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为什么爱因斯坦想要复活已被自己枪毙了的“以太”

(2018-07-16 14:46:33)
标签:

以太

绝对处所

惯性系

引力场

相对性原理

分类: 理论物理

为什么爱因斯坦想要复活已被自己枪毙了的“以太”?

上海市老科协双创委  费邦镜  feibangjing@163.com  2018/07/16

 

目录

摘要. 1

引言. 2

一、“以太”是什么?. 2

二、为什么19世纪后半叶的物理学家越来越相信“以太”的存在?. 3

三、爱因斯坦凭什么枪毙了“以太”. 3

四、为什么爱因斯坦又想要复活“以太”. 5

五、换个思路找“以太”——找力学定律和光速恒定所适用的参考系. 5

§5.1 牛顿用水桶实验是为了证明“绝对空间”的存在吗?. 5

§5.2 力学定律所适用的参考系是“惯性系”吗?. 6

§5.3 “引力场”有可能是力学定律所适用的参考系吗?. 7

§5.4 对处所、光以太、电磁以太、引力以太,居然都是“引力场”. 8

六、“引力场就是以太”,居然与爱因斯坦探寻以太的成果非常吻合. 9

七、引力场这个“优越参考系”与“相对性原理”的抵触能消除吗?. 9

§7.1 爱因斯坦精选出来的两个支撑相对性原理的“普遍事实”真的是事实吗?. 10

7.1.1 伽利略相对性原理在力学领域高度有效吗?... 10

7.1.2 地球的物理空间是各向同性的吗?... 11

§7.2 相对性原理与牛顿力学格格不入. 11

总论. 12

参考文献. 12

 

摘要20世纪之前几乎没人怀疑以太的存在,但大家想要找到以太的一切努力都失败了。面对如此“绝境”,爱因斯坦干脆把以太枪毙了,否定了以太的存在!从而创立了狭义相对论。

令人诧异的是:15年之后,爱因斯坦竟然又想“复活以太”!然而,他同前辈们一样,也没能找到以太,只是发现了“引力场”同“以太”有直接的关系。

本文用一种新思路来找以太——寻找力学定律和光速恒定所适用的参考系。

本文从探寻力学定律所适用的参考系着手,论证了“引力场”就是牛顿水桶实验的“绝对处所”,力学定律所适用的参考系不是“惯性系”而是“引力场”;用“引力场就是以太”,很自然地化解了各种探寻以太实验所产生的矛盾;进而指出,绝对处所、光以太、电磁以太、引力以太,统统都是引力场

本文还从多个方面论证了相对性原理并不成立,从而为确立引力场就是以太清除了最大的障碍。

 

关键词以太,绝对处所,惯性系,引力场,相对性原理

 

引言

爱因斯坦(18791955)在1905年创立的“狭义相对论”,是一个彻底颠覆了牛顿绝对时空观的神奇理论——“同时性”竟然是相对的。

那么,在牛顿的绝对时空观早已深入人心,且牛顿力学已取得了惊人的成功之后,是什么原因导致爱因斯坦要去创立一个如此神奇的狭义相对论呢?

首要原因就是物理学家们折腾了几百年也无法找到“以太”这种物质——1922年,爱因斯坦在日本京都大学的演讲中回忆:最初,“我并不怀疑以太的存在,不怀疑地球相对以太的运动……如果承认迈克尔逊的零结果是事实,那么地球相对于以太运动的想法就是错的,这是引导我走向狭义相对论的第一步。”[1] ——正是根据迈克尔逊的零结果及一系列探寻以太实验的矛盾结果,爱因斯坦断言:“所有以太的假设都一无是处!实验的判决总是否定的。……我们想使以太成为实在的东西的一切努力都失败了。……现在应该是完全丢开以太的时候了,以后再也不要提起它的名字了[2]

就这样,“以太”被爱因斯坦枪毙了然后,才有了狭义相对论

然!而!令人诧异的是:十五年后,爱因斯坦竟然又想复活以太——1920年,爱因斯坦在荷兰国立莱顿大学做了一个《以太和相对论》的报告,指出:“更加精确的考查表明,狭义相对论并不一定要求否定以太。……否认以太的存在,最后总是意味着承认空虚空间绝对没有任何物理性质这种见解不符合力学的基本事实。”[3] 不过,爱因斯坦与前辈们一样,也没能找到以太!

那么,这“以太”究竟是什么?我们能找到以太吗?

 

一、“以太”是什么?

