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诸空间观和光本性观辨析

2018-01-04  物理网文

诸空间观和光本性观辨析

张崇安

空间本性和光本性是物理学基础。历史上代表性的空间观有四类:1)牛顿绝对空间观;2)以太空间观;3)相对论、量子力学空间观;4)玄空间观。代表性的光本性观念也有四类:1)牛顿光本粒子观;2)麦克斯韦光本波动说;3)相对论、量子力学光本观;4)粒群波光本观。这些观念理不清,影响当代物理学的发展,也为玄学的滋生提供土壤,故去伪存真、去弱存强非常重要!

1 历史上代表性的四种空间观念辨析

凡深刻的物理学和哲学观念都要追溯空间本性问题。中国古代周易哲学中坤卦,就包含对空间的看法。到了宋代,张载明确提出“一物两体”说,他说:“两体者,虚实也,清浊也,聚散也,动静也”。虚、清、散、静就是关于空间的描述。在物理学中,牛顿最早定义空间;电磁论、相对论、量子力学也各有其空间观念。这些观念不协调、不统一、扑朔迷离!

1.1中国古哲学和牛顿的正确空间观

中国古代认为,世界是两种元素组成,称为阴和阳。空间就是阴,实物就是阳。阴和阳对立统一、和谐相处。在西方,古希腊也有原子论和虚空的说法。牛顿划时代的科学巨著《自然哲学之数学原理》中首要篇幅是对时间和空间的定义。他认为空间“与任何事物无关,处处均匀,永不移动。” 这个定义阐明空间:1)处处均匀同一,无此处、彼处之分,即空间无限大;2)空间不能和任何物体相互作用,相互转换,——这暗含着空间中不存在受力而不运动的物体;3)空间永恒静止。可以看出:牛顿空间很类似张载的清、散、虚、静空间观,是符合中国传统哲理的,集东西文化古哲理大成。

然而,大多数人没有理解牛顿空间。有人把牛顿空间和超距作用相联系,误认为牛顿空间就是有连续介质的以太空间。这显然是一种曲解:牛顿也承认空间并非虚空,甚至牛顿早期认为光是一种媒介波,只是后来,他经过分许多光实验分析,认为以太对于光是多余的。

为什么牛顿绝对空间观是三大力学定律、万有引力定律、各种守恒定律的基石呢?因为只有空间不和任何物体相互作用和相互转换,无限广大、绝对静止,才有惯性的存在和惯性参照系间的等价、相对性原理和伽利略变换、质和量的严格规定、数学语言的精确优美。故牛顿空间是一个万物统一衡量的背景。在实践上,几乎所有的科学技术成果在此背静下取得。

牛顿空间导出相对性原理和伽利略变换,要求速度服从矢量合成律,——这意味着光速也服从速度合成。于是,相对论“光速与源速无关的”光速不变原理就受到破坏;所以,牛顿空间和相对论空间格格不入。由于以太下的光速是标量,不服从矢量合成律,故承认牛顿空间就必然要否定狭义相对论。

1.2 麦克斯韦错误的以太空间观

以太空间在牛顿时代已出现,起源于光本性问题的回答。与牛顿同时代的惠更斯认为光本性是类似于水波、声波的介质波,这就必须假定一种介质布满于整个空间——以太。牛顿说和惠更斯说争论了好长时间,后来英国人托马斯·杨作了双缝干涉实验。因缺乏波长和频率概念的牛顿光粒子说对该实验解释无能为力,光粒子说走入低谷(这一实验非常机巧的显示出光的波动性一面,至今惟有粒群波能很好解释,其它解释都带来种种逻辑和实验的困境)。再后来,在麦克斯韦和赫兹的研究下,光波动说占了上风。

然而,人们很快发现,光是横波,意味着如果光是以太波,要求以太有远远高于水、铁等物质的密度和弹性模量,——这样的空间我们甚至不可能在其中走来走去!实验也丝毫未察以太阻力!在麦克斯韦理论中,机械以太变为电磁以太,以太化身为真空的磁导率和介电常数,但力学问题终不能回避!因为电磁场是有强弱的,意味着电磁场不是连续的,故而,电磁以太最终也面临制造巨大光速需要的以太媒介密度和弹性问题。以太的力学结构究若何?麦克斯韦终生探讨,终不得妙解。

