一、既然“以太”不存在,那么经典物理学正确吗

经典物理学在某方面仍然是正确的，只不过它不够全面罢了。我们都知道，对人类文明的发展历程来说，最伟大的发现，无过于“现代科学”。在科学没有横空出世之前，人类一片愚昧，很多自然界的现象都得不到解释；

而自从现代科学出现之后，我们不仅认识到了真正的世界，甚至还可以运用科技来“改造世界”，从而让人类在数百年里起到了天翻地覆一般的变化。真正让我们敲开科学殿堂大门的，就是牛顿的经典物理。

因此，牛顿，可谓是物理学界一位“开天辟地”的人物，英国BBC广播电台在二零一五年给出的全球历史人物影响力排名中，牛顿位居第一，因此，他被称为“上帝在人间的化身”。不过，时隔数百年之后，物理学界的各种革新，突破都层出不穷；

经典物理也不再是我们研究的主流了。曾几何时，牛顿等人用“以太”来解释宇宙，自然的种种变化，认为以太无形无相，既是光的源头，也是造成引力波动的物质；

但是，随着十九世纪，物理学界上空的“两片乌云”所孕育的雷电的落下，“以太”荡然无存。麦克斯韦，爱因斯坦都先后证明了以太并不存在，而“相对论”，又取代了经典物理，成为了最主流，最权威的理论；

甚至，时至今日，我们仍然在消化广义相对论的许多原理和预测。那么，是不是人类就可以宣称“经典物理学”是错误了的呢？小编认为，一样不可以。

经典物理不完善，它可以解释地球上的所有变化，但不能解释宇宙中林林总总的规律和现象，这是它的缺陷；但是，我们不能说一个科学理论完全“错误”了。

说不定哪天物理学再一次变革，又有人发现了“以太”呢？

二、经典物理学为什么需要***以太***

波的传播是需要介质的，但是电磁波在什么介质中传播？到19世纪60年代前期，麦克斯韦提出位移电流的概念，并在提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律，这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组，可以推出电磁场的扰动以波的形式传播，以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里，这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里在实验误差范围内是一致的。

麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道：“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来，赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质，这样以太不仅在电磁学中取得了地位，而且电磁以太同光以太也统一了起来。

麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象，他在1855年的论文中，把磁感应强度比做以太的速度。后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法，改成磁场代表转动而电场代表平动。

他认为，以太绕磁力线转动形成一个个涡元，在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定，当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时，就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形，这就代表静电现象。

关于电场同位移有某种对应，并不是完全新的想法，汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外，法拉第在更早就提出，当绝缘物质放在电场中时，其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于，他认为不论有无绝缘物质存在，只要有电场就有以太电荷粒子的位移，位移的大小与电场强度成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时，将形成电流，这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说，位移电流是真实的电流，而现在我们知道，只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流。

在这一时期还曾建立了其他一些以太模型，不过以太论也遇到一些问题。首先，若光波为横波，则以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运行其中会不受阻力呢？有人提出了一种解释：以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质，对于光那样快的振动，它具有足够的弹性像是固体，而对于像天体那样慢的运动则像流体。

另外，弹性媒质中除横波外一般还应有纵波，但实验却表明没有纵光波，如何消除以太的纵波，以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。

为了适应光学的需要，人们对以太假设一些非常的属性，如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有，由于对不同的光频率，折射率也不同，于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样，每种频率的光将不得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力。

1881年-1884年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。

以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固，深刻地左右着物理学家的思想。著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式，但无法抛弃以太的观点。

19世纪90年代，洛伦兹提出了新的概念，他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应。至于物质中的以太，则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定，物体运动时并不带动其中的以太运动。但是，由于物体中的电子随物体运动时，不仅要受到电场的作用力，还要受到磁场的作用力，以及物体运动时其中将出现电介质运动电流，运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。

在考虑了上述效应后，洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式，而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动，可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论，它获得了很大成功。

19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是，在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化，这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系，它已失去所有其他具体生动的物理性质，这就又为它的衰落创造了条件。

