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《第一章》以太的性质与运动-以太的复活

以太是一个古老的概念,最初是由古希腊哲学家亚里士多德设想的一种“最纯洁”的元素。1644年法国的笛卡儿首先把以太概念引入科学,提出了“以太漩涡说”,并认为以太是一种看不见、摸不着的物质。以太是否存在?科学界已经争论了三百多年,在科学的历史上,从来没有一个问题争论得如此激烈,参与争论的人数如此之多,争论的时间如此之长,而且直到现在还在争论之中,因为我们现在的科技水平还无法控制以太,还不能对以太进行测量。

1.1. 以太的历史

回顾长达300多年的波粒之战,主要争论的是:光是什么?

关于颜色属性的导火索点燃了第一场波粒大战的战火,1660 年,胡克发表了他的光波动理论,他认为光是在以太介质中传播的波。惠更斯在 1690 年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说,建立了著名的惠更斯原理。1807 年,著名的科学家托马斯·杨在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验,杨氏的实验结果证明了惠更斯早年提出的光波动理论。但是,当时牛顿是科学界的权威,科学界对于微粒说深信不疑,对于双缝实验结果予以否认,对实验得出来的结论无情地封杀,并称之“荒谬绝伦”。

然而,在菲涅尔原理提出之后,特别是泊松斑的发现及傅科(水中光速测定)和赫兹的实验,则直接推翻了牛顿的微粒说,获得了第二次

波粒大战的胜利,因此,19世纪的大多数物理学家相信以太的存在,19世纪末,以太论进入极盛时期。

为什么科学界对以太又否定了呢?

事情还要从光行差说起,1728年,布喇德雷对天龙座γ星进行了一年的观测,在一年内,恒星围绕它的平均位置走出一个小椭圆,得到的结论是:以太相对于恒星静止,或者说以太完全不被地球所拖曳。所以,人们不得不接受太阳系就是对应于以太静止的参考系,地球在这个以太海洋中以30km/s的速度运行,完全没有带动以太,只有这样才能很好地解释光行差现象——光的有限速度和地球沿着绕太阳的轨道运动引起的恒星位置的视移位。

在当时,人们认为光的传播介质就是以太,由此产生了一个新的问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必然会遇到每秒30公里的以太风,同时,它也会对光的传播产生影响,这个问题的产生,引起人们去探讨以太风存在与否。如果存在以太,则当地球穿过以太绕太阳公转时,在以太运动的方向上测量的光速,应该大于在垂直方向上测量的光速。

时间到了1888年,迈克尔逊-莫雷为了证明以太的存在,在美国克利夫兰用干涉仪测量两垂直光的光速差值,但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,不但没有证明以太的存在反而否定了以太的存在。

以太是波动学说的基础,波动理论需要以太这个使者提供合法性依据:以太充满太空,看不见,摸不着,但它必须相当坚硬以承载高速的光波,而又非常轻盈不致妨碍任何星体的运动。以太的怪异特性受到了敌对势力的攻击,也遭到了波动阵营的嫌弃。

1905年,爱因斯坦提出了光电效应理论,1923年,康普顿发现的康普顿效应,1924年,德布罗意提出了“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象。直到 1927 年,戴维孙和革末在观察镍单晶表面对能量为100 电子伏的电子束进行散射时,发现了散射束强度随空间分布的不连续性。与此同时,汤姆孙用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时,也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了德布罗意提出的电子具有波动性的设想,从而证实了一切物质都具有波粒二象性,微粒说与波动说实现了融合。

在狭义相对论确立以后,以太被大多数物理学家们彻底抛弃了,除迈克尔逊-莫雷实验外,还有一个重要的因素就是:光是横波,但横波不能在流体中传播。从此,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。量子力学的建立更加强化这种观点,因为人们发现物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。

随着广义相对论的建立,爱因斯坦又捡回了曾经被他批得犹如垃圾的以太。对引力场赋予物质属性是爱因斯坦在研究统一场的过程中所构想的,在爱因斯坦晚年的时空观念中:引力场是空间的本体,空间内则充满着均匀的以太,电磁波在均匀的以太中以恒定的光速传播。为此,爱因斯坦还明确指出“依照广义相对论,空间已经被赋予物质性质,因此,在这种意义上说,存在着一种以太”。随着量子场论的深入研究和发展,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。

