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斐索流水实验揭示的五个时空奥义

2020/11/09   維加斯新聞報
張宏

一 斐索流水测光实验历史概述
    斐索流水实验是阿曼德·斐索1851年进行的一项实验。他在本实验中，使用了一台特制的干涉仪测定了光在运动的水中的相对速度。
基于当时盛行的理论，在运动介质中传播的光会被介质拖动，导致最终测到的光速是光和介质的相对速度与介质运动速度的和。斐索在实验中探测到的拖拽效应比预期弱了很多。他的结果在当时被看作是奥古斯丁·菲涅耳的“以太部分拖拽假说” 的证据，但直到半个多世纪后才通过阿尔伯特·爱因斯坦发展的狭义相对论得到完满的解释。爱因斯坦本人认为该实验对于狭义相对论非常重要。
下图中，从右侧光源S′发出的光线被分光镜G反射后成为发散光，经透镜L聚焦为两束平行光。两束光线在通过狭缝O1和 O2后进入管道A1和A2。两个管道分别按照箭头所指的方向通入水流。在透镜L′焦点处放置的平面镜m在图中最左侧。最终两束光线会在图中最右侧S处会聚，形成干涉条纹。干涉条纹可以用来分析水管中的光速。
     假设管中水流速度为v。当n是水的折射率时，静水中的光速是c/n。实验发现，逆着水流传播的光速c逆水会比顺着水流传播的光速c顺水慢。观察者看到的两束光重新会聚形成的干涉条纹取决于两束光的光程差。它可以用来确定光速与水速之间的函数关系。斐索发现
c顺水=c/n+v(1-1/n2)=c/n+v-v/n2
此函数公式表明，光顺着水流时的光速，并不是c/n+v，而是还要减去v/n2。
    1910年，弗朗茨·哈雷斯（Franz Harress）使用了可以旋转的仪器来确认菲涅耳拖拽系数。不过，他发现数据存在“系统性的偏差”。后来他发现这是由萨尼亚克效应造成的。从那时起，许多测量拖拽系数的结果也都伴有萨尼亚克效应的影响。比如，使用转盘与环形激光的实验或者中子干涉实验。此外，相关研究人员还发现了垂直于光运动的介质产生的横向拖拽效应。
    费尔特曼1870年提出对于不同波长的光，对应的拖拽系数并不相同，因为不同色光的折射率不同。马斯卡尔则在1872年测定双折射介质中偏振光的情况时也得到了类似结果。
尽管这些物理学家都对菲涅耳的以太部分拖拽假说表示不满，但这种假说还是得到了其他科学家在更高精度下的验证。
    以太部分拖拽假说除了本身有问题之外，还与迈克耳孙-莫雷实验（1887）的结果并不兼容。在菲涅耳的假说里，以太几乎绝对静止，所以通过迈克尔孙-莫雷实验应该能得到以太存在的证据。但迈克尔孙-莫雷实验的结果表明绝对静止的以太不可能存在。从以太模型的角度来说，当时的实验结果之间存在很大的分野：一方面，光行差、斐索实验以及后续重复实验支持“以太部分拖拽模型”；另一方面，迈克耳孙-莫雷实验则支持以太相对于地球完全静止的“完全以太拖拽模型”。由此引起的理论危机直到狭义相对论出现后才得到解决。
    1895年，洛伦兹基于局部时的概念给出了菲涅耳系数更为普遍的解释。然而，洛伦兹的理论与菲涅耳的理论具有相同的基础问题，即不能与迈克耳孙-莫雷实验的结果相调和。所以洛伦兹在1892年提出了运动物体会在运动方向上发生长度收缩的假说（乔治·斐兹杰惹也在1889年提出类似假说）。他后来又继续发展能够描述这些效应的方程。最终的方程组后来叫做“洛伦兹变换”。这个方程组与爱因斯坦后来从第一性原理推得的方程组形式相同。但与爱因斯坦的方程组不同的是，洛伦兹的方程组只是特例假设，也就是说它们只是为了使已有的理论成立才设立的。