“以太”这个概念在两千多年前就已形成了,古希腊大哲学家亚里士多德(公元前384~前322)猜测:天地间弥漫着一种看不见的物质,当时就称这种物质为“以太”。

17世纪法国的笛卡尔(15961650)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。……真空是不可理解的,物体之间的所有作用力都必须通过直接物体接触或通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不是空无所有的,而是被以太这种媒介物质所充满。以太虽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。”[4] 笛卡尔还认为,光是一种波动,是“在完全弹性的、充满一切空间的媒质(以太)中传递。”[1] 笛卡尔的“以太论”为当时许多科学家所接受。

牛顿(16421727)在1674年之前主张“光的微粒说”,但在受到胡克和笛卡尔-惠更斯学派的有力批评之后,牛顿开始向“以太论”妥协。而且,牛顿“向以太论的妥协由光学扩展到了整个物质观方面”。[5] “牛顿的重力观点也转向以太效应,即重力是由以太密度差异产生的压力差引起的,而不是以太旋涡造成的离心力。这种解释可以使重力的产生和传递的原因相一致”。[5]

爱因斯坦指出:“牛顿所最强烈反对的是一种能够自己在空虚空间中传递的力的概念。牛顿希望用以太来把超距作用归结为接触力。”[3]

总之,在1718世纪,笛卡尔的以太论占统治地位——真空并非一无所有以太就是真空中存在的一种无形物质万有引力和光都是通过以太传递的

遗憾的是,大家都没能找到以太!

 

二、为什么19世纪后半叶的物理学家越来越相信“以太”的存在?

1864年,麦克斯韦18311879建起了麦克斯韦方程组,并认为光也是一种恒速的电磁波。赫兹等人所做的大量实验事实从各方面证实了光确是一种电磁波。从此,才有了光传播的真正理论。既然光确是一种波,那么,真空中不可能不存在传播光的媒质——以太

另一方面,大家都坚信,我们只能参照其他物体来量度速度。那么,真空中恒定的光速c是相对于何物而言的呢?正如恒定的声速是“相对于传播声音的媒质而言的”一样,真空中恒定的光速当然是“相对于传播光的媒质‘以太’而言的”。以麦克斯韦、洛伦兹为首的许多物理学家都持这样的观点。[6]

如此,以太就不仅是光的媒质,也是光速恒定的参照物

在《大英百科全书》第九版中,麦克斯韦郑重地给以太下了个定义:“以太是一种比可见物体更难以捉摸的物质,被假定存在于看上去是真空的空间中。……不管我们形成以太的想法有多困难,无可怀疑的是,星际空间不是空的,而是由一种物质或物体占有着”。[4]

因此,到了十九世纪后半叶,物理学家们对以太的探寻也更执著了。

然而,以太仍然无影无踪。不过,大家对“运动物体能否曳引以太”,总算有了共同的认识:

1728年,布拉德雷发现光行差现象:为了能看到天顶附近的恒星,不能将望远镜绝对竖直地放置,而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向,向前倾斜20.5’ 角度,望远镜的轴线在一年中将描画出一圆锥。[7]

普遍认为,光行差现象证明了地球只是在以太中穿行,而没有拖曳以太[8]

1818年菲涅尔提出“部分曳引假说”,即真空中的以太是绝对静止的,透明物体运动时,光可以部分地被这一透明物体曳引:曳引系数k = 1 - 1/n2 ,其中n为透明物体的折射率。[1]

1851年斐索做了一个重要的实验——比较正反流水中的光速,有力地“证实了菲涅尔的部分曳引假说,从而使这一假说成了以太理论的重要支柱”。[1]

“斐索实验可以简单地用以太既不为仪器拖曳又不为仪器中运动的水拖曳这种说法给以解释,部分曳引是由于折射媒质的运动所致”。[7] 而且,“斐索实验的结果可以看作是对恒星光行差观测的加强支持。两种实验结果均能通过下面的假定予以解释:运动物体并不把它的任何运动速度传给以太”。[8]

菲涅尔以太理论假说被确立,大家更乐观了——离找到以太应该不远了!

年青时的爱因斯坦同其他物理学家一样,“并不怀疑以太的存在,不怀疑地球相对以太的运动”。

 

三、爱因斯坦凭什么枪毙了“以太”?

然而好景不长:

物理学家们都认为,既然光行差现象和斐索实验都证明地球不能拖曳以太,而地球又在公转轨道上以30公里/秒的速度运行,那么在地球上就应该能检测到“以太风”。

在麦克斯韦的关心和激励下,迈克尔逊(18521931)发明出一种空前灵敏的干涉仪,他确信可以根据干涉条纹的位移推算出这以太风速。但起初的实验并不如意。在开尔文和瑞利的鼓励和催促下,迈克尔逊又邀请莫雷一起,进一步改进了干涉仪实验,把精度提高到可以分辨0.01个条纹间距的位移,对于30公里/秒的“以太风”,预期可观测到0.4个条纹间距的位移。

1887年,迈克尔逊与莫雷连续4天从早到晚进行实验,却始终观测不到预期的条纹位移。为了排除偶然因素,过了半年以后,他们又做了一次观测,结果仍然没有发现预期的条纹位移。[1]

