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1 NEW PHYSICS 新 物 理 齐 绩 姜 寅 令 1991 年 初 稿

2 序 物 理 学 源 于 哲 学 哲 学 是 物 理 学 的 基 础 ; 物 理 学 是 哲 学 在 自 然 科 学 方 面 的 发 展 和 量 化 新 物 理 是 唯 物 主 义 哲 学 逻 辑 学 实 验 学 和 数 学 相 结 合 的 典 范 李 子 丰 李 子 丰 (Li Zifeng), 燕 山 大 学 教 授, 博 士 生 导 师, 石 油 工 程 研 究 所 所 长 储 藏 二 酉 乐 荐 千 里 马 汇 集 百 家 勇 攀 万 仞 峰 祝 贺 齐 绩 先 生 新 物 理 出 版, 这 是 齐 绩 先 生 献 给 我 们 最 好 的 礼 物 吴 水 清 吴 水 清 (Wu Shuiqing), 中 国 科 学 院 现 代 物 理 知 识 杂 志 原 主 编, 北 京 相 对 论 研 究 联 谊 会 会 长, 卢 鹤 绂 格 物 研 究 所 副 所 长, 卢 鹤 绂 格 物 研 究 所 北 京 部 主 任, 研 究 员, 美 国 格 物 杂 志 总 编 祝 新 物 理 出 版, 祝 新 物 理 成 功 蒋 春 暄 蒋 春 暄 (Jiang Chunxuan), 中 国 数 学 家, 在 数 论 上 取 得 举 世 瞩 目 的 成 就 1

3 西 敏 里 教 授 给 卢 永 芳 先 生 回 信 中 对 新 物 理 论 文 的 评 价 说 : I feel that there are some good things in it. While I cannot accept all his speculations, I must admit that I feel that he is probing in the right direction. These papers are certainly more sensible than many papers that I have seen in the past year. 我 觉 得 其 中 有 许 多 好 的 东 西 虽 然 我 不 能 接 受 他 的 全 部 观 点, 却 不 得 不 承 认 他 在 一 个 正 确 的 方 向 上 探 索 这 些 论 文 比 我 过 去 看 过 的 许 多 文 章 都 要 明 智 西 敏 里 西 敏 里 [ 美 国 ](Lee Shimmin), 美 国 自 然 哲 学 联 盟 成 员, 美 国 工 业 物 理 学 家 ; 北 京 相 对 论 研 究 联 谊 会 名 誉 副 会 长 ; 美 国 格 物 杂 志 名 誉 总 编 伽 利 略 电 动 力 学 的 出 版 商 Cynthia Kolb Whitney 先 生 对 新 物 理 的 论 文 非 常 欣 赏 免 费 帮 助 修 改 润 色 多 篇 论 文 的 英 文 稿, 并 且 免 费 把 多 篇 论 文 发 表 在 伽 利 略 电 动 力 学 上

4 前 言 大 自 然 深 邃 博 大, 蕴 涵 着 无 穷 的 迷 就 像 深 邃 浩 瀚 的 大 海 人 类 是 在 海 滩 上 玩 耍 的 孩 子, 捡 拾 着 散 落 在 海 滩 上 的 贝 壳 孩 子 说 : 我 把 贝 壳 快 捡 光 了! 是 吗? 蕴 藏 在 大 海 深 处 的 贝 壳 还 有 多 少 呢?! 我 们 得 到 的 只 是 很 少 的 一 点 点 我 拾 起 一 个 小 小 的 贝 壳 如 果 它 能 使 您 对 大 自 然 多 一 点 了 解, 使 您 窥 探 到 大 自 然 的 另 一 个 层 次, 而 顿 感 它 的 奥 妙, 我 将 深 感 欣 慰! 我 们 还 是 无 知 的 孩 子 在 深 邃 博 大 的 大 自 然 面 前, 我 们 还 只 是 个 无 知 的 孩 子! 3

5 目 录 第 一 章 山 雨 欲 来 风 满 楼 据 说 世 界 上 只 有 两 个 半 人 懂 得 相 对 论 反 对 相 对 论 是 为 图 什 么 吗? 时 间 星 体 运 行 规 律 傅 科 摆 的 奇 特 现 象 中 微 子 超 光 速 现 象 新 物 理 简 介...19 第 二 章 历 史 的 思 索 双 星 现 象...1. 光 行 差 现 象....3 裴 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 物 理 学 家 们 的 努 力...6 第 三 章 呼 之 欲 出 的 物 质 无 形 态 物 质 简 介 物 理 规 律 与 无 形 态 物 质 密 不 可 分 无 形 态 物 质 存 在 的 辅 助 说 明...3 第 四 章 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 作 者 的 时 空 观 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 斐 索 实 验 的 全 新 解 释 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 的 全 新 解 释 密 勒 实 验 的 分 析 解 释 光 行 差 现 象 的 分 析 解 释 艾 里 实 验 的 分 析 解 释 双 星 现 象 的 分 析 解 释 萨 格 纳 克 效 应 (SAGNAC 效 应 ) 的 分 析 解 释 雷 达 波 传 播 中 的 时 间 延 迟 以 及 光 线 弯 曲...47 第 五 章 无 形 态 物 质 是 物 理 规 律 的 基 础 万 有 引 力 及 库 仑 力 引 力 质 量 与 惯 性 质 量 必 须 区 分 牛 顿 第 二 定 律 的 重 新 阐 述 动 能 方 程 的 重 新 推 导 时 间 的 客 观 性 动 量 反 射 定 律 折 射 定 律

6 5.8 星 体 运 行 规 律 中 微 子 超 光 速 现 象 分 析 对 第 四 章 各 个 实 验 的 补 充 说 明 作 者 不 认 同 宇 宙 大 爆 炸 的 思 想 实 物 粒 子 的 波 粒 二 象 性 地 表 无 形 态 物 质 密 度 的 简 单 计 算 傅 科 摆 的 奇 特 现 象 无 形 态 物 质 的 带 动 引 起 傅 科 摆 摆 动 状 态 变 化 摆 动 状 态 对 摆 平 面 转 动 影 响 的 分 析 地 球 自 转 引 起 的 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度...11 第 六 章 狭 义 相 对 论 狭 义 相 对 论 基 本 原 理 洛 伦 兹 变 换 洛 伦 兹 变 换 的 导 出 爱 因 斯 坦 论 述 的 同 时 性 的 相 对 性 时 间 膨 胀 长 度 收 缩 狭 义 相 对 论 的 其 它 结 论 洛 伦 兹 速 度 变 换 式...15 第 七 章 相 对 论 是 否 荒 谬? 同 时 的 相 对 性 是 否 荒 谬? 洛 伦 兹 变 换 是 否 荒 谬? 洛 伦 兹 变 换 导 出 是 否 荒 谬? 皇 帝 的 新 装 光 速 不 变 原 理 是 否 荒 谬? 相 对 性 原 理 是 否 合 理? 声 速 相 对 论 ( 讽 刺 ) 第 八 章 相 对 论 成 功 的 根 源 狭 义 相 对 论 三 大 成 功 之 处 解 开 狭 义 相 对 论 所 谓 成 功 之 迷 相 对 论 认 为 光 子 静 止 质 量 必 为 零 经 不 起 推 敲 祖 孙 悖 论 一 些 超 光 速 实 验 简 介 一 些 著 名 科 学 家 对 狭 义 相 对 论 的 评 价 爱 因 斯 坦 晚 年 的 想 法 和 遗 嘱 意 义 深 远...9 第 九 章 实 验 设 想...11 实 验 一 光 运 行 时 间 差 实 验 方 案...11 实 验 二 在 高 空 中 做 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验...14 实 验 三 在 太 空 中 直 接 测 量 光 速...14 实 验 四 太 空 中 水 的 曳 引 实 验...15 实 验 五 在 太 空 中 测 量 物 体 的 惯 性 质 量

7 实 验 六 在 太 空 中 测 量 物 体 间 的 万 有 引 力...15 实 验 七 测 量 电 荷 之 间 的 库 仑 力 电 流 之 间 的 磁 力 等...16 结 束 语...17 参 考 文 献