爱因斯坦后来展示了洛伦兹的方程组如何从狭义相对论的两条公设推出。除此之外，爱因斯坦还认定静止以太在狭义相对论中没有存在的必要，并且洛伦兹变换与时空本身性质有关。与移动中的磁铁与导体问题、以太零漂移实验以及光行差问题一样，斐索实验是促成爱因斯坦形成相对性思想的关键实验结果之一。罗伯特·尚克兰与爱因斯坦曾经有过几次交流。爱因斯坦是这样强调斐索实验的重要性的：他接着说道，对他影响最大的实验结果是天体光行差的观测以及斐索对于流动的水中光速的测定。“有它们就足够了。”他这样说。
马克斯·冯·劳厄在1907年展示了菲涅耳拖拽系数可以通过相对论中的速度加成式推出：
     静水中的光速为c/n。根据相对论速度加成式v加成=（v1+v2）/（1+v1v2/c2），可以得到，实验室中观测到的流速为v的水流中光速（光的传播方向与水流方向一致）为：
c顺水=（c/n+v）/[1+(c/n）v/c2]=（c/n+v）/[1+v/（cn)]
因此速度差为（假设v相对于c非常小，可以在高阶项中省略）：
c顺水-c/n=（c/n+v）/[1+v/（cn)]-c/n={c/n+v-（c/n）[1+v/（cn)]}/[1+v/（cn)]
=v(1-1/n2)/[1+v/（cn)]≈v(1-1/n2)
此式在v/c ≪ 1成立，并与斐索得到的方程一致（斐索实验满足v/c ≪ 1）。
斐索实验也因此可以验证爱因斯坦速度加成式在合成速度共线的情况下成立。
二 斐索流水测光实验隐含的时空奥义一
斐索公式：c顺水=c/n+v(1-1/n2)=c/n+v-v/n2
相对论速度合成公式：c顺水=（c/n+v）/[1+(c/n）v/c2]=（c/n+v）/[1+v/（cn)]
n为折射率，n=c/c，c为介质中的光速，v为介质的运动速度。n的取值范围理论上为从1到无穷大，因为c小于等于c。
     当n=1时，表示真空介质的折射率。此时按照斐索公式，c顺空=c/n+v(1-1/n2)=c。按照更精确的相对论速度合成公式，c顺空=（c/n+v）/[1+v/（cn)]=c。c顺空与真空介质的运动速度v无关。于是得到时空奥义一：无论真空介质如何运动，真空介质对光速都毫无影响，真空介质丝毫不能拖拽光波。而真空介质的运动，其实就是所谓的以太风。所以，斐索实验和相对论同时都证明了以太风对光速毫无影响。因此，爱因斯坦认为，以太没有存在的必要。同时也意味着，用MM实验测量以太风对光速的拖拽，是毫无意义的。
     当n大于1时，表示一般物体介质的折射率。此时按照斐索公式，c顺介=c/n+v(1-1/n2)<c。按照更精确的相对论速度合成公式，c顺空=（c/n+v）/[1+v/（cn)]<c。c顺介与物体介质的运动速度v有关。说明物体介质运动，对物体介质中的光速有一定拖拽，但不是完全拖拽。
     在MM实验中，用c+v，c-v，以及（c2-v2)1/2，都是错误的和毫无意义的。按照斐索公式，c+v=c，c-v=c，以及（c2-v2)1/2=c，因为只要真空的折射率n=1，v就相当于永远是零。即使所谓的以太，以光速运动，对光波的速度都毫无影响。
  三 斐索流水测光实验隐含的时空奥义二
那么一个以速度v运动的观测者，所测到的光速，还是c吗？下面列举两种现象作为对比。这两种现象都导致了旁观者看到了同样的相对速度。
现象一，运动观测者以速度v沿着光子的方向运动。在静止旁观者看来，运动观测者与光子的相对速度是（c-v）。
