Page 218 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

光和电磁现象的同时也统一了“发光以太”和“电磁以太”。
但是，用以太解释光的波动性也给物理学带来诸多负担，因为这需要假定以太具备许多
“奇特的”力学性质 。例如，若光波为横波，而弹性媒质中除横波外一般还应有纵波，但
实验却表明没有纵光波，为了符合弹性力学原理，必需假定以太是一种弹性固体，但这种固
体以太的存在又如何对天体的运动毫无阻碍呢？于是，英国的 G.斯托克斯和开尔文又提出，
以太可能像鞋匠的擦线蜡，它既可能发生振动，又塑性地允许重物穿过它缓慢运动。此外，
不同颜色的光有不同的频率，当它们穿过透明体时折射率也不同，那么菲涅耳的拖曳系数也
不同，这样一来，有多少种频率的光在透明体内就会有多少种不同的以太。尽管这些假设十
分牵强且令人费解，但以太的观念毕竟助光学和电磁学获得了成功，因此，十九世纪的物理
学家大多相信以太的存在，到洛伦兹提出电子论，以太学说进入了最后的鼎盛时期。19 世
纪 90 年代，H.洛伦兹提出了电子的概念，他将物质的电磁性质归之为物质中同原子相关的
电子的效应，认为物质中的以太同真空中的以太在密度和弹性方面并无区别，他还假定，以
太是静止的，不参与任何运动。在洛伦兹的理论中，以太实际上退化为某种抽象的标志物，
除了作为电磁波的荷载物和绝对参考系外，已失去了所有其他具体生动的物理性质，这又为
它的衰落创造了条件。
其实，洛伦兹的以太假设本质上是牛顿的绝对空间观念的反映：电磁波的传播需要一个
“绝对静止”的参考系，这个“绝对静止系”就是“以太系”。根据牛顿力学的速度叠加原
理，当参考系改变，光速也应该改变，其他惯性系的观察者所测量到的光速，应该是“以太
系”的光速与这个观察者在“以太系”上的速度之矢量和。当迈克尔孙和莫雷测量“以太风”
的实验出现零结果时，以太假设马上露出了破绽，最终导致了以太观念被抛弃。另外，根据
麦克斯韦方程组推导得出光速为常数，而决定光速的真空电导率ε0 和真空磁导率μ0 是通过实
验测量出来的，被认为也是常数，这与以太假设是矛盾的。如果真空中有以太，地球在以太
中运动，那么地球上真空电导率和真空磁导率在不同方向应有差异，不可能是常数。
尽管在 19 世纪末和 20 世纪初还有一些科学家努力拯救以太，但是在 1905 年爱因斯坦
的狭义相对论诞生以后，“以太”逐渐被主流物理学家所抛弃。爱因斯坦认为，光速不变是
基本的原理，只要放弃牛顿力学中绝对空间和绝对时间的概念，迈克耳孙-莫雷实验的困惑
就可以得到解决，完全不需要引入以太。电磁场本身就是一种物质，电磁波是这种物质的运
动形式之一，不需要依赖像“以太”这种媒介就可以在空间中传播。所以，爱因斯坦在《论
动体的电动力学》一文的前言中说：“‘光以太’的引用将被证明是多余的。”
虽然爱因斯坦否定了绝对静止以太的存在，但稍后，他在用场论观点研究引力现象时，
马上意识到空无一物的真空观念是有问题的，为此，他曾提出真空是引力场的某种特殊状态
的想法。在求解引力场方程时可得到波动方程，爱因斯坦认为波动方程描写的是“引力波”，
它是以光速在真空中传播的波。爱因斯坦还把他提出的光子概念引用到引力波中来，提出了
与“引力波”相对应的“引力子”的概念，认为万有引力作用是通过辐射与吸收引力子实现
的，而引力子作为能量子，与光子一样，既是粒子又是波。引力场存在于物体周围弯曲的时
空中，并通过引力波传播，而引力波是通过引力子使物体相互吸引的，因此，引力波和引力
子也就成为真空的存在形式。
事实上，真正赋予真空新的物理内容的是 P.A.M.狄拉克。狄拉克于 1930 年为了摆脱狄
拉克方程负能解的困境，提出真空是充满了负能态的“电子海”，当负能态的电子吸收了足
够的能量跃迁到正能态成为普通电子时，电子海中便留下可观测的空穴，这个空穴就是正电
子。1932 年正电子被实验探测到，尔后反粒子概念被确认，任何粒子都有相应的反粒子。
于是，真空“电子海”图像拓展为囊括各种粒子的“粒子海”图像。从现代量子场论的观点
看，每一种粒子对应于一种量子场，粒子就是对应的场量子化的场量子。各种量子场都有一
系列能级，最低能级对应于场的基态，其余所有更高能级对应于场的激发态。基态表现为真

214