8 第 一 章 山 雨 欲 来 风 满 楼 1.1 据 说 世 界 上 只 有 两 个 半 人 懂 得 相 对 论 据 说 世 界 上 只 有 两 个 半 人 懂 得 相 对 论, 然 而, 世 界 上 歌 颂 相 对 论 的 人 车 载 斗 量 数 不 胜 数, 那 么, 他 们 岂 不 是 在 不 懂 装 懂 人 云 亦 云 吗?! 相 对 论 探 讨 的 是 最 基 本 的 物 理 问 题, 是 人 们 不 懂 得 这 些 基 本 的 物 理 问 题 吗? 是 人 们 不 懂 得 最 基 本 的 逻 辑? 是 人 们 不 懂 得 最 基 本 的 数 学? 都 不 是! 是 人 们 无 法 从 理 性 的 角 度 来 理 解 相 对 论 何 以 会 正 确! 人 们 无 法 从 理 性 的 角 度 来 理 解 相 对 论 何 以 会 正 确! 人 们 只 能 放 弃 理 性, 人 们 只 能 从 感 性 的 角 度 来 承 认 相 对 论 是 正 确 的 了! 这 是 很 可 怕 的 转 变! 这 就 使 得 相 对 论 成 了 物 理 学 上 的 宗 教, 人 们 不 理 解 它, 人 们 确 像 迷 信 宗 教 一 样 迷 信 它! 不 仅 仅 是 普 通 大 众, 整 个 物 理 学 界 完 全 被 相 对 论 宗 教 式 地 统 治 着 人 们 无 法 从 理 性 的 角 度 来 理 解 相 对 论 何 以 会 正 确, 我 们 可 不 可 以 从 理 性 的 角 度 来 认 清 相 对 论 的 荒 谬 呢? 当 然 可 以! 只 要 你 有 头 脑! 只 要 你 敢 于 去 理 性 分 析 问 题! 只 要 你 懂 得 最 基 本 的 数 学 和 逻 辑! 在 新 物 理 第 七 章 中, 我 们 从 相 对 论 最 根 本 处 对 相 对 论 的 荒 谬 进 行 了 极 其 深 刻 的 剖 析 在 新 物 理 第 八 章 中, 我 们 讲 了 相 对 论 成 功 的 根 源, 相 对 论 之 所 以 令 全 世 界 痴 迷, 最 根 本 的 原 因 是 大 家 不 了 解 一 些 物 理 规 律 的 本 质, 我 们 会 帮 助 大 家 认 清 这 些 物 理 规 律 的 本 质 大 家 一 定 要 学 会 用 自 己 的 头 脑 来 分 析 解 决 问 题, 大 家 一 定 要 相 信 自 己, 一 定 要 相 信 自 己 的 理 智 判 断, 千 万 不 要 妄 自 菲 薄! 相 对 论 之 所 以 愚 弄 世 人 一 个 多 世 纪, 就 是 因 为 大 家 都 不 自 信, 都 不 敢 相 信 自 己 的 理 性 思 维, 都 以 为 别 人 比 自 己 水 平 高, 把 对 科 学 判 断 的 权 力 拱 手 让 给 那 些 不 懂 装 懂 的 人 只 有 自 信 才 能 科 学 创 新! 只 有 自 信 才 能 成 就 大 业! 反 过 来 我 们 要 追 问 : 信 奉 相 对 论 的 朋 友 们, 请 你 明 确 告 诉 大 家, 你 是 世 界 上 那 两 个 半 人 之 一 呢? 还 是 被 灌 输 得 放 弃 理 性 那 种? 7

9 1. 反 对 相 对 论 是 为 图 什 么 吗? 有 的 朋 友 以 为 我 反 对 相 对 论 是 哗 众 取 宠, 以 为 我 图 什 么! 大 家 可 能 并 不 深 知 当 今 物 理 学 界 的 现 状, 这 不 是 一 个 开 明 的 时 期, 这 是 一 个 相 对 论 像 宗 教 一 样 统 治 物 理 学 的 黑 暗 时 期, 那 些 自 欺 欺 人 的 所 谓 相 对 论 专 家 占 据 着 物 理 学 殿 堂, 他 们 容 不 得 半 点 不 同 的 声 音, 狂 热 的 相 对 论 信 徒 们 遍 地 都 是, 他 们 对 有 不 同 思 想 者 会 尽 其 所 能 地 谩 骂 打 击 迷 信 的 力 量 是 无 比 巨 大 的!!! 别 说 是 不 同 思 想 者, 敢 于 公 布 与 相 对 论 不 同 实 验 事 实 者 都 没 有 好 下 场 我 们 举 几 个 例 子 : 1 美 国 物 理 学 会 会 长 密 勒,191 年, 在 威 尔 逊 山 上 做 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验, 发 现 光 相 对 于 地 球 有 1km/s 的 漂 移 速 度 这 和 相 对 论 的 基 本 原 理 - 光 速 不 变 原 理 是 完 全 矛 盾 的! 所 以, 密 勒 先 生 断 言 : 相 对 论 错 了! 爱 因 斯 坦 错 了! 爱 因 斯 坦 毕 竟 不 像 世 人 这 么 糊 涂, 知 道 密 勒 多 次 重 复 做 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 所 得 的 非 零 结 果 后, 赶 快 说 : 我 的 理 论 不 过 是 个 过 渡 理 论, 是 短 命 的 世 界 科 学 译 刊 然 而, 由 于 密 勒 不 能 很 好 地 解 释 自 己 的 实 验 结 果, 人 们 又 在 地 表 做 这 个 实 验 ( 注 意, 空 间 高 度 不 同 ), 发 现 结 果 为 零 相 对 论 没 有 倒 下, 相 反, 密 勒 反 倒 成 了 被 嘲 笑 和 抨 击 的 对 象 密 勒 : 美 国 科 学 院 院 士, 担 任 过 美 国 全 国 物 理 学 会 主 席 1976~1977 年 美 国 加 州 大 学 劳 伦 斯. 伯 克 利 实 验 室 利 用 飞 机 在 15 m 以 上 高 空 中 完 成 的 宇 宙 背 景 辐 射 实 验 揭 示 出 : 在 任 一 背 景 辐 射 完 全 是 各 向 同 性 的 空 间 区 域 里, 只 能 有 一 个 惯 性 参 考 系 在 其 它 任 何 参 考 系 中, 观 察 者 的 运 动 将 表 现 为 辐 射 在 温 度 上 的 变 化, 这 个 变 化 既 与 观 测 者 的 速 度 成 正 比, 也 与 它 的 运 动 方 向 和 观 测 方 向 间 夹 角 的 余 弦 成 正 比 物 理 学 家 P.J.E.Peebles 创 造 了 新 的 以 太 漂 移 这 个 词 来 描 述 预 料 中 的 运 动 录 自 Scientific American 1978 年 38 卷 5 期 可 以 说, 这 个 实 验 也 是 对 相 对 论 基 本 原 理 - 相 对 性 原 理 的 否 定! 8

10 但 是, 人 们 敢 因 此 反 对 相 对 论 吗? 不 敢, 连 诺 贝 尔 获 奖 者 狄 拉 克 等 都 只 敢 说 相 对 论 需 要 做 些 修 正 3 有 很 多 科 学 家 发 现 超 光 速 现 象, 而 相 对 论 认 为 光 速 是 宇 宙 中 的 极 限 速 度, 这 些 超 光 速 现 象 显 然 是 对 相 对 论 的 否 定 如 果, 科 学 家 不 因 此 而 反 对 相 对 论 的 话, 人 们 并 不 太 难 为 他 ; 如 果 因 此 而 反 对 相 对 论 了, 人 们 就 会 怀 疑 他, 怀 疑 他 别 有 用 心, 也 会 怀 疑 他 的 实 验 结 果 相 对 论 在 人 们 心 中 已 经 是 绝 对 真 理! 也 有 不 同 人 会 为 相 对 论 辩 解 : 即 使 你 的 实 验 成 立, 人 家 相 对 论 说 的 必 须 是 实 物 粒 子 超 光 速! 另 一 种 辩 解 更 狠 : 即 使 有 超 光 速, 不 过 需 要 把 相 对 论 中 的 光 速 值 代 入 更 高 的 值 而 已! 4 一 些 科 学 家, 用 相 对 论 能 量 动 量 公 式 计 算 粒 子 的 质 量, 发 现 粒 子 质 量 的 平 方 是 负 值 按 理 说, 这 恰 恰 说 明 相 对 论 公 式 是 错 误 的! 但 是, 这 些 科 学 家 哪 敢 反 对 相 对 论 呢! 只 能 认 为 粒 子 有 负 质 量, 虚 质 量 我 们 举 个 浅 显 的 例 子 : 我 们 说 大 家 每 个 人 手 里 有 个 大 红 苹 果, 这 种 事 情 大 家 都 见 过, 都 理 解 我 们 说 大 家 每 个 人 手 里 有 个 负 的 大 红 苹 果, 这 种 事 情 大 家 谁 见 过? 谁 理 解? 我 们 说 大 家 每 个 人 手 里 有 个 虚 的 大 红 苹 果, 这 种 事 情 大 家 谁 见 过? 谁 理 解? 唉! 人 们 为 了 迎 合 相 对 论, 已 经 完 全 不 顾 客 观 事 实 了!!! 5 英 国 自 然 杂 志 网 站 11 年 9 月 日 报 道, 欧 洲 研 究 人 员 发 现 了 难 以 解 释 的 中 微 子 超 光 速 现 象, 该 实 验 引 起 了 全 世 界 的 广 泛 关 注 此 次 研 究 的 中 微 子 束 源 位 于 日 内 瓦 的 欧 洲 核 子 研 究 中 心, 接 收 方 则 是 意 大 利 罗 马 附 近 的 意 大 利 国 立 核 物 理 研 究 所 粒 子 束 的 发 射 方 和 接 收 方 之 间 有 着 73 公 里 的 距 离, 中 微 子 跑 过 这 段 距 离 的 时 间 比 光 速 还 快 了 6 纳 秒, 误 差 在 1 纳 秒 9

