一、光速、相互作用與乙太
在古希臘,“乙太”指的是青天或地球上層的大氣。在物理學引入以太后,引起了廣泛的爭議,成為一個棄之可惜,留之無味雞肋。
17世紀的笛卡爾,是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家、物理學家,他最先將乙太引入物理學,並賦予它某種特殊的力學性質。在笛卡兒看來,物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞,不存在任何超距作用,這種思想一直影響著隨後的科學家們。因此,空間不可能是一無所有的,它被乙太這種媒介物質所充滿。乙太雖然不能為人的感官所感覺,但卻能傳遞力的作用,如磁力和月球對地球的潮汐作用力等等。
光的波動說首先由胡克提出,由惠更斯進一步發展。他認為,傳播光波的媒介物質就是笛卡爾的乙太。由於光可在真空中傳播。因此,這種乙太物質應該充滿包括真空在內的全部空間,並能滲透到通常的傳播光的媒介中。
按現有理論光是借助於乙太傳播的,這必然體現光與作為載體的乙太之間存在相互作用。我們知道,在介質中不同頻率的光子,與軌道電子的作用不同,從而使不同頻率的光子有不同的運動速度。完全一樣地,在真空中不同頻率的光子,也應該存在與不同乙太的相互作用,從而在真空中應該有不同的運動速度。而事實是,在真空中不同頻率的光子擁有相同的運動速度。
這裡的關鍵就是,只要光的傳播需要乙太這種物質,那麼相互作用的存在,就會使不同頻率的光子運動速度發生不同的變化。絕不可能不同頻率的光子與乙太的作用不同,仍使不同頻率的光子擁有相同的速度。因此,即使在真空中也應該存在不同頻率的光子,擁有不同的運動速度,而此不是事實。
我們知道,不同頻率的光子在真空中擁有相同的速度。
還有,實際上存在大量的不能傳遞光的物質,如金屬,為什麼傳播光的乙太物質不進入到金屬中?!
其實光的傳播不需要乙太,光的傳播就是其自身的電場和磁場在相互轉化的過程中改變了自身的空間位置產生的。金屬遮罩電磁場就阻止了光的傳播。
光的傳播不需要乙太。
牛頓雖然在光學上提倡微粒說,反對惠更斯、胡克等的光波動學說。但他也借助乙太的稀疏和壓縮來解釋光反射和折射。在萬有引力被發現後,牛頓本人不贊成超距作用但又找不到傳遞萬有引力的媒介物,因此,他在惠更斯的一再追問下,他提出是乙太傳遞了物體間的萬有引力相互作用、電磁相互作用等。
相對論的建立,給愛因斯坦帶來了極大的榮譽,但也使愛因斯坦深深地陷入了矛盾之中:一方面,愛因斯坦在狹義相對論中否定了乙太的存在;但另一方面,擁有品質的天體的引力又是怎樣傳遞的?!為此,愛因斯坦假設所謂的品質的引力相互作用是不存在的。周圍天體不是在其引力作用下產生環繞運動,而是在其產生的彎曲空間中運動。
但是,愛因斯坦在萊頓大學做了一個“乙太與相對論”的報告,想調和相對論和乙太的關係。他認為,狹義相對論雖然不需要乙太的概念,不等於乙太不存在,他甚至說,根據廣義相對論,沒有乙太的空間是無法想像的。因斯坦說“乙太”是廣義相對論中描述空間彎曲的度規,但是度規只是一種幾何術語。跟傳遞相互作用根本就沒有關係。這種解釋等於沒有解釋。
我認為愛因斯坦在這裡的解釋不但沒有達到目的,反而體現出了其思維邏輯的混亂。
