以太理论和相对论9
物理学家已经将一个有实际重量的物质观念建立了起来，可是他们为什么还要建立“以太”这样一个概念呢？这是出于波动论和超距作用 10 的需要。下面我们就来讨论一下这两个问题。
超距作用是物理界的局外人很难理解的。因为在我们的日常经验中，两个物体之间的互相作用基本都是通过直接接触产生的，诸如挤压、拉动、碰撞，或者加热、燃烧等等，此外物体间就没有别的作用了。事实并非如此，超距作用力的典型例子就是重力，从日常的经验中就可以证实这一点。可是重力似乎无论在何时何地都是一种不变量，跟其他事件毫无关系，它太常见，因而我们习焉不察，所以这种超距作用力我们也就很难认知。直到万有引力被牛顿所发现，他还揭示出万有引力定律，用物质间的超距作用力来解释这种引力，这时，这种力的作用才被人们注意到。虽然很多自然现象都能通过牛顿的这个发现及其理论加以解释，物理学也因此产生划时代的进步，可同时代人还是对他有所质疑，因为当时已经证明的理论与之格格不入，大家早已形成这样的共识：力的产生必须通过接触，超距作用力没有媒介，因而不可能产生。
牛顿的观点逐渐被求知欲旺盛的人们所接受，可是超距作用力和自然力概念不一致性的问题，应该如何解决呢？首先，我们能够假设，接触力同样是超距作用力的一种，只不过它产生于极微小的距离中，并且能够被觉察到。牛顿的继任者们因为太过痴迷于牛顿，毫无疑问地全盘接受他的学说和理论，因而大都是沿着这条思路探索的。其次，假设牛顿的超距作用力无需任何传播媒介，是一种虚构的力，问题同样可以解决。其实问题要复杂得多，实际上无论是由于这种媒介的运动，还是由于它的弹性变形的作用结果，这种力还是需要媒质传递的。所以，人们只好想象空间中充满了一种叫做“以太”的物质，以此对这个力的过程进行统一解释。以太假说并未推动物理学和引力理论的任何发展，反倒让人们开始迷信于牛顿，认为他的引力定律是能涵盖一切的。所以，物理学家的思想开始被虚构的以太所俘获，以太对物理学产生了重要的影响，即便仅仅是在开始阶段产生了潜在的影响。
人们在19世纪上半叶注意到，实际物质的弹性波性质与光的性质有着很多的相似性，这个事实似乎更有力地证实了以太假说。这种充满宇宙空间、具有弹性的惰性媒质的震动过程，完全可以利用光的性质进行解释。光具有偏振性 11 ，所以以太也应该具有偏振性，而且因为流体不可能产生横波 12 ，所以以太还必须是一种固体。于是，“光以太理论”就这样产生了。这种理论认为，光以太的各部分之间除了因传递而发生的微小变形之外，基本都是固定不变的。
也有人用“静态光以太理论”称呼这种理论。此外，那个被当作狭义相对论基础的斐索实验，也强有力地支持这一理论。人们从此实验中获得了这样的结论：在物体的运动中，并没有光以太的直接参与。同样有力地支持着以太理论的，还有光行差现象 13 。
向前发展的道路被麦克斯韦和洛伦兹给电学理论指引出来，以太观念于是出现了一个最意料不到的转变。麦克斯韦认为，从根本上说，以太依旧是一种有着纯粹机械性质的实体，虽然以太的机械性质的复杂性远远高于固体的性质。很遗憾，麦克斯韦和他的继任者都未能将以太机械模型做出来，所以，一种更令人信服的力学解释就未能在麦克斯韦的电磁场定律中出现。这样的观念渐渐地为人们所接受——和力学基本概念一样，磁场强度、电场强度等都是物理学的基本概念，而对它们的力学解释也就不再强求了。然后，人们渐渐放弃了纯粹机械的自然观。出乎所有人的意料，另一种可怕的二元论却诞生于这个变化。人们为了寻求解决之道，又反向而行，即让力学的基本概念统一于电学的基本概念。那时所进行的高速阴极射线方面的实验，以及B射线的发现，也在一定程度上影响了牛顿的经典力学方程。