现象二，透明介质A处于静止，折射率n=c/(c-v)。在静止旁观者看来，透明介质A与光子的相对速度是（c-v）。
     根据现象一与现象二，似乎可以引申理解，而得到时空奥义二：以一定速度匀速直线运动的观测者与静止的透明介质A等价。就好比，以一定加速度加速运动的观测者与静止在引力场等价。也就是说，运动的物体或观测者，相当于融入了某种透明介质中。且运动速度越大，相当于所融入的透明介质的折射率越大。
  四 斐索流水测光实验隐含的时空奥义三
     观测者以速度v运动，相当于观测者静止于折射率为c/(c-v)的透明介质中，并且观测者自身和工具与透明介质充分交叉融合。观测者与工具静止并融合于透明介质中时，观测者的钟和尺子会发生钟慢尺缩吗？
     假设，观测者以近光速追光或迎光，相当于观测者进入一个极高折射率的高密度透明介质中并静止于介质中。在旁观者看来，光速在介质中确实慢如蜗牛，相当于光速相对介质中的观测者慢如蜗牛。那么融入这个高密度透明介质中的观测者，他（假设他还活着）所观测到的光速，也是慢如蜗牛？还是仍然为c？我们似乎可以这样认为，观测者融入高密度介质后，观测者和观测者的钟和尺子，都变得更致密而缩小了，连时钟也被凝固了一些，因此导致钟慢尺缩。结果是，融入高密度介质中的观测者，仍然会认为光速是c，而不是慢如蜗牛。
     所以，从斐索实验，可以引申出时空奥义三：无论观测者如何运动，所观测到的真空中的光速，永远不变。这就是光速不变原理。
     上述的时空的三个时空奥义，是根据斐索实验和斐索公式就可以直接推理得到的，不需要相对论。而爱因斯坦就是根据斐索实验，提出了自己的一套理论，完美解释了斐索实验。爱因斯坦的以太无存在必要，对应时空奥义一（真空介质丝毫不能拖拽光波）。光速不变，对应时空奥义三（光速不变原理）。而对时空奥义二（运动的观测者与静止的透明介质A等价），爱因斯坦丝毫未曾提及（也许是忽略了），这就导致大众在理解相对论时，丢失了一个逻辑链条。这个逻辑链条就是时空奥义二。而时空奥义二，才是斐索实验所应该揭示的极其重大的问题，但被相对论忽视了，也导致人类对时空的理解出现了重大纰漏。
     让我们猜测一下，爱因斯坦当时是如何直接从斐索实验得出光速不变原理的。斐索公式：c顺水=c/n+v(1-1/n2)=c/n+v-v/n2。n=1表示真空介质的折射率，此时c顺空=c/n+v(1-1/n2)=c。这说明c顺空与真空介质的运动速度v无关。更清楚的阐述是，假设有一块巨大的真空介质笼罩了观测者和光束，观测者静止于地面，观测到静止真空介质中的光速是c。当这块巨大的真空介质相对地面以速度v运动时，也意味着这块巨大的真空介质以速度v穿透观测者，此时观测者测到的光速还是c。这种假设是根据斐索公式在n=1时得出的，因此是可靠的，合乎逻辑的。针对这句话，当巨大的真空介质以速度v穿透观测者，此时观测者测到的光速还是c，会得出一个推论：当观测者以速度v在真空介质中穿行时，此时运动观测者测到的光速还是c。即观测者无论如何匀速直线运动，所测到的光速永远不变，这就是光速不变原理。爱因斯坦得出光速不变原理的逻辑链条，如果真是如此的话，还真没有毛病。但是普通大众会有所费解，比如，追光的运动观测者究竟中了什么邪，会认为光速不是c-v，而是c？或者迎光的运动观测者究竟中了什么法术，会认为光速不是c+v，而是c？对于某些愚昧的普通大众来说，答案是这样的：运动的观测者被邪术封印了，封印到了折射率大于1的透明介质中，因此认为光速还是c。对于不愚昧的、被科学武装了头脑的普通大众来说，答案是这样的：运动的观测者被真空介质全方位的灌入和穿透，导致运动观测者自身的原子内部电场被禁锢，相当于融入到了折射率大于1的透明介质中，因此认为光速还是c。
