基础物理学中尚未解决的两大重大问题之一——空间介质

志勰

意义:本文说明空间介质问题是基础物理理论中迫切需要解决的问题。

简介:空间介质对基础物理理论的影响及基础物理理论所面临的困难。


一、引言:

    空间介质最初观念被提及是在17世纪中期①以后,发生在牛顿的万有引力作用本质问题的讨论上,牛顿先生认为采用超距作用来解释万有引力的作用实质。另一种观点则认为是需要引入空间介质来解释万有引力作用的传递问题。当时把它叫做“以太”。直至19世纪初期,由于电磁领域的发展,法拉第在研究电磁问题中提出了反对超距作用说,并认为作用的传递都需要某种物质作为媒质,由此提出场的概念。

    在引入场的概念以后,空间介质的概念确变得模糊起来。在某种意义上被这种场物质所替代。19世纪末期电磁理论的完善以及光理论把空间介质这个最大的难题抛在眼前,一个是光速在观测过程中与光源无关,并且未曾观测到超越光速的物质运动②,这导致经典的力学原理失效。另一个是迈克耳逊-莫雷实验的零结果,空间介质采用弹性介质来解释是行不通的。它导致空间介质不具有刚性的属性。后爱因斯坦作了引申,是跟真空相联系的那些物理量的总合③。在解决这两个问题上,直接导致了相对论的诞生。

    这样,关于空间介质的进一步认识就进入到一种停滞状态。空间介质的问题看似已经解决,实际上被爱因斯坦先生引申的“跟真空相联系的那些物理量的总合”给搁浅了。场物质不是空间介质,它们有实质的区别。(会在下面谈到)

    空间介质问题在百年来的物理发展中,越来越显示出其重要性。不论是高能物理实验中表现出的质能关系,还是原子核反应中所表现出的质量亏损以及宇宙总质量欠缺的暗物质,在研究物质作用过程中所导致的原因、宇宙物质的分布规律过程中,空间介质(或者说场物质④)的因素越来越不能被忽略。或许它有我们忽略掉的重要的因素。

    在基础物理学中尚未解决的重大问题的问题之中,由于它和各个基础物理领域都有密切的联系,故足可排列为榜首。本文也未曾解决这个问题,而只是讨论这个问题!

二、空间介质的定义

  空间介质在万有引力问题上,是由于对超距作用的不可想象所引入的物质作用原理上的观念,除了哲学观念之外,并没有具体的内容来给与空间介质的属性定性。推进这个问题到下一步初步定性当属时代的产物,不仅仅是法拉第,麦克斯韦在对光的磁作用的分析中也有采用经典机械力学分析的表述⑤,当然,并不把它看作空间介质,而是把它当作场。该观念变更其性质是相似的,都有相同的特征:认为作用的传递都需要某种物质作为媒质。

  在迈克耳逊-莫雷实验之前,可以认为在人们的观念中,空间介质(更严格地说应该是以太)具有经典力学的属性,传递的属性遵守经典力学的规则,如通过碰撞、旋转。迈克耳逊-莫雷实验之后在人们的观念中就不存在空间介质相互间传递属性的观念了,完全代替的则是场物质。如前面所述,被“跟真空相联系的那些物理量的总合”给搁浅了。流行的看法是一种基本的相互作用存在一种基本的场,场通过场粒子来传递作用。这种场物质已经不具有空间介质的任何特性了,其区别在于场粒子不是作为一种媒质传递作用,而是本身承担作用的属性。或者概括说,相对论的兴起将空间介质的观念给消灭了。

三、空间介质在解释物质作用中的重要意义

    是不是现今我们对场物质的看法是正确的呢?这一点依赖于解释空间作用机制的合理性。通过对空间介质和常规的场粒子发射模式去解释通过空间进行的作用⑥,场粒子发射理论是不合理的。场粒子是我们假设的一种传递作用的物质。它必须是一种质的存在,否则不能传递作用。如果是一种质的存在,那么场粒子发射理论不能解释场源物质质量的不变性。这样场源所进行的场粒子发射理论机制等同于虚设的,没有任何的价值。这说明现有的场物质理论是行不通的。

    另一个很有希望解决空间作用的就是被搁浅的空间介质概念。空间介质和场粒子发射理论存在很大的区别,不同的地方在于空间介质是通过介质间作用传递来传递作用。场物质是不需要通过介质间的传递,场物质本身直接给于被作用体作用。

