物理学的物理大综合-挑战相对论-西陆网

[楼主] [61楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/12 15:21

第四节太阳耀斑提供的证据
我们必须找到电磁波的速度与频率有关的具体证据才行，那里有这样的证据呢？只有在某处同时产生各种频率的电磁波，然后测量它们到达另外一点的先后才行。太阳耀斑的爆发非常复杂但粗略地能满足这一要求。太阳耀斑爆发的同时会产生各种频率的电磁波，只要用射电望远镜或太阳射电频谱仪观测不同频率电磁波到达地球的先后，就能判断电磁波的速度与频率是否有关。如果各种频率的电磁波同时到达，波速与频率自然没有什么关系，如不是同时到达呢，那就是与频率就有关了。怎样确定各种频率的电磁波是否同时到达呢？
射电天文学对太阳耀斑进行了详细的研究。一旦太阳上突然发生耀斑之类的强活动时，便会出现一种变动剧烈、迅速而且频繁、短促的“射电爆发”。射电爆发起源于低层色球，然后抛射到高层日冕的广阔的太阳大气中，因为发生在色球层中，所以也叫做“色球爆发”。它们的辐射强度非常大，从4毫米到40米之间的所有波长上都会出现。可是在不同的波长上，它们呈现出迥然不同的特征。
在微波段的射电爆发是最简单的一类，通常是一开始强度突然上升,迅速达到极大，然后较缓慢地下降。
分米波爆发比较复杂，按照频谱性质分为如下两类：一类为分米波连续辐射，其频带较宽，形态与微波爆发相似，故认为它是微波爆发在长波端的延伸。另一类为分米波快漂移爆发，也称为Ⅲ型爆发。其持续期很短，常成群出现，它的特征是辐射频率随时间发生很快的变化，从高频漂移到低频，漂移速率很大，通常超过每秒100兆赫。
在米波和分米波段的射电爆发与其它波段射电爆发完全不同，仅凭单个频率上的观测已不能满足要求。因此，专门设计了一种叫做“太阳射电频谱仪”的仪器来研究它们的活动过程。这种频谱仪能在很宽的波段内，利用快速扫描的方法，来同时进行许多波长上的观测，如果不考虑爆发的强度，就获得了爆发的频率和时间两个参量的“运动频谱图”。
在米波和分米波段的射电爆发是具有较慢的频率漂移的Ⅱ型爆发，因此又称慢漂移爆发。这种爆发的特点是，其频率明显地随着时间从高频向低频漂移。也就是说，先看到的是高频电磁波，后看到的是低频电磁波，这种爆发的频率漂移速率较慢，一般是每秒钟不到1兆赫。
Ⅲ型爆发生频率在10kHz ～1GHz的范围内，其特征是具有快速的从高频向低频漂移的。在米波段漂移速度约100MHz/s. Ⅲ型爆的强度小及持续时间很短，并且和频率成反比。由于快频率漂移的频率比慢频率漂移要大100倍，其时间与频率曲线要陡很多倍，这从大耀斑射电爆发典型频谱示意图中可以看到。
频率慢漂移爆发的传统解释是爆发源在日冕中以每秒钟一千多公里的高速向外运动，因而引起爆发的频率慢慢地向低频漂移。频率快漂移爆发则是爆发源在日冕中作每秒钟十万公里的巨速向外运动。这两种解释都是站不住脚的，因为如果爆发源在日冕中作从太阳中心向外的运动，它与我们越来越近。根据多普勒效应，此时频率漂移就应当从低频到高频（蓝移），而不是从高频到低频（红移），这就与观察事实严重不符。由于太阳万有引力的作用，耀斑开时始爆发物只可能因其巨大的爆发动能从太阳表面被抛起，先作从太阳中心向外的运动，爆发物上升到太阳表面一定的高度，其爆发时的动能全部转变成引力势能，在引力势能作用下爆发物才会下落。于是爆发开始时用爆发源的运动直接解释频率漂移是不成立的。当然，传统的解释也可以是这样：爆发源在爆发期间快速向太阳外层运动，以观察者对太阳中心的视线为例，在t1 时刻的A点发出的辐射和运动一段时间后的t2时刻的B点发出的辐射都有蓝移，但由于太阳引力运动是减速的，在B点发出的辐射兰移要小一些，因此在B点的辐射频率比A点发出的低，而A点的辐射先到达地球，B点的辐射后到达，于是产生了频率飘移，这种解释看起来是合理的，但存在两个问题。第一，如果是爆发源在太阳上减速造成的，那么不仅仅是米波频段才有爆发的频率慢慢地向低频漂移，所有频段的爆发都在作同样的运动，都应有同样的频率慢漂移。但频率漂移只在米波和分米波频段才有，而在微波以上频段上没有。第二，按传统解释，同一耀斑应是一样的，可是对同一耀斑在不同的波段上的观测发现有频率快漂移和频率慢漂移两种，传统的解释是两种漂移的速度不同而相差100倍，这就与同一耀斑速度应是一样的相矛盾。
事实上，频率漂移爆发应当是由频率不同的电磁波速度各不相同引起的。其原理是这样的：太阳耀斑爆发时各种频率的电磁波也同时爆发。电磁波爆发传到地球时，在在米波和十米波段，频率较高的电磁波速度较快，先到达地球上的太阳射电频谱仪，频率较低的电磁波速度较慢，后到达太阳射电频谱仪，也就是频率高的电磁波先在太阳射电频谱仪上显示出来，频率低的电磁波后在太阳射电频谱仪上显示出来，这才是频率漂移产生的根本原因。
频率最小的电磁波的速度最低。这个速度是多少呢？电磁波可以看成是交变的磁场，稳恒的磁场可以看成是频率等于0的电磁波，稳恒的磁场的传播速度就是电磁波传播速度的最低值。
太阳耀斑爆发的同时一般会引起太阳上的大磁暴。光线从太阳传到地球只要8分钟，但太阳上巨大的磁暴到达地球引起的地球磁暴要一到两天。根据相关资料，大约在800到2400分钟之间，这就充分说明光的速度要比磁场的传播速度快100～300倍，所以磁场的传播速度不是光速，约为光速的1/100到1/300。
怎样计算频率慢漂移每下降1MHz波速减小多少呢？可以这样考虑：光线从太阳传到地球大约要500秒的时间。根据频率漂移大约等于1 MHz/秒，那么频率每低1 MHz的电磁波传到地球就要多花1秒，比如501秒。
