梁 瑤 袁海泉 桑芝芳（蘇州大學物理與光電能源學部，江蘇蘇州 215006）

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“以太論”的發(fā)展及其物理教育價值

梁 瑤 袁海泉 桑芝芳
（蘇州大學物理與光電能源學部，江蘇蘇州 215006）

摘 要“以太”是物理學中古老而富有爭議的一個極其重要的概念，它伴隨著物理學，尤其是經(jīng)典物理學的發(fā)展而發(fā)展．以太論的發(fā)展過程，是人類科技發(fā)展道路上曲折的進步歷程．因此在物理教學應(yīng)強化知識建構(gòu)過程的背景下，“以太論”具有重要的物理教育價值．本文簡要論述了“以太論”在力學、電學、光學等經(jīng)典物理學領(lǐng)域的發(fā)展歷史、內(nèi)涵演變以及現(xiàn)代物理學中對以太的認識，在此基礎(chǔ)上探討了“以太論”的物理教育價值．

關(guān)鍵詞以太；發(fā)展；經(jīng)典物理學；現(xiàn)代物理學；物理教育價值

“以太”是物理學發(fā)展中一個極其重要的概念，它的形成與發(fā)展伴隨著科學的萌芽、發(fā)展和進步，它見證了物理學，尤其是經(jīng)典物理學的發(fā)展．但是物理教學中物理教師常常回避“以太”相關(guān)問題的教學，其原因是認為“以太”是被否定了的物理假設(shè)，甚至認為“以太”是錯誤的概念，不具有教育教學價值．在物理教學應(yīng)強化知識建構(gòu)過程的背景下，本文簡要概述了“以太”論的發(fā)展過程及其內(nèi)涵演變，在此基礎(chǔ)上探討了“以太論”的物理教育價值．

1 “以太論”發(fā)展簡述

“以太”是為了解釋某些難以理解的物理現(xiàn)象而引入的一個物理概念，它的含義隨著物理學的發(fā)展而變化，它經(jīng)歷了哲學以太、機械以太、光以太及電磁以太等，每種以太在一定程度上促進了當時物理學的發(fā)展．

1．1 哲學以太

“以太”本來是哲學概念，起源于古希臘，最初見于一則神話傳說：暗神伊利波斯與夜神尼昔絲結(jié)合，生出個精靈氣旺的宙斯神來，這就是以太［1］．在那個時候，以太表示精靈之氣，彌漫于宇宙．亞里士多德有句名言：“大自然是厭惡真空的”．他提出了五元素說，認為月層以下的一切物體都是由土、水、氣、火四元素組成的，月層以上的天體則是由更純潔的第五種元素“以太”構(gòu)成．“以太”處在整個宇宙的最高處，包圍著神圣的物體以及它們有次序的軌道運動［2］．此外，以太在古希臘科學中又用來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)．俄國化學家門捷列夫曾把以太作為原子序數(shù)為零的物質(zhì)列入他的元素周期表中．

1．2 機械以太

法國科學家笛卡兒最先將以太引入自然科學，并賦予它力學性質(zhì)，提出了引力的“以太渦旋說”［3］．他認為不存在超距作用，只有當物體相互接觸時才能產(chǎn)生相互作用和運動．他認為“虛空”是不可能的，整個宇宙充滿著一種特殊的易動物體，這就是以太，以太處于不停的激烈運動中，各部分相互作用，形成許多大小、速度等不同的旋渦，太陽就處在一個大旋渦的中心，周圍的旋渦帶動著行星，地球與行星又帶著它們周圍的小旋渦．笛卡兒的“以太渦旋說”的意義是在于它試圖根據(jù)力學而不是以泛靈論觀點解釋宇宙．

1．3 光以太

當時，人們對于光的性質(zhì)有兩種不同的假設(shè)：一種是牛頓繼承了笛卡兒提出的微粒說．微粒說認為光是服從力學定律的光微粒．牛頓認為，以太不是一種單一的物質(zhì)，因而能傳遞各種作用，例如電、磁和引力．此外，它也可以傳播振動，但以太的振動不是光．另一種假設(shè)是光的波動說．光的波動說最初是由胡克提出，并由惠更斯進一步發(fā)展．波動學說認為光是一種以波動形式在空間傳播的機械波．在相當長的時期內(nèi)，人們對波的理解只局限于某種媒介物質(zhì)的力學運動，這種媒介物質(zhì)就稱為波的荷載物，例如空氣就是聲波的荷載物．為了說明光波的荷載物，惠更斯把機械以太引進光學領(lǐng)域，成為光以太，提出光波的荷載物就是光以太，光以太是包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中．光以太的概念是與光的波動學說相聯(lián)系的，是作為光波的荷載物提出的，因此光以太對于理解光的波動學說具有重要意義．