H.赫兹认为，和速度、动能、机械压力的载体一样，电磁场的载体也是物质。他认为，这种场存在于真空，也就是自由的以太之中，因此，电磁场的载体就是以太，以太跟有重力的物质没有区别。……
就在这种情况下，H.A.洛伦兹发表了他的见解。通过巧妙地简化基础理论，他使经验和理论得以完美地结合在一起，彼此的关系极为和谐。虽然他将物质的电磁性质和以太的力学性质取消了，电学上的重大突破却出现了，在麦克斯韦之后，这是电学发展史上最为重要的发展。
实际上，原子论者对物体-内部的猜测是错误的，电磁场的基体是一个充满了以太的空间，而非他们想象中的物质。洛伦兹认为，物质的基本粒子之所以能产生一系列的电磁效应，是因为自身带有电荷，而且它们仅能做些简单的机械运动。由此，洛伦兹巧妙地运用麦克斯韦真空方程，将一切电磁现象合理而成功地揭示了出来。
如此一来，也许就有人打趣说，洛伦兹提出了以太力学物质，可是对于这一物质唯一的定性描述，就是它在力学上的不动性。还有一点需要补充的是，就是因为以太最后的力学性质——不动性被狭义相对论取消了，人们才用全新的眼光看待以太的概念。可是，为了能正确地理解这句话的含义，要及时地对之进行解释说明。
虽然麦克斯韦一洛伦兹的电磁场理论为狭义相对论的运动学和时空理论提供了一个相关的初步形态，并且狭义相对论的一切要求它都能符合，然而换个角度来说，它的另一面却因狭义相对论而得到发展。比如说，假定有这样一个坐标系R，若对于R而言，洛伦兹以太处于静止状态，那么，第一个对此坐标起作用的就必定是麦克斯韦一洛伦兹方程。可是，根据狭义相对论，若有任意一个新坐标系R1，它只要跟坐标系R处在相对匀速直线运动状态之下，这些方程就同样满足这个新的坐标系。于是，让人不安的情况就出现了：既然就物理角度而言R与R1是等效的，那么我为什么会在狭义相对论中使用这个以太对R是静止的假设条件，以突显坐标系R呢？理论家无法容忍的在于：理论结构呈现不对称状态，而此不对称又对称于一个毫无经验的体系所呈现的不对称性。可是，我觉得，在对于R以太处于静止状态，而对于R1以太处于运动状态这个假设条件之下，在物理上R和R1完全等效。从逻辑上来说，就算这个结论并非绝对错误，也是没法接受的。
在此情况之下，人们最容易接受的观点，就是以太压根儿就是完全不存在的。人们会觉得电磁场就像是重物质的原子，是独立存在的实质，而并非一种媒介，也不是任何别的东西，不会在任何载体上附着。有了洛伦兹的理论，这种解释看上去是那么自然。并且，根据狭义相对论，在重物质丧失了自身特性，以一种特殊形式显现其能量的时候，能量分配的特殊形式就展现为物质和辐射，所以，电磁辐射和重物质一样，也具有冲量和能量。
可是，以太之不存在，是经过极为精准的实验而得出的结论，无需通过狭义相对论来论证。我们也可以假设以太是存在的，只要抛弃它有固定的运动模式这一观点。换而言之，就是从以太的身上删除洛伦兹所认定的力学特征。我们将发现，这种观点已经得到广义相对论的证实。为了能更形象清楚地想象这种观点，我想用对比的方法加以说明，虽然这个对比也许不怎么恰当。
想象一下水面上的波纹。通过这个过程，可以分别阐释两种不同的事物。首先，水和空气的波纹界面是怎样的我们能够看到，同时，它们随时变化的情况我们也能够跟踪记录。当然，借助别的介质也行，比如借助一些微小的漂浮物，将水分子在不同时间所处的位置记录下来。如果没法借助这些微小的漂浮物对水分子的运动变化进行测量，如果过程中能够观察到的只有液体空间位置的变化，哪怕在这种情况下我们不能建立“水是由无数运动分子构成的”这样一个假设，我们还是能够将水称作媒介。
