论引力场就是以太也是绝对空间

费邦镜

“以太”是被狭义相对论处死了的传播光的媒质，“绝对空间”则是被爱因斯坦所推崇的马赫原理处死了的牛顿力学的绝对参考系。其实，这是两起有关联的冤案。

一、   给以太招魂

1865年，麦克斯韦成功地得出了真空中的电磁场方程，并指出光本身也是一种电磁波，从此，才有了光传播的真正理论，光的波动理论似乎得到了最终的证明。根据对机械波的经验，人们自然地认为，光既然是波，其传播也一定需要媒质，此媒质大家称其为以太。

我们都坚信，每一个关于运动的陈述都包含着一个物理的参考系，我们只能相对于其他物体来量度位移和速度。而从麦克斯韦方程可解出，光波在真空中沿各个方向的传播速度都为恒量c。那么，这一恒定的速度是相对于何物来测量的呢？其必须要有一个物理的参考系，正如声速是相对于传播声音的媒质而言一样，光速c理应是相对于传播光的以太而言的。

然而，以太在哪儿呢？以太无影无踪，难以捉摸。“光行差”现象表明地球运动不可能拖动以太，迈克尔孙-莫雷实验则确凿地表明地球裹挟着以太一起运动，斐佐流水实验却表明运动介质部分地拖动了以太。这些实验的结论相互矛盾。

面对这些矛盾，爱因斯坦断然否认以太的存在，并以“同时的相对性”作为突破点，以洛伦兹变换为主要工具，创建了狭义相对论。

笔者认为，面对这些矛盾，其实另有出路。我们只要放弃以太的机械属性，假设“引力场就是以太”，上述这些矛盾都将化为乌有。

首先明确一下概念：

甲、             本文所指的引力场是牛顿万有引力所产生的引力场。宇宙空间每一点的引力场都是由全宇宙每一个物体所产生的引力场叠加而成的，宇宙空间各处的引力场强度是不均等的，所以，各处的以太也不是统一的、步调一致的。

乙、             本文把大质量物体周边的引力场称为该物体的本征引力场。本征引力场完全随该大质量物体的质量中心而动。在本征引力场中，该大质量物体所产生的引力场占绝对优势。本征引力场也称为本征以太。

丙、             相对于引力场，质量中心不发生移动的物质运动，不会改变引力场，所以也不会拖动以太。

下面将依据这些概念解释所有的相关实验。

1、迈克尔孙-莫雷实验（Michelson A A，Morley E W，1887）

迈-莫实验是在地球本征引力场内进行的，因为地球轨道运动完全拖动本征以太，不管实验装置如何转动，两个相反方向的光速都是相对于地球本征以太而言的，不出现预期的干涉条纹移动是当然的。

2、斐佐实验（Fizeau H，1859）

斐佐实验中的流水，无论是正向流，还是反向流，都不会改变光路中的引力场，所以，光路中的以太完全没有被流水拖动，“部分拖动”实质上是由于折射介质的运动所致，完全符合按菲涅耳曳引系数所作的推算，与以太并无关系。

3、布拉德雷光行差观测（Bradley J，1727）

斯托克斯把黏性流体运动理论用来解释光行差，“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。”^[1] 但此解释被洛奇转盘实验否定。

在斯托克斯的启发下，笔者用“引力场就是以太”的假设来解释光行差现象：

同太阳的本征引力场相比，地球的本征引力场是微弱的、小范围的，虽然地球完全带动着自己的本征以太，但离开地球不远处，它带动以太的能力已迅速减弱，恒星光线主要是在太阳本征以太中传播的，从宏观上看，就好像地球没有带动以太，只是在太阳本征以太中以30公里/秒的速度穿行一样，（这情形与“点电荷”在电场中的运动有点类似），由此产生了光行差。这一效应，需要地球公转一周（即一年）我们才能观测到。特别需要指出，为什么我们观测到的光行差角不受太阳公转轨道速度（250公里/秒）的影响呢？其实，太阳绕银河系的轴公转，也会产生“光行差”，但是，太阳公转一周约需二亿五千万年，^[2] 我们观察到的恒星光线几乎全年或几十年甚至几百年，都毫无变化地从太阳本征以太中传播过来，所以我们观测到的光行差角不受太阳的轨道运动影响。

4、洛奇转盘实验（Lodge O J，1892）^[3]

