“以太论”的发展及其物理教育价值

“以太论”的发展及其物理教育价值
梁瑶;袁海泉;桑芝芳
【摘要】“以太”是物理学中古老而富有争议的一个极其重要的概念,它伴随着物理学,尤其是经典物理学的发展而发展.以太论的发展过程,是人类科技发展道路上曲折的进步历程.因此在物理教学应强化知识建构过程的背景下,“以太论”具有重要
的物理教育价值.本文简要论述了“以太论”在力学、电学、光学等经典物理学领
域的发展历史、内涵演变以及现代物理学中对以太的认识,在此基础上探讨了“以
太论”的物理教育价值.
【期刊名称】《物理与工程》
【年(卷),期】2016(026)001
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】以太;发展;经典物理学;现代物理学;物理教育价值
【作者】梁瑶;袁海泉;桑芝芳
【作者单位】苏州大学物理与光电能源学部,江苏苏州 215006;苏州大学物理与光电能源学部,江苏苏州 215006;苏州大学物理与光电能源学部,江苏苏州 215006【正文语种】中文
“以太”是物理学发展中一个极其重要的概念，它的形成与发展伴随着科学的萌芽、发展和进步，它见证了物理学，尤其是经典物理学的发展．但是物理教学中物理教师常常回避“以太”相关问题的教学，其原因是认为“以太”是被否定了的物理假设，甚至认为“以太”是错误的概念，不具有教育教学价值．在物理教学应强化知
识建构过程的背景下，本文简要概述了“以太”论的发展过程及其内涵演变，在此基础上探讨了“以太论”的物理教育价值．
“以太”是为了解释某些难以理解的物理现象而引入的一个物理概念，它的含义随着物理学的发展而变化，它经历了哲学以太、机械以太、光以太及电磁以太等，每种以太在一定程度上促进了当时物理学的发展．
1．1 哲学以太
“以太”本来是哲学概念，起源于古希腊，最初见于一则神话传说：暗神伊利波斯与夜神尼昔丝结合，生出个精灵气旺的宙斯神来，这就是以太［1］．在那个时候，以太表示精灵之气，弥漫于宇宙．亚里士多德有句名言：“大自然是厌恶真空的”．他提出了五元素说，认为月层以下的一切物体都是由土、水、气、火四元素组成的，月层以上的天体则是由更纯洁的第五种元素“以太”构成．“以太”处在整个宇宙的最高处，包围着神圣的物体以及它们有次序的轨道运动［2］．此外，以太在古希腊科学中又用来表示占据天体空间的物质．俄国化学家门捷列夫曾把以太作为原子序数为零的物质列入他的元素周期表中．
1．2 机械以太
法国科学家笛卡儿最先将以太引入自然科学，并赋予它力学性质，提出了引力的“以太涡旋说”［3］．他认为不存在超距作用，只有当物体相互接触时才能产生相互作用和运动．他认为“虚空”是不可能的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物体，这就是以太，以太处于不停的激烈运动中，各部分相互作用，形成许多大小、速度等不同的旋涡，太阳就处在一个大旋涡的中心，周围的旋涡带动着行星，地球与行星又带着它们周围的小旋涡．笛卡儿的“以太涡旋说”的意义是在于它试图根据力学而不是以泛灵论观点解释宇宙．
1．3 光以太
当时，人们对于光的性质有两种不同的假设：一种是牛顿继承了笛卡儿提出的微粒
说．微粒说认为光是服从力学定律的光微粒．牛顿认为，以太不是一种单一的物质，因而能传递各种作用，例如电、磁和引力．此外，它也可以传播振动，但以太的振动不是光．另一种假设是光的波动说．光的波动说最初是由胡克提出，并由惠更斯进一步发展．波动学说认为光是一种以波动形式在空间传播的机械波．在相当长的时期内，人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学运动，这种媒介物质就称为波的荷载物，例如空气就是声波的荷载物．为了说明光波的荷载物，惠更斯把机械以太引进光学领域，成为光以太，提出光波的荷载物就是光以太，光以太是包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中．光以太的概念是与光的波动学说相联系的，是作为光波的荷载物提出的，因此光以太对于理解光的波动学说具有重要意义．