电磁场的情况跟上面说的差不多。假设电磁场是由无数根力线组成的，要是对这种力线加以某种实在的物质解释，那么我们就能够跟踪记录下每条力线在不同时间的变化，这样，就能用动力学的过程来看待通过力线的某种运动。可是，这样会产生矛盾，这一点我们每个人都清楚。
因此，简单来说，我们要明白，并非任意的运动理论对于一切物理客体都适用。换而言之，我们能够假设，对于有些有着延展性的物理客体，我们没办法将之视为由粒子组成的物质，即某种能够长时间跟踪并观察其粒子变化的物质，因而它们跟任何运动理论都格格不入。明可夫斯基对此解释道：在四维空间里面，并非所有具有广延性的实体都拥有世界线 14 。事实上，以太假说和狭义相对论两者本身并不相互矛盾，只是根据狭义相对论，对于“以太的组成物就是那些能够随时追踪的粒子”这个假设，我们无法得出。所以，我们只要不将一种运动状态强加给以太就行了。
实际上，从狭义相对论的角度而言，以太假说一点用处都没有。因为出现在电磁场方程中的只有线场的强度和电荷密度。看起来，似乎电磁过程在真空中的进程只由那个内在的定律决定，而不受其他物理量的影响。当电磁场以一种实在的、确定的、独立的形式出现的时候，若以太再次作为一种各向均匀、同性的介质出现，那么将以太存在的状态认定是电磁场就是必须的，而这样不符合物理学的简洁之美。
可是，以太假说也能从中获得另一个有力支持。我们要是否认以太的存在，就意味着必须承认没有任何物理性质存在于空虚空间。力学的基本客观事实显然和这种观点矛盾。决定一个在空虚空间中自由漂浮的物质体系的力学行为要素，除了相对速度和相对距离，还有其自身的运动状态，也就是它的转动状态。就物理的角度而言，这种转动状态必须被理解成其自身的特征之一。牛顿就是为了将此转动从形式上看成一种具体的存在，所以才将空间看作是客观存在的。他认为，相对于绝对空间的转动一定是客观存在的事物，因为绝对空间就是客观存在的事物。同样，牛顿也能用“以太”来命名自己的绝对空间。只不过，问题的本质在于，是为了将这种转动和加速度都视为一种客观存在，因此才将可视以及不可视的东西都看成是某种客观事物。
此类尝试马赫就曾做过。为了对有某种无法察觉的客观事物存在必要性的假设加以避免，他以力学为基础，将绝对空间加速度的替代值定为世界上所有运动事物的平均加速度。然而，一定的惯性阻力存在于所有远距离物体的相对加速度中，因此，超远距离的直接作用的存在就是必须要作出的假设前提。可是，现代物理学家是不会作出这样的假设的，因为以太能够作为惯性作用的媒介，所以这种情况就使得我们不得不再次回到以太上。可是，比之于牛顿、菲涅尔、洛伦兹等在这个问题上提出的相关理论、概念，马赫在此问题上的思维模式和以太概念与之有着本质的区别。除了马赫所说的以太概念，惯性物体的状态同样影响着惯性物体的行为。
马赫观点的充分扩展在隶属于广义相对论的以太理论中得到了实现。按照这个理论，时空点若是分开的，它附近的时空连续区内的度规应该各有差别，且该区域之外的其他实际物质也跟此两者有着密不可分的关系。如果有一定的关系存在于量杆和时钟之间，且它们在同一个空间内存在，也就是时间上有所变异，即通常我们所谓的“空虚空间”，它在物理关系上既不存在各向同性，它不均匀，所以，我们就要用一个函数（引力势gμV）来描述空虚空间的状态，于是，对于物理上空虚的说法就必须要改变。这样，以太就具备了确定的内容，它不同于光的机械波动说。在广义相对论里面，以太本身没有力学和运动学上的一切性质，它首先是作为一种媒质存在的，然而它却深刻地影响了电磁学和力学。