    启用空间介质作为解释通过空间发生作用的理论机制,必须要重新审视“跟真空相联系的那些物理量的总合”的结论是否正确。这将导致20世纪初所建立的相对论的危机。

    很多朋友认为一个作用的解释机制并不重要,重要的是定量关系。现代相对论和量子论在客观实践的应用中已经非常成功了,没有必要去搞这个定性的“无关紧要”的问题。我认为这是非常错误的。虽然在物理理论中是一个不起眼的假设的定性问题,但是它决定现有理论解释的途径是否具有客观实在性。如果不具有客观实在性,那么它说明我们采用的解释模式和客观模式是不符的,而由此应用中得到的定量关系则不具有可靠性。它进一步决定进一步应用的适用性。在科学探索中,定性问题是远比定量研究要重要的多的重要的问题。而很多的朋友却把这个问题给搞反了。一旦基本的定性问题是错误的,再严密的定量研究,再多的数学公式对于事物本身的描述都会变得没有意义。

三、空间介质的对传统物理理论的影响

  由于空间介质是未知的,到目前为止,由于采用“跟真空相联系的那些物理量的总合”,在某种意义上来说我们尚未曾对它进行定性研究。当然,也不是在理论中未曾尝试处理这个问题,因为“跟真空相联系的那些物理量的总合”已经采用特殊的方法间接处理了。

  可能包含处理空间介质的理论当归相对论了,在所有的物理理论中它也是唯一的一个,它采用特殊的模式处理。这就是通常意义上的改变定量系统的属性。通常我们把它叫做协变系统。参照系统的定量标准随物体的运动状态而发生改变。

  虽然从纯物理原理上来说,这是不科学的,甚至有点可笑。但是建立在科学尝试的概念上,我们却没有任何的理由,因为这是历史所进行的选择。下面我们就来看一些详细的问题。

   1、对牛顿力学的影响

  建立在客观实践经验约定基础上的物理原理当归牛顿运动定律。它通过三个定律来完成对物质运动变化描述的陈述:牛顿第一运动定律定义了物质的存在属性,牛顿第二运动定律建立了物质作用的关系,牛顿第三运动定律定义了物质作用的规则。⑦从物质运动变化的规律上来说,这是最基本的物理原理。

  由于历史时代的问题,这个物理原理中所叙述的是,物体在理想状态下的物质运动变化理论上的依据。是不是现实中的物体可以采用这个规律来进行描述?这个问题一直到19世纪末期20世纪初期才有了最初的答案。在历史的选择关口上选择相对论,而把牛顿力学看作相对论在低速状态下的近似,间接的回答了这个问题。

  实际上,自牛顿的万有引力诞生后,空间介质问题就将这个可能性的问题摆放到眼前,电磁理论的完善则促使我们不得不去处理这个问题。光速的极限则给我们设置了选择性的关卡,科学不得不被迫选择。

  在19世纪末期,空间介质——以太的问题被推到了物理中急需解决问题的最前列,除了光速的极限的表面现象之外,还关系到最基本的物理原理牛顿运动定律的适用性。如果不存在空间介质,那么将无法解释光速的极限。或者换句话说,当接近光速的时候,牛顿定律将不再适用。迈克耳逊-莫雷实验如期所愿。历史的玩笑总是和希望背道而驰。而作为物理原理的牛顿定律却无法放弃,因为它是最基本的。

  其实这一点也不矛盾,这种考虑的选择是多余的。因为空间介质的本身我们是未知的,它的存在属性本身也是未知的。对这个问题进行处理的并非只有一种相对论的方法。

  在相对论问题的思考上,我时常对比衡量,不知道在这个问题上,我们是应该感谢爱因斯坦先生大胆的推进物理规律的相对性,同时对空间介质问题所作的保留。还是对他所采用的数学模式改变标准定量系统工具⑧、违背物理原理的处理模式,来导致近一个世纪物理所走的弯路来表示遗憾。这是很不好说的问题。

2、对电磁理论的影响

     以太的问题直接导致了对基本相互作用的作用解释模式的处理方法,除了场粒子发射理论作用模式之外,还在于对场物质本身定性的问题。而这其中的一大部分是来自于我们对空间介质——以太的处理模式,不仅仅是电磁作用,其它的三种相互作用也是同样的。由于电磁作用我已经决定作为另一篇文章⑩的主要内容,这里就不再针对作用的本身进行讨论了。这里仅对理论的组建模式进行一点分析。

   电磁理论系统是通过如下的三个基本的组成部分来建立的。(关于电磁理论的分析内容,可参见⑾,哪里有比较详细地说明)

   第一、建立静态电荷对外作用的关系。
   第二、建立电流和磁场的转换关系。
   第三、建立非恒稳电流和磁场的相互转化关系。

  其中磁场磁源的作用解释机制来自于电荷运动。通过电荷的运动来实现的磁的作用,这种磁的作用的源体为电荷。

   场粒子发射理论无法满足电作用和磁作用两种作用,在现在物理解释模式中场粒子发射都是通过光子来实现的。(或者更确切的说是通过电磁子)。如果静态的电场是通过发射这种粒子来完成作用的话,那么动态的电场是不是也是通过这种粒子来实现的。而静态的磁场和动态的磁场呢?

