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如何理解以太

孟庆勇 编著

    自以太(ether)概念提出以来,在科学历史发展的不同时期人们对于以太有着不同的理解,直到今天人们对于以太仍有许多种不同的理解,以太问题成为目前物理学界乃至哲学界学术讨论的一个焦点。以太问题迟迟得不到解决,严重阻碍了物理学的发展,已经成为发展物理学的最大障碍。本文搜集和整理了一部分有代表性的以太观点的历史资料,从这些历史资料中我们可以获得对以太认识的有意义的启发。
    以太概念最早是由古希腊哲学家亚里士多德(Aristotle,公元前384~公元前322)提出的,以太最初被指为青天和上层大气。亚里士多德认为运行的天体是物质的实体,地球是宇宙的中心;地球(下界)和天体(上界)是由不同的物质组成,地球上的物质是由水气火土四种元素组成,而天体是由第五种元素“以太”(占据天体空间的物质)构成。亚里士多德反对原子论,不承认有真空存在。
    17世纪的R.笛卡儿(Rene Descartes,1596~1650)是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家。他最先将以太引入物理学,并赋予他某种力学性质。在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。他认为物质充满空间,即不存在真空,要说有一个绝对无物体的虚空或空间,那是反乎理性的,他又认为物质可以无限分割, “宇宙中并不能有天然不可分的原子或物质部分存在”,“要是世界充满了坚硬的微粒,它们既不能屈缩让位又不能分割,就像人们所描述的原子那样,那么运动就是不可能的。”他还认为空间是无限的(世界的广袤是无限定的),并且肯定物质世界的统一性与多样性(天上和地下的物质都是一样的,而且世界不是多元的,物质的全部花样或其形式的多样性,都依靠于运动)。因此恩格斯在《反杜林论》中称赞笛卡儿是辩证法的卓越代表人物之一。笛卡儿的方法论对于后来物理学的发展有着重要的影响。笛卡儿用以太旋涡模型第一次依靠力学而不是神学解释了天体、太阳、行星、卫星、慧星等的形成过程。他认为天体的运动来源于惯性(沿轨道切向)和某种宇宙物质,以太旋涡对天体的压力,在各种大小不同的旋涡的中心必有某一天体(如太阳),以这种假说来解释天体间的相互作用。不过,“笛卡尔以太”模型中的以太是静止不动的,而且与周围实体没有任何关系,它只起着传递实体间相互作用力的作用。
    之后莱布尼兹(Leibniz,1646~1716)发展了笛卡尔以太学说。莱布尼茨觉察到了“笛卡尔以太”模型中的困境,为了使“以太”能够运动起来,莱布尼茨便从东方的“元气”学说中“移植”过来元气有聚散、屈伸等观念。他认为,以太“实际上并没有根本的坚硬性,相反地,流动性倒是根本的”。关于以太为什么可以“流动”,在莱布尼兹看来,是因为以太本身具有“活力”。即运动是来自物质的运动,亦即中国古代哲学“气一元论”的“动非自外”的观点。气一元论(元气论)认为,这个世界上没有超自然的造物主和万能的主宰,所以,一切都是自然、自在和自为的。气是不断地运动着的物质实体,是世界万事万物的本原(或本体),为宇宙天体和天地万物统一的物质基础。运动是气的根本特性,阴阳是气的固有属性,气是阴阳的矛盾统一体,气的胜复作用即阴阳的矛盾运动是物质世界运动变化的根源,气聚而成形,散而为气,形(有形)与气(无形)及其相互转化是物质世界存在和运动的基本形式。物质世界在阴阳二气的相互作用下,不断地运动变化。
    后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克(Robert Hooke,1635~1703)于1665年首先提出的,并为惠更斯(Christian Huygens, 1629~1695 )所进一步发展。以太学说进入物理学之后,首先就被惠更斯用于光本性的描述,即光的波动学说。惠更斯在 1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理,即惠更斯原理.他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质(“以太”)微粒,每个受激微粒都变成一个球形子波的中心.他从弹性碰撞理论出发,认为这样一群微粒虽然本身并不前进,但能同时传播向四面八方行进的脉冲,因而光束彼此交叉而不相互影响,并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象。由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质以太应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。他认为,整个宇宙空间都充满了以太,以太是一种非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的介质,在一般物体的原子之间也充满了以太。除了把以太作为光波的荷载物以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。按照这种学说,光和水波、声波一样,是由连续的媒介来传递的一种机械波,这种媒介就是连续在宇宙空间的以太。不过,当时惠更斯只是认为光是一种与声波类似的纵向振动,按照惠更斯的看法,光的传播过程就是运动从一个小球传递到另一个小球的过程,这个过程类似于许多钢球相挨着排成一条直线,脉动着沿着钢球传播的。而实践却证实光是一种横波,为此曾出现了一次关于光波动学说的危机,但很快菲涅耳就设想了一种新的以太模型解决了这个问题,从此,光的波动学说就占据了物理学上主导地位,之后,光的电磁波理论的成功更是让人们确信了光的波动学说的科学性,而以太这个波动学说的基础也就理所当然地被认定是客观存在的东西。