如上所述，为了测出地球相对以太参照系的运动，实验精度必须达到很高的量级。到19世纪80年代，麦克尔逊和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度，但得到的结果仍然是否定的，即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果，于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域。

在19世纪末和20世纪初，虽然还进行了一些努力来拯救以太，但在狭义相对论确立以后，它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。

量子力学的建立更加强了这种观点，因为人们发现，物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面，那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破。

然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后，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。

今天，理论物理学家进一步发现，真空具有更复杂的性质。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。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏，就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。

但爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。虽然后来的事实证明确实不存在以太，不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹，如以太网等。

这样看来，机械的以太论虽然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着，并具有旺盛的生命力。

三、爱因斯坦的相对论为什么能成为经典

阿尔伯特·爱因斯坦于1905年的狭义相对论是物理学领域有史以来发表的最重要的论文之一。狭义相对论解释了速度如何影响质量、时间和空间。该理论包括一种用光速来定义能量和物质之间关系的方法——少量的质量(m)可以与大量的能量(E)互换，如经典方程 E= mc^2。

爱因斯坦于 1915年正式将引力添加到他的理论中，发表了他关于广义相对论的论文。当物体接近光速时，物体的质量变得无穷大，移动它所需的能量也变得无穷大。这意味着任何物质都不可能比光速更快。

在相对论出现之前，物理学是怎样的？

在爱因斯坦之前，天文学家（大部分）根据艾萨克·牛顿在 1686年提出的三个运动定律来理解宇宙。这三个定律是：

除非外力发生变化，否则运动或静止的物体将保持相同的状态，也就是惯性。作用在物体上的力等于物体的质量乘以其加速度。对于每一个动作，都有一个相等和相反的反应。

牛顿定律几乎在物理学中的每一个应用中都被证明是有效的。它们构成了我们理解力学和重力的基础。但是有些事情不能用牛顿的工作来解释：例如，光。

1800的时候，为了将光的奇怪行为硬塞进牛顿的物理科学家框架中，科学家认为光必须通过某种介质传输，他们称之为“以太”。那个假设的以太必须足够坚硬才能像吉他弦随着声音振动一样传递光波，但在行星和恒星的运动中也完全无法检测到。

研究人员开始尝试探测神秘的以太，希望能更好地了解它。1887年，天体物理学家 Ethan Siegal在福布斯科学博客Starts With a Bang中写道，物理学家 Albert A. Michelson和化学家 Edward Morley计算了地球在以太中的运动如何影响测量光速的方式，并意外地发现无论地球如何运动，光都是一样的。

他们得出结论，如果尽管地球在以太中运动，光速没有改变，那么从一开始就一定没有以太这样的东西：太空中的光在真空中运动。

这意味着它不能用经典力学来解释，物理学需要一个新的范式。

爱因斯坦是如何提出狭义相对论的？

根据爱因斯坦的说法，在他 1949年出版的《自传笔记》）中，这位崭露头角的物理学家在他 16岁时就开始质疑光的行为。在青少年时期的一次思想实验中，他写道，他想象着追逐一束光。

按照经典物理学，如果加速捕捉光，光波最终会达到相对速度为零——人和光将一起高速移动，他可以看到光是冻结的电磁波场地。但是，爱因斯坦写道，这与另一位科学家詹姆斯克拉克麦克斯韦的工作相矛盾，他的方程要求电磁波在真空中始终以相同的速度移动：每秒 300,000公里。

如果从理论上讲，一个人可以赶上一束光并看到它相对于自己的运动冻结，那么整个物理学是否必须根据一个人的速度和他们的有利位置而改变？相反，爱因斯坦回忆说，他寻求一种统一的理论，使物理规则对每个人、任何地方、任何时候都一样。

