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狭义相对论产生的历史背景 (之二:物理学家对光媒介“以太”的苦苦追寻)
送交者:  2015年08月29日05:42:00 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

重新审视西方科学成就、科学人物与确立中国民族自尊心自信心科普系列:

狭义相对论产生的历史背景 (之二:物理学家对光媒介“以太”的苦苦追寻)

目录:

  1. 基本信息

  2. 技术细节(待完成)

  3. 思考与探索(待完成)

     

    一、基本信息

    既然光的波动理论已经被确信无疑,那么设想并寻求光所赖以传播的媒介似乎便是理论物理学家相关探索行动的合乎逻辑的下一步;事实上,作为光的波动理论的最早提出者之一的惠更斯,就认为光是通过以太媒介传播的波动,而菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)不仅认为以太是存在的,而且甚至提出了以太可以被运动物体拖曳的数学模型。再往后,我们有菲兹杰尔德(George Fitzgerald)、洛伦兹(Hendrik Lorentz)、拉莫(Joseph Larmor)等人的基于布拉德雷光行差现象的不可拖动的“绝对静止”以太说,又有赫兹、斯托克斯(George Stokes)等人的基于迈克尔森(Albert Michelson-莫雷(Edward Morley)(迈-莫)实验零结果的可以被地球完全拖动的随动以太理论;有萨格纳克(Georges Sagnac)、迈克尔森、格尔(Gale)、皮尔逊(Pearson)等人的以太可以被平动(如地球饶日轨道运动)拖曳但却不能被转动(如地球自转)拖曳的想法与实验,又有洛伦兹、庞加莱(Henri Poincaré)等人创立的基于绝对静止以太假设的有别于麦克斯韦理论的电磁理论,而麦克斯韦自己则暗示地球在设想中的以太海洋的运动是可以探测的。有意思的是,不单是光的波动理论的拥护者坚信以太的存在,其实,连光的粒子论的坚定捍卫者牛顿,为了解释光的衍射现象,也不得不假定某种形式的以太媒介的存在。这样,以太之所以如此长期地引起西方物理学家的兴趣甚至痴迷,以至于时至今日还热情尚存,也就自然有情可原了。

     

    以下我们着重描述一下与以太或以太探索相关的经典实验或天文观察,它们曾经,甚至至今仍在,影响着理论物理学的发展:

     

    首先,我们有于1727年发现的恒星星光的光行差现象。

     

    需要指出的是,当十八世纪初布拉德雷最初发现这一现象时,他并没有把它与后来所谓的光媒介“以太”联系起来;实际上,布拉德雷是一个光的粒子论者,这也就决定了他给出的光行差解释虽然表面上正确,但其实是有原理性缺陷的,一个最根本的问题就是为何地球上所观察到的有关恒星的天文现象不是由地球与恒星之间的相对运动决定的,而是必须引进一个“第三参照系”即以现代物理术语所表示的“太阳系质心惯性系”(SSBCI),因为正如我们在“有关光的几个重要事实”这一篇的“技术细节”部分所看到的,只有假定星光相对于太阳系质心惯性系以常数速度传播,光行差现象才可以得到满意的解释。同样的问题也存在于狭义相对论的解释之中,事实上,正是由于上边所说的那个“第三参照系”概念在这个理论中的缺失,才使得狭义相对论专家在解释诸如光行差现象或萨格纳克效应等物理现象时显得捉襟见肘,毕竟,一个以“所有惯性参照系都平权”的原则起家的理论,现在要它接纳“优先或局部优先参照系”的概念,也有点太难为它了(注2)。

     

    相比之下,在麦克斯韦的经典电磁理论中,光的传播是需要以太媒介的,而这个以太媒介实际上也代表了这个理论所暗示或默认的优先或局部优先参照系;事实上,在以光的波动理论为基础的光行差现象的解释中,太阳系质心惯性系所扮演的显然就是这个以太媒介参照系。这样,如果以太真的存在,那么根据光行差现象便可以推知,它是相对于SSBCI完全静止的,因而地球的饶日轨道运动,也就是它相对于太阳或太阳系质心惯性系的运动,应该无法拖动静止的以太,而这种认识恰恰正是迈-莫实验的一个根本理论前提。

     

    需要澄清的是,光行差现象的经典波动论解释中只是假定了光所赖以传播的一个静止背景参照系的存在,它并非肯定了以太就是有别于真空的物质这件事,这是因为我们除了选取这个参照系作为光传播的背景媒介,我们并未对以太的存在或性质做出任何规定或猜测。比如,万一以太就是真空自身呢?我们从未排除过这种可能。不过没关系,本篇的稍后我们将对这个问题进行更深入的讨论。