迈克尔逊-莫雷实验的结果发表后,几乎所有的科学家都膛目结舌

这个结果就是导致爱因斯坦走向狭义相对论第一步的那个著名的“迈克尔逊的零结果”这个零结果等于是证明了地球完全曳引着以太一起运动!这与斐索实验和光行差现象的结论恰恰相反!这似乎是对菲涅尔以太理论假说的致命打击

但是,迈克尔逊和莫雷坚信以太理论,他们倾向于用斯托克斯的“完全曳引假说”来解释这个零结果。[1]

1845年,斯托克斯提出了黏性流体运动理论,次年,他用这一理论解释了光行差现象:“紧挨着地球的以太应当整个地同地球一起运行,围绕地球的以太云在地球沿轨道运动时为地球所完全裹携走。不过,这云的各层是以不同的速度在运行的:云层离开地球越远,它的速度就越小。……由于光速在紧挨地球的比较密的以太层中减慢,所以来自恒星的光的波前就转向,这正确解释了所观察到的光行差”。[9]

迈克尔逊和莫雷由此认为,既然紧挨着地球的以太整个地同地球一起运行,那么地表当然不会有以太风,斯托克斯的假说完全能够合理的解释为什么既存在光行差现象,又有迈克尔逊-莫雷实验的零结果。

不幸的是,斯托克斯的“完全曳引假说”随后就受到了有力的挑战。

普遍认为,从斯托克斯假说出发,必然会引出一个结论,即在运动物体表面有一速度梯度的区域,在运动物体附近,总可以察觉出这一效应。于是洛奇在1892年做了一个钢盘转动实验,专门用以试验这一效应。但洛奇的实验证实:紧挨着钢盘的以太,完全没有被高速转动的钢盘带动,这一结果导致人们对斯托克斯的假说失去了信心。[1]

反正,所有的以太假设都相互矛盾,物理学家们陷入了绝境。

26岁的爱因斯坦,初生牛犊不怕虎,独辟蹊径,大胆地断言:“所有以太的假设都一无是处!实验的判决总是否定的。……我们想使以太成为实在的东西的一切努力都失败了。……现在应该是完全丢开以太的时候了,以后再也不要提起它的名字了[2]

就这样,“以太”被爱因斯坦枪毙了!彻底否定以太的存在,是爱因斯坦“走向狭义相对论的第一步”

然而,否定以太的存在,就使得真空中光速恒定失去了参照物!万有引力也就成了超距作用!因此,当时许多顶级物理学家都强烈反对“否定以太”。如:

英国物理学家、电子的发现者J.J.汤姆逊(18561940宣称:“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造,对我们来说,就像我们呼吸空气一样不可缺少”;[1]

美国第一个诺贝尔物理学奖获得者迈克尔逊,至死都念念不忘“可爱的以太”,认为相对论是一个怪物![1]

荷兰物理学家、电子论的创立者洛伦兹18531928)同相对论朝夕相处20年,他直到去世都不肯抛弃以太,他甚至伤心地说:“我悔恨我没有在这些矛盾出现的五年前死去”。[10]

……

不过,随着相对论的“节节胜利”,“以太”终于被主流物理学界彻底抛弃了现在仍企图为“以太”昭雪的人,都统统被讥讽为“民科”,甚至遭到了封杀

然!而!可能有人不知道:1920年,爱因斯坦竟然想要复活已被自己枪毙了的“以太”

 

四、为什么爱因斯坦又想要复活“以太”?

192055日,爱因斯坦在荷兰国立莱顿大学做了一个《以太和相对论》的报告,强调:“更加精确的考查表明,狭义相对论并不一定要求否定以太。……以太假说本身同狭义相对论并不抵触,……否认以太的存在,最后总是意味着承认空虚空间绝对没有任何物理性质。这种见解不符合力学的基本事实。……依照广义相对论,一个没有以太的空间是不可思议的因为在这样一种空间里,不但光不能传播,而且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。”[3] 观点非常鲜明且强硬!

……晕!不是曾经断言“所有以太的假设都一无是处”吗?有人怀疑,这会不会只是爱因斯坦的一时糊涂?不。

1952年,爱因斯坦为《狭义与广义相对论浅说》第十五版新增加了一个附录五,强调:“要人们把一般的空间尤其是一无所有的空间,视为具有物理实在性,的确是一种苛刻的要求。……笛卡尔曾大体上按照下述方式进行论证:空间与广延性是同一的,但广延性是与物体相联系的;因此,没有物体的空间是不存在的,亦即一无所有的空间是不存在的。……广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡尔的概念。……因此,笛卡尔认为一无所有的空间并不存在的见解与真理相去并不远。”[11]

显然,到了中、晚年,爱因斯坦在广义相对论的倒逼下是真心想把“以太”复活的!遗憾的是,爱因斯坦与前辈们一样,也没能找到以太。

既然,亚里士多德、笛卡尔、牛顿、麦克斯韦、J.J.汤姆逊、迈克尔逊、洛伦兹……这些世界顶级物理学家都认为以太是存在的,而且,曾经对以太痛下杀手的爱因斯坦也想要复活以太了,那么,难道我们不应该奋力把以太找到吗

 

五、换个思路找“以太”——寻找力学定律和光速恒定所适用的参考系

根据以太论,光速恒定的参照物当然就是以太。那么,我们不妨换个思路来寻找以太:探究一下光速恒定的参照物究竟是什么。

爱因斯坦说:“惯性原理和光速恒定原理只有对于一个惯性系才是有效的。”[11] 这使我产生了一个联想:“惯性系”能否就是“以太”呢?

