一以太思想的起源科学.docx
- 文档编号:25673350
- 上传时间:2023-06-11
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:67.63KB
一以太思想的起源科学.docx
《一以太思想的起源科学.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一以太思想的起源科学.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
一以太思想的起源科学
一
“以太”是古希腊哲学家亚里士多德设想的一种弥漫在宇宙空间的物质,它没有质量,看不见,摸不到,却无处不在。
“以太”设想对后世的物理学产生了重要影响。
17世纪的笛卡尔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”引入科学,并赋予它某种力学性质。
在笛卡尔看来,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,而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,“以太”虽然不能被人的感官所感觉,但却能传递力的作用。
这一思想得到了牛顿的认可。
虽然牛顿创立了万有引力学说,但是他和笛卡尔一样反对超距作用,并承认“以太”的存在。
在牛顿看来,“以太”不是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生引力、电、磁等不同的现象。
但是,当“以太”理论涉及到光学领域的时候,物理学界却产生了各派之间巨大的分歧和争论。
二
光的波动学说产生以后,“以太”被作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。
光的早期波动说认为,任何形式的波都是通过荷载物的振动传播的,如声波是利用空气这种荷载物的振动传播的,水波是利用水这种荷载物的振动传播的,同样光波也必须利用某种荷载物的振动来传播,这种光波的荷载物就是“以太”。
光的波动说的代表人物惠更斯提出,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。
但是,这一理论遭到了牛顿的反对。
牛顿认为“以太”可以传播振动,但“以太”的振动不是光。
由于光在同一种介质中沿直线传播,因此牛顿认为光的本质特性是粒子性,并且不同意光的波动说,因为当时波动理论不能解释光为什么会直线传播。
伴随着这种分歧和争论,关于光的传播规律的研究也逐渐深入。
三
“以太”理论认为光波实际是绝对静止的“以太”物质的横振动,也就是说,光波的传播需要一个绝对静止的参照系,这个绝对静止的参照系就是“以太”,而在其它参照系中所观测到的光速,应该是“以太”中的光速与该参照系相对于“以太”的速度的矢量差。
1887年,阿尔伯特-迈克尔逊和爱德华-莫雷进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验来验证“以太”理论是否正确。
实验过程如下:
半反射镜M与两个全反射镜M1、M2的距离相等,且MM1与MM2互相垂直。
由光源S发出的光线在半反射镜M上分为两束,一束透过M,被M1反射回到M,再被M反射而达目镜T;另一束被M反射至M2,再被M2反射回M而直达目镜T。
实验结果显示,在目镜T中观测到了两束光的干涉效应。
当时迈克尔逊和莫雷在做该实验时,除了按照上述初始装置观察到干涉条纹外,还将装置转动了900,观察干涉条纹的移动情况。
需要强调一下的是,这里仅仅讨论在初始装置下能够观察到干涉条纹这一事实能够说明什么,而暂不讨论干涉条纹的移动情况。
四
迈克尔逊-莫雷实验中,地球参照系下的光线MM2M始终沿垂直方向。
按照“以太”理论,“以太”的横振动与垂直方向的夹角应为
,则半反射镜M与水平方向的夹角应为
。
因此,地球参照系下的光线MM1M和光线MM2M分别对应的“以太”的横振动应沿下图所示方向传播。
由上图可知,地球参照系下的光线MM1M和光线MM2M分别对应的“以太”的横振动最终应成
的角度,因此它们不可能同时进入目镜T形成干涉。
显然,“以太”理论与迈克尔逊-莫雷实验事实相互矛盾,因此“以太”理论是不能成立的。
这就是为什么前面强调暂时不讨论实验装置调转前后干涉条纹的移动情况,因为判断“以太”理论的正确与否其实可以很简便,即只要按照迈克尔逊-莫雷实验的初始装置在地球这个相对于“以太”运动的参照系中实现了两束光线的干涉,就可以立刻否定“以太”理论,而无需再计算和观察实验装置转动900后干涉条纹的移动情况。
五
因为迈克尔逊-莫雷实验中干涉条纹的出现,“以太”理论随即被否定,因此重新研究光的传播规律成为必须解决的问题。
迈克尔逊-莫雷实验中的光线MM1M和光线MM2M能够实现干涉,实质上说明了地球相对于真空的运动对光线的传播路径没有影响,两束光线应相对于光源(地球)的速度均为c。
即在地球参照系下光相对于光源以速度c发出,经过镜M反射和透射后形成MM1M和MM2M两束光,而后仍然相对于镜M以速度c分别向右和向上传播。
如果情形果真如上述分析,那么根据相对性原理,光相对于真空的速度应为光的发射速度c与地球相对于真空的速度v的矢量和。
但是,根据麦克斯韦方程,光在真空中的速度恒为
。
显然,上述分析与麦克斯韦方程对真空中光速的定义之间是矛盾的,而这正是问题的关键所在,也是迈克尔逊-莫雷实验真正要求解决的问题。
六
迈克尔逊-莫雷实验否定了“以太”理论,但却揭示了相对性原理与麦克斯韦方程之间的矛盾。
于是,当时的物理学界产生了“光速不变”假设,该假设认为光速与光源的运动无关,即主张光相对于光源速度为c,虽然光源相对于真空速度为v,但光相对于真空速度仍为c,而并非光相对于光源速度与光源相对于真空速度的矢量和。
不难看出,“光速不变”假设实质上是不承认光相对于真空的速度与光源(地球)的运动有关,而认为光相对于真空的速度只决定于光被发射的速度c,从而保全了麦克斯韦方程对真空中光速的定义。
但是,事实果真如此吗?