十九世纪末的迈克尔逊-莫雷实验企图检验地球在以太中的漂移速度。然而,这一实验零结果给以太理论沉重打击!为解释此实验,相继出现地球带动以太说和狭义相对论时空缩伸说。由于前种解释在力学上带来更多麻烦,人们接受了狭义相对论。以太因狭义相对性原理的确立而在物理学中被划掉,取而代之的是时空随速度而缩伸的怪异现象。电磁学一方面要否定以太,一方面又要迎合相对论光速不变和量子力学波粒二象性,使得其单单在数学上就步履艰难[1]。

否定以太,关于“场”概念就有一个尖锐的问题:电磁场能在真空中整体运动吗?这个问题,历史上已有过激烈的争论。法拉第发现磁单极感应现象后,对“磁力线是否随磁体一起运动的现象存在着截然相反的看法”[8],法拉第认为:磁体转动时,它周围的磁力线并不随之运动;韦伯却认为磁力线随转动物体一起运动。显然,如果承认以太,场是以太的波动,由于以太充填了整个空间而不能整体移动,场也就不存在整体运动,于是,磁力线不随磁体运动;但在否认以太下,电磁场与源速间服从速度合成律,磁力线伴随磁体运动。粒群波观念认为:磁场的实质是空间中运动光子群,于是磁力线服从相对性原理而伴随磁体一起运动。

当代,相对论被驳得体无完肤 [2][3]。不少倒相者把目光又聚在相对论否定了的以太上,认为以太可能是合理的,应该把以太找回来。例如国内出现:真空物质、推迟论、真空信息、影子物质、太极子气、量子外力、标准时空论等观念。但各种以太观都要解决一个问题:即以太的力学结构问题。例如:以太与物体如何相互作用?如何解释以太传播巨大的、具有横波性的光而未被实验察觉?这些问题回答不了,以太理论终不能再生!

以太空间带来的矛盾是多种多样的。设想,如果空间中充满以太,一切物体的运动都要受到影响。则均匀、同一、无界、静止的那个牛顿空间就不存在了。相对性原理受到破坏、物体的惯性不成立、惯性参照系不存在、自然物体没有了严格的边界、没有直线、欧氏几何不存在、数目成为多余、物理规律不能用数学语言描述、宇宙万物运动会被静态的以太风阻碍而最终停止下来,科学研究失去了意义…。可见,以太并不优美!

1.3 相对论、量子力学难于理解的空间观

在相对论、量子力学中,空间成为次一级的概念。狭义相对论的空间可以随运动速度快慢而缩伸;广义相对论空间与物体的质量有关,大质量的物体周围空间弯曲度大;量子力学的空间则从测不准原理导出。根据测不准原理,物体的动量和位置不能同时测定,物体的位置愈要准确,动量愈起伏不定。于是,空间成为虚粒子涨落的海洋。狄拉克甚至认为:涨落海洋还不断创生基本粒子!

相对论、量子力学都有严格的数学关系,但数学背后的物理实在一直“无人能懂”[4]在这两大理论中,数学的身份要高于物理学。其空间观念也成为数学关系式的导出量。空间不再是基本的概念,而成为物体运动的附属品。与牛顿绝对空间观和麦克斯韦以太空间相比,相对论、量子力学空间观都断章取义,算不上是系统的空间观。

常理告诉我们,空间是个巨大的容器,容万物在其中运动。光速、测不准原理都是先定义空间和时间后才能定义的概念。而相对论、量子力学都冒了这种大不韪。

“空间自身的弯曲和空间随速度的缩伸”的概念把空间搞得异常复杂。人们不仅难以确认它的作用机理,而且数学失去了简单优美。量子力学虚粒子涨落空间观很难与物理学各种守恒定律相容,这种涨落是数学上的还是物理实质上的不明;是一种新以太观吗?也不明。不仅如此,相对论和量子力学彼此间也是矛盾:谁也理解不了弯曲空间、伸缩空间与涨落空间是一种什么关系?相对论认为光速是极限,而量子力学几率幅叠加却是“超距作用”!

