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本文作者胡昌偉，上海籍寧波人，1946年出生。北京相對論研究聯誼會和上海市老科技工作者協會的會員。瀘鶴紴格物研究所北京部研究員。
以相對論和量子力學為兩大基礎的現代物理學取得了巨大的成功，它能夠相當精確地描述高速、微觀、強引力場中的物理現象。不過這成功主要是在定量描述方面，在物理詮釋方面，它總使人感到有些怪怪的。比如，收縮、膨脹、彎曲等詞一般是對有形狀大小的實物的描述，而相對論卻認為沒有形狀大小的時間、空間也會收縮、膨脹、彎曲，這有點玄乎。量子世界的二象性、幾率性和不確定性原理等等總使人感到不大實在。不過多數物理學家認為：世界是複雜的，精確的，即能與實驗資料相吻合的數學模型，就代表了實在。因此，理論物理學家們越來越依賴數學模型，有的甚至相信在高維空間的數學模型裡可以找到物理學的終極理論。不過，物理學家與數學家們共同構築的，精緻的高維超弦理論等，卻難以獲得實驗的支持。為什麼這樣呢？我們認為，問題的關鍵不在玄妙的高維空間裡，而在於被人們所忽略了的物理真空的作用。
真空不空，這已經被現代物理學的理論和實驗所充分顯示。物理真空指的是存在於空間中的真空態物質，我們稱它為“乙太”。乙太時時處處在影響著我們看到的或所能探測到的物理現象。我們認為，它的作用在宏觀、低速、弱引力場的條件下是微不足道的，牛頓力學就是不考慮任何介質（包括乙太）影響的一種物理學。但在高速、強引力場及微觀的情況中，乙太的影響將變得顯著，從而出現了相對論性效應和量子性效應。這就是說，現代物理學所描述的是被乙太所扭曲了的物理現象。下面從時空觀入手，著重對相對論進行一些解讀。感興趣的可以進一步參看後面的參考文獻。
時空觀是物理學的基石，不同的時空觀會形成不同的物理學。牛頓物理學的時空觀是絕對時空觀，這並不意味著存在一個絕對靜止的時空，因為動、靜總是相對的。絕對時空觀的絕對性在於時、空標準的絕對不變，這導致了空間和時間的各自獨立以及時、空與物質環境的無關。由於時、空標準的不變性，我們可以在任何地方建立一個剛性的三維坐標系和一維的時間軸，它們就是絕對時空觀中的一個可計量的時空的數學表達。而伽利略變換是絕對時空觀的數學表達，由此很容易證明，其中的空間間隔和時間間隔是不變數，即時空標準不變。
相對論性時空觀突破了時空標準的不變性。狹義相對論的時空仍然是歐幾裡得平直空間，但它的坐標軸和時間軸不是剛性的，它們會隨著運動速度而伸縮；而且，坐標軸和時間軸不再相互獨立，時空已混為一體，成為四維幾何連續體。洛倫茲變換就是對這種時空觀的數學表達。廣義相對論則進一步認為，引力場把時空扭曲成了非歐幾裡得四維空間（如圖1所示），時空標準會隨著引力勢而變化。
一般認為，絕對時空觀和相對論性時空觀是對同一客觀時空的描述，只是前者是近似的，而後者比較精確。洛倫茲變換的流體力學匯出揭示了兩種時空觀之間的關係，否定了這種說法。其匯出過程是這樣的：
將可壓縮的流體變換成不可壓縮流體的變換式 伽利略變換 流體力學的洛倫茲變換 。
上面的c是流體的聲速。注意，這個推導過程是有前提的：該流體分佈範圍很廣，而且運動物體在其中引起的速度、密度和壓強等的擾動是一階無窮小量。因此對於一般的實物性的流體來說，由於分佈範圍小，都有一定的粘滯性，它們的流體力學的洛倫茲變換式是近似的，適用性小。乙太是一種無限分佈的超流體，其聲速就是光速，它的流體力學的洛倫茲變換就是相對論性的洛倫茲變換，具有相當大的普適性。
洛倫茲變換的推導方法有很多。一般的推導方法是在相對性原理和光速不變性原理的基礎上進行數學推導。洛倫茲變換的流體力學匯出不需要預設前提性的原理，在邏輯結構上也不是純粹的形式邏輯，而是帶有一定的事物之間內在聯繫的“物的邏輯”，可以引導我們去揭示相對論的物理機制。由此，我們建立了“可壓縮性乙太論”。
乙太的可壓縮性彌補了舊乙太論的不足。比如，一般認為，麥克爾遜-莫雷實驗否定了乙太論。對此，國內有人用數值模擬和聲干涉實驗證明：在可壓縮性流體中，存在著回路聲干涉條紋不隨流速變化的現象。德國工程師Norbert Feist也在高速移動的車輛上作了多普勒測速儀試驗，得到的干涉條文同樣是不移動的。這些事實充分表明：相對於流體的運動效應，被流體本身的可壓縮效應抵消了。因此，麥克爾遜-莫雷實驗否定不了可壓縮性乙太的存在。其實，後面將指出：所有相對論性效應都可看成是乙太的可壓縮性（密度可變性）效應。這樣就消除了乙太論與相對論的對立。
