物理科学探疑-空间与物质-空间的介质问题之一--以太的合理观念
空间的介质问题之一
——以太的合理观念
志勰
本文主要针对空间介质问题对场的作用模式进行的分析,并对传统物理学中的关于场间的作用模式提出疑问,本文提出了量子论在处理物质间作用上的局限性。(包含对量子论的部分分析)
通常认为,以太的观念是来源于电磁理论中关于电磁波传递的物质基础。这样一种描述并不是很合理的。一个世纪以前的麦克斯韦先生有一段关于能量传递的描述,它很合理的说明了这个以太设定的原因:
“如果某种东西是越过一段距离而从一个质点传到另一个质点的,它在已经离开一个质点而尚未到达别的质点时的状况是怎样的呢?如果这种东西向在诺依曼理论中那样是两个质点的时能,我们应该怎样把这种能量想象为存在于一个既不和某一个也不和另外的质点相重合的空间点上呢?事实上,每当能量在时间中从一个物体被传送到另一个物体时,就必然有一种媒质或物质,而能量在离开一个物体以后和到达其它物体之前就是存在于这种媒质或物体中的,因为,正如托里拆利所指出的那样,能量‘是本性上如此稀薄的一种原质,它不能被容纳于除物体的最内在的物质以外的任何容器中。'由此可见,所有的这些理论都引向一种媒质的观念,而传播就是在那种媒质中进行的;而且我认为,如果我们采纳这种媒质作为一种假说,它就应该在我们的探索中占据一种突出的地位,而且我们就应该努力构造一种关于它的作用的一切细节的思想表象,二者一直是我在这部著作中的目标。”
《电磁通论》(下) [英]杰。克。麦克斯韦 著 戈革译 P560-561 武汉出版社
您可以看到,实际上以太概念的引入实际上并不仅仅是电磁理论的物质传递基础的需要,实际上,在空间中两个具有一定距离的不同位置点之间的某种作用的传递都需要某种物质作为相互作用传播机理的。如果我们否认这种物质的存在,那么在空间中两个点之间的作用将不能进行传递。
相对论中以太的合理观念
实际上,爱因斯坦所创建的相对论也没有否认以太介质的存在,不过相对论中所承认的以太的属性确是不能让人满意的。我这里仍然引入相对论观念的原文:
“在光的电磁理论中,以太这种实物已是一种外来的因素。近来,爱因斯坦引申了以太这个观念,它不应在认为是一种实物,只不过是跟真空相联系的那些物理量的总和。根据这一广泛的涵义,以太自然可以存在;但是必须记住,它不具有任何力学的性质。换句话说,真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”
《相对论》[澳]W.泡利 著 凌德洪 周万生 译 上海科学技术出版社 p6
在处理一种空间对作用的传递形式过程中,如果我们确认真空在这种作用传递过程中存在确定的物理量,那么必然有这种物理量被承载的对象,绝对真空是不能作为这种对象的,因为绝对真空的概念是什么也没有,自然也不会存在某种物理量了。那么对于物理量的判定,只有一种可能,那就是这种物理量是属于这种空间中传递的作用的本身的。这样的看法我想大家都不会接受,既然空间是绝对的真空,那么这种作用的物理量自然也是绝对的没有了。这和现实中的是矛盾的。
因此,在否定掉以太作为实物的概念之后,相对论和量子力学对空间中两个质点之间作用的传递进行了调整。这种调整从物理的涵义上来说虽然不能让人满意,但作为一种物理逻辑来说,仍具有一定的意义。
相对论是通过广义相对论进行调节的。主要的途径是通过时间、空间和物质三个基本物理量对物理世界的描述体系进行定位,建立这种形式描述系统。时间和空间同物质之间的关系通过等效原理(惯性质量和引力质量是等效的,可以通过时间和空间同物质加速过程中的关系)建立联系。当然,这也依赖于一个广泛基础上的认识,这就是赋予数理关系以合理的物理涵义,那么这样的数理体系就具有了描述物理世界的功能。这样,广义相对论通过赋予时间、空间和物质的量以质的属性。三者就变成一个描述物质运动的整体的一个系统。我们在采用相对论的方法去谈论关于空间中两个质点之间作用传递的时候,在采用的数理概念上已经具备了时间、空间和物质三者的基本概念,当然,这种概念是建立的数理描述基础上的形式描述。得到这一观念的依据是相对论对真空物理属性的定义。“真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”
在相对论的这种形式描述中,将空间中两个质点之间的作用传递赋予相对论的描述系统,而只赋予真空具有与之相联系的物理量,但不具有任何力学的性质。将传递空间中两个质点之间作用的属性化归到形式描述之中,以太的观念在这里仍然是必须的。但这样的定义,在作用的本身上,已经将相对论的描述系统和它描述的物理本身隔离开来。在这个意义上来说,说相对论是一种物理理论,还不如说相对论是一种关于物理的形式描述理论更合理一些。
