Page 217 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

第十一章 真空

一、真空观念的演变
真空按其词源，原本是指“虚空”，即一无所有的空间。自近代科学诞生以来，人们对
真空的认识发生了很大的变化，经典物理学和量子物理学均赋予真空以某种物理内容，即“以
太”和“量子场”。从古代到现代，真空的物理定义大致经历了从“虚空”到“经典真空”
再到“量子真空”的演变。
古希腊德谟克利特的原子论认为所有的物质都是由原子组成，原子之外就是虚空。虚空
的性质是空旷，它给原子提供了运动的条件。原子永远运动于无限的虚空之中，它们互相结
合起来，就产生了各种不同的复合物，原子分离，物体便归于消灭。真空就是一无所有的虚
空，这种真空观一直延续到十七世纪。牛顿力学基本秉承了这种观念，万有引力被认为是无
需任何媒介的超距作用。不过，牛顿本人对这种超距作用假设并不满意，他曾写道，“一个
物体可以通过真空作用在远处的另一个物体上，而不需要其他媒介：真空传递它们之间的作
用和力。在我看来这种观点太过荒谬，我相信一个有正常思考能力的人绝不会支持它”。
当时，反对超距作用的最著名的人物是法国哲学家 R.笛卡儿，在他看来，物体之间的
所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用，因此，空间不可能
是空无所有的。为此，笛卡尔将亚里士多德设想的一种假想物质——以太引入真空，认为真
空是被以太这种媒介物质所充满的空间。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的
作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。笛卡尔还提出了以太旋涡说，以此解释太阳系内各行
星的运动。后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动
说是由 R.胡克（Robert Hooke）首先提出的，并为惠更斯所进一步发展。在相当长的时期
内，人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动，这种媒介物质就称为波的荷载物，
如空气就是声波的荷载物。由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出，荷载光波的媒介物
质是以太，它充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中，故当时将以太称
为“发光以太”或“光以太”。
到十八世纪，以太学说逐渐归于沉寂，这主要是因为利用超距作用阐述的牛顿引力理论
取得了巨大成功，人们发现并不需要借助以太来解释万有引力现象。而且，牛顿提出的光的
微粒说也占据了主导地位，用微粒说解释光的传播也不需要以太作为媒介。
以太观念真正展现威力是在十九世纪。1825 年前后，英国的托马斯·杨和法国的菲涅
耳用波动说成功地解释了光的干涉、衍射、双折射、偏振、甚至光的直线传播现象。菲涅耳
提出，透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，并结合托马斯·杨的光波为
横波的学说，推出关于反射光和折射光振幅的著名公式。他还进一步假定，以太静止在自由
空间和不透明物体中，而在透明物体内，以太以小于透明体运动速度的一定比率而运动，此
比率与透明体物质的折射率相关，并被称为菲涅耳系数。菲涅耳的推论被法国物理学家 A.
斐佐的实验所证实。其后，以太在电磁学中也获得了用武之地。19 世纪 60 年代，J.麦克斯
韦提出位移电流的概念，借用以太观念成功地将法拉第的电磁力线表述为一组数学方程式，
即麦克斯韦方程组。在导出这个方程组时，麦克斯韦曾提出，磁感应强度就是以太速度；以
太绕磁力线转动形成带电涡元；甚至将他的位移电流概念从绝缘体推广到以太范围。人们将
麦克斯韦的以太称为“电磁以太”。从麦克斯韦方程组可以导出，电磁扰动的传播速度与已
知的光速在实验误差范围内是一致的，因此麦克斯韦指出：“光就是产生电磁现象的媒质（以
太）的横振动”，传播电磁与传播光“只不过是同一种介质而已”。就这样，麦克斯韦在统一

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