按照“光速不变”假设,光线MM1M应呈现如下传播状态。
相对于地球参照系,光线MM1M速度为c。
向右传播路程为
,传播时间为
;向左传播路程为
,传播时间为
。
相对于真空参照系,光线MM1M速度仍为c。
向右传播路程为
(
),传播时间为
;向左传播路程为
(
),传播时间为
。
由此得出的结论是同一个光传播过程在地球和真空两个不同参照系下所需要的时间不同。
在对光线MM1M进行上述分析之后,“光速不变”假设认为,只要重新定义时间的物理意义,就可以在既满足麦克斯韦方程对真空中光速的定义的同时,又符合迈克尔逊-莫雷实验现象。
七
光线MM1M的传播方向与地球和真空的相对运动方向相同,在这种情况下,即使“光速不变”假设不承认光相对于真空的速度与光源的运动有关,也不会影响光线MM1M的传播路径。
因此对于光线MM1M而言,重新定义时间的物理意义似乎可以在既满足迈克尔逊-莫雷实验对光线MM1M传播路径的要求的同时,又符合麦克斯韦方程对真空中光速的定义。
但是,在按照“光速不变”假设分析光线MM2M相对于真空参照系的运动状态时,却遇到了问题。
光线MM2M相对于地球的传播方向与地球和真空的相对运动方向不同,而是相互垂直的关系。
因此,如果光相对于真空的速度与光源的运动无关,那么由于光源(地球)相对于真空以速度v向右运动,则光线MM2M相对于地球参照系不可能竖直向上传播。
也就是说,光线MM2M从目镜T正上方的M点发射,由于光源(地球)始终向右运动,而光的速度却与光源的运动无关,因此当光线MM2M被反射回来时,不可能进入目镜T进行干涉。
如下图所示:
麦克斯韦方程对真空中光速的定义不承认光相对于真空的速度与光源(地球)的运动有关,即二次光源M向右运动,但光线MM2被发射的瞬间没有向右的速度,只有向上的速度。
那么在地球参照系中观察,光线MM2与镜M2的相交点必定不会落在M的正上方,而应落在左方;同样,光线M2M被反射回来时,则更加不会落入目镜T,而应落在目镜T的更左方。
由此看来,“光速不变”假设为保全麦克斯韦方程对真空中光速的定义不承认光相对于真空的速度与光源的运动有关,但是一旦如此,迈克尔逊-莫雷实验则无法实现。
八
不过,有一种假设可以保证既不承认光相对于真空的速度与光源的运动有关,又能使得光线MM2从镜M发射,经反射回到镜M进而进入目镜T。
该假设就是地球绝对静止不动,且是宇宙的核心,即“地心说”。
随着人类的足迹踏入太空,地球相对于真空运动并且绕太阳旋转同时自转这一天文现象早已被证实。
如果地球是绝对静止的,那么就意味着整个宇宙绕着地球在旋转,这毫无疑问是很荒谬的。
由此看来,假设地球绝对静止来解释迈克尔逊-莫雷实验是不可取的。
那么,除“地心说”以外还有没有另外一个可能的假设来保证既不承认光相对于真空的速度与光源的运动有关,又能解释迈克尔逊-莫雷实验中干涉条纹的出现呢?
