以太观念的千年之变
以太观念的千年之变
以太，这个在物理学史上占据重要地位的概念，经历了从哲学抽象到科学理论的演变。从古希腊时期亚里士多德的"第五元素"，到19世纪末迈克尔逊-莫雷实验对以太的否定，再到爱因斯坦狭义相对论的提出，以太观念的千年之变见证了物理学的发展历程。
说到天体及其运动，我们很容易想到以太，实际上以太这个概念有悠久历史，最早可以追溯到希腊古典时期，最初的以太是一种构成天体的物质，其内涵后来随物理学的发展而演变。亚里士多德是首次提到以太概念的人，亚里士多德当初指出，万事万物皆由四大元素（水、火、气、土）和以太构成，这和中国古代的五行概念并没有什么本质区别，不同的是水、火、气（空气）、土容易被感知，以太只存在于思维的虚空。在亚里士多德的万物观念中，以太居于天空上层，因为遥远虚幻，所以带有一层神秘色彩。
在亚里士多德看来，以太只存在于思维的虚空
以太这个概念确实有些抽象，不过当时的以太概念无法与近现代物理学上的以太概念相提并论，那时候更多的还只是哲学上的概念，几乎不涉及物理学范畴。法国哲学家和数学家笛卡尔（René Descartes，1596-1650）是第一个把以太概念引入到物理学的人，笛卡尔希望以太概念能解释一个重要问题，即力为什么能够实现超距作用？再后来，以太概念越来越多地被惠更斯和胡克等物理学家提到，当时的物理学家认为光是一种波，而在人们的固有印象里，波的传播一定需要某种介质，正如声音的传播需要空气一样。在这一问题的诱导下，他们认为能够传播光的介质就是以太。
笛卡尔是第一个把以太概念引入到物理学的人
虽然牛顿一直认为光是一种粒子，但他也支持以太概念，因为以太概念对牛顿很重要。很长一段时间以来，人们曾设想光线是通过弥散在整个宇宙的一种特殊介质传播的，这种介质就是科学家所说的以太，众所周知，牛顿力学体系的根基是绝对时空观，他认为宇宙中存在绝对静止的参照系，以太恰好符合这样的特点。100多年后，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young，1773-1829）通过双缝实验证明了光是一种波，为光的波动说奠定了基础。
英国物理学家托马斯·杨通过双缝实验证明了光是一种波，为光的波动说奠定了基础。
英国物理学家、电磁感应现象的发现者法拉第（Michael Faraday，1791-1867）不喜欢以太这个看不见摸不着的存在，曾试图用场的概念代替以太，只是在当时，这个超前概念很难走进大众视野。稍后不久，英国物理学家、经典电动力学的创始人麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879）提出了电磁理论，在著作《论电和磁》中，麦克斯韦认为光就是电磁波，他还认为电磁波的传播需要某种媒介，这个媒介就是以太。
在著作《论电和磁》中，麦克斯韦认为光就是电磁波，他还认为电磁波的传播需要某种媒介，这个媒介就是以太。左是麦克斯韦方程组的微分形式，右是麦克斯韦方程组的积分形式。
这几个人都堪称学术界大咖，在普通人眼中，他们肯定的东西几乎与真理等价，问题是这个以太到底是什么东西？如果说以太是想象和假设中的概念，还必须有实验支撑，科学的严谨就在于此，实验的目的是寻找相关证据。后来，科学家从麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中发现了光的速度与参照系无关，很多人接受不了这一结果，如果光速计算真的不需要参照系，就意味着牛顿经典力学大厦的轰然坍塌。