  五 斐索流水测光实验隐含的时空奥义四
     时空奥义二：以一定速度匀速直线运动的观测者与静止的透明介质A等价。就好比，以一定加速度加速运动的观测者与静止在引力场等价。对比一下，静止在透明介质中，与静止在引力场。那么问题来了，静止在地面，受到的是引力场而且是向心力场。那么静止在透明介质中，受到的是什么力场？也是某种向心力场吗？答案是肯定的，透明介质中的力场就是电场，电场也是向心力场。在透明介质中，分子间有核外最外层电子的电场并形成共价键或离子键，原子中的所有核外电子都处于指向原子核的向心电场之中。
     又有一个重大问题，同样是向心力场，引力场对应加速运动（有外力作用），电场对应匀速直线惯性运动（无外力作用），这种区别意味着什么奥妙吗？
     光波是波动的电场，因此光波遇到向心电场会受到部分拖拽。类似的描述是，声波是波动的空气，因此声波遇到空气风会受到完全拖拽。这两者的原理是相同的，只不过光波遇到的传递介质是真空介质和物体介质的混合体，而声波遇到的空气介质不包含真空。进一步推理，光波是波动的电场，当光波进入没有电场的真空时，丝毫不受真空拖拽，保持原速运动。而声波是波动的空气，当声波进入没有空气的真空时，声波几乎停止或几乎消失。两者一对比，我们就会发现，真空中几乎没有空气，但真空中一定有相同密度的无力电场（虚电场，或叫虚光子海洋）。因此，电场就是向心流动的虚光子海洋，暂时也可认为电场就是向心流动的真空。
     介质中的电场是正负交替的，或者总体电荷是零，这导致光子虽然在介质的原子之间窜跳式前进，但光子的平均速度不变。也就是说，光子在介质中遇到向心电场（正电场）会加速运动，但是遇到向外电场（负电场）会减速运动，光子在介质中离开向心电场（正电场）会减速运动，但是离开向外电场（负电场）会加速运动，所以平均下来，光子还是匀速运动。对于非离子介质，以及宏观星体来说，正负电荷数相等，所以自然界中，除了雷雨闪电、摩擦生电、地震和地球磁场，空气中再没有可感应到的强大电场。普通物质都能对电场产生一定的屏蔽能力，就是因为普通物质中有正负电荷且正负电荷数相等。
     同样是向心力场，引力场对应加速运动（有外力作用），电场对应匀速直线惯性运动（无外力作用），这种区别意味着什么奥妙吗？经过上述分析，答案就有了。因为电场一般都是正负对等分布（导致平均匀速），而引力场一般都是正反不对等分布，即正引力远远大于反引力（导致匀加速）。由于质子的质量是电子的1836倍，所以在原子中，电场和引力场的分布情况大概是这样的：向心电场（正电场）=向外电场（负电场），向心引力场=1836倍向外斥力场。电荷是量子化的，电量是正负1的整数倍。质量不是量子化的，质量是连续的，而且还存在比电子质量更小的粒子。同样是向心力场，电量有正负，质量一定也有正反。因此暂时勉强引入质荷概念。正质子拥有一个正电荷，同时也拥有一个正质荷（万有引力）。负电子拥有一个负电荷，同时也拥有一个反质荷（万有斥力）。在一般的自然界中，正电荷数=负电荷数，正质荷数=1836倍负质荷数，而且一个电子的电荷力远远大于一个电子的万有斥力。因此在自然界中，一般观察不到万有斥力，只能观察到比万有斥力大1836倍的万有引力。