从光速开始其速度减慢约为：（300000km/秒×500）÷501=299400 km /秒=（300000-600）km /秒。也就是说，频率每降低1 MHz它们的速度差不多要减小600km/秒。

[楼主] [64楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/13 04:53

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以上我们讨论了正常状态下以太是逐渐变硬的。但太阳耀斑的出现是一个非常事件。从人们对耀斑的长期观测来分析，这里以太的变硬有两种方式。一种是逐渐变硬，如图1中的Ⅱ型爆发。另一种是突然变硬，如图1中的Ⅲ型爆发，它在米波段漂移速度约100MHz/s。 Ⅲ型爆的强度小及持续时间很短，并且和频率成反比。由于快频率漂移的频率比慢频率漂移要大很多，其频率与时间的曲线要陡很多，所以在这里是以太快速变硬。这从图1中可以看到。综合Ⅱ型爆和Ⅲ型爆可得出这样的结论：当太阳出现耀斑爆发时，对电磁波而言，米波和分米波段上，部分以太是逐渐变硬，但也有部分以太是快速变硬。所以在耀斑开始时以太存在两种形态，就象He-I相和He-II相可以同时存在一样，即“硬以太”和“软以太”，随着时间的推移，“软以太”越来越少，最后全部变成“硬以太”。
另外，当爆发从高频漂到低频后，有时也会再向高频逆向漂移。这时在运动频谱图上出现了一个“U”形，故称这种爆发为“U型爆发”。这是因为太阳抛射的爆发源体积可以比地球还要大。这种爆发源离太阳较远后还会象多级火箭一样多次爆发。把新的爆发源加速到以很大的速度朝我们地球飞来，根据多普勒效应，此时就会产生一个从低频到高频的频率漂移。这种频率漂移和由频率不同的电磁波速度各不相同引起的频率漂移总的效果在一定的条件下就可以形成U型爆发。一开始时是电磁波速度各不相同引起的频率漂移为主，到后来则是多普勒效应引起的频率漂移为主。太阳耀斑的爆发非常复杂，其余的射电辐射类型就不在这里讨论了。
无独有偶，不但太阳耀斑能证明低频率电磁波速度较小，低频雷达回波也能证明同一问题。雷达波的频率也有比较低的，事实表明，用这样的雷达波对准月球（或行星）反射的回波就比激光往返月球（或行星）的时间有所延迟。随着距离的增加，接收回波与发射信号之间可以有较大的时间延迟，从月球的几秒钟到外行星的几个小时。这就从另一个角度证明了低频电磁波的速度比光速要慢。
由此可见，试验可以是一柄双刃剑。本来迈克尔逊试验是为了证明了以太的存在，但是因为试验原理有问题，导致得到了相反的结果：这个试验当今被认为是彻底地否定了以太。
用迈克尔逊试验来否定以太，是一个极为严重的错误。没有以太，就无法弄清磁和光的结构和本质。因为进一步的研究表明，磁是以太的量子涡旋，光是以太的量子涡旋的密度波。因为篇幅的关系以后再谈。
总之，迈克尔逊试验证明了以太是有惯性地存在着，同时光是一种波。

[楼主] [66楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/13 15:58

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第五节关于“以太问题”的解释
在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。
首先，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。
第二，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。
第三，造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”，从而诞生了洛仑兹 “尺缩”、“钟慢”的电子论。
对“为了说明物体在‘以太’中运动丝毫不受阻力，必须假定‘以太’比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性。”又如何解释呢？
以太比任何气体还要轻得多和稀薄得多是对地球上的大气说的，大气是一粒粒的空气分子，它实质上是一种粒子。地球也可以看成是一个大粒子。但对于电磁波和光来说以太面对的就不再是粒子而是波了。作为粒子来说，以太是不会受到交变力或力矩的。但作为波来说就不同了，由于波有相位，正负相位表示介质受力或力矩方向相反。当频率趋于无穷大时，以太所受力或力矩的正负相位差趋于180゜，也就是表示以太此时受到的二力或二力矩方向相反，合力或合力矩为0，此时介质只能运动或转动得和固体分子一样。
实际上，光的频率很高，以太的高弹性主要不是由以太的密度产生的，而是由光的频率太大而产生的。以太根本不运动或不转动，当于以太的弹性或硬度为无穷大。当然频率为无穷大实际上是不可能的，但是频率很大是可能的，介质变成高弹性和固体也是完全可能的。
人们把空气的粒子性和光的波动性混在一起当然会产生天大的矛盾，但如果把空气和地球看成粒子，把光看成波，这个矛盾就自然而然地解决了。
固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。因为两个平行偏振片有一个位置恰好可以完全遮挡光的试验证明，光是纯粹的横波，丝毫没有纵波的成分。如果光有纵波的成分，纵波部分就可以通过上述两个偏振片。既然有一个没有丝毫的光通过的位置，所以光就一定不是纵波。为什么会是这样的呢？
