以太

以太（Ether、Aether），古希臘哲學家亞里士多德所設想的一種物質，物質現象界的萬物生存在其內，是除了水、火、氣、土四大基本元素之外的第五元素。

以太是一個歷史上的名詞，它的涵義也隨着歷史的發展而發展。

“以太”一詞，最初見於一則古代希臘的神話傳説：暗神伊利波斯和夜神尼卡絲結合，生出一個精靈氣旺的宙斯神——埃忒爾（Aether），這就是以太。在那個時候，以太表示精靈之氣，瀰漫於整個宇宙。埃忒爾是希臘神話裏的三層大氣（air）之一，是“以太”神，“光”和“光亮的高層大氣”的神。 ^[1-2] 

在古希臘，唯物主義哲學家留基伯和德漠克利特提出了原子論，認為萬物都是由最小的，不能再分的微粒——原子組成的，人的靈魂也由最活動、最精微的原子組成，這種原子一旦分散，靈魂隨之消失。原子之間的空隙裏有什麼呢一無所有，一片虛空。這樣，“萬物的始基是原子和虛空”，而原子在虛空中運動着。原子論者認為：“如果沒有我們稱為虛空的空間、場所，物體就無法安置，根本也不能 移動。”

古希臘哲學家亞里士多德反對原子論，尤其反對虛空的存在。他在《物理學》和 《論天》等著作中寫道：“不可分的東西是沒有運動和變化的。”“充實的空間裏能夠有變化，並且，即使在物體之間沒有虛空把它們分開，他們也能夠彼此調換位置。“相反，“虛空其實倒會把運動取消，在虛空裏面，會只有一個普遍的靜止

。”因此，亞里士多德認為，虛空是根本不存在的，空間處處為連綿不斷的物質所充滿。他認為，地上的物體包含四種原素，即土、火、氣和水。原素不呈微粒狀，而是連續的，原素也不是不可破壞，而是“從彼此產生出來的”。除此之外

，還要加上第五種原素—天上的實質。他説：“天與土、火、氣和水不同，天乃是古代人所稱為以太的東西。”以太是聖潔之物，它不包含任何矛盾和對立， 因而是永遠不會發生變化，是永恆的。以太作為宇宙的本原物質的概念逐漸從神話走到自然哲學中來。 ^[2] 

十七世紀的R·笛卡爾是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家。他建立了以太旋渦説，最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。在笛卡爾看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。 ^[3] 

後來，以太又在很大程度上作為光波的荷載物同光的波動學説相聯繫。光的波動説是由R·胡克首先提出的，併為C·惠更斯所進一步發展。在相當長的時期內（直到二十世紀初），人們對波的理解只侷限於某種媒介物質的力學振動。這種媒介物質就稱為波的荷載物，如空氣就是聲波的荷載物。由於光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（以太）應該充滿包括真空在內的全部空間，並能滲透到通常的物質之中。除了作為光波的荷載物以外，惠更斯也用以太來説明引力的現象。 ^[3]  這時期的以太也稱為“發光以太”或“光以太”。

牛頓對以太的態度是極其矛盾的，他一面繼承了笛卡爾和伽利略的部分思想，提出絕對時空理論，但在他1687年發表《自然哲學的數學原理》中，迴避了以太的問題，關於物體之間作用力的本質，他隻字未提，認為當時不可能深入探討力的本質。之後，牛頓運用超距的吸引和排斥的觀點輕而易舉地解釋了萬有引力、化學聚合力、光粒子的反射和折射等現象，因而逐步地接近超距作用的觀點。承認超距作用，當然否定以太的存在。但是牛頓本人並不贊成超距作用解釋，在對待以太的問題上也是搖擺不定的，他在給Ｒ·本特利的一封信中寫道：“很難想象沒有別種無形的媒介，無生命無感覺的物質可以毋須相互接觸而對其他物質起作用和產生影響。……假定引力是物質的一種根本的和固有的屬性，因此一個物體能夠超距地通過虛空的任何距離作用於另一個物體，不經任何媒介就傳遞作用力，在我看來，這是多麼荒誕，以致對於任何一個通曉哲學事理的人都是不可思議的。引力應是由按一定規律起作用的媒介引起的。但是，這種媒介究竟是物質的還是非物質的呢？我讓讀者自己去判斷。”在力的傳遞上，牛頓本人是傾向於贊同以太理論的觀點的，只是在細節上有所不同，但他並沒有對力的本質再做進一步的研究和説明。 ^[5] 