这种新型广义相对论的以太理论在原则上与洛伦兹以太理论的矛盾之处在于：对每一点广义相对论以太状态起决定性作用的，是它与物质的关系，以及它与周边相邻各点以太状态的关系。可以通过一些定律，用微分方程的形式来表示这种关系。可是，若是不存在电磁场，洛伦兹以太中的各点以太都有着相同的状态，而且它自身以外的一切东西都无法影响到它。假若我们把决定以太状态的所有原因全都抛开，用常数来代替描述广义相对论以太的各个函数，那么，我们就能将广义相对论以太理论在这种想象中转化成洛伦兹以太理论。因此，有人说广义相对论以太理论就是洛伦兹以太理论和相对论的相加，这种说法是有一定道理的。
迄今为止，我们清楚，这种新型以太必然会在未来物理学的世界图像中产生自己的影响。只是到底是怎样的影响，我们还没弄明白。我们认识到，它能够在空间—时间连续区里面确定度规关系。比如说，关于固体的引力场以及可能出现的各种排列方式都能够确定。我们了解到，带电的基本粒子构成了物质。然而，在这种基本的粒子结构当中它的角色到底是怎样的，是否成为其重要组成部分，我们还不清楚；是否只有在位于重物质附近的时候，它的结构才会和洛伦兹以太的结构不同，我们也不了解。此外，我们同样无法了解到，关于宇宙范围的空间几何是不是十分相似于欧几里得的几何。
然而，我们可以从相对论中的引力方程得知，即便有一个极小物质的正的平均密度存在于宇宙中，宇宙数量级空间的性状和欧几里得几何也必然因此而有所偏离。一般来说，宇宙在这种情况下的状态肯定是封闭的，并且其大小也有一定的限制。而就是那个物质平均密度的具体数值，决定了宇宙大小。
我们如果从以太假说的观点进入，对电磁场和引力场进行考察，那么，这里就存在着一个我们必须特别注意的原则性差异。一切空间和一切空间的一切部分，都存在着引力势。这是因为，是这些引力势造成了空间的度规，对于没有轨度的空间，我们没法想象。引力场和空间的存在直接连接在一起，是密不可分的。反之，某部分空间中不存在电磁场的样子，我们则能够想象。因此我们能够看出，电磁场和引力场恰好相反，好像只是间接地联系着以太。这是由于，决定电磁场的性质和形式的根本因素，并非引力以太。就现有的理论程度而言，电磁场的基础好像跟引力场完全不同，而是一种全新的形式，自然界似乎将一种和以太场完全不同的场赐予了它，比如标示的某种场同样会合适。
既然就我们目前的观点而言，构成物质的基本粒子在本质上是电磁场的聚变而不是别的物质。那么，我们就必须承认，在当下的世界图像中客观存在着电磁场和引力场，即使此二者在因果关系上相互联系，然而各自却有着完全独立的概念。也许，人们能直接称呼它们为——物质和空间。
若是合并电磁场和引力场，使之构成一个完整的实体，就绝对是物理学的极大进步。那时，麦克斯韦和法拉第所开创的理论物理学新路途，将会结出丰硕的果实。那时，以太和物质的这种对立关系将慢慢被消除。在广义相对论的帮助下，物理学会达到跟几何学、运动学、引力理论相类似的程度，从而形成一个极为完备的思想体系。数学家H.维尔在此方向上的研究令人瞩目，可是我觉得，他的理论未必能经受得住现实的检验。并且，我们必须考虑到场论会因为量子论解释的事实而产生一定的界限，而以后人们都无法跨越这种界限，这一点关涉到那就要到来的理论物理学的未来。
这样一个总结于是便呼之欲出：依据广义相对论，空间具备了物理性质。所以，在某种意义上，以太确实存在。从广义相对论的角度而言，我们无法想象一个不存在以太的空间。在此空间中，光线不能传播，量杆和时钟都无法存在，而物理意义上的空间和时间的区别就更不用说了。然而，不能将那些重媒质的特性强加到这样的以太身上，也不要觉得是那些可以随时跟踪的粒子构成了以太，以太超出于运动概念之外。
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