然而非常遗憾,迄今为止,真正的“惯性系”居然同“以太”一样,也还没有被找到!显然,这个“惯性系”非常值得深入研究。

追查了一下“惯性系”的来历,发现它居然同“绝对空间”有血缘关系!

§5.1 牛顿用水桶实验是为了证明“绝对空间”的存在吗?

普遍认为,牛顿并没有明确给出力学定律所适用的参考系。爱因斯坦推断,牛顿是把“绝对空间”作为力学定律所适用的参考系。

1921年,爱因斯坦在《关于相对论》中指出:“如果人们从相对运动这概念出发,那么在牛顿运动方程中出现的加速度就难以理解了。这迫使牛顿想出一种物理空间,假定加速度是相对于它而存在的。为此特意引进绝对空间概念”。[3]

1927年,爱因斯坦在《牛顿力学及其对物理学发展的影响》中再次指出:牛顿“已经认识到,可观察的几何量(质点彼此之间的距离)和它们在时间中的进程,并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点。因此,除了物体和随时间变化的距离以外,还必须有另一种决定运动的东西。他认为,这种‘东西’就是对于‘绝对空间’的关系。”[3]

在爱因斯坦上述思想影响下,几乎所有的教科书都说:牛顿是用水桶实验来证明绝对空间的存在,是把绝对空间作为力学定律所适用的参考系[12]

很遗憾,这些观点都是对牛顿力学著作的天大误解

牛顿在《原理》中记述了水桶实验:用旋紧的长绳悬挂一个装有水的桶,桶与水都静止,水面是平的,然后让桶随着长绳的松劲而转动,起初“水面保持平坦,因为水的真正旋转并未开始。但在那之后水沿桶壁上升……说明水的真实的转动正逐渐加快。”[13] 可见,牛顿用水桶实验只是为了论证真实的转动——“绝对运动”的存在

什么是“绝对运动”呢?牛顿在《原理》中定义:“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所这很明确,绝对运动是相对于“绝对处所”的运动。换言之,“绝对运动”的参照物是“绝对处所”

那么,“绝对处所”和“绝对空间”是同一个概念吗?当然不是!牛顿在《原理》中定义:“处所是空间的一部分,为物体占据着”。[13] 牛顿在《论流体的重力和平衡》中定义得更直白:“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间”。[5] 显然,“空间”中如果没有被填充东西,那只是“空间”,而不是“处所”!!!

遗憾的是,牛顿终生都没能找到这填充在“空间”中而成为“处所”的东西,以致马赫、爱因斯坦都把“绝对处所”误解为是“绝对空间”,把相对于“绝对处所”的绝对运动,误解为是相对于“绝对空间”的运动进而错误地推断:牛顿是把绝对空间作为力学定律所适用的参考系。

马赫、爱因斯坦把“绝对处所”误解为“绝对空间”,不仅使得牛顿力学所必需的一个重要概念——“绝对处所”——被完全“无视”也使得牛顿力学处境尴尬,因为谁也无法参照“绝对空间”确立什么参考系。

就是在这种尴尬之下,惯性系概念应运而生。

§5.2 力学定律所适用的参考系是“惯性系”吗?

为了掩饰无法依据绝对空间确立参考系的尴尬,“在马赫(对绝对空间)的批判之后两年,德国物理学家朗奇(L.Lange)在1885年发表的《论伽利略惯性律的科学结构》一书中,从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间,将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上,从而使牛顿的力学定律在‘消除’绝对空间的条件下,仍能保持其全部物理意义。”[5] 朗奇定义:惯性定律成立的参考系称为惯性系

然而,这个产生于牛顿逝世158年之后的惯性系概念,根本经不起推敲:

1)根据教科书上的参考系定义:“这些作为研究物体运动时所参照的物体,称为参考系”。[12] 可见参考系首先得是“物”,但谁也说不出这惯性参考系是什么“物”,爱因斯坦也无奈地承认:“究竟是否存在一个惯性系的问题,直到现在还无法决定。”[2]

2)更糟糕的是,惯性系的确认,必须依赖于惯性定律的成立,而惯性定律又必须在惯性系中才能成立,因此爱因斯坦敏锐地指出:惯性系概念是同语反复、循环论证,这“显示出经典物理学中的一个严重的困难。我们有定律,但是不知道它们归属于哪一个框架,因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样。”[2]

这就太不可思议了——牛顿力学的惊人成功和巨大贡献是众所周知的,它怎么可能是筑在沙堆上的呢?

