邹义以太在空间研究中的重要性

【摘 要】真空并非虚无，而是存在自身的组成结构。根据光以及磁在真空中传播的特点进而提出新以太概念。如果称组成真空的基本物质为以太的话，根据普朗克的量子假说可知以太是最基本的能量单位并且是最基本的粒子单位。根据以太概念重新解释迈克尔逊-莫雷实验、铯原子钟实验，进而发现空间并非严格对称，各惯性系不再完全等价。在确定的空间内可以找到一个静止参考系，在此参考系下可以描述任何状态下的运动。

【关键词】以太；引力子；迈克尔逊-莫雷实验；铯原子钟实验

1.引言

17世纪笛卡尔最先将以太[1，2，3]引入科学，真空[4]中充满了以太这种物质，并赋予以太某种力学性质。最初牛顿虽然不相信以太，但他也反对超距作用，这使以太思想有了很大的发展。后来笛卡尔主义者反对牛顿引力的力与距离的反比平方使以太思想进入了没落时期，因为牛顿的信仰者相当多。19世纪，由于托马斯・杨和菲涅耳的工作使光的波动性的地位得以确立，以太在电磁学中也获得了地位。但洛伦兹变换和光速不变原理[5]使以太陷入困境，随着迈克尔逊-莫雷实验[2，6]并没有得到预期的理论结果让以太没有了实验支持。1905年爱因斯坦提出相对论[5]彻底抛弃了以太概念。

从哲学观点讲任何物质都有其结构组成成分，尽管直到现在并没有实验说明真空物质的性质，但是说真空不存在结构组成显然是不可理解。需要说明的是，我们并不关心某种物质是否存在，而是关心这种物质存在的价值。为了解释某种现象而非加入以太概念不可，也就是说以太有其存在的必然性，那么就应该并且值得去探究以太的概念并加以证明以太的存在性；如果假设以太概念在解释问题时并没有显示出其优越性或者说以太的存在与研究的问题毫不相干，那么也就没有必要去理会它了。

2.关于以太的思考

思考I：能看到灯光以及太阳光都觉得是习以为常的事情，仔细思考起来却不是那么简单。在夜晚，用手电筒在胡同里照明，手电筒越明亮越方便于行走；可是在旷荡的田野里，并不因为手电筒的明亮而扩大视野，仍需认真艰难地行走。太阳光是非常明亮的，离开地球进入遥远的太空却发现太空并不因为强烈的太阳光而显得明亮，眼前却是一片漆黑。在太空中用手电筒照路，肯定会怀疑手电筒是否为打开状态，当看一下电灯泡时，确认手电筒确实是打开的。

用较长的一段不透明的玻璃筒比喻一段真空，用相当于玻璃筒半径大小的玻璃球比喻为光子，玻璃球正好能通过玻璃筒，忽略玻璃筒与玻璃球之间的摩擦力。当玻璃筒水平放置，将玻璃球放入玻璃筒的一端时，玻璃筒的另一端出来了一个玻璃球。由于不了解玻璃筒内部的情况，在描述玻璃球的传播则会有两种情况：

（1）当玻璃筒内没有类似于放进玻璃筒的玻璃球，那么玻璃球在进入玻璃筒后以极快的速度通过玻璃筒并到达玻璃筒的另一端。

（2）当玻璃筒内存在类似于放入玻璃筒的玻璃球并挤满玻璃筒，当玻璃筒的一端放入一个玻璃球时，玻璃筒的另一端会被挤出一个玻璃球。

由于无法判断真空中是否存在以太，所以在描述光子的传播时同样会出现两种情况。当以太存在时，更依赖于相信光子在真空中传播的第（2）种情况。

在真空中发出一道激光，无论光的强度，频率如何，只要没有物体的阻挡，任何仪器从侧面都无法观测到激光的存在。在真空中无法判断光子的传播状态，这说明光子与真空密不可分，同样也说明构成真空的组成物质以太与光子密不可分。基于以上事实会发现光子在真空传播中不显示任何性质。