相对论、量子力学把空间置于次要地位的做法,连同两理论创始人都感到棘手。其作为对十九世纪物理学出现裂痕后向二十一世纪过度的数学纽带有一定意义。然而,“皇帝的新装”终不能穿的太久!“无人能懂”不等于正确!当代,许多人对相对论、量子力学赖以建立的实验予以了新的解释[2-7],于是这两种不彻底的空间观念也即将成为历史。

1.4 充满迷信色彩的玄空间观念

还有一类空间观既非以太空间,亦非绝对空间。空间被描述的更加复杂,例如“四维空间和四维时间”、“真空信息”等等。把各种难以解释的现象归罪于空间,空间成为“万罪之源”!可称为“玄空间观”。这类空间观大多用一些更加抽象的数学关系描述,凭空想象而不关注实验。反正你也不理解空间,实验也做不到那么细腻,说空间有“十几维”,你也说不出个是非!——这类空间的复杂程度更甚于相对论、量子力学。

三维空间简单优美,而且三维就够了。一些难以解释的涉及空间现象可以从粒子微小细腻处去处理。例如,暗物质、暗能量可以从光子具有质量去解释,没有必要非得从空间自身去挖掘。“子不论怪、力、乱、神”。还是少假设怪异,多崇尚简单为好!

2 光本性观念讨论

光本性问题与空间本性密切相关,是物理学焦点,也是揭开自然之迷的钥匙。现代物理学的三大支柱:电磁论、相对论、量子力学都直接或间接受之左右。正确分析之非常重要!

2.1牛顿原则上正确光本粒子观

牛顿是光学研究集大成者。他对光本性研究了几十年。最初他认为光类似水中行驶的船只,能激起以太涟漪,但经过几十年的思考后,他最终认定光是粒子流。

牛顿光本观与其绝对空间观一脉相承。因为牛顿很容易察知:如果把光看成类似于声波的介质波,绝对空间观念就会受到彻底破坏,威胁到三大力学定律的存在。故他必须选择光本粒子观。由于牛顿物理观念是一个统一体系,其光本粒子观原则上是正确的。

但牛顿光粒子观也有不足。例如牛顿未给出光的波长、频率分析,他对以太也予以不彻底保留。还有,牛顿认为引力是超距作用,使得后来许多人把绝对空间误解为以太空间,张冠李戴,光本性问题更陷入糊涂!

2.2 麦克斯韦错误的光本介质波动观

光本波动观最早起源于惠更斯的研究。惠更斯与牛顿争论的焦点是:光是类似声波?还是类似子弹流?杨氏干涉出现后,光波动说占了上风!

麦克斯韦本人是以太的肯定者。但他对以太的研究一直没有合理的结论。以至于他的真空磁导率、介电常数处于无米之炊、无源之水的状况。二十世纪初,当人们发现光为横波后,光以太说陷入困境。根据常理:波速愈快,要求介质的密集度和弹性模量愈大,巨大的光速要求以太有极高的密集度和弹性模量,使得我们根本不可能在房间内走来走去。另外,十九世纪末,企图检验地球在以太中漂移速度的迈克尔逊-莫雷实验零结果也等于否定了以太。迹象表明:承认以太的光本波动论,原则上是错误的。

2.3 断章取义的相对论光本观

迈克尔逊-莫雷实验出现后,有两种解释:一种是地球带动光以太的办法,但这种解释带来更多的麻烦:难道江河、汽车、分子、电子就不能带动以太吗?第二种解释是狭义相对论。保持了光速不变,却扭曲了时空。狭义相对论除了认为光速是极限外,几乎没有谈及任何光本性问题。由于该理论立足于矛盾的两基本假设[9],其光本性观念也就自然不成体统。

2.4 逻辑不自恰的量子力学光本观

量子力学起源于杨氏干涉、黑体辐射、康普顿散射等实验。它糅合了下述观念:1)承认光的波动性一面;2)承认光的粒子性一面;3)否认以太空间;4)否认绝对空间。成为“四不象”。看似简单数学关系式: , 背后的物理实在一直“无人能懂”[4]!