洛奇实验中的大钢锯圆盘，无论多重，也无论怎样高速旋转，因为其质量中心并没移动，所以不会带动光路中的引力场，当然不会出现干涉条纹的移动。

同斐佐实验一样，介质的运动，如果没有造成引力场发生变化，则完全不会拖动以太。

至此，一定有人已经看出了问题：既然圆盘旋转不能带动以太，那么，地球自转时其质量中心也几乎没变动，应该也不会带动以太，迈-莫实验就应该测出以太风，而不应该是零结果。目光果然犀利。

其实，迈-莫实验并非真正零结果，“Jaseja等（1964）用氦-氖气体激光器做了迈-莫实验……‘以太漂移’的上限是0.95公里/秒，在所有已完成的迈-莫型的实验中这个上限是最小的。”^[4] 也就是说，迈-莫实验只能否定大于0.95公里/秒的以太风，地球公转的以太风确实能被明确否定。但地球自转的最大线速度（赤道处）只有0.464公里/秒，高纬度的地方，线速度将更小，所以迈-莫实验无法否定地球的自转不产生以太风。

可以预料，如果能设计出更高精度的实验，终将会测出地球自转的以太风。这是“引力场就是以太”的证伪（falsify）预言。^[5]

一定立即有人指出，1972年Cialdea做的两莱塞实验给出的“以太漂移”上限只有0.0009公里/秒，难道不能否定地球自转的以太风吗？这是对实验结果的误解。其实，两莱塞实验只是“观察干涉条纹的周日和周年变化”^[6]，仅仅能证实以太风昼夜变化的差异不大于0.0009公里/秒，而非以太风的绝对值，所以其并不能证伪“引力场就是以太”。还有穆斯堡尔效应等实验，也属同一类型。

综上所述，“引力场就是以太”的假设，能合理且无矛盾地解释所有的相关实验，似乎以太的复活已成定论。

但是，复活了以太，光就有了绝对参考系，光速c就只是相对于静止以太而言的，就意味着麦克斯韦电磁理论只能在以太这个绝对参考系中成立。难道伽利略相对性原理只适用于牛顿力学，而不适用于麦克斯韦电磁理论？难道在麦克斯韦电磁理论中存在绝对参考系，而牛顿力学中不存在绝对参考系？

要解答这些疑问，需要我们重新认识牛顿力学的绝对参考系，即绝对空间。

二、   给牛顿的“绝对空间”招魂

牛顿力学常遭诟病，爱因斯坦说它“好像是筑在沙滩上一样”^[7]，因为“第一定律指出，物体具有保持静止或匀速直线运动状态的惯性，问题是怎样判定‘静止’？怎样判定‘匀速直线运动’？显然，在实际测量过程中离开一个特定的参考系是无法回答这些问题的。”^[8] 但牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出这一特定的参考系，“牛顿完全了解自己理论中的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。”^[9]

（笔者认为，牛顿为这个特定参考系选取了一个特别不好的名称，非常容易让人产生误解，误以为“绝对空间”就是空无一物的虚空。）

“牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动并非易事。不过他还是提出了判据……‘水桶实验’。”^[10] 牛顿认为：“水面呈凹形是由于受到惯性离心力的结果。惯性离心力的出现……与绝对空间有关，惯性离心力产生于水对绝对空间的转动。……通过水桶实验，牛顿论证了绝对空间的存在。”^[11] 然而，绝对空间在哪里呢？谁也不知道。“对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的。”牛顿的绝对空间观点受到贝克莱、马赫等人的批评，马赫认为根本就不存在绝对空间。爱因斯坦则认为，“牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的”，“人们要想给力学以清晰的意义，在当时没有别的办法。”^[12]

如果在当时没有别的办法，那么如今有没有比相对论更好的办法呢？当然有：

既然我们在光学中假设了“引力场就是以太”，解决了那么多矛盾，那么我们不妨进一步在力学中也假设：“引力场就是绝对空间”，引力场就是一个绝对参考系。行得通吗？当然行得通：

有了“引力场就是绝对空间”的假设，牛顿水桶实验中水面凹下的原因当然是水相对于引力场在作绝对运动，惯性离心力当然是产生于水对引力场的转动。

马赫否定牛顿绝对空间的理由是：“产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果，……惯性起源于全宇宙所有物质施加的综合影响。”^[13] 那么，马赫的“全宇宙物质”是通过什么作用于水的呢？难道不就是“引力场”吗？水桶周边的这个引力场难道不就是全宇宙物体所产生的引力场叠加而成的吗？牛顿只不过是一时没找到这个“绝对空间”罢了。马赫与牛顿的观点有什么本质区别呢？当然没有。

