物理科学探疑-网友天空-系统观点-马德义的观念--爱因斯坦的刚尺测量系统隐含着绝对空间的假定
爱因斯坦的刚尺测量系统隐含着绝对空间的假定？
马德义(mdy660527@163.com & mdymww@21cn.com)
[摘要] 爱因斯坦在其《论运动物体的电动力学》一文中有这样的一个假设：设有一个坐标系，在此系统中牛顿力学方程有效。为了更确切表达我们的思想，并和以后的其它系统在字面上有所区别，我们称这个系统为“静止系统”。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，它的位置应可以用刚尺测量与欧几里德几何学的方法相对地来确定，并可用笛卡尔坐标来表示。经过对空间测量系统以及物体的运动对于空间测量系统的改变的分析发现正是此假设隐含着绝对空间的假设。
[关键词]：麦克尔逊干涉实验、光子干涉回路测量系统、刚杆观测系统、绝对空间、绝对空间坐标系、光子干涉回路测量系统坐标系、刚杆观测系统坐标系
绝对空间
我非常赞赏H·A·洛伦兹对于麦克尔逊干涉实验所作的解释。一开绐我就认同有一个绝对的空间、以太充斥于其中，以太是静止的，不为运动的物体所拖曳。也认同他对于刚杆测量系统所做的解释：他认为由运动的物质粒子所构成的刚杆系统由于运动而在运动方向及运动垂直方向上尺寸有所改变，它们相差一个因子（1－v2/c2）1/2，由此而补偿了光线在运动方向及运动垂直方向上传播的光程差，导致了麦克尔逊干涉实验的结果为零。
而从上个世纪到今天普遍认同的是爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》一文提出的思想。他在提出光速不变，相对论原理的情况下认为：‘引入“光以太”将成为多余的。因为在这里提出的观点，既用不着具有特殊性质的“绝对静止空间”，也不必对发生电磁过程的真空中的点规定一个速度矢量。
’
是否真正在此文中否定了绝对空间呢？
爱因斯坦在其《论运动物体的电动力学》一文中有这样的一个假设：‘设有一个坐标系，在此系统中牛顿力学方程有效。为了更确切表达我们的思想，并和以后的其它系统在字面上有所区别，我们称这个系统为“静止系统”。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，它的位置应可以用刚尺测量与欧几里德几何学的方法相对地来确定，并可用笛卡尔坐标来表示。’在爱因斯坦的思维中这纯粹是运动学的问题，为了讨论这个问题他假定了一个理想的刚杆测量系统和一个基于理想时钟的时间测量系统，他没有假定这两个测量系统会随着观测者的不同运动状态而有所改变。
经过对空间测量系统以及物体的运动对于空间测量系统的改变的分析发现正是此假设隐含着绝对空间的假设。时间的测量者时钟本身有许多种类，这些测量怎么随不同的物质状态改变非常复杂，所以我们避开对于时间测量的讨论。
在这里我想做的尝试是重新引入绝对空间。这个空间与洛伦兹的静止以太充斥于其中绝对的空间很相似，只不过我在这里把实体性直接赋予了空间。也就是空间本身是实在的，这样我们就不必去假定有一种以太充斥其中，更不用去假定以太相对于空间的运动。为了能更进一步的说明这一点，我们必须明白空间这个概念是怎么引入我们的头脑中的，在物质世界中是什么原因产生了空间。
空间概念在我们人类头脑中是怎么产生的？
存在于我们物理学中的概念有一部分是人为构造的，另一部分是物质世界的某种存在属性紧密联系在一起的。在空间与时间这两个基本概念中时间就属于人为构造的，而空间则对存在的某种属性的描述。
我们对于空间概念的来源是什么？空间概念的最早来源可能是物体在空间中的堆积。我们现在的语言中有许多与此相关：一桶水、一担米、一船沙等等。我们的祖先用一块块砖之间的堆砌而建成了今天保存下来的奇迹---长城。“天圆地方”的“地”“方”就可能来源于此。在整体的印象中天是一个窟窿或者是鸡蛋壳，大地就是漂浮在其中的蛋黄。
牛顿万有引力的发现，地球上一个苹果的落地与月亮绕地球的旋转的原因等同，“天圆”也被认为是“天方”的了。
牛顿的空间观已经打破了天地之间的界限，是三维的欧几里德空间。
人类对于空间有了一种简单的、而且也是近乎完美的观念。在三个方向上是等同的，而且可以无限的延伸。
牛顿的空间同时又是绝对的，这个绝对可以这样认为：空间不会被其它的因素所改变。
后来人们发现了电磁相互作用。人们为了解释电磁相互作用而假定空间中充满一种被称之为‘以太’的实体。
这时候分歧产生了。
为了验证物体运动是否会带动其周围以太，麦克尔逊做了他著名的干涉实验。
实验的零结果导致洛伦兹提出了收缩假说，另一个结果是爱因斯坦的狭义相对论。
我偏向于洛伦兹的收缩假说。
