光的传播真的不需要媒质吗？
——对“突破声障与突破光障的比较研究”一文的补充

黄志洵
（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）

拙作“突破声障与突破光障的比较研究”一文公布后，收到杨文麟研究员转来的一份意见，认为“声波需要可压缩介质才能传播，而光波不需要介质就能传播”。这位学术界的朋友认为这是一个本质的区别，方程的类似不能推演出物理机制的类似。笔者认为对此意见应当重视，经思考后写出这个comment，既作为对拙作的补充，也是提出自己的回复。下面分几方面进行论述，我们的讨论就从“以太”开始。

1  光传播中的以太说
    直到19世纪中叶，人们都认为没有“不要媒质也能传送的波动”。因此，既然光是波动，而且能在真空中传播（由太阳光可射到地球而证明），那么一定有一种光媒质存在。它可以是看不见的，但一定弥漫于宇宙之中，物理学家称之为ether(以太)。因此从19世纪初，经过19世纪中期乃至后期，科学界都把研究以太作为大事来对待。为此贡献力量的不仅有Fresnel，而且还有Fizeau、Lorentz、Maxwell、Michelson等人，他们或提出理论，或进行实验测量。一般认为以太是绝对静止的，而地球相对以太的速度就是地球绕太阳公转速度。这个相对速度的测量会很困难，但并非不可能。
    在参考了地球绕日公转速度后，人们得出下述看法，即光顺以太和逆以太运动时速度应不相同（确切说将有2.15×10-4的差异）。但是，后来的Michelson-Morley实验却发现不了。A.Michelson(1852-1931)是美国物理学家，早年曾从事光速测量研究，后来转到研究以太是否存在。1881年的实验，Michelson没有发现以太存在。1885年起，他与E.Morley合作研究；1887年7月，2人联合做的极为精确的实验再次否定了以太存在。
    科学史家的研究证明，Michelson似乎对以太有某种偏爱；这就与流行的说法（他为了否定以太而做实验）大相径庭。实际上，1907年他获得Nobel奖主要是因为他发明了构造巧妙、十分精密的干涉仪。1926年-1928年间，70多岁的Michelson再次努力以实验寻找以太漂移，仍以否定告终。但是，他从未宣布过他放弃了以太。他对狭义相对论(SR)也持有一定程度的保留。联系到著名物理学家J.Bell(1928-1990)在去世前的说法（“不同意Einstein的世界观”，“想回到以太观念上来”），现在绝不能认为有关的研究已经完结和完满，只是今天它不叫以太而可叫做新以太。
2  如何理解新以太论
SR时空观与Galilei、Newton以及Lorentz时空观的根本区别在于SR时空观的相对性。我们知道，现有的推导Lorentz变换（LT）的方法有多种；而写入大学教材的推导方式常常有个前提——不同参考系测得的光速相同。或者说，LT是由相对性原理和光速不变原理导出的，由此出现了尺缩、时延现象。1904年的Lorentz信奉以太论和绝对参考系，在此信念下导出的LT被SR继承和应用，而SR却不承认绝对参考系。
    近年来国内外多位科学家提出存在优先参考系(prefered frame)，即认为有绝对坐标系的形成。故Lorentz-Poincarè时空观重新受到重视，亦出现了进一步的理论。多年前科学刊物《New Scientist》所报道的“以太论高调复出”，提醒我们不宜完全抛弃SR出现之前的科学成果。如果说现在有向Galilei、Newton、Lorentz回归的倾向，那也是在现代条件下的高层次回归，而不是简单的倒退回去。
    Lorentz物理思想重新受到重视是有原因的。1977年Smoot等报告说，已测到地球相对于微波背景辐射(CMB)的速度为390km/s；因而物理学大师P.Dirac说，从某种意义上讲Lorentz正确而Einstein是错的。美国物理学家T.Flandern于1997年—1998年间发表引力传播速度(the speed of gravity)为v≥(109~2×1010) ，同时他声称用Lorentz相对论(Lorentzian relativity)就能解释这些结果，而SR在超光速引力速度面前却无能为力。
    关于存在绝对坐标系（亦即优先的参考系）的见解已是大量存在；这与1965年发现微波背景辐射有关，也与1982年法国物理学家A.Aspect完成的量子力学(QM)实验有关。大家知道自1935年Einstein发表EPR论文之后，对新生的QM究竟如何看待引起很大争论。1965年提出著名的不等式的J.Bell在1985年说，Bell不等式是分析EPR推论的产物，而Aspect实验证明了Einstein的世界观站不住脚。这时提问者说，Bell不等式以客观实在性和局域性（不可分性）为前提，后者表示没有超光速传递的信号。在Aspect实验成功后，必须抛弃二者之一，该怎么办呢？这时Bell说，这是一种进退两难的处境，最简单的办法是回到Einstein之前，即回到Lorentz和Poincarè，他们认为存在的以太是一种特惠的（优先的）参照系。可以想象这种参照系存在，在其中事物可以比光快。有许多问题，通过设想存在以太可容易地解决。在发表了这些惊人的观点后，Bell重复说：“我想回到以太概念，因为EPR中有这种启示，即景象背后有某种东西比光快。实际上，给量子理论造成重重困难的正是Einstein的相对论”。Bell的上述言论是他在1985年向英国广播公司(BBC)发表的。几年后，中国学者谭暑生提出了标准时空论，该理论的两个假设之一就是存在一个绝对参考系（也叫标准惯性系），这个以太绝对参考系就是真空背景场。物理学家艾小白也强调真空作为介质（新以太）的重要性，认为物理实在概念包括场、粒子、真空三种。
    2007年《New Scientist》以“以太理论高调复出，取代暗物质”为题作了报道，说G.Starkman和T.Zlosnik等正以新的方式推动用以太解释“暗物质”，后者的提出是由于银河系似乎包含比可见物质多很多的质量。他们认为以太是一个场，而不是一种物质。以太会形成一个绝对坐标系，从而与SR发生矛盾。