显然,引进惯性系概念,并没有真正解决力学定律所适用的参考系问题

我在前面已指出,受时代的限制,牛顿终生都没能找到这填充在“空间”中而成为“处所”的东西是什么。所以,如果能把水桶实验的“绝对处所”指认出来,那么,牛顿力学所适用的参考系也就水落石出了

§5.3 “引力场”有可能是力学定律所适用的参考系吗?

一道关于水桶实验的例题让我产生了一个猜测——“引力场”可能就是牛顿梦寐以求的“绝对处所”。

该例题是:“一水桶绕自身的竖直轴以角速度ω旋转,当水与桶一起转动时,求水面的形状。”答案:水面为旋转抛物面,物线方程为 z=ω2r2 /(2g)[14]

可见,水抛物面的唯一外因是“地球引力场强度g

现代的我们,比牛顿有更广阔的视野,已知道“引力场”是一种无处不在、无法屏蔽的物质,那么,把“引力场”认定为“绝对处所”,说“水”是相对于“引力场”在作“绝对运动”,不是非常自然的吗?如此,力学定律所适用的参考系当然就是“引力场”

有学者质疑,为了定量描述运动,需要在参考系上建立合适的坐标系,而引力场是无形物质,似乎无法在其上选定不动的参照物而建立坐标系。换言之,引力场作为参考系没有可操作性。

其实,引力场的中心就是坐标系原点的最佳选择。物理学家们早已在实践中,用“日心-恒星参考系”(以太阳中心为坐标原点,坐标轴指向其他恒星)来研究行星的运动;用“地心-恒星参考系”(以地心为坐标原点,坐标轴指向其他恒星)来研究人造地球卫星的运动;[15] 实质上,这些都是把坐标原点建立在引力场中心的高度近似方法。而地面与地心相对静止,更可以方便地在地面上随处建立坐标系,以研究地面物体的运动。可见,引力场作为参考系并不存在可操作性问题。

令人欣慰的是,“引力场就是力学定律所适用的参考系”这个猜测,居然能够在牛顿的《自然哲学之数学原理》中找到印证

牛顿在研究天体运动时,首先就明确地给出了一个参考系——“第三篇、宇宙体系”中有“定理11:地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”牛顿正是依赖这个不动的重心,研究行星的运动,建起了气势磅礴、美轮美奂的宇宙体系。这个静止不动的公共重心,难道不正是太阳系引力场的中心吗

根据牛顿这个思想,地球系公共重心也是不动的,在研究地面物体的运动时,最好的坐标原点就是地球系引力场的中心,而地心则是其相当不错的近似。

可见,“引力场就是力学定律所适用的参考系”这个猜测,不仅能合理解释水桶实验,也能够在牛顿的《原理》中和在天文学的实际应用中得到印证

另一方面,我们也不难推断,月球、火星、金星、木星、木卫二……等星球上的力学定律一定同地球上的力学定律一样有效!如若不然,则意味着地球是宇宙中最优越的星球,我们将倒退回哥白尼之前的时代。

请注意,这许多星球相互之间可不是在作匀速直线运动!这就从另一个角度证明了,力学定律所适用的参考系,决不可能是那些相互之间必须作匀速直线运动的所谓“惯性系”

相反,“引力场就是力学定律所适用的参考系”这个猜测,却可以非常自然地解释为什么这许多星球上的力学定律一定同地球上的力学定律一样有效。

通过以上的论证,应该可以断言:“引力场”就是牛顿梦寐以求的“绝对处所”,“引力场”也就是力学定律所适用的参考系

那么,这个断言与以太有什么关系呢?爱因斯坦在《以太和相对论》中说过:“牛顿同样也可以恰当地把他的绝对空间叫做‘以太’。”[3] 而我在前面已论证了,马赫和爱因斯坦都把“绝对处所”误解为是“绝对空间”。因此,爱因斯坦这句话应该修正为:牛顿也可以把他的“绝对处所”叫做“以太”

既然现在已论证了引力场就是绝对处所,那么,引力场当然也就可以叫做以太,或者可以说,引力场就是以太

§5.4 绝对处所、光以太、电磁以太、引力以太,居然都是引力场

“引力场就是以太”这个猜测是否能成立,必须看它能否化解那些探寻以太的实验所产生的矛盾。

原先大家都有一个先入之见:运动物体与以太之间的关系只可能有三种:或者曳引以太,或者不曳引以太,或者部分曳引以太。

而如果认识到引力场就是以太,那么,这个先入之见就有毛病——其实,物体能否曳引以太,不仅仅在于该物体是否运动!还在于该物体的运动是否改变了实验光路中的质量分布,即是否改变了实验光路中的引力场,换言之,只有实验光路中的引力场被“移动”了,以太才是被曳引了