11 参 与 实 验 的 瑞 士 伯 尔 尼 大 学 的 安 东 尼 奥 伊 拉 蒂 塔 托 说, 他 和 同 事 被 这 一 结 果 震 惊 了, 他 们 随 后 反 复 观 测 到 这 个 现 象 1.6 万 次, 并 仔 细 考 虑 了 实 验 中 其 他 各 种 因 素 的 影 响, 认 为 这 个 观 测 结 果 站 得 住 脚, 于 是 决 定 将 其 公 开 根 据 爱 因 斯 坦 狭 义 相 对 论, 光 速 是 宇 宙 速 度 的 极 限, 没 有 任 何 物 质 可 以 超 越 光 速 此 次 研 究 结 果 是 对 相 对 论 的 严 重 挑 战 结 果 怎 么 样, 相 对 论 没 倒 下, 安 东 尼 奥 伊 拉 蒂 塔 托 被 解 职 这 就 是 当 今 的 物 理 学 界, 这 就 是 相 对 论 被 奉 为 绝 对 真 理 的 物 理 学 界! 在 如 此 的 环 境 之 下, 你 齐 绩 一 个 小 小 的 大 学 老 师 竟 然 想 发 表 自 己 的 理 论?! 竟 敢 有 与 相 对 论 不 同 的 物 理 思 想?! 我 看 你 当 大 学 物 理 老 师 都 不 称 职!!! 物 理 系 的 一 个 老 教 授 不 仅 背 后 给 我 穿 小 鞋, 把 我 要 办 的 新 物 理 讲 座 给 搅 黄 喽, 诬 告 我 有 教 学 事 故 而 且 公 开 反 对 我 : 一 个 与 相 对 论 有 不 同 思 想 的 人 能 在 大 学 里 呆 着 吗?! 能 上 讲 台 吗?! 老 教 授 是 院 专 家, 不 行, 齐 绩 必 须 试 讲 相 对 论 的 课! 于 是 系 里 安 排 我 试 讲, 我 讲 了 相 对 论 产 生 和 发 展 的 历 史 背 景 和 实 验 背 景, 讲 了 双 星 现 象 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 等 老 专 家 不 依 不 饶 : 你 讲 这 个 居 心 不 良! 我 看 过 你 的 小 册 子, 你 在 那 里 解 释 了 这 些 实 验!... 我 父 亲 虽 然 很 开 明, 但 也 反 对 我 搞 物 理 研 究, 常 常 会 非 常 气 愤 地 教 育 我 : 1) 你 高 考 时 每 天 傻 玩, 成 绩 都 比 清 华 的 分 数 线 高, 以 你 的 头 脑 研 究 点 务 实 的, 早 成 功 了! ) 相 对 论 被 世 界 公 认, 这 么 多 年 你 的 思 想 没 被 承 认, 没 发 表, 也 说 明 你 是 错 的! 3) 退 一 步 说, 即 便 你 对 了, 你 有 生 之 年 也 未 必 能 获 得 成 功, 混 到 现 在 连 个 疼 你 的 妻 子 都 没 有! 别 再 好 高 骛 远 不 自 量 力 了! 这 是 我 离 婚 后, 父 亲 骂 我 的 话 我 离 过 婚, 我 的 丈 母 娘 对 我 自 以 为 是 深 恶 痛 绝 1

12 一 次, 我 小 妹 带 她 大 学 的 男 朋 友 到 我 家 来 做 客, 我 出 去 买 菜 我 丈 母 娘 对 我 妹 妹 们 说 : 你 们 劝 劝 你 哥, 你 们 的 话 也 许 他 能 听 一 个 农 村 孩 子, 考 上 大 学, 分 到 城 里, 已 经 是 马 粪 蛋 子 发 烧 了! 还 想 有 别 的 想 法, 也 不 撒 泼 尿 照 照! 后 来 我 小 妹 气 愤 地 和 我 学, 我 只 能 苦 笑 一 下... 我 反 对 相 对 论 能 图 到 什 么 呢? 是 为 图 到 更 多 人 的 嘲 笑 谩 骂 吗?! 是 为 图 到 更 多 人 的 排 挤 打 击 吗?! 是 非 要 放 弃 生 活 中 的 宁 静 和 幸 福 吗? 我 相 信 乌 云 遮 不 住 太 阳! 总 有 一 天 真 理 会 重 新 照 耀 和 滋 润 人 类 的 心 灵!!! 11

13 1.3 时 间 近 代 物 理 使 人 类 连 时 间 这 样 最 基 本 的 概 念 都 混 乱 不 清 了! 现 在 我 们 必 须 把 它 强 调 清 楚! 什 么 是 时 间? 时 间 犹 如 从 亘 古 流 向 未 来 的 浩 瀚 长 河! 子 在 川 上 曰, 逝 者 如 斯 夫! 论 语 时 间 应 是 奔 流 不 息 的 长 川, 它 如 同 天 来 的 黄 河 之 水, 奔 流 到 海 不 复 回 不 对! 经 常 断 流 的 黄 河 安 可 和 时 间 同 论? 那 时 间 应 是 天 上 的 日 月, 周 而 复 始 地 东 起 西 落 时 间 应 是 这 浩 瀚 的 银 河, 永 不 停 歇 地 在 星 汉 之 间 旋 转 也 不 对, 区 区 银 盘 岂 能 同 巨 大 的 时 轮 相 比? [1] 时 间 的 齿 轮 啮 合 着 整 个 宇 空, 驱 动 着 他 的 全 部 星 系, 向 永 恒 的 未 来 盘 旋 雷 元 星 绝 对 的 真 实 的 或 数 学 的 时 间, 它 的 本 身, 而 且 就 其 本 质 而 言, 总 是 于 任 [, 3] 何 外 界 事 物 无 关 地 均 匀 地 流 逝 着 牛 顿 时 间 是 整 个 宇 宙 总 体 存 在 变 化 过 程 的 反 应, 时 间 是 我 们 对 宇 宙 总 体 存 在 变 化 过 程 的 量 度, 时 间 是 物 理 学 最 根 本 的 基 石! 时 间 是 我 们 对 宇 宙 总 体 存 在 变 化 过 程 的 量 度, 当 然 这 种 量 度 我 们 是 使 用 在 地 表 熟 知 的 时 间 系 统 作 为 标 准 来 描 述 的 1

14 1.4 星 体 运 行 规 律 宏 观 的 星 体 运 行 规 律 是 实 实 在 在 的 客 观 存 在, 那 是 正 在 进 行 的 实 验! 那 是 比 我 们 地 表 实 验 室 所 做 的 实 验 庞 大 得 多 稳 定 得 多 精 确 得 多 的 实 验! 下 面 看 看 我 们 最 熟 悉 的 一 些 天 体 的 运 行 看 看 这 些 天 体 运 行 所 拥 有 的 普 遍 的 规 律 性 1 月 亮 绕 地 球 转 动 的 方 向 和 地 球 的 自 转 方 向 相 同 月 亮 一 天 比 一 天 出 来 得 晚, 月 亮 是 围 绕 地 球 自 西 向 东 转 动, 与 地 球 自 转 方 向 相 同 如 图 1.1 所 示, 九 大 行 星 都 在 接 近 同 一 平 面 的 近 圆 形 的 椭 圆 轨 道 上, 朝 同 一 方 向 绕 太 阳 公 转, 即 行 星 的 轨 道 运 动 具 有 共 面 性 近 圆 性 和 同 向 性, 只 有 水 星 和 冥 王 星 稍 有 偏 离 太 阳 的 自 转 方 向 也 与 行 星 的 公 转 方 向 相 同 图 如 图 1. 所 示, 这 是 让 人 着 迷 的 土 星 奇 妙 的 盘 状 圆 环 环 薄 得 令 人 难 以 置 信, 直 径 数 十 万 公 里, 厚 度 仅 几 米 用 唱 片 来 形 容 土 星 环 很 形 象 它 们 由 几 十 亿 块 冰 块 组 成, 排 列 在 行 星 重 力 轨 道 内, 每 一 块 都 是 一 颗 小 卫 星 图 1. 13

15 4 如 图 1.3 所 示, 这 是 我 们 银 河 系 的 概 貌 5 其 他 星 系 银 河 系 图 1.3 图 1.4 Large Binocular Telescope 望 远 镜 5 年 拍 摄 的 NGC891 星 系 的 侧 面 图, 银 河 系 的 侧 面 也 是 这 样 14

16 图 1.5 离 银 河 系 最 近 的 河 外 星 系 图 1-6 庞 大 美 丽 且 明 亮 的 螺 旋 星 系 m83, 状 态 大 小 类 似 银 河 系 15

