以太模型对物理学的发展影响的研究

1、以太模型对物理学的发展影响的研宄朱宏亮引言：在每个历史时期，目睹科学概念提出的人，尽管他意识到这种科学概念的局限性和近似的特征， 也不能够以足够肯定的态度说出这种局限性是什么。这些人同样也不能绝对准确地断定当时的理论从历史 上将为何种推广做准备。因此，对同一时代的人来说明确理论的历史意义和查明历史原因是办不到的。那 种不停的变动、追求、探索虽然未能找到答案，然而却为科学中新的革命准备了条件，培育了不停顿、无 止境的追求科学真相的思想，这样一种古典物理学的形象比形而上学观念所追求的毫无矛盾的田闶诗一般 的终极解答更接近于历史的真实情况。1.1“以太”概念的來源“以太”一词起源于古希腊，有着充满天

2、空的物质的意思。最初见于一则神话传说，暗神伊利波斯与夜神 妮卡丝结合，生出个精灵气旺的宙斯祌来，这就是以太。在那个时候的希腊哲人眼里，以太并不是物理概 念而是哲学概念，古希腊的哲学家们汄为是组成世界的不可缺的物质，以太这个概念一开始就与宇宙的结 构和物质的构成等哲学命题紧密相连。柏拉图认为宇宙是由水、火、土、气、以太五种元素组成。亚里士 多德认为自然界不可能有虚空，天体之间充满了以太。以太开始具备弥散在整个空间，是一种连续介质， 不存在绝对虚空等基本特点，其巨大的外延为后來物理学家赋予以太不同的物理性质提供了广阔空间。1.2以太在物理学屮的提出哲学家把以太呼唤到世界上来吋，并没有引起多大的关注

3、，正当哲学家准备把它从世界上抹去时，物 理学家却把它接了过来。十六世纪末，吉y伯特仔细研究了磁石和磁铁，发现了磁傾现象，断定地球就是 一块大磁铁。吉尔伯特除了做实验来论证之外还企图深入一步揭露磁的本质，不过由于他对微观世界一无 所知，只不过巾思维方式去大胆想象。他认为磁铁有灵魂，灵魂藏在磁铁里并由磁铁发射出来，并且他认 为以太一次能非常恰当的表示这种磁灵魂。就这样以太第一次被列入了物理学。这样吉尔伯特就顺理成章 地解释y地磁傾现象，磁以太包罗着领近的铁物体，把它拉回自身，推而广之，地球也包藏着和发射出重 力以太，重力以太也包罗着地球上的物理体，并把它们拉向地，吉尔伯特的这种设想显然是受到一种朴

4、素 唯物主义哲学思想的影响。而在十七世纪，法国科学家笛卡尔为了解释物体之间的作用力，特别是万有引 力现象，最先赋予了以太以某种力学性质，他发表的哲学原理屮引入以太的概念，首先提出“以太”的假 说，他汄为“虚空是不可能存在的，真空不空，宇宙中存在着一种稀薄的物质。他在书中这样描述：“以太 是充满整个空间的一种物质，真空中没有空气，但有这种无所不入的以太。为揭示太阳系的结构，提出“以 太旋涡学说”，他认为星体周围的以太围绕星体做旋涡式运动，它产生的旋涡卷吸着周围的物体趋向中心, 这就是引力的作川。此假设运用类比，虽然可以解释行星的主要运动圆周运动，但没有实验作支柱。为了探求光的本质，解释光的干涉、

5、衍射等现象，胡克首先提出了光的波动说，惠更斯做了进一步发展，他 认为光波的荷载物就是以太。光可以在真空屮传播，真空是由以太纟ii成的，光可以在以太中传播，光的传 播速度决定于以太的弹性与密度。巾此建立了以他的名字命名的次波原理惠更斯原理。就这样，随着 物理问题的到來，以太就被物理学家自然的从哲学家的手中接了过去。从此，以太便犹如一个精灵，栖身 在物理学的世界里，并变化万千，表现出奇异的性质，如：力学以太、光以太和电磁以太等等。在长达几个世纪的时间里，以太引发了一大批物理大师的探索与讨论，以太也在讨论之中几经起落， 从以前的肯定到迈克尔孙-莫雷实验的表面否定再到爱因斯坦的狭义相对论并不排斥以太。

6、自此，以太无可 非议的存在于物理学的上空。伴随着物理学的发展，以太以不同的而貌出现。每种以太模型的建立，都取 得了一定的成功，在一定程度上都促进了物理学的发展。在物理学的发展过程中，以太究竟是如何影响着 物理学的发展呢？它起了什么样的作用呢？本文将对此w题作一讨论。2. 以太在物理学屮的应用我们回顾一下物理学史，只要物理学的发展在某个阶段受阻而停滞不前吋，物理学家就会引入一个新 的物理假设来帮助自己解决所遇到的困难2.1以太在力学中最先将以太引入物理学并赋予以太一定力学性质的是法m哲学家，物理学家，数学家笛卡尔为了解决物 体之间相互作用力本质的问题，他继承并发展了亚里士多德的观点，在1644发

7、表的哲学原理中引入了 以太的概念，他首次将天体之间的运动归因于力学而非当时流行的泛灵论，排除了物质世界和物体运动中 “神”的作用，为当时的物理学楞脱宗教的控制近而走上科学的发展道路迈出了重要一步，对牛顿的万有引力 的诞生起到了思想启蒙教育。牛顿的万有引力定律和三大力学定律的发现，把天上和地上的静动联系起来了，最终建立了经典力学的 理论大厦。但是像一切理论一样，牛顿力学的建立一开始就孕育了一些矛盾和不足，尽管由于牛顿的显赫 权威与极岛声誉使人不去怀疑他得出结果的真伪。其屮之一就是万有引力定律而临的困难。由于推迟效应 牛顿第三定律与万有引力定律发生了冲突。为了解决这个问题，牛顿做了一个假设，认为万