1.2. 否定以太后存在的问题

以太被否定了,但光是什么的问题还是没有解决。学界主流认为电磁波是一种特殊的自持波,能够在无介质环境中传播。但是,找不到就说不需要,就编造所谓特殊性、自持波,如此有悖于波的特性和波产生的两个必要条件的解释,显然不能让人信服。一百多年来,仍有不少人一直试图用以太对光作出解释,但却找不到科学证据,终难自圆其说。

光不可能既是波又是粒子,只能是其中的一种,微粒说与波动说不可能真正融合,波粒二象性只是否定以太后的无奈之举。以太被否定后,出现了更多的问题,没有介质还是波吗?如果没有以太,光又是如何传播呢?主流认为光不是机械波,而是电磁波,光的传播不需要介质,依靠的是:变化的电场可以产生变化的磁场,变化的磁场又可以产生变化的电场,电磁波就是通过电场与磁场互相转变,从而自持传播,换句话说,电磁场本身就是光波的媒介。此后,光的波动说在电磁场教义的加持下获得了法统地位,大有雄踞天下、江山永固之势。但是,变化的电场能产生磁场吗?最先否定变化电场产生磁场的是Rosser,Gv W .(Does the displacement current in empty space produce a magnetic field?[J]. Am.j.phys, 1976, 44(12):1221-1223.),北京大学物理系的赵凯华教授在《位移电流不激发磁场简例》(《大学物理》2001年 第6期)中,直接否定了变化的电场产生磁场。苏景顺,谢革英在《似稳条件下位移电流不激发磁场的证明及其例证》(河北建筑工程学院学报, 2007, 25(4):3)中,从理论上证明了变化的电场不能产生磁场。类似的文章还有很多,例如朱久运(关于位移电流激发的磁场,大学物理,1983,2(11):9-12)、李元勋(真空中的“位移电流”和传导电流以同样规律激发磁场吗?大学物理,1995,14(4):14~17)、江俊勤(充电圆平行板电容器的电磁场分布,大学物理, 2016, 35(2):6)等教授都是这个观点。如果变化的电场不能产生磁场,电磁波又是什么呢?

以太被否定之后,电场和磁场成为了光的介质,但是,电场是什么?磁场又是什么?电磁场本来是具有某种属性的空间,却变成了即不是分子也不是原子的特殊物质,可是,这种特殊的物质是什么,谁也不知道。如果这种物质存在,它就是变相的“以太”,也必将充满宇宙空间。

否定以太后,光的产生也成了问题,最流行的理论是电子跃迁发射光子理论,该理论认为:光是由电子从高能量状态跃迁到低能量状态时,所失去的能量转化为光子。但是,电子是如何跃迁的?电子的能量是如何转化为光子的?光子的速度是如何获得的?光子是什么?一系列的疑问却没有答案。

否定以太后,光的速度也成了问题。如果光的传播不依靠介质,是解释不了光子是如何发射的、如何达到光速的,也无法解释光通过透明物体后光的速度是如何重新变快的。波的传播速度取决于介质,与波源无关,不管波动频率和初始能量有多大,只要介质的性质不发生变化,波速就是恒定的。如果没有介质,光在传播过程中没有任何速度恒定机制的存在,而光的发射过程也没有任何速度恒定机制,因此,没有介质的光速不可能恒定。

我们知道,光的速度与真空介电常数和真空磁导率有关,但是,光速为什么与二者有关?它们具有什么样的物理意义?

另外,对于以太的否定并没有充分的理由,迈克尔逊-莫雷实验只能说明地球表面的以太与地球不存在相对运动,否定以太的存在是没有道理的。

总之,否定以太后,一切都成为了未知,谁也不能回答文中提出的任何问题。

1.3. 以太的复活

如果承认以太的存在,上述所有的问题都可以回答,也可以解释许多的物理现象,并且很多的物理现象也可以说明以太的存在。

1.3.1. 为什么光具有波粒二象性?

