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以太和相对论
(2007-07-01 23:03:21)| 分类： 科学研究 |
一、引言
物理学家除了从日常生活中抽象出“具有重量的物质”这个概念之外，又提出了另一种物质的存在--那就是以太（ether）；为什么会这样呢？我们知道，由于某些现象，物理学家提出了所渭“超距作用”的理论，此外，由于光的某些性质，物理学家又提出了波动论；我们刚才的疑问，或者让正可以在这两个地方找到答案。那么，就让我们花点时间看看超距作用和波动论吧。
二、超距作用和以太
在物理学之外，我们并不知道有什么“超距作用”（这是指作用者和被作用者在空间上没有接触而发生作用--译注）。当我亻门试图在自然物体给予我们的经验中把原因与结果联系起来时，初看起来，似乎除了直接接触的相互作用，比如由碰撞或由拉和推来传递运动.用火焰加热，或引起燃烧等等，此外就没有别种相互作用了。固然，即使与我们日常经验有很重大关系的“重量”，某种意义上也是超距作用。但是物体的蔓量在日常经验中是作为不变的东西呈现在我们面前的，它与任何时间中或空间中可以变化的因由都没有联系，我们日常生活中不会想到重力的缘由，因此也不会觉察它有超距作用那样的特征，直到牛顿（I.Newton，
1642-1727）的引力理论，第一次把引力解释为由物质引起用超距作用，才给它提出了缘由。牛顿理论，在为自然现象的因果联系而作出的努力中，也许是最伟大的进步。可是这个理论在他的问时代人中间却引起了明显的不安，因为它似乎同出自其他经验的原理相矛盾，这原理就是，只有迪过接触--而不是通过直接无间的超距作用。
人类的求知欲只好勉强忍受这样一种二元论。怎样保持人类对自然力的理解协调一致呢？要么设法把通过接触而作用的力看成本身就是间距发生作用的力，这些力可认定为只有在非常小的距离中才观察得到的--这是完全迷醉於牛顿学说的牛顿追随者通常比较喜欢采取的路线：要么假定牛顿的超距作用只是表面上像直接无间的超距作用，而买际上却是靠一种弥漫空间的媒质来传递的--不论是靠这种媒质的运动，还是靠它的伸缩变形。于是，这种企图对力的本性寻求一个统一看法的努力，便导致了有失“以太”（etber）的假说。的确，这个假说最初对引力理论或物理学一般并没有带来任何一点边步
以致人们养成一种习惯，把牛顿有关力的定律当作不可再化简的公理来对待。但是以太假说总是要在物理科学中起些们用的，即便最初只有潜在的作用。
三、光的波动论和以太
十九世纪上半叶，当光的性质同有重物质中弹性波的牲质之间那种深远的相似性被揭示出来的时候.以太假说获得了新的支持。光必须解释为充满宇宙空间的一种有弹性的惰性媒质的振动过程，看来好像毫无疑问了。依据光有偏振（polarisation）的可能这个事实，也好像必然要得出这样的结论：以太这种媒质必须具有固体的性质＇因为横波（transverse
waves）只可能在固体中，而不可能在流体中存在。因此物理学冢不得不建立起“准刚性”的光以太理论，这种光以太的各部分，除了同光波相应的微小变形运动以外，相互之间不可能有任何别种运动。
这种理论也叫做静态光以太理论，它从那个也作为狭义相对论基础的菲佐（Fizeau）实验，进一步得到了有力的支持，人们从这个实验必定推导出，光以太不参与物体的运动。光行差（aberration）现象也支持准刚性的以太理论。
四、“力学.电学”二元论和以太