17 看 了 上 面 这 些 大 量 星 体 运 行 的 规 律, 您 是 否 会 产 生 疑 问 : 为 什 么 月 亮 绕 地 球 转 动 的 方 向 和 地 球 的 自 转 方 向 相 同 呢? 为 什 么 太 阳 系 行 星 的 公 转 方 向 与 太 阳 的 自 转 方 向 相 同, 而 且 有 很 好 的 同 向 性 共 面 性 呢? 为 什 么 土 星 周 围 几 十 亿 个 卫 星 ( 冰 块 ) 会 排 列 在 很 薄 的 平 面 内? 为 什 么 星 系 都 像 一 个 个 水 中 的 漩 涡 呢? 朋 友 们, 大 家 都 看 过 水 中 的 漩 涡 吧, 这 些 实 实 在 在 的 天 体 运 行 和 水 中 的 漩 涡 是 不 是 非 常 相 似 啊? 这 仅 仅 是 巧 合 吗? 如 果, 空 间 中 没 有 与 星 体 相 互 作 用 的 物 质, 土 星 的 卫 星 也 好 太 阳 系 的 行 星 也 好 银 河 系 也 好 其 它 星 系 也 好, 为 什 么 像 水 中 的 旋 涡 呢? 为 什 么 具 有 那 么 良 好 的 同 向 性 和 共 面 性 呢? 这 些 实 实 在 在 的 天 体 运 行 所 拥 有 的 普 遍 规 律 性 值 得 大 家 深 思 在 本 书 的 第 五 章 中, 作 者 会 给 大 家 分 析 星 体 运 行 有 如 此 普 遍 规 律 性 的 原 因 16

18 1.5 傅 科 摆 的 奇 特 现 象 法 国 物 理 学 家 傅 科 于 1851 年 做 了 一 次 成 功 的 摆 动 实 验, 从 而 有 力 地 证 明 了 地 球 是 在 自 转 按 照 经 典 理 论, 傅 科 摆 摆 动 平 面 转 动 的 角 速 度 与 摆 动 方 向 是 没 有 关 系 的 通 过 大 量 的 实 验, 作 者 发 现 傅 科 摆 摆 动 平 面 转 动 的 角 速 度 和 傅 科 摆 的 摆 动 方 向 是 密 切 相 关 的 当 傅 科 摆 南 北 摆 动 时, 傅 科 摆 摆 动 平 面 转 动 的 角 速 度 较 大 ; 而 当 傅 科 摆 东 西 摆 动 时, 傅 科 摆 摆 动 平 面 转 动 的 角 速 度 较 小, 甚 至 几 乎 不 转 动 更 为 奇 特 的 是, 当 傅 科 摆 南 北 摆 动 时, 摆 动 状 态 会 被 顺 时 针 扭 转 ; 即 便 摆 锤 开 始 时 画 逆 时 针 的 椭 圆, 一 会 就 会 被 扭 成 直 线 摆 动, 再 一 会 就 会 被 扭 成 摆 锤 画 顺 时 针 椭 圆 当 傅 科 摆 东 西 摆 动 时, 摆 动 状 态 几 乎 不 变 下 面 是 这 些 奇 特 现 象 的 视 频, 点 击 就 可 以 非 常 直 观 清 晰 地 看 到 这 些 奇 特 现 象 超 清 视 频 网 址 : 傅 科 摆 南 北 摆 动, 摆 动 状 态 被 明 显 扭 曲 超 清 视 频 网 址 : 傅 科 摆 东 西 摆 动, 摆 动 状 态 几 乎 不 变 在 本 书 的 第 五 章 中, 作 者 会 给 大 家 更 详 细 地 介 绍 傅 科 摆 实 验 的 奇 特 现 象, 并 分 析 产 生 这 些 现 象 的 原 因 17

19 1.6 中 微 子 超 光 速 现 象 英 国 自 然 杂 志 网 站 11 年 9 月 日 报 道, 欧 洲 研 究 人 员 发 现 了 难 以 解 释 的 中 微 子 超 光 速 现 象, 该 实 验 引 起 了 全 世 界 的 广 泛 关 注 此 次 研 究 的 中 微 子 束 源 位 于 日 内 瓦 的 欧 洲 核 子 研 究 中 心, 接 收 方 则 是 意 大 利 罗 马 附 近 的 意 大 利 国 立 核 物 理 研 究 所 粒 子 束 的 发 射 方 和 接 收 方 之 间 有 着 73 公 里 的 距 离, 中 微 子 跑 过 这 段 距 离 的 时 间 比 光 速 还 快 了 6 纳 秒, 误 差 在 1 纳 秒 参 与 实 验 的 瑞 士 伯 尔 尼 大 学 的 安 东 尼 奥 伊 拉 蒂 塔 托 说, 他 和 同 事 被 这 一 结 果 震 惊 了, 他 们 随 后 反 复 观 测 到 这 个 现 象 1.6 万 次, 并 仔 细 考 虑 了 实 验 中 其 他 各 种 因 素 的 影 响, 认 为 这 个 观 测 结 果 站 得 住 脚, 于 是 决 定 将 其 公 开 根 据 爱 因 斯 坦 狭 义 相 对 论, 光 速 是 宇 宙 速 度 的 极 限, 没 有 任 何 物 质 可 以 超 越 光 速 此 次 研 究 结 果 是 对 相 对 论 的 严 重 挑 战 这 个 报 导 引 起 了 全 世 界 的 广 泛 关 注, 全 世 界 绝 大 多 数 学 者 都 坚 信 相 对 论 绝 对 正 确, 这 个 实 验 引 起 了 很 大 争 议 1 年 3 月 16 日 意 大 利 ICARUS 的 科 学 家 的 一 项 最 新 实 验 结 果 称, 中 微 子 遵 守 自 然 界 的 速 度 极 限, 不 具 超 光 速 这 项 发 现 反 驳 了 当 前 颇 具 争 议 的 超 光 速 中 微 子 实 验 这 项 研 究 由 诺 贝 尔 物 理 学 奖 得 主 Carlo Rubbia 领 导, 他 们 测 得 中 微 子 从 瑞 士 日 内 瓦 的 CERN 实 验 室 传 播 到 ICARUS 时, 只 比 光 速 快 4 纳 秒, 而 这 在 误 差 允 许 范 围 之 内 之 前 科 学 家 测 得 中 微 子 从 CERN 实 验 室 传 播 到 离 ICARUS 只 有 几 米 远 的 OPERA 时, 却 发 现 比 光 速 快 了 6 纳 秒 我 们 的 结 果 与 爱 因 斯 坦 的 理 论 一 致 Rubbia 说 新 的 实 验 结 果 终 于 满 足 了 全 世 界 维 护 相 对 论 学 者 的 愿 望, 人 们 不 惜 说 前 一 次 中 微 子 超 光 速 实 验 是 骗 局, 把 中 微 子 超 光 速 现 象 画 上 句 号 中 微 子 超 光 速 实 验 真 的 是 骗 局 吗? 不 同 时 间 中 微 子 超 光 速 实 验 结 果 为 什 么 不 同 呢? 在 本 书 第 五 章 中, 作 者 会 分 析 中 微 子 为 什 么 会 超 光 速, 作 者 会 分 析 不 同 季 节 地 球 运 行 对 中 微 子 超 光 速 的 不 同 影 响 18

20 1.7 新 物 理 简 介 在 经 典 物 理 时 期, 人 们 认 为 光 和 其 它 的 波 动 一 样, 都 需 要 传 播 媒 质, 这 是 比 较 符 合 逻 辑 的 设 想, 但 是, 人 们 把 光 的 传 播 媒 质 以 太 与 绝 对 空 间 捆 绑 在 一 起, 使 它 完 全 丧 失 了 物 质 性, 以 致 于 在 解 释 : 双 星 现 象 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 时, 产 生 很 多 矛 盾 例 如 : 解 释 光 行 差 现 象 时, 得 出 以 太 相 当 于 地 表 速 度 是 3km/s, 而 解 释 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 时, 得 出 以 太 相 当 于 地 表 速 度 是 零 ; 解 释 斐 索 实 验 时, 发 现 水 可 以 部 分 带 动 以 太, 解 释 艾 里 实 验 时, 发 现 水 无 法 带 动 以 太 这 些 矛 盾 使 经 典 物 理 面 临 巨 大 困 难, 面 对 这 些 困 难, 爱 因 斯 坦 抛 开 了 以 太, 放 弃 了 经 典 物 理 时 空 观, 创 建 了 相 对 论 作 者 认 为 以 太 不 应 该 与 绝 对 空 间 捆 绑 在 一 起, 它 是 实 实 在 在 的 物 质, 只 要 归 还 以 太 所 拥 有 的 物 质 性, 在 经 典 物 理 的 框 架 下, 所 有 实 验 现 象 不 会 再 有 任 何 矛 盾, 会 变 得 非 常 自 然 融 洽 为 了 区 别 开 人 们 对 以 太 的 错 误 认 识, 这 种 物 质 被 称 为 无 形 态 物 质, 它 是 另 一 种 状 态 的 有 质 量 的 实 实 在 在 的 物 质 现 在 大 量 实 验 现 象 都 说 明, 自 然 界 中 有 另 一 种 状 态 的 物 质 存 在, 并 称 其 为 暗 物 质, 这 只 是 称 呼 不 同 罢 了 作 者 认 为 光 的 传 播 需 要 媒 质, 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 作 者 在 经 典 物 理 的 框 架 下, 从 无 形 态 物 质 的 角 度 探 讨 了 光 的 传 播, 重 新 解 释 了 对 物 理 学 有 着 深 远 影 响 的 大 量 著 名 实 验 : 双 星 现 象 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 密 勒 实 验 萨 格 纳 克 效 应 等 等 宇 宙 空 间 不 是 空 虚 的, 整 个 宇 宙 就 是 无 形 态 物 质 的 海 洋, 物 体 不 是 处 在 空 虚 的 数 学 空 间 之 中, 而 是 处 在 无 形 态 物 质 海 洋 之 中 物 体 的 一 切 运 动 规 律 与 无 形 态 物 质 是 密 不 可 分 的 我 们 举 一 个 浅 显 的 例 子, 鱼 在 水 中 游, 水 相 对 于 河 岸 流 动 ; 鱼 的 受 力 和 运 动 规 律 显 然 是 与 水 流 密 不 可 分 的, 而 不 是 与 岸 边 的 数 学 参 考 系 直 接 联 系 在 一 起 19