這是其錯誤理論本身所固有的矛盾。天體在彎曲空間中運動,說明空間的彎曲具有剛性。不然,離心力的存在會使空間失去彎曲。因此,天體的品質使空間發生彎曲,必須有力的作用。這又回到這種作用是怎樣傳遞的老問題上了。
隨著科學技術的進步,一些發現又給現有的理論帶來新的衝擊。
20世紀30年代,荷蘭天體物理學家奧爾特指出:為了說明恒星的運動,需要假定在太陽附近存在著產生引力相互作用但不發光的暗物質;同年代,茨維琪從室女星系團諸星系的運動的觀測中,也認為在星系團中存在著大量的暗物質;美國天文學家巴柯的理論分析也表明,在太陽附近,存在著與發光物質幾乎同等數量看不見的物質。沒有暗物質而的存在,這些天體系統就會在離心力的作用解體。1932年,美國加州工學院的瑞士天文學家弗裡茲•紮維奇最早提出證據並推斷暗物質的存在。弗裡茲•紮維奇觀測螺旋星系旋轉速度時,發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快,故推測必有數量龐大的品質才能拉住星系外側的組成天體,以使其不致因過大的離心力而脫離星系。
1997年12月,作為“大紅移超新星搜索小組”成員的哈佛大學天文學家基爾希納等,根據兩個研究小組通過觀察Ia型超新星—種罕見的恒星爆炸的現象(能夠釋放出數量巨大的,持久的光),提出了顛覆了天體物理學家的理論——宇宙在加速膨脹。
科學家們猜測,我們所處的宇宙中可能存在一種未知的物質,科學家稱之為“暗能量”。至此,“暗物質”、暗能量成為宇宙學和物理學中最大的謎團——21世紀科學天空中的兩朵烏雲。
對此不得已,又有人把乙太這種物質抬了出來,用來解釋這些現象。還有人把愛因斯坦廣義相對論中的宇宙項也搬了出來。
我們繼續分析下去。
當初,愛因斯坦認為宇宙是處於穩恒狀態的,因此,愛因斯坦的宇宙項是為了平衡人們發現的引力而引入的。因為他發現,若只有引力宇宙不會處於穩恒狀態。因此,現代人認為促進宇宙加速膨脹的是宇宙項,與愛因斯坦的初衷是不相容的。尤其是,宇宙項所描述的產生斥力的物質基礎是什麼?現代人為此認為就是真空中的乙太。
假如產生暗物質、暗能量的物質是乙太的話,那麼在太陽系中,我們在闡述行星的運動過程中,為什麼沒有考慮乙太的存在。若既考慮乙太的存在又考慮牛頓的引力作用,我們計算得到的行星的運行軌道將發生明顯的變化。而此不是事實。
聰明至此?!
來自格里菲斯大學的霍華德•威絲曼教授和東京大學進行合作,通過一系列研究得出結論證明,愛因斯坦關於“量子糾纏”現象理論可能是錯誤的。但由於超光速運動與其狹義相對論矛盾,這也是其與波爾為首的哥本哈根學派爭鬥不止的原因。
關於量子糾纏現象中超距作用的產生,有人認為,是乙太在起媒介作用。這種既沒有實驗也沒有理論的不負責任的思維究竟什麼時候能離開物理學遠一些?!!
二、乙太的困惑
乙太的引入暫時解釋了一些現象,但同時也帶來了概念上的混亂,產生的問題比解決的問題還多。
從物質的本性上看,乙太是一種什麼物質?也是由有我們熟知的原子、分子構成的嗎?若是,那麼他擁有的引力品質,為什麼不在太陽系中影響行星受到的引力作用?它的慣性品質為什麼沒有影響行星的慣性運動?我們知道,太陽系已經存在近50億年了,若果真是這樣的話,從太陽系興縣城之日起行星的運動速度會越來越小。而此不是事實。假如不是由我們熟知的原子、分子構成的。那麼它是由什麼物質構成的?