8、有引力不同于 摩檫力，是一种瞬间的超距作用力，力的传递不需要花费任何时间。笛卡尔为解释物体之间的作用力，特 别是万有引力现象，最先赋予以太以某种力学性质。在他看来，物体之间的所宥作川力都是通过以太这种 中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用。他认为，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质 所充满。天体可以在其屮畅行无阯，以太在不停地剧烈运动中，卷起一个又一个的漩涡，太阳就处在一个 大漩涡的屮心，周围的漩涡带动着行星，地球和行星有带动着他们周围的小漩涡，石尖落向地球，行星吸 引卫星，都是以太的漩涡效应，这正如河中的浮草卷进漩涡一样。之后牛顿又提出了另一种设想，他假设 行星之间有以太存在。对

9、于一个天体來说，离这个天体越远，以太的压力就越大。因此，以太压力就把天 体压向物体，这就是万有引力的原因。不管是笛卡尔的以太漩涡，还是牛顿的以太压力，都形象的解释了 万有引力的原因，尽管他们没有给出严密的数学推演和实践验证，但人们总算不必为了解释万有引力的原 因而费脑筋了。力学性质的以太缓和了矛盾、弥补了不足、使得物理学可已进一步发展。2.2以太在光学和电磁学中物理学家把以太从希腊哲人那里借来充当了解释万有引力的引力媒介。不过十七世纪的人们还不是那么 渴望了解引力本性，对于他们一台是可有可无的。光学理论就不是这样了。由于牛顿的微粒假说与胡可 惠更斯的波动假说的争论。人们急切要去探索光的本性。人

10、们只认识机械波，而机械波必须有承载波的介质，因此当时的波动说认为光的承载介质就是以太，用 以解释光可以穿过抽出空气的玻璃管，即光可以在没有空气的真空中传播的事实，此时以太以承载光波介 质的光学领域获得了新生。由于波动说还可以解释光有不同颜色的原因是波的振动频率不同，而微粒说可以解释光的直线传播。从而， 需要以太的波动说和不需要以太的微粒说，在当时关于光的本性的争论屮处于势均力故的状态。然而，由 于牛顿支持微粒说，随着牛顿在物理学界威望的增长，光的微粒说压倒了波动说，作为波动说的基石 以太的理论也随之处于低潮。1807年，托马斯杨设计了著名的双缝干涉实验，并用波动说完美地进行 了解释.菲涅耳则采

11、用了光的波动说并成功地解释了光的偏振.这使光的波动说重新占裾上风，也使光的 承载介质以太的地位得到了巩固。随着光学的发展，对光的性质及其规律的认识也逐渐丰富和深化.人 们慢慢认识到光是横波，且光速达到了 m/s,依据弹性力学，承载光波的介质以太应该是坚硬的固体.然而， 无处不在、坚硬的固体以太却不能阻挡來自遥远星球的星光來到地球，这是令人难以置信的.这使得作力 承载光波的介质的以太又一次受到大家的质疑。一直到人们认识到光的本质是电磁波，这一基础问题方在 电磁学和电动力学的框架下得以解决。正当人们为了阐述机械光媒而大费脑筋的时候，法拉第发现了空间具有电和磁的性质。和笛卡尔一样， 法拉第不承认通电

12、导体对小磁针的超剧作用。但他也不相信吉尔伯特关于磁石发射灵魂的说法。他假想在 磁极或电荷周围的空间有一些力线或一些质点链，这些链在离开源后，可以在空间自由进行，作用于远方 的导线或磁体。1865年，精于数学的麦克斯韦将法拉第的思想写成电磁学方程。它表明变化的电磁场以波 动的形式在空间传播，电磁波的速度只与介质的电和磁的性质有关。就这样麦克斯韦川笔尖证明了无处不 在的以太己经在某种意义上和空间本身合为一体。由于电磁波的传播速度与光速相同，麦克斯韦断定，光 是一种电磁现象，有一种以太就可以传播光和电磁波，无需臆造好几种不同的以太。于是力学性质的以太 就被电磁性质的以太代替了，人们不必再在以太的其妙

13、性质上大伤脑筋了。2.3以太参照系经典力学体系需要一个绝对参照系，长久以来，人们就在寻找它的物理实在。牛顿在阐明他的儿大运 动定律时，曾选用了一个“不动”的参照系，即以假想的一颗“不动”的行星作参照系。他坚持汄为，广大的空 间自身就是一个固定的参照系，用它可以确定一切物体的运动。显然，如果找到这种传光介质“以太”，自然 就可以将其固定在上面，形成一个固定的参考系。这时，牛顿的企部力学定律就会严格的正确，但同时牛 顿力学也和以太紧密的联系在一起了。牛顿在科学史上做出了划时代的贡献，他的力学定律获得了极大的成功，人们对经典力学的满意和对牛 顿的崇敬是一样高的。对于以太该是什么，他们大多数人都是抱着

14、证实的目的做这一项工作的。物理学家 做了许多完美的假设；具有固态性，具有极大的切变模延而弹变模又很小。物理学家之所以这样满怀信 心和希望去积极寻找神秘的以太，主要是因为以太同牛顿的经典力学有非同小可的联系。倘若绝对静止的 以太真的存在，那么以太所占据的空间当然可以设想为静止不动，从而空间的间隔也是绝对的。有了绝对 的空间间隔及绝对时空观；“绝对的空间就其本性而言，是与外界事物无关而永远是相同和不动的。”由绝对 空间观可以导出它的绝对时空观：“绝对的、真正的、纯数学的时间，就其本性和自身而言，是永远均匀流 动的，不依赖于任何事物。”综上所述，以太可以逻辑的演绎出牛顿的绝对时空观，而牛顿的全部力学

