空间的介质问题之一
                                ——以太的合理观念

志勰

本文主要针对空间介质问题对场的作用模式进行的分析,并对传统物理学中的关于场间的作用模式提出疑问,本文提出了量子论在处理物质间作用上的局限性。(包含对量子论的部分分析)


     通常认为,以太的观念是来源于电磁理论中关于电磁波传递的物质基础。这样一种描述并不是很合理的。一个世纪以前的麦克斯韦先生有一段关于能量传递的描述,它很合理的说明了这个以太设定的原因:

     “如果某种东西是越过一段距离而从一个质点传到另一个质点的,它在已经离开一个质点而尚未到达别的质点时的状况是怎样的呢?如果这种东西向在诺依曼理论中那样是两个质点的时能,我们应该怎样把这种能量想象为存在于一个既不和某一个也不和另外的质点相重合的空间点上呢?事实上,每当能量在时间中从一个物体被传送到另一个物体时,就必然有一种媒质或物质,而能量在离开一个物体以后和到达其它物体之前就是存在于这种媒质或物体中的,因为,正如托里拆利所指出的那样,能量‘是本性上如此稀薄的一种原质,它不能被容纳于除物体的最内在的物质以外的任何容器中。'由此可见,所有的这些理论都引向一种媒质的观念,而传播就是在那种媒质中进行的;而且我认为,如果我们采纳这种媒质作为一种假说,它就应该在我们的探索中占据一种突出的地位,而且我们就应该努力构造一种关于它的作用的一切细节的思想表象,二者一直是我在这部著作中的目标。”

       《电磁通论》(下)  [英]杰。克。麦克斯韦 著    戈革译   P560-561   武汉出版社

     您可以看到,实际上以太概念的引入实际上并不仅仅是电磁理论的物质传递基础的需要,实际上,在空间中两个具有一定距离的不同位置点之间的某种作用的传递都需要某种物质作为相互作用传播机理的。如果我们否认这种物质的存在,那么在空间中两个点之间的作用将不能进行传递。

相对论中以太的合理观念

    实际上,爱因斯坦所创建的相对论也没有否认以太介质的存在,不过相对论中所承认的以太的属性确是不能让人满意的。我这里仍然引入相对论观念的原文:

    “在光的电磁理论中,以太这种实物已是一种外来的因素。近来,爱因斯坦引申了以太这个观念,它不应在认为是一种实物,只不过是跟真空相联系的那些物理量的总和。根据这一广泛的涵义,以太自然可以存在;但是必须记住,它不具有任何力学的性质。换句话说,真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”

                 《相对论》[澳]W.泡利   著    凌德洪   周万生  译    上海科学技术出版社  p6

      在处理一种空间对作用的传递形式过程中,如果我们确认真空在这种作用传递过程中存在确定的物理量,那么必然有这种物理量被承载的对象,绝对真空是不能作为这种对象的,因为绝对真空的概念是什么也没有,自然也不会存在某种物理量了。那么对于物理量的判定,只有一种可能,那就是这种物理量是属于这种空间中传递的作用的本身的。这样的看法我想大家都不会接受,既然空间是绝对的真空,那么这种作用的物理量自然也是绝对的没有了。这和现实中的是矛盾的。

      因此,在否定掉以太作为实物的概念之后,相对论和量子力学对空间中两个质点之间作用的传递进行了调整。这种调整从物理的涵义上来说虽然不能让人满意,但作为一种物理逻辑来说,仍具有一定的意义。

   相对论是通过广义相对论进行调节的。主要的途径是通过时间、空间和物质三个基本物理量对物理世界的描述体系进行定位,建立这种形式描述系统。时间和空间同物质之间的关系通过等效原理(惯性质量和引力质量是等效的,可以通过时间和空间同物质加速过程中的关系)建立联系。当然,这也依赖于一个广泛基础上的认识,这就是赋予数理关系以合理的物理涵义,那么这样的数理体系就具有了描述物理世界的功能。这样,广义相对论通过赋予时间、空间和物质的量以质的属性。三者就变成一个描述物质运动的整体的一个系统。我们在采用相对论的方法去谈论关于空间中两个质点之间作用传递的时候,在采用的数理概念上已经具备了时间、空间和物质三者的基本概念,当然,这种概念是建立的数理描述基础上的形式描述。得到这一观念的依据是相对论对真空物理属性的定义。“真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”