     

    如果以v表示地球的饶日轨道速度,以c表示光速常数,那么光行差角度的数量级乃为v/c,所以相比于依赖于v/c的平方或更高次方的实验,光行差被称为一阶效应。

     

    其次,我们有1887年的迈-莫实验与特劳顿(Frederick Trouton-诺布尔(Henry Noble)(特-诺)实验。

     

    -莫实验的原理基于绝对静止的以太,所谓绝对静止,在当时的物理学家眼里其实只是相对于太阳或太阳系静止,这种想法的事实基础当然是此前早已发现的光行差现象。麦克斯韦、迈克尔森、莫雷等人这样推理道:如果作为光的传播媒介的以太是绝对静止的,那么在运动的地球上的观察者看来便存在与其运动方向正好反向的以太流或以太风,于是对于地球上操作的任何光学实验来说,逆着以太流而上或顺着以太流而下的光信号的速度受到的影响显然比横穿以太流的光信号的速度受到的影响要大(注),这样,当由同一光源发出、经过分光镜分离后沿着彼此垂直的两个方向传播的光信号子束,在各自光路的末端被反射回来并再次于探测器处汇合时,便应该能够观察到由于二者的相差所导致的干涉条纹。但是迈克尔森与莫雷却并未观察到这样的干涉现象(注),这就是科学史上极其著名的迈-莫实验的零结果。

     

    显然,迈-莫实验的一个最简单同时也是最合理的解释便是绝对静止的以太并不存在,或者以太这种假想的物质,不管其静止还是运动,就根本就不存在;事实上这也是当时以及如今很多物理学家的看法。但是也有物理学家似乎不为探测以太的这种表面失败所动摇,菲兹杰尔德、洛伦兹以及拉莫便是这些人的集中代表。对于这些物理学家来说,静止的以太仍然是可以存在的,而它之所以没有被探测到很可能是因为地球运动产生了别的效应,比如沿着地球运动方向上那个光路的长度收缩,事实上,计算发现,如果沿着两个垂直方向的光路其长度按照适当的比例收缩,那么迈-莫实验的确仍然可以出现零结果(注),这就是我们如今所知的所谓菲兹杰尔德-洛伦兹长度收缩的最初由来。

     

    这样,绝对静止的以太假设,再加上洛伦兹的长度收缩,似乎也可以“满意”地解释迈-莫实验的结果。

     

    由于涉及的是v/c的平方,所以迈-莫实验是一个二阶效应实验。

     

    -诺实验的原理与迈-莫实验相似,也是为了探测静止的以太的存在,同时也是一个二阶实验;二者唯一所不同的是,迈-莫实验是光学实验,但特-诺实验是一个考察平行板电容器在地球运动的前提下其所受力矩有无变化的电学实验。同迈-莫实验一样,特-诺实验也产生了零结果。

     

    第三,我们有1913年的萨格纳克实验与1925年的迈克尔森-格尔-皮尔逊(迈--皮)实验。

     

    为了证实以太的存在,萨格纳克把由一个光源、一个探测器以及分别固定于正方形四个角的四面镜子所一起构成的环形光学干涉仪放置于一个可以旋转的桌面上,一束光信号从光源出发后被分光镜分裂为沿着环路的两个相反方向传播的子束,在走完一个回路后它们最后又汇合在探测器,在那里可以观测是否发生了干涉现象。

     

    如果以太确实存在,且它相对于实验室的地面是静止的,那么正反两个方向的光子束应该都相对于地面以常数速度c传播,但是由于干涉仪的旋转,顺着它的转动方向传播那个子束显然为了追赶同向运动着的探测器比在整个干涉仪静止的情况下要走更长的距离;同理,逆着干涉仪转动方向传播的那个子束因为迎着相向而来的探测器其所走的距离当然比平时要短,这样,当两个子束最终汇合在探测器处时,就会产生干涉条纹,且这条纹的位置显然是同干涉仪的旋转速度有关的(注)。

     

    实验果然出现了预想的干涉现象,这样在萨格纳克看来,相对于地面静止的以太的存在已经得到了有力的证明。

     