用这个准则来分析那些探寻以太的实验,竟然毫无矛盾

斐索实验中,流水无论如何流动,实验光路中的质量分布并没变化,当然其引力场也没变化,所以流水不会拖曳实验光路中的以太。所谓“光可以部分地被这一透明物体曳引”,并非是以太被拖曳,“部分曳引是由于折射媒质的运动所致”。菲涅尔部分曳引假说这个以太理论支柱并无问题。

迈克尔逊-莫雷实验中,实验装置与地球“同步”在公转轨道上绕太阳运动,宏观地看,地球的这种运动,当然能够曳引地球的引力场也绕太阳运动,但微观地看,地表实验室中的引力场却没变化,仍是地球的那个引力场,所以实验光路中的以太也就没有变化,因此干涉条纹不会移动,当然只能是“零结果”

洛奇实验中的钢盘,无论怎样高速旋转,质量分布没变化,光路中的引力场也没变化光路中的以太根本不会被高速转动的钢盘曳引。当初因为洛奇实验的结果而“对斯托克斯的假说失去了信心”,完全是不应该的。

对于光行差现象,斯托克斯的解释没错,他所借助的“以太云”,其实就是非常形象的“引力场”——紧挨着地球的引力场必然整个的随地球一起以30公里/秒的速度在公转轨道上运行,而离开地球越远,那里的引力场越来越过渡为太阳的引力场。正如斯托克斯说的那样,“这云的各层是以不同的速度在运行的:云层离开地球越远,它的速度就越小。

可见,“引力场就是以太”这个猜测,能非常轻松地解释所有相互矛盾的探寻以太实验,我们根本不应该抛弃以太

如此,“引力场”这种无形物质,应该就是光速恒定的参照物——光以太,也就是麦克斯韦方程组所适用的参考系——电磁以太

不仅如此,“引力场就是以太”也使得“牛顿希望用以太来把超距作用归结为接触力”的愿望得以实现——大概没人会怀疑万有引力是通过引力场来传递的。

至此,我们惊喜地发现牛顿水桶实验的绝对处所光的传播媒质——光以太麦克斯韦方程组所适用的参考系——电磁以太万有引力的传递介质——引力以太这四种“以太”居然都是同一个东西——“引力场”!大自然真是太朴素、太简约、太和谐了!

更令人意外的是,“引力场就是以太”这个猜测,居然与爱因斯坦探寻以太的成果非常吻合!

 

六、“引力场就是以太”,居然与爱因斯坦探寻以太的成果非常吻合

爱因斯坦想要复活以太,他重点考查的对象是什么?正是牛顿那个时代根本不知道的无形物质——“场”!

爱因斯坦在《以太和相对论》中指出:“如果我们从以太假说的观点来考查引力场和电磁场,那么两者之间就存在着一个值得注意的原则性的差别。没有任何一种空间,而且也没有空间的任何一部分,是没有引力势的;……引力场的存在是同空间的存在直接联系在一起的。反之,空间一个部分没有电磁场却是完全可以想象的;因此,电磁场看来同引力场相反,似乎同以太只有间接的关系。”[3]

显然,“引力场就是以太”这个猜测,与爱因斯坦“引力场同以太有直接关系”这个探寻成果非常吻合!

应该说,就凭这个“引力场同以太有直接关系”的意识,爱因斯坦早就可以发现“引力场就是以太”了,然而,他却没能再前进一步,这是为什么呢?

这是因为对他刻骨铭心的相对性原理——若引力场就是以太,那么力学定律、光速恒定和麦克斯韦方程组就拥有了“引力场”这个特定的优越参考系,但是,根据“相对性原理”,所有物理学定律所适用的参考系只能是一组平权的惯性系,而决不可能拥有特定的优越参考系

这就是爱因斯坦想要复活以太,而又无法找到具体以太的原因!这也可能就是教科书完全无视爱因斯坦想要复活以太,依然在宣教“唯一的出路就是抛弃以太”的原因!

如果不能消除引力场这个“优越参考系”与“相对性原理”的抵触,那么,“引力场就是以太”只能永远是个“猜想”所幸的是,这个抵触可以消除

 

七、引力场这个“优越参考系”与“相对性原理”的抵触能消除吗?

相对性原理,早已成了人们可以不假思索的常识,几乎没人再去考证它的正确性。但爱因斯坦告诫我们:“常识是十八岁以前敷设在思想上的一层偏见”,[7] “为了科学,就必须反反复复批判基本概念”。[6]

就让我们用爱因斯坦的治学精神,对相对性原理严格考证一次吧。

哈佛教科书《力学引论》评价:“在古典力学的发展过程中,相对性原理所起的作用不大;爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。”[16]

那么,爱因斯坦凭什么如此抬举相对性原理呢?