根據麥克斯韋方程組,電磁波的傳播不存在一個“絕對靜止”的參照系,因為該方程裡兩個參數都是無方向的標量,所以在任何參照系裡光速都是不應該發生變化的。根據該方程組,可以推出電磁場的擾動以波的形式傳播——光波,並且電磁波在空氣中的速度接近每秒30萬公里。後來,物理學家赫茲,用實驗方法直接證實了電磁波的存在。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質,這樣乙太不僅在電磁學中取得了確定的地位,而且電磁乙太同光乙太也統一了起來。
但故事並沒有因此結束。
在彈性媒質中的波動應該有兩種形式:橫波——振動方向與傳播方向垂直的波;縱波——振動方向與傳播方向一致的波,聲波就是一種縱波,但實驗卻表明只有橫波形式的光波,不存在縱波形式的光波,如何消除乙太的縱波、以及如何得出推導反射強度公式所需要的邊界條件等問題,就成為這一時期各種乙太模型之間長期爭論的難題。
光波是橫波,傳播速度極大——我們發現的各種運動中速度最大者。為了解釋廣的高速運動,就必須認為乙太具是有非常強的恢復力的彈性介質;而另一方面,天體的運動卻不受這種具有極強恢復力——剪切模量極大的乙太的限制。這是一種無法調和的矛盾。
有人認為,真空中的乙太,是一種可壓縮的超流體,任何物體的內部是否佈滿了縫隙,都能在真空裡毫無阻力地運動,這樣就可以解釋乙太的存在並不影響宇宙天體的正常運動。超流態是一種物質處於較低的溫度下的一種低溫量子現象。將地球這樣的低溫天體可能使環境中的乙太存在超流態。太陽等恒星擁有極高的溫度——上千萬攝氏度。在這樣的天體周圍的乙太也處於一種超流態嗎?這是不可能的。但是,包括太陽等恒星、各級宇宙天體的運動,從沒有因為乙太的存在,而減緩它們的運動。這究竟是為什麼?
有人認為,光線在引力場裡的彎曲,是光線向乙太密度較大的方向彎曲。這是一種類似於折射現象。這裡有一個問題,那就是恒星周圍的乙太密度發生了變化。是怎樣造成的?乙太密度的變化若是恒星引力造成的,那麼宇宙中的乙太在漫長的演化過程中,應該早就被恒星吸收乾淨了。
還有,若乙太具有可壓縮性,那麼,在太陽運動的前方乙太的密度應該大於太陽運動後面的密度,這樣,在太陽前面光線的彎曲應該大於太陽後面的光線彎曲,而此不是事實。這是為什麼?!
此外,為了適應光學的需要,人們對乙太假設一些異常的屬性。尤其是由於對不同的光頻率,同種介質擁有不同的折射率,光速因此不同,於是乙太對光的作用對於不同頻率的光波也是不同的。這樣,每種頻率的光,擁有自己不同的乙太性質等,這是不可能的——頻率的範圍太廣了,乙太也應該有無窮多種?這是為什麼?尤其是,當我們進入到真空中時,這些對應不同頻率的乙太的作用又神奇地消失了。在真空中,不同頻率的光又擁有相同的光速。
為什麼在介質中不同頻率的光子擁有自己不同的乙太,而在介質中這些不同的乙太不在真空中起作用那?
其實,入射光子與介質的軌道電子發生相互作用,很好地解釋了介質中光子的運動速度。這尤其體現在,介質對不同頻率光子的選擇吸收上。
這就否定了介質中乙太的存在。
菲索測量了光在運動的水中的運動速度,結果是:沿水運動的方向,光的運動速度增加;而在水運動的反方向,光的運動速度減少。針對這一現象,當時的科學家認為運動的物體會拖曳乙太,從而影響光的傳播速度。但是,這一事實,又與布拉特萊由光行差實驗得出的,乙太不會被拖曳的事實相矛盾。
1881年,邁克爾遜利用光的干涉實驗,來測量地球的運動是否會拖曳地球周圍的“乙太”。結果顯示,在實驗誤差範圍內地球的自轉完全拖曳了地球環境中的“乙太”。後來,邁克爾遜又聯合莫雷在改進了的實驗儀器後,於1887年重複了上述實驗,結果還是一樣。這實際上證明了光速具有某種不變性。而光行差現象的存在,又鮮明地說明光速與觀測者的運動有關。這一矛盾如何解釋?