如果电磁波和光是交变的以太量子涡旋在以太中的传播就能解决这一问题。
由弹性力学可知，纵波是一种无旋波，传播纵波的物质分子仅仅作往复直线运动——平动。而空间中的以太是无散的，只能作涡旋运动而不能作丝毫的平动（发散），也就是说，以太不能作任何的往复直线运动，因此空间的以太自然就不可能产生纵波了。这就是电磁波和光不是纵波的原因所在。
洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？” 洛伦兹的疑虑是对的，以太对光呈流体的看法正好被看漏了。由于迈克尔逊试验的原理有问题，我们已经知道；这个试验不是否定了以太，而是恰恰相反，它正好肯定了以太。
迈克尔逊原本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，想不到结果却是适得其反，它从根本上否定了以太。但迈克尔逊是一个坚定的以太论者，并不认为实验否定了以太，而是试验某个环节出了问题。他至死念念不忘“可爱的以太”。
人类正确和错误的斗争将是永远的。因为人类的推理中有正确和错误之分。即使最著名的理论，最著名的试验也是如此。例如历史上的“地心说”。
迈克尔逊试验是世界上最著名的试验之一，素来被人津津乐道。要人家承认试验的原理错了，恐怕没那么容易。错了就是错了，不承认也无济于事。
物理学是一门试验科学。我们从世界著名的迈克尔逊——莫雷试验原理的深入研究入手，认为这个试验的本质是测到了以太涡旋的转动惯量，从而证明以太的确是存在的，得到与目前公认看法相反的观点。同时对频率为几个特的超声波在水中的传播速度突然增加了两倍多的现象提出了新的解释。对太阳耀斑中的频率慢漂移试验结果也提出了不同的见解。因此试验有时也是一柄双刃剑，弄得不好也会得出错误的结果。有时世界著名的试验原理被弄错了，也会造成灾难性的后果。
《基础物理述评教程》一书在介绍了光行差试验、斐索流水试验和迈克尔逊-莫雷试验以后说：“把上述三个实验联系起来，结论是：“以太”是一种完全不能跟随地球运动、又完全跟随地球一道运动、同时只是部分地被牵动的特殊介质。犹如说有这样一个人，他既是男人、又是女人、同时还是中性人。这种判断当然是荒诞的。如果要摆脱逻辑矛盾，那么结论就只能是：客观上根本不能允许有“以太”这种怪物存在。
人们就是这样来否定以太的，表面看来是好象颇有些道理。真的是这样的吗？不对！
以太是一种完全不能跟随地球运动是从光行差试验中得出的结论。在这个过程中，以太是对地球而言的。地球在以太中穿梭，地球对以太可以看成是一个很大的粒子，它不能拖曳以太。因为以太很小，物体小到某一程度，它自动变成超流体，超流体不能被带作平动，但可在原地转动。
以太又完全跟随地球一道运动的结论是从迈克尔逊-莫雷试验中得出的结论。这里有一个错误，应该是以太又完全跟随光一道运动。这是因为光的频率很高，在这种情况下，由于正负半波几乎同时加在以太上，以太的转动几乎要同时向两个不同方向转动，这时以太就会变硬，以太和光之间的关系就象是固体一样，所以以太就完全跟随光一道运动。
同时以太只是部分地被水牵动这是从斐索流水试验中得出的结论。由于以太和水有一些亲和作用，水能束缚部分以太也是合理的，这部分被束缚的以太能被流水带动，所以流水能部分地带动以太。要注意的是这里是以太和水的关系，而且这种带动是在水的内部。
所以，第一种情况是以太和地球，第二种情况是以太和光，第三种情况是以太和水。但人们不分青红皂白，统统认为是以太和地球。
犹如说有这样一个人，他是一种特殊的人，体内有男人、女人两套生殖系统，对男人而言他是女人。对女人而言他又是男人。对两性人而言他也是两性人。这种判断当然是有道理的。逻辑上也没有矛盾，那么结论就是：客观上根本允许有“以太”这种物质存在。
总之，人们否定以太主要是根据迈克尔逊-莫雷试验的零结果。对迈克尔逊-莫雷试验的零结果的解释是不同的，相对论的解释是尺缩。而我们认为这个零结果恰恰证明了以太能变硬，也就是以太涡旋具有转动惯量，从而以太是存在的。历史将证明，否定以太是人类犯了一个重大错误。它造成的后果是灾难性的：没有以太人们无法弄清磁和光的本质，从而走上了唯心论的道路。
为了解释迈克尔逊-莫雷试验的零结果，洛仑兹提出尺缩的假设，得出洛仑兹变换。爱因斯坦提出光速不变的假设。其实，光速不变原理也是根据迈莫试验推导出来的。爱因斯坦认为：站在地球上，与地球运动方向相反的光的速度是c+v，与地球运动方向相同的光则是c-v。按照这一观点可以预计迈莫试验仪器上有0.4个干涉条纹移动，但实际上干涉条纹没有任何移动。这就说明光的速度与地球速度v无关。或者说，光的速度与惯性系的速度无关。实质上，这就是光速不变原理。
有了迈克尔逊试验零结果的物理解释，光速不变原理就不成立了。因为尽管站在地球上，与地球运动方向相反的光的速度是c+v，与地球运动方向相同的光的速度则是c-v，但迈莫试验根本无法测出v。因为以太传光似固体，对光而言，根本就没有流体的以太风。迈克尔逊干涉仪两干涉臂上的光没有光程差，干涉条纹根本就不会移动。这就不能证明光的速度与v无关，光速不变原理当然就不成立了。
迈克尔逊——莫雷试验零结果象一座大山压在以太的头上。不推倒这座大山，以太便无法重见天日。现在这座大山终于推倒了，以太终于复活了，它是光的介质也沉冤昭雪了。
翻开物理学史我们就知道迈克尔逊——莫雷试验零结果是物理学上空的一朵乌云，最终由这朵乌云发展成一场狂风暴雨，以太在这场狂风暴雨中被否定，狭义相对论在这场狂风暴雨中诞生。现在迈克尔逊——莫雷试验零结果有了正确的物理解释，物理学上空已天开云散，以太重新得到了肯定。那么，现在的问题是：随着以太的重新被肯定，狭义相对论是不是应该被否定呢？当然是这样的，这是一场你死我活的斗争。