§7.1 爱因斯坦精选出来的两个支撑相对性原理的“普遍事实”真的是事实吗?

19世纪后半叶,光速的精确测定为光速的不变性提供了一定的实验依据。同时,麦克斯韦建立了一套能完美描述电磁学基本定律的理论——麦克斯韦方程组,由麦克斯韦方程组可导出真空中电磁波的传播速度c =1/(ε0μ0),其中的ε0μ0均是基本物理常量,都是普适的,因此,c必然也是一个普适常量。

从历史观点看,过去并不知道这个常量c就是光速。但“从数值上看,这个常量c与已测得的光速吻合得相当好,由此麦克斯韦得出这样的结论,光(也)是一种电磁波,c就是光在真空中的传播速度。”[17] “赫兹等人所做的大量实验事实从各方面证实了光确是一种电磁波。”[17] 这就意味着光速亦是一个普适常量

爱因斯坦把“光(在真空中)的速度c是恒定的”称为光的传播定律。[11]

爱因斯坦说:“谁会想到这个简单的定律竟会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢?”[11]

爱因斯坦举例:如果沿着路基发出一道光线,假定车厢以速度v在路轨上行驶,其方向与光线的方向相同,根据经典力学中的速度相加定理,光线相对于车厢的速度将等于c-v,这就出现了光速小于c的情况。这个结果与相对性原理相抵触。“因为,根据相对性原理,真空中光的传播定律,就象所有其他普遍的自然界定律一样,不论以车厢作为参考物体还是以路轨作为参考物体,(光速)都必须是一样的。”[11]

因此,1905年前后,大多数物理学家都认为麦克斯韦方程组和光的传播定律,都与相对性原理严重抵触。

鉴于伽利略大船上那些力学现象的精确度完全无法与电磁学实验相比,麦克斯韦方程组比伽利略相对性原理当然应该更可靠,爱因斯坦说,当时“许多著名的理论物理学家还是比较倾向于舍弃相对性原理。”[11]

而爱因斯坦则力排众议,坚决主张:麦克斯韦方程组和相对性原理两者均应保留,只需要把“伽利略变换”加以修正就可以了,……

爱因斯坦保留相对性原理的理由是:“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支撑。”[11] 这两个普遍事实是指:1)伽利略相对性原理在力学领域是高度有效的2)地球的物理空间是各向同性的

那么,爱因斯坦精选出来的这两个“普遍事实”真的符合事实吗?

7.1.1 伽利略相对性原理在力学领域高度有效吗?

爱因斯坦认为:“必须承认经典力学在相当大的程度上是‘真理’……因此,在力学的领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。一个具有如此广泛的普遍性的原理,在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度,而在另一个领域中居然会无效,这从先验的观点来看是不大可能的。”[11]

很遗憾,爱因斯坦并未给出具体事实,而仅仅是把伽利略相对性原理作为一个先入之见!但是,这个先入之见经不起推敲!

首先,根据爱因斯坦对伽利略相对性原理的权威解读——“假如两个坐标系相对转动,那么力学定律不能在两者之间都有效……假使有两个坐标系,相互作不等速运动,则力学定律不会在两者之中都是有效的。”[2] ——我们可以轻易地发现伽利略相对性原理并不符合事实

请看下面5个事实:

1)力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的,不然,牛顿怎么可能在地球实验室中,归纳、总结出力学定律呢?

2)爱因斯坦指出:“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更象一个惯性系。”[2]

3)在月球上,宇航员们发现力学定律与地球上的一样有效。

4)爱因斯坦指出:对自由落体电梯内的观察者来说,力学定律是有效的。[2]

5)在自由飞行(关掉引擎且无自转)的航天器内,宇航员们也证明了力学定律非常有效。

上述这5个坐标系,相互之间显然都是在“作不等速运动”,然而,力学定律居然在它们之中“都”非常有效

面对如此一堆违反伽利略相对性原理的事实,怎么可以说伽利略相对性原理在力学领域已“达到很高的准确度”呢?!

7.1.2 地球的物理空间是各向同性的吗?

爱因斯坦指出:“由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行,因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢。如果相对性原理是不正确的,我们就应该预料到,地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来,而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关……但是,最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性(即不同方向的物理不等效性)这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。”[11]

爱因斯坦的这段话逻辑非常清晰:如果能找到地球物理空间各向异性的证据,就可以证明相对性原理是不正确的

很不幸,居然被我找到了两个地球物理空间各向异性的铁证:

1)      布拉德雷光行差现象,证明了地球的物理空间是各向异性的

1728年,布拉德雷发现了著名的光行差现象:为了能看到天顶的恒星,不能将望远镜绝对竖直地放置,而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向,向前倾斜20.5’ 角度,望远镜的轴线在一年中将描画出一圆锥。[7]

这当然意味着地球的公转运动方向,与其他方向的性质是相异的。

2)      原子钟环球航行实验,也证明了地球的物理空间是各向异性的

1971年,HafeleKeating……将四只铯原子钟放到飞机上,飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面,然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较,发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了59×10-9秒;而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了273×10-9秒。”[18]

也就是说:向东飞行的原子钟会变慢,而向西飞行的会变快。这个著名的实验当然直接显示了地球的东西两个方向是相异的

面对这两个“各向异性”,爱因斯坦的“十分强有力的论据”难道还能成立吗

真想不到——爱因斯坦用洪荒之力精选出来的两个支撑相对性原理的“普遍事实”,居然统统违反“事实”

相对性原理不仅违反事实,而且,它与牛顿力学也是格格不入的!