九
不妨进行一下反向思维,光线MM2M相对于真空的速度之所以必须与光源的运动有关才能保证落入目镜T,原因是光源(地球)具有相对于真空的水平速度
,即在光线MM2M从镜M到镜M1和从镜M1返回镜M以及进入目镜T这三个过程的总时间间隔
里,地球已相对于真空水平运动了一段位移
,因此要求光在这段时间间隔内也必须相对于真空在水平方向上运动同样的位移
。
如果按照迈克尔逊-莫雷实验和麦克斯韦方程对光速的定义的共同要求,只有使
,而由于“地心说”不成立,则
,因此必然得出
,即光的整个传播过程所需时间为
。
那么必然得出一个结论:
光速趋于无穷大,即
。
这实在是一个让人匪夷所思而又哭笑不得的结论。
之所以匪夷所思,是因为麦克斯韦方程对光速的定义
几乎是人所共知的所谓“常识”,而
这一结论是与之矛盾的;之所以哭笑不得,则是因为导致
这一结论的假设本来是为了拯救麦克斯韦方程对真空中光速的定义而不得不做出的,结果却得出了与之相反的结论。
十
经过一系列分析,可以总结出整个逻辑关系如下:
如要保证迈克尔逊-莫雷实验中干涉条纹的出现,则必使得光线相对于光源(地球)向右和向上的速度均为c;如要保证麦克斯韦方程对真空中光速的定义,则必使得光相对于真空的速度与光源的运动无关;如要既保证光相对于真空的速度与光源的运动无关又保证迈克尔逊-莫雷实验中干涉条纹的出现,则必使得光速
;如果光速
,则光速c必定不会如麦克斯韦方程所定义的恒为
。
由此看来,迈克尔逊-莫雷实验中干涉条纹的出现与麦克斯韦方程所定义的真空中光速恒为
是相互矛盾的。
毫无疑问,前者是实验事实,不容否定,那么只能否定后者。
十一
麦克斯韦方程对真空中光速的定义即c恒为
虽然被迈克尔逊-莫雷实验否定,但是却得出了另外一个结论:
如果真空中的光速真的与光源运动无关,则必须保证真空中的光速
。
那么,真空中的光速到底与光源的运动有没有关系呢?
要弄清这一问题,就必须从光的本性入手讨论,即光(电磁场)到底是不是物质?
不妨由下面的情形来推想一下:
在相对于地面匀速直线运动的火车上,一位静坐的乘客竖直向上抛出一个小球,则小球在被抛起瞬间相对于地面的速度应为小球被竖直上抛的速度与火车相对于地面的速度的矢量和。
小球在未被抛起前是作为一个实际存在的物体被握在乘客手中的,因此小球在未被抛起前虽然没有向上的速度,但是却已经和火车(乘客)一起运动并已经拥有了水平方向的速度。
正因为如此,在小球被竖直上抛的一瞬间,上抛的速度和水平的速度才能够被合成从而得出小球相对于地面的速度。
那么,光是否与小球的情形相同呢?
联系迈克尔逊-莫雷实验:
无论光源开关是否开启,地球(光源)始终具有水平向右的速度,但是,光是由于光源的电磁振荡激发产生的,因此在光源未被开启时,光根本不存在。
因此光不是像小球那样在被竖直上抛前就实际存在并和火车(乘客)一起具有水平方向的速度,而只能在光源开启的一瞬间才能产生并只具有向上的速度而已。
唯物主义世界观告诉我们,物质是世界的本源,是从来就有的,宇宙中的物质是守恒的,它不会凭空产生,也不会凭空消失。
众所周知,电荷是客观存在的物质,电磁振荡只是电荷的一种运动方式,而光(电磁场)却因为这种运动方式的开始而产生,又因为这种运动方式的结束而消失。
如果光(电磁场)也是物质,它应该和电荷一样从一开始就客观存在,而不应该因电荷的某种运动开始而产生,又因电荷的这种运动结束而消失。
可见,光(电磁场)不是物质,而是物质运动产生的一种效应,自然也没有什么速度可言。
这就是为什么上节会得出所谓光速
,联系以上分析,
的物理意义就不难理解了。
十二
由以上对光(电磁场)的分析,不禁联想到静电场和静磁场。
静止的点电荷产生静电场,定向匀速运动的点电荷(即电流)产生静磁场,那么振动的点电荷产生的就是交变电磁场,它们的实质是一样的,都是物质运动产生的效应,只是由于激发它们的场源物质的运动状态不同,才使得产生的场的特点有所不同。
库仑定律:
。
由公式可知,电场强度与场点到场源的距离的平方成反比,静电场中距场源较近和较远的场点的出现没有时间的先后关系,而只有场点强度随距场源距离的强弱关系。
其中
是体现静止的场源电荷
所产生的静电场的场强系数的物理量,它实质上反映的是静电场强度随场点到场源距离的变化情况。
毕奥-萨伐尔定律:
。
由公式可知,磁感应强度与场点到场源的距离的平方成反比,静磁场中距场源较近和较远的场点的出现同样没有时间的先后关系,而只有场点强度随距场源距离的强弱关系。
其中
是体现恒定的场源电流
所产生的静磁场的场强系数的物理量,它实质上反映的是静磁场强度随场点到场源距离的变化情况。
麦克斯韦方程中所定义的
正是两个同为强度系数量纲的参数经过数学运算得出的数值,因此它一定同样是一个强度系数量纲的参数,而没有任何理由将其定义为速度。
十三
既然麦克斯韦方程定义的常数
不是光速,那么为什么在比迈克尔逊-莫雷实验更早以前,光速就已经通过多次实验测定了,且结果都接近于
这个数值呢?
