禁锢物理学家思想两千年 光速不变原理成功解除“以太”思想牢笼

“以太”一词的来历

“以太”一词最早出现在《论天》一书中,是古希腊伟大的哲学家、科学家、教育家亚里士多德提出来的。

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亚里士多德

亚里士多德(公园前384-322年)我们在熟悉不过了,他经常和伽利略一起被我们津津乐道,那么,他是如何提出“以太”这个词的呢?

以前人们都认为“世界”是由水、火、金、土四种基本物质构成,有点类似我国古代的五行理论“金、木、水、火、土”。

亚里士多德认为“天和日月星辰”不同于“地”,那是上帝居住的地方,上帝是完美无缺的,必须是由更加神圣、纯净的物质构成,思来想去,他就提出了第五种自认为特别纯净的物质——“以太”

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“以太”一词是如何被引入科学界的呢?

“以太”思想在科学家的心目中可以说是根深蒂固,它起源于光学

1、十七世纪初,笛卡尔认为物质之间的作用力要通过媒介来传播,不可能有超距作用,他在《方法论》中就提到光是一种压力,在媒介中传播,空间中充满着这种媒介,就是“以太”。

2、1665年,弗朗西斯科•格里马第最早提出了光的衍射现象,胡克通过实验进行了验证并提出了光的波动说。

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3、惠更斯也是光的“波动说”的主要支持者,他发现了光波可以在真空中传播,所以他认为,传播光的媒介——“以太”充满了真空在内的所有空间!

4、伟大的物理学家牛顿虽然是光的“微粒说”的支持者,但是他也同时是“以太”的坚定支持者,他同笛卡尔一样,认为力不能超距传递,必须有某种媒介,那个媒介就是“以太”,而且“以太”有可能是多种物质,因为它不光能传递引力,还有电力和磁力!

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牛顿

5、到了19世纪,光学领域有了巨大的发现,托马斯•杨提出了双缝干涉现象并解释了牛顿环、菲涅尔解释了光的衍射、和偏振现象,光的“波动说”一时占了上风。

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牛顿环

认识到光是一种波以后,有一个巨大的难题摆在了科学家面前大家,我们可以跟随科学家一起思考想一下:波传递的是振动形式而不是物质,就像声音的传播是需要介质的、水波向外扩散也一样,水和空气是水波和声波传递的媒介,那光既然也是一种波动,它传播的时候需要的介质又是什么呢?科学家们就想到了前人提出的“以太”。

可是当时科学家已经知道光的传播速度是30万公里每秒,这么快的速度,结合声波一般在固体中传播的快,在气体中传播的慢,大家可以想象一下,这个“以太”得有多坚硬呀!这也是困扰科学家的一大问题。

6、1856-1865年麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文,预测了电磁波的存在,以及光就是一种电磁波。

当时人们认为,“以太”是一个绝对静止的参考系,光在“以太”中传播,可是谁也没有见过“以太”长什么样子。

为了寻找“以太”、测定地球相对“以太”的运动速度,1887年,两位伟大的物理学家进行了著名的“迈克尔逊—莫雷”实验。

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“迈克尔逊—莫雷”实验装置

​实验装置是这样的:

一个光源(左)、一个部分镀银(半透明)的玻璃片(中间)、两面反射镜(下和右),这些装置都固定在一个牢固的底座上,两面反射镜到半透明玻璃的距离相等,上面是接收装置。

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“迈克耳逊莫雷实验”实验原理

半透明玻璃会将射过来的光分为两束:(一束反射、一束折射)

这两束光以互相垂直的方向分别向两面反射镜射去,并被镜面反射回中间半透明玻璃,汇合在接收装置形成叠加组合起来!

1、如果两束光线从分开到回来汇合的时间是完全相同的,两条光线的相位就应该相同,因而彼此加强!说明装置相对于“以太”的速度为零。

2、如果两束光线从分开到回来汇合的时间不相同,两条光线就有相位差,结果将产生干涉现象!说明装置相对于“以太”运动,我们可以计算地球相对“”以太”的运动速度!

这个实验的思想不复杂,我们可以举个例子:

比如我们在一条小河中划船:

如果你顺着水流划船,小船相对于岸边的速度V就应该是:小船在静水中的速度+水流速度

如果你逆着水流划船,小船相对于岸边的速度V就应该是:小船在静水中的速度-水流速度

如果水流静止,则船向任意方向的速度相同!

通过“迈克尔逊-莫雷”实验发现:两束光线经过了相同的路程以后,同时返回,没有行成干涉现象!

难道地球相对于“以太”是静止的?

可是,以前都认为“以太”是绝对静止的,地球绕太阳公转,所以说地球与“以太”之间必须是有相对运动的,两束光不应该同时返回呀!

按照实验结果,科学家推测应该是地球拖曳着“以太”运动,要真是这样,越高的地方,地球相对“以太”的运动应该越明显一些,他们又将实验装置搬到了山顶!结果当然很遗憾,依然没有干涉现象!

做到这儿,“迈克尔逊和莫雷”还是不敢大胆的做出一个猜测,他们总是认为是不是实验做的不严谨,他们还专门调整仪器进行了实验。

7、1904年,洛伦兹提出了洛伦兹变换用于解释“迈克尔逊—莫雷”实验,

但他还是坚信“以太”存在,并想到了用“运动物体会在运动方向上发生长度收缩”来解释“迈克耳逊-莫雷实验”中出现的无干涉现象。

看到这儿,我们就会发现,根深蒂固的思维定势对我们来说有多么的可怕,哪怕让你站在真理之上,你也不敢妄下结论!

8、直到1905年,遇到了物理史上另一位科学巨人——爱因斯坦,才能拨开迷雾见彩虹。他勇敢地站出来,敢于对传统经验说“不”,抛弃“以太”、以“光速不变原理”和“狭义相对性原理”为基本假设,并在此基础之上建立了狭义相对论。至此,人们才相信“以太”是不存在的。

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爱因斯坦


说到这儿“以太”的前世今生我们就讲完了,希望大家在了解“以太”来历和发展历程的基础上也能明白:人类对大自然的探索历程永远不是一帆风顺的,没有任何一个理论都敢说是大自然的终极奥秘,每一个伟大理论的出现都源于科学家们对客观真理孜孜不倦的追求,每一次的思维突破都面临着对传统理论认知的挑战,而这,则更需要莫大的勇气。我们在向科学家们致敬的同时,也要学习他们那种追求真理、不畏艰苦、敢于向困难挑战、勇于挑战思维定势的精神!

我是科学易简通,致力于通俗的语言跟您聊深奥的科学知识,欢迎留言交流!


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