     于是有时空奥义四：存在万有斥力，即反引力，其大小是万有引力的1/1836。时空奥义四，是在时空奥义二（以一定速度匀速直线运动的观测者与静止的透明介质A等价）的基础上推演出来的。而相对论忽略了时空奥义二的存在，导致人类在探索反引力的过程中，失去了基础理论的有力支撑，而止步不前。那么，如何扩大万有斥力效应？按照相对论的运动质增效应，让带有正引力的原子核静止，让带有反引力的原子最外层电子的速度提高到接近光速，使电子的质量增大1836倍以上，就可能实现原子中的正反引力场对等平衡。我们已经知道，如果物质中的原子保持正负电场对等平衡，那么该物质将不受外加电场的作用。同理，如果物质中的原子保持正反引力场对等平衡，那么该物质将不受外加引力场的作用，将实现悬浮。
六 斐索流水测光实验隐含的时空奥义五
   斐索公式：c顺水=c/n+v(1-1/n2) 。对于该公式我们可以这样理解，光场在真空中的速度是c，现在光场进入介质电场中，速度下降为c/n。相对而言，介质电场在真空中的总体速度是v，现在介质电场进入某未知场中，速度下降为v(1-1/n2) 。这么理解是可以的。现在我们想知道，介质电场所进入的某未知场，是什么场？介质在真空中的速度是v，现在介质进入匀速运动场（惯性场）中，速度没有下降，还是v。按照相对论，因介质的运动而导致的介质的可观测速度虽然也下降了，但是由于介质的运动速度太低，这种速度的下降幅度可以忽略不计。所以我们可以近似认为，当介质相对真空以低速v运动时，介质的可观测速度还是v。但是介质中的电场就不同了，介质中的电场出现了不可忽略的降速，降到v(1-1/n2)。所以导致介质电场降速的，一定不是相对论效应，而是某未知场。对比一下，运动光场进入电场而降速，运动电场进入某未知场而降速。这个某未知场，一定是光场。所以，运动介质中的光速=静止电场中的光速+运动电场的速度。即，运动的电场完全拖拽了光速，因为光波是电场的波动，所以电场能完全拖拽光波也是合乎逻辑的。但是透明介质不完全是由电场构成，还有惯性场等其它场，因此透明介质不能完全拖拽光波。其中，静止电场中的光速=真空中的光速/电场对光速的折射率n。运动电场的速度=运动介质的速度/光场对运动介质的折射率。光场对运动介质的折射率=n2/（n2-1）。于是得到时空奥义五：光场不能使介质降速，但光场能使介质中的电场降速，使得运动介质与运动介质中的电场出现速度差，这个速度差=v/n2。这使得利用激光来控制原子的运动，具有了理论基础。同时，也把折射定律的使用范围扩展了，即，不仅透明介质能折射运动的光，光也能折射运动的物体。
     光能使电场的各种变化慢下来，其实这就是量子力学的观察者效应，即，当利用光波来观察粒子的量子叠加状态时，光波能使粒子的量子叠加状态立即塌缩为确定的单一态。如果我们说，量子叠加态是一种虚像，而光波这种透镜能把虚像聚焦为实像，实像就是确定的单一态。电场能
     根据斐索公式：c顺水=c/n+v(1-1/n2) 。真空介质对光的折射率是1，这导致真空介质的运动对光速毫无影响。若某介质对光的折射率趋近无穷大，则光近似于固定在介质中不动。
     根据光场对运动介质的折射率=n2/（n2-1），把n=1代入此式，则得出光对真空介质的折射率为无穷大。由于光对真空介质的折射率是无穷大，这导致光的运动对真空介质产生了无穷大的影响。若光对真空介质的折射率为无穷大，则真空介质必固定在光中不动。由于光是往复振动的电场，则真空介质必定同步跟随电场进行往复振动，而真空介质的往复振动或者说真空介质的往复流动，必然产生振动的传播，传播速度就是光速。电场能使真空介质同步运动，说明电场对真空介质的折射率为无穷大。反之，真空介质对电场的折射率必为1。这导致真空介质的运动对电场毫无影响，这就是电荷不变原理。真空介质的运动对电场的波动自然也毫无影响，这就是光速不变原理。所以说，电荷不变原理，和光速不变原理，本质上就是电场不变原理，即，无论电场如何运动、如何波动都丝毫不受运动的真空介质的影响。