15、规律 都是建立在绝对时空观基础上的。因此，“以太的命运就同牛顿力学的命运已经相互紧密的联系在一起了， 他们的结局都是同一的。此时，以太学说在物理学不同分支学科的发展随着这些学科的成熟而幵始走向融 合统一的道路.以太在经典物理学中的核心内涵有三：绝对静止参考系，传递相互作用的介质，承载电磁 波传播的介质。尽管当时的物理学家们都认为整个物理大厦已建成，只不过这座大厦是以以太为支点而建 成的。3. 以太概念的衰落十八世纪是以太没落的时期。由于法国笛卡尔主义者拒绝引力的平方反比定律，而使牛顿的追随者都起 来反对笛卡尔哲学体系，因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。随着引力的平方反比定律在天 体力

16、学方而的成功，以及探寻以太的试验并未获得实际结果，使得超剧作用观点得以流行。光的波动说也 被放弃了，微粒说得到广泛的承认。到十八世纪后期，证实了电荷之间（以及磁极之间）的作用力同样是 与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃，超剧作用的观点在电学中占据了主导地位。十九世纪，以太获得复兴和发展，这首先还是从光学幵始的，主要是托马斯杨和菲涅尔工作的结果。 杨用光波的干涉解释了牛顿环，并在实验启示下，于1817年提山了光波为横波的新观点，解决了波动说长 期不能解释的偏振现象的困难。菲涅尔用被动说成功解释了光的衍射现象，他提出的理论方法（现常称为 惠更斯菲涅尔原理）能正确的计算出衍射图样，并能解释

17、光的直线传播现象。菲涅尔又进一步解释了 光的双折射，获得很大成功。1823年，他根据杨的横波学说和他自己在1818年提出的透明物质中以太密 度与其折射率二次方成正比的假定，在一定的边界条件下，推出关于反射光和折射光振幅的著名公式，它 很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果。菲涅尔关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体屮速度公式。1818年他为了解释阿拉果关于光折射行为的实验，在杨的想法 基础上提出；透明物质屮以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，他还假定当一个物体相对以太参照 系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动（以太部分曳引假说）。利用菲

18、涅尔的理论， 很界易就能得到运动物体内光的速度。十九悅纪中期曾进行了一些实验，以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应。并由此测定地球相 对以太参照系的速度，但都得到否定的结果。这些实验结果可从菲涅尔理论得到解释，根据菲涅尔运动媒 质中的光速公式，当实验精度只达到一定的量级时，地球相对以太参照系的速度在这些实验屮不会表现出 来，而当时的实验都未达到此精度。在杨和菲涅尔的工作之后，光的波动说就在物理学屮确立了它的地位。 随后，以太在电磁学中也获得了地位，这主要是巾于法拉第和麦克斯韦的贡献。在法拉第心目中，作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位，他引入了力线来描述磁作用和电作 用，在他看来，力

19、线是现实的存在，空间被力线充满着，而光和热可能就是力线的横振动。他丹经提出用 力线来代替以太，并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写道：“如 果接受光以太的存在，那么它可能是力线的荷载体。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。到十九世纪六十年代前期，麦克斯韦提山位移电流的概念，并在提出用一组微分方程来描述电磁场的 普遍规律，这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组，可以推出电磁场的扰动以波的形 式传播，以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里，这与当时己知的空气中的光速每秒31万公里在实 验误差范围内是一致的。麦克斯韦在指出电磁扰动的传

20、播与光传播的相似之后写道：“光就是产生电磁现象 的媒介（指以太）的横振动”。后来赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功解释广光波的 性质，这样以太不仅在电磁学中取得了地位，而且电磁以太同光以太也统一了起来。麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象，他在1855年的论文中，把磁感应强度比作以太的 速度。后来他接受了汤姆孙（即开尔文）的看法，改成磁场代表转动而电场代表平动。他汄为，以太扰磁 力线转动形成一个个涡元，在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定，当这些粒子偏离它们的平衡位 置即有一位移时，就会对涡元内物质产生一定作用力引起涡元的变形，这就代表静电现象。关于电场同位 移有某

21、种对应，并不是完全新的想法，汤姆孙就曾经把电场比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出， 当绝缘物质放在电场屮时，其屮的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于，他认力不论有无绝 缘物质存在，只要有电场就有以太电荷粒子的位移，这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说，位移电 流是真实的电流，而现在我们知道，只是其中的一部分（极化电流）才是真实的电流。在这一时期还曾建立了其-他一些以太模型，不过以太论也遇到一些问题。首先，若光波为为横波，则 以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运动其屮会不受阻力呢？有人提出了一种解释：以太可能是一 种像蜡或沥青一样的塑性物质，对于光那样快的振动，它具有足够的

22、弹性像是固体，而对于像天体那样慢的运动则像流体。另外，弹性媒质屮除横波外一般还应有纵波，但实验却表明没有纵光波，如何消除以太 的纵波，以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。为了适应光学的需要，人们对以太假设一些非常的属性，如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有, 巾于对不同光的频率，芄折射率也不同，于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样，每种频率的光将不 得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾的性质实在是超山了人们的理解能力。十九世纪九十年代，洛伦兹提出了新的概念，他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的 效应。至于物质中的以太，则同真空中的

23、以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定，物体运动时并不带 动其中的以太运动。但是由于物体屮的电子随物体运动时，不仅要受到电场的作用力，还要受到磁场的作 用力，以及物体运动时其中将出现电介质运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。 在考虑到上述效应后，洛伦兹同样推出了菲涅尔关于运动物质中的光速公据束缚电子的强迫振动，可推出 折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论，它获得了很大成功。十九世纪末可以说是以太论的极盛吋期。但是，在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再 有任何其他的运动和变化，这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载体和绝对参照系， 它已失