3  什么是“新以太”
    如果我们认为Lorentz坚持以太论正确，而今天又不能简单地回到19世纪的思想，就必须回答一个问题：什么是新以太？旧以太（经典物理中的以太）被认为是绝对静止的，这个MM实验的前提并不恰当，“未发现绝对静止的以太”和“不存在以太”不是一回事；新以太应当能够担起绝对参考系的重任。
    目前对“新以太”主要有3个选项：真空、引力场、微波背景辐射；我们认为把新以太定为真空最合适。不久前笔者发表了“Casimir效应与量子真空”一文，强调只有从量子理论出发，才能深刻认识真空——实际上真空的本质就是量子的。在这个条件下，真空中光速C失去恒值性，它也不是速度的上限。作为新以太的真空在物理学中越发显示其重要性。
    “真空是没有物质的全空的空间”，是经典物理中的老旧说法。其实我们永远不能确定一个空间中是否真是“空”的，即使有人先行对它用真空泵抽到了工程书籍上所谓的“超高真空”。这是因为那里有大量不断产生又不断湮灭的光子，虽仅为短暂出现，但虚光子和普通光子一样可以产生物理作用。证据一直有，例如2011年西班牙科学家发现在已实现工程真空的环境中的旋转体（直径100nm的石墨粒子）会减速，表示真空也有摩擦。环境温度越高虚光子越多，减速作用就越显著。
    现代物理学认为客观世界由各种量子场系统组成，亦即量子场是物质的基本存在形式。粒子的产生表示量子场激发，粒子的消失表示量子场退激。量子场系统能量最低的状态（基态）就是真空，它是没有任何粒子的情况。这种状态可以称之为“物理真空”(physical vacuum state)。它与“狄拉克真空”(vacuum of Dirac)一致，后者指负能级全部填满的最低能量状态。
量子场论(QFT)认为真空态下的备量子场仍在运动，即基态时各模式仍在振荡，叫真空零点振荡。真空中不断有虚粒子产生、消失和互相转化，原因就在于各量子场之间的相互作用，2013年3月25日美国“每日科学”网站报道说，法国、德国科学家各自提出了研究成果将发表在欧洲物理学杂志上，内容是说光速是真实的特性常数，而量子理论认为真空并非空无一物，而是忽隐忽现的粒子。这导致光速C不是固定不变，而是有起伏的值。因此在今天物理学家开始有了正确认识。
    然而当考虑粒子与真空的相互作用时，就出现了所谓真空极化的物理现象；例如荷正电粒子会吸引真空中的虚电子，排斥真空中的虚的正电子。这样一来，虚粒子云的电荷分布方式就会被改变。这种情况与经典物理中的电介质极化有些类似。