21 物 体 好 比 是 鱼, 无 形 态 物 质 好 比 是 水 ; 物 体 的 运 动 规 律 依 赖 于 它 所 处 的 总 的 无 形 态 物 质 空 间, 而 不 是 直 接 依 赖 于 数 学 空 间 经 典 物 理 是 非 常 符 合 逻 辑 的 理 论 体 系, 但 是, 它 存 在 的 最 根 本 失 误 就 是 把 物 理 规 律 直 接 建 立 在 空 虚 的 数 学 空 间 参 考 系 上 了, 这 就 相 当 于 把 一 座 非 常 完 美 的 大 厦 直 接 建 立 在 了 沙 滩 上, 作 者 纠 正 了 经 典 物 理 的 失 误, 找 到 了 物 理 规 律 所 依 赖 的 物 质 基 础 作 者 在 经 典 物 理 的 框 架 下, 从 无 形 态 物 质 的 角 度 探 讨 了 最 基 本 的 运 动 规 律, 对 引 力 质 量 惯 性 质 量 牛 顿 第 二 定 律 动 能 方 程 质 能 方 程 动 量 等 等 都 重 新 进 行 清 晰 深 刻 地 阐 述 人 们 认 为 质 量 增 加 运 动 粒 子 寿 命 变 长 质 能 方 程 等 问 题 是 经 典 物 理 无 法 面 对 的, 是 对 相 对 论 最 有 力 的 证 明 作 者 从 无 形 态 物 质 的 角 度 对 这 些 问 题 给 了 非 常 自 然 的 解 释 作 者 解 释 了 对 物 理 学 有 着 深 远 影 响 的 大 量 著 名 实 验 现 象 : 万 有 引 力 常 数 的 变 化 厄 否 实 验 正 负 电 子 湮 灭 虚 质 量 星 体 运 行 规 律 中 微 子 超 光 速 现 象 傅 科 摆 奇 特 现 象 等 等 作 者 探 讨 了 反 射 定 律 折 射 定 律 万 有 引 力 库 仑 力 磁 力 实 物 粒 子 波 粒 二 象 性 宇 宙 大 爆 炸 等 等 物 理 学 最 基 本 的 问 题 总 之, 作 者 对 整 个 物 理 学 基 础 都 重 新 进 行 了 清 晰 深 刻 地 阐 述, 使 物 理 学 在 客 观 的 物 质 的 基 础 上 更 加 坚 实 了 相 对 论 已 经 成 了 近 代 物 理 的 圣 经, 人 们 像 迷 信 宗 教 一 样 迷 信 畏 惧 它, 不 敢 去 审 视 和 面 对! 迷 信 和 盲 目 崇 拜 绝 对 不 是 人 类 所 应 有 的 科 学 精 神! 相 对 论 从 最 根 本 的 时 空 观 上 就 完 全 不 同 于 经 典 物 理, 相 对 论 和 经 典 物 理 是 势 不 两 立 水 火 不 容 的, 绝 对 不 是 谁 可 以 近 似 成 谁 的 问 题! 那 么, 经 典 物 理 和 相 对 论 到 底 谁 是 科 学 的 呢? 作 者 利 用 整 章 的 篇 幅 原 汁 原 味 详 细 介 绍 了 狭 义 相 对 论, 进 而 又 用 整 章 的 篇 幅 深 刻 剖 析 了 相 对 论 作 者 引 用 爱 因 斯 坦 原 文, 从 相 对 论 最 根 本 处 对 相 对 论 进 行 了 全 面 深 刻 地 探 讨, 以 无 可 辩 驳 的 逻 辑 和 事 实 揭 露 了 相 对 论 的 荒 谬

22 第 二 章 历 史 的 思 索 历 史 是 一 面 镜 子! 了 解 了 历 史, 了 解 了 物 理 学 的 发 展 过 程, 我 们 才 能 站 在 更 加 冷 静 客 观 的 角 度 去 看 待 物 理, 看 待 物 理 学 的 发 展 经 典 物 理 和 相 对 论 的 时 空 观 是 完 全 不 同 的, 那 么 为 什 么 会 产 生 相 对 论 呢? 很 多 人 并 不 了 解 这 段 历 史, 这 段 历 史 已 经 被 深 藏 和 遗 忘 了, 现 在 教 科 书 上 一 谈 这 段 历 史 都 只 会 强 调 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验, 都 只 会 说 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 否 定 了 以 太 的 存 在 别 的 不 说, 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 能 否 定 以 太 的 存 在 吗? 根 本 不 能! 我 们 举 个 浅 显 的 例 子, 我 们 用 仪 器 去 测 量 外 面 地 表 的 风 速, 外 面 一 丝 风 也 没 有, 外 面 一 丝 风 也 没 有 我 们 就 能 说 没 有 空 气 吗? 我 们 大 家 还 是 一 起 回 顾 一 下 历 史, 在 历 史 探 索 的 过 程 中, 也 许 我 们 能 找 到 科 学 的 答 案 十 九 世 纪 末, 经 典 物 理 的 大 厦 已 经 十 分 完 善 地 建 立 起 来 了, 但 是, 随 着 人 们 对 光 的 研 究, 有 很 多 实 验 和 现 象 使 经 典 物 理 产 生 无 法 克 服 的 矛 盾 这 些 实 验 现 象 主 要 有 : 双 星 现 象 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 大 家 知 道, 声 波 和 机 械 波 等 都 依 赖 于 媒 质 传 播, 那 么 光 是 否 依 赖 于 媒 质 传 播 呢? 当 时, 科 学 家 们 认 为 光 是 依 赖 于 一 种 叫 以 太 的 媒 质 传 播 的 声 波 和 机 械 波 的 传 播 速 度 与 波 源 速 度 无 关, 光 速 是 否 依 赖 于 光 源 速 度 呢? 由 于 光 速 极 大, 在 地 球 上 无 法 直 接 测 量, 只 能 求 助 于 天 文 观 测.1 双 星 现 象 如 图.1 所 示, 在 离 我 们 地 球 遥 远 的 星 际 空 间 里, 存 在 着 一 种 被 称 为 双 星 的 天 体 系 统, 它 由 两 个 恒 星 W 和 H 组 成, 相 互 绕 着 它 们 共 同 的 质 心 O 转 动, 对 其 中 每 一 颗 星 来 说, 都 在 做 近 似 圆 周 运 动 图.1 图. 1

23 如 图. 所 示, 现 在 观 察 其 中 的 一 颗, 例 如 W 星, 当 它 在 位 置 a 时, 是 朝 我 们 地 球 而 来 ; 在 b 时, 离 我 们 而 去 如 果 W 星 的 轨 道 速 度 为, 并 且 假 设 光 传 播 时 带 有 光 源 的 速 度, 那 么, 在 地 球 上 测 到 的 W 星 在 a 点 发 出 的 光 相 对 于 地 球 的 速 度 为 c, 而 W 星 在 b 点 发 出 的 光 相 对 于 地 球 的 速 度 为 c. 可 见, 在 a 点 发 出 的 光 将 比 在 b 点 发 出 的 光 跑 得 快 就 算 不 太 大 ( 比 c 小 得 多 ), 但 因 W 星 离 我 们 很 远, 因 此, 总 可 以 假 定 W 星 在 b 点 发 出 的 光 到 达 我 们 的 眼 睛 时, 它 从 b 点 经 过 一 段 时 间 ( 半 周 期 ) 运 动 到 a 点 时 所 发 出 的 光 也 赶 到 了, 我 们 将 同 时 在 a b 位 置 上 看 到 有 两 颗 W 星 假 如 在 某 一 时 刻 在 两 个 不 同 的 地 方 看 到 同 一 颗 星, 这 就 是 所 谓 魅 星 一 般 情 况 下 不 一 定 同 一 颗 W 星 在 轨 道 两 端 出 现, 但 只 要 光 速 依 赖 于 光 源 速 度, 则 我 们 预 期 总 能 看 到 魅 星 出 现, 并 且 会 观 察 到 双 星 轨 道 有 明 显 的 畸 变 事 实 上, 天 文 观 测 到 的 双 星 系 统 都 很 正 常, 从 未 看 到 过 魅 星, 这 表 明 图. 中 W 星 在 a 和 b 点 发 出 的 光 相 对 地 球 的 速 度 是 一 样 的 [, 3] 所 以 根 据 观 察, 人 们 断 定 光 速 与 光 源 的 速 度 无 关. 光 行 差 现 象 如 图.3 所 示, 在 地 球 上 用 望 远 镜 观 测 遥 远 的 任 意 一 颗 恒 星, 发 现 在 地 球 轨 道 的 不 同 位 置 上, 我 们 用 以 观 察 的 望 远 镜 方 向 在 一 年 内 有 周 期 性 的 变 化 假 如 星 光 射 来 的 方 向 固 定, 则 当 地 球 在 位 置 a 时, 望 远 镜 需 朝 下 偏 一 个 角 度 ; 当 地 球 在 位 置 b 时, 望 远 镜 需 朝 上 偏 一 个 角 度 如 果 a b 位 置 使 星 光 与 望 远 镜 方 向 组 成 的 平 面 都 与 地 球 轨 道 平 面 垂 直, 则 ; 在 一 般 位 置 上, 角 的 大 小 要 变 化, 这 个 最 大 的 角 约 等 于 1 4 弧 度 这 在 观 测 上 表 现 为 一 颗 恒 星 一 年 内 在 天 球 上 画 出 一 个 很 小 图.3 的 椭 圆 形 轨 迹, 这 就 是 光 行 差 现 象 物 理 学 家 们 如 何 解 释 这 种 现 象 呢? 我 们 举 一 个 常 见 的 例 子, 在 无 风 的 下 雨 天, 虽 然 雨 是 垂 直 下 落 的, 但 在 行 驶 的 车 里 观 察, 您 会 看 到 雨 丝 倾 斜 着 向 后 飘 落