波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人困惑的问题之一,至今没有解决。虽然波粒二象性是一个共识,但对同一事物,波动说和粒子说仍然使用各自的解释,而且两套理论并行,在粒子说无法解释时就采用波动说,波动说无法解释时就采用粒子说。光是波没人怀疑,但光怎么可能还是粒子呢?如果引入以太,这个问题就很容易回答。

光电效应能够证明光是粒子吗?爱因斯坦对光电效应的解释虽然获得了诺贝尔奖,但却是不完整的,因为他没有说明光子是什么,而且爱因斯坦的解释并不是粒子说的解释,本质上仍然是波动说的解释,是基于波动力学的波长和频率,只是将电磁波由连续的辐射改为非连续的辐射。

如果说光是粒子,超声波也是粒子,因为超声波能够切割、清洗、打孔、焊接、手术等,将高能超声波聚焦,能量足以震碎石块,波具有粒子性,是因为介质是由粒子组成的。光电效应可以用超声波清洗的原理作类比:超声波在介质的传播过程中,存在一个正负压强的交变周期,在正压时,超声波对介质分子挤压,使介质的密度增大,在负压时,介质的密度减小。当超声波的频率达到一定值时,介质粒子的振动会超过介质的临界距离,从而形成微泡。这些微泡迅速胀大和闭合,会使微粒之间发生猛烈的撞击作用,这种由超声波作用在介质中所引起的效应称为空化作用。超声波清洗就是利用空泡溃灭产生的冲击波,象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面,使物件的表面的污垢迅速剥落,从而达到物件表面净化的目的。光电效应中,光波的作用相当于超声波,电子相当于物件表面的污垢,这样的类比可能不一定恰当,但说明了光电效应并不能证明光是粒子。光电效应中被激发出的电子的运动方向,用爱因斯坦的理论并不能完美地解释,而用超声波清洗原理却能得到很好的解释,电子是被“振”出来的,而不是被“撞”出来的,光与超声波的性质是一样的。

波粒二象性是第三次波粒大战后,双方妥协的产物,是波动派无法描述以太的性质,与粒子派签订的停战协议。由于以太的怪异特点,波动派最终也放弃了以太,而放弃以太的结果就是承认光是粒子。我们知道,波是振动在介质中的传播,不存在没有介质的波,没有介质就不是波,放弃以太后,光还是波吗?

如果承认以太的存在,波具有粒子性是必然的,可以说,光具有粒子性,但光不是粒子,没有人知道光子是什么,包括光子的提出者,因为光子同声子一样,并不是真正的粒子。

1.3.2. 物质波是什么?

现代科技已经证明:微观粒子运动的同时也会产生振动。根据德布罗意公式:(p= mv=h/λ ,λ=v/f)可知:微观粒子的振动频率f=mv2/h,但运动的微观粒子为什么产生振动?没有人回答这个问题。本文认为这是粒子与以太相互作用的结果,这种现象可以从物体在空气中的运动作为比较:当一根木棍在空气中挥舞时,我们不但能听到木棍运动的声音,也能感觉到木棍本身的振动。任何在空气中运动的物体都会导致空气的波动,也会导致物体本身的振动,如飞机接近音速时,就会产生强烈的振荡。因此,完全可以把德布罗意波解释为粒子在以太中运动所产生的共振。如果微观粒子在“空无一物”的真空中运动,粒子只能是匀速直线运动,是不可能产生振动的。

玻恩认为:物质波与经典的机械波不一样,它是几率波,但德布罗意、薛定谔和爱因斯坦都不同意玻恩的观点,直到今天,物理学家们还在争论波函数的物理意义。如果承认以太的存在,物质波就是微观粒子在以太中的波动,其波动频率为f=mv2/h。宏观物体在空气中运动时也会产生波动(但波动的频率与物体的形状有关,当形状确定时,与动能有关,也可表示为f=kmv2,其中k是常数)。当宏观物体在空气中运动时,空气中的涡流一左一右地脱落,使物体的横向速度发生周期性的变化。例如,旗帜与空气存在相对运动时,旗面总是呈现为波浪形,旗帜迎风飘扬,指的就是旗帜的波动。在汉语中有一个成语“听风辨器”,其中的“风”指的就是物体在空气中运动所产生的声音。

因此,物质波可以定义为:粒子在以太中运动时,与以太流体相互作用所产生的横向波动,其波动频率为f=mv2/h。如果空间中不存在以太,粒子的运动不可能存在波动,物质波也就无从谈起。因此,物质波的存在也是以太存在的一个证明。