三、真空與乙太
在粒子物理中,也能看到乙太的身影。
1956年,李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後,大膽地斷言,“θ-τ”粒子在弱相互作用下宇稱是不守恆的。
實驗物理學家吳健雄在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋,把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋,這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結果表明,這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異,而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。
為此,楊振寧和李政道榮獲了諾貝爾獎。在隨後的分析中,一般認為,造成宇稱不守恆的原因是由於真空的作用。在狄拉克創建的相對論量子力學中,真空並不空,含有大量的正反粒子對。
我認為這是一種藉口,是對客觀存在事實不能給出解釋,而提出的一種假設。真空中含有大量的正反粒子對與光子的相互轉化過程,若是真空與實驗室中的粒子發生相互作用,則這種相互作用對正反粒子應該是平等的,除非真空本身具有不對稱性,從而造成,正反粒子中總是某一粒子的壽命少於另一個粒子;總有一個品質大於另一個粒子;總有一個粒子的電荷大於另一個粒子的電荷。並且,這種差別的大小具有確定的數值。
在粒子物理中,一般用“自發破缺”的概念來描述,在粒子反應中出現的對稱性消失現象。實在找不到產生這種現象的原因,就找到了真空,有理論家認為真空中有物質,有的認為真空中的乙太造成這一現象。其實即便是真空造成的,這種正反粒子的不對稱性也應該具有隨機性,使得正反粒子之間的品質、電荷、壽命的差異存在不確定性,而此不是事實。
最初賦予真空含有物質的試狄拉克。當薛定諤在德布羅意的吳志波的基礎上建立起來量子力學的標準方程——薛定諤方程後,為了建立起相對論量子力學,狄拉克把愛因斯坦的能量方程公式引入了量子理論中,建立了相對論量子力學。但是,他面對相對論能量方程的負能量解一籌莫展。後來,為了給自己的理論找到解釋,他認為宇宙中空中存在大量的負能量粒子。為了解釋真空的中性問題以及為什麼我們沒有掉進真空中,他認為真空等電量的正反粒子填滿了。
從此,在物理學界就把真空當成了一種實在的物質。
若真空中含有大量的正反粒子對與光子的相互轉化過程,則真空中,應該時刻擁有正反粒子對存在。這樣,一方面,由於其具有慣性品質,因此,會對運動的天體產生阻力的作用;另一方面,其中的反物質粒子會與我們熟知的物質發生湮滅,而大量消耗組成我們環境中各種物體的組成成分,造成普遍的湮滅現象,而無論這種物質是否擁有衰變特徵。而事實是,我們身邊的各種元素都擁有確定的穩定性:不穩定的有確定的衰變半衰期,穩定的始終不變。我們並沒有見到來自真空的反物質粒子造成的普遍不穩定性。
尤其沒有見到來自真空的反粒子與組成我們人體的粒子發生湮滅現象。不然由於真空中含有大量的正反粒子對,因此,我們環境中的所有物體——包括我們人類在內,由於浸泡在這正反粒子對的海洋中,因此,早已應該發生瘋狂的湮滅過程,從而在一片火海中消失殆盡,而此不是事實。
為什麼真空中大量的正反粒子對海,沒有造成這種普遍的宏觀物體的湮滅現象那?
尤其是,真空中同存在大量的正反粒子對的產生與湮滅過程,但是為什麼宇宙的天空是黑暗的?還能產生奧伯斯佯謬的困難嗎?湮滅過程產生的光子不可見嗎?為什麼?!