    牛顿(Isaac Newton,1643~1727)于1686年发表了他根据据J.开普勒(JohannesKepler,1571~1630)行星运动定律得到的万有引力定律,并用以说明了月球和行星的运动以及潮汐现象。当时他在思考,在宇宙真空中引力是由什么介质传播的呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。他在给R.本特利的一封著名的信中写道:“很难想象没有别种无形的媒介,无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。……引力对于物质是天赋的、固有的和根本的,因此,没有其他东西的媒介,一个物体可超越距离通过真空对另一物体作用,并凭借和通过它,作用力可从一个物体传递到另一个物体,在我看来,这种思想荒唐之极,我相信从来没有一个在哲学问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。” 牛顿本人倾向于以太的观点,他在给R.玻意耳的信中私下表示相信,最终一定能够找到某种物质作用来说明引力。但是他对于以太的具体设想与当时颇有影响的R.笛卡儿观点只是在细节上有所不同。
    牛顿在理解光的本质上持微粒说,虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。
    他在同胡克、惠更斯等讨论光的本质时,说光具有这种或那种本能激发以太的振动。这意味着以太是光振动的媒质。于此,似乎牛顿对光的双重性有所理解。他对以太媒质之存在极似空气之无所不在,只是远为稀薄、微细而具有强有力的弹性。他又重申说,就是由于以太的动物气质才使肌肉收缩和伸长,动物得以运动。他又进一步以以太来解释光的反射与折射,透明与不透明,以及颜色的产生(包括牛顿环)。他甚至于设想地球的引力是由于有如以太气质不断凝聚使然。《原理》第二编第六章诠释的结尾说,从记忆中他曾做实验倾向于以太充斥于所有物体的空隙之中的说法,虽然以太对于引力没有觉察的影响。《原理》第二编最后文字中牛顿澄清了以太旋涡假设与天体运动无关。
    19世纪,以太论获得复兴和发展,首先是从光学开始的,这主要是托马斯·杨和A.J.菲涅耳工作的结果。托马斯·杨(Thomas Young,1773~1829)用光波的干涉原理成功的解释了牛顿环,并在实验的启示下于1817年提出光波为横波的新观点(当时对弹性体中的横波还没有进行过研究),解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。
    法国物理学家菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel,1788~1827)用波动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯——菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳进一步解释了光的双折射,获得很大成功。
    1823年,他根据杨的光波为横波的学说和他自己1818年提出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地说明了D.布德斯特数年前从实验上测得的结果。
    菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年,他为了解释阿喇戈(Arago,Dominique Fransois Jean ,1786~1853年)关于星光折射行为的实验,在杨的光波为横波的想法基础上提出:透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)。由此即可得出物体中以太的平均速度公式:(1-1/nn)v ,其中 v 为物体的速度。菲涅耳在1818年提出的静态以太理论认为,充满在宇宙中的以太是绝对静止的,因而以太是绝对静止参考系的物质承担者。地球是由极为多孔的物质组成,以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率n近于1,所以随着地球一起运动的空气,应不曳引以太或者只能极其微弱地曳引以太,因此可以把地球表面大气中的以太看作是静止的,不受地球运动的影响。这样对于地球上的观察者来说,将有以太风存在。