24、去了所有其他具体生动的物理性质，这就乂为它的袞落创造了条件。巾此可见，以太的兴袞史构成了一部物理学的发展史。以太就像一条细线，牵引着物理学曲折地向前 发展。4. “以太”做为一个错误的模型为什么会长久不衰4.1以太大厦面临坍塌的危机一直以来，有一个问题让科学家们大伤脑筋，甚至使一些科学家处于绝望的境地。那就是物体相对于以 太的运动，运动的物体是不是带动以太？这个问题与光的测量有紧密的联系，麦克斯韦虽然在他的方程屮 算出了电磁波的速度，至于它是电磁波相对与以太的速度还是相对于观察者的速度/在方程屮一点都看不出 来，似乎是避而不答。当时许多人对此表示不满，其实正是这避而不答中含着极其深刻的辩证法，

25、而他自 己一点儿都没有领悟。不过当时人们所说的光速，不言而喻是指光相对于以太的速度，这是很自然的，因 为他们把光类比于声，声速是以空气为参照系测出的，运动的物体并不带动空气，人相对与空气是静止或 运动，所测得的声速不同。既然运动的物体不带动以太，所以当人相对于以太静止或运动测得的光速应该 不同。1881年麦克尔逊应用干涉仪做了一个观察地球相对于以太运动的实验，也就是“以太漂移”的速度。 1887年在克利夫兰的切斯应用力学学院做的实验，让以太的幽灵寿终正寝，由物理学家迈克尔逊和莫雷一 起完成的，他们用一个光源向两个方向发射光束，两束光被与光源距离相等的两而镜子反射回来，其中一 束光的方昀是沿着设

26、想的地球相对以太运动的方向，另一來的方叫与其垂直，迈克尔逊和莫雷期待发现，在两个相互垂直的方向上光线的传播速度会有不同，这差别可能就是由于地球在以太中穿行的运动而导致 的，比如在地球轨道运动方向上传播的光，会相对以太风逆行，这样，这束光的速度就会比其他方向上的 光速慢，分析光的运动就知道垂直于以太方句的光束，比沿着以太风方肉的光束提早被反射回来，两束光 被反射回到光源处的时间差可以计算出，并与实验相比较，但是迈克尔逊和莫雷没有发现一点时间差，他 们在一年的不同时间重复同样的实验，但是不管他们如何努力，还是没荷观察到时间差别。实验结果指出， 地球与以太没有相对运动。1902年屈劳顿和诺w尔应用电

27、容探测地球相对于以太的运动，结果也没有发现 以太的漂移。实验的结果让很多人苦恼不已，特别是1887年著名的迈克尔逊莫雷实验以无可争辩的事 实宣告了以太的不存在，“出乎意料的负结果”此事轰动了整个物理界，人们一时陷入了惶恐和危机屮，似乎 整个大厦都由于根基的不稳定而开始动摇了，许多的科学家都相应的做了一些实验來证明以太是存在的， 但都没打确切的证据。4.2以太的隐藏与爱因斯坦相对论正当一大批科学家为挽救以太而陷入惶恐吋，爱因斯坦做山了明智的选择，他把以太隐藏了起来，抛弃 了绝对参照系的干扰，指出光以太的引入是多余的，在作出光速不变公设后，整个狭义相对论的公理化体 系建立起来了。狭义相对论并不是直

28、接从迈克尔逊莫雷实验得到的，直接的来源是麦克斯韦洛伦兹的电磁理 论，爱因斯坦抛弃了绝对参考系，指出了光以太的引入是多余的，在麦克斯韦洛伦兹理论中采用了关 于在真空中光速保持恒定假设之后，创立了狭义相对论。相对论的核心是时空概念的变革，那么，狭义相 对论对时空的认识是怎样的程度呢？ 一方面他否定了时空关系的绝对性，另一方妞爱因斯坦说：“狭义相对 论的这个刚性叫周空间，在某种程度上类似于洛伦兹三围以太，只不过他是叫围的罢了。”对于狭义相对论 而言，下列陈述也是合适的：物理状态的描述假设了空间是原来就已经给定的，而且是独立存在的，因此， 连狭义相对论也没有消除笛卡尔的“空虚空间”是独立存在的或者是先

29、验性存在的这种见解所标示的怀疑。经 典力学和狭义相对论都是认定空间的存在不依赖于物质或场，也就是说狭义相对论也存在不足，而这些不 足是广义相对论解决的。广义相对论进一步否定了时空的绝对独立性，把时空和场联系在一起，一无所有的空间即没有场的空 间是不存在。”关于这一点，爱因斯坦还有一句话说得很好：“笛卡尔认为一无所有的空间并不存在的见解与 真理相去并不远。”如果仅从有质物体来解释物理实在，那么上述观念看来的确是荒谬的，将场视为物理实 在的表象的这种观念，再把广义相对论原理结合在一起，才能说明笛卡尔观念的真义所在，：“没有场的空 间是不存在的。”广义相对论把唱作为物理实在，承认场的物质性，把空间看

30、作场的一种结构性质，因而没 赋予物理性质。爱因斯坦在他的以太论一文中多次用到“狭义相对论以太”和“广义相对论以太”这些词， 他断言“理论物理学绝不能没有以太。”他把以太等同于（物理）空间，巾此我们可以认为，爱因斯坦所谓的 理论物理学不可或缺的那个“以太”或（物理）空间就是量子场论所研究的（物理）真空或（量子）真空，而不是以往以太假说中的那个以太。其实不论是牛顿力学还是麦克斯韦洛伦兹的电动力学，和爱因斯坦 的相对论，“以太”都不过是空间的代名词，只是它们的物理意义和性质大有不同。以太这个词的具体涵义在 科学的发展屮已经改变了很多次，从这个角度来看正如爱因斯坦说的“不去谈什么以太，而是谈论空间的物