其實,科學家們應該從其理論本身去尋找原因那!在粒子理論中,計算出現發散現象,就會用重整化方法加以解釋——人為去掉計算造成的發散部分。這就產生一個問題,這樣做的理論依據依據是什麼。
完全類似地,在粒子的標準模型中,不知道為什麼粒子擁有品質。一般認為希格斯粒子通過西格斯機制使粒子擁有品質。即希格斯粒子與實驗室中產生的粒子發生相互作用,而使粒子擁有品質。這就產生了兩個問題:這種作用對於正反粒子為什麼不是均等的,而使正反粒子擁有不同的品質、電荷、壽命等。
中性K介子有長壽命K介子,和短壽命K介子兩種狀態,分別對應衰變為3個π介子,和兩個π介子(兩個π0或一對正反π介子)兩種衰變過程。壽命分別為(5.17±0.04)×10-8s和(0.8962±0.0012)×10-10s。這就產生了一個問題真空為什麼總是使兩種不同衰變形式的正反粒子的壽命不同,並且擁有確定的壽命?
介子是一種品質比電子大,但比質子與中子小,自旋為整數,參與強相互作用的粒子,如π介子、ρ介子和K介子等。由九個國家近百名研究人員組成的一個小組在實驗中研究了K介子反K介子相互轉換的過程,實驗中發現,反K介子轉換為K介子的速率要比其時間逆轉過程、即K介子轉變為反K介子來得要快。這是物理學史上首次直接觀測到時間不對稱現象。
有人認為,認為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。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。實物是乙太密度波包的核心,實物的質心是乙太密度的極大值點,引力場就是乙太密度場:引力勢的絕對值對應乙太密度;引力場強度對應乙太密度梯度;品質對應實物的乙太波包的密度的增量(相對於基態);能量對應乙太波包的壓強的增量。
既然乙太是一種超流體,那麼他就不會參與相互作用,怎能產生萬有引力那,這顯然是充滿不能解釋的矛盾呀。這完全是一種作繭自縛的思維。若乙太真的能產生萬有引力,那麼他與宇宙天體之間的萬有引力的存在,根本就不會使其處於超流狀態。這裡存在不可調和的內在的思維衝突,
有人認為,乙太是由正、反粒子對構成的虛玻色子的集合,是一種最基本、最普遍的玻色-愛因斯坦凝聚。 “虛”就是指最低能態,或者說沒有形成以它為核心的乙太密度波包。也就是說,粒子是量子場的激發態,伴有乙太密度波包;而乙太是量子場的非激發態,或者說是虛粒子態,即沒有形成以它為核心的乙太密度波包。這種觀點何以解釋粒子擁有的慣性品質、引力品質。而且,乙太處於一種超流態,而不同物質我們為什麼沒有見到他們處於超流態。
尤其是,乙太處於超流體才沒有組織宇宙天體的運動。按按照這樣的觀點——乙太是由正、反粒子對構成的虛玻色子的集合,是一種最基本、最普遍的玻色-愛因斯坦凝聚,那麼宇宙天體、我們周圍的任意宏觀物體也是有乙太構成的,那麼,為什麼這些宏觀物體之間不存在碰撞無阻力的超流態那。
特別是認為真空態的玻色子是無所謂品質,也無形狀、大小的“虛粒子”。這需要解釋。
有人認為,電荷是乙太中的“位元錯”。定量描述中,乙太分佈的均勻性,造就了全位錯柏氏向量的基量性,這就是電荷基量性的根本原因。這存在一個問題,這種位錯具有量子化現象嗎,是什麼原因產生的位元錯具有量子化特徵?為什麼這種位元錯只產生了電子電荷的1/3、2/3、1的倍數電荷量?
因為,我們都知道,在粒子物理中電荷具有量子化現象——所有粒子(誇誇——含有電子電荷的1/3、2/3倍除外)擁有的電荷量都是電子電荷的整數倍。
研究物理遇到問題,提出假設這是完全正確的,但不能人云亦云。
物理中的物,指的是客觀世界中的物質;理是道理是物質運動的規律性,類似於國人說的“道”。不具有物質客觀性的幽靈乙太是不存在的!
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