2017年4月27日

乙太存在與否的爭辯

作者/賴昭正,前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊。

古希臘的乙太只是用來填補空間,而近代的空間則似乎有取之不盡的各種乙太

一個無所用之「虛無」空間是很難想像與接受的;相信是基於此,古希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle)在其《談天空》(On the Heaven)」一書裡,認為外太空不可能是「虛無」的,而是充滿了一種不變的「第一」元素(first element):它不像地球上之土、水、空氣、及火四元素一樣可互變構成萬象。後來的哲學家們漸漸改稱此一新元素為「第五」元素「乙太(aether或 ether)」。

古典乙太
被稱為近代西方哲學之父的法國哲學家、科學家、數學家笛卡兒(René Descartes, 1596~1650)謂「一個什麼都絕對沒有的真空或空間之存在是違反邏輯的」。他認為流體「乙太」充滿了固體外的所有空間,所有固體就是靠其旋渦產生我們現在所謂的萬有引力現象。

1676年丹麥天文學家羅默(Ole Christensen Rømer)研究木星之衛星運動而認為光的傳播不是瞬間,而是有一定的速率;荷蘭物理學家惠更斯(Christeaan Huygens)從其資料推導出光速為每秒16 又2/3倍地球的直徑(70%現在公認值)。因此當惠更斯於1678年提出光之波動,成功地解釋了光之折射與反射現象時,他認為光也像聲波藉空氣傳播一樣,是透過充滿所有空間之堅硬彈性粒子「乙太」碰撞來達成的。可是光速比聲速快得多了,因此「乙太」粒子的彈性必須非常好。

1687年7月5日,牛頓(Issac Newton)發表「自然哲學的數學原理」,闡述了萬有引力及三大運動定律,奠定了此後300多年之天文學及力學的基礎。但此書出版後,牛頓即受到不少攻擊,謂他超距離的作用力是將「超自然的神秘性」帶進科學。因此他於1713年再版時,辯護謂他之所以未提出作用力是如何產生的,是因為他「不造假」來做為物理解釋的緣故。雖然如此,但相信他也不停地在思考此問題;因此於1717年「光學」(Opticks)再版時,他終於還是忍不住提出其對萬有引力的看法:空間充滿了稀鬆的「乙太」,萬有引力的來源是因密度不同的原故(越重物體的周邊「乙太」越稀)。他認為「乙太」也可能像光一樣是由微粒組成的。

1748年瑞士物理學家雷沙基(George Le Sage)認為這些「乙太」微粒以非常高的速率在空間到處飛行,兩物體因相互遮攔這些撞擊而造成其間壓力降低,因此相吸:為萬有引力提供給了動力學基礎。因深信力的傳播必定需要媒體及不信超距離作用,不少物理學家均不斷地提出「乙太」之存在與理論。這些理論的一個共同點是:「乙太」像空氣或流體一樣無固定形態。

光乙太
1808年法國物理學家馬勒(Étienne Louis Malus)在研究光之反射現象時,發現了光的極化;因縱波不可能有極化現象,因此光顯然應是以橫波形式傳播:像水波一樣,波的起伏(振動)方向與前進方向垂直。1817年另一法國物理學家菲涅耳(Augustin Jean Fresnel)發展出光的橫波理論,成功地解釋了所有當時已知的光學現象!1860年代,英國物理學家馬克士威(James  Clerk Maxwell)成功地統合了電磁現象,證明光也是一種電磁波後,電磁波的存在似乎是無可置疑的!

這巨大的整合成就卻碰到一個問題:自19世紀中葉後,幾乎所有的科學家均認為宇宙是完全由物體組成、依牛頓力學運行的。這「力學觀」的宇宙當然無法想像電磁場能在「虛無」之空間波動;他們認為光一定通過什麼可變形的「東西」──光乙太──到達我們的眼睛。事實上連馬克士威自己本人也認為「波動可以在虛無空間傳播是難以想像的」:他甚至提出光如何在乙太中傳播的力學機制。乙太被認為是靜止的、是馬克士威理論中光速定值的參考座標。
馬克士威電磁波理論及牛頓力學的成功,使「乙太」不再是那麼抽象,而是「呼之欲出」的物質:橫波振動只能在固態物體裡傳播,加上光速比聲速快得多了,因此如果「乙太」存在,它顯然應是相當堅硬、但又不能影響一般物體的運動。僅管這是很難想像的「東西」,但卻阻止不了物理學家開始認真地考慮偵測它的實驗。其中最有名也是影響後來理論物理發展最大的應首推1887年之「麥可森–莫利」(Michelson Morley)實驗了。

歷史上最「失敗」的實驗
麥可森(Albert A. Michelson)1852年出生於現在的波蘭,兩歲時隨父母移民到美國。於1869年被總統「保送」到美國海軍官校後即顯示出其在光學、熱學、氣象學及繪圖上的天份。麥可森對測量光速有特別濃厚的興趣,1877在海軍官校任物理及化學講師時,即在課堂上展示其測量光速的實驗。幾經改良,他於1879年量得光在空氣中的速率為每秒299864 ± 51公里,只比現在之公認值大了72公里。1881年在歐洲遊學時,他開始發展「麥可森干涉儀(Michelson interferometer)」。兩年後,他接受俄亥俄州凱斯西儲大學之聘,成為該校之物理教授,專心注力於發展及改進干涉儀。1887年他決定與莫利教授(Edward A. Morley)合作,用干涉儀測量地球與乙太的相對運動速率。1892年擔任剛成立之芝加哥大學的首屆物理系主任,1907年因「光學精確儀器及使用它來做分譜學與度量衡學的研究」而成為第一位獲得諾貝爾物理獎的美國科學家!

1887年8月,麥可森寫給雷利爵士(Lord Rayleigh)的一封信謂:「偵測地球與乙太之相對運動已經完成了,結論毫無疑問是負的。」地球以每秒30公里左右繞太陽運轉,加上自轉,因此每天、每時、每刻與乙太之相對運動速率都在變;但不管麥可森及莫利什麼時候做、儀器怎麼放,他們測出來的最高速率 v 大約只有每秒4~8公里而已。他們認為這是在實驗的誤差之內,因此下結論說:如果乙太存在,地球與乙太的相對運動速率為零!這有兩種可能的解釋:在地球表面之乙太被地球拖著走;或根本沒有乙太。
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