31、 理性质也一样。”1970年，物理学家汗柯图里勃洪完成了一项理论工作，结果表明：如果承认了光速不 变原理，那么就完全没有理由说迈克尔逊莫雷实验否定了以太的存在。由此可以知道，爱因斯坦的相对论挽救了以太，以太在这里进行了一次变身。从某种意义上来说，变 身后的以太促进了爱因斯坦划时代理论的完成。4.3以太真空在某种程度上可以等同爱因斯坦在论以太一文中还寄希望于后代能克服认为物质和场有别这个二元论概念，从而不在视场为 独立的物理实在。这实际上是鼓励人们去研宂场的微观机制，或者说，去研宂空间的物理性质。宇宙中是 否存在一无所有的真空？答案是否定的。“真空不空”，真空是什么呢？这已成力现代物理学中研宄的

32、一个前 沿课题。早在1928年狄拉克就从相对论电子运动方程出发，用负质量态描述真空，提出真空充满具有负能 级态的电子，它们不能被观察到，如果与足够的能量，使真空的一个电子从负能级跃迁到正能态，将会使 真空出现一个空穴电子。狄拉克的这个空穴理论在当时没有多少人相信，至到三年后在安德淼的宇宙 实验屮得到证实，因此发现了正电子，人们才佩服狄拉克“真空不空”的惊人的分析。1947年，物理学家进 一步发现，真空不但充满物质，而且还会受到外界的影响而产生一些效应，如真实电子巾于泡利不相容原 理对真空的影响造成零点振动等，另外，真空物质与外界电荷的电相互作用也将使其正和负电荷发生相对 位移，即真空极化。这些

33、外界物质的影响都给真空物质造成了一定的能级移动。兰姆的微波氢原子光谱实 验和朝永振一郎的计算都证实了这些能级的移动。从八十年代开始，相对论重离子碰撞研究为改变与分析 真空状态提供了可能的实验手段。我们知道当今描述自然界不同相互作用的三种理论是：描述弱相互作用 与电磁相互作用的统一模型，描述强相互作用的fi子电动力学和描述万有引力的广义相对论，这些理论都 有某种对称性来描述物理世界，然而是不完善的，大部分与这些对称性相关的子数是不守恒的，它因该 对应于一个新类型的基本力，即对应于对称性破坏的力。对于这个力，理论物理学家认为它是存在的，但 知道的很少。现代量子场论认为真空不是简单意义下的真空，它并

34、非空无一物，而是量子场的基态。当物 质所处的基态物理真空不对称时整个系统的对称性就发生破坏，失去的对称性能否从具有复杂对称性结构 的真空中找到呢？至于夸克，物理学家相信它是真实存在的物体，而且具有相对低的质量（除了顶夸克外）， 并且他们的相互作用在能量很高时很小，成为自由夸克。然而，把夸克从其他物质屮分离出来的尝试都没 有成功。夸克为什么被禁闭在色单态的强子屮呢？有一种可能的解释是：真空就像无数正反夸克及胶子对 构成的凝聚态，他将夸克束缚于色单态的强子中，导致禁闭，使人们看不到单个的夸克。这两个迷向人们 显示，微观的基本粒子物理与宏观世界的研究与对真空的研究联系在一起了。要研宄真空，最好是设法

35、改 变它的状态。李振道教授认为：真空是不是nj以看成是一种物理媒质，最好是找到一种办法，使真空激化。 一方面，对称性破坏机制是希格斯机制，真空的激发也许会导致希格斯一类粒子的发现，另一方面，一般 高能物理实验手段只能探测很小的空间范围，很难带来可观测的实验效果，而相对论重粒子碰撺则有可能 在较大空间范围形成髙温，高能:w:密度。而且当两粒子能:w:足够大时，相撞的两个核内的核子在损失了一 部分能量后穿过碰撞区，从而提供了一种改变真空状态的实验手段。以太和真空这两大疑难一直困扰着科 学界。为了揭开这两大疑难的奥秘，科学家们作出了许多的努力和探索。爱因斯坦曾说过：“没有以太的虚 空是不可以想象的”

36、，他指出，以太不会由可以被观察到的物质组成。一无所有的虚空是物理学家所不能接 受的。因此，今天我们可以从某种意义上说，以太和真空在某种层面上是等价的。5. 结束语回顾物理学的发展，我们看到以人自出生以来便是具体物质这个家族中的一个顽童，对物理学的过去 产生过重要影响，它对我们从一个侧而了解物理学的发展史是有益的。此外，近代天文学四大发现之一的 宇宙微波背景幅射和暗物质，引起的人们对未知物质形态的探索，重新引起人们对以太的反思和审视，真 空不空里己得到证实，但真空的结构又是什么样的？物质世界是否存在与历史上以太的概念完全不同的新 的以太？近代以太说的有所复活又引起了人们的关注。爱因斯坦曾经说过“

37、科学史上经常碰到这样的情况, 一些重大问题似乎已经得到解决，但是却又以新的形式出现，这也许就是物理学的一个特征。并且，某些 基本问题可能会永远纠缠着我们。只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说，我们是否可以作出 这样预期，未来超统一场理论下的“广义量子”也许是以太的最终归宿，以太说或许还会在未来带给我们新的 启迪。整理以太概念的兴衰历史，发现以太这个名同儿乎贯穿了整个科学史，它的每次承认与否定，要么使 科学得到了飞速的发展，要么是科学停滞不前，在科学思想上具有非常重大的研究意义。首先，以太学说 主张太空不是虚空，真空并非真正的空；其次，以太学说否认超距作用，否认不可入行。这些观点即使对 现