1．4 電磁以太

正當人們?yōu)榱岁U述光媒而大費腦筋的時候，法拉第發(fā)現(xiàn)了空間具有電和磁的性質(zhì)，他引入了力線來描述電作用和磁作用．他曾提出用力線來代替以太并認為物質(zhì)原子可能就是聚集在某個點狀中心附近的力線場．在1851年他又寫到“如果接受光以太的存在，它可能是力線的荷載物．”但法拉第的觀點并未被當時的物理學家所接受．1861年，麥克斯韋又用電場和磁場概念發(fā)展了法拉第的力線模型，他認為整個空間都充滿了由磁力線構(gòu)成的磁力管，各磁力管內(nèi)都充滿了以太，而且都在做旋轉(zhuǎn)運動．后來，麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程組，他從這個非常簡潔而優(yōu)美對稱的綜合結(jié)果出發(fā)，指出電磁場是在以太中傳播的橫波．麥克斯韋為了說明電磁場運動形成電磁波的傳播過程，將光以太引申為電磁以太．1888年，赫茲用實驗證實了電磁波的存在．根據(jù)麥氏方程組求解電磁波的波速與實際測出的光速一致，人們意識到光是一種以波的形式通過以太傳播的電磁擾動，也就是說，光就是客觀存在著的電磁波，并將傳播電力和磁力的電磁以太和當時認為傳播光的光以太統(tǒng)一起來．

另外，牛頓在闡明運動規(guī)律時，也曾選用了固定參照系，即以太慣性系，由此可以邏輯地演繹出牛頓提出的絕對時空觀，從而證明牛頓提出的全部規(guī)律的正確性．

19世紀90年代，洛倫茲提出了電子論，他把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸之于其中與原子相聯(lián)系的電子效應(yīng)，以太除了荷載電磁振動以外，幾乎退化為某種抽象的標志．著名的邁克耳孫－莫雷實驗否定了地球相對于以太的運動，也就是說以太進一步失去了絕對參考系的性質(zhì)．隨著狹義相對論的確立以及對場的物質(zhì)性的認識，“以太論”漸漸被人們所拋棄．

1．5 以太與現(xiàn)代物理學

隨著現(xiàn)代物理學的進一步發(fā)展，人們又逐漸認識到真空并非是絕對的空，那里存在著不斷的漲落過程（虛粒子的產(chǎn)生以及隨后的湮沒），這種真空漲落是相互作用著的場的一種量子效應(yīng)．真空態(tài)代表場的基態(tài)，它是簡并的，實際的真空是這些簡并態(tài)中的某一特定狀態(tài)．粒子物理中出現(xiàn)的“真空極化”和“真空對稱性自發(fā)破缺”等觀點使“以太”的某些精神（不存在超距作用，不存在絕對空虛意義上的真空）仍然存在，甚至有物理學家認為現(xiàn)代物理學中的“真空”可能就是“以太”，而且關(guān)于“以太漂移”實驗仍在不斷探索中［7－9］．

關(guān)于引力的本源問題，物理學中提出“引力子（Graviton）”概念，它是一個傳遞引力的假想粒子，在量子力學中，引力子被定義為一個自旋為2、質(zhì)量為零的玻色子，引力子的提出，使量子理論試圖解釋引力問題．因此也有學者認為這就是“引力以太”模型．［10］

暗物質(zhì)與暗能量是當代物理與天文學界研究的熱點問題，它的客觀存在性已經(jīng)被證實，暗能量在宇宙中約占到73%，暗物質(zhì)約占到23%，普通物質(zhì)僅占到4%，預示著人們認識到的宇宙只占整個宇宙的4%，而占96%的東西竟然不為我們所知．“暗物質(zhì)”和“暗能量”的本質(zhì)問題還不為人類所知，在美國國家研究委員會發(fā)布一份題為《建立夸克與宇宙的聯(lián)系：新世紀11大科學問題》的研究報告所列出的11個大問題中將其分列為第一、第二位，也有科學家將此問題和“以太”觀念聯(lián)系在一起．

