对于19世纪末的物理学家来说,以太似乎可以解决物理学中的绝大部分问题。
如前面说过的如万有引力和磁力这样的非接触力,这是出于笛卡尔的哲学思考,他把这些写在《自然哲学》和《世界》这两本著作里;又比如光学、热学和电磁学,这来源于麦克斯韦对光、热辐射与电学的整合;而后力学也被加入以太论的阵营,因为洛伦兹认为宏观上的物体是由带电粒子通过电磁力的平衡才形成的稳定结构,我们都知道洛伦兹力的本质是电磁力。
那时的人们相信以太的存在,因为有大量的物理事实都指向“应当”存在以太这种物质,但问题在于,人们始终无法“发现”这种物质存在的直接证据。
在20世纪以前,当人类的好奇心升起来时,便会刨根问底。
当然,那时人们对“以太”的理解,都是来自于麦克斯韦与洛伦兹对以太的认知,也就是对“电磁以太”的认知。而麦克斯韦在其临终前,给出了一个方案,他认为这个方案应该能验证他心目中“电磁以太”的存在。而这个方案在后来被实现,也就是著名的迈克尔逊-莫雷实验,通过对两束往返的垂直光束的干涉现象,判断地球相对于以太海的速度。(更详细内容请自行搜索。)
再后来的故事,对这段物理史有了解的读者应该都知道。因为无论在近代物理学史还是以太物理学史中,迈克尔逊-莫雷实验的重要性都可谓前三名,对这个实验的解读影响了对宇宙真相的理解。而当时的物理学家根据实验结果,得出了没有发现地球相对以太海运动迹象的结论,也就是开尔文爵士口中的第一朵乌云。
而怎样来解释这个意想不到的实验结果呢?在19世纪末20世纪初,不同的科学家提出了不同的可能性。
洛伦兹提出了一种可能性,他认为宏观物体是由微小的带电粒子组合而成,当宏观物体在以太海中的速度发生改变时,这些带电粒子在空间中的结构会发生变化,它们“感受”的时间流逝也会发生变化。构成实验器材的粒子群的空间尺度和时间度量都发生改变,造成两束光同时发出,同时返回的结果,没有看到干涉条纹。这便是“量杆收缩假说”,这个假说可以解释莫雷实验中的零结果。
但爱因斯坦也提出了一种可能,他认为物体所在的时间和空间是一个完整的、弹性的整体,当物体的速度发生变化时,物体所在的四维时空结构会发生变化,连带着物体的时空尺度改变,但对于实验器材本身来说,其四维时空内的一切物理规则不变,那两束光当然是同时发出,也同时返回,不会有干涉条纹,这同样可以解释莫雷实验。
简单的区别则是这样,洛伦兹的方案认为时空是绝对的,但在其中运动的物体的空间结构和感受到的时间流逝会发生改变,爱因斯坦的方案认为物质是不变的,但随着物体的运动物质所在的四维时空结构会发生变化。
同一种实验结果,但有两种不同的解释,而这两种解释其实都是自洽的,也难以取舍,但对于当时的人们来说,这两种解释也都各有欠缺,所以选择不同答案的人各自去寻找有利于自己方的其他证据。
遗憾的是,随着爱因斯坦在科学界崭露头角,随着时间流逝,更多信息不断出现,胜利的天平逐渐的偏向爱因斯坦的那一边,就如同牛顿运用自身影响力在光的波粒大战中取胜一样,在20世纪中叶以前,爱因斯坦和他的相对论取得了暂时的胜利。
如果说的多一点,莫雷实验的零结果是以太论受到的第一次沉重打击,而后续的打击便源源不断,比如麦克斯韦方程组中发现光速在一切惯性系中速度恒定(当然,这是数学方向的诠释),比如大家采用法拉第提出的“场”概念来解释电磁力的非接触传递,并用电磁场来解释光波的传递……总归,在20世纪中叶以后,几乎所有研究物理学的人都相信,“以太”是一种并不存在的假想物质,而真正存在的是“场”;相信并不存在单独的时间与空间,这两者是一个具有物质性的整体。再后来,哲学中的奥卡姆剃刀被广泛引入科学,以太变成了一个物理史中的伪概念。
在当时,讨论以太是可笑的。
因为当时的公知便是,因为没有任何实验能证明以太的存在,所以以太只是一个假想出来的莫须有的东西。虽然在近代物理学中,相对论、量子论和夸克模型(以及其身后的标准模型体系)各有欠缺,但没人曾尝试把以太再次引入。
也许是以太被放弃的时间已经太久了,久到没有人注意到,以太不曾被证伪,人们只是在“假设”以太并不存在的基础上展开了近代物理学的相关猜测。
在二十世纪,这种猜测占据了物理学的绝对主导,所以……信奉相对论的人相信时空具有弹性,相信宇宙中存在暗能量和暗物质,信奉量子论的人认为微观世界的物理本质是随机的,相信夸克模型的人则建立起了了不起的大框架……
于此,近代物理学正式进入了乌云满天的时代。
(有兴趣的读者可以自行搜索这段历史中的更多细节,或者选阅读本系列的科普版本《万物的规则》,但这并不影响本书的阅读。)
近代物理学的研究方向,是假设以太并不存在,但人们沿着这条路走了一百年,几乎毫无所得(我很感谢微电子的发展与电脑的发明),却把对世界本质的认知变得光怪陆离,对于这个时代的任何人来说,学习物理都不再容易,因为它几乎要求人们先建立一种基于前人认知的信仰才能继续学习,当然还有深不可测的数学工具。
而其实,当一条路走不通时,不妨就换一换,毕竟一百年已经过去了。在近代物理学的研究基础上,再次假设以太也许存在,一条康庄大道就突兀的展现在所有人眼前。
因为没有任何实验能完备的证明以太不存在,最多只能证明实验设计的无效,或者证伪“电磁以太”的认知。而以太的存在也并不违和。要知道,毕竟正是在以太假说的基础上,经典物理学时代的研究者完成了光学、热学乃至电磁学的绝大部分建设。
而在简单应用近代物理学的种种成果以后,可以很直接的证明以太是存在的,无论是在理论上还是实验中,这也推动着人类对世界的认知再次向前。而以往难于理解的各种问题也都迎刃而解,比如万有引力、暗物质暗能量,比如量子论的诠释。
而当对物质的认知到达极限,剩下的就是应用,以及为何去应用。
这也就是以太物理学时代的开始。
来自不同时间的读者,因为视角不同自然会带来不同的认知,但世界的本质不变。