    英国物理学家斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819~1903)于1846年,对菲涅耳的假设表示异议,他认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上,因而是不能容许的。他提出,在地球表面,以太与地球有相同的速度,即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方,才可以认为以太是静止的。他认为把以太分成不动和可动的两部分不如假设物体能够完全拖曳以太,在物体表面附近有一速度逐渐减慢的区域,在空间中以太完全静止。斯托克斯这一完全曳引假说似乎比菲涅耳部分曳引假说更合理些,但是由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象(由于地球公转,恒星的表观位置在一年内会发生变化),还受到了斐索的流水实验和霍克实验的支持,因而人们普遍赞同它,所以斯托克斯的假说不大受人重视。
    随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于m.法拉第(M.Michael Faraday, 1791~1867)和j.c.麦克斯韦(J.C. James Clerk Maxwell,1831~1879)的贡献。法拉第是电磁场理论的奠基人,他首先提出了磁力线、电力线的概念,在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想,并第一次提出场的思想,他把力场确定为物质的实体,建立了电场、磁场的概念,否定了超距作用观点。法拉第在1838年就提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移。在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引入了力线来描述磁作用和电作用,他认为电磁作用是由弥漫整个空间的以太形态产生的,这些以太是由力线或力的管子所组成,这些力线或力的管子将相反的电荷或磁极连接起来,并且沿力线的方向有张力作用,在垂直于力线的方向则有压力作用。在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和热可能就是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写道:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。爱因斯坦曾指出,场的思想是法拉第最富有创造性的思想,是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想,为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。
    1865年,麦克斯韦在法拉第的实验研究和物质力线思想的启发下,提出电磁场波动理论(电动力学),认为电磁现象是存在于以太中的振动着的场引起的。麦克斯韦提出位移电流的概念,并在前人工作的基础上提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度,与当时己知的空气中的光速,在实验误差范围内是一致的。由麦克斯韦方程中的介电常数和介磁常数所导出的电磁波的传播速度,进一步又由高精度的实验证明和高精确度测定的光速完全一致,这就确凿无疑地证明了光是电磁波。麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动。” 后来,H.R.赫兹1888年用实验方法证实了电磁波的存在,由法拉第开创麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。 1888年,成了近代科学史上的一座里程碑。
    光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来,各种各样的以太最后合并成仅有的电磁以太。在电动力学中,电磁以太是绝对静止的,并由此得出结论:在一切相对于以太运动的系统中,光速在各个方向上应是不同的。
    麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度B比做以太的速度。后来(1861年——1862年)他接受了W.汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。他认为以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象。
    麦克斯韦电磁理论把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量,可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者,又具有机械力学的性质,它是绝对静止的参考系,一切运动都相对于它进行。这样,电磁理论与牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学”。