38、代物理学而言，仍然是物理思想屮的精华。量子场论的发展表明：真空确实不是绝对的真空，它是量子 场的一种特殊状态。它与物质粒子之间又相互作用，粒子可以当做真空的激发态，它有涨落过程、极化效 应、以及相变机制等物理属性。于是，真空再次成为神秘复杂的背景媒质。而以太说，不过是关于真空的 前期理论。从这个意义上说，人们仍然在继续研宂以太学说，使用以太思想。回顾一下物理学史，我们就会很有启发。在十九世纪的交替时期，经典力学受到了无情的挑战。最著 名的就是当时物理学存在的两个疑难m题：(1) “以太飘移”。在1887年麦克尔逊莫雷实验表明没有绝对的惯性系存在。(2) “紫外灾难”。在1990年普朗克解释黑体

39、辐射规律所建立的公式表明波粒二象性的存在。现代物理学经过一个世纪的蓬勃发展后，其辉煌成绩有目共睹，但是不可否汄，它的某些领域仍然存在缺 陷。在二十世纪，粒子物理学中的两大疑难又摆在了人们的而前：(1) 对称性破坏。目前的所有理论都是基于对称性基础上的，但是很多与对称性有关的量子数是不守恒的。(2) 夸克禁闭。所有的强子都是由夸克组成的，但是从未有单独的夸克可以被人们所看到。今天，当我们对这些疑难作再一次回顾时就会发现，这两件科学事件虽然想去多年，但他们却有着某种联 系，而这叫个疑难中有三个的出现和解决是和一个非常古老又吸引许多人注意的概念“以太”有关。综上所述，以太在物理学的发展屮具有重要的作

40、用，对物理学发展的影响也非常深远。以太宄竞是什么？ 今天没有人能给山明确的答案，因为在不同的吋期，对以太有不同的理解，但有一点相同，那就是以太是 物质性的。至始至终，人们都没有停止对以太的探索。可以作出进一步的猜想，在二十一世纪，随着以太 的神秘而纱的揭开，我们的物理理论会得到进一步的发展和完善或者孕育出新的理论。电磁学理论的建立对第二次工业革命影响的研究姓名 石龙 学号1350801125【正文】1、引言电磁学是研究电磁现象的一门学科，是物理学科的一个重要分支电磁运动是物质的基本运动之一，电磁 相互作川广泛的存在于自然界电磁学的每一次进步，都给人类社会的进步和发展带来了巨大的动力，使得 人来

41、经过第二次工业革命后进入了电气时代。19世纪是自然科学获得长足发展的时代，特别是在热力学、电磁学、化学方面取得了重大的理论突破。 科学开始与工业生产紧密结合起来，在技术上取得一系列的新进展，并带动了许多新兴工业部门的兴起。 科学成为推动生产力发展的一个重要因素，它与技术的结合使第二次工业革命取得更大成果。可以说是 科学带动技术。1870年前后，世界科学技术出现了第二次重大突破并运用于生产，从而进入了“电气时 代”，这可谓第二次工业革命。第二次科学技术革命直按來源于科学研究和实验。科学家和研究人员绝大多 数从受过系统的高等教育的大学生、研究生中产生出来的，少数自学成材者也是经过刻苦顽强的学习，系

42、统地 掌握了高深的科学理论和知识的。这标志着人类已更加自觉地探求科学，以应用于生产、生活和军事。在第 二次科学技术革命时，科学成就应用于工业，在三个方面产生了革命性的发展.新能源一电和石油的发 现和利用，新机器一电动机和内燃机的创制;为远距离提供迅速传递信息的通讯工具的发明。恩格斯一开始就敏锐地看到电的发现和应用具有深远社会意义。他指出:“蒸汽机教我们把热变成机械运动，而电的利用将 为我们开辟一条道路，使一切形式的能一热、机械运动、电、磁、光一互相转化，并在工业中加以利用”，不仅 “生产力将因此得到极大的发展”，“到最后它终将成为清除城乡对立的最强有力的杠杆”，“这实际上是一次巨 大的革命”，

43、这就是第二次科学技术革命。科学应用于技术，促进了工业革命的发生和发展。2、电磁学理论在第二次工业革命中的应用2.1人类对电磁学的发现和研究人类对电磁现象的研究可以追溯到很早的年代，西汉末年（大概公元20年左右）就有关于摩擦过的 玳瑁吸引细小的物体的记录；东汉时期王充在论衡乱龙篇屮有“顿牟缀芥，磁石引针”的记载；公 元前585年，希腊哲学家泰勒斯记载过用木块摩擦过的琥珀能吸引碎草屑等轻小物体的能力，其后又有 人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力.在中国古代的山海经管子吕氏春秋韩非子有 度篇武经纲要梦溪笔谈中，对磁体和磁现象做了分析和记录，并对指南针的制造和使川作了 描述。16世纪英国科学家

44、、皇家御医吉尔伯特，在他出版的专著论磁性、磁体和巨大的地球磁体一 书中，分别讲述磁体和磁现象，讲述了摩擦起电现象和电吸引现。并汄为地球本身就是一个巨大的磁体， 因此磁铁因为处于地磁场屮而受到了力的作用.而摩擦起电的物体虽然也有吸引细小物体的能力，但是它 们不会受到地磁场的影响，因此他们不是磁力而是电荷之间相互的作用力。a 1660年盖里克发明摩擦起电 机后，电现象的研宂变得可行了。1720年，格雷发现了导体与绝缘体，发现了导体的静电感应现象。1733 年，杜菲经过实验区分出两种电荷，他分别称之为松脂电（即负电）和玻璃电（即正电），并由此总结出 静电相互作用的基本特征：同性相斥，异性相吸。莱顿瓶