爱因斯坦以迈克尔逊一莫雷实验为依据，提出了光速不变原理。爱因斯坦本人对此说法似乎是否定的，他在晚年接受记者采访时高度评价了迈克尔逊的工作，但又说“我已记不起来是否读过迈克尔逊的文章”。他所考虑的是：如何把电动力学与相对性原理统一起来。相对论是爱因斯坦一生中最重大的成果，如果他是依靠迈克尔逊一莫雷实验才取得突破，那么就很难想象他会健忘到如此程度。
我们现在提起这件事，并不是为了弄清有关的史实，而是希望人们认真思考一下科学方法论问题，人类对于自然界的认识，就总体来说，是从感性认识开始，然后上升到理性认识，这是没有疑问的。直接经验多半是由事物的表层提供的，这对于经典物理学来说是够了，近代物理学是以深层次的问题为研究对象，不仅所需的实验条件较为苛刻，而且实验现象是由多种因素决定的，不容易归纳出经验定律来。在这种情况下，要求人们有“超前意识”。“超前”是表示“先于经验”，但不是臆造，而是以已有的多方面的知识为基础，用逻辑分析和综合的方法寻找具有普遍意义的原理，预报“实验结果”。如此建立起来的理论貌似假说，但不是假说，因为假说是以“可能性”为前提条件，“超前意识”是揭示“必然性”。
新理论常常是以旧理论暴露出的矛盾为生长点，矛盾不仅可以表现为旧理论与新事实不符，还可以是理论在扩大了范围之后同别的理论或原理不能相容。对于其中的第二类矛盾，思想实验不仅可以代替实物实验，而且能比实物实验更为深刻、彻底，因为思想实验是不存在误差的。
爱因斯坦曾构思了“追光实验”：如果让观测者以光速跟随光波一道运动，那么，根据牛顿时空观，光波就应当表现为静态场。维持其波形是因为有很多人且在不同位置的缘故。电动力学能维持原有的形式，与相对性原理是相容的。为了消除这种矛盾，爱因斯坦才提出了光速不变原理实属画蛇添足。
迈克尔逊本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得其反，却从根本上否定了以太。正是：机关算尽太聪明，反误了以太性命。但迈克尔逊并不认为实验否定了以太，他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。
由此可见，试验可以是一柄双刃剑。本来迈克尔逊试验是为了证明了以太的存在，但是因为试验原理有问题，导致得到了相反的结果：这个试验当今被认为是彻底地否定了以太。
用迈克尔逊试验来否定以太，是一个极为严重的错误。
总之，这三者之间也没有什么矛盾！

[楼主] [70楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/16 00:54

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第七节以太、以太风和以太涡旋
因为以太的存在是人们认识电磁现象物理本质的关键，所以必需首先论述以太的存在性问题。
一、以太的历史回顾
对电磁场本质的认识历史上有许多观点，归纳起来主要有如下几种：
“超距作用”论者认为，引入“电场”或“磁场”的概念，是为了电荷或电流之间产生的作用力的需要。由于“超距作用”是在稳恒场的情况下提出来的，在这种情况下，不存在场的传播是否需要时间的问题。后来发现以光速传播的电磁波后，“超距作用”的观点自然就不攻自破了。
另一种说法认为电磁场是“空间的特殊状态”，他们认为有了电荷或电流，周围的几何空间就进入了一种特殊状态，它表现出能对其它电荷或电流产生作用力的性质。所以，这些人又说“场就是力的表现场所”。他们所说的“空间”是空无一物的几何框架，在他们看来“场”也不是物质。
法拉第认为电磁的相互作用是通过一种叫做“以太”的特殊物质而传递的，当时的“以太”假说认为，物质之间没有绝对的真空，空间到处充满一种特殊的物质——“以太”（本人认为“以太”有很多种，为了不相互混淆，能产生电磁的相互作用的“以太”本人叫做“以太”）它具有一系列奇特的性质，在其中可以激发各种非常复杂的物理过程，包括传递电磁作用。麦克斯韦创立他的电磁理论时就直接援用了法拉第的观点，在他看来，电磁波就是“以太”中的一种弹性波。
长期以来，人们一直认为我们周围的空间中存在着一种以太的物质。它是电磁现象的载体，也是电磁力和光传播的媒介。它是继固体、液体、气体和等离子体之后人们认识到的一种新状态的物质。
在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。
二、“以太”被否定的原因
以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。当时，一方面，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。另一方面，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而，造成这颗明星殒落的根本原因是迈克尔逊——莫雷试验的零结果。从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。又因为人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”，从而诞生了洛仑兹 “尺缩”、“钟慢”的电子论。
三、为“以太”翻案