这些导致爱因斯坦最终对狭义相对论进行了思考，他将其分解为另一个思想实验：假设一个火车以光速运行，一个人站在火车轨道旁边，将雷暴的观察结果与火车内的人进行比较。

爱因斯坦想象火车在轨道上的一个点平均位于两棵树之间。如果一道闪电同时击中两棵树，轨道旁边的人会看到同时发生的雷击。但是因为他们正朝着一个闪电移动而远离另一个闪电，所以火车上的人会先看到火车前面的闪电，然后看到火车后面的闪电。

爱因斯坦的结论是，同时性不是绝对的，换句话说，一个观察者看到的同时发生的事件可能会在另一个观察者的不同时间发生。他意识到，改变的不是光速，而是时间本身。运动物体的时间与静止物体的时间不同。与此同时，宇宙中任何地方的任何人所观察到的光速，无论运动还是静止，总是相同的。

E= MC^2是什么意思？

人类历史上最著名和最著名的方程之一，E= mc^2，转化为“能量等于质量乘以光速的平方”。换句话说，能量（E）和质量（m）是可以互换的。事实上，它们只是同一事物的不同形式。

但它们并不容易交换。因为光速已经是一个巨大的数字，方程要求它自身乘以（或平方）变得更大，所以少量的质量就包含了大量的能量。例如，PBS Nova解释说，“如果你可以将回形针中的每一个原子都转化为纯能量——不留任何质量——回形针将产生 [等效能量] 18千吨 TNT。这大约是大小1945年摧毁广岛的原子弹。”

时间膨胀

爱因斯坦狭义相对论工作的众多含义之一是时间相对于观察者移动。运动中的物体经历时间膨胀，这意味着当物体运动得非常快时，它经历的时间比静止时慢。

在接近光速的速度下，时间膨胀的影响可能会更加明显。想象一下，一个 15岁的女孩从高中毕业，以 99.5%的光速旅行了五年。当这个 15岁的女孩回到地球时，她在旅行中度过了 5年。然而，她的同学们都已经 65岁了——在这个移动速度慢得多的星球上，50年已经过去了。

我们目前没有技术可以在接近这个速度的任何地方旅行。但以现代技术的精度，时间膨胀确实会影响人体工程学。

GPS设备的工作原理是根据与遥远地球轨道上至少三颗卫星的通信计算位置。这些卫星必须跟踪极其精确的时间才能确定地球上的位置，因此它们基于原子钟工作。但是由于这些原子钟安装在卫星上，它们以 4,000公里/小时的速度不断在太空中呼啸而过，狭义相对论意味着它们每天多走 7微秒，即百万分之 7秒。为了与地球时钟保持同步，GPS卫星上的原子钟每天需要减去 7微秒。

在广义相对论（爱因斯坦对结合引力的狭义相对论的后续）的额外影响下，靠近地球等大引力质量中心的时钟比远离地球的时钟走得更慢。这种效应会在 GPS原子钟上每天增加微秒，因此最终工程师减去 7微秒，然后再增加 45微秒。GPS时钟不会倒计时到第二天，直到它们比地球上的同类时钟运行总共长 38微秒。

狭义相对论和量子力学

狭义相对论和量子力学是关于我们的宇宙如何运作的两个最被广泛接受的模型。但是狭义相对论主要涉及极大的距离、速度和物体，将它们结合在一个“平滑”的宇宙模型中。狭义（和广义）相对论中的事件是连续的和确定性的，科里鲍威尔为卫报写道，这意味着每一个行动都会导致直接、具体和局部的后果。这与量子力学不同，鲍威尔继续说：量子物理学是“笨重的”，发生在跳跃或“量子跳跃”中的事件具有概率结果，而不是确定的结果。

研究人员将狭义相对论和量子力学——光滑的和厚实的，非常大的和非常小的——结合起来，提出了相对论量子力学和最近的量子场论等领域，以更好地理解亚原子粒子及其相互作用。

另一方面，努力将量子力学和广义相对论联系起来的研究人员认为这是物理学中未解决的重大问题之一。几十年来，许多人认为弦理论是研究所有物理学统一理论的最有前途的领域。现在，存在许多其他理论。例如，一个小组提出了时空循环，将微小而厚实的量子世界与广阔的相对论宇宙联系起来。