1．4 电磁以太
正当人们为了阐述光媒而大费脑筋的时候，法拉第发现了空间具有电和磁的性质，他引入了力线来描述电作用和磁作用．他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场．在1851年他又写到“如果接受光以太的存在，它可能是力线的荷载物．”但法拉第的观点并未被当时的物理学家所接受．1861年，麦克斯韦又用电场和磁场概念发展了法拉第的力线模型，他认为整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管内都充满了以太，而且都在做旋转运动．后来，麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程组，他从这个非常简洁而优美对称的综合结果出发，指出电磁场是在以太中传播的横波．麦克斯韦为了说明电磁场运动形成电磁波的传播过程，将光以太引申为电磁以太．1888年，赫兹用实验证实了电磁波的存在．根据麦氏方程组求解电磁波的波速与实际测出的光速一致，人们意识到光是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动，也就是说，光就是客观存在着的电磁波，并将传播电力和磁力的电磁以太和当时认为传播光的光以太统一起来．
另外，牛顿在阐明运动规律时，也曾选用了固定参照系，即以太惯性系，由此可以逻辑地演绎出牛顿提出的绝对时空观，从而证明牛顿提出的全部规律的正确性．
19世纪90年代，洛伦兹提出了电子论，他把物质的电磁性质归之于其中与原子
相联系的电子效应，以太除了荷载电磁振动以外，几乎退化为某种抽象的标志．著名的迈克耳孙－莫雷实验否定了地球相对于以太的运动，也就是说以太进一步失去了绝对参考系的性质．随着狭义相对论的确立以及对场的物质性的认识，“以太论”渐渐被人们所抛弃．
1．5 以太与现代物理学
随着现代物理学的进一步发展，人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程（虚粒子的产生以及随后的湮没），这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应．真空态代表场的基态，它是简并的，实际的真空是这些简并态中的某一特定状态．粒子物理中出现的“真空极化”和“真空对称性自发破缺”等观点使“以太”的某些精神（不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空）仍然存在，甚至有物理学家认为现代物理学中的“真空”可能就是“以太”，而且关于“以太漂移”实验仍在不断探索中［7－9］．
关于引力的本源问题，物理学中提出“引力子（Graviton）”概念，它是一个传
递引力的假想粒子，在量子力学中，引力子被定义为一个自旋为2、质量为零的玻色子，引力子的提出，使量子理论试图解释引力问题．因此也有学者认为这就是“引力以太”模型．［10］
暗物质与暗能量是当代物理与天文学界研究的热点问题，它的客观存在性已经被证实，暗能量在宇宙中约占到73%，暗物质约占到23%，普通物质仅占到4%，预
示着人们认识到的宇宙只占整个宇宙的4%，而占96%的东西竟然不为我们所知．“暗物质”和“暗能量”的本质问题还不为人类所知，在美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告所列
出的11个大问题中将其分列为第一、第二位，也有科学家将此问题和“以太”观念联系在一起．
由此可以看出，“以太”观念和现代物理学的新观念息息相关，但是这已经不是传统意义上的“以太论”．
总之，以太论从14世纪诞生后，经历了发展壮大、衰落、复苏、再发展壮大、再衰落，至直19世纪初的灭亡，当今可能复苏的历史进程．以太的发展道路，是人类科技道路上曲折的进步历程，是人类对大自然认识水平不断提高与完善的历程．因此我们要抱着科学的态度，正确认识“以太论”在物理学发展中的重要作用，发挥它的物理教育价值．
2．1 构建学科知识间的联系，理解知识的本质