后来爱因斯坦提出了广义相对论，其中有一点是革命性的思想：他认为物体的万有引力可以 改变空间的曲率。空间和万有引力有了关联，不再是牛顿意义下的一个绝对的东西。
我认为物体的万有引力不仅改变空间的曲率而且产生了它。空间是所有粒子万有引力相互作用的总和。这样物质实在有两种状态一种是粒子，另一种是空间。它们之间没有绝对的分界线。我们通常说的。“场”就是它们交界的地方。这样赋予了空间的实体性，物质粒子的空间分布性。
所以我假定了绝对空间。并且很方便地假设在此空间中光速恒定。
因为空间自身是一种实体，这等同于过去的‘以太’与绝对空间的和。过去以太观可以假定以太的运动，在现有的观点下这等同于空间相对于它自身的运动，所以我们没有必要去做这种假设。
更进一步空间观认为空间有几种。如果认为空间是所有物质粒子相互作用的总和，相互作用有四种：引力作用、电磁作用、弱相互作用及强核相互作用。引力与电磁力是长程力，由它们所构成的空间是一个整体，分别称引力空间与电磁空间。有一点是要说明的，我们通常所指的空间就是引力空间。强相互作用是局部的，只发生在几个近距离的强子之间，也就是一个原子核，我们知道有很多原子核，所以强空间是岛状的。弱作用使粒子间相互作用保持一种可持续的平衡的状态。
引力相互作用发生在引力空间；同理电磁作用只发生在电磁空间。这是今后进一步讨论所必须注意的。
在大范围内，也就是整体上空间可以是有限无边的结构。在这个空间模型中没有了所谓的中心，所有的粒子都处于同等的状态，也都可以认为自己是宇宙的中心。空间是引力的整体效应，引力是一种局部现象，只改变粒子周围的空间曲率，不能由此而有有关黑洞这类空间奇点推论。局部的涨落不可能会改变空间的整体性能。
对于空间的测量
| 在1881年迈克尔逊做了他著名的干涉实验，它的仪器是一种干涉仪。是位于水平面上两个长度相等并且相互垂直的两杆，两束相互干涉的光线一束绕一杆往返，另一束绕另一杆往返，最后相交于一点而发生干涉。 这一干涉仪可认为是两个观测系统：一个是光子不封闭回路干涉系统；另一个是刚杆观测系统。为了更好的讨论，我们把这个仪器理想化，不再局限于相互垂直的两臂，光子可以向任何方向发射，同理刚杆可以进行任何位置的测量。 |
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我们与过去的讨论有所区分的是：今天基于绝对空间进行。观测系统一般说来在此空间有一个运动速度v，当观测者从某一点O开始，当观测结束时又是另外的一个点OE。为了计算方便我们以光子回路为2C进行讨论，如上图。
光子回路干涉系统从O点开始向各个方向发射光子，在空间的某一点N经过反射后回到观测系统，此时系统处于OE。
根据干涉的结果我们可以得到许多等距离的点，经过计算这些点处于一个椭球面上，这个椭球面被称之为等距面。为了方便我们在二维空间中讨论。Y和Z两个轴等价，在这里忽略Z轴。
我们的刚杆在进行测量时，可以认为是处于一个刚性的平面中（例如固定麦克尔逊干涉实验仪器的一块平板）进行。假如这些粒子是静止的，我们认为单个的粒子其在空间分布是各向同性的。由这些粒子所构成的平板也是各向同性的。假如这些粒子在空间中以某一速度运动，根据假定单个的粒子其在空间分布是各向不一致的，在运动方向上不同于其它方向。这些全同的刚性的粒子在空间中按一定的规律平铺而成，在运动方向上也不同于其它方向。
在用刚杆进行位置的测量时，它可以记录的两点是观测者所在的位置、光子在空间的反射点即ON点和N点。这两点在刚杆上的尺度就是刚杆测量的结果。我们以在绝对空间中的坐标来讨论：
对上面的结果进行分析，可以得到如下的结果：在运动方向与运动相垂直的方向相差一个因子β。
从迈克尔逊干涉实验的零结果来讨论
迈克尔逊干涉实验的设施是两根相互垂直的刚杆中所做。我在这里推广到任意方向的任意多的刚杆。迈克尔逊干涉实验的初步结果是零；同样有理由认为任意方向任意多的刚杆的测量系统的测量结果也为零。实验的零结果只能说明一个问题：光子回路与刚杆测量的一致性。在上图的讨论的是一个是2C回路，也就是说光子回路系统认为是单程为C的距离。我们的刚杆在进行测量时，光子的反射点到观测者的距离是C。意味着：
比较在绝对空间系统中光子的反射点到观测者之间的距离与刚杆观测系统测试的结果。
从上面的数据上可以得出结论：
| 1、在与运动方向一致的方向上，运动的刚杆产生了β2的收缩。 2、在与运动方向垂直的方向上，运动的刚杆产生β的收缩。 3、在其它方向上，当我们用勾股定理计算时在与运动方向一致的方向上除以β2；在与运动方向垂直的方向上除以β然后进行计算。 |
