物理科学探疑-网友天空-空间与介质-新以太论

新以太论

詹礼葵 伊扬

摘要：现代物理学在真空问题上遇到了极大的困难，真空，随着这个词一诞生就困扰着我们。李政道教授指出：如果真空是粒子物理微观世界中一些奇妙现象的根本来源，那么它也会对宇宙中宏观的物质与能量的分布起着一定的作用，我们应当把真空、微观和宏观现象统一加以考虑，21世纪是真空的世纪。

    CP为什么遭到破坏？为什么不能看到自由态的夸克？普朗克恒量为什么普适？量子性的根源在哪里？宇宙是永恒的吗？空间为什么弯曲？…这些问题都与真空的结构有着直接的关系，有趣的是，围绕相同矛盾的多个问题未必比单个问题难解决。真空不空已得到证实，真空的结构又是什么样的？为了完整认识现有的理论体系，有必要重新审视以太的争论过程，本文提出的新以太是物质世界赖以存在的基础，与历史上以太的概念完全不同，并提出了一种测量绝对速度的方法。

关键词：真空，光速，参照系。

一．克尔逊一莫雷的实验的回顾

    十九世纪初，人们认为一切波的传播必须依赖媒质，传播光波的媒质就是以太，以太是一种比云还稀薄的摸不着的物质，以至于对物体的运动几乎没有阻力，后来，由于与迈克尔逊一莫雷等人的实验相矛盾，进而否定了以太的存在。先回顾一下这场争论的过程。

    按照以太假说，地球在以太的海洋里运动着，只要在地球上做测量光速的实验，就可以测出地球相对于以太的速度。如同在空气中测量声速一样，实验如下：

如图（1）所示，当一束光以平行于以太风的方向运动，返回到原点的时间为：

式中v为地球相对于以太的运动速度。

    而当光线以垂直于以太风方向往返运动，如图（2）所示，注意到这束光将沿图（2）b所示的途径以速率c运动，当光束经过时间t₂返回时，原点A已经移动了一段距离vt₂到了A′点，根据图（2）b中的直角三角形可得：

   迈克尔逊一莫雷正是从这一原理设计实验的，图3是实验示意图,光源发出的一束光被半银镀镜分为两束，经过反射后相交于A点，这两束光具有相干特性，在观察窗上可观察到干涉条纹，当系统转动（或随着地球的转动）而改变以太风方向时，两路光回到原点的时间发生变化，应该能观察到干涉条纹的移动。

      在１８８７年迈克尔逊一莫雷的实验中，干涉仪的臂长为１１米，取v等于地球饶太阳的轨道速度３０×１０^３米／秒，光波波长λ＝５.５×１０^－７米，其计算结果应该有０.４条条纹移动，但实验结果发现至多只有０.0１条条纹的移动，考虑到实验误差，其实验结论为：不存在以太风。

    当时，围绕以太风问题还有类似的一些实验，但结论都相同，这使得当时公认的以太理论遭到了沉重的打击。

    狭义相对论基本上是基于上述实验之基础上诞生的，特别要提到的是，在此之前，为了既能解释迈克尔逊一莫雷的实验，又能保留以太的思想，爱尔兰的斐兹杰惹与荷兰物理学家洛仑兹于1889年和1882年分别从电磁现象的规律出发，各自独立提出了收缩假说，推导了运动速度与长度、时间和质量的关系，已能解释迈克尔逊一莫雷等人的实验，为什么人们最终未能承认洛仑兹的学说而接受了狭义相对论，这里面的原因比较复杂，有其历条件的制约，首先实验与设想的不一致是导致否定现有理论的很大原因，其次洛仑兹的假设在当时并没有实验上的证据，相对论将其假设变为结论，而相对论中的假设证据就是迈克尔逊一莫雷等人的实验，且相对论的形式简洁，观念新颖。