以太最初是应用在哲学里，物理学家把它引入物理科学，并且它的发展贯穿了力学、光学、电磁学等物理学发展的重要时期．以太在不断被肯定和否定的变化中推动着物理学的发展．也就是说，从根本上讲，人的认识是一个创造和利用概念进行理论构造的过程，没有概念建构过程，就不会获得任何真理．在进行基础物理教学时，我们应利用核心概念组织开展教学，构建核心概念间的联系，使学生理解知识的本质．另外，教师可以在课堂教学中穿插史料，以物理学史作为线索进行部分知识的教学，使学生体会物理学研究的方法．例如，在光的波粒二象性教学时，可以以探究的形式，渗透物理学史：科学家探究光的本质依据什么提出了哪些假设，最终又是如何来验证假设，让学生自己“参与”到物理知识的发现过程，自主构建知识体系，理解知识的本质．
此外，学生也感受到各个学科或者某个学科的知识之间具有很大的联系．例如，以太贯穿于力学、光学和电磁学中，它们具有哪些相同或者不同的地方，本质原因是什么呢？学生在探究思考的同时加深了对知识的理解．
2．2 培养学生的质疑精神
以太论的发展经历了漫长的过程，科学家在探究过程中肯定、否定、再肯定……探究以太的同时，推动物理学迅速发展．光以太论时期，胡克与惠更斯并没有因为牛顿坚持微粒说而终止自己的研究，他们敢于质疑，敢于挑战权威，提出了与之相悖的波动说．麦克斯韦在探究以太的本质时，提出麦克斯韦光的电磁场理论．赫兹治学严谨，积极探索，通过实验验证了电磁波的存在．
在基础物理教学时，教师可以在课堂上讲述相关物理学家的事迹．通过以太论的例子，学生能够体会到质疑精神在物理学的发展和创新中所起的重大作用．学生也了解到历史上有许多科学家犯了错误，也有许多科学家敢于质疑，敢于创新，最后获得成功．这会很大程度上增强学生质疑的勇气和决心．
2．3 有助于科学方法与辩证唯物主义教育
在物理学的长期发展中，发展了许多物理学的研究方法，如理想模型、理想过程、理想实验等理想化方法，另外还有如观察和实验、分析和综合、归纳和演绎、类比和联想、猜测和试探、佯谬和反证、逻辑推理、科学假设等方法，所有这些研究方法促成了许多定律的发现．
机械以太、光以太和电磁以太，它们都是科学家在探究过程中遇到无法解决的问题时提出来的猜想与假设，但这不是最终的结果．提出假设之后，科学家有的利用实验方法，例如为了验证光的波动性，进行光的衍射和折射等实验；有的利用类比和联想的方法，例如麦克斯韦把电场、磁场与流速场类比，流管里充满了流体而磁力场里充满了以太．在此基础上，他建立了麦克斯韦的电磁场理论．通过结合科学家的真人真事，不但可以让学生掌握科学方法，还能让学生的思维能力得到训练．这样再遇到相似问题时，学生能够举一反三，这对其他学科的学习也是有益的．
以太思想的演变一直伴随着人类对客观世界认识的深入．在科学历史发展的过程中不断被赋予新的内涵，客观上起到了理论基础的作用，即使在被新的理论抛弃时也会从反面对相关理论的发展、完善和创新提供很大的启示．
2．4 培养学生的科学探究能力
科学探究是指人们通过一定的过程和方法对客观事物和现象进行探索、质疑和研究．科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一．科学探究的形式是多种多样的，其要素主要有：提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作．
事实上，以太论最根本的问题在于以太是什么的问题．这个问题的探究经历了漫长的阶段，不同的科学家在不同时期经过探究提出了不同观点，他们有成功和失败、喜悦与懊恼、曲折与反复、分歧与争论．教师在教学时可以讲述科学家探究“以太”的历史，使学生认识到科学探究的过程充满了艰辛与挑战，从而培养学生科学探究的兴趣、科学态度和创新精神．
【相关文献】
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［2］苗力田．亚里士多德全集（第2卷）［M］．北京：中国人民大学出版社，1991．
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