由此可以看出，“以太”觀念和現(xiàn)代物理學的新觀念息息相關(guān)，但是這已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的“以太論”．

總之，以太論從14世紀誕生后，經(jīng)歷了發(fā)展壯大、衰落、復蘇、再發(fā)展壯大、再衰落，至直19世紀初的滅亡，當今可能復蘇的歷史進程．以太的發(fā)展道路，是人類科技道路上曲折的進步歷程，是人類對大自然認識水平不斷提高與完善的歷程．因此我們要抱著科學的態(tài)度，正確認識“以太論”在物理學發(fā)展中的重要作用，發(fā)揮它的物理教育價值．

2 “以太論”的物理教育價值分析

2．1 構(gòu)建學科知識間的聯(lián)系，理解知識的本質(zhì)

以太最初是應(yīng)用在哲學里，物理學家把它引入物理科學，并且它的發(fā)展貫穿了力學、光學、電磁學等物理學發(fā)展的重要時期．以太在不斷被肯定和否定的變化中推動著物理學的發(fā)展．也就是說，從根本上講，人的認識是一個創(chuàng)造和利用概念進行理論構(gòu)造的過程，沒有概念建構(gòu)過程，就不會獲得任何真理．在進行基礎(chǔ)物理教學時，我們應(yīng)利用核心概念組織開展教學，構(gòu)建核心概念間的聯(lián)系，使學生理解知識的本質(zhì)．另外，教師可以在課堂教學中穿插史料，以物理學史作為線索進行部分知識的教學，使學生體會物理學研究的方法．例如，在光的波粒二象性教學時，可以以探究的形式，滲透物理學史：科學家探究光的本質(zhì)依據(jù)什么提出了哪些假設(shè)，最終又是如何來驗證假設(shè)，讓學生自己“參與”到物理知識的發(fā)現(xiàn)過程，自主構(gòu)建知識體系，理解知識的本質(zhì)．

此外，學生也感受到各個學科或者某個學科的知識之間具有很大的聯(lián)系．例如，以太貫穿于力學、光學和電磁學中，它們具有哪些相同或者不同的地方，本質(zhì)原因是什么呢？學生在探究思考的同時加深了對知識的理解．

2．2 培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神

以太論的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，科學家在探究過程中肯定、否定、再肯定……探究以太的同時，推動物理學迅速發(fā)展．光以太論時期，胡克與惠更斯并沒有因為牛頓堅持微粒說而終止自己的研究，他們敢于質(zhì)疑，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，提出了與之相悖的波動說．麥克斯韋在探究以太的本質(zhì)時，提出麥克斯韋光的電磁場理論．赫茲治學嚴謹，積極探索，通過實驗驗證了電磁波的存在．

在基礎(chǔ)物理教學時，教師可以在課堂上講述相關(guān)物理學家的事跡．通過以太論的例子，學生能夠體會到質(zhì)疑精神在物理學的發(fā)展和創(chuàng)新中所起的重大作用．學生也了解到歷史上有許多科學家犯了錯誤，也有許多科學家敢于質(zhì)疑，敢于創(chuàng)新，最后獲得成功．這會很大程度上增強學生質(zhì)疑的勇氣和決心．

2．3 有助于科學方法與辯證唯物主義教育

在物理學的長期發(fā)展中，發(fā)展了許多物理學的研究方法，如理想模型、理想過程、理想實驗等理想化方法，另外還有如觀察和實驗、分析和綜合、歸納和演繹、類比和聯(lián)想、猜測和試探、佯謬和反證、邏輯推理、科學假設(shè)等方法，所有這些研究方法促成了許多定律的發(fā)現(xiàn)．

機械以太、光以太和電磁以太，它們都是科學家在探究過程中遇到無法解決的問題時提出來的猜想與假設(shè)，但這不是最終的結(jié)果．提出假設(shè)之后，科學家有的利用實驗方法，例如為了驗證光的波動性，進行光的衍射和折射等實驗；有的利用類比和聯(lián)想的方法，例如麥克斯韋把電場、磁場與流速場類比，流管里充滿了流體而磁力場里充滿了以太．在此基礎(chǔ)上，他建立了麥克斯韋的電磁場理論．通過結(jié)合科學家的真人真事，不但可以讓學生掌握科學方法，還能讓學生的思維能力得到訓練．這樣再遇到相似問題時，學生能夠舉一反三，這對其他學科的學習也是有益的．