人们认为只要物体运动，就会带动以太一起运动，产生“以太风”。迈克尔逊——莫雷试验的零结果否定了“以太风”，从而以太也当然不存在。这种推论是错误的！这是人们不了解以太的力学特性的缘故。
和固体、液体、气体和等离子体四态相比，以太有它特殊的运动性质，这就是以太通量的散度为0。也就是说，以太从什么地方发出，通过一条闭合曲线，重新回到原来的地方。用数学语言即是封闭曲面的以太通量和与所包围体积的比值，当这体积趋于0时其极限为0。或者说任何小的封闭区域都没有纯粹的以太通过（即是任何相同时间里进出该区域的以太通量是一样的，既无源泉，也无漏洞）。只有把以太看成是不能作直线运动仅能产生涡旋才能做到这一点。因此，以太是无散的，其一定不能作平动，因为平动就一定有散。
从整体上看，以太只能作涡旋运动，而不能作平动。换言之，在我们周围的空间中，只存在以太的涡旋，而不存在“以太风”。至于以太为什么只能作涡旋运动，而不能作平动，目前尚不清楚，我们以后会用大量的事实来证明这一点。因此，“以太风”虽然不存在，但以太涡旋是存在的，以太当然也是存在的了。
地球在绕太阳的轨道上运转和自转时，会带动以太。在地球上空，没有产生“以太风”，而是产生以太的涡旋。这些以太的涡旋不会影响遥远星光向地球的传播。因为对于光而言，它是一种以以太为介质的波，根据波的运动不相干原理，光在以太的涡旋中的传播与在静止的以太中的传播是完全一样的。地球相对于恒星在运动着，因此会产生众所周知的光行差。
同样地，由于以太是超流体，也就是说以太不能带动别的物质作平动，也不能被别的物质带作平动。而且以太对光呈固体，迈克尔逊—莫雷试验中的水平和垂直臂上，没有“以太风”，只有以太涡旋。因而根本不会产生光程差，从而干涉条纹也不会发生任何变化。迈克尔逊—莫雷试验只不过否定了“以太风”的存在。以太相对地球的运动是一种视运动。从根本上来说以太风在地球的上空本来就是不存在的。
由此可知，从迈克尔逊——莫雷试验的零结果推断出以太不存在的结是一个严重错误。
在“以太”中运动丝毫不受阻力，是因为“以太”比任何气体要轻得多和稀薄得多，同时以太又是无稠性、无摩擦超流体；电磁波为什么是横波，是因为电磁波是一种自扩张的“涡旋”波，涡旋波振动的切线方向与半径的传播方向垂直；其传播速度极大，是因为其密度极小；产生的电磁波中之所以丝毫没有“以太”纵波，是因为电磁波是一种“无散波”。弹性力学已证明，“无散波”不会产生纵波。因此“以太”的力学性质是非常合理的，一点也不矛盾。以后我们还会详细论述。
否定“以太”之所以是错误的，其根本原因是虽然不存在“以太风”，但是存在着一种人们没考虑到的“以太涡旋”。
从数学上讲，以太通量的散度为0 是一个很清晰很具体的概念。从整体上看，以太只能作涡旋运动，而不能作平动。换言之，在我们周围的空间中，只存在以太的涡旋，而不存在“以太风”。因此，“以太风”虽然不存在，但以太涡旋是存在的，以太当然也是存在的了。
只要“以太风”不存在，光行差、斐索流水试验和迈克尔逊——莫雷试验之间就不再有任何矛盾了。
迈克尔逊——莫雷试验是“以太”存在的判决性试验。这是因为迈克尔逊——莫雷试验的零结果的物理本质是我们探测到了以太具有转动惯量，也就是以太具有惯性，以太的存在性再也没有任何怀疑了。
四、著名物理学家论以太的存在性
听一听一些著名的物理学家认为以太是存在的观点，对我们一定有很大的启发。
声名卓著的开尔芬一直十分热衷于构造以太的力学模型。他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型，我是永远也不会满足的。”1890年，他提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的。
迈克尔逊设计试验的目的是为了证明“以太”的存在。可是事与愿违，为此他非常失望，他称自己的实验是一次"失败"，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用于其他事去了。
迈克尔逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。
1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，
洛仑兹在世纪之交虽然积极参与了物理学的几个前沿领域，却极力设法修补旧理论，总想在不触犯经典理论框架的前提下把力学和电动力学调节和起来。但是，1887年迈克尔逊实验否定了为电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁力学的基础受到了冲击。洛仑兹为此而郁郁不乐，他于1892年写信给瑞利说：“我现在简直不知道怎样才能摆脱这个矛盾。不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，………我们就根本不会有一个合适的理论了”。 ………直到晚年，他还认为以太是具有一定优点的概念。
洛伦兹对1887年的实验结果一直疑虑重重：“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”
据玻恩回忆说：“我在洛仑兹逝世前几年看望他时，他对相对论的怀疑态度没有改变。”据板田昌一讲，洛仑兹面对波粒二象性的新概念，曾绝望地哀叹：“在今天，人们提出了和昨天所说的绝然相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了，我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去。”
