以太：奇幻的“第五元素”

    以太是古希腊哲学家亚里士多德设想出的一种“看不见、摸不着”的奇幻物质。它区别于“火、气、水、土”四元素，被称为“第五元素”。按照这五种元素的完美程度，亚里士多德将宇宙划分为两大区域：月球所在的天球之内为地界，由“火、气、水、土”四种元素从外到内依次组成；月球所在的天球之外为天界，其组成元素便是以太。以太被认为是无所不在、绝对静止、十分稀薄的“精英”。

    17世纪，笛卡尔首先将以太的概念引入物理学，他反对任何的超距作用，提出了“以太涡旋”理论，认为行星运动是由以太涡旋所带动的。“以太涡旋”说与牛顿在此之后提出的万有引力定律存在巨大矛盾。按以太涡旋理论分析，地球在以太的压力下应该形成两级凸出、赤道扁平的“橄榄”形。经过实际的测量之后，却证明地球是两级扁平、赤道凸出的“橘子”形。这直接证明了万有引力的存在，进而确立了牛顿在科学界的地位。值得一提的是，牛顿并未因此怀疑以太的存在，他还试图通过以太来解释万有引力的机理。

    18世纪，随着牛顿在科学界的地位日益巩固，牛顿支持的光的微粒说火了起来，与以太密切相关的光的波动说受到重创。对以太的探寻一直未发现实际结果，以太说也受到笛卡尔学说的牵连而遭到了批判。这一时期是以太说的沉寂时期。

    19世纪，托马斯·杨和菲涅尔成功地解释了光的干涉、衍射、双折射以及偏振等现象。证明了光的确是一种波。波的传播需要介质，以太便顺理成章地成为了光媒介质。光的波动说逐渐占据主流。随后以太在电磁学中也获得了地位，麦克斯韦用以太观念成功推导出麦克斯韦方程组。他通过电磁波和光在“以太”中传播速度的一致性，统一了电磁现象和光现象。至此以太学说获得巨大成功，以至于所有的物理都可以简化为以太的物理。以太逐渐被认为除了荷载电磁振动之外，不再有其他的运动和变化，成为电磁波的荷载物和绝对参考系。

    另一方面，捕捉以太的实验也在开展。1887年，实验证明了不同方向上的光速没有差异，即地球相对以太并不运动，实际上证明了光速不变原理。1905年，爱因斯坦据此提出狭义相对论，正式宣布绝对时空观和以太的死亡。

    以太的出现与存在，在哲学上是人类对至真至美的追求，在科学上则是绝对时空观的体现。人类需要一种绝对静止的物体去衡量世界的尺度，也需要一种普遍存在的力量去解释万物的运动。物理学的发展并没有因为以太的引入而产生明显的阻碍，许多物理学家却需要借重以太才能自圆其学说。告别了20世纪初物理学的大发展，物理学研究面临诸多瓶颈。新发现的一些现象，比如暗物质和暗能量，也给现有物理学带来巨大冲击。物理学研究急需新视野与新观念，我们可否从前人的思想中汲取营养从而获得一些启发呢？奇幻无比的“第五元素”是否会再次复活呢？

    （作者单位：中科大科技史与科技考古系）