十八世紀是以太論沒落的時期。由於法國笛卡爾主義者拒絕引力的平方反比定律而使牛頓的追隨者起來反對笛卡爾哲學體系，連同他倡導的以太論也在被反對之列。隨着引力的平方反比定律在天體力學方面的成功以及探尋以太未獲實際結果，使得超距作用觀點得以流行。光的波動説也被放棄了，微粒説得到廣泛的承認。 ^[3] 

十九世紀隨光的波動學的重新興起，以太重回它的主流地位。以太成為科學研究的重要對象，物理學也被分成兩部門：一門研究普通物質，另一門研究以太，稱為“以太學”。 ^[5] 

在十九世紀，隨着人們對自然規律認知的加深，以太進一步與科學結合，用來解釋自然現象，其中以太在光學和電磁學的應用尤為突出。

對於光到底是一種波還是一種粒子的問題自古便有爭議。上文提到，笛卡爾、胡克以及惠更斯等人認為光是一種波，而牛頓則是光的粒子説的堅定支持者。雙方進行了多次爭論。隨着牛頓學術權威性的確立，第一次波粒之爭以粒子學派勝出結束，以太學説也由此沉寂了近百年。

時間來到十九世紀。在十九世紀初期，英國人托馬斯·楊通過光的雙縫實驗，發現了光的干涉現象。托馬斯·楊用光波的干涉解釋了牛頓環，並在實驗的啓示下於1817年提出光波為橫波的新觀點（當時對彈性體中的橫波還沒有進行過研究），解決了波動説長期不能解釋光的偏振現象的困難。托馬斯·楊提出他的波動性光學原理：稀疏的和有彈性的發光以太充滿整個宇宙；光是以光滑波的形式在以太中行進的連續的振動過程；不同顏色的感覺取決於傳遞給視網膜的以太振動的頻率；一切物體都吸引以太，因此在物體之中及其附近，以太密度大，而以太的彈性則保持不變。 ^[2] 

法國人菲涅耳成功地做了光的衍射實驗，建立了以作圖法形式的衍射理論，解釋了光的直線傳播現象，提供了相互垂直的偏振光不相干涉的證明，這也證實了光是一種橫波。菲涅耳圓滿地解釋了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等現象，形成完善的光的波動説理論。托馬斯·楊的雙縫實驗、菲涅耳的泊松亮斑和傅科關於對空氣和水中光速的精確測量為光的波動説提供了強有力的證據，第二次波粒之戰，波派完勝，波動説終於確立了它在經典物理學中的地位，作為光波載體的以太成了物理學研究的對象，以太理論在十九世紀重回它的主流地位。

問題並不就此完結。光波當時被理解為是一種機械波，而且按楊和菲涅耳的發現，它是一種橫波。彈性橫波只能在固體中傳播。因此，以太應當是一種彈性固體。既然如此，物體（例如行星）怎麼能夠自由地通過以太而不受到什麼阻力呢？早年牛頓通過比較聲速和真空光速，依胡克的公式計算得到，只有當以太的彈性很大（比如比空氣彈性大一百萬倍）而密度很小（比如比空氣密度小一百萬倍），以太對於天體運動的阻力才是微不足道的。物理學家為設想出具有這種性質的以太絞盡腦汁，建立了各種各樣的以太機械模型。英國的斯托克斯（1819—1903）提出，以太像瀝青和果子凍之類的彈性流體物質，對於光波這樣非常快速的振動，它具有足夠的彈性，對於像行星那樣慢速的行進，它具有充分的流動性，易於變形。為了克服彈性介質中應有縱波與橫波相伴的困難，馬克可拉在1839年提議説，以太是由一種能夠抵抗扭轉應力但不能抵抗縱向應力的以太單元組成的新型彈性物質，並由此解釋了許多光學現象。馬克可拉以太論方程組與後來的麥克斯韋方程組形式相似，他的理論獲得了廣泛的發展。為了解釋各種光學現象，各種以太理論引入了大量的附加假設和邊界條件。單純地從機械運動的觀點理解以太，總是難於自圓其説的。 ^[2] 

法拉第在1838年提出，當絕緣物質放在電場中時，其中的電荷將發生位移。W·湯姆孫也曾把電場比作以太的位移。法拉第引入力線來描述磁作用和電作用，他認為力線是確實的存在，空間是被力線所充滿着的，而光和熱可能就是力線的橫振動。1851年法拉第明確指出，如果接受光以太的存在，那麼以太就可能是力線的荷載物。

