中国晴分享 http://blog.sciencenet.cn/u/harmonism

博文

揭开以太的面纱

已有 1400 次阅读 2019-12-18 17:16 |系统分类:科普集锦

“以太”是啥?这个虚构的概念完全起源于西方,它的名字本来叫Ether、Aether,中文翻译为“以太”,是音译的名称。

在古希腊时期,最博学睿智的亚理斯多德认为,物质是由水、火、气、土等元素构成的,此外在高居于天空上层之处还有一种比空气还稀薄的以太。这是最早的以太概念。这跟中国古代认为世上万物都是由金木水火土五种元素构成差不多。可见,古希腊开始人们就把“以太”当成是一种构成物质的实体元素。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

亚理斯多德

最先把“以太”概念引入科学领域的是17世纪的R.笛卡尔。笛卡尔认为,物体之间不存在任何超距作用,所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递。因此,不存在真正的空无所有的真空,所有的空间都必须被以太这种媒介物质所充满。在笛卡尔看来,磁力和月球对潮汐的作用力等人的感官不能感觉到的力,都是依靠以太来传递的。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

笛卡尔

后来,荷兰C.惠更斯和英国R.胡克提出了光的波动说,认为光是一种类似于声波、水波那样的机械振动造成的。声波和水波传播有介质传递振动的力,那么光的传播也需要某种传递力的媒介。由于光能在真空中传播,而笛卡尔认为真空中也存在以太,因此以太自然就成了光传递的媒介了。那是,以太也就称为“发光以太”或“光以太”。 牛顿虽然不同意惠更斯与胡克的光波动学说,但他也像笛卡尔一样反对超距作用并承认以太的存在。因此,以太的观念在17世纪广为流传。

但是到了18世纪,光的粒子说占据上风,波动说被放弃。万有引力被认为是一种超距作用。这样,以太概念似乎就没有必要存在了。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

而到了19世纪,光的波动说又占据了上风,以太的观念又回潮了。由于当时人们都以为光波是一种与水波和声波那样的机械波,因此以太作为一种传递光波的媒介,它就必须是一种能够传递机械力的实体。然而,后来人们发现,光波与声波和水波这些机械波并不一样。水波和声波这些依靠实体媒介的波必然存在纵波,而光波却发现只存在横波。如果光波的传递是依赖于实体媒介以太的话,它应该也存在纵波才对。于是人们对以太的观念产生了疑惑。

19世纪30年代,电磁学发展迅速。随着法拉第电磁感应实验的成功,电磁力线、电场、磁场和力线场的概念相继被提出,逐步放弃了以太观念。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

法拉第

19世纪60年代,J.麦克斯韦提出位移电流的概念,借用以太观念成功地将法拉第的电磁力线表述为一组后来被人们称为“麦克斯韦方程组”的著名数学方程式。在推导过程中,麦克斯韦假设磁感应强度就是以太速度;以太绕磁力线转动形成带电涡元;甚至将他的位移电流概念从绝缘体推广到以太范围。人们将麦克斯韦的以太称为电磁以太。从麦克斯韦方程组中可以导出,电磁振荡的传播速度与已知的光速在实验误差范围内是一致的。麦克斯韦预测光就是一种电磁波,这一伟大的预言后来被赫兹的实验所证实。

这里,人们会感到非常疑惑,法拉第提出了电磁力线、电场、磁场和力线场的概念可以很好地解释电、磁及其彼此感应的作用,根本不需要以太这个媒介,从而放弃了以太观念。而麦克斯韦则恰好利用以太的观念推导出了电磁学最伟大的麦克斯韦方程组,以至于人们对以太观念顽固坚持。实际上,法拉第抛弃的以太观念和麦克斯韦的“电磁以太”完全两码事。法拉第抛弃的以太概念是从笛卡尔以来所继承的传统以太概念,是一种物质实体的以太概念。而麦克斯韦的“电磁以太”不过是一个虚拟的“绝对静止参考系”罢了。只不过借用了传统以太的绝对静止的观念而已。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