    19 世纪90年代H.A.洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz, 1853~1928)提出了新的概念。他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应,至于物质中的以太则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动。但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。在考虑了上述效应后,他同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式。而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)也已经不再存在。洛伦兹根据束缚电子的强追振动并可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论,他获得了很大成功。
    可以看出,物理学家们在探讨光和电磁的本性时,为了阐明光、电磁波在空间传播的机理,借助于机械波以弹性介质为媒体传播的物理事实,提出了“以太”假说。许多的物理学家如胡克、惠更斯、牛顿、菲涅耳、法拉第、麦克斯韦、洛伦兹等著名学者均持这一观点,他们设想“以太”的主要特征有:1.“以太”弥漫于整个宇宙空间,是电磁波、光传播的媒体,“以太”有极强的刚性,保证电磁波以光速传播。2.“以太”是绝对静止的,且极其稀薄,不对宏观运动物体产生阻力。3.胡克甚至认为光就是“以太”物质的振动。
    在早期的波动学说中,无疑只是假设光是“以太”的振荡.。如果“以太” 是某种气体,或是液体,那么解释可能产生的纵波将没有困难.,可是光波却是横波,横波的产生必须有剪切力,这就要求“以太”是透明的固体。而由于光速的巨大,那么“以太”还必须是非常坚硬的固体。但如果 “以太”是坚硬固体的话,行星又如何能绕太阳而运动?!所以,波动学说虽然在解释有关光的种种实验现象上取得了巨大成功,但并没有能够解决理论上的矛盾。

    19世纪末可以说是以太论的极盛时期,但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化。这样它几乎己退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它己失去了所有其他具体生动的物理性质。这就又为它的衰落创造了条件。
    为了测出地球相对以太参照系的运动,1887年迈克尔逊(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)做了一个关于以太的漂移实验。实验的结果是,光速在任何环境下任何方向上都没有差别,光速跟光源及观察者的运动状况无关,光以恒定速度c传播,这就说明地球相对绝对静止的以太不运动,因而根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。此后其他的一些实验亦得到同样的结果。这就推翻了所有关于以太的学说,“以太气流”不存在,于是以太进一步失去了它作为绝对参照系的性质。
    1902年勒纳德(Philipp Eduard Anton Lenard,1862~1947)用各种频率的光照射钠汞合金,发现只有频率高于一定下限的光才能放逐电子;而被放逐出的电子的速度只同光的频率有关,同光的强度无关。这种现象麦克斯韦电磁理论根本无法解释,光的波动学说遇到了不可克服的困难。但随后的爱因斯坦的光量子理论却可以轻而易举地给以完美说明。
    爱因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)于1905年首次提出狭义相对论原理,完全解除了“以太”观念的束缚,他认为,真空中的光速是不可逾越的速度极限,牛顿的绝对时间和绝对空间是不存在的,时间和空间都是相对的,不同速度的惯性系间物理规律保持不变的变换关系应该不同于以牛顿的绝对时间和绝对空间为基础的伽利略变换。物质运动与时间、空间是有机联系、相互影响的,而不是完全独立、互不影响的。物体相对观察者运动时总是在运动方向上发生长度缩短,时钟相对于观察者运动时总是变慢。1916年爱因斯坦又进一步提出了广义相对论,他在重新审视了万有引力定律之后,引入了“引力场”的概念。引力场不同于代表绝对空间的以太,引力场也不是传递引力的一种物质。引力是由四维时空(三维空间加一维时间)的几何性质决定,反映了一种时空曲率,是由空间——时间几何的畸变引起的,引力场的存在能够改变时空的性质。在牛顿的引力理论中,空间是平直的;在爱因斯坦的引力理论中,空间是弯曲的,引力是时空扭曲的表现,引力是不存在的,而且越密集的地方,空间弯曲越厉害。不仅如此,引力场的存在使得均匀流逝的时间变得不再均匀,引力越强的地方,时间流逝得越慢。爱因斯坦在广义相对论中引入引力场的概念与他在狭义相对论中彻底否定以太的概念显示了自己对这个问题的矛盾的一面,不过这也说明他对引力场的理解完全不同于以太。1905年,爱因斯坦首先明确指出:“电磁场不是某种物质(以太)的状态,而是独立存在的客体,它具有同有重量的物质一样的本性,而且也具有惯性”。爱因斯坦在自己的狭义相对论的基础上表明,光可以在“没有以太”的真空中进行传播。实验和理论都说明,电磁场不仅具有质量,也具有能量,动量,会产生光压等,说明它是一种物质。电磁场是客观存在的运动着的物质在物理学中第一次被肯定下来,量子力学的建立更是加强了这种现点,因为人们发现物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等实物粒子的运动也具有波的属性,波动性已经成为物质运动的基本属性的一个方面,那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点己完全被冲破,历史上假想的机械以太终于被抛弃了。