思考II：用经典理论解释永久磁体并不存在什么问题，但是去解释电磁场的形成过程，就会引起一些不对称。

利用电磁原理设计一个电磁场。用一段导线缠绕一个铁芯棒，缠绕一定的匝数。导线在没有接通电源之前铁芯棒周围是不存在磁场的，但是只要导线接通电源，铁芯棒就会产生磁性，铁芯棒周围就会形成一个电磁场。在接通电源的瞬时，原本没有磁性的铁芯棒就会成为一个磁体。铁芯棒成为磁体的同时，铁芯棒的N极必须发出磁子，磁子通过空间传播传向铁芯棒的S极，从而形成一个电磁场。根据经验可知电磁场会充满整个空间，从铁芯棒产生磁性时，电磁场会以铁芯棒为中心以光速的形式向四周扩展。用画磁感线[7]的方法可得如下结论：

①铁芯棒的N极发出磁子与S极接收到磁子，之间必须存在一个时间差，那么铁芯棒在形成电磁场的过程中，铁芯棒内部就会存在一个不平衡态。

②铁芯棒N极同时发出的所有磁子，S极不能同时接收，随着时间的增加铁芯棒S极接收的磁子会增多，S极处的磁场强度会逐渐增强。那么铁芯棒S极的磁场强度会比N极弱，随着时间的增加，S极的磁场强度会趋向N极。

很显然这些结论不符合客观事实。当以太存在时，铁芯棒产生磁性成为磁体的瞬间，由于以太充满了整个空间，铁芯棒N极发出磁子的同时N极也会同时吸收类似于磁子的物质以太。这样磁体内部就会形成一个平衡态，对于磁体外部，空间就会形成以太能量子对流场，称为电磁场，并且随着时间的增加电磁场的作用范围会以光速向空间扩展。

3.对以太的假设

以太是构成宇宙空间的基本单位，是最基本的能量单位和粒子单位[8]。宇宙空间中充满了以太，犹如大洋中充满了水分子一样，宇宙本身就是一个巨大的能量宝库[4]，相对于以太产生任何形式的运动都会伴随着能量的变化。以太本身具有流动性，任何辐射都会使平衡态的以太产生能量势差，让以太传导流动直到碰到物体发生能量转化。光子、磁子在空间中的传播就是借助以太物质流动传播的，光子在空间中的传播速度并不是“光速”，光子却是以极慢的速度在空间中传播，但光子所携带的能量却是以光速的形式传播。在这里光子、磁子在空间中的传播特点与电子在导线中的传播很相似。其实光子、磁子以及引力子与以太都是同一种物质，之所以会有不同的称呼，是因为它们的存在作用形式不同。以太表示为组成真空的基本物质并充满整个空间，当以太在空间中的作用显示光性，就称以太为光子；当以太在空间中的作用显示磁性，就称以太为磁子；当以太在空间中的作用显示引力性质，就称以太为引力子。这样，光是电磁波以及电磁场与引力场的相似性总是显得那样自然。

光源发光会影响以太的存在形式，但这种影响却是局部的。由于光子是基本的能量单位和粒子单位，可设光子打在物体表面所占的面积为单位面积。对于一束平行光，当光照射在物体表面，不可能物体表面的整个面积都在吸收光子，而是只有固定数目的单位面积在吸收光子，这说明在光照区域只有固定单位面积的以太在流动。这样可以更合理地解释光的强度以及光的频率。从光子粒子性的角度看，光子的频率就是物体表面单位面积在单位时间内接收的光子数，而光照强度则是物体总表面积在单位时间内接收的光子数。这里的光照强度则可反映光照区域以太的流动情况，如果说光照强度存在上限的话，通过光照强度对比就可发现普通光照对以太存在形式的影响是非常小的。电磁场与光源有很大的相似性，尽管磁场和光源都能导致以太的流动，但是却不能引起物体的运动，这主要是磁场和光源不能对以太整体推动，再则是对以太的推动作用不是连续性的，而是间断性的推动，具有一定的频率。