  在相对论的这种形式描述中,将空间中两个质点之间的作用传递赋予相对论的描述系统,而只赋予真空具有与之相联系的物理量,但不具有任何力学的性质。将传递空间中两个质点之间作用的属性化归到形式描述之中,以太的观念在这里仍然是必须的。但这样的定义,在作用的本身上,已经将相对论的描述系统和它描述的物理本身隔离开来。在这个意义上来说,说相对论是一种物理理论,还不如说相对论是一种关于物理的形式描述理论更合理一些。

    我们在谈到相对论对空间中两点之间作用的传递这种属于物质间相互作用的基础上,表现出相对论对此的描述和定义方法是非常不能让人满意的,这种不满意主要来自于相对论作为一种物理理论而赋予的一种非物理的内涵,将涉及到的物质运动的最初原因——作用归到形式定义系统。这主要是相对论在处理物理描述系统的结构关系时所采用的定义系统——时空的定义

    在相对论中的时间,是作为一种独立的概念反映在时间的属性上,这种概念和牛顿力学中是没有区别的。它是单独的一个物理量t作为时间的属性,并且在物质运动变化上是独立的。虽然相对论在不同的惯性参照系中定义了不同的时间单位(这种时间单位反应在不同惯性参照系中的时间关系),但这种定义并不改变时间本身的属性,并作为一个基本的物理量。

    空间,在相对论中,空间的概念也是一种独立的单位并具有独立的属性。对不同惯性参照系中的空间进行的处理,和对时间的处理是相同的方法。以前我认为相对论赋予不同参照系的空间的作用环境是不同的,(如在时间和空间的逻辑结构——时间的问题中所表现出的看法,但现在看来,这样的看法是证据不够的。关于这个问题,主要是从电磁现象中得出的结论,比如:相同惯性参照系中的带电粒子,它们之间只有静电作用力,而没有磁的作用力,但在不同惯性参照系中静止的粒子,除了电荷本身的电的作用之外,还存在磁场的作用。各个惯性参照系具有等效性这样的一个事实无疑是正确的。另一方面,在对相对论的分析中,相对论和牛顿力学两种描述体系具有等效性。(可参见狭义相对论原理的阐释)。在相对论中,空间也是一种独立的概念,这种概念的属性和牛顿力学里的空间属性也是区别不大的。它们之间的区别在于牛顿力学的空间是绝对的真空。相对论除此之外赋予——“真空中的物理量是没有空间坐标和速度与之联系的。”两者都没有具体而实际的内容。尽管在相对论中赋予不同惯性参照系的空间是不同的,最简单的说法——空间收缩。但两种空间的属性在一个独立概念来说是没什么区别的。

    这里需要说明的是牛顿力学中的关于真空中两点之间作用的传递并没有提及,甚至很难找到相关的脉络。但很显然,牛顿力学中的这部分内容是需要补充的,或者作为牛顿力学本身所具有的局限性来看待。

   尽管相对论将物理量的属性赋予真空,相对论赋予空间两点之间作用传递的的观念中仍然离不开以太的观念,电磁理论中以太概念所承担的物质间相互作用的属性这样就移植到真空的身上,这样在相对论中,在物质作用的属性上,真空的属性已经伴随着物理量的赋值和以太融为一体。这种融合是一种作用属性的融合。我们可以看到,在相对论中以太概念的作用也是必须的,尽管忽略了实体的定义,仅定义某种与真空相联系的属性。