24 这 就 不 难 理 解 光 行 差 现 象 了 如 图.4 所 示, 设 恒 星 发 出 的 光 以 速 度 c 垂 直 与 地 球 的 轨 道 平 面, 则 望 远 镜 必 须 倾 斜 一 个 角, 以 保 证 进 入 望 远 镜 筒 口 的 光 经 过 t 时 间 后 到 达 筒 底, 被 我 们 的 眼 睛 看 到, 而 不 至 于 被 筒 壁 挡 掉 从 图 上 可 以 看 出 t tg ct c 图.4 在 实 际 观 测 中, 这 个 最 大 的 角 约 等 于 1 4 弧 度, 刚 好 等 于 地 球 绕 太 阳 的 轨 道 运 动 速 度 除 以 光 速 物 理 学 家 们 认 为 : 以 太 是 光 的 传 播 媒 质, 光 相 对 以 太 的 速 度 是 恒 定 的 c, 而 以 太 和 绝 对 空 间 参 考 系 是 完 全 对 应 的 所 以, 物 理 学 家 们 不 得 不 接 受 这 样 的 图 画 : 太 阳 系 就 是 对 应 于 以 太 静 止 的 参 考 系, 地 球 在 以 太 这 个 海 洋 中 以 3km / s 的 速 度 运 动, 完 全 没 有 带 动 以 太 面 对 这 个 这 个 结 论, 人 们 不 禁 觉 得 奇 怪 : 为 什 么 太 阳 恰 好 在 对 应 以 太 的 绝 对 参 考 系 内 静 止 呢? 太 阳 不 过 是 个 很 普 通 的 恒 星 为 什 么 太 阳 能 够 完 全 带 动 以 太, 而 地 球 又 完 全 不 能 带 动 以 太 呢?.3 裴 索 实 验 1851 年, 斐 索 做 了 一 个 非 常 巧 妙 的 实 验 它 反 映 出 水 可 以 带 动 光, 然 而 不 能 完 全 带 动 光, 而 是 以 较 慢 的 速 度 前 进 如 图.5 所 示, 从 S 发 出 的 光 经 过 M 时 被 分 成 两 束, 一 束 图.5 3

25 被 M 反 射, 经 反 射 镜 M 3 M M 1 M 而 到 达 望 远 镜 T, 另 一 束 透 过 M 经 反 射 镜 M 1 M M 3 再 透 过 M 而 到 达 T. 它 们 通 过 管 中 流 水 时, 前 一 束 光 与 水 流 方 向 相 反, 后 一 束 光 则 与 水 流 方 向 相 同, 两 束 光 在 T 内 发 生 干 涉 实 验 开 始 时, 使 水 流 速 度 为, 由 于 两 束 光 的 光 程 相 同, 干 涉 条 纹 是 明 亮 的 然 后 使 水 流 速 度 逐 渐 增 大, 观 察 到 干 涉 条 纹 有 明 暗 交 替 的 变 化, 这 表 示 光 在 水 流 中 相 反 的 方 向 传 播 的 速 度 不 一 样 了, 由 条 纹 变 化 的 数 目 可 以 确 定 在 水 中 传 播 的 光 相 对 于 地 球 的 速 度 斐 索 实 验 测 量 出 在 水 中 传 播 的 光 相 对 于 地 球 的 速 度 是 式 中 水 c c f水 n 是 水 流 相 对 于 地 表 的 速 度,n 是 水 的 折 射 率, + 表 示 光 顺 着 水 流 的 情 况, - 表 示 光 逆 着 水 流 的 情 况 其 中, 曳 引 系 数 f.434., 比 1 小 斐 索 实 验 非 常 巧 妙 而 精 确, 它 反 映 出 水 可 以 带 动 以 太, 然 而 不 能 完 全 带 动 以 太, 而 是 使 以 太 被 曳 引 着 以 较 慢 的 速 度 前 进.4 艾 里 实 验 光 行 差 现 象 得 的 结 论 是 : 地 球 在 以 太 这 个 海 洋 中 以 3km / s 的 速 度 运 动, 完 全 没 有 带 动 以 太 斐 索 实 验 得 的 结 论 是 : 水 可 以 带 动 以 太, 然 而 不 能 完 全 带 动 以 太 原 来 望 远 镜 中 是 空 气, 不 能 带 动 以 太 ; 既 然 水 可 以 带 动 以 太, 那 么 把 望 远 镜 中 灌 满 水, 则 以 太 相 对 于 望 远 镜 的 速 度 就 要 小 于 3km / s, 我 们 将 会 看 到 与 无 水 时 不 同 的 光 行 差 现 象, 也 就 是 说 望 远 镜 的 偏 角 将 会 明 显 减 小 在 1871 年, 艾 里 在 望 远 镜 中 灌 满 了 水, 可 是 艾 里 仍 然 观 察 到 与 无 水 时 一 样 的 光 行 差 现 象 这 与 前 面 的 实 验 推 论 是 相 互 矛 盾 的 4

26 .5 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 光 行 差 现 象 得 的 结 论 是 : 地 球 在 以 太 这 个 海 洋 中 以 3km / s 的 速 度 运 动, 完 全 没 有 带 动 以 太 形 象 地 说, 相 当 于 地 表 上 刮 着 3km / s 的 以 太 风 1876~1887 年 间, 阿 尔 贝 特 迈 克 尔 逊 ( 后 来 成 为 美 国 第 一 个 物 理 诺 贝 尔 奖 获 得 者 ) 和 爱 德 华 莫 雷 在 克 里 夫 兰 的 卡 思 应 用 科 学 学 校 进 行 了 非 常 仔 细 的 实 验 目 的 是 测 量 地 球 在 以 太 中 的 速 度 或 者 说 想 测 量 地 表 上 的 以 太 风 图.6 实 验 如 图.6 所 示, 光 源 发 出 的 单 色 光, 经 一 半 反 射 半 透 明 玻 片 分 成 两 束, 两 束 光 分 别 被 反 射 镜 反 射 最 后 汇 聚 到 望 远 镜 中, 假 设 以 太 相 对 地 表 的 速 度 为. 则 水 平 的 两 束 光 相 对 地 表 的 速 度 分 别 是 c, c 而 竖 直 的 两 束 光 相 对 地 表 的 速 度 都 是 水 平 一 束 光 来 回 所 用 时 间 t 为 竖 直 一 束 光 来 回 所 用 时 间 t 1为 t c d d c c 5

27 t 1 c d 两 束 光 的 时 间 差 为 t d c c 于 是, 两 束 光 的 光 程 差 为 ct d c 若 把 整 个 仪 器 旋 转 9, 则 前 后 两 次 的 光 程 差 为, 在 此 过 程 中, 望 远 镜 中 应 看 到 干 涉 条 纹 移 动 N 条 d N c 7 实 验 中 用 钠 光 源, m ; 地 球 的 轨 道 运 动 速 率 为 3km s ; 干 涉 仪 光 臂 长 度 为 11m ; 应 该 移 动 的 条 纹 为.37 条 干 涉 仪 的 灵 敏 度, 可 观 察 到 的 条 纹 数 为.1 条, 但 是, 实 验 结 果 是 几 乎 没 有 条 纹 移 动 迈 克 尔 逊 和 莫 雷 当 时 做 出 结 论 说 : 倘 若 地 球 与 以 太 有 相 对 速 度, 它 也 不 可 能 超 过 地 球 轨 道 运 动 速 度 的 1/ 6, 肯 定 地 说, 是 不 会 超 过 1/ 4 的 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 说 明 : 地 表 上 根 本 找 不 到 以 太 风 这 与 前 面 的 光 行 差 现 象 又 产 生 深 刻 的 矛 盾 上 述 所 有 实 验 和 现 象 相 互 矛 盾, 使 经 典 物 理 产 生 极 大 困 难.6 物 理 学 家 们 的 努 力 当 时, 物 理 学 家 们 格 外 重 视 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验, 从 不 同 角 度 来 试 图 理 解 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 的 零 结 果 1889 年 斐 兹 杰 拉,189 年 洛 伦 兹 先 后 提 出 了 有 名 的 洛 伦 兹 - 斐 兹 杰 拉 收 缩 假 设, 他 们 认 为 长 为 l 的 物 体 当 它 相 对 于 以 太 以 速 度 运 动 时, 长 度 将 收 缩 到 6