我们先前已经看到，引力场让光的传播有了一个可靠的绝对参考系，能对原先各种充满矛盾的光学实验给予圆满的解释。现在，对于水桶实验，引力场又把牛顿的观点同马赫的观点统一起来了，让牛顿力学也有了一个可靠的绝对参考系，再也不是“筑在沙滩上”的学说了。光学和力学居然会很奇妙地拥有同一个绝对参考系——引力场，这真是太和谐了，这就是本理论成立的好兆头。

三、   伽利略相对性原理用错了地方

既然麦克斯韦电磁理论和牛顿力学都有了绝对参考系，就意味着在伽利略大船上会有与地面上不一样的麦克斯韦电磁理论和牛顿力学。地球上各个方向的单向光速将被测出差异，沙涅克（Sagnac）实验就是一个证明。^[14] 伽利略大船上的“跳向船尾也不会比跳向船头来得远”、“水滴将像先前一样滴进下面的罐子”，等等这一系列凭人的感官察觉到的现象都只是近似罢了！

这意味着，伽利略相对性原理既不适用于麦克斯韦电磁理论，也不适用于牛顿力学。

然而，“自然规律对于所有惯性系都是一致的”这一相对性原理的本质思想并没有错，只是伽利略把它用错了地方。（关于这一点，下面还将展开论述）。

既然“惯性定律”有了绝对参考系，“惯性”自然是物体相对于本征引力场而言的，所以，静止于本征引力场的惯性系才是绝对惯性系，一切相对于绝对惯性系作非零匀速直线运动的坐标系都只是近似惯性系，速度越大，偏差也越大。通常认为的“相对于一个惯性系作匀速直线运动的坐标系也都是惯性系”的观点是错误的，那只是低速时的近似。

因地球自转不带动本征引力场，所以固定在地面上的坐标系不是一个严格精确的惯性系。停止了自转的地球才是一个绝对惯性系。

至此，我们借助于“引力场就是绝对参考系”的假设，已经把狭义相对论的两条基本原理统统推翻了。

其实，我们不用借助“引力场就是绝对参考系”这个假设，也能指出狭义相对论的两个致命错误。

四、   不合理的爱因斯坦校钟法

1、爱因斯坦的校钟法将导致光速不变原理永远得不到验证

我们知道：“爱因斯坦光速不变原理中的‘光速’指的是单向光速，即光信号沿任意给定方向的传播速度。”^[15]

虽然光速不变原理是作为公理提出来的，而公理则是逻辑推理无法企及的，但是，这并不意味着公理享有免于“由实验来验证”的权利，^[16] 即使再把“公理”改称为“公设”也好，“约定”也罢，同样都需要接受实验验证。

对于光速不变原理，“可以分以下几个方面进行检验：⑴ 光速是否与光源的运动速度无关；⑵ 各种不同频率的光波的传播速度是否相同；⑶ 光速是否各向同性；等等。”^[17]

其中，为了检验光速是否各向同性，必须直接测定各个方向上单向光速的具体数值。而为了测定单向光速，除了必须确定起点和终点的间隔距离之外，还必须把分别安置在起点和终点的异地时钟校准同步，以确定光走过这段距离的间隔时间。

异地时钟校准同步的方法有很多种，但爱因斯坦只给我们优选了两种校钟方法。一种就是端点校钟法：“当某一时钟Ｕm指着时刻ｔm时，从这只时钟发出光线，在真空中通过距离ｒmn到时钟Ｕn；当光线遇着时钟Ｕn的时刻，使时钟Ｕn对准到时刻ｔn=ｔm +ｒmn/c。”^[18] 注意：这里时钟Ｕn的时刻ｔn竟然是单向光速c的函数，也就是说，为了测定c，却先要用c来进行校钟，而为了要用c来进行校钟，又必须先测定c，这是不能被容忍的逻辑循环。

另一种就是中点校钟法：“我们必须在这两个钟的距离的中点处……观察它们。如果信号是同时发出的，它们也同时到达中点处。假使从中点上所观察到的两个好钟一直指示着相同的时间，那么它们便能很适宜于来指示距离很远的两点上的时间。”^[19] 很显然，这种方法是以光速各向同性为前提的。也就是说，为了检验光速是否各向同性，必须先校钟，而校钟又必须以光速各向同性为前提，这同样是不能被容忍的逻辑循环。