引力其实不是一种力，它是物体保持自然状态的一种形式。物体存在的自然状态与以太的存在形式有关，当以太的存在形式发生变化时，物体存在的自然状态必然要发生变化。在解释引力时，必须给物体赋予一个性质，这种性质是任何物体所固有的，不以存在形式的改变而改变：任何物体都有吸收以太的能力。物体对以太的吸收不是局部吸收，而是整体平移吸收。尽管每个原子对以太的吸收作用非常弱，以至于忽略不计，但是这种作用具有累积效应，随着原子、分子的聚集，当体积较大时，对外界以太的吸收能力就非常明显了。就地球系统而言，地球对地表的物体并没有吸引力，地球只是不停的吸收以太，这种吸收是空间范围内的整体吸收，是一种不间断地平移吸收。假设地球不吸收以太，物体放在距地表一定的高度，物体就会静止在那里，当地球吸收以太的时候，物体所处空间的整体以太都会向地表移动，以太就会相对于物体产生运动，那么物体就会继续保持与以太的相对静止状态，物体就会靠近地表；当物体碰到地表时，以太就会相对于物体运动，这时物体仍有保持相对于以太静止的能力，这种能力的作用则表现为引力（暂不讨论物体在引力场中的运动）。地球对外界以太的吸收能力是一定的，由于地球体积的缩小，地球表面的引力会增大，但是地球对外界以太的吸收能力并没有改变。对于一个点质量（测量引力场的带质量的点），点质量距地心的距离为R，当地球的体积缩小时，只要点质量距地心的距离仍为R，那么点质量所处的引力场就没有改变。但是就两个天体而言，两天体相距一定的距离，两天体间的相互引力作用是一定的，当两天体的体积都缩小时，尽管两天体之间的中心距离没有改变，两天体之间的引力作用会增大，这一点可以用几何效应来说明。

电磁场与引力场在作用形式上有其相似性，电磁场是一个以太对流场，而引力场则是一个单向场，所有的以太都向物体中心运动。尽管电磁场与引力场都是由于以太运动所形成的场，但是其对物体的作用原理却是不一样的。引力场的作用形式是连续的，电磁场的作用形式是不连续的。电磁场是磁体发出的某种频率的电磁波，针对一条磁感线进行描述，这条磁感线上的以太不是连续移动的，而是以某种频率进行移动。一般物质无法与这种频率的以太发生作用，这样的物质就不受电磁场的影响；有些物质，比如说铁、钴、镍这些物质，由于原子内部的机理作用，会对这种频率的以太发生作用，则会表现出运动形式。

4.迈克尔逊―莫雷实验的解析

光在空间中的传播并不以惯性系的选定而独立存在，光在空间中的传播仍然符合普通物体在空间中传播的规律。

假设一列车在轨道上做匀速直线运动，从列车车厢顶向列车底面垂直发一光子（光子的传播速度为3.0×108m/s），在车厢内观察，光子传播所在直线与车厢底面垂直；假设相对于路基静止的观察者能看到光子传播的路径，光子传播所在直线与路基面不垂直。在隧道内有一照明灯垂直照向路基，当列车通过隧道时，照明灯所发的光通过列车天窗会进入车厢内，假设当列车的天窗路过照明灯时，只有一个光子进入车厢。在车厢内观察，光子传播所在直线与车厢底面不垂直；相对于路基静止的观测者观察到，光子传播所在直线与路基面垂直。当列车在低速情况下观察效果极不明显，当列车处于高速运动时，观察效果就显而易见了。

通过观察可知，光子在空间中的传播状态与光源发光时的位置无关，与光源发光时的运动状态有关。当光源运动时，光子在空间传播的过程中会受到光源矢量分速度的影响。

在此暂不讨论时间的本质以及时间的相对性，仅从一个惯性系内对另一个惯性系内的时间进行定量的描述[5]。根据光速不变原理，可以对时间单位进行一个明确的定义，这里规定：光传播3.0×108m所需要的时间为1s.

