2.19世紀(jì)的科學(xué)： 充滿空間的“以太”介質(zhì)
19世紀(jì)末，科學(xué)家們相信他們已經(jīng)處于完整描述宇宙的前夕。他們想象空間中充滿了所謂“以太”的連續(xù)介質(zhì)。
何為“以太”
“以太”一詞最早出現(xiàn)于古希臘，是古希臘哲學(xué)家亞里士多德所設(shè)想的一種物質(zhì)。在亞里士多德看來，物質(zhì)元素除了水、火、土、氣之外，還有一層居于天空上層的“以太”。后來人們逐漸增加其內(nèi)涵，使它成為某些歷史時期物理學(xué)家賴以思考的假想物質(zhì)。
笛卡爾的以太旋渦說
笛卡爾認(rèn)為，真空中充滿了空間物質(zhì)，即“以太”。它們圍繞太陽形成旋渦，這種旋渦導(dǎo)致了太陽系的形成。這一關(guān)于太陽的旋渦說，是17世紀(jì)中最有權(quán)威的宇宙論。
最早將“以太”概念引入科學(xué)的人是英國哲學(xué)家笛卡爾，并賦予了它某種力學(xué)性質(zhì)。笛卡爾認(rèn)為，物體之間所有作用力都必須通過某種中間媒介物質(zhì)來傳遞，而這種媒介物質(zhì)就是“以太”。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?qū)Τ毕淖饔昧Α?/p>
牛頓和笛卡爾有著一樣的觀點。牛頓反對超距作用，并承認(rèn)“以太”的存在。在他看來，“以太”不一定是單一的物質(zhì)，因而能傳遞各種作用，如產(chǎn)生電、磁和引力等不同現(xiàn)象。牛頓也借助“以太”的稀疏和壓縮來解釋光反射和折射，甚至假想“以太”是造成引力作用的可能原因。因此，整個17世紀(jì)，幾乎所有科學(xué)家都承認(rèn)“以太”的存在，并逐漸賦予“以太”更加完整的定義。我們由此可以感知，愛因斯坦后來對“以太”提出質(zhì)疑，和發(fā)現(xiàn)相對論，是多么偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
艾薩克·牛頓
尋找“以太”
19世紀(jì)是“以太”觀念真正展現(xiàn)威力的時候，因為科學(xué)家通過對光的研究發(fā)現(xiàn)，光是一種波，而生活中的波大多需要傳遞介質(zhì)。例如，聲波的傳遞需要借助空氣，水波的傳遞需要借助水，等等。所以，科學(xué)家們便假想宇宙間到處都存在著一種可以稱之為“以太”的物質(zhì)，正是這種物質(zhì)在光的傳播中起到了介質(zhì)作用。實際上，科學(xué)家們的這種思考，正是受到了牛頓經(jīng)典力學(xué)思想的影響。
科學(xué)家們相信光線和射電信號是在“以太”中的波動，他們只要仔細(xì)測量出“以太”的彈性性質(zhì)，就能構(gòu)建出完整理論來描述宇宙。因此，為了進(jìn)行這種測量，建立一個完美的實驗環(huán)境勢在必行。哈佛大學(xué)承擔(dān)了這個艱巨的任務(wù)，在大學(xué)校園內(nèi)建立了杰弗遜物理實驗室。
杰弗遜物理實驗室
杰弗遜物理實驗室最初的設(shè)想是不用一根鐵釘，以免干擾靈敏的磁測量。然而，策劃者忘記了建筑實驗室和哈佛大部分樓房所用的紅褐色磚頭中含有大量的鐵。當(dāng)然，這棟建筑至今依然在使用。
“以太”觀念的偏差
到了19世紀(jì)末，有關(guān)光通過“以太”傳遞的觀念出現(xiàn)了偏差，按照人們的預(yù)測，光會以恒定的速率通過“以太”。如果光是一種可以被稱為“以太”的彈性物質(zhì)中的波，那么你通過“以太”順著光的方向運(yùn)動，光的速度會顯得更慢；而如果你逆著光的方向運(yùn)動，光的速度會顯得更快。
固定以太理論
然而，現(xiàn)實當(dāng)中的一系列實驗都不支持上述觀念，其中最為著名的是邁克耳孫-莫雷實驗。1887年，波蘭裔美國籍物理學(xué)家阿爾伯特·邁克耳孫和美國物理學(xué)家愛德華·莫雷，在美國克利夫蘭的凱思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了一場最為仔細(xì)、精確的實驗。他們對相互垂直兩束光的速度進(jìn)行比較，隨著地球繞軸自轉(zhuǎn)以及繞日公轉(zhuǎn)，儀器會以變化的速率和方向通過“以太”運(yùn)動。
測試結(jié)果顯示，兩束光之間沒有周日或周年的變化。不管人們在哪個方向多快地運(yùn)動，光似乎總是以相同的速率，相對于它的所在地運(yùn)動。
邁克耳孫-莫雷實驗
邁克耳孫-莫雷實驗最初的目的是為了測量地球在“以太”風(fēng)中的速度。因為當(dāng)時的科學(xué)界認(rèn)為“以太”是靜止的，所以運(yùn)動的地球理論上會引起“以太”風(fēng)迎面吹來。也就是說，“以太”風(fēng)必然會對光的傳播產(chǎn)生影響。
