△肥皂泡般的梦想——“以太”学说的破灭 

大家都知道,水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播。在经典物理里面,所有东西的传播都离不开介质——不管是有形的物质还是无形的能量。太阳光穿过空气传到地球上,几十亿光年以外的星体发出的光,也能穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质——“以太”。笛卡儿认为它是充满宇宙的“无重物质”。但牛顿发现了万有引力之后,碰上难题:在宇宙真空中,引力由什么介质传播?于是人们想到了以太,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质。他们还假定了整个宇宙空间都充满了“以太”,它是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。总之为了解释他们的学说,他们人为地给以太加上了种种属性。

19世纪时,麦克斯韦证明光是一种电磁波,他把传播光与电磁波的介质说成是一种没有重量、绝对可以渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质,又具有机械力学的性质。这样,电磁理论与牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太”学。但是,此时又产生了新的问题。地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必然对光的传播产生影响。

这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否。物理学的完整性促使人假定以太存在,实验又无法证明以太存在,怎么办呢?一部分物理学家相信能找到以太。1882年英国物理学家洛奇在《关于电的现代看法》中说:以太是什么,“我相信,不久就会得到解答”。为了观测“以太风”是否存在,1887年,美国实验物理学家迈克尔逊与化学家、物理学家莫雷合作,在克利夫兰进行了一个著名的实验:“迈克尔逊——莫雷实验”,即“以太漂移”实验。他设计了光的干涉仪,利用了“零点法”,假设地球是在以太海洋中自转的,以太风必然在干涉仪中引起干涉条纹的移动。但是,迈克尔逊无论怎样实验都观察不到干涉条纹及其移动。1887年,他和莫雷做了一套更准确的干涉仪重复这一实验,他们将装置放在浮于水银之上的很重的石板上,以防止震动的干扰。考虑到地球的自转,他们不分白天、黑夜地进行实验。但一切都与预想的结果相反,始终测不到干涉条纹的移动。这一著名的实验,否定了长期以来人们所相信的以太和以太风的存在。但是,这两位科学家并未立即认识到自己重大的实验成果,迈克尔逊由于没有找到以太漂移的迹象而不得不宣布实验“失败”。英国物理学家瑞利本来积极支持这项实验,但它也认为实验结果带来了“真正的失望”。1893年,洛奇做了精确的钢板盘高速转动实验,以观察光速是否改变,证实以太是否被巨大质量带着一起运动。他设想,如果可以改变光速,就可以保留以太学说,又可以解释迈克尔逊实验,即以太随地球转动,所以测不到以太风。但是,实验结果证明,高速钢板盘对光的传播毫无影响。人们不得不怀疑:以太是否真的存在?

旧物理学的根基发生了动摇,物理学家们困惑、徘徊起来。