光速测定实验是预先设定好光源与光的接收物之间的距离,然后通过接收物的反应测定出光由光源传播到接收物所需要的时间,最后求其比值即为光的速度。
其实,接收物之所以能检测到光,不是因为有光这种实际物质进入了接收物,而是因为光这种电磁场对接收物中的微观粒子产生了力的作用,使得粒子按照光场的特点定向运动并形成新的秩序。
因此,实验中测定的时间实际是接收物对光场的反应时间,即接收物中的微观粒子由于受到光场的作用,状态由初始态变为光场的束缚态的运动过程所需要的时间。
接收物距光源的距离越大,接收物处的场强越小,接收物中的微观粒子定向运动的速率越小,由初始态变为束缚态的运动过程所需要的时间越长。
因此,接收物距光源的距离
与接收物对光场的反应时间
成正比,这个比例系数就是
,即
。
从形式上看,这个比例系数和在假定光是从光源传播到接收物这种情形下计算所谓“光速”的数学形式相同,因此极易使得
被错误地定义为光的速度。
现在看来,迈克尔逊-莫雷实验引发的所谓相对性原理与麦克斯韦方程之间的矛盾其实是不存在的。
相对性原理没有错,它是用来研究物质运动的,而光(电磁场)不是物质,因此相对性原理和光(电磁)现象没有任何关系;麦克斯韦方程也没有错,但是却不能由麦克斯韦方程便得出所谓“光(电磁场)是物质”的结论。
正是由于将
这个反映场强的参数错误地定义为光(电磁场)的速度,导致迈克尔逊-莫雷实验无法通过正常物理理论解释。
而“光速不变”假设企图通过重新定义时间的概念来消除所谓相对性原理与麦克斯韦方程之间的矛盾,这无异于用一个错误掩盖另一个错误。
十四
众所周知,组成物体的微观粒子时时刻刻都是在高速旋转的。
自然状态下,所有微粒的旋转是杂乱无章的,因此整个物体宏观上表现不出电磁性质。
而一旦有电磁场作用在物体上,物体内部在电磁场方向上的各个微粒由于距场源的距离不同而先后依次由初始旋转态变为电磁场的束缚旋转态,这种无数微粒的旋转依次被定向的动力学过程整体表现出来所产生的宏观效果才是所谓“电磁波”的实质。
正如我们在地球上观察到的各种介质(空气、水、玻璃等)中的“光束”,其实这些所谓“光束”实质是被场源物质运动激发出的交变电磁场作用后的各种介质中的微观粒子。
由于交变电磁场具有定向性,因此该特定方向上的介质微粒会受到极强的场作用,其运动状态由初始态变为电磁场的束缚态,使得该方向上的介质微粒的运动状态与其它未受到场强作用的介质微粒形成鲜明对比,肉眼看起来就好像“光束”一样。
由此看来,所谓的“光”或“电磁波”并不存在,它们只是无数微粒运动状态的趋同化带给人们的一种感官效应。
十五
实质上,正是万有引力导致了物质运动状态的趋同性。
万有引力定律告诉我们,物质与物质之间存在吸引。
现在看来,现有的万有引力定律并不全面——不只是物质与物质之间存在吸引,而且当物质的运动状态发生改变时,也会使被其作用的其它物质的运动状态向着自身的运动状态改变。
并且,无论是物质本身的吸引还是运动状态的趋同都是超距作用,而不需要任何中间媒质的传递。
这就意味着物质之间的吸引和运动状态的趋同性是物质的自然属性,所谓“场”不过是由于这种固有属性产生的自然现象带来人们的感官存在而已。
也就是说,不是因为有“场”存在才有吸引,而是因为存在吸收使得人们感觉物质周围有“场”存在。
因此,万有引力规律才是电磁现象的本质,所谓“电磁规律”的实质其实是物质的运动状态在万有引力规律下趋同化的表象。
牛顿是万有引力学说的创立者,但是万有引力并不是像他认为的那样需要所谓“中间媒质”来传递。
现在看来,产生于一百多年前那些所谓“无法解释”的实验现象不是无法解释,而是当时不知如何利用正确理论进行解释。
如果真的要追究物理学中还有什么是真正不能用理论解释的现象,恐怕只有万有引力了。
世界上为什么存在物质,物质和物质之间又为什么存在吸引?
这才是人类无论如何琢磨不透的现象,然而它却实实在在地存在着。
牛顿虽然总结出了万有引力公式,但却无法告诉人们为什么,这不能不说是牛顿乃至全人类的无奈。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 以太 思想 起源 科学