量子物理中以太的合理观念

      量子力学对空间中两个质点之间作用传递的调节方法同相对论的方法存在着质的不同,这主要是两种理论所面对的物理对象和处理物理事件的方法是不同的。由于本文不是讨论的量子理论的结构,而主要是针对于量子理论中对空间中的两个质点间的作用过程进行描述的观念问题,由于量子理论关于物质间作用的理论都在一个叫做量子场论的理论里,但是这一理论确是以量子论的描述方法作为描述的规则。因此在这里,我们必须先来看一些关于量子论相关的部分内容。

   1、起源于数学基础的量子观念

    我们先浏览一下量子物理诞生的几个关键过程,以及它们对量子力学的意义。

    量子论的起源有广泛的历史背景,但作为描述目标,确是主要围绕对光谱的规律和微观原子结构描述产生的。

    19世纪中叶,人们确定了原子光谱是线光谱,每一条谱线对应一个确定的波长。1885年瑞士的物理学家巴耳末发现了以他自己名字命名的氢原子的线光谱的经验公式——巴耳末公式:

    ytdhlgn.gif (1039 字节)

    其中B为常数,等于3645.6ytdhlgn-1.gif (859 字节),n为整数。这一采用数学对氢原子光谱进行合理描述的方法为量子观念的诞生奠定了萌芽的基础

   1900年,普朗克先生针对瑞利-琼斯公式只能适用于黑体辐射长波段的描述和维恩公式只能是用于短波短的描述的局限性,提出了能量量子化的假设,普朗克假设并导出了黑体辐射的普朗克公式。通常认为,普朗克假设的提出,标示着量子观念在物理学中的诞生。在这个阶段,普朗克先生的量子论主要针对于光谱进行描述,在这种意义上来说,它没有建立和实物进行联络的通道。这样,普朗克先生的能量谐振子还只是物质的运动形式,不是物质本身量子化的方法。

   1905年,爱因斯坦在量子假设的基础上提出了光子理论,解决了光电效应的问题。可以认为爱因斯坦先生通过光子理论,建立了量子观念和实物的一种对应方法,虽然在这段时期还没有确定,量子和实物的具体对应方法。同时,提出了质能关系式。这一关系式建立了量子理论关于物质间相互作用的数值上的描述途径。

    1909年盖革和马斯登金属箔片对a粒子束的散射中发现,少数a粒子偏转的角度大于90度。

   1911年卢瑟福在这种实验基础上提出原子的有核模型。这样,从人类认识微观事物现实的意义上,从此人们对微观实物的描述进入到实质性的阶段。

  卢瑟福的行星模型有一个传统物理规律中所不能和客观事实相对应的物理现象,就是核外电子绕核运动过程中的辐射问题。

   1913年,波尔发表了波尔原子理论,解决了线光谱的起源问题。通常把卢瑟福和波尔的原子理论叫做卢瑟福-波尔的行星式原子模型。到了这个时期,可以认为已经奠定了微观物质结构的量子化方法。当然,微观物质结构的量子化方法还不能算作量子论的终结,因为只要不能对物质本身进行量子化的描述,那么就不能算作一个系统的物理理论。

    1922年(通常认为是1922-1923),康普顿先生对康普顿效应的发现

    1923年德布罗意先生提出物质波的概念,正是这一概念,建立了波粒二像性的物质属性。同时也将量子论的方法推广到物质本身的描述建立了通道。

    1925年,海森伯先生提出了矩阵力学,可以认为到这个时期,已经确立了量子论对物质世界的描述方法,量子论才可以成为一个物理体系。当然,在这个阶段,还不能认为是一个完善的体系,因为还没有确立物质本身属性和量子论的对应描述。

    1926年薛定谔发表了波动力学,虽然这个波动力学不是量子论的方法,但是却在物质的属性和量子化的实质性的问题上建立了对应。

    到了现在,在量子论的物理方法上虽然已经合理解决了理论上对物质世界的描述问题,但在实际的应用过程中还存在不能克服的问题,这就是通常意义上所说的因果律的失效(掷股子问题)。