1.3.3. 光障

在任何介质中,当物体的速度超过波传播的速度时,都会产生激波并对物体产生巨大的阻力。当物体的速度在空气中超过音速时,将会发出巨大声响的音爆,并可能在物体周围形成音爆云,这种声波能量相当强大,当超音速飞机低空飞行时,甚至能够震碎地表建筑物的玻璃。为什么会产生音障?物体只要在空气中运动,就会受到空气阻力影响,飞行器在空气中运动时会引起周围空气的振动形成声波,声波是连续不断扩散的。当飞行器的运动速度接近音速时,声波来不及扩散,空气被压缩、密度升高,形成一堵无形的“气墙”阻碍飞行器的运动,还会使飞行器产生剧烈的抖动甚至失控,这便是音障,这里的“气墙”其实就是空气受压缩后累积形成的激波。在水中,如果粒子的速度超过光在水中的传播速度,也可以产生一种激波。例如,如果电子以大于3/4 C的速度穿过水,水中就会出现圆锥形的蓝色闪光,这蓝色闪光始终位于电子的前方附近,就像飞行器超过音障时制造圆锥形冲击波一样(这种现象称为切伦科夫辐射)。

在真空中,当粒子的速度接近光速时,也会产生激波并伴随着很大的阻力。如果没有以太,又是什么使粒子的速度超不过光速呢?因此,光障的存在也是以太存在的最直接证明。

但是,主流认为音障与光障的原理并不相同,根据相对论,当有静止质量的物体的运动速度越来越接近光速时,它的质量也会变得越来越大,这被称之为质增效应。根据质能方程,能量和质量是物体同一属性的不同度量方式,物体的动能增加,质量也会跟着增加。如果物体的运动速度达到光速,那么它的质量将会变得无穷大。因此,物体的运动速度永远也不可能达到光速,真空中的光速是宇宙间物体运动速度的极限。可是,物体的质量是什么?为什么会随着速度的增加而增加?谁也说不清楚,谁又能断定粒子的质量随着速度的增加而增加的原因与以太无关呢?

1.3.4. 为什么以太不影响星体运动?

以太是流体,与空气一样,具有一定的黏度,但系数很小。以太粒子的质量比电子小1亿多倍,而且不带电,因此,以太可以存在于任何宏观物体之中。根据斐索实验可以知道:物体能够对其内部的以太部分拖曳,拖曳的程度与物体的折射率有关。物体对于外部以太的拖曳包括表面拖曳和引力拖曳,物体的表面很难对以太拖曳(英国物理学家洛奇所做的钢盘转动实验),但引力拖曳不同,它可以大范围地拖曳以太。

地球对以太的拖曳包括内部和引力拖曳,在地球表面,由于空气也是地球的一部分,以太被空气拖曳,在空气的长期拖曳下,以太与空气同步。在地球的外部,由于引力的作用,地球轨道上的以太跟随地球运动,并且与地球同步绕太阳运动,在长期的轨道运动作用下,整个轨道上的以太都与地球保持同步绕太阳运行,就像一根棍子搅动一盆水,当水与棍子同步时,水对棍子的阻力就很小了,这就是以太不影响星体轨道运动的原因,也是迈克尔逊实验失败的原因。

但是,以太并不是对所有的星体运行都不影响,对于小质量的高速物体,以太会有一定的阻碍作用(因为引力太小),例如,在地球上空400公里的空间站,以太就会产生阻力,因此必须定期提升轨道,在此轨道上,部分阻力来自以太(主流认为全部是大气的阻力)。对于非轨道运行的物体,也会产生阻力,例如,旅行者1号和旅行者2号两个姊妹探测器,于1977年发射,现在已经飞行了40余年,飞行距离也超过了200亿公里,然而其所遭遇的阻力却不减反增,其原因是:距太阳较近时,引力和辐射压力起主导作用,但距太阳很远时,以太的阻力起主导作用。可以预测:旅行者1号和旅行者2号两个探测器在以太的阻碍下,永远飞不出太阳系。

1.3.5. 光行差现象

在地球上观测遥远的天体时,由于地球绕太阳公转,星光与地球公转方向存在一定夹角时,所观测到的天体视向与真实方向间存在一定的角度差异,这就是光行差,其本质是由于光速有限以及光源与观察者存在相对运动造成的。