28 l 1 / c ; 这 样 就 可 以 解 释 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 的 零 结 果 了 不 仅 如 此, 洛 伦 兹 还 引 进 了 运 动 参 考 系 中 的 局 部 时 间 ( t) 概 念, 甚 至 导 出 了 时 空 坐 标 变 换 关 系 洛 伦 兹 变 换 洛 伦 兹 没 有 走 得 太 远, 他 认 为 时 间 是 绝 对 的, 与 参 考 系 无 关, 局 部 时 间 (t) 只 是 为 了 方 便 而 引 进 的 辅 助 数 学 量 法 国 物 理 学 家 彭 加 勒 在 某 些 方 面 甚 至 比 洛 伦 兹 走 得 更 远, 他 引 进 了 四 维 时 空 观 念 及 相 应 的 一 套 处 理 方 法, 提 出 了 物 理 方 程 对 洛 伦 兹 变 换 具 有 不 变 形 式 他 说 : 物 理 现 象 的 规 律, 按 照 相 对 性 原 理, 应 该 是 一 样 的, 不 管 一 个 观 察 者 是 固 定 的 或 者 他 是 在 做 匀 速 直 线 运 动, 因 此 我 们 从 没 有 也 不 能 有 任 何 方 法 分 辨 我 们 自 己 是 否 在 做 这 样 的 一 种 运 动 这 种 表 述 就 是 后 来 爱 因 斯 坦 提 出 的 相 对 性 原 理 英 国 物 理 学 家 拉 摩 在 19 年 左 右 也 推 出 了 洛 伦 兹 变 换, 并 提 出 必 须 抛 弃 以 太 的 机 械 观 念 爱 因 斯 坦 是 所 有 上 述 观 念 的 集 大 成 者, 他 抛 开 了 以 太 的 观 念, 而 代 之 提 出 了 光 速 不 变 原 理 相 对 性 原 理, 进 而 推 导 出 了 洛 伦 兹 变 换, 彻 底 改 变 了 人 类 的 时 空 观 坦 率 地 说, 这 些 物 理 学 家 包 括 爱 因 斯 坦 并 没 有 找 到 物 理 学 真 正 的 弊 端, 而 是 使 物 理 学 在 脱 离 实 际 的 道 路 上 越 陷 越 深 了! 其 实, 经 典 物 理 学 家 们 提 出 以 太 的 出 发 点 是 非 常 好 的! 任 何 波 动 都 需 要 媒 质 来 传 播, 声 波 也 好 水 波 也 好 机 械 波 也 好 等 等 都 需 要 媒 质 传 播 ; 光 既 然 是 波 动, 理 应 需 要 媒 质, 这 是 很 和 逻 辑 的 推 理 但 是, 前 人 们 把 以 太 看 得 太 机 械 了, 把 它 与 绝 对 空 间 参 考 系 完 全 捆 绑 在 了 一 起, 这 就 使 以 太 丧 失 了 物 质 性 这 份 牵 强 这 份 机 械 在 大 量 实 验 事 实 面 前 不 可 避 免 会 带 来 重 重 矛 盾 我 们 只 要 归 还 以 太 本 身 所 拥 有 的 物 质 性, 前 面 所 有 实 验 现 象 的 矛 盾 都 将 不 复 存 在 7

29 第 三 章 呼 之 欲 出 的 物 质 空 间 中 有 没 有 另 一 种 状 态 的 物 质 存 在 呢? 这 个 问 题 看 似 简 单, 但 它 却 关 系 到 整 个 物 理 学 的 根 本! 通 过 对 大 量 物 理 现 象 物 理 规 律 的 分 析, 作 者 认 为 自 然 界 中 存 在 另 一 种 状 态 的 物 质 为 了 区 别 开 人 们 对 以 太 的 错 误 认 识, 为 了 突 出 这 种 物 质 的 存 在 状 态 和 物 质 性, 作 者 把 这 种 物 质 叫 做 无 形 态 物 质, 它 是 另 一 种 状 态 的 有 质 量 的 实 实 在 在 的 物 质 作 者 1991 年 创 建 新 物 理 时, 还 没 有 听 说 过 暗 物 质 的 说 法, 现 在 一 些 实 验 事 实 使 人 们 不 得 不 承 认 宇 宙 中 存 在 另 一 种 状 态 的 物 质, 称 其 为 暗 物 质 无 形 态 物 质 和 暗 物 质 都 是 指 宇 宙 中 存 在 另 一 种 状 态 的 物 质, 只 是 称 呼 不 同 罢 了 3.1 无 形 态 物 质 简 介 宇 宙 空 间 充 满 无 形 态 物 质 自 然 界 中 除 了 我 们 所 认 识 的 各 种 物 质 外, 还 大 量 存 在 着 另 外 一 种 状 态 的 物 质 [1, ] 无 形 态 物 质 对 应 于 无 形 态 物 质 我 们 把 常 见 的 物 质 叫 做 形 态 物 质 形 态 物 质 是 可 见 的 ; 无 形 态 物 质 是 不 可 见 的 形 态 物 质 是 有 结 构 的, 是 有 形 态 的 ; 无 形 态 物 质 是 没 有 结 构 没 有 形 态 的 原 子 电 子 是 形 态 物 质 ; 打 个 比 方, 如 果 把 电 子 比 作 一 棵 大 树 的 话, 无 形 态 物 质 就 好 比 是 空 气, 它 可 以 在 树 枝 间 任 意 流 动 无 形 态 物 质 是 比 常 态 物 质 微 小 得 多 的 另 一 种 状 态 的 物 质 形 象 一 点 说, 无 形 态 物 质 可 以 像 幽 灵 一 样 穿 过 形 态 物 质 整 个 宇 宙 空 间 就 是 充 满 无 形 态 物 质 的 巨 大 海 洋, 各 种 形 态 物 质 处 在 无 形 态 物 质 的 海 洋 之 中 3.1. 地 球 无 形 态 物 质 速 度 分 布 我 们 举 个 常 见 的 例 子, 在 甘 油 中 我 们 拉 动 一 个 和 甘 油 有 亲 附 作 用 的 小 球, 在 小 球 表 面 的 甘 油 会 被 小 球 带 动, 紧 挨 着 小 球 表 面 的 甘 油 被 小 球 完 全 带 动 如 果 小 球 换 成 篮 球, 换 成 地 球, 它 们 的 影 响 力 是 不 同 的 ; 物 体 越 大 影 响 力 越 8

30 大 同 样, 由 于 形 态 物 质 和 无 形 态 物 质 之 间 也 有 着 某 种 亲 和 力, 形 态 物 质 运 动 的 时 候 也 会 带 动 无 形 态 物 质 形 态 物 质 越 大, 对 空 间 中 的 无 形 态 物 质 的 影 响 力 越 大 离 物 体 越 近, 物 体 对 该 空 间 的 无 形 态 物 质 的 影 响 力 越 大 那 么, 我 们 宏 观 来 看 一 下 地 球, 地 球 处 在 无 形 态 物 质 的 海 洋 之 中, 地 球 的 运 动 会 带 动 它 附 近 的 无 形 态 物 质 在 地 球 表 面, 无 形 态 物 质 被 地 球 带 动 着 ; 离 地 球 较 远 处 ; 无 形 态 物 质 就 完 全 不 被 地 球 带 动 了 换 一 句 话 说, 在 地 球 表 面, 无 形 态 物 质 相 对 于 地 球 的 速 度 较 小 ; 在 远 离 地 球 表 面 处, 无 形 态 物 质 相 对 地 球 的 速 度 就 是 地 球 的 轨 道 速 度 3km / s. 如 图 3.1 所 示, 离 地 表 的 距 离 越 远, 无 形 态 物 质 相 对 地 表 的 速 度 越 大, 离 地 表 较 远 处, 无 形 态 物 质 相 对 地 表 的 速 度 达 到 3km / s. 这 是 我 们 只 考 虑 平 动 情 况, 而 地 球 的 转 动 也 会 带 动 无 形 态 物 质, 但 是 更 不 会 完 全 带 动 无 形 态 物 质, 因 为 地 球 转 动 时, 各 点 速 度 不 同, 即 使 同 一 点, 不 同 时 刻 速 度 方 向 也 不 同 图 无 形 态 物 质 密 度 的 叠 加 由 于 无 形 态 物 质 是 弥 散 状 态 存 在 的, 我 们 用 密 度 来 描 述 它, 用 S 来 代 表 它 的 3 密 度 ( 密 度 的 国 际 单 位 是 kg / m.) 整 个 宇 宙 空 间 中 各 处 无 形 态 物 质 的 密 度 是 否 都 相 同 呢? 不 是 的, 由 于 形 态 物 质 和 无 形 态 物 质 之 间 也 有 着 某 种 亲 和 力, 形 态 物 质 非 常 聚 集 的 地 方 无 形 态 物 质 的 密 度 相 比 较 而 言 会 大 一 些 也 就 是 说 在 地 球 表 面 无 形 态 物 质 的 密 度 比 在 远 离 地 球 表 面 宇 宙 空 间 的 无 形 态 物 质 密 度 要 大 一 些 无 形 态 物 质 是 可 叠 加 的, 如 果 空 间 中 某 处 总 的 无 形 态 物 质 可 以 看 作 是 由 几 部 分 叠 加 的 话, 总 的 无 形 态 物 质 密 度 就 等 于 各 部 分 无 形 态 物 质 密 度 的 代 数 和 S S1 S S3 (3.1) 9