二．洛仑兹是怎样解释实验的呢

    洛仑兹根据电磁理论推导出沿着运动方向的长度要收缩,倍，所以 中平行于运动方向的臂长ι要乘以因子 ，那么：

    所以，干涉条纹与系统相对于以太的运动速度无关，不论在何种情况下条纹永远不会移动。所以，迈克尔逊一莫雷实验的结论还有一种可能，那就是：以太存在，但该实验不能检验以太的存在。

三．狭义相对论的困难：

    人们很快意识到，当时只知道两种力，电磁力和万有引力，其中万有引力定律就无法纳入狭义相对论的框架，这种情况显然不能令人满意。

    狄拉克为了解释其方程的负能解，只有假设真空均被电子占满，否则电子都掉到负能态，即狄拉克电子海，预言了正电子的存在并被实验证明，同样，为了解释质子，中子…等所有粒子，都必须有各自的海，我们也知道，物质的粒子和自己的反粒子质量是相等的，如果空间的某一点，要么是正物质粒子，要么填反物质粒子，显然所有空间的物质密度是相同的，万有引力不复存在，显然不符合观测事实。
抛弃绝对空间导致了一个新的困难：惯性系如何定义？到哪出去找惯性系？在牛顿理论中，惯性系被定义为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参照系。狭义相对论不承认绝对空间，上述定义不再有效。一个尝试代替的办法是利用惯件定律来定义惯性系。即定义惯性定律在其中成立的参照系为惯性系。惯性定律指出：“一个不受外力的物体将保持静止或匀速直线的状态不变”。然而，“不受外力”是什么意思？我们只能说，“不受外力”意味着一个物体能在惯性系中保持静止或匀速有线运动的状态。这种定义方法显然形成了一个无法解脱的自我循环。我们定义惯性系要用到惯性定律，定义惯性定律又要用到惯性系。这样的定义显然是无效的。

    牛顿曾提出著名的“牛顿桶实验”：如图（4），把一个桶吊在一根长绳上，将桶旋转而使绳拧紧，然后盛之以水，并使桶与水一道静止不动，接着将桶反转一下，桶和水将经历以下三个阶段：a，桶和水都静止；b，桶转水不转：c，桶和水同步转。对于a和c，其水相对于桶都是静止的，但可以看到水面的形状不同，假设桶内有一观察者，显然可以根据水面的形状来判断系统是否在转动，所以，绝对空间的观念是必要的。马赫当时提出反对意见“没有一个人能断言，如果桶壁增加到几英里厚时，这个实验会有什么结果”，显然，当时没有人能实现马赫的设想，但是，实事则完全支持牛顿的观点，例如从望远镜中观察到的木星很扁，科学家告诉我们，那是因为木星自转引起的。即使桶壁达到几千英里厚，其实验结果不会改变。所以：转动是绝对的。

    再看实验：如果分别在地面和在太空中，把正负电子对放在一起，会发生什么反应呢？会立即湮灭，并释放能量，其产生的能量分别为：

    由质量的定义可知，地面和太空电子静止质量是相等的(实验也能证明),所以两种情况下释放的能量是相等的：即.

    这两种情况下放出的能量真的相等吗？我们知道，将电子从地球送到太空，外力要克服重力做功：W= GmM/R (G-引力常数，M-地球质量，R-地球半径)，外力做功的能量到那里去了呢？ (如果详细分析，将物体从地球上移走后，地球的整体质量减少了，地面同一高度的物体的重力势能减少了，这部分能量损失暂时忽略)。

    众所周知，重力场中光速要小于太空中的光速，所以，重力场中反应释放的能量当然要少一些，这种差异对地球来说基本上是可以忽略的，但是，对于大质量的天体，如中子星或黑洞，这种差异显然是不能忽略的，可能还处于主导地位，狭义相对论真空空无和光速不变的思想是不能对这类实验做出解释的。
围绕狭义相对论争论的问题还有很多，如速度上限，双生子佯谬，干涉现象的单粒子实验，还有现代量子理论，高能物理理论，天文学等中的一些问题，狭义相对论都不能予以全面的解释，由于篇幅的限制，这里不能做一一介绍。

