以太与真空

作者：刘文旺

一、光速与以太

在古希腊，“以太”指的是青天或地球上层的大气。而物理学中的以太却是一个不伦不类的怪物。

17世纪的笛卡尔，是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家、物理学家，他最先将以太引入物理学，并赋予它某种特殊的力学性质。例如，在笛卡儿看来，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，这种思想一直影响着之后的科学家们。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

哲学家、物理学家笛卡尔

光的波动说首先由胡克提出，由惠更斯进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初)，人们对波的理解就是某种机械振动在具体介质中的传播，如声音就是声带或其他物体的震动通过空气传播的。为了解决光波的传播问题，惠更斯认为，传播光波的媒介物质就是笛卡尔认为的以太。由于光可在我们认为的真空中传播。因此，这种以太物质应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的传播光的媒介中。

牛顿虽然在光学上提倡射流说（微粒说），反对胡克的光波动学说。但他也借助以太的稀疏和压缩来解释光反射和折射。在万有引力被发现后，牛顿本人不赞成超距作用但又找不到传递万有引力的媒介物，因此，他也借助于以太来解决这一问题。他认为以太传递了物体间的万有引力相互作用、电磁相互作用等。

整个17世纪是发光以太的重要发展时期。

由于牛顿在力学上的巨大贡献，到了18世纪，牛顿的粒子说战胜了波动说。这时的牛顿追随者们从一个极端走向了另一个极端。在否定了波动说后也否定了以太的存在。使万有引力只能被认为是超距作用的。

     其实，在电学方面，很多研究者也都相信以太的存在。W.汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。

历史总是惊人地相似。

     相对论的建立，给爱因斯坦带来了极大的荣誉，但也使爱因斯坦深深地陷入了矛盾之中：一方面，爱因斯坦在狭义相对论中否定了以太的存在；但另一方面，同牛顿一样，若没有类似于以太这样的物质作为传递相互作用的中间物质，拥有质量的天体的引力又是怎样传递的？！为此，在建立广义相对论时又把以太拿了出来，用来描述其引力。当然，后来，他假设所谓的质量的引力相互作用是不存在的，拥有质量的天体是环境中的时空发生弯曲。周围天体不是在其引力作用下产生环绕运动，而是在其产生的弯曲的空间中运动。这尤其改变了观点：一次，爱因斯坦在莱顿大学做了一个“以太与相对论”的报告，想调和相对论和以太的关系。他认为，狭义相对论虽然不需要以太的概念，不等于以太不存在，他甚至说，根据广义相对论，没有以太的空间是无法想像的。由于在广义相对论中，空间是弯曲的，因此，从这个意义上，爱因斯坦所说的“以太”其实是广义相对论中的度规场，并不具有物质性。

我认为爱因斯坦在这里的解释并没有达到目的，反而体现出了其思想的混乱。

我认为这是其错误理论本身所固有的矛盾。狭义相对论排出了以太的存在，但在描述天体之间的相互作用时，有无发解释这种作用是怎样传播的。用弯曲的空间来代替引力的作用，也不能解决这一问题。因为，拥有质量的天体他是怎样把环境的时空弄弯曲的！尤其是，环境中的天体在弯曲的空间中运动，说明空间的弯曲具有刚性。不然，离心力的存在会使空间失去弯曲。因此，天体的质量是空间发生弯曲，必须有力的作用。这又涉及到这种作用是怎样传递的老问题上。

随着科学技术的进步，人们观测天体的手段不断更新。因此不断有新的发现，这些发现有给现有的理论不断带来新的冲击。天文观测发现，星系群众维系星系运动的质量是不足的，一些星系中的星系本身拥有的发光质量也不能满足恒星的运动所需要的引力质量。这些都存在引力质量不足的问题，为此，人们假设这些天体中存在一种暗物质，其不与光发生相互作用，但能产生引力作用；但各种观测实验始终没有结果；1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家基尔希纳等根据两个研究小组通过观察Ia型超新星—种罕见的恒星爆炸的现象，能够释放出数量巨大的，持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。超新星的光度的不足发现，宇宙发生大爆炸后，膨胀速度并没有在自身引力作用下减速反而在增加。科学家们猜测，我们所处的宇宙中可能存在一种未知的物质，科学家称之为“暗能量”， 这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制 。至此，“暗物质”、暗能量成为宇宙学和物理学中最大的谜团。天文观测信息如下：

20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。

1930年初，瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，扎维奇的结果许多人并不相信。

1932年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇最早提出证据并推断暗物质的存在。弗里兹·扎维奇观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。