   场粒子发射理论所发射的一种粒子无法满足在四种状态下所表现出不同的四种作用模式。其中包括两种作用的相互转换。同时,电磁理论中的关于电磁波在空间传递的理论机制——变化的电场感应磁场,变化的磁场感应电场。从电磁理论的感应模式上来说,也是无法做到的。既不能建立发射的机制,也不能产生感应的机制。

追溯理论的最初始,电磁理论都是建立在群电荷基础上的经验约定。电场的提供者来自于电荷,磁场的提供者也可以看作电荷。感应电场和感应磁场中的电荷是不存在的。这意味着建立在物质作用基础上的电磁理论是失效的。对于电磁理论中电磁波的推论,则从理论上无法解释理论预言的电磁波的产生和发射问题了。

  现代的电磁理论绝大部分都建立在麦克斯韦电磁理论的基础上,上面所述的就是麦克斯韦电磁理论的矛盾。自麦克斯韦电磁方程建立后,电磁理论采用数学描述的趋势就已经确定下来,而在定性的问题上存在这种重大的漏洞。这意味着采用麦克斯韦方程组求解物理问题在某些领域是失效的,存在局限性。

  当然,即便采用空间介质来代替场粒子发射来取代电磁作用上的本原问题,对于变化电、磁场(这里仍采用现在物理中的词汇描述)的转化问题上也存在困难。由于电磁作用在定性问题上存在问题⑿,这里就不谈论了。

   3、对相对论的影响

  历史上的空间介质问题直接导致了相对论的诞生,它对相对论的影响是巨大的。在现在相对论对空间介质的观念上,“空间介质是跟真空相联系的那些物理量的总合”,在这种意义上来说,它不具有客观实在性。但倘若具有客观实在性的以太是存在的,那么“空间介质是跟真空相联系的那些物理量的总合”将导致相对论现有的物理理念是完全错误的。主要表现为相对论理论中和客观实际建立联系的物理解释中。如下的观念将会是完全错误的:

  同时性的相对性观念、不同参照系中的时间膨胀和空间收缩观念、运动物体的质增观念。

  但是由于相对论是采用数学关系来定义的,只要满足相对论的数学所定义的关系,那么都可以看作相对论的形式。那么即便在空间介质存在的情况下,相对论的数量关系仍有一定的几率保持一定的正确性。 由于相对论采用数学定义的物理关系,该数学的数量关系可满足对应三种物理关系:

  (1)在不同的惯性参照系中,时间、空间和物体的质量满足时间膨胀、空间收缩、质量增加。相对论效应具有和客观实际实质的意义。这是目前主流的相对论观念。

  (2)在不同的惯性参照系中,时间、空间和物体的质量在客观事实本身上不满足相对论效应,时间、空间和物体质量仅仅是我们采用标准定量系统的一种定义性的工具。仅仅是为了保持牛顿运动定律原理和电磁理论适用性的技术方法。在这种理念中,相对论所描述的物质运动和牛顿力学所描述的物质运动具有同一性。

  (3)在不同的惯性参照系中,时间、空间和物体的质量在客观事实本身上满足相对论效应,同时,时间、空间和物体的质量具有工具性概念的特征。相对论所描述的物质运动和牛顿力学所描述的物质运动是完全不同的。

   目前相对论理论的数量关系可以满足如上的三种物理关系。其中第一种关系,相对论具有客观实在性的关系。如果空间介质存在,那么该关系会变得毫无意义。第二种关系仅仅是为了牛顿运动定律的普遍适用性而进行数学技术上的处理,它不具有相对论的客观实在性。第三种关系依赖于空间介质的属性。目前判断它的未来,为时过早。

  4、对量子论的影响

  在物理的发展思路上,量子论要在相对论之后,必然性中有一定的偶然性。

  相对论打破传统物理学中的观念理念,这一点是一脉相承的。对于建立解释的模式上,放弃因果规律,两者都具有相同的特点。而观念的起源却不同了。相对论起源于传统牛顿力学在空间介质上所遇到的危机。而量子论观念最初转化的观念却来自于巴尔末公式以及以后的普朗克能量量子化的观念,前者是数字规律和物理现象的对应描述,后者则是对光辐射描述模式的一种选择。

  从观念发展的思路及物理的内容上来说,量子论和空间介质没有丝毫的关系。那么,空间介质对量子论的影响是不是就毫无影响呢?