    1927年,海森伯又发表了测不准关系,在理论上确定了量子论描述微观物质世界方法的属性——不确定性。

   到了现在,量子物理才真正叫做一个系统的物理理论。我们可以看到,量子论作为一个物理理论的诞生,从1900年的量子观念的诞生到1927年,历经了28年的时间。它所建立的是对微观物质世界的描述方法和规则。

   在这里没有谈及的一个重要问题是统计论在在量子论中的意义,实际上,这在量子论的历史中是非常重要的,这个过程是分两个时期,一个是1924年的玻色—爱因斯坦统计法则,另一个则是1926年的费米-狄拉克同意法则,建立了描述对象是大量微观粒子的描述规则。(这对于本文的内容来说,没有什么意义)

   我们可以看到,在量子理论的发展过程中,并没有确立微观物质属性和作用本身的对应描述。(关于类似于自旋及量子态等,那是规则上的描述,如果看作与物质属性等效的描述,我认为是不合理的。关于波粒二像性,是处理方法的问题。)这是量子理论的局限性。这就注定了在处理物质本身属性和作用本身上必须引入外来的概念和方法。比如:光子和电子间的相互作用利用量子力学的规则对电动力学中的电磁作用进行处理,当然,在量子力学中也有新的东西。像光子和电子、质子等基本粒子进行转化过程,就是采用了爱因斯坦的质能方程。爱因斯坦先生除了给出质量和能量这一进行转化的关系之外,并没有给出这一转化过程中相互作用的特点、方法和属性。在这样的意义上来说,量子论沿用的还是采用数理的方法所描述的数量上的关系,在形成物质运动变化过程的属性上和作用上并没有给出新的实质上的东西。

    实际上,量子论的本身说是一种物理学是不严格的,因为它不能提供物质运动原理和物质属性上的任何信息,也许您认为这样的评价太过荒唐,比如理论上发现的反粒子又如何解释、关于微观物质存在的几种状态等。我们知道,1928年狄拉克发表的相对论电子波动方程可以认为是将量子力学应用的物质属性分析的典范,通过将电子的运动、自旋和磁矩联系起来。但您不要忘了,在这个方程中,只有这些规则,比如定义的电子的状态,自旋、磁矩等是属于量子论的,关于物质本身的属性,还是沿用的其他科学领域的定性方法。而量子论只是确立了关于电子的某种量子状态,这样的状态是以数理描述作为主体的概念,而不是以物理本身。(关于具体的内容,将在关于物质属性的文章中给与说明,这里暂时不去考虑详细的内容,而仅就这种描述属性做点说明。)我想把量子论叫做一种量子物理方法论或者量子规则理论是合适的。

  2、量子理论的物质作用形式

    对于物质微观的作用形式,和常规物理学不同的是量子论赋予了新的作用形式。这种作用形式是建立在量子论的数理描述规则之上的描述形式。量子论虽然建立了微观物质存在状态的描述规则,但是由于这种规则缺乏对物质本身属性和物质间作用的内容,另一个方面是在处理物理问题上采用不确定性建立对微观物质描述的规则,那么,很自然的,对于单个粒子的精确描述反应在物质间的作用本身上,量子沦显得苍白无力。前面我们也提到了量子论的局限性。

    随着科学对微观世界的进军,逐渐从分子领域到原子领域、基本粒子。探索单个粒子采用不确定性作为方法和原则这本身就是矛盾的。建立物质属性和物质运动行为的波粒二像性已经不能作为单个粒子间作用的必然联系,另一方面,从两个粒子间的相互作用上我们也不能找到波粒二像性对此有任何的帮助,这样量子论在这个问题上就形成一种无法补缺的空白。那么,物理学者们又是如何对微观物质作用进行解释的呢?