    1900年, 德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858~1947)提出了能量子的假说,普朗克以《关于正常光谱的能量分布的理论》报告了他有关能量的不连续性的假设,该假设认为物体在发射和吸收辐射时,有一个最小的能量单元,普朗克称之为“能量子”,或简称为“量子”。爱因斯坦1905年写的一篇论文中,没有满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发射和吸收过程,而认为即使在空间中传播的过程中,辐射也是不连续的,是由不可分割的能量子组成的。这一观点同19世纪已取得绝对胜利并为大量实验所证实的光波动论和麦克斯韦的电磁理论是完全对立的,但爱因斯坦充分认识到量子概念所带来的将是整个物理学的根本变革,需要建立新的理论。他指出:关于光的产生和转化的瞬时现象,波动论的结论同经验不相符;要解释这类现象,只能假设光是由能量子所组成,即“光量子”,以后人们称其为“光子”。这是人类认识自然界历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一,即“波粒二象性”。这是整个微观世界的最根本的特征。普朗克和爱因斯坦提出的光量子说,使人们对于光的本性的认识从波动学说发展到光量子学说。
    普朗克对黑体辐射的研究和爱因斯坦对光电效应的研究,证明电磁场(包括光)不仅具有波动性,而且具有粒子性。场的这种本性现代物理学中被称为波粒二象性,表达波粒二象性的概念,叫做光量子或光子。引力场、弱场和核场都有自己的量子。场量子与实物粒子的基本区别是:在空间同一点不可能同时存在两个实物粒子,却可以同时存在多个场量子,即一个场量子可“插入”另一个量子中。
1924年L.V.德布罗意(Prince Louis-victor de Broglie,1892~1987)提出正如光具有波粒二象性一样,实物粒子也具有波粒二象性,与实物粒子相联系的波(物质波)的频率υ和波长λ与粒子的能量E和动量p的关系分别为:υ=E/h 和λ=h/p  。实物粒子可转化为场量子,场量子也可转化为实物粒子,场和实物是两种完全平等的,辩证联系在一起的物质存在形式,不存在脱离场量子的物质粒子,也不存在脱离实物粒子的场量子。
    到20世纪中期以后,人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空,那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。今天,理论物理学家进一步发现,真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态,它是简并的,实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏是真空的这种特殊“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论己获得很大的成功。
    为了彻底解开以太之谜,有必要了解掌握暗物质、暗能量以及黑洞的有关资料,以下收集的是有关资料的情况。
    由于遥远星系之间的相互运动不符合牛顿的万有引力定律,使得物理学家们认为必定存在一种看不到的物质在起作用,所以称之为暗物质。
    1930年初,瑞士天文学家茨威基(Fritz Zwicky,1898~1974)发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在。但当时许多人并不相信茨威基的结果。普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西,即使藏身于最黑暗的角落,只要有光照总能发现它们。由于暗物质根本不与光发生作用,更不会发光,在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。
    二十世纪70年代初,科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系)中的恒星运行速度时就发现,越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低的常规不符。由此反推,此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过观测不到而已,科学家们大胆地猜测:宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现,这些物质被称为“暗物质”。
    直到1978年出现了第一个令人信服的暗物质存在的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是:星系里必有看不见的暗物质。那么,暗物质有多少呢?根据推算,暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