    最后，用现代量子场论的一句话说：“真空不空”。

四．不同参照系中物理定律会变化吗？

    我们来分析下面的实验，

    如图（5 ）所示，静止在地面O点的一个粒子分裂成两个相同的粒子A和B， O点的探测仪在P、Q两点分别设有探头，用来探测A、B到达P、Q的时间。

    当没有以太风时，探测仪发现A、B同时到达P、Q点，这一点没有什么疑问。

    当有以太风呢？采用绝对参照系的概念来分析，速度和质量必须以绝对参照系为背景，设系统的绝对速度为u，运动长度OP=OQ=L , 相同粒子的A和B的绝对静止质量都为m₀，由图5可知：A的绝对速度为:u-v_A，B的绝对速度为:u+v_B 。

    仪器测得的A的到达时间是：A从O→P的时间＋电磁信号由O→P的时间；

所以：

    要观察到A和B同时到达，必要求 t_A=t_B ，即要求：

    证明：因为在任何系统中，均没有发现违反动量守恒的事例，所以就系统内部而言，动量仍然是守恒的，即：

同上要求证明的式①完全相同，所以，绝对参照系的引入，不会影响到物理规律及形式。分离后，B相对于以太的速度将增加，而A则是减小了，根据质量相对性原理，B的运动质量大于A的运动质量，根据动量守恒，A的速度必定大于B的速度，相同距离时，A先到达探测器的探头P，但是，由于P到O的电磁信号速度要慢于Q到O点的电磁信号速度，探测仪发现A、B的信号仍然是同时传回探测仪的。

    承认绝对运动对物体的角度数有什么影响呢？

    如图（6）a所示，在静止情况下，用三角尺检验图纸上的一直角图形，正好与三角尺的直角吻合。现在，使系统以速度v运动，如图（6）b所示，沿运动方向长度都缩短了，显然图纸上的图形角度变大了（大于90°），但是，空间对所有的物质的作用是同等的（包括我们的三角尺、眼睛或其他仪器），三角尺的直角也变大了，所以，这两个角仍然是吻合的，假使某实验人员有足够精确的眼睛，他看到的也肯定是直

角，将图纸沿平面旋转90°，或在旋转中测量，重复实验，其测量结果完全相同。

    再看：实验证实，将用纯机械制造的摆钟和电子钟同时放在卫星上，经历一定的时间后返回地面，两个时钟同等地变慢了，我们知道，两个时钟是依据不同的原理制造的，电子钟只涉及电磁传播速度，而机械钟涉及摆的质量、弹簧的弹性系数、运动方向的形状半径、扭矩等一系列参数的变化及能量形式的转化，而这一系列参数的变化是如此精确协调，使得两时钟的时间流逝完全相同，以至于我们不能通过比较时间差异来判断系统的状态，这也说明迈克尔逊一莫雷实验是不能检验以太，这就是空间的性质。假使太阳系的运动速度足够高，人类的寿命固然可以比现在相对长一些，但钟表慢了，计算机的速度慢了，人的动作变迟缓了，一辈子所完成的事情并不比现在的多，也没有人会感到活得更长一些。就我们所处的重力场而言，地面上的圆只有水平放置时才是真正的圆，我们观察到这一点了吗？

    我们来看下面不同时空的图形：

图（7）如果我们分别处在如图所示的(a)、(b)、(c)、(d)环境中，我们并不能意识到我们所处的空间的真实状况，我们始终只能观测到（a）中的情况。但如果处在不同的空间，则可以观测到，如在(a)中可以观测到(b)中的尺子短，我们可以观测到中子星表面光速小等。

    由于真空条件下的长度、时间、质量的严格协调关系，物理规律在任何参照系中等效，不能通过物理定律中任何参数的变化来区别系统处于静止或匀速直线运动状态。狭义相对论是非极端物理条件下平直闭合空间系统的近似理论，迈克尔逊一莫雷用于检验以太的实验在原理上是不正确的。

