经典物理学大厦随时都有倒塌的风险。

这时候，爱因斯坦出现了，既然万事源于以太，那就把以太丢掉好了。

爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。爱因斯坦基于事实的观察着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容，来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短，不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

在狭义相对论中，空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，不同惯性参照系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的。

（简单来说，爱因斯坦给经典力学和电磁场论都划分了各自适用的领域，一旦超过了这个范围，那么将不再适用）

爱因斯坦的狭义相对论剿灭了以太这朵乌云，证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，至此，整整桎梏了物理学家近 300 年的以太彻底消失，经典力学（作用于宏观低速弱引力领域）与电磁理论在各自领域各司其职，而相对论也成为了现代物理学的两大支柱之一。

做了一点微薄的贡献