电学沿着麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831-1879）和洛伦茨（H.A.Lorentz，1853-1928）所开辟的道路向前发展。给我们的以太观念的发展带来了一次十分独特的、完全未预料到的转变。在麦克斯韦本人看来，以太的确还有纯粹的机械性质，尽管它的机械性质比起可捉摸的固体的机械性质来要复杂得多。可是，麦克斯韦和他的追随者都未能够为以太推衍出一种机械模型，为麦克斯韦的电磁场定律提供一种令人满意的力学解释。这些定律既清楚又简单，而那些力学解释却既笨拙，又充满矛盾。这种情况，从理论物理学家的力学纲领的观点来看，是很令人沮丧的，但是他们差不多都不知不觉地适应了这种情况。他们特别受到赫兹（H.Hertz，1857-1894）电动力学研究的影响。因为，他们以前曾经要求一种决定性的理论，要求它必须以那些纯属于力学的基本概念（比如密度、速度、变形、压力）为基础，以后他们倒逐渐习惯于承认电场的力和磁场的力是同力学概念并列的基本概念，而不要求对它们作力学解释了。这样，纯粹建筑在力学之上的自然观就逐渐被放弃了。但是，这一变化却导致一种理论基础上的无法长期忍受的二元论。现在却是在相反的方向上找出路，就是企图把力学原理还原为电学原理，这特别是在β射线和高速阴极射线方面的实验动摇了对牛顿力学方程严格有效性的信赖的时候。
在赫兹的理论中，这种二元论仍旧以毫不掩饰的形式放在我们面前。物质不仅看成是速度、动能和机械能的载体，而且也看成是电磁场的载体。既然在真空（invacuo）--即自由的以太--中也出现这种场，那么以太也就好像是电磁场的载体。以太在功能方面显得与普通的物质不可能有区别。在物质之内，它参与物质的运动，在空虚空间中，它到处有速度：因此这种以太被认为在整个空间中有一个可确切指认的速度。赫兹的以太同部分存在於以太中的有重物质没有任何根本上的区别。
赫兹的理论不仅有这样的缺点：它认为物质和以太一方面有力学状态，另一方面又有电学状态，而两种状态之间却没有任何可想象的关系；而且，这个理论也不符合菲佐（A.H.L.Fhcau，1819-4896）关于光在运动流体中传播速度的重要实验的结果，以及其他被认定了的实验结果。
当洛伦茨开始参与这方面的研究时，情况就是如此。他用一种奇妙的办法，简化理论原则，使得理论与经验协调起米。洛氏所以能够做到这一点，就是取消了以太的机械性质，又取消了物质的电磁性质。这是麦克斯韦以来电学方面的最重要的进步。在物体内部也同在空虚空间中一样
只有以太，而不是原子论看所考虑的物质，才是电磁场的载体。依照洛伦茨的意见，只有物质的基本粒子才能运动
而它们的电磁效能，完完全全是限于电荷的负载。洛氏由此成功地把一切电磁现象都还原为麦克斯韦的“真空与场”的方程。
至于洛伦茨以太的力学性质.人们可以带点诙谐地说，洛伦茨给它留下的唯一的力学性质就是不动性。这里正好补充一句，狭义相对论导致以太概念的整个改革，就在于它取消了以太的这个最后的力学性质，即不动性。至于该怎样来理解这句话
我们马上就要加以说明。
五、狭义相对论和以太
麦克斯韦与洛伦茨的电磁场理论，给狭义相对论中有关空间和时间的理论以及运动学理论提供了一个雏型。这个理论满足了狭义相对论的各项条件，但是从狭义相对论的观点来考虑，它就得到了一种新的面貌。假定K是这样的一个坐标系--洛伦茨以太相对于它是静止的，那末麦克斯韦与洛伦茨的方程就是基本上对于K有效的。然而根据狭义相对论，这些同样的方程，不用对其意义作任何改变，对于任何一个对K作匀速平移的新坐标系K＇也同样有效。现在就出现这样一个令人不安的问题：坐标系K＇同坐标系K既然在物理上是完全等效的，我为什么在狭义相对论中要用以太对于坐标系K是静止的这个假定来把坐标系K突出在一切坐标系K＇之上呢？这样一种理论结构中的不对称性在经验系统中找不着与它相应的不对称性，对此理论家是无法容忍的。如果我们假定，以太对于K是静止的，而对于K＇则是运动的，那末在我看来，K同K＇，在物理上的等效性，就逻辑观点而言，虽则不是完全错误的，但无论如何却是不能接受的。