麦克斯韦和他的方程组

可能是麦克斯韦本人并没有意识到这一点。他和赫兹等人试图将电磁理论推广到运动物质上,显然失败了。麦克斯韦借用以太的绝对静止空间的观念时,可能不自觉地把以太作为了一种实体的存在,因而才会将它与其它运动物质相混淆。

当然,同样分不清物质实体的以太概念和绝对静止空间参照系的以太观念的人大有人在。著名物理学家洛伦兹对以太的存在始终深信不疑,他在1898年德国杜塞尔夫会议上提交的论文中说:“以太,可称量物质,还可以再加上电,这些都是建筑用的石块,我们用这些材料构成了物质世界。”甚至于到了1907年, 英国物理学家W·汤姆孙在英国科学促进协会数学物理组宣读了一篇关于以太的论文,依然还说以太是一种“富有弹性的、可以压缩的、无重量的固体”。

因为以太是一个具有悠久历史的概念,在其历史长河中,始终赋予了某种物质实体的特质,所以当以太仅仅被当作是一种绝对静止空间参照系时(借用以太绝对静止的特点)也会不自觉地把物质实体的特性赋予其中。

于是,我们可以看到,当时的物理学家们频繁地使用着以太的概念,往往却经常指的不是一个意思。有时候强调以太的绝地静止特性,有时候又赋予以太传递力的作用的物质实体媒介性质。经常地,以太又是两种特性皆具。概念的混淆非常严重。概念同时也出现自相矛盾。比如,以太是绝对静止的,那就要求其没有质量;但它又要能传递力的作用,它就必须是坚固的实体,这样就不可能没有质量。以太到底是一个虚无的绝对静止的空间,还是一个能够传递力的作用的物质实体?许多科学家都摇摆不定,所以,当他们说以太的时候,会根据他们的需要随意使用。这样,以太这个概念就混合了“虚无的绝对静止空间”以及“能够传递力的作用的物质实体”两个互相矛盾却又必须互相结合在一起的两个特性。

法拉第抛弃以太概念的时候,抛弃的是以太的物质实体的特性。麦克斯韦利用以太的时候,利用的是以太的绝对静止空间特性。实际上法拉第与麦克斯韦是不矛盾的。因为法拉第并没有否认绝对静止空间的存在,法拉第只是用他的磁力线、电磁场的概念取代了以太的概念。问题在于麦克斯韦采用以太概念的时候,没有摒弃以太的物质实体涵义,所以才会出现他试图将麦克斯韦方程推广到其他物质运动时遭遇失败。可见,要让法拉第与麦克斯韦完美统一起来,只需要存在电磁场是没有质量的、其运动是相对于绝对静止参考系的运动的事实就可以了。而实际上,正是如此。电磁波本来就是没有质量的,它的运动本来就跟有质量的物质运动不同。有质量的物体是惯性运动,而没有质量的电磁波是非惯性运动,它是相对于绝对静止参考系的绝对运动。伽利略变换下,牛顿定律是协变的,麦克斯韦方程不是协变的,这显然是很正常的。因为麦克斯韦方程本来就是描述电磁波在绝对静止空间中的运动规律,并非描述惯性系中电磁波的运动规律。但是,人们认为这不科学,没有理由在一个惯性系中符合麦克斯韦方程的电磁场在另一个惯性系下就不满足麦克斯韦方程。事实上,这种说法本身就是错误的。麦克斯韦方程本来就是必须在绝对静止参考系中才成立!在惯性参考系中所测量的电磁场物理量只能是近似值。其误差在惯性系运动速度远远小于光速的条件下可以忽略不计而已。当然,这是后话,人们并不了解这一点,包括“天才”爱因斯坦。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