    比较流行的方法是采用发射理论进行解释,我想对于量子物理来说,这是没有办法的办法。因为这种局限性是量子观念的本身造成的,而不是解释的问题。量子方法没有给这种物质间实际作用的描述留下任何的余地。但我想大部分物理学者已经接受了这种发射理论,针对于具体过程,我做以下的描述:(若我的描述是错误的,还望大家能给与批评指正。)

    在采用量子论的方法对物质的微观作用进行描述的时候,为了假设两个空间位置的相互作用,比如两个电子间的作用,或者原子核和电子间的作用,在客观经验事实上,两个电荷可以通过绝对的真空进行作用,两个电荷之间没有任何的东西。

  在这一问题上,量子论在假设方法上还是采用因果律的模式,假设如果两个电子或者原子核和电子之间没有任何的作用,那么它们就不能发生任何相互作用,它们必然有一种发生作用的媒介,通常把这种媒介叫做场物质,在这里叫做电磁场,关于电的作用媒介叫做电场,磁的作用媒介叫做磁场。在这种定义中,场和作用的概念是对应的,一种作用对应一种场。

   进行这样的定义还是不够的,如果两种微观粒子发生作用,必然有确定的作用模式,那么只有这种通过确定场物质的作用不能说明物质间的作用过程,对于场间的作用,也不能精确的确定,这对于作为一种科学来说是不够的。

   如果物体之间是通过我们可以理解的模式进行作用,并且物体之间的作用是通过物质的形式来进行的,那么在这种作用过程中必然具有物体作用的属性。在我们宏观对物质的理解中,通常对物质间的作用判作如下三种模式,这三种模式我在机械运动的能量体系中已经说明过,就是碰撞、摩擦和场的作用。如果通过空间相互作用的物质间的作用是通过物质确定的形式发生的,如果这种空间物质介质有确定的空间大小和质量的话,那么在应用于对场的作用形式的分解中,那么它必然是前两种形式,碰撞和摩擦。如果是碰撞的形式,那么场物质间任意一段时间所反映出的力的作用,就必然是这一段时间某一个相互作用的物体所接受到的具有动量物质的冲量的积分。

   如果场物质间是通过这种作用形式发生作用的话,那么有一点是不能进行解释的,那就是,这种作用形式只有一种作用方向,即:物体间的排斥力。而不能解释吸引力。这是作用模式确定的必然结果。

   但是,在量子论对物质间的作用上是通过这种模式进行解释的,量子论对场物质间的作用采用的是场通过光子(即:电磁子,可以看作电和磁的两种作用体)的发射和接收来完成的。那么,从动量的形式上,我们无论如何也不能得到两种物体是吸引的结果,比如:正电荷和负电荷之间的作用。除非这种碰撞不是动量碰撞。那么我们建立这样的作用模式也就没有意义了。

   另一个需要说明的是在常规我们所得到的经验事实的约定中,库仑定律成立的范围,电荷间的线度比大都在电荷间线度比大于10的12次方数量级范围,这样的环境下,物质间的碰撞几乎可以看作一维碰撞(采用统计的结果)。那么,得到吸引的作用是找不出任和的理由的,除非我们定义两种属性的碰撞,一种碰撞是吸引,另一种碰撞是排斥。比如同性电荷发射的光子和这种电荷的作用是排斥的,异性电荷发射的光子和这种电荷的作用是吸引的。

   不过,这样的定义对于追求物理世界的真实性而言是没有任何的意义的,因为我们不能对物质世界的规律进行硬性规定,物质世界该是什么样就是什么样,我们没有改变它的权力。我们不能为了解释一种规律而去破坏已经经过客观事实严格验证的并属于同一领域的另一个规律。

    需要说明一下的是:量子论的本身并没有提供对场物质间作用进行解释的任何模式。这样的光子发射理论不是属于量子论的本身的。量子论所针对的对象是原子结构的层次。如果我们对量子论的本身强行外延的话,那么负担最大的还是搞科学解释的工作。

   3、量子论中以太的合理观念

   我们已经就量子论关于两个带电体间场物质的作用进行了可能性的模式分析,在这里我们进一步的探讨作用过程问题。

   一个物体如果对另一个物体发生作用,那么,它必然有一个作用过程,否则就是一种超距作用,关于超距作用,在科学上上一个世纪以前就已经对它进行否定了。在量子论对电磁作用的解释中(可以看作是量子场论的处理方法),则不能对这个过程进行合理的解释,或者说忽略了对这个过程的解释。