    有人说狭义相对论的真正基础是指导和验证了这一百多年的科学实验，其实不然，如果按照洛仑兹的理论，同样能解释指导和验证这一百多年的科学实验，采用绝对时空的观点，物理定律在任何参照系中等效，两种理论都能解释实验，差异主要是在空间观点上。实际上，用洛仑兹的理论不至于产生诸如上述的许多问题，狭义相对论自诞生至今的100多年中，我们并没有试图用过洛仑兹的理论，当狭义相对论与实事发生冲突时，就添加注释，注意狭义相对论是建立在真空空无的基础之上的。而这与现代观测实事完全不符。

五．绝对参照系最终是可以识别的

    大家知道，光速不变是指测量值不变，真实的光速并非恒定的，例如，实验证实重力场中的光速小于非重力场中的光速，观测大质量的中子星表面光速差异尤其明显，如果我们带着尺子和时钟去做测量，其光速都是C。我们置身于重力场中，并不能观测到光速小，只有在重力场以外，才能观测到差异，就象我们轻易测量到玻璃中的光速小一样，这里有一个评定立场问题，所以，依赖电磁波传递信号的实验是根本不能识别绝对参照系的。

    狭义相对论诞生之后，曾有一个有趣的双生子佯谬问题：甲和乙是一对双生子，甲一直生活在地球上，乙乘宇宙飞船去做星际旅行，乙经过漫长的岁月后返回地球， 乙将比甲年轻。这一点并无疑问，问题是，为什么一定是飞船上的人年轻？狭义相对论指出所有参照系是平权的，没有一个优越的参照系？乙完全可以认为是甲做了一次星际旅行，那么，反过来，甲应当比乙年轻。现有多的解释中，有些无意中就承认地球是优越参照系或乙不是原来的乙，是文字上的游戏，不必讨论。有人认为是飞船变加速运动造成的，这也没有道理，注意所有参照系是平权相对的，完全可以认为是地球在做变加速运动，退一步讲，我们完全可以使加速运动或变加速运动的时间很短，扣除这段时间（技术上的问题这里不讨论），而以乙做匀速直线状态记时，结论依然是乙比甲年轻。这主要是相对论误差长时间积累的结果，狭义相对论本身无法解决这一问题。

    我们可以设想：从地球上沿空间不同方向派出飞船，各飞船所带的燃料完全相等，待返回时，比较飞船所携带的钟表和地球上的钟表，可以得出结论，唯独地球上的时钟最快，只要实验足够精确，完全可以比较测出地球的绝对速度。

    下面设计一个实验，用于识别绝对参照系；

    如图（8）所示，静止在地面O点的A、B两物体静止质量严格相等，分别携带一个时钟体，用炸裂的方法分离A、B,分离瞬间启动各自携带的时钟，A、B以反相的方向运动，各自经过相同的距离L后，分别到达P点和Q点，到达P点和Q点时立即停止A、B内的时钟。设系统（地球）相对于绝对参照系以太的速度为U，因为OP、OQ在一条直线上，所以可以精确做到使OP=OQ，由于A相对于以太的速度是增加了，而B相对于以太的速度是减小了，相同静止质量的A、B运动质量不同，所以A质量大于B的质量，由于动量相等，那么，A相对于地面的速度比B小，通过同样的距离显然A花的时间要长一些。

    设地球相对于以太的速度为30km/s，B获得相对于地面30km/s的速度，OP=OQ=30km，可以求出A比B多用得时间为：

    这样，就可以求出系统（地球）相对于绝对参照系的速度。这个实验为什么能识别绝对参照系呢？主要是抛弃了电磁波做回传信号，因为到达后时钟停止了，至于沿什么路线拿到一块去核对，不影响实验结果，略去了回程路线的影响。

