第二节  电磁以太、以太风和以太涡旋

    因为电磁以太的存在是人们对电磁现象认识的关键，所以还要进一步论述电磁以太的存在性问题。

一、“以太”的产生

对电磁场本质的认识历史上有许多观点。归纳起来主要有如下几种：

“超距作用”论者认为，引入“电场”或“磁场”的概念，是为了产生电荷或电流之间的作用力的需要。由于“超距作用”是在稳恒场的情况下提出来的，在这种情况下，不存在场的传播是否需要时间的问题。后来发现以光速传播的电磁波后，“超距作用”的观点自然就不攻自破了。

另一种说法认为电磁场是“空间的特殊状态”，他们认为有了电荷或电流，周围的几何空间就进入了一种特殊状态，它表现出能对其它电荷或电流产生作用力的性质。所以，这些人又说“场就是力的表现场所”。他们所说的“空间”是空无一物的几何框架，在他们看来“场”也不是物质。

法拉第认为电磁的相互作用是通过一种叫做“以太”的特殊物质而传递的，当时的“以太”假说认为，物质之间没有绝对的真空，空间到处充满一种特殊的物质——“以太”（本人认为“以太”有很多种，为了不相互混淆，能产生电磁的相互作用的“以太”本人叫做“电磁以太”）它具有一系列奇特的性质，在其中可以激发各种非常复杂的物理过程，包括传递电磁作用。麦克斯韦创立他的电磁理论时就直接援用了法拉第的观点，在他看来，电磁波就是“以太”中的一种弹性波。

二、“以太”被否定的原因

在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。

以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。当时，一方面，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。另一方面，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而，造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”，从而诞生了洛仑兹 “尺缩”的电子论。

三、为“以太”翻案

   在“以太”中运动丝毫不受阻力，是因为“以太”比任何气体要轻得多和稀薄得多；电磁波为什么是横波，是因为电磁波是一种自扩张的“涡旋”波；其传播速度极大，是因为其密度极小；产生的电磁波中之所以丝毫没有“以太”纵波，是因为电磁波是一种“无散波”。弹性力学已证明，“无散波”不会产生纵波。因此“以太”的力学性质是非常合理的，一点也不矛盾。以后我们还会详细论述。

否定“以太”之所以是错误的，其根本原因是虽然不存在“以太风”，但是存在着一种人们没考虑到的“以太涡旋”。

   电磁以太有它特殊的运动性质，这就是电磁以太通量的散度为0。也就是说，电磁以太从什么地方发出，通过一条闭合曲线，重新回到原来的地方。用数学语言即是封闭曲面的电磁以太通量和与所包围体积的比值，当这体积趋于0时其极限为0。或者说任何小的封闭区域都没有纯粹的电磁以太通过（即是任何同时间里进出该区域的电磁以太通量是一样的，既无源泉，也无漏洞）。只有把电磁以太看成是不能作直线运动仅能产生涡旋才能做到这一点。因此，电磁以太是无散的，其一定不能作平动，因为平动就一定有散。

从数学上讲，电磁以太通量的散度为0 是一个很清晰很具体的概念。从整体上看，以太只能作涡旋运动，而不能作平动。换言之，在我们周围的空间中，只存在以太的涡旋，而不存在“以太风”。因此，“以太风”虽然不存在，但以太涡旋是存在的，电磁以太当然也是存在的了。

由于“以太风”不存在，光行差、斐索流水试验和迈克尔逊——莫雷试验之间就不再有任何矛盾了。

地球在绕太阳的轨道上运转和自转时，会带动以太。在地球上空，产生的并不是“以太风”，而是以太的涡旋。这些以太的涡旋从整体上不会影响遥远星光向地球的传播。也就是说，对于光的传播而言，以太的涡旋与静止的以太产生的效果是一样的。地球相对于恒星在运动着，因此会产生众所周知的光行差。

同样地，由于迈克尔逊—莫雷试验中的水平和垂直臂上，没有“以太风”，只有以太涡旋。因而根本不会产生光程差，从而干涉条纹也不会发生任何变化。迈克尔逊—莫雷试验只不过否定了“以太风”的存在。而以太风在地球的上空本来就是不存在的。

四、科学家论以太

声名卓著的开尔芬就十分热衷于构造以太的力学模型。他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型，我是永远也不会满足的。”1890年，他提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的。

洛仑兹在世纪之交虽然积极参与了物理学的几个前沿领域，却极力设法修补旧理论，总想在不触犯经典理论框架的前提下把力学和电动力学调节器和起来。但是，1887年迈克尔逊实验否定了为电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁力学的基础受到了冲击。洛仑兹为此而郁郁不乐，他于1892年写信给瑞利说：“我现在简直不知道怎样才能摆脱这个矛盾。不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，………我们就根本不会有一个合适的理论了”。 ……….直到晚年，他还认为以太是具有一定优点的概念。

据玻恩回忆说：“我在洛仑兹逝世前几年看望他时，他对相对论的怀疑态度没有改变。”据板田昌一讲，洛仑兹面对波粒二象性的新概念，曾绝望地哀叹：“在今天，人们提出了和昨天所说的绝然相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了，我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去。”

玻耳兹曼直到1902年还公开宣称：“力学是整个理论物理大厦赖以建立的基础，是所有其他科学分枝赖以产生的根源。”

迈克尔逊设计试验的目的是为了证明“以太”的存在，可是事与愿违。为此他非常失望，以至于试验没按原计划完成，而是草草收场。他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。

J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辩哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”

    爱因斯坦在以太问题上也曾犹豫不定。他在题为《以太和相对性原理》的讲演中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思义的。实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间——时间间隔。……因此在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图象中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”

现在，面对宇宙背景辐射等实验事实，许多著名物理学家都认为应当恢复以太假设。伯格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系。迈克尔逊和莫雷的梦想变成了事实，即找到了我们太阳系的绝对运动。斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾。

最后，我们看一看当代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在1970年，狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”