量子力学引进了个“几率波”概念。并企图用几率幅叠加来解释波粒二象性。然而,陷入“不能用任何经典语言描述”的困境[13]。该解释还带来的贝尔不等式、薛定谔猫,电子分身术、超距作用等一系列困境。则其光本性观念也是不成体统的。

2.5 粒群波光本观念

承认绝对空间,承认万物由微小粒子组成,当粒子聚合成规则间隔的群,并沿一定方向等速成列运动时,群的密集度或边界呈现出一种规则的此起彼伏变化,可用波动方程描述,称为粒群波。电磁场就是空间中运动光粒子群密集度变化的函数。

电磁波的粒群波方程为:

                    (1)

其中,C为光子群相对于其源的速度,V为源相对于考察参照系的速度。 就是速度合成。

粒群波是由粒子群构成的立体波,根据粒子群空间结构和密集度的不同,有平面波、球面波、柱面波和较复杂的高斯光束等,例如图1、2所示。

把电磁波本性看作光粒群波,具有下列优势:

1)  可以很好解释扬氏干涉、迈克尔逊-莫雷实验、康普顿散射类实验[5-7]。

2)  可以消除经典电磁波理论中的数学困境、电磁波能量上的困境[5-7]。

3)  可以摆脱以太而很简洁地解释光的横波性[5-7]。

4)  可以自然地把光的粒子性和波动性统一。摆脱相对论、量子力学的困境。


     接收屏蓝移

 激光枪       光子群  

               

       V      C  

地            面

 

图1运动小车光子群速度合成呈现多普勒蓝移

 

 

       光子群环     接收屏

Y                     C

 

} λ{

    点光源       

                         X

    图2 椭球面光粒群波

3 光速问题

3.1 以太空间下的光速与源速无关错误观念    

光速与源速有关还是无关?是判明光本性是波动还是粒子的一个根本依据。

我们注意到:现有波动力学中,忽视了介质整体运动时的情况:波动方程速度项均为标量。事实上,如果介质整体运动,介质波速是矢量,服从矢量合成法则。例如:以速度为的匀速运动列车上的声波,在铁路边考察时,向前运动的声音要比向后的快。波动方程为:

             (2)

代表空气中的音速,约311米/秒; 是以地面为参照系时列车内声波强度变化的三维量;项是速度矢量合成。可以看到:方程(2)和方程(1)在数学上形式相同,即介质整体运动时的波动方程数学形式与粒群波源运动时的形式相同。

但是,如果认为光本性是以太波,上述速度合成项不存在。这是由于以太在宇宙中传播各种光振,必布满于整个空间,不可能再有多余空间供其整体运动,方程(2)中 项不存在,即光速与源速无关。

3.2历史上诸多光速测定值为恒值说明了什么

历史上许多实验测出光速近于30万公里/秒。于是有人认为光速与源速无关,是个恒量。其实,因大多数测定采用回路法,正好抵消了光速与源速的合成[2][5][6][8]。测定的值恰好就是光相对于源的速度。这类实验支持光粒群波观念。

3.3 光速与源速服从速度合成的光粒群波观念

承认绝对空间,就得承认速度的合成律。考虑光常常呈现出波动的一面,把部分光波的本性看作是规则大小、规则间隔的光子群列观念较为妥当。于是光速不仅与源速有关,而且与源速间服从速度合成。物理学又回到简单、和谐、统一!