擅長數學的麥克斯韋繼承了法拉第的思想，決心為這些觀念提供適當的數學方法基礎。他提出位移電流假設，進一步得出一組微分方程即麥克斯韋方程組描述電磁場的普遍規律。“場”這個概念來源於法拉弟。按麥氏方程組，場論是一種近距作用理論。物體之間的電磁相互作用是在空間由一點到距離無限小的一點逐點傳播的。麥克斯韋認為，在空間存在着電磁現象藉以產生、處於運動之中的以太物質。場的各種實在的屬性被賦予以太。場只不過是運動以太的激發態。他設想了一種機械模型，即以太繞力線旋轉形成一個個渦元，在渦元之間有帶電粒子，當粒子偏離平衡位置時，粒子和渦元之間產生相互作用，由此來説明電磁運動的規律。由麥氏方程組可以預言，電磁場的擾動以波的形式傳播，其速度等於光速。因此他斷言：“光就是產生電磁現象的媒質（以太）中的橫振動。”光的電磁學説成功地解釋了光波的性質，這樣便實現了光和電的統一，光以太和電磁以太的統一。

麥克斯韋在世時，他的理論並未得到承認和重視，甚至被人當作奇談怪論。許多卓有威望的科學家對它採取觀望態度。麥克斯韋中年喪妻，心情煩惱，生活清苦，終年僅四十九歲。德國的赫茲於1888年通過實驗證實了電磁波的存在，證實了電磁波與光波的同一性。赫茲實驗的公佈轟動了整個科學界，法拉第——麥克斯韋電磁理論取得了決定性的勝利。今天我們只滿足於把赫茲實驗看作麥克斯韋理論的證明，當時的學術界卻把它看作是以太確實存在的證據。這個推理其實與我們今天由雲霧室的徑跡推斷某種新粒子存在也沒有多大差異。總之，對十九世紀末的物理學家來説，以太已經是一種實在，它的存在是確實無疑的。 ^[2] 

十九世紀九十年代Ｈ.Ａ.洛倫茲以絕對靜止的以太為基礎， 對電磁理論進行了研究，創建了他的電子論。在這個理論中，物質世界區分為連續的以太和分立的帶電粒子兩種原素，並且把靜止以太看作電磁場的載體，把實物視為帶電粒子的集合。帶電粒子在靜止以太中雜亂無章地運動着，產生電磁場，電磁場是以太狀態的一種描述。物體運動時並不帶動其中的以太運動，但物體中的電子隨物體運動時，不僅要受到電場的作用力，還要受到磁場的作用力，以及物體運動時其中將出現運動電流，運動物質中的電磁波速度與靜止物質中的不相同。洛倫茲推出了菲涅耳關於運動物質中的光速公式，解決了菲涅耳理論所遇到的困難（不同頻率的光有不同的以太）。

電子論取得了很大成功，但在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運動和變化，這樣以太除了作為電磁波的荷載物和絕對參照系，它己失去了所有其他的物理性質，這又成為以太學衰落的隱患。 ^[6] 

以太學説雖然曾成功解釋了力學、光學以及電磁學的部分問題，並在十九世紀末達到了極盛。但是，在洛倫茲理論中，以太除了荷載電磁振動之外，不再有任何其他的運動和變化。這樣它幾乎已退化為某種抽象的標誌。除了作為電磁波的荷載物和絕對參考系，它已失去了所有其他具體生動的物理性質，這為它的衰落創造了條件。 ^[3] 

1887年邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做的邁克爾遜-莫雷實驗否定了以太的存在，以太從此退出科學領域，只成為了一種哲學上的概念。兩人設計了光的干涉儀器，根據以太學説，以太相對於太陽靜止，光速在以太中的傳播服從伽利略速度疊加原理，因此各個方向上的光速應是不同的，光通過干涉儀兩條路徑的時間差在不同方向上不同，干涉條紋也應相應發生移動。但兩人設計的精確度可達1/100條條紋移動的干涉儀在轉動過程中，干涉條紋保持靜止，沒有發生任何移動。這個實驗否定了以太的存在。

在十九世紀末二十世紀初，雖然還有些科學家努力拯救以太，但在1905年愛因斯坦大膽拋棄了以太説，認為光速不變是基本的原理，並以此為出發點之一創立了狹義相對論。愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文的前言中説：“‘光以太’的引用將被證明是多餘的。” 人們從此接受了電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。隨後量子力學的建立使人們認識到粒子與波實為一個硬幣的兩面。那種僅僅把波動理解為某種媒介物質的力學振動的狹隘觀點已完全被衝破。之後“以太”被主流物理學家所拋棄。 ^[4] 

以太雖然已經被主流物理學家拋棄，但其“絕對靜止”“無處不在”“永恆”“純潔”的特性使其成為了科幻影視作品中的常客。

在電影《雷神2》中，奧丁提到了一種可以讓宇宙重歸黑暗的流體物質，稱之為以太粒子。

呂克貝松執導的科幻電影《第五元素》，標題便是來源於以太是水、火、氣、土之外的第五元素。