以太会是什么，以太是物质吗

科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第18课：以太的发展史】

在物理学史上，科学家经常走进一个死胡同，越走越深，致使后人废了老劲才能摆脱死胡同。当然，死胡同也间接推动了科学的发展，让科学家对某一事物有了螺旋式上升的深刻认知。

以太曾经在物理学中发挥着极其“重要”的角色，同时也将科学家的思维束缚住了，曾导致物理学陷入困境。爱因斯坦对以太的否定绝对算得上力挽狂澜的伟人。

故事发生在万有引力建立之后。引力理论以巨大的成功赢得了民心，但依旧存在“隐患”。

牛顿

有物理思维的人都会觉得施加力给物体势必要通过接触。不管是直接接触还是间接接触。但引力既没有直接接触也没有间接接触就可以隔空作用，这种超距作用完全不符合常识中的逻辑经验。

太阳没有撞到地球，也没有通过绳子拉着地球，为什么就可以隔空传递给地球一种力(引力)来束缚它呢？

万有引力提出之后，就遭到了同时代部分人的强烈反对。他们认为引力是基于生活经验而抽象出的规律，那怎么又能独立在生活经验之上呢？生活经验中物体通过间接或直接接触来传播力的思想与万有引力的非接触传播力的思想形成对立，这种二元论的思想无法协调。

于此同时，牛顿也认为这个问题很棘手，就想法子解决。思来想去，发现古希腊先哲提出的以太是个好东西，不如拿来用用。于是牛顿假设宇宙充满了以太这种物质，虽然我们看不见摸不着它，但是它却是实实在在的客观存在，正是由于以太的存在，才充当了万有引力的传播介质。

这样一来，二元论的问题貌似得到了完美地解决。当然在现代人看来，这是牛顿埋在经典力学中的一颗定时炸弹。甚至将后人带进了思维定势中。

爱因斯坦后来评价以太说到：牛顿当初引入以太给后人养成了恶劣的习惯，一遇到问题就假设一个不存在的事物，并企图得到因果观上的抚慰，这丝毫没有一点进步，这种不良习惯甚至潜移默化到后来的物理学家中。

在牛顿死后，光的波动说占据了上风。可是光波为什么可以在真空中传播呢？

后来的物理学家的确受到了牛顿的影响，他们直接继承了以太学说，并解释到：因为以太均匀充斥在宇宙各个角落，所以就为光波的传递提供了介质。光波就像是水波，以太就像是水。光波的传播离不开以太，就像水波离不开水一样。

后来，人们发现了光的偏振性，并认为光波是横波。所以光波不像水波那样，其振动方向与传播方向相同，光波的振动方向垂直于传播方向。而横波往往是在固体中传播，纵波才能在气体、液体这样可弹性拉伸的介质中传播。这时候波动学说的簇拥者不假思索的改良了以太学说。它们认为光既然是横波，那么只能在固体中传播，那么以太就是不流动的准刚体，于是以太学说摇身一变进化成了“静态以太学说”。

后来一个科学家叫斐索，他就想知道以太的运动到底影响光的运动吗？

既然以太是光的介质，那只要得出介质运动是否改变光速就可以得出实验结果。

于是他把光摄入到水这种介质中，看水流是否影响光速。最后的结果是：水流的确影响光速，但影响幅度远比预期要小。当然这个实验漏洞百出。

爱因斯坦最后说，斐索实验正好验证了光速不变，因为水流影响光速的微变恰恰是误差导致的。

后来麦克斯韦的电磁理论认为真空中的光速不变，即便他的理论和以太学说有根本性矛盾，但他依旧认为以太是客观存在的实体。由此可见以太学说的根深蒂固。

麦克斯韦

事实上，以太理论在当时已经岌岌可危，但是科学家们却煞费苦心地捍卫以太学说，而不是直接推翻，以太的余威可见一斑。

为了不让以太学说倒下，赫兹甚至更改了物质的定义。认为物质只是速度、动能和电磁场的载体。也就是说速度和场等物理量是本质，物质只是表象，这岂不是本末倒置。因为只有这样，真空中的以太才是场的载体。

当时的人们也另辟蹊径，如果不承认以太的存在，那么就得防止出现新隔空作用。人们甚至已经魔怔了，他们认为应该将引力拿掉，把所有力学现象都归结到电学现象中。因为这样一来，引力的介质就属于电磁场，而场作为介质的存在就防止了引力的超距作用！

之后，洛伦兹已经从光速不变的结论出发，把伽利略变换切换成了洛伦兹变换，也就是后来的狭义相对论的基础公式。但是洛伦兹依旧不放弃以太，即便以太学说和光速不变存在本质性矛盾，他依旧坚信那是因为以太绝对静止而已，所以在以太中传递的光速才不因以太的“运动”而改变。

到20世纪初，庞加莱的一只脚已经跨进了狭义相对论的大门中，但是他本人仍不放弃以太论。那时候，狭义相对论几乎已经浮出水面了，谁要是彻底放弃以太，谁将真正意义上成为狭义相对论的创始人。最后第一个彻底抛弃以太学说的人是爱因斯坦。

现在回过头来看，牛顿当年仅是为了防止引力出现超距作用，就贸然引入以太学说。以太论在波动论者的改良下逐渐潜移默化到每一个人心中，而在逃脱这种根深蒂固的错误过程中，后人却栽了无数个跟斗。正如奥卡姆说的那样“如无必要，勿增实体”，况且以太还是看不见摸不着的假设物质。

物理学进入到20世纪后半叶，新的问题又出现了，那就是引力理论无法解释星系的旋转问题

按照现有理论，星系内天体之间的引力无法提供其绕星系中心公转，若没有未知力量作用其中，那么星系中的天体早已分崩离析。

而且近几年来子弹星系团碰撞的引力透镜现象的确暗示了有一种神秘的力量作用其中。科学家只好引入新的假设解释这一现象，那就是暗物质。

子弹星系团

暗物质和曾经的以太都是为了解释某一未知现象而提出的假设，那暗物质会重蹈以太的覆辙吗？

我并不这么认为。如果我们不假设暗物质的存在，那么现有的引力理论就需要被修正，而广义相对论被无数实验验证，并预言了黑洞和引力波。不能因为一个未知的现象就修正了广义相对论。最合理的做法就是针对这一特定的现象，提出特定的解法，那就是假设暗物质的存在。

暗物质和以太最大的不同就是：以太的提出只是为了防止与“不存在超距作用的逻辑经验”发生冲突。而这种经验是直观的，感性的，未必可靠。比如量子纠缠的超距作用就让这种逻辑经验付之一炬。

而暗物质的假设是基于自然事实，科学不就是从自然事实到抽象理论嘛！从这一点来说，暗物质的假设比以太靠谱地多。

但没有人完全确信暗物质的存在，只是大部分科学家相信暗物质存在的可能性很大！