1728年,布喇德雷对天龙座γ星进行了一年的观测,但所得到的结论并不正确:第一,观察的时间太短,没有观察到长期光行差,以太相对于恒星并不是静止的;第二,在地球上的观察并不能说明地球表面的以太完全不被地球所拖曳。

实际上,我们只是在大气层内观察星光,星光距地球又很远,而且只有地球附近的以太才与地球一起运动,随地球一起运动的以太与地球和星体的距离相比完全可以忽略不计,因此,我们并不能说地球表面的以太也是以30km/s的速度相对于地球运动,在第三章中将会详细说明以太的运动情况。现在我们知道,光行差不是只有周年光行差,还有周日光行差、长期光行差,其原因也是随太阳一起运动的以太与星体的距离相比同样可以忽略不计。

因此,光行差现象并不能说明以太相对于恒星静止或以太完全不被地球所拖曳,迈克尔逊-莫雷实验也就失去了理论基础。

1.3.6. 暗物质是什么?

最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦,他于1922年提出可以通过星体系统的运动,间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。1933年,天体物理学家兹威基利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度,他发现星系团中星系的速度弥散度太高,仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内,因此星系团中应该存在大量的暗物质,其质量为可见星系的至少一百倍。一百年过去了,科学界仍然对暗物质一无所知,究竟暗物质是什么?如果承认以太的存在,暗物质可以定义为:由于以太密度的分布不匀,而产生的附加质量。

下面以地球和空气为例说明附加质量是如何产生的(忽略地球的自转)。

在地球上,空气的密度可表示为以太的复活,其中,ρ0表示地球表面的空气密度,G是引力常数,M是地球质量,m是气体粒子的质量,k是玻尔兹曼常数,T是气体的绝对温度,r0是地球的半径,r是到球心的距离。由于空气密度不均所产生的附加质量可表示为以太的复活,其中 L = r0  + h(h为距地球表面的高度),也就是说,当我们计算地球的引力时,需要加上空气的附加质量。例如,当h= 1000米时,由于可以忽略温度的变化,空气的密度与高度的关系可简化为以太的复活,附加质量也可以简化为以太的复活,取ρ0= 1.29 kg/m3r0= 6.4×106 m,可以算出md= 2.5×1016 kg ,而厚度为1公里的空气质量约为= 5.1×1017 kg。之所以存在附加质量,就是因为空气的密度不均衡,如果空气的密度是均匀的,附加质量就不存在。当h超过100公里时,可以认为附加质量就是所有空气的质量。现在我们知道空气的存在,但如果否定空气的存在,它就是暗物质。

由于以太是流体,它的密度分布与附近的星体质量密切相关,大质量的星体附近的以太密度高,远处的密度低,当我们计算这个星体产生的万有引力时,必须把由于以太密度不均产生的附加质量计算在内,这个附加质量就是暗物质。

可见,暗物质并不是物质,只是以太粒子参与了引力作用,如果以太密度是均匀的,引力各向同性,就没有附加质量。另外,引力透镜现象也有可能是由于以太的密度不均引起的(光线在同一种、不同密度的介质中传播时会发生折射)。如果不承认以太的存在,或许我们永远无法弄清楚暗物质是什么。

1.3.7. 光的偏振现象

我们定义质点的振动方向与传播方向相互垂直的波称为横波,相互平行的波称为纵波,质点的振动方向与传播方向既不垂直也不平行的波是什么?教科书中并没有定义,本文称为偏振波。教科书中所举的横波例子是绳波,但是,在自然界中可能没有真正的横波(否则教科书中也不会用绳子这种与波没有关系的物体来说明横波),也就是说,质点的振动方向不可能完全与传播方向垂直。我们常见的横波是水面波,它的质点运动轨迹呈螺旋状,因此它属于偏振波。

光是横波吗?光的偏振现象是证明光是横波的唯一证据(电磁波的极化原理与此相同)。我们知道:电磁波的极化方式只与发射天线的形状有关,与传播过程无关。例如,偶极子天线,所产生的电磁波的极化方向一定与天线平行,而螺旋状天线所产生的电磁波就是圆极化的。在自由电子激光器中,所产生的偏振光也只与电子的运动状态有关,其中的电子是以类似于正弦波的方式运动,它发出的光就是线偏振的,而且偏振方向与电子的运动平面相平行。

