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以太和场 ---邓卓辉 我们有必要先回忆一下以太。 “以太”在古希腊语中本义是青天和上层大气。亚里士多德首先提出这个概念,它认为自然界中除了火、气、土、水四种元素外,还应存在着以太,不动的地球由四种元素组成,以太则以地球为中心作圆运动,形成完美无暇的世界。 17世纪文艺复兴时代,以太被笛卡儿以“光的载体”身份引入科学,用来解释各种光的现象。随后历经托马斯·杨、麦克斯韦等人的发展,到了19世纪,以太学说发展到了鼎盛时期,成了物理学里的一颗明星。人们认为,自然界中所有的力和作用都靠以太形成,物质的最根本属性──质量也可以在以太里找到起源,世界上唯一最终实际的是以太,一切物质只不过是以太的局部变态的带电粒子的集合而已。 然而令人遗憾的是,就在人们对以太物理学前景一片看好之际,1887年,迈克尔逊和莫雷完成了著名的“迈克尔逊—莫雷实验”,这一实验依据光的干涉原理测量以太相对地球的运动速度,根据地球在太阳系的运动,实验预期应有0.4条纹移动,但实测移动为0.02,这表明地球上进行测量,沿地球运动方向和垂直于地球方向的光速是相同的。当时以太学说认为,以太是光的载体,光波依赖以太而传播,所谓光速正是相对以太参照系而言的,这就否定了以太相对地球运动这一当时人们认为理所当然的结果,震惊了整个物理学界。 为了解释这个实验结果,人们纷纷作出各种各样的假设。其中影响较大的有迈克尔逊本人提出的以太拖曳假设,一些物理学家提出的“发射”假设(认为光速相对于光源不变),裴兹杰惹和洛伦兹分别独立提出的收缩假设(认为实验装置在通过以太的方向上缩短了)。 但无疑地,上述假设都是失败的。到达地球的星光不发生较大的弯曲否定了以太拖曳假设。在双星系统中,两颗恒星发出的光到达地球的所需的时间在实验精确度上相等否定了“发射”假设。而收缩假设的数学表达式虽然最终被纳入狭义相对论,但由于缺乏对数学形式的进一步推理和理解,也同样得不到人们的认可。 1905年爱因斯坦发表了论文“论运动物体的电动力学”,提出狭义相对论,从而彻底否定了以太的存在。他说:“引入光以太将是多余的,因为在这里将不需要具有特殊性质的‘绝对静止’的空间。” 我们再来看看场思想的有关发展。 相隔一定距离的物体的相互作用是怎样进行的,这个问题在历史上曾经有过很长时间的争论。受牛顿威信的影响,十九世纪前期,大部分物理学家认为物体的相互作用是超距作用,即不需任何媒质,也不需要时间。 然而当时也有少数物理学家认为,物体间的相互作用是近距作用,需要媒质也需要时间。法拉弟就是怀有这种信念的代表人,他通过实验发现,电荷之间或磁体之间的媒质不同,电作用或磁作用的强度就不同,因而他深信,“物质到处都存在,没有不被物质占有的中空地带”,作用力不能凭空传递。基于这点,法拉弟提出了“力线”概念,并采用图示法表示。后来,他又进一步提出“场”概念,认为电荷或磁体周围相应地存在着电场和磁场,电荷或磁体就是通过电场或磁场传递发生相互作用的。法拉弟把场设想为以太的激发态,类似于弹性膨胀体中的机械应力状态。 能言善辩、精通数学的麦克斯韦随后为场观念的发展作出了巨大贡献。他把以太(或场)看作一种理想的流体,没有惯性,不可压缩,以太通过电荷的偏离引起电荷在一定方向上的总位移来影响电场和磁场。此后,麦克斯韦提出“位移电流”概念,建立“麦克斯韦”方程组,使得场观念获得巨大的成功。 时至今日,场观念已经在物理学中根深蒂固,场在真空中存在已经是不可辩驳的事实! 相比于场观念,我们为以太学说的失落感到悲哀!在麦克斯韦思想中,以太是一种有别于实态物质的物质,是任何空间中都存在的另一种形态的物质,而场是以太的一种激发态表现(是一种波动性表现),以太和场是物质和形态的关系,然而,现在人们却把场看作一种物质,把以太排斥出去,其实,这不是恰恰说明真空不空,真空中存在一种特殊形态的物质吗?这就是以太和场的统一,不管我们把这一物质称为场还是以太,只要我们承认真空不空,真空具有极其复杂的物质,这就已经足够。 综合起来,场的存在,或者说以太的真实存在,至少有以下四个依据: 1、位移电流:与“电荷移动”无关的位移电流能够产生磁场,这对超距作用说是不可思议的,这就说明真空不空,真空具有极其复杂的物质,位移电流(电场)、磁场依据这一物质而存在。 2、真空极化现象:1947年,物理学家发现,真空具有极化现象,即外界电荷会使真空物质的正负电荷偏离,兰姆的微粒氢原子光谱实验和日本的朝永振的计算都证实了这一点,这一现象说明真空具有物质属性。 3、广义相对论:爱因斯坦在狭义相对论中否定以太的存在,但广义相对论的建立体现了爱因斯坦思想的明显改变。他指出:广义相对论“是一种场论”,“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数,同时不考虑任何决定以太的原因,那末广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太。” 爱因斯坦甚至试图把各种场统一起来,形成一种完美无瑕的理论。他认为,这个理论将可以根源性地导出现在的所有物理定律,更加深刻地阐述自然奥秘。“以太─物质这种对立就会逐渐消失,整个物理学将通过类似几何学、运动学和引力理论那样的一种完备的思想体系。” 4、量子力学:量子力学中的许多现象,例如测不准原理、粒子运动的波函数、几率性等,如果不借助真空的物质属性,人们很难理解。然而,所有这些,只要假定真空中存在着一种物理实在的东西──不管我们称它为“以太”还是“场”──便可能凭着数学推理及计算,对它们作出根源性的理解。甚至,我们可以由此试图建立一种人们梦寐以求的所谓“终极理论”。 |