正是在这个大背景下，美国物理学家迈克尔逊（Albert Abraham Michelson，1852-1931）和美国化学家莫雷（Edward Morley，1838-1923）开始设计实验检测以太的存在，迈克尔逊-莫雷实验的原理是利用地球运动导致光速的改变。
在理论上，寻找以太存在的证据似乎不难，假设以太和太阳静止不动，而地球却以每秒30千米的速度围绕太阳运行，当地球一侧往太阳方向运动时，就会感受到“以太风”。由于光在以太中传播的速度为光速c，而地球相对以太的速度为v（也就是每秒30千米），那么当地球的一侧朝向和背向太阳运动时，两个方向上测量出来的光速就不同，分别是c-v和c+v。
迈克尔逊-莫雷的实验设计简单、直观又充满理性，将两束光线相互之间呈直角射出，通过镜片将光线反射回光源。根据以太假说，这两道光应该以不同的速度运动，比如说，一道光线如果是顺着地球运动方向，那么另一道光线就与地球运动所造成的“以太风”呈90度，这样一来，当两束光返回到光源时，其波动必然不会同步。
实验结果显示，无论地球朝向哪个方向运动，测量出来的光速都一样，这意味着根本就不存在“以太风”，这一结果令当时几乎所有物理学家感到惊讶，包括迈克尔逊和莫雷，他们宁愿相信实验过程出现了纰漏，或实验仪器不够精准，因为光速如果真的不变，就意味着牛顿经典力学的轰然坍塌，这是不可接受的。
两个人无论如何检查实验细节、提高仪器精度和重复实验过程，结果依然如此。过不了实验这一关，就意味着宇宙中并无以太存在，也意味着基于牛顿经典力学大厦的破缺。在物理学发展史中，19世纪末物理学界的“两朵乌云”是非常著名的，其中的“一朵乌云”就是迈克尔逊-莫雷实验（也叫以太飘移实验），另一朵与“黑体辐射”有关，很多人甚至认为“以太飘移实验”直接催生了狭义相对论，实际上并非如此。
爱因斯坦的狭义相对论与迈克尔逊-莫雷实验并没有直接关系，狭义相对论只是否定了以太的存在和建立在牛顿力学体系基础上的绝对时空观，迈克尔逊-莫雷实验的目的是为了寻找以太存在的证据。
爱因斯坦在狭义相对论体系中直接引用了洛伦兹变换这个重要公式，他一定知道洛伦兹变换恰恰是为诠释迈克尔逊-莫雷实验而设定的，从这个角度看，迈克尔逊-莫雷实验还是给了爱因斯坦灵感，或者说迈克尔逊-莫雷实验间接影响了狭义相对论的提出。
实验结果已经在冥冥之中指向“光速不变”，表明以太确实不存在，但一些物理学家想的是如何在实验基础上对以太概念进行修正，而不是完全否定。洛伦兹变换就是在此背景下诞生的，洛伦兹的最初目的是修正以太概念，洛伦兹认为以太在运动的方向上会收缩，从而导致测量结果不同。
洛伦兹变换仍以绝对时空观为基础，认为以太是绝对静止的参照系。爱因斯坦后来完全否定了以太的存在，认为光速不变，在光速不变原理及相对时空的基础上，爱因斯坦提出了狭义相对论。
根据狭义相对论推导的结果恰与洛伦兹变换一致，所以爱因斯坦也把洛伦兹变换作为狭义相对论中的基本公式。当我们把以太看作空间时，洛伦兹变换中的“以太在运动方向上会收缩”与狭义相对论中的“空间在运动方向上会收缩”就是一回事。
当我们把以太看作空间时，洛伦兹变换中的“以太在运动方向上会收缩”与狭义相对论中的“空间在运动方向上会收缩”就是一回事。
今天，仍有一些物理学家认为是洛伦兹第一个产生了狭义相对论的思想，只是他没有明确提出来而已，实际上他已经无限接近狭义相对论了。爱因斯坦也坦言洛伦兹的物理思想对他产生了极其重要的影响。最后的结果是狭义相对论彻底终结了以太假说在物理学界的流行。
本文源自作者的《物理的故事》（科学出版社2018年出版），此处作了一定修改和补充。