洛伦兹(右)与爱因斯坦

根据麦克斯韦方程,光速是一个绝对运动速度,是一个不变的常数。麦克斯韦认为光速不变是相对于绝对静止的“光以太”参考系而言的。尽管麦克斯韦称这个绝对静止参考系为“光以太”参考系,但人们包括麦克斯韦本人都认为这不过是“以太”的别称罢了。为了验证麦克斯韦方程的正确性,当然就要验证以太是否真的存在。而另一方面,人们也在测量光速,看看光速是否真的不变。当时最有名的测量实验,是迈克尔逊做的。迈克尔逊用转动八面镜法测光速,测出了一个比较精确的数值,得到光速等于299796km/s。虽然得出了一个精确的数值,但仍然不能断定这个数值是恒定不变的。于是他又做了一个非常著名的实验,史称“迈克尔逊-莫雷实验”。该实验的目的就是要给“光速是否不变”以及“以太是否存在”做一个判决。“这个判决性实验”结果当时得出了这样的结论:光速是不变的;以太是不存在的。这其实是一个很奇怪的结论。因为光速不变是麦克斯韦方程的预言,它成立的前提是“以太”存在。而迈克尔逊-莫雷实验得出的结论是“以太”不存在。也就是说,这是一个表面上互相矛盾的结论。但仔细分析一下,这个结论本身是不矛盾的,但却是完完全全地否定了麦克斯韦方程!因为,该实验结论也可以完全解释为光速不变不是相对于绝对静止参考系来说的,而是相对于其他参考系,比如任何惯性参考系而言的。这样一来,在不需要“以太”的情况下,所谓的“光速不变”(即不同于麦克斯韦的光速不变)与“以太”不存在就不矛盾了。这其实是爱因斯坦相对论的“内在逻辑”。

奇怪的是,爱因斯坦也是个奇葩。他否定“以太”存在的同时,却又完全承认麦克斯韦的电磁理论!他不敢否定麦克斯韦的电磁理论,只是觉得麦克斯韦方程在伽利略变换条件下不存在协变性是一个尚未解决的难题。后来,他提出相对论,利用洛伦兹变换居然轻易就给解决了!由于他对麦克斯韦方程坚信不疑,因此对自己利用洛伦兹变换解决麦克斯韦方程的伽利略变换协变性问题感到非常自豪,对自己提出的相对论也是深信不疑。

这是多么的滑稽和讽刺啊!然而绝大多数人,可以说除了包括本人在内的极少数人之外,没有人看得出来。

当然,这还是因为大家对以太的概念模糊不清的缘故,并非因为包括著名物理学家在内的大多数人智商低。

我们暂且不管迈克尔逊-莫雷实验结果的解释存在的问题,我们只看其对“以太”的理解是怎样的。该实验的解释中经常提到的说法是“假设存在以太,那么相对于地球运动就必然存在以太风”。这个“以太风”的说法,显然就是把以太当成了某种实体物质。当然,也有不讲“以太风”的,直接将地球的运动速度(绕太阳公转的线速度)当作地球的绝对运动速度。这种情况实际上就是将太阳系当作绝对静止参考系。那么,如果实验结论是“以太”不存在,就存在两种含义:作为物质实体的“以太风”不存在,以及太阳系绝对静止参考系不存在。第一种含义是否定了“以太”的物质实体。太阳系显然不是绝对静止参考系,这本来就不需要该实验去否定,因此第二种含义实际上是否定了地球相对于太阳系的相对运动,也就是地球相对于太阳系是静止的。显然,第二种说法是不对的,因为地球绕太阳公转是事实。地球看起来是一个静止的惯性系,但实际上是绕太阳高速在运动的,而且本身也存在自转。可见,迈克尔逊-莫雷实验结果的结论顶多是否定了作为物质实体的“以太风”的存在,它并不能否定作为绝对静止空间的“以太”的存在。事实上也是这样,在迈克尔逊-莫雷实验之后,许多物理学家依然坚持以太的观念,认为绝对静止空间是存在的。其中最有名的就是洛伦兹和汤姆逊了,他们在迈克尔逊-莫雷实验之后依旧坚持以太不仅是绝对静止的(构成绝对静止空间)而且还是一种物质实体,是“构成物质的材料”、“无重量的固体”。