    不过，在这样大的距离和高速下，只有10^-14秒级的差别，由此可见，狭义相对论在非极端物理条件下，就其精度而言还是足够的，但精度和本质又是两回事。


六．真空是物理现象的深刻根源

    我们仅从以下几个经典实验中就可以明显看出，脱离空间的解释是不自然的。影响（下式中v—粒子运动速度，m—粒子质量，c—光速， —振子频率）。

     ①实验表明，任何物具有波的特征，其波长：

     ②康普顿在研究X射线对物质的散射实验中，证实其散射波的波长与受射物质无关，并总结出粒子的特征波长：

    ③玻尔理论的定态假设中，电子绕原子核运动的允许轨道中，每个轨道只能容纳整数个波，其波长：

    （其电子轨道并非当初我们习惯的圆形，只是说明轨道有量子化特征）

    ④黑体辐射研究得出：能量是量子化的，只能取0、1ε、2ε…等分立值，能量子：

    ⑤在光电效应中，也采用了能量子的概念，光子的能量不能连续取值，是量子化的。

    我们可以看出，任何物质波、光波或能量子都不是连续的，在 中，频率 显然不能连续取值，所以波长 也不能连续取值（这只是同一结论的不同表述方法），即波长是量子化的，只能为基本波长的整数倍，采用波长不连续的概念，更符合实际观测，以我们目前的观测，波长可以无限长，这将导致能量子可以无限小，能量子量子化就无实际意义，那么，真正量子化的应该是波长，而波长量子化也更符合实际，黑体辐射（紫外线灾难）证实，波长较小时量子化现象相对明显，观测也证实波长不可以无限小，但可以无限长。

    我们还可以看出，都遵守一个共同的常数h—普朗克恒量，为什么电子、光子、任何物质粒子、能量交换等都与h有关呢？有什么东西在联系着它们呢？联系物质唯一可选的只能是空间，应当说这一空间规定波长有一基本量子波长，真空可能是一种类似晶格的结构，物质粒子和光子都是在晶格上的波，只有完整个波长量子才是允许的，这只是经典物理的部分，我们还可以从现代实验中找到很多证据。

    惯性质量和引力质量严格等效，如果从真空的性质决定物体的质量和重力关系分析，这将是必然的，并且可以推测质量也将存在着量子性，这将对高能物理的研究提供指导性建议。

    广义相对论的成功之处就是从把物质放在空间来考虑分析。

    但对广义相对论又有一些失误的理解，例如，红移的本质并不是引力对光子的吸引。因为广义相对论同时指出，引力波的传播速度不能超过光速，根据现代理论关于力的相互作用机制，引力波怎样来回奔波于天体和光子之间呢？只能说，引力红移是由光子或发光原子所在的空间特性条件产生的。

图（9）引力红移的产生，在引力场空间中，光子每秒所跨过的晶格数量是相同的，但其晶格尺寸相对要小，所以引力场中的光速相对要小，引力场条件下原子的各种特征波长也要小，该条件下原子发光的波长小，就同一地面高度来说并不能观测到红移，但光子跑到引力场以外就表现出红移了，概括地说，同一光子在同等时间跨过的晶格数是相同的。从红移这一点看，波长量子化更符合实际，因为红移是一种缓慢的能量变化，在任何一个高度都没有能量突变的现象，红外光线也如此，所以，能量变化是线性的，以致能量不能称为量子化。

    关于双缝实验：对于多光子来说，用光子的波动性可以解释的。但是，用单个光子穿过两个缝之一个，到达感光板上，如果积累时间足够，依然能看到干涉图案。假设交替挡住两缝之一缝，重复实验，得不到干涉图案。

    正统理论的回答（借助哲学或上帝的回答这里不讨论）是：“量子粒子的空间不确定性决定光子的行为，光子可以通过无限多条路径，其中每一条都对它的行为起作用；这些路径或线路穿过两缝，并就每一条路径编个信息码，这就是粒子能够在扩展的空间区域内维持行径的行为方式。你实际上不可能预言每一个电子怎样到达屏的，量子势所做的就是你能计算出干涉图案来”。

    这是一种很模糊的语言，是用一种未知来回答另一种未知，量子势就是这种东西？如果说那个叫量子势的东西给粒子按排好了各个粒子的路线，量子势又是什么东西，还能记忆与编码？现代复杂的计算机在那么短的时间内尚不能计算出来，量子势可是要计算各种不同波长的光子的路径，且只能在光子发出后开始计算而到感光板前一定要有结果，显然不可能有这种超过光速的计算机器。