45、的发明使得电现象的研究更加深入。富兰克林发 现了尖端放电，发明了避雷针，研究了雷电现象，并从莱顿瓶的研究中，提出了电荷守恒原理。后来康顿 在1734年用电流体假说解释了静电感应现象。至此，静电力基本特性、电荷守恒和静电感应这三条静电学 基本原理己经建立。1785年，库仑利用扭秤试验总结出：真空中两个静止的点电荷之间的作用力与它们的 电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。库仑定律不断经受 着实验的检验，目前己经成为精确的实验规律之一。1820年4月，奥斯特在作有关电和磁的演讲时，尝试 将磁针放在导线的侧面，正当他接通电源时，发现磁针轻微地晃动了一下，他立即意

46、识到这正是他多年盼 望的效应。经过反复实验，奥斯特终于查明电流的磁效应沿着围绕导线的螺旋方向。1820年起，电磁热席 卷欧洲，法拉第相信自然力的统一性，认为“磁生电”是必然存在的。从1824年到1828年，法拉第多次进行 电磁学实验。1831年8月29日，法拉第终于取得突破性进展。这次他是用一个软铁圆环，环上绕两个互相 绝缘的线阐a和b，法拉第对各项实验作了总结，将产生感应电流的怙况分为5类：变化中的电流，变化 中的磁场，运动的稳恒电流，运动中的磁铁，运动中的导线。法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现 象。1833年楞次川楞次定则來说明感应电流的7/向。1845年纽曼以定悻的形式提出电磁感应

47、的定量规律。1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文电磁场的动力学理论，全面地论述了电磁场理论。 对麦克斯韦的功绩，爱因斯坦作了很卨的评价，他在纪念麦克斯韦逝世100周年的文集中写道：“自从牛顿 奠定理论物理学的某础以来，物理学的公理某础的最伟大的变革是巾法拉第和麦克斯韦在电磁现象方而的 工作所引起的。”“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远连在一起的。这次革命的最 大部分出自麦克斯韦”。洛伦兹在1892年发表了麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用，在对麦 克斯韦电磁场理论修订的基础上提出了著名的经典电子论。他将电磁波（包括可见光）经过物质吋呈现的 各种宏观电磁现

48、象，都归结为电磁波与物质屮在准弹性力作用下电子的相互作用的结果。从这一简单的假 设出发，洛伦兹成功地解释了物质屮一系列的电磁现象，以及物质在电磁场屮运动的一些效应。洛伦兹的 电子论为塞曼效应提供了理论依据和科学解释。在洛伦兹的电子论中，电子的运动是一切电磁场的根源。科学理论研究在19世纪科学技术向纵深发展的基础上，在科学理论上出现了新的伟大成就，那就是在 牛顿力学之后，发现了能量守恒和转化定律以及电磁科学。这是第二次科学技术革命的理论基础。在19世 纪，有好几位科学家，几乎同时而又各自独立地发现了能量守恒和转化规律。其屮英国物理学家焦耳在奠定这 一定律的实验基础并用实验来测定热功当量等方面所作

49、的贡献尤其明显。1840年，22岁的焦耳经过多次通 电导体产生热s的实验，发现电能可以转化为热能。根据实验结果，他写成了电流析热的论文。他的发 现儿乎与英国物理学家愣次同时获得，故把这一科学成果称为焦耳一愣次定律。焦耳进一步研宄了各种运动 形式之间的能量守恒和转换的关系。1843年，他宣布:a然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到 相当的热，热只是能的一种形式。这一论点冲破了传统的“热质说”的机械唯物论观点，轰动了科学界。恩格 斯指出:自然界的各种能，“都是普遍运动的各种表现形式，这些运动形式按照一定的度量关系由一种转变为 另一种，因此，当-种形式的量消矢吋，就有另-种形式的一定的量

50、代之出现，因此，自然界中的一切运动都可以 归结为一种形式向另一种形式不断转化的过程。”英国的伟大的物理学家麦克斯韦是和牛顿、爱因斯坦同 样伟大的物理学家和思想家之一，1855年，他完成了他第一篇重要论文一论法拉第的力线，1862年 发表了第二篇论文一论物理的力线。1864年1月8日，麦克斯韦向皇家学会宣读了他关于电磁场的 第三篇重要论文一电磁场的动力学理论，并正式发表于1865年，在他自称是电磁统一理论的论文中， 包含了概括了 20个变量的20个方程，经过后人进一步整理和综合，成力以他的名字命名的概括所有电 磁现象的a程组一麦克斯韦方程组.他推论变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，电场磁场

51、相互交 替，在真空中传播，而且导出电磁波在真空中传播的速度与光速一致，他由此预言了电磁波的存在和光 也是电磁波。麦克斯韦的电磁理论提出后，由于光波波氏极短，无法测量而在很长的一段时间内并没有被 所有的人接受，一直到他的推论和预言被德国的物理学家赫兹1888年的电容放电和检测实验所证实。赫 兹受到他的老师的亥姆崔兹的鼓励，从1878年开始用实验方法验证麦克斯韦理论，虽经多年努力仍没有找 到途径。1886年10月，赫兹在做电路放电实验过时，偶然发现旁边的一个两端间有空隙的开路线圈也 发出火花。他立刻想到这可能是电磁共振，沿着这个思路，他随后在一年中做了一系列的实验，设计了发 射电磁波的赫兹振子和接