总之，用爱因斯坦校钟法，单向光速是不可测量的，光速各向同性是永远无法验证的。张元仲先生在《狭义相对论实验基础》一书中对此问题作了详尽而令人信服的分析，并有明确的结论：至今“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。因此，通常所说的‘光速不变原理已为实验所证实’是不确切的。”^[20]

对于爱因斯坦校钟法，理应是放弃，但是，苦于找不到速度无限大的瞬时传播的信号，于是大多数人无奈地容忍了爱因斯坦的这种含有逻辑循环的校钟法。

那么，在找不到速度无限大的瞬时传播信号的情况下，是否可以找到不含逻辑循环的校钟方法呢？笔者认为完全可以！

2、 一种比爱因斯坦更合理、更可靠的校钟方法

请看笔者设计的校钟法（以下简称为新校钟法）：如图一所示的惯性系中，A、B为两只异地的同样的好钟，M为AB的中点，KM是AB的中垂线，我们在K处放置一个闪光信号发射器，只要A、B间距不太大，且K距离M足够足够远，那么光线KA和KB就可以近似认为是“平行”的、“同向”的，无论“光速各向同性”与否，它们当然等速，又KA=KB，则从K每次发出的闪光信号都会同时到达钟A和钟B，依此，我们就可以把钟A和钟B校准同步。

其实，如果我们把闪光信号发射器移动到M点进行校钟，就退化为爱因斯坦的中点校钟法，但是，那样就必需再添加“光速各向同性”作为前提。如果光速各向不同性，则爱因斯坦校钟法就不能被采用，而新校钟法却可以调整KM对AB的比值，来满足各种校钟精度的需要。

我们当然也可以用此法把钟B和此惯性系中的另一只好钟C校准同步。且因为A、B同步，B、C同步，所以A、C亦同步！如法炮制，我们可以把此惯性系的每一空间点上的同样的好钟全部校准同步，而无论这些钟相距如何遥远。

显然，新校钟法较之爱因斯坦校钟法，可以省去一个可疑的前提。根据公认的奥卡姆剃刀原则，这个前提就应该被剃去。新校钟法当然更简约，更合理，更可靠。

另一方面，只有采用新校钟法，单向光速才是可测的，光速各向同性才有可能得到验证，难道爱因斯坦校钟法还有被容忍的必要吗？难道不应被否定、被取代吗？

那么，否定了爱因斯坦校钟法意味着什么呢？

3、 否定了爱因斯坦校钟法就意味着否定了爱因斯坦的相对同时性

刘辽先生在《狭义相对论》中指出：“定义两个异地事件的同时性就相当于调整两个异地时钟的同步。”^[21] 现在我们否定了爱因斯坦的校钟法，当然就是否定了爱因斯坦的同时性定义。

既然爱因斯坦的同时性定义在同一惯性系中都无法立足，那么把爱因斯坦这种同时性定义应用到著名的“爱因斯坦火车”思想实验中，对不同惯性系间的同时性进行判断，从而得出“同时性是相对的”这一结论，显然也是不成立的。

我们再来看狭义相对论中另一个致命错误。

五、   爱因斯坦的“不同惯性系之间必然相对作匀速直线运动”观点不成立

爱因斯坦在《物理学的进化》中指出：“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。‘好的’坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系。”^[22] 换言之，如果力学定律在两个坐标系中都有效，那么这两个坐标系就都是惯性系，且必定相互作匀速直线运动。刘辽先生在《狭义相对论》引言中把爱因斯坦的这一观点表述得更直白：“宇宙中可能的惯性系是无限多的，它们之间互相作惯性运动。站在某一个惯性系上观测，另外的惯性系做匀速直线运动。”^[23]

然而很不幸，爱因斯坦的这一观点是经不起检验的，我们完全可以找到相对不作匀速直线运动的惯性系。

首先，根据爱因斯坦“力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系”这一定义，我们可以确定，固定在地球上的坐标系是一个惯性系。毕竟，伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家，正是在地球上，凭借几代人的大量观测和实验，进而提出、完善、总结出力学定律的。更关键的是，在狭义相对论中处于核心地位的，普适于所有惯性系的光速c，也是在地球这个坐标系中测得的。地球当然是一个惯性系。