这样，又有人把以太这种物质抬了出来，用来解释这些现象。还有人把爱因斯坦广义相对论中的宇宙项搬了出来。

     真缺乏或者说没有创新意识！

     由于爱因斯坦认为宇宙是出于稳恒状态的，因此，爱因斯坦的宇宙项是为了平衡人们发现的引力而引入的。因为他发现，若只有引力宇宙不会处于稳恒状态。因此，认为促进宇宙加速膨胀的是宇宙项，与爱因斯坦的初衷是不相容的。尤其是，宇宙项所描述的产生斥力的物质基础是什么？

     没有进水的大脑是不会这样糊涂的！

暗能量

科学界对以太的否定过于草率。

1：罗默测定光速。罗默从木蚀现象得出光速有限，并计算出光速。由于历史原因，没有具体公式演算过程。然而演算过程还原，必须使用绝对时空观，承认地球的运动与光的运动符合伽利略变换，即光速可变才能推导得出。

2：双波源拍频实验。双波源拍频实验是测量单程光速的实验，该实验衍生出来的思想实验证明了从优参考系存在，光速可变。

3：量子纠缠现象。一种超距离现象。量子纠缠是指在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和“影响”对方的状态。来自格里菲斯大学的霍华德·威丝曼教授和东京大学进行合作，通过一系列研究得出结论证明爱因斯坦关于“量子纠缠”现象理论可能是错误的。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但由于超光速运动与其狭义相对论矛盾，因此，不愿意接受这一现象，除非放弃狭义相对论。

     这些事实好像都指向一种物质的存在——以太。

二、以太的困惑

以太的引入暂时解释了一些现象，但同时也带来了概念上的混乱，产生的问题比解决的问题还多。

我们继续分析。

以太的假设与传统的牛顿的时空观有关，牛顿认为时间和空间是绝对的、不变的。电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系来加以描述。

这就与当时的麦克斯韦理论产生了矛盾。

根据麦克斯韦方程组，电磁波的传播不存在一个“绝对静止”的参照系，因为该方程里两个参数都是无方向的标量（在物理学中把只有大小没有方向的物理量叫标量。如质量就是一种标量，它的大小与方向无关），所以在任何参照系里光速都是不应该发生变化的。具有积极意义的是，根据麦克斯韦方程组，可以推出电磁场的扰动以波的形式传播——光波，并且电磁波在空气中的速度接近每秒30万公里。这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里，在实验误差范围内是一致的。他认为 “光就是产生的电磁现象在光媒质(指以太)的横振动”。后来，物理学家赫兹，用实验方法直接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确定的地位，而且电磁以太同光以太也统一了起来。

但故事并没有因此结束。

在弹性媒质中的波动应该有两种形式：横波——振动方向与传播方向垂直的波；纵波——振动方向与传播方向一致的波，声波就是一种纵波，但实验却表明只有横波形式的光波，不存在纵波形式的光波，如何消除以太的纵波、以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件等问题，就成为这一时期各种以太模型之间长期争论的难题。

而且，为了适应光学的需要，人们对以太假设一些异乎寻常的属性。尤其是由于对不同的光频率，同种介质拥有不同的折射率，光速因此不同，于是以太对光的作用对于不同频率的光波也是不同的。这样，每种频率的光，拥有自己不同的以太性质等，这是不可能的。而且，为了适应光学的需要，人们对以太假设一些异乎寻常的属性。尤其是由于对不同的光频率，同种介质拥有不同的折射率，光速因此不同，于是以太对光的作用对于不同频率的光波也是不同的。这样，每种频率的光，拥有自己不同的以太性质等，这是不可能的。尤其是，当我们进入到真空中时，这些对应不同频率的以太的作用有神奇消失了。在真空中，不同频率的光又拥有相同的光速。

为什么在介质中不同频率的光子拥有自己不同的以太，而在介质中这些不同的以太不在真空中起作用那？

是介质改变了以太的性质吗？可以这样想象。这是因为，同样频率的光子，在不同的介质中拥有不同的光速，这好像是在说，不同的介质，对不同频率的光子的特定以太的作用是不同的，从而造成同样频率的光子，在介质中拥有不同的光速。

但是，现有的电磁理论没有给这种想法提供展示能力的舞台。现代理论的解释是，入射光子与介质的轨道电子发生相互作用，很好地解释了介质中光子的运动速度。这尤其体现在，介质对不同频率光子的选择吸收上。

