谈从“以太”到“暗物质、暗能量”,物理学是否在炒“回锅肉”?
1、“以太”与“暗物质、暗能量”的个人观点
“以太说”从古希腊亚里士多德的提出,到爱因斯坦相对论的部分否定。A.迈克耳孙和E.莫雷的高精度的实验只能证明在地球上无论有无“以太”对光速无影响,但无法证明宇宙间无“以太”。物理学由于采用现有计算公式,无法解释星系间引力等的观察到的现象,提出了“暗物质”和“暗能量”,以达到计算与实际观察的统一。实际上“暗物质”和“暗能量”是在重新炒“以太”的“回锅肉”,只是由于物理学技术的进一步提升,炒的“回锅肉”更香一些而已。从“以太”的绝对静止转化为相对论建立前提条件的绝对速度(光速不变原理),很可能是从一个错误到了另一个错误。
2、以太的发展历程(引自百度百科)
在古希腊,以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质。在亚里士多德看来,物质元素除了水、火、气、土之外,还有一种居于天空上层的以太。在科学史上,它起初带有一种神秘色彩。后来人们逐渐增加其内涵,使它成为某些历史时期物理学家赖以思考的假想物质。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的R.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,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。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。
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。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。
17世纪时,法国数学家R.笛卡尔建立了以太旋涡说。他以此解释太阳系内各行星的运动。荷兰C.惠更斯和英国R.胡克提倡光的波动说,他们都假定空间具有无所不在的以太,以此作为波动媒介。这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。
牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡尔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。
19世纪,科学家逐步发现光是一种波,而生活中的波大多需要传播介质(如声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于水等)。受经典力学思想影响,于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。
19世纪,以太观念真正展现威力。1825年前后,英国T.杨和法国A.菲涅耳提出光的波动说理论,以波动说成功地解释了干涉、衍射、双折射、偏振、甚至光的直线传播现象。1823年菲涅耳根据托马斯·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.布儒斯特数年前从实验上测得的结果。一个重要理论工作是导出光在相对于以太参考系运动的透明物体中的速度公式。
随着光的波动说的建立,以太及其力学性质的假定也给物理学带来诸多负担。纵使如此,以太的观念毕竟助波动说获得了成功。其后,以太在电磁学中也获得了地位。这主要是由于M.法拉第和J.麦克斯韦的贡献。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(以太)的横振动”,传播电磁与传播光“只不过是同一种介质而已”。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,麦克斯韦在统一光和电磁现象的同时也统一了发光以太和电磁以太。1888年,H.赫兹以实验证明电磁扰动的传播及其速度,也即发现电磁波的真实存在。这个事实曾一度被人们理解为证实以太存在的决定性实验。
19世纪90年代H.洛伦兹提出了电子的概念。在19世纪结束之前,所有的物理似乎都可以简化为以太的物理。
以太的假设事实上代表了传统的观点:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参考系,当参考系改变,光速也改变。这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是“以太系”的光速,与这个观察者在“以太系”上的速度之矢量和。
按照当时的猜想,以太无所不在,没有质量,绝对静止。以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播。假设太阳静止在以太系中,由于地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为 c + v,最小为 c-v。如果太阳在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同。
1887年,A.迈克耳孙和E.莫雷以高精度的实验得到的结果仍然是否定的(即地球相对以太不运动),并未发现任何以太漂移。实验结果显示,不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了以太其实并不存在(这可能是不正确的)。此后其他一些实验也得到同样的结果。于是以太进一步失去了它作为绝对参考系的特质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域(见狭义相对论)。这个结果被称为19—20世纪之交物理学天空上的第一朵乌云。突破以太观念与实验不合的唯一办法就是放弃以太。它作为可供思考的假想物质的功用已经发挥到了极点。
在相对论建立之后,无论发光以太还是电磁以太都被排除了。但现代物理学的空间观念中仍然保留了某些和以太相似的看法。例如,不存在超距作用;真空不可视为空无一物,而应当看作是许多能量作用的场所。
然而人们的认识仍在继续发展。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。
这样看来,机械以太虽然死亡了,但以太的某些精神(不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着,并具有旺盛的生命力 。
1997年12月,作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家基尔希纳根据超新星的变化显示,宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢,反而在一种看不见的、无人能解释的力量的控制推动下变快。国际广义相对论学界认为,这种现象是和一种叫“暗能量”的尚不太清楚的宇宙内容物有关。