    而迈--皮实验的原理也类似于萨格纳克实验,所不同的是迈--皮实验要探测的是地球的自转运动,因为如果真像萨格纳克实验所证实的那样,以太确实存在但却不可被旋转的干涉仪拖动,那么地球的自转是不是也可以通过类似的方法探测到呢?基于固定于地面的长度为1.9公里的超大干涉仪,实验者最终探测到了地球的自转运动。这样,如果以太作为有别于真空的物质是的确存在的,那么根据迈--皮实验的非零结果,,它应该相对于设想中的不转动的地球是保持静止的,这个设想的地球参照系现在有一个非常正式的名字,它叫地心惯性系(Earth-Centered InertialECI)。

     

    不难发现,萨格纳克实验与迈--皮实验都属于一阶效应实验(注)。

     

    第四,我们有始于1961年、前后长达数十年的行星间测距实验。

     

    这类实验由美国与英国的一些顶尖大学与研究机构于上世纪五十年代末开始,其做法是:先由固定于地球表面上的雷达天线发射电磁波,电磁波向太空的各个方向传播,在某些理想的情况下,一些电磁波会被太阳系内某个行星如金星的表面反射回来,并最终再次被地球上的接收天线探测到。以上原理决定了地球上的专家无法直接探测两个行星如地球与金星之间的距离,也无法测量金、地之间电磁信号的单程用时或光速,它们只能准确测定信号在地球与金星之间的往返用时,于是在当初并不准确知道电磁信号在行星间穿行时的所遵循的传播机制即信号究竟相对于哪个参照系以光速常数速度传播的情况下,他们默认了狭义相对论中的光速常数原理。但是空间探测专家与天体物理学家们很快发现,雷达测距数据无法与理论上已知的地球与金星运行规律如轨道形状、运行速度、瞬间位置等信息准确吻合,于是在长达数年的试与错的努力之后,最终抛弃了爱因斯坦的光速常数假设而采用了基于麦克斯韦经典电磁理论的光的传播速度与规律(注)。

     

    一旦雷达测距技术开始得到运用,它很快便成为极其高效而准确的定位与测距方法;以月球的探测为例,为了准确确定它的运行轨道以及精确月地距离,需要数以万计乃至十万计的测距数据,然后基于牛顿力学、麦克斯韦电磁学以及数学上的最小二乘法原理以这些数据拟合月球的理论运行轨道以及月地距离。这些数值拟合的均方根误差(注)在1970年代为大约30 cm,但到了1990年代,它们已经缩小到了仅仅只有3 cm

     

    需要指出的是,如果在月地之间测距时误用了光信号的传播机制,比如认定信号是相对于地球或相对于地-月系统的质心以常数速度传播的,而不是采用现在的信号相对于太阳系质心惯性系以常数速度传播的做法,那么不难想见或算出,这样做造成的均方根误差将大到30公里(注)。这样,同前述30 cm3 cm的已知误差相比,现有测距原理的正确性似乎没有留下多少可以质疑的余地。

     

    为什么地月之间的电磁信号不是按照地球或地-月系统所在的惯性参照系以常数速度传播,而是相对于太阳系质心惯性系以常数速度传播呢?没有任何现有理论可以回答这个问题——不管它是经典电磁理论,还是狭义相对论,或者任何别的已知理论,更不要说满意地解决它。不过本作者猜测,这件事也许跟月球的起源有关(注),我们将在另一个“专题提高系列”中深入探讨这个问题。

     

    最后需要强调的是,数不清的行星间测距数据已经被总结成为了所谓的行星间测距方程(注),虽然有证据表明它的当初发现或总结者根本无意或不愿将它公开(注),但毫无疑问它将是我们深入探测理论物理的一个极为重要的依据,比如行星间测距方程便直接为光行差现象提供了严格的理论依据(注)。

     

    最后,

    第五,我们有始于1960年的于地球表面及其附近展开的GPS定位与导航实验。

     

    这类实验的原理同行星间测距实验类似,依据的也是麦克斯韦电磁理论中的光信号传播机制,所不同的是,如果电磁信号是在位于地面或其附近的目标与绕地运行的人造卫星之间传播的,那么这时信号将总是相对于设想中只有公转运动但却没有自转运动的地球即ECI参照系以常数速度传播的,这同行星间电磁信号相对于太阳系质心惯性系以常数速度传播形成了鲜明对照。需要指出的是,数不清的GPS定位与导航数据已经被美国国防部的专家总结成为了GPS定位与导航方程(注)。

     

    不难理解,以电磁信号相对于ECI以常数速度传播的GPS定位与导航方程,它为迈-莫实验以及迈--皮实验提供了严格的理论基础(注)。

     