    20世纪80年代初期,美国天文学家艾伦森发现,距我们30万光年的天龙座矮星系中,许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质,即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的,它们会到处乱窜,只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”,它是一种非常稳定的冷“微子,质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
    最近,还有人提出,暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质,它产生于大爆炸后的一秒期间内,直径为1万亿亿亿分之一厘米,质量密度大得惊人,每寸长约1亿亿吨。
    暗物质的物理组成到底是什么?科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成,中微子的运动速度很快,可称之热暗物质;相对的,候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现,答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、只有弱作用的重粒子(WIMP)。
    2003年7月28日,以享克-霍克斯特(Henk Hoekstra)为首的加拿大多伦多大学(York University in Toronto)的天文学家成功测出了看不见的星系光晕(Dark matter halos)(也称晕圈,星系光环)的大小并确定了其形状。根据最新的天文学理论,这些星系由暗物质构成。多伦多大学的天文学家解释称,这些光晕的体积要比看得见的星系(也就是发光物质——星体)体积大5—8倍。
    暗能量天文学家认为,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能严格说其是一种斥力,只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀,产生的能量把物质往外排斥,暗能量斥力作用的发现,使学者们认识到,宇宙不光是在膨胀,而且还是在加速膨胀。暗能量在宇宙中更像是一种背景,让人根本感觉不到它的存在,但它确实存在,且起着非同一般的作用。有人认为,暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”,它就像是空气相对于人类或者是大海相对于鱼儿一样,故而在宇宙物理学上它的确表现得更像一个真空,因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”。“暗能量”据认为更接近能量,而非物质。科学家认为,与暗物质一样,“暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。
    暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。
    2003年7月23日,美国匹兹堡大学斯克兰顿(Scranton)博士领导的一个多国科学家小组宣布,他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”(简称WMAP)的观测数据(观测宇宙微波背景辐射的微小变化),发现了暗能量存在的直接证据。作为“大爆炸”的“余烬”,宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生,其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程,特别是在经过质量较大的星系时,这些光子将遭遇“引力陷阱”。探测结果显示,宇宙年龄约为137亿年,宇宙由23%的暗物质,73%的暗能量,4%的普通物质组成。
    据《美国国家地理杂志》2006年9月8日报道,上个月,使用钱德拉X射线太空望远镜(Chandra X-ray Observatory)进行宇宙观察的科学家们宣布,他们发现了暗物质存在的直接证据。暗物质的存在此前还仅仅属于理论上的推测,理论上认为,暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4多。同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。但来自美国俄亥俄州克利夫兰市华盛顿天主教大学(Case Western Reserve University)的宇宙学家格伦-斯塔克曼却对发现暗物质一说进行了反驳。斯塔克曼表示,暗物质或许根本就不存在,实际情况是,宇宙中存在的以太物质影响着太空中的引力构成。
    围绕暗物质和暗能量,李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”,指出“因为暗能量,我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”,“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