面对这种情况，可能采纳的下一个主张似乎是，以太根本不存在。电磁场不是一种媒质的状态，也不依附于任何载体上，但它们是独立的实在的东西，正像有重物质的原子那样，不能还原为任何别的东西。这种见解之所以较为容易叫人想得到，是因为根据洛伦茨理论，电磁辐射像有重物质一样具有冲击力和能量，而且还因为，根据狭义相对论，在有重物质失去它的孤立性而表现为能量的特殊形式时，物质和辐射两者都不过是所分配的能量的特殊形式。
然而，更为审慎的考虑告诉我们狭义相对论并不迫使我们拒不承认以太。我们可以假定有一种以太存在：只是我们必须不再认为它有确定的运动状态.也就是说，我们必须抽掉洛伦茨还保留给它的那种最后的学特征。我们以后会看到，广义相对论的结论能够给这个观点提供支持；这里我打算通过一个比较，使得这观点想象起来更加容易了解--虽则这个比较也许不大妥帖。
请想想水面上的波。这里，我们可以叙述两种完全不同的事情。我们可以观察水与空气之间的波形界面时间边程中如何变化；要不然，我们也可以--比如，借助于一些小小的浮标--观祭各个水粒子的位置在时间过程中如何变化。假若在物理学上根本不可能有这样的浮标可用来追踪液体粒子的运动，假若事实上，除了在时间中变化的那个被水占据的空间形状以外，根本没有什么别的东西可以看得见，那末我们就没有理由假水是由可以运动的粒子所组成的。但是我们仍然可以把它当作媒质看待。
电磁场有着与此相似的情况。因为我们可以设想场是由力线所组成的。如果我们希望把这些力线解释为通常意义下的物质的东西，那末我们就会倾向于将动力学过程解释为这些力线的运动，以致每一条力线在时间过程中始终都可以被追踪下去。然而大家都很了解，这样看侍电磁场会导致矛盾。
我们必须这样概括地说：可以设想得在看某些占有空间的物体，对于它们，运动的概念是不能应用的。不能设想它们是由时间上始终都可以分别被追踪的粒子所组成。用闵科夫斯基（Minkowski）的话来说，这就是，并不是每一个在四维世界中有广延的结构都可以看成是由世界线组成的。狭义相对论不允许我们假定以太是由时间上始终都能观察得到的粒子所组成，但是以太假说本身同狭义相对论并不抵触。只要我们当心不要把一种运动状态强加给以太就行了。
当然，从狭又相对论的观点来看，以太假说初看起来像是一种空洞的假说。在电磁场方程中，除了电荷密度外，只出现场的强度。真空中电磁过程的表现看起来好像完全由这些方程决定，丝毫不受其他物理量的影响。电磁场是作为最终的、不能再化简的实在而出现的，于是，假足有一种均匀的、各向同性的以太媒质并把电磁场设想为这种媒质的状态，初看起来就似乎是不必要的了。
但是，另一方面却可以提出赞成以太假说的有力证据。否定以太的存在.最终就得假定空虚空间什么物理性质都没有。力学的基本事实同这种见解不一致。一个在空虚空间中自由盘旋的物质系统的力学行为，不仅取决子相对位置（距离）和相对速度，而且也取决于它的转动状态，这种转动状态在物理上不能了解为专属于这个系统本身的一种特征。为了至少能够在形式上把这个系统的转动看成某种实在的东西，牛顿就把空间客观化了。既然他把绝对空间与实在的东西归入一类，那末在他看来，相对于绝对空间的转动也就是某种实在的东西。牛顿其实大可以把他的绝对空间称为“以太”。问题的本质只在于，为了能把加速度和转动看成是实在的东西，除了可观察到的物体外，还必须把另一种不可察觉到的东西也看成是实在的。
固然，马赫（Ernst
Mach，1836－1916）也曾尝试过，在力学中用一种对宇宙中所有物体的平均加速度来代替对绝对空间的加速度，以避免必须认可某种观察不到的东西是实在的。但是，与遥远物体的相对加速度相对抗的惯性阻力，却是以超距作用为先决条件的；既然现代物理学家不认为自己可以同意这种超距作用，那末，如果他是追随马赫的，他就要再一次返回到可以作为惯性效应的媒质来看待的以太。不过，由马赫的想法而带引我们想出的这种以太概念，同牛顿、菲涅耳（A.J.