洛倫茲變換的流體力學匯出顯示：相對論性時空觀是將絕對時空觀中的可壓縮性乙太轉換成四維時空中不可壓縮的乙太所產生的結果。可見在絕對時空觀中，乙太是可以壓縮的；而在相對論性時空觀中，乙太是不可壓縮的。乙太的不可壓縮性意味著密度不變性，從而光速不變。相對論的前提在這裡成了結果。從中也可看出，相對論性的時空標準與絕對時空中的乙太密度有關：單位長度同乙太的相鄰質點的間距成正比；單位時間同光通過乙太質點間距的時間間隔成正比。由此可見，絕對時空是真正的純粹的時空，而相對論性時空是物質性的時空，它們是兩種不同性質的時空觀，而不是一個否定另一個的關係。打個比方，絕對時空是我們用眼睛直接看到的時空；而相對論性時空是我們透過“乙太鏡片”看到的時空。值得指出的是：能夠被我們所看到或測量到的各種實驗資料，都免不了要受到乙太的影響。我們定義：一個實物所在處的真空中的乙太密度為該實物的基態。不同的乙太密度是不同的基態，實測資料往往會隨著基態而變化。
絕對時空觀中的基本物理量，與時空標準一樣具有某種不變性。比如品質，一個物體的品質是其所有組成部分的品質之和。但在現代物理學看來，情況不是如此簡單。可壓縮性乙太論認為，相對論性現象的物理意義可以用絕對時空觀中的乙太密度之類的描述來解讀。
乙太是一種可壓縮的超流體 乙太是一種不可壓縮的四維時空連續體
乙太密度 引力勢的絕對值
乙太密度場 引力場
乙太密度梯度 引力場強度
乙太密度的增量（相對於基態） 品質
乙太壓強的增量（相對於基態） 能量
乙太密度均勻分佈 平直時空
乙太密度不均勻分佈 彎曲時空
乙太密度變化率 時空曲率
時空標準不變 時空標準會隨著基態而變化
基態中乙太密度的增加 空間收縮，時間膨脹
光速會隨著乙太密度變化 光速恒定
光線向乙太密度增加的方向彎曲 光沿短程線傳播
每一個實物都有以它自己為核心的乙太密度波包，它們的疊加構成了宇宙 實物的存在使時空彎曲，宇宙有限而無界
由上可知，乙太本身無所謂品質。品質不是代表所有物質的多少的量，而只是表示實物多少的量。實物是乙太密度波包的核心，其質心是乙太密度極大值點。
物質是存在于時空中的，有一定形態的客觀的東西。實物和乙太是兩大不同形式的物質。人們一般認為場是不同於實物的另一種物質的基本存在形式。其實，場只是物質的一種分佈形式，它可以由實物造成，也可以由乙太造成。空氣密度場由空氣密度在空間中的分佈造成，而引力場由乙太密度在空間裡的分佈形成；溫度場是熱激發實物的分佈，它也可延伸至真空中而成為電磁激發乙太的分佈。
根據以上所述，我們可以進一步對相對論性效應的物理機制進行描述。
狹義相對論所討論的是沒有引力場或乙太均勻分佈的狀況。由於乙太的可壓縮性，運動物體本身及基態中的的乙太密度都會隨著速度的增加而提高，從而運動物體的品質及其單位時間和單位長度都會隨著速度而變化。
廣義相對論討論的是存在引力場，即空間裡乙太分佈不均勻的狀況。在這裡，引力勢對應絕對時空中的乙太密度，以至相對論性的品質、單位時間和單位長度都會隨著引力勢而變化。
橫軸表示矢徑；縱軸表示引力勢的絕對值或乙太密度；在A處有一天體，藍的長曲線P表示該天體引力勢的徑向分佈，AB是其漸近線；縱軸上的虛線表示宇宙背景的乙太密度很大；物體M和N，在相同基態中品質相同，當它們處於不同引力勢（不同基態）中時，在M處的觀察者看來，定量地說，真空中的乙太密度處處為C，N所在處也不例外，但N的品質變大了。
廣義相對論還進一步把乙太密度的變化率當作了相對論性時空的曲率，這就是說，乙太好比一面哈哈鏡，它把平直的絕對時空變換成了彎曲的相對論性時空，這如圖3所示。圖中綠色的深淺表示乙太密度的大小；在相對論性時空觀A中，乙太均勻地分佈在彎曲的時空裡；在絕對時空觀B中，乙太密度在平直的時空裡不均勻地分佈。
