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第八回     以太的辉煌和殒落

(2007-12-05 15:56:55)
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知识/探索

 

第八回     以太的辉煌和殒落

 

好啦!好啦!卡拉OK停止!赶快放好麦克风了!拿好行李,咱们该继续上路了!到真正的奇幻的相对论世界去探险现在正式开始!探究相对论的是是非非可不是一件容易的事!

我们已经讲了许多物理学大厦建造者们的可歌可泣的故事。从哥白尼到伽利略,再到第谷和开普勒,还有笛卡儿,牛顿的功劳最大,嗯,法拉第和麦克斯韦也功不可灭哟。对了,还有热力学的那帮兄弟们,名字没记住多少个是吧?不要紧,呵呵,咱们重点要探讨相对论,等你回头学习完了热力学就会记住他们的!

上一章我们说了金碧辉煌的物理学大厦,这一章呢我们要说说形态奇特的相对论怪胎;上一章我们是赞扬伟大,这一章呢我们是揭露错误;上一章我们摘抄、改写或引用了大量的历史资料,不怎么需要独立思考。这一章完全是我个人思索了四十多年的结论,可是需要各位拿出真才实学和个人的创见,评判我说得是否有道理啊!

喂!我说导游呀!你想把我们带到哪儿去呀?该不会是凭你三寸不烂之舌,在迷惑我们,忽悠我们吧?

放心吧!我已经是一个年及花甲的退休老人,是一个有三十多年党龄的老党员!假假的也还是一个高级工程师呢!名利对我来说已经没有任何意义了。再说你的脑袋不是长在我的嘴巴上的呀!这是要你拿出真才实学和个人的创见的时候哟!说得有理你就听,说得不对你可以反驳嘛!我的原则是:拿实事说话,以理服人。

呵呵,从哪里说起呢?啊,对了,狭义相对论是从否定以太而诞生的,我们首先从以太说起吧!

那么什么是以太?它有什作用?这可是物理学史上的一个极其重要问题,我要讲得详细一点。

以太(Ether)是一个历史上的名词,它的涵义也随着历史的发展而发展。

古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。

笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。

后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的,他认为光是一种波。惠更斯作了进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初),人们对波的理解是某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物,如空气就是声波的荷载物。

由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质就是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。以太除了作为光的媒介以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。

法拉第认为电磁的相互作用也是通过一种叫做“以太”的特殊物质而传递的,当时的“以太”假说认为,物质之间没有绝对的真空,空间到处充满一种特殊的物质——以太,它具有一系列奇特的性质,在其中可以激发各种非常复杂的物理过程,包括传递电磁作用。麦克斯韦创立他的电磁理论时就直接援用了法拉第的观点,在他看来,电磁波就是“以太”中的一种弹性横波。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,而且同光也统一了起来。

牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。

在十九世纪最后的十多年里,“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列,被看成是宇宙的基本构成要素。

但在洛伦兹理论中,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。

18世纪是以太开始没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系,因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。

以1900年为分界线,“以太”这颗明星便开始殒落。当时,一方面,为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力,必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多;为了说明为什么电磁波是横波,并以极大速度传播,又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性,这是不可思议的。另一方面,固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波,但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而,造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。从十九世纪末到二十世纪初,人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论:从光行差现象的观测结果来看,地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”;而从斐索流水试验的结果来看,物体是部分带动“以太”;但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看,则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为,既然没有“以太风”,那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁,仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”,从而诞生了洛仑兹 “尺缩”、“钟慢”的电子论。

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。

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。

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。

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