相对论（3）牛顿力学为什么非要假设以太存在？

前两节视频，我们说了牛顿力学中为什么非要假设出绝对空间，也解释了什么是惯性系，惯性的由来，以及惯性质量是怎么回事。

绝对空间可以说是牛顿力学中的一个很不自然的假设，常常被人挑出来批判，除了这个，大家应该还知道，在牛顿力学中，还有一个假设，它是推倒经典力学大厦的导火索，以太。

以太这东西看不见，摸不着，谁也没见过它长啥样子，比绝对空间还要玄乎，纯粹就是一个人类思想的产物。

最早提出以太的人是亚里士多德，他提出以太这种物质是想将天上和地下区分开来，认为天上的物质是由以太组成的，地上的物质就是四元素：水、火、气、土。

亚里士多德描述出来的以太，还略带神秘主义的色彩，跟上帝多少有点牵连，真正给以太赋予科学意义的人是17世纪的笛卡尔，可能大家不知道的是，笛卡尔曾经在牛顿之前还提出了一个宇宙模型：漩涡宇宙模型。

说的是，以太充满了整个宇宙，太阳在其中转动的时候形成了漩涡，这个漩涡就带动了各大行星的运转。

虽然这个模型是错的，但是这也算是对天体为什么运转的第一个动力学解释，牛顿虽然没有接受笛卡尔的说法，但是他把以太继承了下来。

牛顿觉得，以太虽然对他的宇宙模型没有作用，他的引力足以解释一切，但是把以太丢了貌似也显得没有必要，而且充满整个宇宙空间的以太，还可以强调绝对空间的存在。

所以保留以太也是个不错的选择。奇怪的是，一直以来不仅没有人质疑过以太的真实性，甚至还在1887年以后，物理学家们又赋予了以太新的物理学意义，认为它是光传播的媒介。

你可能想问，科学家为何会对以太这么钟情？

这就是我们接下来要说的，牛顿力学和电磁学的矛盾。

我们对电磁学的研究，分为了两条主线，一条是对光的研究，这条路走得非常的漫长，争论不仅激烈，而且旷日持久，关于光的本质性问题，之前的量子力学系列，已经把光快讲烂了，所以这里就不再赘述了。

另外一条主线是对电和磁现象的研究，这条线进展得比较顺利，19世纪初的时候，人们就发现了电和磁之间可能存在某种关联，比如通电导线可以让罗盘指针偏转，可以吸引铁屑等等，什么库仑定理，高斯定理，安倍定则，到了19世纪50年代，法拉第就发现了电磁感应定律，这些电学和磁学中的力学规律都应运而生。

1865年，麦克斯韦在前人的基础上用一组方程描述了电磁现象，统一了电和磁这两种看似独立的现象，并且预言了电磁波的存在。

如果说牛顿的《原理》开创了现代理论研究的范本，那么麦克斯韦方程组则定义了物理数学形式的范本。因为麦克斯韦方程组天生的对称性让所有物理学家感到惊叹，它天生就符合洛伦兹协变性，当然这是后话，我们在讲到广义相对论的时候，还会在提到，洛伦兹协变性的重要性。

我们接着说：

当麦克斯韦写出描述电磁现象的方程组，并把法拉第的一些重要的实验数据代入方程以后，计算出了电磁波的传播速度，一秒30万公里。

这跟当时测量得出的光速几乎一致，所以麦克斯韦就大胆地预测，光就是一种电磁波，是空间中垂直交替振荡的电场和磁场。

1887年赫兹就在实验室制造出了电磁波，这时人们已经确立的光的波动性，正愁无法解释光波的性质，电磁波的发现就让人们对光的波动性有了更深刻的了解。

所以说，麦克斯韦在统一电学和磁学的时候，也顺便统一了光学，这是人类对光认识的一个本质性的飞跃。

现在人们手里就有了两套理论，一个是描述物质之间相互作用的动力学理论，牛顿力学，一个是描述电磁现象的动力学理论，电动力学。由于电动力学总的思想还是来自于牛顿力学。

所以人们就想着把电动力学纳入到牛顿力学当中，不过很快就发现了两者之间存在矛盾。

首先，麦克斯韦描述光速的方程中，光速只跟两个没有方向的标量有关，一个是真空磁导率，一个是真空电容率，这表明光在真空中传播的时候，不管朝哪个方向，速度都是一样的，也就是恒定的速度。

而在牛顿力学中，不谈参照系就说速度是没有意义的，那么光速一秒30万公里，是相对于谁的速度？

而且它还朝各个方向都是每秒30万公里，这不禁让人觉得在宇宙中有一个更大的绝对静止的参照系，人们就只能想到是绝对空间。

其次，光既然是一种波动，那么光传播的介质是什么？你可能会想为什么非要给光找个介质，它不需要介质不行吗？

在当时物理学家的眼里，还真就不行。因为当时人们认识到的波，不是声波就是水波，它们的传播都需要介质来进行，而且声波和水波说到底都是物质颗粒的振动形成的。

比如水波就是水分子的上下振动，声波就是空气分子的前后振动，因此在这种惯性思维里，人们就认为波场其实就是物质场，有物质的地方才能有波，没有物质的地方就没有波。

并且当人们把光波类比成水波的时候，同样能解释当时看到的干涉和衍射现象。所以光波的传播肯定需要介质。

这个介质在宇宙中处处均匀，绝对静止，无处不在，人们理所当然地就想到了以太。因此为了解决两个理论之间的矛盾，只需要引入以太这个完美的介质，就可以轻而易举地让两个理论变得互相融洽，这是所有物理学家都希望看到的结局。

所以以太的存在，在当时已经被当作了一个基本事实去对待。这就是为什么牛顿力学要引入以太的原因，这也是为什么当人们没有检测到以太的时候，所有人都无法接受这个事实。

只有小爱同学另辟蹊径，大胆接受，否定以太，在牛顿力学和电磁学之间，他毫不犹豫地选择了后者。

好了，今天的内容就到这里，下节课我们说，历史上最伟大的失败。这是讲相对论的所有书籍中，都不能避开的实验，因为它太重要了。