瑞利在1892年的一篇论文中认为：地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？这个问题依然悬而未决。他觉得迈克尔逊得到的否定结果是一个真正令人扫兴的事情，并敦促迈克尔逊再做一次实验。
威廉.汤姆孙（W.Thomson）直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。
约瑟夫.汤姆孙（J.J. Thomson）在1909年宣称：“以太并不是思辩哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”
爱因斯坦在以太问题上也曾犹豫不定。他在题为《以太和相对性原理》的讲演中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思义的。说实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间——时间间隔。……因此在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图象中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”
著名物理学家狄拉克对此也有评论。在1970年，狄拉克还指出：“以太观念并没有死掉，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”

[楼主] [87楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/24 19:40

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则这两排涡旋之间的粒子层就会向右运动，也就是产生向右的感应电流。这样就很好地解释了电磁感应。受此启发，麦克斯韦设想每个分子涡旋与相邻的分子涡旋通过一层细微的粒子隔开，这些细微的粒子起着齿轮系列中可动惰轮的作用，它们的大小与质量都远小于分子涡旋。麦克斯韦指出，这些细微的粒子（简称粒子）就是电以太——于是，分子涡旋（磁以太）以及介乎其间与之啮合的粒子（电以太）就构成了麦克斯韦设想的电磁以太的力学模型。如图所示，六角形的可以旋转的是分子涡旋（磁以太），把分子涡旋隔开的圆形惰轮性粒子是电以太。麦克斯韦认为，粒子（电以太）会受到带电体给予的电力的作用或受到变化磁场产生的感应电动力（涡旋电场）的作用而移动，粒子的移动与电流相对应。
根据电磁以太的力学模型，麦克斯韦说明了电流是如何产生磁力线（磁场）的。
如上图所示，当电流从A向B流动时，粒子（电以太）在电力的作用下也沿AB移动，由于粒子与分子涡旋（磁以太）啮合，粒子的移动（实际上是滚动前进）将带动与之啮合的上下两排分子涡旋（如同齿条带动齿轮）。于是，在AB之上的一排分子涡旋GH时针方向旋转，再依次通过上面各粒子层的啮合作用，使上面各排分子涡旋逐一启动，均按相同的逆时针方向旋转；与此同时，AB之下的各排分子涡旋则均按顺时针方向旋转，由AB上面租下面分子涡旋的旋转而形成的磁力线充满了整个空间，在AB之上磁力线垂直纸面指向读者（在图中用“+”表示），在AB之下磁力线垂直纸面背向读者（在图中用“一”表示），磁力线与沿AB流动的电流构成右手螺旋关系。当电流恒定时，空间分子涡旋的旋转也都达到恒定状态，彼此之间并无影响。这就是麦克斯韦通过电磁以太力学模型描绘的电流产生磁力线（磁场）的具体机制。
如果AB中的电流突然发生了变化，例如突然停止，则沿AB移动的粒子随即停止，从而使得与之啮合的GH排分子涡旋的旋转受到阻碍而停止，但此时Kl以及其他各排的分子涡旋仍继续旋转。当GH排分子涡旋停止旋转，而Kl排分子涡旋照常旋转时，在这两排分子涡旋之间与它们啮合的PQ粒子将从P向Q运动。因此，只要在PQ处有导线就会体现为感应电流，其余各粒子层与PQ层类似，所以电磁感应现象是分子涡旋的转速从场的一部分向另一部分传递的过程。这就是麦克斯韦通过电磁以太的力学模型描绘的电磁感应的具体机制。接着，麦克斯韦还利用电磁以太的力学模型讨论了电流或磁体运动时产生的电磁感应现象，以及导体在磁场中运动时产生的电磁感应现象。
就在讨论“应用于静电的分子涡旋理论”这个问题时，麦克斯韦抓住了要害。他假设分子涡旋具有弹性。当分子涡旋之间的粒子受电力作用产生位移时，给涡旋以切向力，使涡旋发生形变，反过来涡旋又给粒子以弹性力。当激发粒子的力撤去后，涡旋恢复原来的形状，粒子也返回原位。这样，带电体之间的力就归结为弹性形变在介质中储存的位能，而磁力则归结为储存的转动能。从这里以可以进一步看出，麦克斯韦把磁和涡旋运动当作一体。
1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：《电磁场的动力学理论》全面地论述了电磁场理论。在这篇论文的引言中，坚持电磁作用是由物体周围介质引起的。他明确地说：
“我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电体和磁体附近的空间，它也可以称为动力理论，因为它假设在这一空间存在着运动的物质，观测到的电磁现象正是这一运动物质引起的。”（这一空间存在着运动的物质我们完全可以理解成是以太的涡旋。）