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4、如果认为刚杆是由一些全同的粒子构成，运动刚杆的收缩效应反应在一个粒子上就是粒子在运动方向上的分布比在垂直运动方向上的分布增加一个因子1/β。由于β只与运动速度有关，可以这样认为：粒子在空间的分布不均匀性产生了运动。（详情以后讨论） 如果认为一个粒子在空间中有分布（这种分布在过去的量子力学中是以几率波的形式来表达的，这是一种统计效应，我们应该用一种更为直接的方式来描述）可以假定在静止中的粒子其各方向分布是一致的，而在运动的粒子其在运动方向上与其它方向上的分布将有所不同，这就是运动产生的原因。
建立观测系统自己的坐标系
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可以这样假定：我们的绝对空间是一个笛卡尔坐标系统，是三维的、各向一致、各处均匀。如果静止于其中的观测者来说光子回路干涉等距面是一组球面，刚杆对等距面进行测量时发现也是一组球面。 对于一个运动的观测系统来说，光子回路干涉系统所测量的等距面在绝对空间坐标中是一个迴转椭球面；刚杆测量系统因刚杆在运动中的收缩而表现在运动方向增加一个因子β2，而在与运动垂直的方向上增一个因子β。对于一个处于观测系统中的观测者他会用什么样的方式来描述他所观测到的世界。 我们离开绝对空间系统，用观测者的眼光来看，如果在绝对空间中是一个匀速运动的观测者，对观测者自身来说，它可能认为自己处于静止中。这样我们就必须找到一种变换，使每个系统都可以认为自已是处于一个绝对的静止的观测系统中。也就是不论是光子回路干涉系统还是刚杆测量系统光子回路干涉等距面是一组球面。 在刚杆测量系统中，我们建立一个坐标系O′′X′′Y′′Z′′，我们的观测者处于坐标系的原点，运动垂直的方向上的单位长度β，在运动方向上的单位长度是β2，如上图。这样变换的结果使刚杆测量系统进行测量时它认为等距面上的点是处于一个球面坐标系中。注意O′′点以匀速v运动。 |
在光子回路测量所建立的坐标系统比较特别，它不是一个直角坐标系，它是这样的一个坐标系，它的Y轴正方向是从椭圆的一个焦点到椭圆面的短轴作一条线段，X轴在运动方向，它的Y轴负方向是以X轴作镜像。它们的单位长度都是1。在光子干涉回路系统中建立O′X′Y′Z′这样一个坐标系统，这样变换的结果是光子回路干涉系统在对光子干涉等距面进行测量时，它认为等距面是一个球面。注意O′点以匀速v运动。
一个以匀速v运动的系统，在此系统中牛顿力学方程有效。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，它的位置可以用刚尺测量与欧几里德几何学的方法相对地来确定，并可用笛卡尔坐标来表示。
也就是爱因斯坦的刚尺测量系统与绝对空间的假定不相矛盾。
在这里主要基于对称性的考虑：空间是各向同性、各处均匀的；为什么一个物质粒子会在此空间中产生某个方向的矢量运动呢？如果认为粒子是在空间中有分布的，那么，粒子在某个方向分布的不一致性就导致粒子在此方向上的运动。在刚杆测量系统中运动方向与运动相垂直的方向相差一个因子β，这个β只与物体的运动速度有关，也就是说物质粒子在空间的分布性只与物体的运动速度有关。
运动为什么会产生呢？也就是为什么会有惯性？这是在伽利略和牛顿提出惯性后一直没有回答的。恩斯特·马赫曾提出物质的惯性应和遥远天体相关联。在这里继承这一思想的是，首先我认为所有的物质粒子共同构筑了空间，粒子在空间中的运动特性也就是惯性是因其在空间中的分布的不一致性，在某个方向上的不一致性使在此方向上产生运动并且保持。
人类虽说是物质世界的一部分，但人类的知识来源于人类属于观测者的地位，从观测经验中总结了它的规律性，从而成为我们的知识。我们观测到的物质世界与存在是有本质区别的，例如我们可以假定绝对空间的存在，而在观测上却不能为我们提供绝对空间存在的任何证据。
假定绝对空间理由一是：我们的存在需要绝对空间。
二是：绝对空间具有物理学、数学上的简单性。有绝对空间有绝对运动；在绝对空间中我们可以很方便地假定在绝对空间中光速恒定、并且各向一致。
我们对于空间的观测有两种方式：一种是刚杆测量；另一种是回路光子干涉测量（这包括所有波段的光子）。
麦克尔逊干涉实验刚好是集两个独立的观测系统于一体。
麦克尔逊干涉实验的零结果说明这两个观测系统测量对于空间的测量是一致的。而且具体讨论了两个观测系统在测量过程中的实际意义。因为我们在通常的意义上也就是处于这样的观测系统中，在以自我为中心的观测者观念中却认为自己是处于绝对空间中的。我们找到了属于自己观测系统的数学变换。
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