可见,偏振波是由波源的横向运动引起的,与波的传播无关。声波产生时,如果波源没有横向运动,就表现出纵波的性质,但如果存在横向运动就表现出横波的性质。例如:一只喇叭发音的同时作匀速圆周运动,这个喇叭所发出的声音就是圆偏振波,如果喇叭作上下振动,所发出的声音就是线偏振波。因此,电磁波虽然具有横波的表象,但本质上与水面波一样是偏振波,如果存在一个没有横向运动的发光源,光波也一定不会偏振,波是纵或是偏振的关键是波源,与传播介质无关。

声波是纵波,人们普遍认为声波不可能存在偏振,但是,在2019年,来自美国加州大学伯克利分校、美国佐治亚理工学院以及中国同济大学的合作研究团队发现并通过实验观测证明:在垂直相干的声波中,每束声波贡献了局域速度场中的一个垂直分量,当局域速度场的两个垂直分量相位相差90度时,该声波的偏振发生旋转,从而导致了声波的自旋,因此,空气中传播的声波也存在偏振现象。

河南民间有一种运动叫“响鞭”,在甩起鞭子时,力量会顺着发力的方向,传递到鞭子的末梢,当鞭子的末梢达到一定的速度并突然改变方向时,鞭梢就会发出响亮的声音,这种声音就是线偏振波,偏振方向与鞭梢的运动平面平行。在发声时,鞭梢的急动度(加速度对时间的导数)很大,发声方向为物体运动的切线方向,产生声音的鞭梢在纵向运动的同时,存在横向运动,导致了声音在传播截面上的振动相位不同(纵波是同相的),从而使传播介质发生旋转。偏振波与纵波在流体中的传播原理是一样的,都是压强的传播,只是介质中的质点运动方式不同。在纵波中,质点在平衡位置沿传播方向振动,而偏振波中的质点没有平衡位置,而且是螺旋状运动。

因此,可以说:光既不是横波,也不是纵波,而是在以太中传播的偏振波。

1.4. 以太被抛弃的原因分析

1.4.1. 以太功能的扩大化

以太只是一种流体,它具有流体的所有特点,与空气具有几乎完全相同的物理性质。但在以太的历史上,以太被赋予许多不存在的性能:

  1. 以太与电磁场

以太与空气一样,是一种中性流体,怎么可能与电磁场有关呢?麦克斯韦为了把电磁场理论由介质推广到空间,假设在空间存在一种动力学以太,它有一定的密度,具有能量和动量:它的动能体现磁的性质,势能体现电的性质,它的动量是电磁最基本的量,表示电磁场的运动性质和传力的特征。麦克斯韦借用以太这个观念将法拉第的科学研究用一组数学公式来表达,这就是麦式方程组!他在1855年的论文中,把磁感应强度B比做以太的速度,后来他接受了汤姆逊的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。

1888年,赫兹通过实验,验证了电磁波的存在,但当他用麦克斯韦理论描述电磁波现象时,发现将以太引入,计算非常繁琐复杂,若去掉以太,计算起来会简单许多。

  1. 以太与力

如果说空气是力的媒介,不会有人相信,以太与空气具有相同的性质,为什么人们会相信以太是力的传递介质呢?笛卡尔最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质,提出了“以太漩涡学说”,用来解释太阳系中各行星的运动。在他看来,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。并以这种假说来解释天体间的相互作用。牛顿也像笛卡儿一样反对超距作用并承认以太的存在,但牛顿在《原理》第二编中澄清了旋涡假设与天体运动无关。

将引力场与以太视为统一存在的还有晚年的爱因斯坦。

  1. 以太与参考系

没有人用空气作为参考系,因为它是流体,但却认为以太是绝对参考系,岂不是怪事!19世纪末,很多科学家相信以太是绝对静止的,并把以太选作绝对静止的参考系,凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动,以区别于对其他参考系的相对运动。迈克耳逊的实验就是建立在以太绝对参考系之上的。但这个假定是错误的,导致了截然不同的科学结论。