4   光子群流和光子海洋概念

4.1光子质量和光子海洋概念

根据万有引力和电磁场的实存,宇宙空间并非完全真空,而是充满大量粒子。由于光子既有质量和动量,又是光的直接载体。故所谓的“以太”迹象应该是光子在空间中的存在。

在康普顿散射实验中,如果假定与石墨散射体单个电子发生作用的是单排光子流。根据经典力学可导出新的康普顿散射式,并认为旧康普顿散射式在数学上成立。据此,可导出光子质量 、光速相对于其源常数C、普朗克常数h 间的关系式为( 为单位秒): 。计算出光子质量的较精确值为:3.68625163×10-51千克[5-7]。

又不少人证明引力、核力是电磁力[11-12]。研究人员还估计,一只100瓦的白灼灯每秒发射出1020个光子。说明宇宙中分布有大量高速运动、有质量、动能的光子流。当光子遇到天体时,被发射、反射、折射为光子群流,如同地球上的江河。大量的光子群流在宇宙中交织汇合,又形成巨大的光子海洋。其可以施力于物体,也可被物体作用而发生局部改变。

由于光子有质量和动量,光子海洋蕴涵巨大的质量和能量。由此可以解释暗物质、暗能量起因。又由于光子海洋中的高速运动光子流可以给任何两物体以靠近的挤压力,由此可以探讨引力的起因。

4.2承认光子海洋和否认以太

不能把光子海洋与以太概念相混淆。两者有本质的区别:

1)光子是光波的直接构成体。就如同氢、氧分子是空气的构成体一样;以太被认为是光的传播媒介,如同声音和空气的关系。因此,光子海洋本身就是光的组成体,而以太是光的介质,是一种独立于光的东西,二者有本质的不同。

2)以太被认为可以自由进出物体内部,有极高的密度和弹性模量,不能被物体发射、折射、反射;而构成光子海洋的光子可以进入物体,转化为物体的组成部分,并能被物体发射、反射、折射。

3)光子海洋中的光子相对于源(次源)以光速常数C高速运动,质量虽小,动量却大,且服从惯性原理。而以太微粒呈大范围静止状态,一般不对物体形成冲力。

4)光子群流能被物体带动,速度可以与源速进行矢量合成;而以太能否被物体带动?在理论和实验上都很模糊。以太下的光速是标量,不是矢量。

5)光子海洋有质量和冲力,可以直接利用此探讨暗物质、暗能量、引力的起因;而以太概念下暗物质、暗能量、引力的起因模糊。

因此,应当承认光子海洋而否认以太。这样,在牛顿绝对空间基础上,又增加光子海洋概念做补充。物理图景变得丰富而灵活。这也属于辨证的空间观念和光本性观念!

参考文献

[1]宋文淼《现代电磁场理论的数学基础——矢量偏微分算子》,北京,科学出版社,1999。

[2]郝建宇狭义相对论自我否定剖析,《时空理论新探》,地质出版社,2005.10,3-20

[3]Xu Shaozhi,No one can save LorentzTransformation,Apeiron,v.7 ,No.1~2,2000

[4]卢鹤绂《再释量子力学哥本哈根“正统理论”》,上海,《自然科学年鉴》1989年卷,2.1。

[5]张崇安《自然界广泛存在有非介质传递的波》,北京,卢鹤绂格物研究所《格物》NO3,2003.12207-214

[6]张崇安《光本性研究的历史与前景》,北京,原子能出版社《现代物理及其应用》2004,494-497

[7]张崇安《用光粒群波解释杨氏干涉和康普顿散射》,成都,西南交通大学出版社《数学·力学·物理学·高新技术研究进展》——2004(10)卷250-255

[8]张元仲《狭义相对论实验基础》,北京,科学出版社,1979,14,22-58,90-123

[9]郑辁《现代物理学问题——相对论质疑》,北京,学术出版社,1991,1-100

[10]张崇安狭义相对论两条基本假设是互相矛盾的,《时空理论新探》,地质出版社,2005.10,220-222

[11]谭启蔚.引力的本质与广义相对论若干问题.北京:地震出版社.相对论再思考.251-252

[12]耿琦.引力、核力与电磁力的统一.陕西人民教育出版社,2003.2,131-181

[13]杨福家.《原子物理学》,北京,高等教育出版社,1991,218-328、325

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