§7.2 相对性原理与牛顿力学格格不入

由于“运动的相对性”,牛顿力学在研究运动问题时,必需首先选定一个“假定为静止不动的物体”作为参照物,以判断各物体是处于静止、匀速运动,还是加速运动状态。

然而有些情况下,比如在牛顿水桶实验中,大家都一时无法找到这个“假定为静止不动的物体”。但牛顿坚信这个参照物是是必需的,并把这个参照物称为“绝对处所”,还明确定义:“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。因此,“绝对运动”对于牛顿力学是绝对必需的!否则就无法理解,为什么在伽利略相对性原理已经得到普遍认可的情况下,牛顿仍然要坚定地提出“绝对运动”和“绝对处所”概念。

相对性原理完全否定了“绝对运动”的存在,从而导致牛顿力学对“绝对运动”的需要,被一组平权的惯性系所替代![14] 使得牛顿力学畸变成了绝对时空观与相对时空观的混血儿。

既然相对性原理违反事实,与牛顿力学又格格不入,当然应该舍弃它如此,引力场这个“优越参考系”与“相对性原理”的抵触自然也就不存在了

 

总论

20世纪之前的物理学家基本上都认定宇宙中存在着“以太”,但他们想找到以太的一切努力都失败了!爱因斯坦独辟蹊径,干脆否定了以太的存在,进而创立了狭义相对论。

随着相对论的“节节胜利”,以太终于被主流物理学界彻底抛弃了!

令人欣慰的是,在广义相对论的倒逼下,爱因斯坦终于觉悟了——否认以太的存在,不符合力学的基本事实;依照广义相对论,一个没有以太的空间是不可思议的。

爱因斯坦为复活“以太”所作出的努力取得一定的成果,他已发现:“引力场”同“以太”有直接的关系!可惜,在“相对性原理”这层窗户纸的遮挡下,他无法进一步看清“引力场就是以太”!

其实我们根本不应该迷信相对性原理:1)相对性原理必须在“惯性系”中才能成立,而惯性系却是一个同语反复、循环论证、无法找到的东西;2)爱因斯坦的十分强有力的论据——地球的物理空间是各向同性的——违反了布拉德雷光行差现象和原子钟环球航行实验这两个事实。

一旦捅破了“相对性原理”这层窗户纸——我们并不难寻找到“引力场”就是“以太”

正所谓:众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处!

 

参考文献

[1] 郭奕玲、沈慧君,物理学史[M],第2版,清华大学出版社,2009186135165171196

[2] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化[M],上海科学技术出版社,周肇威 译,1979128113114155156159

[3] 许良英、范岱年编译,爱因斯坦文集(第一卷)[M],商务印书馆,1976124129622166226

[4] 武际可,力学史杂谈[M],高等教育出版社,2009237238

[5] 阎康年,牛顿的科学发现与科学思想[M],湖南教育出版社,1989300418381378

[6] 朱鋐雄,物理学思想概论[M],清华大学出版社,2009161151

[7] R.瑞思尼克,相对论和早期量子论中的基本概念[M],上海科学技术出版社,197826303

[8] A.P.弗伦奇,牛顿力学[M],人民教育出版社,郭敦仁 等译,1978:4450

[9] В.И.雷德尼克,场[M],科学普及出版社,周昌忠译,198150

[10] 林德宏,科学思想史[M],江苏科学技术出版社,2004282

[11] A.爱因斯坦,狭义与广义相对论浅说[M],上海科学技术出版社,杨润殷 译,196410912115171213

[12] 赵凯华、罗蔚茵,力学[M],第二版,高等教育出版社,200485868

[13] 牛顿,自然哲学之数学原理[M],北京大学出版社,王克迪译,200647

[14] 郑永令、贾起民、方小敏,力学[M],第二版,高等教育出版社,200294455

[15] 漆安慎 等,力学[M],第二版,高等教育出版社,200563

[16] D.KLEPPNER 等,力学引论[M],人民教育出版社,宁远源 等译,1980541

[17] 赵凯华、陈熙谋,电磁学[M],第三版,高等教育出版社,2011571572

[18] 张元仲,狭义相对论实验基础[M],科学出版社,199464

 

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