我们在谈到相对论对空间中两点之间作用的传递这种属于物质间相互作用的基础上,表现出相对论对此的描述和定义方法是非常不能让人满意的,这种不满意主要来自于相对论作为一种物理理论而赋予的一种非物理的内涵,将涉及到的物质运动的最初原因——作用归到形式定义系统。这主要是相对论在处理物理描述系统的结构关系时所采用的定义系统——时空的定义
在相对论中的时间,是作为一种独立的概念反映在时间的属性上,这种概念和牛顿力学中是没有区别的。它是单独的一个物理量t作为时间的属性,并且在物质运动变化上是独立的。虽然相对论在不同的惯性参照系中定义了不同的时间单位(这种时间单位反应在不同惯性参照系中的时间关系),但这种定义并不改变时间本身的属性,并作为一个基本的物理量。
空间,在相对论中,空间的概念也是一种独立的单位并具有独立的属性。对不同惯性参照系中的空间进行的处理,和对时间的处理是相同的方法。以前我认为相对论赋予不同参照系的空间的作用环境是不同的,(如在时间和空间的逻辑结构——时间的问题中所表现出的看法,但现在看来,这样的看法是证据不够的。关于这个问题,主要是从电磁现象中得出的结论,比如:相同惯性参照系中的带电粒子,它们之间只有静电作用力,而没有磁的作用力,但在不同惯性参照系中静止的粒子,除了电荷本身的电的作用之外,还存在磁场的作用。各个惯性参照系具有等效性这样的一个事实无疑是正确的。另一方面,在对相对论的分析中,相对论和牛顿力学两种描述体系具有等效性。(可参见狭义相对论原理的阐释)。在相对论中,空间也是一种独立的概念,这种概念的属性和牛顿力学里的空间属性也是区别不大的。它们之间的区别在于牛顿力学的空间是绝对的真空。相对论除此之外赋予——“真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”两者都没有具体而实际的内容。尽管在相对论中赋予不同惯性参照系的空间是不同的,最简单的说法——空间收缩。但两种空间的属性在一个独立概念来说是没什么区别的。
这里需要说明的是牛顿力学中的关于真空中两点之间作用的传递并没有提及,甚至很难找到相关的脉络。但很显然,牛顿力学中的这部分内容是需要补充的,或者作为牛顿力学本身所具有的局限性来看待。
尽管相对论将物理量的属性赋予真空,相对论赋予空间两点之间作用传递的的观念中仍然离不开以太的观念,电磁理论中以太概念所承担的物质间相互作用的属性这样就移植到真空的身上,这样在相对论中,在物质作用的属性上,真空的属性已经伴随着物理量的赋值和以太融为一体。这种融合是一种作用属性的融合。我们可以看到,在相对论中以太概念的作用也是必须的,尽管忽略了实体的定义,仅定义某种与真空相联系的属性。
量子物理中以太的合理观念
量子力学对空间中两个质点之间作用传递的调节方法同相对论的方法存在着质的不同,这主要是两种理论所面对的物理对象和处理物理事件的方法是不同的。由于本文不是讨论的量子理论的结构,而主要是针对于量子理论中对空间中的两个质点间的作用过程进行描述的观念问题,由于量子理论关于物质间作用的理论都在一个叫做量子场论的理论里,但是这一理论确是以量子论的描述方法作为描述的规则。因此在这里,我们必须先来看一些关于量子论相关的部分内容。
1、起源于数学基础的量子观念
我们先浏览一下量子物理诞生的几个关键过程,以及它们对量子力学的意义。
量子论的起源有广泛的历史背景,但作为描述目标,确是主要围绕对光谱的规律和微观原子结构描述产生的。
19世纪中叶,人们确定了原子光谱是线光谱,每一条谱线对应一个确定的波长。1885年瑞士的物理学家巴耳末发现了以他自己名字命名的氢原子的线光谱的经验公式——巴耳末公式:
其中B为常数,等于3645.6,n为整数。这一采用数学对氢原子光谱进行合理描述的方法为量子观念的诞生奠定了萌芽的基础
1900年,普朗克先生针对瑞利-琼斯公式只能适用于黑体辐射长波段的描述和维恩公式只能是用于短波短的描述的局限性,提出了能量量子化的假设,普朗克假设并导出了黑体辐射的普朗克公式。通常认为,普朗克假设的提出,标示着量子观念在物理学中的诞生。在这个阶段,普朗克先生的量子论主要针对于光谱进行描述,在这种意义上来说,它没有建立和实物进行联络的通道。这样,普朗克先生的能量谐振子还只是物质的运动形式,不是物质本身量子化的方法。
1905年,爱因斯坦在量子假设的基础上提出了光子理论,解决了光电效应的问题。可以认为爱因斯坦先生通过光子理论,建立了量子观念和实物的一种对应方法,虽然在这段时期还没有确定,量子和实物的具体对应方法。同时,提出了质能关系式。这一关系式建立了量子理论关于物质间相互作用的数值上的描述途径。
1909年盖革和马斯登金属箔片对a粒子束的散射中发现,少数a粒子偏转的角度大于90度。
1911年卢瑟福在这种实验基础上提出原子的有核模型。这样,从人类认识微观事物现实的意义上,从此人们对微观实物的描述进入到实质性的阶段。
卢瑟福的行星模型有一个传统物理规律中所不能和客观事实相对应的物理现象,就是核外电子绕核运动过程中的辐射问题。
1913年,波尔发表了波尔原子理论,