接着，麦克斯韦全面阐述了电磁场的含意，他指出：“电磁场是包含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任何一种物质”，“介质可以接收和贮存两类能量，即由于各部分运动的‘实际能’（按：即动能）和介质因弹性从位移恢复时要作功的‘位能’。”
在这篇论文中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包括20个变量。
实际相当于8个方程，其中6个是矢量方程。直到1890年，赫兹才给出简化的对称形式，整个方程组只包括四个矢量方程，称为麦克斯韦方程组。
四个麦克斯韦方程组中有两个关电的方程，另外两个是关于磁的方程。在两个关于磁的方程中，一个方程说，磁感应强度B的散度为0，另一个方程说，磁场强度H的旋度不为0，它为传导电流密度和位移电流密度之和。也就是说，磁场需要电流来维持。磁感应强度实质上也就是磁场强度，只是因为历史的原因才有不同的说法而已。把两个磁的方程合起来就等到于说：磁是以太的涡旋，这才是磁的真正的物理本质。从麦克斯韦电磁场理论的建立过程中，他的分子涡旋磁理论起了至关重要的作用。
二、麦克斯韦分子涡旋的力学模型存在的困难
麦克斯韦总结了电磁场规律，用统一的方程组来描述一般情形下电磁场的运动变化，预言了电磁波的存在，揭示了光波与电磁波之间的本质联系。麦克斯韦的电磁理论无论在理论的完整性和规模上均可与经典力学中的牛顿力学理论体系相媲美，它是物理学理论体系发展过程中的又一座丰碑。然而，即使只在经典物理范围内，麦克斯韦的电磁理论也仍然存在着缺陷和不足。具体表现在以下几方面。
1、分子涡旋结构过于复杂，上述分子涡旋的力学模型存在着一些尚待回答的问题和尚待完善的地方。如“分子涡旋是如何转动的？”以及“为什么它们（分子涡旋）能够围绕着磁体和电流按已知的力线规律排列？”还有。如果两个分子涡旋并排放置、相互接触、且旋转的转轴平行，则两个分子涡旋接触部分的运动方向是相反的，但又要能够自由转动，怎样才能实现这一要求呢？麦克斯韦指出，这些问题的回答是“更为困难”的。
2、为什么产生电磁感应也不清楚。根据惰轮机构类比的解释也很牵强。没有抓到问题的本质，所以麦克斯韦最终也抛弃了它。
3、麦克斯韦的电磁理论忽略了电、磁“源”的作用。
麦克斯韦的电磁理论实质上是一种在无穷大空间里有关电磁场运动规律的理论，虽然从理论上预言了电磁波的存在，但并没有解释电磁波是怎样产生的，事实上，麦克斯韦从未想到如何在实验上实现电磁波的发射。正如麦克斯韦的学生Fleming所说：“总使我和其他人感到惊奇的是，麦克斯韦好像从来没有打算获得关于电磁波存在的实验证明，……”。曾经担任麦克斯韦的实验员的Garnett在1931年也说过：“我相信麦克斯韦从未考虑在实验室里用实验产生电磁波，他也从未与他的同事讨论过产生电磁波的途径和方法。”这对麦克斯韦来说是并不奇怪的，因为他坚信：电磁波的性质与产生电磁波的源无关，不论电磁波是由何种源产生的，电磁场的运动都应遵守相同的普遍法则。这一信念表明，麦克斯韦确实把握住了电磁场运动的本质，但作为普遍理论，不包括产生电磁波的机制，这不能不说是一种缺陷，最早从理论上预言线圈中的振荡电流能产生电磁辐射的是英国的GeorgeFrancis Fitzgerald (1851-1901)。1883年，Fitzgerald计算出辐射能与线圈磁矩的二次方成正比，与振荡电流周期的四次方成正比。Fitzgerald的工作的意义在于，补充了麦克斯韦理论所忽视的东西，为用振荡电流产生电磁波指明了方向。后来，Hertz的电磁波实验（1886年）实际上采用的就是电流振荡的方法。
4、否认电荷或带电粒子以及电磁场是独立存在的客观实体。
虽然在麦克斯韦的原始方程组中出现电荷和电流的物理量，但它们纯粹是数学形式上的东西，而不是独立的客观存在的实体。Helmholtz在1881年指出：“如果不借助于数学公式就很难解释麦克斯韦所指的电量是什么，”J.J.Thomson也认为，麦克斯韦理论中的“电量”一词是很难弄清楚的。
事实上，在法拉第- 麦克斯韦的理论中，始终处在主角地位的是力线和以太。对法拉第来说，为电磁现象所确立的力线概念是很实在的东西，在他看来，力线比原子更为实在。法拉第倾向于认为原子是力的中心而不是具有广延性的客观实体。麦克斯韦继承了法拉第的基本观点，他的电磁理论是想通过具有力学特征的媒质（以太）的状态变化来理解电磁作用。麦克斯韦在英国的拥护者O.Lodge和O. Heaviside（他继赫兹之后对麦克斯韦方程组作了第二次简化）断然否认电荷实体的概念，他们认为电荷和电荷运动产生电流的概念完全像热质和热质的流动产生热流的概念一样。如果说热质并不是客观存在的实体，热只不过是一种运动形式，热质说应从热学中排挤出去，那么电荷同样也不是客观存在的实体，它只不过是以太的一种状态，因而诸如电荷、电流体的概念也应从电磁学中排挤出去。Lodge说过：“……在物理学中，我看几乎没有比很久以来就把电称为以太的一种表现形式或模式这种观点更为确切。像‘电的’、‘带电’这些词也许还会存在，而‘电’一词会慢慢地消失。”
5、麦克斯韦认为以太是唯一的主角，一切电磁现象都可以归结为以太的某种运动状态，而以太充斥整个空间（包括真空和物质内部），物质是否存在并不影响以太的存在及其性质，所以反映以太状态的电磁学量E、H和D、B在不同物质的交界面上应是连续的，由此可见，在麦克斯韦的理论中根本不存在边界条件问题，因而不可能解释光的反射和折射现象。关于电磁场的边界条件问题要到1875年才由洛仑兹解决，再如，既然麦克斯韦的理论认为物质内部的电结构不是独立存在的客观实体，也就不可能借助于分子的微观电结构来解释物质的电磁学性质和光学性质，一个突出的例子就是麦克斯韦理论遇到的色散困难。按麦克斯韦理论，电播速度为