以太只是光波的载体,与电、磁、力及参考系无关。在以太理论的发展过程中,我们给以太赋予了太多的性能,当实验证明以太并没有这些性能后,就连以太的存在也否定了。

1.4.2. 用场代替以太

第一个提出“场”这个概念的科学家是法拉第,随后麦克斯韦也沿用了这个概念,现代理论认为场就是物质,但19世纪的科学家并不认为场是物质,它仅是为了方便计算而提出的一种虚拟概念,或者说就是一种方便人们理解超距作用的物理图像,本质上就是一种描述超距作用物理工具,例如,描述两个距离遥远的质量,可以在不需要任何的交流、沟通、媒介、传导、时间,瞬时产生相互作用的现象。

场不可能是物质,例如,假设磁场是一种物质,由于磁场是由运动的电荷产生的,当一个电子静止时,磁场就不存在,也就是说物质消失了,但只要电子运动,就存在磁场,而且在一个参考系中磁场可以不存在,但在另一个参考系中,磁场是可以存在的,这是什么物质呢?难道物质与参考系还有关系吗?

我们不知道电场、磁场、引力场是什么物质,更不知道暗物质是什么,但现代物理理论中承认这几种物质的存在,而对于作为光媒介的以太却持否定态度。我们不知道电磁场是什么,但却把电磁场当作光的媒介,确实是一个奇闻。

在现代理论中,除把场当作物质外,还假设场以光速传播,但场是如何传播的,原理是什么?谁也说不清楚。场与波具有完全不同的性质,场是具有某种物理性质的空间,在这个空间中具有力的作用,而波是介质的振动,二者是风马牛不相及。场本来是描述超距作用的工具,用场描述波没有任何道理。

1.4.3. 对偏振波的曲解

1887年,光的波动说就在物理学中确立了它的地位,不过以太论也遇到一些问题:若光波为横波则以太应为有弹性的固体媒质,但对为何天体运行其中会不受阻力的问题,有人提出了一种解释:以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体;另外弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波是各种以太模型长期争论的难题。

实际上,光不是横波而是偏振波(介质作椭圆运动)。波是纵是偏振只与波源有关,而与介质无关。偏振的声波完全能在在空气中传播,只是在宏观世界里偏振的声波源并不常见,而在微观世界里,偏振的光波源却普遍存在,偏振的光波也完全能够在状态为气体的以太中传播。

有一位知乎网友SiCo发表了题目为《物理之美——终极理论的序章——基于以太的电磁波模型》的文章,他在文中写到:“当我看到这个基于以太的模型的时候,一下子被震撼到了。这解释了我若干天以来对电磁波的若干困惑:电磁波的形状,电磁波怎么传输,磁场和电场到底什么关系,电磁波为什么没有能量耗散,电磁波的方向,所有的问题,被这个模型一下子就解决了。这个基于以太的电磁波模型,实在是太美了!这就是物理的美,甚至胜过数学的美!用一个形象驱动,远胜过用一堆算式去推导”(这个模型的网址是https://www.zhihu.com/zvideo/ 1314654672141819904)。

1.5. 以太的实验验证

目前,还没有任何的实验证明以太的存在,随着科技的发展,现代科技已经有条件证明。

1.5.1. 空间站中的迈克尔逊实验

在地球的表面,迈克尔逊实验的零结果可以证明以太与地球同步运动,并不能否定以太的存在。现在,中国已有了自己的空间站,完全有能力验证以太的存在。在空间站内部,由于存在拖曳效应,估计以太相对于空间站的速度大于6 km/s,应该能够测量出以太的运动方向。

1.5.2. 高精度时间频率传递实验

潘建伟团队已经实现了的百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验,时间传递稳定度达到飞秒量级,频率传递万秒稳定度优于4×10-19。因此,现代技术已经能够支持以太的验证,具体方法是在高铁上进行这种实验。例如:如果高铁的速度为80 m/s,由于火车部分拖曳以太,估计车箱的以太相对速度约为60 m/s,当光的传播方向与火车的前进方向一致时,光波在空气中的传播速为V-60 m/s(V是相对以太静止时的传播速度),如果车箱的长度为25米,可以计算出:火车运动时,光传播所需要的时间比静止时多1.67×10-14 s,如果光的传播方向与火车的前进方向相反,则传播时间少1.67×10-14 s,在实验的精度以内。

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