非常具有讽刺意味的是,就是这样顽固坚持以太观念的物理学家洛伦兹,在解释迈克尔逊-莫雷实验零结果的时候,在假设存在以太,承认光与地球的运动存在相对运动速度的情况下,推导出了一个荒谬的“洛伦兹因子”,爱因斯坦还居然将它当成宝贝,成为他的相对论的核心内容。洛伦兹变换因子的荒谬,不是因为洛伦兹坚持了以太的观念,而是因为他没有认识到光是没有质量的电磁波,把光的运动当成了惯性运动造成的。洛伦兹此时的以太观念,并非把以太当成某种“固体物质”,而是仅仅将它当成绝对静止的参考系。爱因斯坦简直是奇葩中的奇葩,他一方面否定了以太的存在(包括以太的物质实体以及绝对静止参考系所有含义的以太概念),却又疯狂地把洛伦兹变换因子窃为己有。他根本不管洛伦兹变换因子是在以绝对静止参考系为前提条件下得出的,在其相对论中,却坚持否定绝对静止参考系的存在!他提出自相矛盾的“光速不变原理”,完全是在否定绝对静止参考系、否定麦克斯韦电磁理论的基础上的产物,却大言不惭地认为他的相对论与麦克斯韦电磁理论是一致的。特别是,在利用洛伦兹变换“解决了”麦克斯韦方程在伽利略变换下的非协变性“问题”后,甚至可以感觉到他比麦克斯韦还更加伟大。

以太,这个从古希腊承袭下来的概念,当进入物理学领域后,出现了许多含义模糊的变化。物理学家们将两个以太的主要特性:绝对静止以及传递力的作用归于一体,形成了一个互相矛盾、难以调和的“以太”怪物。由于受到“以太”模糊概念的影响,物理学的发展遭受了重大的挫折。这充分说明,这物理学研究过程中,具备清晰的物理概念是多么的重要!

本人最近提出了“运动实在论”,详细阐述了光的运动规律,充分理清了爱因斯坦相对论中的概念错误与理论谬误。本人从光的最本质的基本规律,即麦克斯韦电磁理论所揭示的光是没有质量的电磁波出发,提出了一种没有以太概念绝对静止参考系——“光迹参照系”。由于光是电磁波,通过电场与磁场的振荡变化自我传递,就像法拉第认为的一样,完全就可以抛弃以太的实体物质概念。而又由于光没有质量,光的运动就不是惯性运动,它只要从光源发出,就与光源的惯性运动毫无关系,它不会因为光源运动的快慢的改变运动速度的大小,也不会改变运动方向。假如光的运动轨迹能够保存并且可见,那么这些光迹就会构成网状的结构,这个网是绝对静止不动的,它所构成的空间就是绝对静止空间。我把这种由光线构成的网状结构所在的参考系叫做“光迹参考系”,代表着绝对静止参考系。这样“光迹参考系”就完全取代了“以太”的概念。再也不会跟以太的实体物质特性相混淆。

揭开“以太”的面纱,露出爱因斯坦相对论丑陋的面目

光迹参考系

由法拉第和麦克斯韦电磁理论推导出的光迹参考系的存在,再一次证明了牛顿绝对时空观的正确性。爱因斯坦的相对论自相矛盾、荒谬可笑,居然号称推翻了牛顿的绝对时空观。他并不是推翻了牛顿的时空观,而是违反了正确的时空观!

从此,以太这个怪物可以说再见了。爱因斯坦及其相对论也可以说再见了。

欢迎有兴趣的朋友进一步阅读:

重磅!中国植物学博士提出“运动实在论”挑战爱因斯坦狭义相对论



http://blog.sciencenet.cn/blog-52021-1210571.html

上一篇:[转载]人类基因编辑应有法可依
下一篇:量子力学傻话(1)

2 杨正瓴 李世晋

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-7-4 15:11

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部