    黑洞是爱因斯坦的广义相对论的最著名的预测之一,它提出了引力使时空弯曲的原理。广义相对论预言,当大质量的恒星达到极高密度时,就在空间形成了一只很深的“引力陷阱”,最终把空间弯曲到这样一个程度,以致附近的任何物体,包括光线在内被其吞灭,就好像一个无底洞,这样的天体称为黑洞。在黑洞的中心是一个奇点,那里所有的物质都被无限压缩,时空被无限弯曲。但有资料报道,美国科学家称黑洞不存在,其实是暗能量星,宇宙存在大量暗能量星。查普林称,暗能量星的“表面”外看,它的“行为”与黑洞十分相似,能够产生强大的重力牵引。但是内部,暗能量的“负”重力可能会引起物质重新反弹回来。而且查普林预言,如果暗能量星足够的大的话,任何反弹出的电子将会被转变成为正电子,它将在高能辐射中消灭其它电子。卓别林表示,这种情况可以解释我们观察到的银河系中心辐射现象。而此前对于这种现象,天文学家们认为是银河系中存在着一个巨大黑洞的证据。在过去的一些年中,对于星系的运动的观察已经显示:宇宙约70%似乎是由一种未知的“暗能量”组成。暗能量推动了宇宙的加速膨胀。长期以来,巨大的恒星的死亡一直被认为能够产生黑洞,但美国科学家查普林认为,事实上它导致了含有暗能量的星体的形成,他声称:“黑洞不存在基本上是可以确定的事。”
    而最近的另一篇报道则说,借助几台大型望远镜的天际搜寻,天文学家们首次在银河系中全景式地观测到了1000多个超大质量黑洞。这些黑洞的质量要比太阳大几亿到几十亿倍,位于银河系中心区域的牧夫星座,距离地球大约60亿至110亿光年。
    目前关于以太的几种主要观点:
    1、  以太不存在。以太既是电磁波的传播媒介,又是绝对空间的组成物质,也是绝对参照系,但迈克尔逊——莫雷以太漂移实验及有关实验已经证明以太不存在,光的传播不需要媒介。引力是时空扭曲的结果,引力可以使空间发生弯曲,但弯曲的空间也能产生引力。引力场不同于代表绝对空间的以太,引力场不是传递引力的一种物质。引力是由四维时空(三维空间加一维时间)的几何性质决定,反映了一种时空曲率,是由空间——时间几何的畸变引起的。这是相对论的观点。
    2、  以太是存在的。以太既是电磁波的传播媒介,又是物理真实空间的代表,以太是空间的组成物质,宇宙没有绝对的真空,物理真空中存在着真空涨落,真空极化等效应,即“真空不空”,因此空间可以弯曲,引力是以太空间扭曲的结果。引力场等同于以太空间。
    3、  以太是存在的。以太是电磁波的传播媒介,是一种场物质,但它不是绝对空间、虚空空间,不是绝对参照系,绝对空间是宇宙万物的容器,引力是通过以太场物质为媒介实现引力作用的。“真空不空”是场物质充满宇宙空间的表现。场概念等同于以太概念,场是物质的一种基本存在形式。电场、磁场、引力场均是统一于一种物质的场,引力场是传递引力的一种物质。具有物质实体性质的引力场概念不同于爱因斯坦的引力场概念,爱因斯坦描绘的引力场不可能与电磁场统一。只有存在以太这种统一的场物质,才能实现场的统一,实现四种场力的统一。
    4、  以太是存在的。以太就是目前所定义的“真空”,是含有真空态介质的真空,即“真空不空”,以太不是纯粹的虚空空间、绝对空间。引力场、电场的概念不同于以太真空的概念,场不是物质的一种基本存在形式。
    5、  所有物质均统一于以太(以太空间),实体粒子可以转化为以太(以太空间),以太(以太空间)也可以生成实体粒子,实体物质与空间物质相互转化。实体粒子即电子、质子等粒子,实体粒子不包括以太,空间物质即以太。
    6、  实体粒子与空间物质各自独立,它们之间不相互作用,不相互转化。实体粒子包括电子、质子、电场子(以太)等粒子,空间物质即绝对空间、绝对参照系,空间的组成物质不是以太,而是一种性质上不同于实体物质的虚空物质。
    以上收集整理的关于以太的资料可能不全面,欢迎大家讨论,提出宝贵意见。

【主要参考资料】
1、亚里士多德http://baike.baidu.com/view/4482.htm
2、【科学传播网】物理学中的理论与概念:空间和时间
http://www.kcyw.net/article.asp?articleid=519
3、什么是以太,以太是什么?http://www.callshow.com.cn/YITAI/index.html
4、“完美”的经典物理学http://www.instrument.com.cn/bbs/shtml/20070318/772613/
5、宁宁科学网吧-以太http://post.baidu.com/f?kz=82574924
6、真空中真的一无所有吗?http://zhidao.baidu.com/question/2596795.html
7、第四节气一元论、阴阳学说、五行学说的关系
http://cq.netsh.com/bbs/757734/html/tree_14470708.html
8、《中医基础理论》第二章中医学的哲学基础
http://www.zysj.com.cn/lilunshuji/jichulilun/44-2-0.html
9、《中医基础理论》第二节 气 http://www.zysj.com.cn/lilunshuji/jichulilun/44-4-2.html
10、以太是陈旧的概念吗?http://www.gmw.cn/03pindao/lunwen/show.asp?id=12046