尽管有实验证明，地球不是一个十分精确的惯性系，但是，“只有在测量精度达到百万分之一时，我们才需要认真考虑与地球连在一起的参照系的加速性质。对于几乎所有的实际目的来说，地球都是一个足够好的惯性参照系。”^[24]

其次，我们知道：“在非常高的精度下，以太阳为原点，三个轴指向三颗恒星的坐标系（恒星参考系）可以看做一个理想的惯性参考系。” ^[25]

但是，地球惯性系是绕着太阳惯性系转动的，相互之间并非匀速直线运动。

我们再看月球是不是一个惯性系。事实上，宇航员们已多次登陆月球，在那里没有出现走、跑、跳不符合牛顿定律的怪事，根据牛顿定律和麦克斯韦方程制造的月球车等机械和各种电子仪器在月球上工作都非常正常，因此，月球应该也是一个已得到了检验的惯性系。

但是，月球惯性系相对地球惯性系肯定也不是在作匀速直线运动。

上述地球和太阳、月球和地球之间的非匀速直线运动关系，都直接否定了爱因斯坦的“不同惯性系之间必然相对作匀速直线运动”的观点。

由地球、太阳、月球都是惯性系，我们推断，宇宙中类似地球的一般天体，如火星、木星、木卫、北极星等等，也都是惯性系。如若不然，则意味着地球是宇宙中优越的天体，然而，地球的这种优越性早在500年之前就被哥白尼剥夺了。地球只是一颗很普通的天体，能在地球上成立的力学定律，更普遍地说是物理学定律，没有理由在其他类似天体上不成立。

笔者认为，对于物理学定律来说，这些天体惯性系才是真正等价的，这才是真正的“相对性原理”本质思想。我们姑且把这一思想叫做“真正相对性原理”。“真正相对性原理”与我们之前所熟悉的伽利略相对性原理和爱因斯坦的狭义相对性原理，是有本质区别的，它不强求惯性系之间必须相互作匀速直线运动。

由于这些天体惯性系之间一般相互不作匀速直线运动，它们之间的坐标变换就不服从洛伦兹变换。黄志询先生在《现代物理学研究新进展》中深刻指出：“狭义相对论认为……不同惯性系之间的坐标变换必须是洛伦兹变换。” ^[26] 既然现在发现不同惯性系之间的坐标变换也有不服从洛伦兹变换的，狭义相对论还能成立吗？

六、   结论

综上所述，狭义相对论的两条基本原理，没有一条是站得住脚的。“引力场就是绝对参考系”这个假设应该可以上升为原理。

由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论都找到了引力场这一绝对参考系，物理学势必将发生一场革命。

 

参考文献

[1] В.И.雷德尼克，场，科学普及出版社，周昌忠译，1981，50。

[2] 倪光炯、李洪芳，近代物理，上海科学技术出版社，1979，24。

[3] 郭奕玲、沈慧君，物理学史（第2版），清华大学出版社，2009，170。

[4] 张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社，1994，28。

[5] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2012，4。

[6] 张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社，1994，24。

[7] A.爱因斯坦、L.英费尔德，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，155。

[8] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，157。

[9] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2012，85。

[10] （同上）

[11] 赵峥，相对论百问，北京师范大学出版社，2010，12。

[12] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2012，86。

[13] （同[11]）

[14] 张操，物理时空理论探讨，上海科学技术文献出版社，2011，104～105。

[15] 张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社，1994，22。

[16] 刘辽、费保俊、张允中，狭义相对论，科学出版社，2008，17。

[17] （同[15]）

[18] A.爱因斯坦，相对论的意义，科学出版社，李灏译，1979，18。

[19] A.爱因斯坦、L.英费尔德，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，132。

[20] 张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社，1994，20。

[21] 刘辽、费保俊、张允中，狭义相对论，科学出版社，2008，25。

[22] A.爱因斯坦、L.英费尔德，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，114。

[23] 刘辽、费保俊、张允中，狭义相对论，科学出版社，2008，引言。

[24] R.瑞思尼克、D.哈里德，物理学，科学出版社，郑永令译，1982，524。

[25] 胡承正、周详、繆灵，理论物理概论，武汉大学出版社，2010，19。

[26] 黄志询，现代物理学研究新进展，国防工业出版社，2011，180。

 

作者：上海金标软件有限公司，费邦镜，发表日期：2013/01/05 

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