对此，在后面有很好的分析。

这样，为描述光的传播而引入的以太成为了一个烫手的山芋、乏味的鸡肋。为此人们努力做实验检验以太的性质。试图把它们统一起来，结果这种努力没有成功。

此外，为了解决在以太中的光速问题。科学家们做了大量的实验工作。

最初，是我们熟知的物理学家伽利略在两个山头之间进行试验。他和一个朋友各拿一盏灯，分别站在两个山头上，当见到对方的灯光后立即打开自己的灯，使对方见到自己的灯光，并记下光在两座山之间传播的时间，用距离除以时间就得到了最初的光速。但这种测量结果之间差别很大，没有得到确定的光速数值。随着科学技术的进步，测量手段不断更新，测量的数值越来越趋于现代值。其中，较为成功的有法国的科学家菲索、佛科等。随后，菲索还测量了光线在运动的水中的运动速度，结果又发现了新的问题：沿水运动方向，光的运动速度增加；而在水运动的反方向，光的运动速度减少。针对这一现象，当时的科学家认为运动的物体会拖曳以太，从而影响光的传播速度。但是，这一事实，又与布拉特莱由光行差实验得出的，以太不会被拖曳的事实相矛盾。

物理学之父—伽利略

这又引起了人们对以太是否会被运动的物体所拖动进行了争论。

1881年，迈克尔逊利用光的干涉实验，来测量地球的运动是否会拖曳地球周围的“以太”。他的器材是两个互相垂直的真空管，实验时让一个与地球的运动的方向平行，另一个与地球的运动方向垂直。若地球的运动真的拖曳了地球周围的“以太”，则会使得沿两个方向传播的光的光速发生变化，这样到达屏上的光就会发生叠加，产生明暗相间的干涉条纹。之后，再把两个真空管旋转90⁰，观察旋转前后干涉条纹的变化就能得出地球的自转，是否拖曳了地球环境中的“以太”。结果显示，在实验误差范围内地球的自转完全拖曳了地球环境中的“以太”。后来，迈克尔逊又联合莫雷在改进了的实验仪器后，于1887年重复了上述实验，结果还是一样。这实际上证明了光速具有某种不变性，即真空中光速与参照系的相对速度无关。而光行差现象的存在，又鲜明地说明光速与观测者的运动有关。这一矛盾如何解释？

物理学家迈克尔逊（他不相信光速不变，认为是地球的自转完全拖曳了以太。）

此时的物理学界真是乱象丛生。科学家们也是手忙脚乱，对各种现象应接不暇，思维和现象都陷入了混乱之中。

三、以太与真空

1、对光速不变的解释

（1）、光速问题与多普勒效应本质。

光子在穿过介质时会与介质中的轨道电子发生相互作用，从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω₀的关系是：

     n²=1+4πNe²/m（ω₀²-ω²-iγω），

     M-M实验、菲索实验的再分析。

a、介质在容器中做匀速运动，是热运动与定向运动的叠加。从整体上看，沿介质运动方向原子或分子速度大能量高，反方向速度小能量低；从微观上看，轨道电子会环绕原子核做椭圆运动——如下图所示。沿介质运动方向，虽然原子核的力场拖曳电子使其能量减小，但碰撞加速使其总ω₀增大，带入上式则折射率减小，光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的紫移现象；沿介质运动的反方向，原子核力场反向拖曳电子使其能量减小，且碰撞减速使其总ω₀减小，从而折射率增加，光速减小。此时辐射光子频率略小于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的红移现象。

 

这就是光子的多普勒效应的本质、及菲索实验产生的原因。在这里我们实现了多普勒效应与介质中光速的变化现象的统一。

b、介质被封闭在容器中且没有外力场存在，由于彼此间的碰撞及与容器壁的碰撞，最终会达到热力学平衡态。这时介质中的各原子或分子的速度、能量、动量分布具有各向同性。轨道电子能量具有各向同性，因此，介质拥有与容器的运动方向无关的折射率、光速。在M-M试验中，用不同介质、不同真空度有不同的结果就证明了这一点。

在M-M实验中，真空管中稀薄的气体处于近似热力学平衡态，所以没有明显的光速变化。

可作实验验证：

实验：在M-M实验中的真空管内注满任何一种介质，再测其中的光速，仍会得到光速不变现象。

其实，这只是一个十字形的容器而已，结果显然不变。实验室中测量介质的折射率与地球运动无关，就已经证明了这一点。

（2）、光速的参照物

由麦克斯韦方程组可以推出光子的运动速度，但没有给出这一运动速度的参照物，借助上面的分析，我们给出光速的参照物：

光速的参照物就是传播光的介质本身。

当介质运动时光速是可变的，既有介质折射率的变化也有速度叠加造成的速度变化。光速的变化满足经典速度叠加原理。当我们相对于这个介质运动时，光速是可变的，光性差现象证明了这一点。