    细心的读者可能已经注意到,我们在讨论GPS定位与导航或者行星间测距时只考虑了光或电磁信号的核心传播机制,但却没有考虑各种误差产生机制;其实我们这样做是有理由的,因为我们关心的是光在真空中的传播机制与传播速度,不是更复杂的情况下的传播速度;但另一方面,在定位、导航或测距中遇到的其实不是真空,而是包含了诸如地球大气、电离层、太阳大气、日冕等不理想因素影响的环境,值得欣慰的是,所有这些因素已经被相当精确的数学模型所描述,因而任何忽略这些因素会影响我们对相关的理论物理核心原理的理解的想法都是不必要的。

     

    好了,至此我们不妨把有关光的事实与有关以太的故事综合在一起,以便简单地总结如下:

  1. 既然真空本来就可以让光穿行无碍,而真空的电特性与磁特性又完全决定且精准地预测了光速的数值,那么寻求有别于真空的以太的努力似乎一开始就是完全不必要或多余的;

  2. 既然光在本质上是一种交互感应的电磁与磁场,那么它作为被传递的对象(即电磁能量)与传递方式的本身(即电场与磁场通过交互感应而前行)的一事两面与有机合一,显然是有别于需要借助于物质的振动来传递能量的水波或声波的,因而光的传播媒介问题其实在麦克斯韦电磁理论中已经解决了,法理上不需要再寻找有别于真空的以太;

  3. 如果以太真的是弥漫于宇宙的有别于真空的一种物质,那么就有一个它既完全不能被地球所拖动(光行差现象;无数的行星间测距数据以及描述它们的测距方程),同时又必须完全被地球所拖动(迈-莫实验;特-诺实验;数不清的GPS定位与导航数据以及描述它们的测距方程)的悖论;然而如果以太只是真空自身,这个悖论便不复存在;

  4. 如果以太真的是弥漫于宇宙的有别于真空的一种物质,那么它可以完全被地球的平动(迈-莫实验;特-诺实验;GPS定位与导航数据与方程)所拖动,但是同时却完全不能被地球的自转所拖动(迈--皮实验;GPS定位与导航数据与方程(注意其双重角色!)),这样一个困境的存在同样也在所难免;

  5. 为了捍卫以太论,或者让以太的假设自圆其说,一个人在理论上当然可以不受约束地抛出任意多的假设,但是同时他也必须认识到,任何一个缺少事实根据或经不起推敲的假设都是有严重物理后果的;如果一个这样的假设影响的只是理论的说服力的问题,那么两个、三个乃至N多个这样的假设完全可以把有关理论彻底毙掉;这个观察当然也适用于任何其它理论,所以,物理学家做任何假设时都必须慎之又慎,脱离了现实谈假设,不制造学术垃圾那才是咄咄怪事!

    最后,

  6. 一个由全世界大批的优秀科学家参与且使用了众多先进探测手段经过旷日持久的两个多世纪的艰辛努力却依然没有找到的东西,它究竟有多大的可能存在着?即便它真的存在,一个物理学家一生又有多少宝贵时间可以耗费在这样已经被证明为吃力不讨好的事情上,难道他就不该或不能就研究方向或研究领域做出别的更睿智的选择吗?

     

    在结束本篇之前,我们善意地提醒,如果作为有别于真空物质以太真的不存在,那么洛伦兹的以太-电磁理论便存在一个双重错误假设的问题,因为既然以太以及以太流根本不存在,那么迈-莫实验的零结果就清楚地表明他的长度收缩的假定同样也是错误的,于是,一个表面上正确但却包含了双重错误假设的理论究竟有多大的可能成立呢?我把这一问题答案留给读者。

     

    不过有人可能会问:即是以太不存在,或者即是洛伦兹的理论包含了双重假设错误,这跟狭义相对论又有什么关系呢?至少这不能证明狭义相对论也错了吧?谁知道呢。

     

    下一篇:狭义相对论与洛伦兹以太理论从来就是一母所生、异面同身的连体婴。

     

    主要参考文献:

    Fresnel1818】,【Stokes1845】,【Sagnac1913】,【Michelson1887】,【Bradley1729】,【Maxwell1878】,【Hertz1890】,【Lorentz1904】,【Poincare190019041905】,【MichelsonGalePearson1925】,【Cao2012】,【Standish1992

     

    二、技术细节:(待写)

    三、思考与探索:(待写)

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  以太把人害苦了~。莫非暗物质又是个以太~~  /无内容 - 天蓝蓝 08/29/15 (118)
  貌似GPS误差的修正是利用广义相对论  /无内容 - liuqiuprince 08/29/15 (113)
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