FrcsneI，1788-1827）以及洛伦茨所想出的以太在本质上是有区别的。马赫的以太不仅决定着惯性物体的行为，而且就它的状态而言，又取决于这些惯性物体。
六、广义相对论和以太
马赫的思想在广义相对论的以太中得到了充分的发展。根据这个理论，空间--时间”连续区的度规性质在不同的“空间--时间”点上是不同的，并且这在一定程度上取决于该区域之外存在的物质。空间和时间的标准（即量杆与时钟）之间相互关系的这种
“空间--时间”变异性，又或许是对“空虚空间”在它的物理关系上既不是均匀的也不是各向同性的这个事实的承认，迫使我们用一个函数--即引力势（gravitation
potentiaIs）--来描述空虚空间的状态：我认为，这已经彻底使我们认识到，空间在物理上并不是空无所有的。即是之故，以太的概念又再有了清晰的内容，虽然这种内容同光的机械波动说的内容大不相同。广义相对论的以太是这样的一种媒质：它除了帮助决定力学上的（和电磁学上的）事件而外，本身没有一切力学上的和运动学上的性质。
与洛伦茨以太相对照，广义相对论以太中那根本的新内容就在于这一点：广义相对论以太在每一点的状态，都是由它同物质以及它同邻近各点的以太状态之间的关系决定的。这种关系服从用微分方程的形式表现的定律；可是洛伦茨以太的状态，在没有电磁场的情况下，却不取决于任何在它之外的东西，而且到处都是相同的。如果用常数来代替那些描述广义相对论以太的空间函数，同时不考虑任何决定以太状态的原因，那末广义相对论以太在概念上就变为洛伦茨以太。因此我想我们也可以说，广义相对论以太是洛伦茨以太通过“相对化”而得出来的结果。
至于这种新的以太在将来物理学中要起的作用，我们现在还不清楚。我们知道它决定“空间--时间”连续区中的度规关系，比如固体种种可能的构型以及引力场，但是我们不知道，它在构成物质的带电基本粒子的结构中究竟是不是重要的部分。我们也不知道，究竟是不是只在有重物质的附近，它的结构才同洛伦茨以太根本不同：以及宇宙规模的空间几何究竟是不是近似欧几里得几何。但是我们根据相对论的引力方程却可以断言，只要宇宙存在着一个不管多么小的、正的「物质」平均密度，对于宇宙数量级的空间，就必定有违反欧几里得关系的情况。在这种情况下，宇宙必定是空间上无限制的而又是大小有限的，其大小取决于那个物质平均密度的数值。
七、引力以太和电磁场--空间和物质
我们如果从以太假说的观点采考查引力场和电磁场，就会发现两者之间有着显著的差别。任何的空间或是空间的任何一部分，都不可能是没有引力势的；因为这些引力势授予空间以它的度规性质，没有这些度规性质，空间就根本无法想象。引力场的存在是同空间的存在不可分开地连结在一起起的。反之，空间一部分没有电磁场却是宪全可以想象的。因此同引力场比较起来，电磁场似乎同以太只有次要的关系：电磁场的形式性质至今还完全不是由引力以太的性质来决定的。从理论的现状来看，电磁场同引力场相反，电磁场是以一种完全新的形式因（formal
motif）为基础的，看来好像大自然不妨可以不赋予引力以太以电磁类型的场，而赋予它另种类型的场，比如标势（scalar
potentiaI）的场。
既然依照我们目前的见解，物质的基本粒子，按其本质来，.也不过是电磁场的凝聚而己，那末我们目前对宇宙的看法就可提出两种在概念上彼此完全分开的、虽然有因果联系的实在，这就是，引力以太和电磁场或者，也可以这样叫它们：空间和物质。
如果我们能够把引力场和电磁场结合在一起如同个统一的结构那样来理解，那自然是巨大的进步。那时，法拉第（M.Faraday，1791－1867）和麦克斯韦所奠基的理论物理学的时代就会第一次得到令人满意的结论。以太和物质之问的差别会渐渐地消失，而通过广义相对论，整个物理学就会成为像几何学、运动学、和引力理论那样的一种完备的思想体系。数学家魏耳（Weyl）在这方面作了非常富有独创性的尝试；不过我不相信他的理论就实在而论会站得住脚。向且，我们在想到理论物理学不久的未来时，不应当弃而不顾包含在量子论中的事实有可能会给场设下无法逾越的界限。
八、结语
我们可以扼要重述一下，依照广义相对论，空间赋有物质性质：因此，在这种意又上，存在看一种以太。依照广义相对论，没有以太的空间是无法设想的：因为，在这样一种空间里，不但不会有光的传播，而且空间和时间的标准（量杆和时钟）也不可能存在，因此也就没有物理意义上的“空间--时间”间隔。但是，不能想象这种以太具有有重媒质的特性，也不能想象它是由那些在时间上始终可被追踪的要素组成的。运动概念不可应用到这种以太上。
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