[楼主] [90楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/26 08:54

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第六节太阳角动量之谜
1755年，德国哲学家康德(Immanuel Kant)首先提出了太阳系起源的星云假说。他认为，太阳系是由原始星云按照万有引力定律演化而成。在这个原始星云中，大小不等的固体微粒在万有引力的作用下相互接近，大微粒吸引小微粒形成较大的团块，团块又陆续把周围的微粒吸引过来，这样，团块越来越大，从而“天体在吸引最强的地方开始形成”。引力最强的中心部分吸引的物质最多，先形成太阳。外面的微粒在太阳吸引下向其下落时，与其它微粒碰撞而改变方向，变成绕太阳作圆周运动；运动中的微粒又逐渐形成引力中心，最后凝聚成朝同一方向转动的行星。
41年后，法国著名的数学家和天文学家拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）也独立提出了关于太阳系起源的星云假说。与康德的星云说不同之处在于，他认为太阳系是由炽热气体圆盘的星云形成的。圆盘一旦形成，气体由于冷却马上收缩起来，因此自转加快，离心力也随之增大，于是星云变得十分扁平。在星云外缘，离心力超过引力的时候圆盘便定时地遗弃一些小型的环圈或蒸汽环带，这些形成物由于停止收缩也就脱离了主圆盘。每个独立的环圈通过自身形成一只小型的旋涡而聚合成为一颗行星；而这种气旋的旋转会再产生更小的气体环圈，由此又形成行星的卫星。圆盘的中心部分形成太阳。拉普拉斯举出土星环作为“土星大气的原始范围及其不断凝缩过程的现存证据”。
这一解释是符合太阳系的主要特征的。例如：
（1）行星运行轨道都接近圆形（近圆性）。
（2）行星运行轨道几乎位于同一轨道平面上（共面性），只有水星和冥王星的轨道有较大倾斜。
（3）行星公转方向和太阳自转方向都是逆时针的。
（4）除金星外行星自转方向和太阳自转方向也是逆时针的。
但星云假说有一个困难，这就是它无法说明太阳系的一个极为重要的特征，即行星和太阳之间的角动量分布极不均匀这一现象。太阳的质量虽然远远超过其体系的其余部分质量的总和，太阳占全系总质量的99.8%，然太阳的角动量居然只有全体系的2%。这一情况的物理含义是，太阳旋转极慢，但拥有全体系98%的角动量，而体积却不大的诸行星，竟然在距离中心甚远的地方高速转动着。
根据康德-拉普拉斯理论并结合自康德-拉普拉斯之后所获得的补充知识来计算一下太阳的自转周期，就能验证康德-拉普拉斯假说是否正确。天文学家不仅能估计气体云在收缩之前的体积，还可测出所观测星云中气体的自转速度。根据这个估计的体积，自转的观测速度和角动量守恒定律，康德-拉普拉斯理论计算出的太阳的自转周期应在1/2天左右，而实际的观测周期却是26天。理论与观测之间相差竟如此悬殊，是令人无法接受的。因此，太阳角动量一定有一种人们至今没有探测到的逃逸方式。
虽然太阳周围是真空，但是太阳周围有一尺度很大极为复杂的磁场。前几节已经讲过，磁场就是量子以太的涡旋，太阳的自转及其各种内部活动能带旋以太，产生量子以太的涡旋。这些涡旋向太阳远处传播延伸，有一部分会脱离太阳而流失于太阳远处的空间，从而带走太阳的角动量。虽然量子以太涡旋的角动量非常小，但是，太阳这种角动量的流失是连续和长期的，在几十亿年时间内，它带走了太阳绝大部分角动量也是可以理解的。
太阳的确有一分布于行星际空间的广大复杂的磁场，分大尺度结构和小尺度结构。前者主要指太阳普遍磁场和整体磁场，它们的结构的非常复杂的。后者则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。太阳普遍磁场指日面宁静区的微弱磁场，强度约1×10-4～3×10-4特斯拉，它在太阳南北两极区极性相反，近年的观测发现，通过光球的大多数磁通量管被集中在太阳表面称作磁元的区域，其半径为100～300千米，场强为0.1～0.2特斯拉，大多数磁元出现在米粒和超米粒边界及活动区内。如果把太阳当作一颗恒星，可测到它的整体磁场约3×10-5特斯拉，这个磁场是东西反向的。在太阳风作用下，太阳磁场还弥漫整个行星际空间，形成行星际磁场。它的极性与太阳整体磁场一致，随着离开太阳的距离增加而减弱。各种太阳活动现象都与磁场密切相关：耀斑产生前后，附近活动区磁场有剧烈变化（如磁场湮灭）；黑子的磁场最强，小黑子约0.1特斯拉，大黑子可达0.3～0.4特斯拉甚至更高。谱斑的磁场约0.02特斯拉。日珥的形成和演化也受磁场的支配。
行星由于质量小和温度低，其内部活动远远不及太阳，因此行星自转对电磁以太的带旋能力也就远远不及太阳，与太阳相比，小到差不多可以忽略不计。
综上所述，可以得到这样一幅图象：太阳悬于以太之中，太阳的自转和太阳内部的各种剧烈活动会在电磁以太中产生一个和太阳一起旋转的及各种各样的量子以太涡旋，这些涡旋一直延伸到很远的空间。不过，离太阳越远，这些涡旋的强度也越小，远到一定的程度，这些涡旋就逐渐地消失了。正是这些量子以太涡旋带走了太阳的角动量。可以说太阳的转动动能变成了磁场能。

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