     这就又产生了一个问题，按现有理论光是借助于以太传播的，这必然体现光与作为载体的以太之间存在相互作用。由前面的分可知，在介质中不同频率的光子，有不同的以太，不同频率的光子与以太的作用应该是不同的，从而使不同频率的光子有不同的运动速度。完全一样地，因此，在真空中不同频率的光子，也应该存在不同以太，从而在真空中应该有不同的运动速度。而事实是，在真空中不同频率的光子拥有相同的运动速度。

     正是因为不同频率的光子在真空中拥有相同的运动速度，才使得从宇宙中天体发出的不同频率（从而不同颜色）光，能同时到达我们地球，是我们见到白色的光（确切地说，不同温度的恒星拥有不同的颜色，因此会见到与其温度有关的不同颜色的），而没有见到因不同频率的光先后到达我们的眼睛，而是我们看到一条彩色的光带。

     以太理论怎样解释这一事实？

     尤其是，在自然界中存在大量的不传播光的物质。以太这种物质为什么不进入到这种不传播光的物质中那？

这也是现有的以太理论所不能解释的。

     在粒子物理中，也能看到以太的身影。

     1956年，李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆地断言，“θ-Γ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。

吴健雄在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

吴健雄

     为此，杨振宁和李政道荣获了诺贝尔奖。在随后的分析中，一般认为，造成宇称不守恒的原因是由于真空的作用。在量子力学中，真空并不空，含有大量的正反粒子对。

     我认为这是一种借口，是对客观存在事实不能给出解释。而提出的一种假设。真空中含有大量的正反粒子对与光子的相互转化过程，若是真空与实验室中的粒子发生相互作用，则这种相互作用对正反粒子应该是平等的，除非真空本身具有不对称性，从而造成，正反粒子中总是某一粒子的寿命少于另一个粒子。在粒子物理中，一般用“自发破缺”的概念来描述，在粒子反应中出现的对称性消失现象。实在找不到产生这种现象的原因，就找到了真空，有理论家认为真空中有物质，有的认为真空中的以太造成这一现象。其实即便是真空造成的，这种正反粒子的不对称性也应该具有随机性，而此不是事实。

为什么不从其理论本身去寻找原因那？在粒子理论中，计算出现发散现象，就会用重正化方法加以解释，就是把电子的电荷按指数函数展开，去掉使计算出现发散的部分。这就产生一个问题，这样做的理论依据依据是什么。

实际上，我认为这体现的是其理论本身的错误性。

     完全类似地，在粒子的标准模型中，不知道为什么粒子拥有质量。一般认为西格斯粒子通过西格斯机制使例子拥有质量。即西格斯粒子与实验室中产生的例子发生相互作用，而使粒子拥有质量。这就产生了两个问题：这种作用对于正反粒子为什么不是均等的，而使正反粒子拥有不同的质量。如电子的质量是反电子的1.002倍？而且总是电子的质量大于反电子的质量，为什么会这样？正反μ粒子的电荷为什么不相等？

     我们知道，相互作用是距离的函数，正反粒子与西格斯粒子（假设存在的的话）的相互作用的机会是相等的。由于粒子同西格斯粒子的相互作用也是随机的，大小也是不同的。因此，不可能是粒子拥有的质量总是相等的数值，并且，正反粒子的质量差、寿命差、电荷差等拥有不变的数值。

     尤其是，由于真空的作用，是正反粒子对拥有不等的质量与电荷，这就产生了一个问题，为什么在发生正反粒子对的湮灭的过程中，正反粒子对为什么能实现100%的湮灭？不等的电荷、不等的质量是怎样消失的？

     中性K介子有长寿命K介子，和短寿命K介子两种状态，分别对应衰变为3个π介子，和两个π介子（两个π⁰或一对正反π介子）两种衰变过程。寿命分别为（5.17±0.04）*10^-8s和（0.8962±0.0012）*10^-10s。这就产生了一个问题真空为什么总是使两种不同衰变形式的正反粒子的寿命不同，并且拥有确定的寿命？

从上面的分析可知，从真空中不同频率的光子，拥有相同的光速。可知，传播光子的以太是不存在的。此外，对粒子物理中粒子寿命、衰变反应的分析可知，粒子的寿命等的不同，不能证明以太的存在。粒子物理中的矛盾，反应了自身的不完备性，与是否存在以太无关。

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