假设惯性系K静止，惯性系K'相对于惯性系K以0.9c的速度运动，惯性系K的原点为O，惯性系K'的原点为O'。当两惯性系的原点重合时，从原点O向惯性系K'的运动方向发出一个光子，光子相对于原点O运动的距离为3.0×108m时，记下光子及原点O'的位置。通过测量可知，光子相对于原点O'的运动距离为0.1cs.当惯性系K与惯性系K'同时计时时，惯性系K的时间为1s时，惯性系K'的时间为0.1s.在惯性系K内描述惯性系K'的时间，其时间关系为

（1）

t'为惯性系K'内的时间，t为惯性系K内的时间，v为惯性系K'相对于惯性系K的运动速度，c为光速（3.0×108m）。

由于光在空间中的传播路径与光源的运动状态有关，为了方便求出惯性系K'的时间，规定光源相对于惯性系K'静止。当惯性系K的原点O与惯性系K'的原点O'重合时，从原点O'向垂直于O'的运动方向发出一个光子。观察惯性系K'，光子的传播方向垂直于O'的运动方向，但是在惯性系K内观察光子的传播方向并不垂直于O'的运动方向。在惯性系K内，光子在垂直方向传播的同时，还受惯性分速度的影响。通过测量计算，当惯性系K内光子相对于原点O传播的距离为3.0×108m，即时间为1s时，惯性系K'内的时间则为0.44s.则两惯性系之间的时间关系为：

（2）

作为时钟计时工具，只有做周期变化的系统才可以。（1）变换式只是理论变换，可以实验测量验证，但与讨论的问题关系不是很密切。为了密切问题并且也符合问题讨论的逻辑性，可用光脉冲信号作为计时原理。对于一个光脉冲计时器，光脉冲直线传播来回一个周期所需要的时间为1s，光脉冲计时原理与本文假设的计时原理吻合。当光脉冲计时器垂直于运动的方向放置时，即光的传播方向与惯性系的运动方向垂直时，惯性系K与惯性系K'的时间关系与（2）变换式相同；当光脉冲计时器平行于运动的方向放置时，即光的传播方向与惯性系的运动方向平行时，则会出现另一种时间变换，其时间关系式为：

（3）

通过（1）、（2）、（3）变换式可知不同方式的计时方式其变换式不尽相同。这3种变换公式都是根据光速的叠加原理以及光速不变原理计算的，其中（2）就是相对论时间变换公式。迈克尔逊-莫雷实验中两束垂直光线往返所需要的时间就是根据公式（2）、（3）求得的。

迈克尔逊-莫雷实验的设计原理其实就是光脉冲计时原理。一个光脉冲计时器垂直于运动方向放置，另一个光脉冲计时器平行于运动方向放置。当两计时器在同一惯性系内，由于计时器的整体运动，两光脉冲受到惯性系的矢量分速度不同，两计时器的计时能力就会不同。如果用光程来表示时间，两束光线在传播中就会存在一个光行差。对于同一束光线如果分成垂直和平行于运动方向的两束光线，当两束光线返回时如果存在光行差，两束光线会发生干涉，产生干涉条纹。当迈克尔逊-莫雷实验装置处于绝对静止时，实验结果就不会出现光线干涉现象；当实验装置运动时，实验结果就会出现光线干涉现象。即迈克尔逊-莫雷实验装置是判断惯性系是否处于运动状态的一种装置。

根据以太假设可知各天体都会影响以太的存在形式，地球系统内以太的存在形式与太阳系统内以太的存在形式并没有直接的联系，所以通过地球相对于太阳公转的速度来测量以太的存在形式是行不通的。由于地球自身对以太的影响，地球本身就应该是一个很好的静止系，但由于地球的自转，地球地表与以太就会有一个切向相对速度，这个速度接近地球自转的线速度，之所以不相等是由于地球自转与地球吸收以太的综合作用，以太并不是垂直向地心移动，而是漩涡式的向地心移动。

如果用地球自转线速度来表示地球相对于以太运动的速度，地球的自转线速度为：465.2m/s，通过计算则得实验干涉条纹为8.95×10-5条，实验的实际干涉条纹不应大于此数据。