     既然真空介质对光场和电场的折射率是1，那么真空介质对惯性场的折射率是多少？
     电磁波场，电场，都是直角矩形的双轴子弹陀螺群。引力场，是圆规形的双轴子弹陀螺群。所以，规矩，就是对引力场和电场形象的高度概括与象形。
     从时空奥义一，可以推出，光波，是矩形双轴子弹陀螺群。
     从时空奥义二，可以推出，当虚光子群呈现双轴矩形时，具有双向定位能力时，才能对物质产生作用，形成光场、电场、介质电场，而对物质发生作用。当虚光子群大于或小于直角时，失去定位能力，也就不对物质产生作用了，可以当作不存在。所以，虚光子海洋的一个特性是，矩形或方形的虚光子群，具有定位或保持位置不动的能力，并因此而具有对物质产生实质作用的能力。地之方，指的就是电场、电磁光场、物体电场的定位定方向的能力。
     以一定加速度加速运动的观测者与静止在引力场等价。据此，也可以推出，加速运动的物体，能使矩形虚光子群失去直角矩阵，从而失去对物体的作用力。此时，由以太风接替虚光子风，独立对物体产生作用。物体加速运动，必然使直角虚光子矩阵，变成锐角，使虚光子作用力失效。而以太风，由匀速时的平行风，变成锐角风，形成类似引力的加速力。
     也就是，物体匀速直线运动时，虚光子群以电场形式作用于物体，使物体如同置身于透明介质中（折射率与物体运动速度正相关），此时以太风对物体无作用（即惯性阻力为零）。当物体加速运动时，虚光子群丧失对物体的作用，透明介质的封印解除，此时以太风对物体发生作用（惯性阻力F与加速度a正相关）。
     想像一下，当物体匀速惯性运动时，本该受到以太风的阻力而自动减速，但前面自动出现一个直角矩形箭头（由虚光子群构成）。该直角矩形箭头具有定速定向能力，使物体能继续保持匀速直线运动，也使光波能继续保持匀速光速直线运动。当物体加速运动时，直角矩形箭头因为变成锐角圆规形箭头，而失去定速定向能力，这时以太风直接作用于物体，产生F=ma的惯性阻力。说明匀速平行以太风，无法对物体产生阻力作用。向心以太风、加速平行以太风和向心虚光子风，能对物体产生力的作用。其中，向心以太风、加速平行以太风，产生万有引力和惯性质量力，其力的大小，远远小于向心虚光子风的作用力。向心虚光子风，产生电场力。而平行虚光子风和平行加速虚光子风，由于虚光子的滚动摩擦作用，对物体没有力的作用，不会阻挡物体前进。
     使物体能保持匀速直线惯性运动的，是虚光子群。使物体受外力才能加速运动的，以及使物体具有惯性质量的，是以太风。虚光子海洋，是无粘不可压缩流体，无粘属于滚动摩擦，平行流动时对物体有定速定向能力，只有在向心运动时才能对物体产生作用力（电场）。所以，虚光子风之力，属于心丁之力，心能入定（地丁之力），其象为方为矩，其字为丁为口。以太风，是超粘可压缩流体，超粘属于滑动摩擦，匀速平行流动时对物体作用力被虚光子心定之力抵消，只有在锐角向心和加速运动时才能对物体产生作用力（引力），同时能改变圆周率，属于胃戊之力，胃能囊括（天戊之力），其象为圆为规，其字为戊为甲骨文五。宇宙太空之以太旋涡和以太龙卷风，具有宏观尺度，半径巨大，因此称为天圆。星体之以太旋涡和以太龙卷风，只具有微观尺度，半径渺小（即虚光子），能自组织为矩形或T形，因此称为地方。所以，天圆配以太风，地方配虚光子风。规矩方圆，是对真空场或虚空的象形概括。