    我们引入另外一个环境因素—以太来解释这个实验就非常自然。因为干涉图案是由整个系统组成决定的，组成两缝及边缘物质乃至这样得系统对空间产生作用与影响，这种影响显然以两缝为中心逐步减小，结合光子波长量子性，形成干涉图案是由双缝及物质空间系统特性决定的，不考虑空间的观点将无法解答这个问题。

七．以太的结构与研究意义

    揭示以太的详细结构有大量的工作要做，至于这种物质是否叫以太并不重要，不过，以太决不是比云还稀薄的物质，实际上以太比我们所见的任何物质都要坚硬，有人要问？为什么我们举手投足从没有感觉到有任何阻力呢？当然，这一点以现代的科学知识水平似乎不难回答，具体说，是由以太与构成物质的基本粒子的关系决定的，如果构成物质的粒子单元能自由地穿行于以太中，且其相对位置保持不变，上述问题就不存在，单元集体运动就构成了物体的运动，这就如穿过芦苇的鱼群一样，只要每一条鱼相对于另一条鱼的位置保持不变，鱼群的集体形状不会改变，我们看到铁块移动后还是一个原来的铁块，是由于组成元素的粒子相对位置没有改变，而这种保持力就如通常我们所说的化学键或核力等，就目前所知，所有粒子，既是粒子又是波，我们已习惯并不总是把粒子想象成一个球状的东西，诸如化学键的结合也只是电子云的轨道交叉重叠，也不是两个球粘在一起。

    以太的结构现在还不清楚，但是客观存在的，以宏观效应初步推测：以太是一种类似于晶体的强硬结构，任何物质不能脱离以太而存在，任何物质粒子或波是在晶格上高速（可能是光速）振动着的玄波，其波长只能为晶格的整数倍，这决定了所有微观物质世界都具有量子性。粒子质量或光子能量反比于玄波波长，也就是说：波长越长，质量越小。例如：将电子玄从中间截断，所得到的实在粒子之任何一个都大于电子质量，粒子质量也同样具有量子性，在大质量粒子上表现尤为明显。物质粒子将整体影响晶体常数，引力是以太结构变化的外在表现，晶体常数又影响其中粒子的特征和质量。质量和重量具有等同性，同等条件下，质量大的重量一定大，晶格基本尺寸可能跟h(普朗克衡量)有关。

    我们是否应考虑一下，在对待某些问题上存在误区，例如，分析粒子的空间不确定性从来只从粒子本身单方面考虑问题，所以问题变得复杂。

    单个光子双缝干涉实验中，光子只能从一个缝经过，它却知道另一个缝是开着的或关着的，这个问题仅仅是粒子本身的问题吗？

    在天文学星系的超常红移中，星系以接近或超过光速运动，仅仅用速度来解释红移有极大的困难，如果真空不是空洞，显然就应考虑真空的影响。

    量子力学是现代物理的巨大成功，然而，量子力学的理论基础至今存在问题，致使一些物理学家断言：这个理论最终是无意义的。要发展这一理论，真空必须走在前面，而真空的解决必将使这一理论得到飞跃的发展。

    真空问题，成为现代科学发展的重要障碍，在物理学、高能物理、宇宙天文学等许多领域、仍然以空无的观点思考问题，空间难道对我们的宇宙没有影响吗？

    抛弃光速不变的观点，可把广义相对论写成光速的简单函数，当然，处理平直空间不必这么麻烦，完全可根据实际情况而定，至少，我们知道在什么情况什么时候可以用狭义相对论理论。

    真空本质的揭示可能会从根本上动摇我们现有理论的基础，但只有这样，我们的理论才能走得更远，这对人类未来的意义和影响将是巨大的，我们有很多很多要做。

八．主要参考文献：

《近代物理基础》 胡素芬 浙江大学出版社 1990.10
《粒子物理学》 张乃森 科学出版社 1994.10
《量子力学》 曾谨言 科学出版社 1995.4
《相对论与时空》 郑庆璋、崔世治 山西科学技术出版社 1999.3

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