乙太

乙太

乙太(或譯以太;英語:ether或aether)是古希臘哲學家所構想的一種物質,是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質,但後來被證實並不存在。乙太的假設事實上代表了傳統的觀點: 電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參照系,當參照系改變,光速也改變。乙太說曾經在一段歷史時期內在人們腦中根深蒂固,深刻地左右著 物理學家的思想。他們對比兩束成直 角的光線的傳播速度,由於圍著自轉軸的轉動和繞太陽的公轉,根據推理,地球 應穿行在“以太”中,因此上述成直角的兩束光線應因地球的運動而測量到不同 的速度,莫里發現,無論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線光速的不同。

定義

乙太(或譯 以太;英語:ether或aether)是 古希臘 哲學家所構想的一種物質,是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質,但後來被證實並不存在。

乙太的提出

19世紀,科學家們逐步發現光是一種波,而生活中的波大多需要傳播介質(如聲波的傳遞需要藉助於空氣,水波的傳播藉助於水等)。受傳統力學思想影響,於是他們便假想宇宙到處都存在著一種稱之為乙太的

乙太,曾被認為承載光的介質乙太,曾被認為承載光的介質

物質,而正是這種物質在光的傳播中起到了介質的作用。

乙太的假設事實上代表了傳統的觀點: 電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參照系,當參照系改變,光速也改變。

然而根據 麥克斯韋方程組,電磁波的傳播不需要一個“絕對靜止”的參照系,因為該方程里兩個參數都是無方向的標量,所以在任何參照系裡光速都是不變的。

其中 是 真空介電常數,μ0 是真空磁導率。

這個“絕對靜止系”就是“乙太系”。其他慣性系的觀察者所測量到的光速,應該是 "乙太系" 的光速,與這個觀察者在 "乙太系" 上的速度之矢量和。

乙太無所不在,沒有質量,絕對靜止。按照當時的猜想,以太充滿整個宇宙,電磁波可在其中傳播。假設太陽靜止在以太系中,由於地球在圍繞太陽公轉,相對於以太具有一個速度v,因此如果在地球上測量光速,在不同的方向上測得的數值應該是不同的,最大為 c+v,最小為 c-v。如果太陽在以太繫上不是靜止的,地球上測量不同方向的光速,也應該有所不同。

乙太學說的推翻

在1881年—1884年,阿爾伯特·麥可遜和愛德華·莫雷(Edward Morley)為測量地球和乙太的相對速度,進行了著名的 麥可遜-莫雷實驗。實驗結果顯示,不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了 光速不變原理,即真空中光速在任何參照系下具有相同的數值,與參照系的相對速度無關,乙太其實並不存在。後來又有許多實驗支持了上面的結論。

乙太說曾經在一段歷史時期內在人們腦中根深蒂固,深刻地左右著 物理學家的思想。著名物理學家 洛倫茲推導出了符合電磁學協變條件的洛倫茲變換公式,但無法拋棄乙太的觀點。

愛因斯坦則大膽拋棄了乙太學說,認為光速不變是基本的原理,並以此為出發點之一創立了狹義相對論。雖然後來的事實證明確實不存在乙太,不過乙太假說仍然在我們的生活中留下了痕跡,如乙太網等。

十九世紀後期,科學家相信他們對宇宙的完整描述已經接近尾聲。他們想像 一種叫“以太”的連續介質充滿了宇宙空間,就象空氣中的聲波一樣,光線和電 磁信號是“以太”中的波。 然而,與空間完全充滿“以太”的思想相悖的結果不久就出現了:根據“以 太”理論應得出,光線傳播速度相對於“以太”應是一個定值,因此,如果你沿 與光線傳播相同的方向行進,你所測量到的光速應比你在靜止時測量到的光速低 ;反之,如果你沿與光線傳播相反的方向行進,你所測量到的光速應比你在靜止 時測量到的光速高。但是,一系列實驗都沒有找到造成光速差別的證據。 在這些實驗當中,阿爾波特·麥可遜和埃迪沃德·莫里1887年在 美國俄亥 俄州 克里夫蘭的 凱斯研究所所完成的測量,是最準確細緻的。他們對比兩束成直 角的光線的傳播速度,由於圍著自轉軸的轉動和繞太陽的公轉,根據推理,地球 應穿行在“以太”中,因此上述成直角的兩束光線應因地球的運動而測量到不同 的速度,莫里發現,無論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線光速的不同。不論你是 否運動,光線看起來總是以相對於你同樣的速度傳播。 愛爾蘭物理學家喬治·費茲哥立德和 荷蘭物理學家亨卓克·洛侖茲,最早認 為相對於“以太”運動的物體在運動方向的尺寸會收縮,而相對於“以太”運動 的時鐘會變慢。而對“以太”,費茲哥立德和洛侖茲當時都認為是一種真實存在 的物質。 這時候,工作在 瑞士首都 伯爾尼的瑞士專利局的一個名叫阿爾波特·愛因斯 坦的年輕人,插手“以太”說,並一次性永遠地解決了光傳播速度的問題。 在1905年的文章中,愛因斯坦指出,由於你無法探測出你是否相對於“以太 ”的運動,因此,關於“以太”的整個概念是多餘的。相反,愛因斯坦認為科學 定律對所有自由運動的觀察者都應有相同的形式,無論觀察者是如何運動的,他 們都應該測量到同樣的光速。 愛因斯坦的這個思想,要求人們放棄所有時鐘測量到的那個普適的時間概念 ,結果是,每個人都有他自己的時間值:如果兩個人是相對靜止的,那么,他們 的時間就是一致的;如果他們間存在相互的運動,他們觀察到的時間就是不同的 。 大量的實驗證明了愛因斯坦的這個思想是正確的,一個繞地球鏇轉的精確的 時鐘,與存放在實驗室中的精確時鐘確有時間指示上的差別。如果你想延長你的 生命,你就可以乘飛機向東飛行,這樣可以疊加。

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