  这一点当然不是了。电磁理论和空间介质有很深的联系,不论是电磁的作用还是电磁波的传递,都有一种联系。从研究的对象上,量子论最初研究的原子核外电子发射光子的规律,而光子和电磁波被划上等号,本身就已经和空间介质联系起来。

  我们从普朗克能量量子化的观念上不难看出,量子化的基础不是研究作用模式的方法,换句话说量子的内容与作用的本身是无关的。这对于研究作用模式上来说,就形成空白。这注定了量子论本身不能适用于研究物质作用本身的领域。空间介质却恰恰相反,它的本身就是为作用的本身而设定。

  另一方面,电磁理论在感应电场和感应磁场的作用源的解释上,也存在无法克服的困难。电磁波采用电磁理论发射解释的无效性,也导致了光子理论的空白。在能量量子化的理论原理解释上,电磁波和光子则存在这种理论原理上的中断。

    电磁理论和量子论在物质作用模式的接轨上存在的这种漏洞,导致从量子论在场作用的解释模式上,原有的电磁理论在作用模式上会变得没有任何的意义。同时在两种理论的衔接上表现出定性的错误、定性的空白。而这导致了现代物理在物质本性认识上的混乱。当然,数学作为一种描述工具在物理学中定性问题上大量的应用,也起到了推波助澜的作用。数学只是一种工具,物理的内容在于我们给它赋值。

 

  在物理学中,不要指望数学的手段和方法对物质更深层次的本质上的认识超越物理本身,数学仅仅是一种工具罢了。

四、空间介质的处理

  虽然采用“跟真空相联系的那些物理量的总合”可以回避空间介质的现实性问题,但是由于基本的相互作用都是通过空间作用来完成的,回避空间介质的问题导致的结果是把作用模式的本身也同样变相的给搁浅了。

  物理更深层次的问题需要研究作用的本身,目前发现四种基本的相互作用(这四种基本的相互作用还存在问题,甚至在我们日常接触的电、磁作用上都出现很大的差错⒀,这里仍然采用传统的说法)本身存在问题,而空间介质在传递作用上是至关重要的。

  现代物理中对作用模式的处理虽然采用了很繁杂的数学,但是在基本的原理上是非常简单的。一种具有基本属性的场,它对外的作用是通过发射这种属性的场粒子来实现相互间的作用的。

五、结束语

  空间介质由于担任空间传递作用的属性,它本身就为了解、理解物质的作用提供了一条途径。放弃这条途径,对物质世界的真实的理解将是无益的。由于它直接关系到基础的物理理论结构关系,在基础物理学中尚未解决的两大重大问题中当排第一。

2005.4.16

讨论

 

附录:

《发展中的物理学》(记忆中应该是这本书中有这个提法),另一方面,主要是从逻辑上,牛顿的万有引力被发现之前,没有空间介质的关联性。这一看法是缺乏考究的。

②这一点是推测的。一方面是从给物体加速的电磁作用上不具有使物体超越光速的理论机制,另一方面在于相对论认为物质不能超光速运动。

《相对论》 W.泡利 著  凌德宏 周万生 译 p6

④空间介质和场物质存在很大的区别,但由于历史的原因这里仍然需要把它并列上。

《电磁通论》(下)杰·克·麦克斯韦 戈革译

空间的介质问题之二——场的作用  志勰 

⑦⑧机械运动的定量体系  志勰

⑩⑿⒀基础物理学中尚未解决的两大重大问题之二——电磁作用   志勰

电磁理论的极限与扩展 志勰

另附:爱因斯坦先生的关键贡献:

    在世纪观念冲突中,相对论是交锋的最前沿,同时关于相对论观念批判和发展的观点很多。有一部分朋友认为相对论毫无价值和意义,同时也对爱因斯坦对科学的贡献全然否认。在此,提一下我个人的看法:

    很多人都知道20世纪物理革命的两朵乌云,然而却不清楚第一朵乌云的真正意义。它就是光速的问题和空间介质所导致的历史上物理最基本的原理——牛顿运动定律的失效。在当时历史的条件下,否证性的实验结果是无法处理这个问题的。而爱因斯坦先生采用数学的技巧回避了这个问题,这就是相对论。相对论保留了原有的物理规律的适用性。同时对空间介质问题在某种意义上进行了保留处理。第二朵乌云则是紫外灾难,普朗克的量子论对这个问题进行了处理。爱因斯坦先生利用普朗克的量子论解释了光电效应,提出光子概念。这对于量子论来说,也是属于奠基性的内容之一,它和康普顿效应是相似的。建立质能方程。对狭义相对论的描述范围进行扩展,建立广义相对论,开辟大统一理论方向的先河。在20世纪建立大统一理论的物理方向。

志勰

2005.4.18


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