5.关于以太的论证

在宇宙空间内寻找一个绝对优越的静止系是一件不可能的事情，不同天体系统影响以太的运动形式不一样，所以很难进行统一的衡量。这里所关注的是宇宙空间是否真的严格对称[9]，如果空间具有严格对称性那么就能说明以太是不存在的，以太完全是多余的概念，但是如果发现宇宙空间不具有严格对称性，运动形式不再以对称的形式而出现，就足以说明以太是存在的。

伽利略相对性原理是说在一个密闭的船舱内，与外界完全隔绝，无论你拥有多么发达的头脑或者多么先进的科学仪器都无法判别船是处于静止或者直线匀速运动。如果在密闭的船舱内不通过与外界联系有方法能判断出船是处于静止或直线运动的状态，这就足以说明各惯性系之间将不再等价，而是存在一个相对运动的关系。而这个相对运动关系判别的依据就是以以太存在的自然状态为静止参考系。

其实铯原子钟实验已经说明了地球相对于以太的运动。引力场可以影响以太的存在形式，如果忽略或不考虑地球引力对以太存在形式的影响，地球的自转是不会影响以太的存在形式的。当地球发生自转时，地球相对于以太就会存在一个相对运动的速度。当地球不发生自转的情况下，地球相对于以太是静止的，会发现相对于地球静止的钟将是走地最快的钟。针对铯原子钟实验会发现，以地球为参考系，向东运动的原子钟相对于以太的运动速率将大于相对于地球静止的原子钟相对于以太的运动速率；向西运动的原子钟相对于以太的运动速率将小于相对于地球静止的原子钟相对于以太的运动速率。就会得到向西运动的原子钟相对于以太的运动速率最小，也就是向西运动的原子钟会走地最快；相对于地球静止的原子钟将慢于向西运动的原子钟；向东运动的原子钟将是走地最慢的钟。向西运动的原子钟比地球上的原子钟走地快也是有前提条件的，主要的判断依据还在于以太的存在形式。当向西运动的原子钟运动的速率为地球自转速率（地球线速度）的两倍时，向西运动的原子钟走地快慢情况最接近相对于地球静止的原子钟；当向西运动的原子钟运动的速率为地球自转速率的两倍加上向东原子钟运动的速率时，向西运动的原子钟将会慢于相对于地球静止的原子钟，而向西运动的原子钟走地快慢的情况将最接近向东运动的原子钟走地快慢的情况。

假设地球是一个静止的参考系（忽略引力场的影响），任何相对于地球运动的钟都将慢于相对于地球静止的钟。根据这个条件只要钟足够灵敏，在密闭的船舱内，根据钟在不同方向运动中走地快慢情况就可以判断船是否在运动。当钟静止时（船舱为参考系）比其他任何运动状态下的钟走地都快，说明船处于静止状态；当若干钟以相同的速率向四周直线运动时，会发现某一方向的钟比其他方向上的钟走地都快，就可以确定此钟运动的反方向为船运动方向，然后用不同速率的钟在其方向上运动，会发现某一速率钟走地最快，那么此钟的运动速率就是船的运动速率。在密闭的船舱内，根据不同运动状态下钟走地快慢情况可以判断出船的运动状态。在取消地球是一个静止参考系的前提下，以地球上不同方向运动钟的状态为参考，同样也可以判断船的运动状态。

感谢王乃春老师对本文写作的长期指导，同时也感谢张培华等同学对我写作的大力支持！

附录 标题排列和编号方式为1， 2， 3， 4， 5。

参考文献：

[1] 许良英，范岱年（编译）.爱因斯坦文集 第一卷.北京：商务印书馆出版，1976，120-129.

[2] 陈熙谋.大学物理通用教程.近代物理.北京：北京大学出版社，2011， 5-10.

[3] 张操.物理时空理论探讨：超越相对论的尝试.上海：上海科学技术文献出版社，2011，29-58.

[4] 黄志洵.现代物理研究新进展.北京：国防工业出版社，2011，1-50.

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[7] 陈秉乾，王稼军.大学物理通用教程.电磁学.北京：北京大学出版社，2012，17-19.

[8] 曾瑾言.量子力学 卷I 四版.北京：科学出版社，2007，1-12.

[9] 赵峥，刘文彪.广义相对论基础.北京：清华大学出版社，2010，10-11.