大家知道，原子核外的核子的品質要大於束縛在原子核內的核子品質，而構成這個核子的三個誇克的品質之和遠小於該核子本身的品質。這一般用結合能來說明，實際上，用基態來解釋更自然。如圖4所示，那是由於它們所處的基態，即核外基態、核內基態和核子內部基態，各不相同造成的。圖中的綠色代表原子核外的基態；藍色代表原子核內核子間的基態；紫色代表核子內的基態；棕色代表可見的品質。可以打個恰當的比方：珠穆朗瑪峰相對于海平面來說高8844.43米；但它相對于青藏高原來說只有4000米左右高了；如果站到它鄰近的山嶴上來觀察，它的高度只有幾百米了，因為這裡看到的只是“山冠”，是整個山體的一小部分。海平面、青藏高原和鄰近的山嶴相當於不同的基態。
物理學理論一般都有一定的適用範圍，相對論也不例外。相對論的局限性主要有三個方面：其一，相對論性效應由乙太密度變化引起，不會引起自身乙太密度變化的相對運動，相對論公式無效。比如，由地球自轉引起的恒星繞地球轉，不會引起相對論性效應。事實上，離地球1光年遠的天體，在地球上來看，它們繞地球轉的速度已大大超過光速了。其二，相對論性公式在乙太是超流體時才可運用。超流體都有一定的“臨界速度”、“臨界密度”和“臨界壓力”等等，當某些臨界線被突破時，乙太將失去超流動性，相對論公式就將不再有效。其三，相對論以光作為時空的衡量標準，達到或超過光速（這時乙太也不會是超流體了），這種時空尺子就卡死了。在我們看來，超光速好比超聲速，超聲速不會破壞因果律，超光速也不會破壞因果律。這是因為，超光速或超聲速會在介質中形成駭波，瓦解了破壞因果律的資訊傳播。
相對論性效應是一種宏觀乙太的“透鏡效應”；量子性等微觀現象的特殊性則是微觀乙太的“透鏡效應”。將一個表面光潔的透鏡，放在顯微鏡下觀察，會發現它的表面毛糙了。同樣，微觀的乙太“透鏡”比宏觀的要“毛糙”一些。在相對論性時空觀中，乙太是均勻分佈的，毛糙的微觀乙太“透鏡”好比是定量上均勻排列的的微透鏡陣列。或者說，是一個個乙太微透鏡構成了維爾切克所說的真空“網格”。
實物是乙太密度波包的核心。粒子的運動會帶動自身乙太密度波包的波動；反過來，粒子的乙太波包也會對粒子有一定的反作用。從而，面對微觀乙太的微透鏡網格，粒子有隨機偏離運動方向的可能，量子力學的幾率波就是對這方面的定量描述。實際上，在日常情況中，也可以找到類似的現象：我們透過一排透鏡觀察一個物體，將會看到許多虛像，它們的大小、明暗各不相同，構成了類似幾率波的分佈；當該物運動時，它的每個虛像會跳躍式地從一個透鏡轉移到另一個透鏡，這好比量子遷躍。一般認為，微觀實物既是粒子又是波，當我們捕捉到一個粒子時，它的波包坍縮了。在我們看來，粒子的乙太密度波包就是它的萬有引力場，它不會坍縮。應該說，當一個粒子被觀察到時，它的幾率性消失了。
可壓縮性乙太論還只是一個初步性的理論，其中有許多方面，有待人們的開拓、發展和完善。
參考文獻
[1] 胡昌偉. 可壓縮性乙太論[J]. 現代物理, 2017, 7(4): 112-133.
https://doi.org/10.12677/mp.2017.74013
[2] Hu, C.-W. (2012) Vacuum, Space-Time, Matter and the Models of Smarandache Geometry. Educational Publishers. viXra:1207.0072.
[3] Hu, C.-W. Derivation of the Relativistic Equations from Classical Continuum
Mechanics on the Basis of a Macroscopic Vacuum. Physics Essays, 27, 375-379.
https://doi.org/10.4006/0836-1398-27.3.375 (2014)
[4] Hu, C. W. On the quantitative effects. International Journal of Modern Physics and
Application. 1, (3), 38-42 (2014).
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