11、关于以太http://zhidao.baidu.com/question/2987915.html?si=3
12、《狭义与广义相对论浅说》导读
http://hps.phil.pku.edu.cn/viewarticle.php?sid=2144&st=0
13、“以太漂移”的探索http://www.srxedu.net/Article_Show.asp?ArticleID=1900
14、法拉第http://baike.baidu.com/view/4241.htm
15、《古典物理学原理》第六章近作用原理http://shc2000.sjtu.edu.cn/phy/phy6b.htm
16、暗物质学说遭质疑以太理论挑战爱因斯坦
http://it.sohu.com/20060912/n245299020.shtml
17、爱因斯坦关于“以太”的思考http://blog.sina.com.cn/u/4d48b0be010009km
18、[天涯杂谈]  相对论,以太,量子论
http://www.tianya.cn/publicforum/Content/free/1/353378.shtml
19、场论的产生和发展http://www.qsbk.cn/kj/WuLi/ShiTi/2006/08/81866.shtml####
20、空间量子化与普朗克常数
http://www.tianyablog.com/blogger/post_show.asp?BlogID=152852&PostID=1745110
21、爱因斯坦光量子概念http://tech.163.com/04/1103/21/149URR8G0009rt.html
22、狭义相对论http://tech.163.com/04/1101/20/144KU6900009rt.html
23、万有引力与时空弯曲http://www.aseline.shec.edu.cn/SHIYANXIANGMU/万有引力与时空弯曲b.htm
24、《物理学基本概念和基本定律溯源》讲义
http://yywlx.usts.edu.cn/news_view.asp?newsid=105
25、光传播不需要介质吗?http://zhidao.baidu.com/question/6375091.html
26、我国科技界纪念量子论创立一百周年
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27、光的波动说的奠基性著作《论光》
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28、波粒二象性http://baike.baidu.com/view/7696.htm
29、波粒二象性http://info.datang.net/B/B1305.HTM
30、平湖科技信息网:科技动态:麦克斯韦 (1831-1879)
http://www.phinfo.gov.cn/news_show.asp?id=352
31、哲学家眼中的物理世界(连载十一)量子世界的失落
http://www.jingluo.com/banzhu/detail.asp?n_id=287
32、暗物质和暗能量之谜
http://tech.163.com/07/0104/09/3400BRQB00091537.html
33、暗物质与暗能量http://blog.163.com/xys_sdu/blog/static/2907670320074231448750/
34、物理学前沿八大难题http://www.sciencetimes.com.cn/blog/user_content.aspx?id=1094
35、什么是暗物质和暗能量
http://www.ce.cn/xwzx/kjwh/gdxw/200509/26/t20050926_4793075.shtml
36、暗物质http://baike.baidu.com/view/763.htm
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38、暗物质http://www.worldwebway.com/sci/uni/1.htm
39、美科学家称黑洞不存在其实是暗能量星
http://www.edu.cn/yu_zhou_da_guan_1131/20060323/t20060323_123002.shtml
40、美首次在银河系中心观测到上千个超大黑洞
http://bbs.tom.com/item_154_4868_0_1.html
41、中国挑战相对论网http://xdlbj.com/

43、物理思考网http://blog.sina.com.cn/mqy6
44、国家科技图书文献中心中国预印本中心http://preprint.nstl.gov.cn/newprint/index.jsp
45、广义相对论http://baike.baidu.com/view/24909.htm
 
                                             2007-7-25编著

 

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