以太思想的演變一直伴隨著人類對客觀世界認識的深入．在科學歷史發(fā)展的過程中不斷被賦予新的內(nèi)涵，客觀上起到了理論基礎(chǔ)的作用，即使在被新的理論拋棄時也會從反面對相關(guān)理論的發(fā)展、完善和創(chuàng)新提供很大的啟示．

2．4 培養(yǎng)學生的科學探究能力

科學探究是指人們通過一定的過程和方法對客觀事物和現(xiàn)象進行探索、質(zhì)疑和研究．科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式之一．科學探究的形式是多種多樣的，其要素主要有：提出問題、猜想與假設(shè)、制訂計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作．

事實上，以太論最根本的問題在于以太是什么的問題．這個問題的探究經(jīng)歷了漫長的階段，不同的科學家在不同時期經(jīng)過探究提出了不同觀點，他們有成功和失敗、喜悅與懊惱、曲折與反復、分歧與爭論．教師在教學時可以講述科學家探究“以太”的歷史，使學生認識到科學探究的過程充滿了艱辛與挑戰(zhàn)，從而培養(yǎng)學生科學探究的興趣、科學態(tài)度和創(chuàng)新精神．

參考文獻

［1］ 北京大學哲學系．古希臘羅馬哲學［M］．北京：商務(wù)印書館，1961．

［2］ 苗力田．亞里士多德全集（第2卷）［M］．北京：中國人民大學出版社，1991．

［3］ 關(guān)洪．物理學史選講［M］．北京：高等教育出版社，1994．

［4］ 譚暑生．以太論的歷史發(fā)展［J］．自然辯證法研究，1987（03）：7－17．

［5］ 王志健．以太存在未被否定［J］．物理，1984（06）：332－335，378．

［6］ 曹昌褀．以太論的興衰［J］．大學物理，1982（3）：6－10．

［7］ Consoli M，Pluchino A，Rapisarda A．Basic randomness of nature and ether－drift experiments［J］．Chaos，Solitons ＆Fractals，2001，44：1089－1099．

［8］ Consoli M，Costanzo E．From classical to modern ether－drift experiments：The narrow window for a preferred frame［J］．Physics Letters A，2004，333：355－363．

［9］ Consoli M，Pagano A，Pappalardo L．Vacuum condensates and‘ether－drift’experiments［J］．Physics Letters A，2003，318：292－299．

［10］ Mayeul Arminjon．Ether theory of gravitation：Why and how？［EB／OL］．http：／／arxiv．org／abs／gr－qc／0401021v2

THE DEVELOPMENT OF“ETHER THEORY”AND ITS VALUE OF PHYSICAL EDUCATION

Liang Yao Yuan Haiquan Sang Zhifang
（College of Physics，Optoelectronics and Energy，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215006）

AbstractEther is a very important，old and controversial concept in physics，with the development of physics，especially for classical physics．The development process of ether theory is the progress of human development of science and technology．Under the back ground that the physics teaching should strengthen the construction process of knowledge，the ether theory has an important value on physical education．In this paper，the history and evolution of ether theory are investigated in classical physics field，such as mechanics，electromagnetism，optics，etc．And the understanding of ether is also discussed in modern physics field．On this basis，the physical education value of ether theory is explored．

Key wordsether；development；classical physics；modern physics；physical education value

通訊作者：桑芝芳，女，教授，主要從事物理教學論，基礎(chǔ)物理教學與研究工作．sangzf＠suda．edu．cn

作者簡介：梁瑤，女，碩士研究生，研究方向為物理課程與教學論；袁海泉，男，副教授，研究方向為物理課程與教學論．

基金項目：本文系江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度課題（編號：D／2013／01／105）和中國教育學會物理教學專業(yè)委員會2013—2016年全國物理教育科研重點課題“基于中學教師專業(yè)標準的物理教師教學研究能力培養(yǎng)研究”的階段性研究成果之一．

收稿日期：2015－08－20