    如图:

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    如果一个电子要和一个质子发生作用,那么依据量子论的处理方法,它要向一个质子发射一个光子,这个光子携带着电子和质子相互作用的信息。

    我们且不论这个光子如何由电子发射,也不讨论质子如何接收。在这里我们只看电子所发射的这个光子如何从电子和质子之间的空间中任意两个空间点的传播解释的一个分歧问题。

    我们首先依据量子论给与光子的属性,确认光子具有波粒两像性,即光子以粒子性和波动性两种物质形式在空间中传播。

   1、 光子具有粒子性,那么光子具有确定的动量。如果在A点和B点之间没有物质和光子发生作用,也就是绝对的真空,那么A、B点之间的空间必然没有任何的物理量可用于对光子在A、B两点之间的传递进行描述,当然我们也就不能确定光子在A、B点之间运动时的状态。这种不能确定状态,我想采用量子论的方法去处理进行硬性的规定是不合理的,在这个过程中又没有任何的逻辑模式进行判断。非因果律状态我想不是我们人类探索的希望。

  您可能对此怀疑,惯性定律不是规定物体在没有任何作用的空间中永远保持匀速直线运动状态或者静止状态么。对这样的硬性规定的疑问,我不持怀疑态度,这是应该的,但是,在牛顿时代,还没有电磁理论的诞生,牛顿先生也不会考虑到电磁波的传播问题。采用牛顿先生以前的看法来看代现代的问题是不现实的,牛顿的万有引力定律不就是采用超距作用的么,仍然在一个世纪以前被我们否定掉。那么关于惯性定律的疑问,与其一直保持经验约定,还不如让我们在这种观念的分岔口进行常识性的探索。

     这个分岔口就是在处理物体运动或者作用的运动形式(波)而需要处理的方法。

   一条道路是采用经典的牛顿力学对此的看法,将空间作为真空看待,不对空间问题进行处理。或者说绝对的真空。常规的物体运动或者作用的运动形式(波)只作为经验事实的约定。我们已经讨论过这个问题,对于场观念、电磁领域、万有引力等领域这是我们必须处理的问题,这是不能进行回避的。这样的处理方法已经远远不能满足对物质世界理解和解释的需要了。

   另一条道路是我们必须承认空间中还存在其它存在形式的物质存在,并承担空间作用的主体。这样的物质形式至少在目前来说还没有足够的证据来确定它的属性、特点。比如作用的模式、空间的大小等。但我相信,这是解释现代物理科学中所出现的空间作用所必需的处理方法。确定这种物质的属性,就必不可勉的进行大胆的逻辑推理。或者换句话说,这种物质的存在形式只能是以假设的形式出现的。我们赋予它确定的属性,并让它承担物质在空间运动变化过程中中介的关系。赋予物质运动变化以因果的逻辑关系。

    科学的严密性和缺少建立在物理实事基础上的物理逻辑证据的假设,是一种矛盾。这是一种关于物体在(常规的观念)绝对真空中没有任何相互作用的运动过程的矛盾。对此我们只有两种选择,第一种是仍然保持牛顿的惯性定律不变,另一个是改变牛顿的惯性定律。没有第三种选择。这是考虑到物体在空间中的运动属性问题所必然的。

  关于此部分的内容,可参见时间和空间的逻辑结构之二——空间和物质的关系和下一篇文章空间的介质问题之二——场的作用

2、光子具有波动性,那么光子必然仅仅是一种物质的传递形式。而不是一种物质实体。(当然在波粒二像性中我们可以将这两种属性分别赋予光子的两种状态。粒子性和波动性共存)这样,光子的波动性上必然是空间中某种物质的作为光子的载体。

    如果我们舍弃掉以太的观念,那么对于物质运动变化本身在微观上的解释,是缺乏依据的。或者我们不能依据因果律去进行确定的描述。

2001.2.10


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