52、收电磁波的共振探测器，由此证实了电磁波的存在，还测出其速度与光速相同， 与光一样具有反射、折射、干涉、偏振等性质。赫兹的实验很好的证实了麦克斯韦理论，开创了无线电技术的新时代，经历了 80年才从库仑定律的发现至麦克斯韦理论的建立，到赫兹实验的证实经历了将近 一个世纪，电磁学的大厦终于巍然屹立于由必然王国通向自由王国的征途之上。麦克斯韦理论说明电磁 相互作用是媒递作用，巾电磁场来传递；它的传递速度是有限的光速，不是作用。电磁场是物质的一种 形态并具有能量，电磁波是电磁场的运动，在这过程中电磁场的能量向前的传递。超距作用认为传递相互 作用不需要时间的说法是不对的，但它是人类认识电磁现象的一个中间阶

53、段，对电磁学的研究起到了很重 要的作用，在静电学、静磁学以及缓慢变化的电磁场问题中，用这种观点分析仍然是对的。人类对自然界 的认识不断的发展和完善，总结出的规律具有相对性，只有在人的认知范围不断扩大和认识深度不断加深 的之后，人们才能越来越全而正确的掌握向然科学的规律和本质。麦克斯韦的理论也是如此，这个理论在 解释特殊介质的电磁性质及光学色散现象时也遇到了困难。正是这些新凼难和新问题的出现，才引起了 人们更深入的分析研宂。1892年后，荷兰的物理学家洛伦兹发表了一系列的论文，提出了电子论，把物 质的电磁性质归结为原子中的电子电流效应，将麦克斯韦的电磁理论应川到微观领域，从而部分地克服了 以上的

54、困难。1905年，爱因斯坦创立了狭义相对论证明了麦克斯韦方程组满足洛伦兹变换，而且在任 何惯性系中都有相同的形式。可以通过洛伦兹变换得到电场和磁场的相互转换关系式，即电磁场区分为电 场和磁场完全并不是绝对的，而取决与参考系的选择。爱因斯坦的狭义相对论实现了电场和磁场以及电力 和磁力的统一，使经典电磁理论更加完善。2.2第二次工业革命中科学和技术的结合第二次工业革命期间，自然科学的新发展开始同工、ik生产紧密地结合起来，科学在推动在推动生产力 发展发面发挥更为重要的作川，它与技术的结合使第二次工业革命取得了巨大的成果。尤其是：电力的广 泛使用、内燃机的创制、新通讯手段的发明和石油化学工业的建立。

55、第二次工业革命期间，几乎所有的工 业部门都受到科学新发现的影响，许多技术成果在被发明之前，其原理已经在理论上被阐明。如电气技术 的发展完全依赖于电学的发新能展。第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点。从19世纪六七十年代 开始，岀现了一系列电气发明。德国人西门子制成发电机，比利时人格拉姆发明电动机，电力开始用于带 动机器，成为补充和取代蒸汽动力的源。电力工业和电器制造业迅速发展起来。人类跨入了电气时代。以 卜为第二次工业革命中主要的技术创造。类别年代发明家发明特点补充1866冯西门子自励电磁式发电机自励磁原理电力1870格拉姆格拉姆行电磁式发 电机环形电枢连续电流发电机直流发电机1872阿尔

56、特涅 克圆柱形电枢技术优越更多的绕组被利用1878怀尔德环形绕组发电机梭式电枢为双绕组1881梅里唐永磁式交流发电机采用分布式绕组， 使输出波形大大改交流发电机变。1884费郎蒂单相交流发电机进一步改进了转子 绕组1886莫迪莫迪交流发电机输出单向脉动电流1820阿拉戈电磁铁将磁转变成电1832皮可丙永磁发电机法拉第原理照明和通 讯1840德拉魯铂灯丝白炽灯照明方式的改进与 发展弧光灯1847斯泰特金属灯丝灯1853斯泰特碳弧光灯1858迪博斯克弧光灯1878斯旺碳灯丝炽热灯白炽灯丝灯1881福克斯炽热发光灯1882爱迪生碳灯丝灯1839库克直读指示盘式电报 机电报1904弗莱二极管1845布

57、雷特印字电报机1838戴维化学电报机1861赖特电话机电话1895卢瑟福无线电波的金属粉 末检波器麦克斯韦电磁理论无线电报内燃机1860勒努瓦勒努瓦燃气机燃气发动机1878奥托卧式燃气机四冲程循环1873布雷顿布雷顿发动机两个气缸燃油发动机1886登特燃油发动机奥托循环1892狄塞尔发动机燃汕一接触到压缩 空气就自动点燃柴油发动机1889戴姆勒v型双缸汽油机汽油发动机1899布里耶对置活塞式发动机立式双缸1897兰彻斯特兰彻斯特发动机卧成对置汽缸交通1893查尔斯汽车四马力汽油发动机1908福特敞篷游览车四轮t型1900齐桕林飞艇1903莱特飞机12引繁马力路上交通工具逐渐以汽车为主；飞机开创

58、了水陆之外的空运吋代。新能源的大规模应用、内燃机的发 明、通讯工具的发明、化工业的迅猛发展对第二次工业革命产生了决定性的作用，人类开始通过科学研究 来获得纯粹的科学知识，然乎乂反过来促进理论。3、延伸至当今社会中电磁学理论对社会的影响在18世纪中叶至19世纪屮叶蒸汽动力占据主要地位的同时，当时的科学工作者加快了对电的研究。18 世纪后期意人利物理学家伏达发明了电池；19世纪初）1麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，随后安培 定律、欧姆定律相继被发现。1821年英国物理学家法拉第制成了第一台发动机和发电机，1831年法拉第发 现了电磁感应现象，这是十九世纪最伟大的实验之一，开创了人类电气时代的新纪元。无论是电工技术还是电气工业，完全是在电磁理论建立之后，人们自