4  进一步的讨论
以上我们是把真空看成一种特殊的介质（媒质），这个观点已被某些国外文献的独特研究所验证。把真空当作媒质，那么就可以研究它的折射率。1990年K.Scharnhorst发表论文“双金属板之间的真空中光传播”。所分析的是Casimir效应结构——两块靠得很近的金属平板；这是把一定的边界条件强加到光子真空涨落上。

文献
[1] Michelson A. Morley E. On the relative motion of the earth and the luminiferous ether[J]. Am, Jour, Sci., 1887, 34: 333~345.
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[8] Einstein A, Podolsky B, Rosen N. Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete[J]. Phys. Rev., 1935, 47: 777~780.
[9] Brown J, Davies P. 原子中的幽灵[M]. 易必洁译，长沙：湖南科学技术出版社．1992.
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[11] Aspect A, Grangier P, Roger G. The experimental tests of realistic local theories via Bell’s theorem[J]. Phys. Rev. Lett., 1981, 47: 460~465.
[12] 黄志洵. Casimir效应与量子真空[J]. 前沿科学，2017, 11(2)：4~21.
[13] Scharnhorst K. On propagation of light in the vacuum between plates[J]. Phys. Lett. B, 1990, 236(3): 354~359.又见：Barton G, Scharnhorst K. QED between parallel mirrors: light signals faster than light or amplified by the vacuum[J]. Phys. A: Math Gen, 1993, 26: 2037~2046.


附： 杨新铁教授的意见
   过去也有人有类似的提法。他们说光速是每秒30万公里，而声音的速度只是每秒340米，是两个本质上完全不相同的东西，不能混为一谈。

   我们说两个波动方程数学模型一样，特别是它们的无量纲形式一模一样的时候，意味着什么？实际就意味着本质的规律是一模一样的。那么我们把真空电磁波传播的波动方程和声波传播的波动方程都写成无量纲形式，就是这种一模一样的情况，在这种情况下，速度的大小已经缺乏本质上的意义了。

  在遇到麦克尔荪莫雷实验以后，洛伦兹拿出了新的假设方程，其无量纲形式也是和可压缩流的声学的小扰动方程一模一样的。我们凭什么说光在真空里面传播就不需要介质了呢？

  狄拉克说真空不空，是负离子的海洋。既然能够这样说，那么我们为什么不赋予它一个性质，真空为什么就不能有压缩性？真空为什么就不能有流动性？真空为什么就不能够有动量、能量、质量的守恒？……特别是真空为什么不能有状态方程类似的模型？

    现在形形色色的研究暗物质的人，把流体所有的方程都拿出来了，唯独不敢拿出状态方程。为什么？我也追着问过这些专家们，他们也说不出道理来。我的研究体会是。加上了状态方程。自然就引入了可压缩性作用。实际就起到了相对论的作用！

   所以加上了相对论，就不能够加状态方程，如果还引入状态方程，等于尺缩变换要加两次了。因此我们看到很多科学家弄了个假状态方程来满足他们的完美性，这个很容易做到，只要在某项指数上放一个0，那么指数就会使得方程就不起作用了，物理大师们做的这种手脚，我们这些愚蠢的新手们至今还还很难有人能够弄明白。