31 3.1.4 地 表 物 体 对 无 形 态 物 质 的 带 动 我 们 进 一 步 由 浅 入 深 地 看 问 题, 在 地 球 表 面, 无 形 态 物 质 被 地 球 带 动 着 当 一 辆 火 车 从 我 们 身 旁 驶 过 的 时 候, 我 们 所 在 位 置 处 的 无 形 态 物 质 会 不 会 被 火 车 有 明 显 地 带 动 呢? 火 车 和 地 球 相 比 真 是 太 渺 小 了! 火 车 存 在 和 火 车 不 存 在, 对 我 们 所 处 的 空 间 状 态 没 有 什 么 明 显 影 响, 火 车 对 我 们 所 在 位 置 处 的 无 形 态 物 质 影 响 完 全 可 以 忽 略 在 车 厢 内 也 是 同 样 的 道 理 但 是, 在 物 质 的 内 部, 如 水 中 玻 璃 中, 这 时 由 于 离 分 子 原 子 距 离 非 常 近, 已 经 是 另 一 个 层 次 的 问 题 了, 物 体 对 该 处 的 无 形 态 物 质 的 影 响 就 不 可 忽 略 了 在 水 中, 如 果 我 们 把 总 无 形 态 物 质 看 做 两 部 分 的 话, 无 形 态 物 质 的 总 密 度 是 地 表 真 空 中 的 无 形 态 物 质 密 度 与 水 所 对 应 的 无 形 态 物 质 密 度 的 叠 加 S S S 地 我 们 探 讨 物 理 问 题 都 要 建 立 空 间 参 考 系, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 某 个 空 间 参 考 系 的 速 度 等 于 各 部 分 无 形 态 物 质 相 对 于 该 空 间 参 考 系 速 度 与 密 度 的 全 权 叠 加 S1 1 S S3 3 (3.) S S S 水 1 3 我 们 还 是 以 水 流 为 例, 假 如 水 相 对 于 地 表 空 间 参 考 系 速 度 是 水, 我 们 来 看 一 下 在 水 中 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 空 间 参 考 系 的 速 度 假 设 在 地 表 真 空 的 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 为 ; 水 流 对 应 的 无 形 态 物 质 和 水 流 一 起 运 动, 相 对 于 地 表 的 速 度 为 水, 所 以, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 为 S 水 S 水 水 S S 地 地 S 水 S 水 S 地 水 真 空 中 存 在 无 形 态 物 质 现 在 我 们 再 来 看 一 下 真 空, 人 们 以 前 一 直 认 为 理 想 的 真 空 中 什 么 也 没 有, 其 实 不 然 真 空 只 是 没 有 了 空 气 分 子, 真 空 中 有 大 量 的 无 形 态 物 质 存 在 着 真 空 容 器 的 器 壁 对 无 形 态 物 质 不 会 有 任 何 的 阻 挡 如 果 真 空 是 在 地 表, 真 空 中 弥 漫 的 就 是 对 应 的 地 表 空 间 的 无 形 态 物 质, 真 空 3

32 中 的 无 形 态 物 质 密 度 就 是 地 表 空 间 的 无 形 态 物 质 密 度 ; 如 果 真 空 是 在 宇 宙 空 间 中, 真 空 中 弥 漫 的 就 是 对 应 的 宇 宙 空 间 中 的 无 形 态 物 质, 真 空 中 的 无 形 态 物 质 密 度 就 是 该 宇 宙 空 间 中 的 无 形 态 物 质 密 度 3. 物 理 规 律 与 无 形 态 物 质 密 不 可 分 无 形 态 物 质 存 在 的 空 间 叫 无 形 态 物 质 空 间, 或 简 称 物 质 空 间 对 应 于 无 形 态 物 质 空 间, 我 们 把 传 统 物 理 中 空 虚 的 平 直 的 空 间 叫 数 学 空 间 人 们 解 决 物 理 问 题 经 常 建 立 数 学 参 考 系, 数 学 参 考 系 只 是 为 了 便 于 处 理 物 理 问 题, 与 物 理 规 律 没 有 任 何 必 然 的 直 接 的 联 系 物 体 的 一 切 运 动 规 律 不 是 依 赖 于 绝 对 的 数 学 空 间, 而 是 依 赖 于 物 体 所 处 的 总 的 无 形 态 物 质 空 间 我 们 举 一 个 浅 显 的 例 子, 鱼 在 水 中 游, 水 相 对 于 河 岸 流 动, 那 么 鱼 的 受 力 和 运 动 规 律 是 与 什 么 密 不 可 分 呢? 鱼 的 受 力 和 运 动 规 律 是 与 水 流 密 不 可 分 的, 而 不 是 与 岸 边 的 数 学 参 考 系 直 接 联 系 在 一 起 物 体 好 比 是 鱼, 无 形 态 物 质 好 比 是 水 ; 物 体 的 运 动 规 律 依 赖 于 它 所 处 的 总 的 无 形 态 物 质 空 间, 而 不 是 直 接 依 赖 于 数 学 空 间 大 家 知 道, 在 宏 观 上, 物 体 之 间 的 相 互 作 用 力 必 须 通 过 某 物 体 才 能 够 传 递 同 样 地, 物 体 之 间 相 互 作 用 的 万 有 引 力 以 及 电 荷 之 间 相 互 作 用 的 库 仑 力 也 必 须 通 过 某 种 物 质 传 递 了 解 了 无 形 态 物 质 之 后, 我 们 可 以 得 出 这 样 的 结 论 : 物 体 间 的 万 有 引 力 是 通 过 无 形 态 物 质 传 递 的 相 互 作 用 电 荷 之 间 的 库 仑 力 是 通 过 无 形 态 物 质 传 递 的 相 互 作 用 任 何 波 动 都 需 要 媒 质 来 传 播, 光 和 其 它 的 波 动 没 有 本 质 的 区 别 它 具 有 波 的 一 切 特 征, 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质, 光 相 对 于 无 形 态 物 质 空 间 的 传 播 速 度 是 衡 定 的 31

33 3.3 无 形 态 物 质 存 在 的 辅 助 说 明 暗 物 质 简 介 作 者 1991 年 创 建 新 物 理 时, 通 过 对 大 量 物 理 现 象 物 理 规 律 的 分 析, 认 为 自 然 界 中 一 定 存 在 另 一 种 状 态 的 物 质, 称 其 为 无 形 态 物 质 当 时 作 者 还 不 知 道 关 于 暗 物 质 的 说 法, 现 在, 国 际 上 有 很 多 物 理 现 象 已 经 证 实, 宇 宙 中 确 实 大 量 存 在 着 另 一 种 状 态 的 物 质, 并 称 其 为 暗 物 质 目 前 科 学 家 们 普 遍 认 为, 宇 宙 中 大 部 分 的 物 质 以 暗 物 质 的 形 态 存 在 在 研 究 和 观 测 漩 涡 星 云 中 旋 转 星 体 的 速 度 和 位 置 关 系 时, 物 理 学 家 在 银 河 旋 转 曲 线 中 发 现 异 常 对 于 这 一 观 测 异 常, 人 们 能 够 做 出 的 解 释 是, 所 谓 的 星 系 空 间 并 非 什 么 真 空, 而 是 由 某 种 物 质 弥 漫 于 整 个 空 间, 因 为 这 种 物 质 自 身 不 能 发 光, 所 以 它 是 不 可 见 的 年, 科 学 家 们 发 现, 距 银 河 系 中 心 1 光 年 的 R 15, 它 的 视 速 度 大 于 465 km/s, 根 据 天 体 物 理 理 论, 产 生 这 样 高 的 速 度 只 有 在 银 河 系 总 质 量 十 倍 于 可 见 物 质 时 才 有 这 个 可 能 开 始, 科 学 家 们 认 为 暗 物 质 应 该 是 一 些 气 体 物 质, 然 而 通 过 光 学 方 法 测 定 出, 暗 物 质 不 是 氢 氧 锂 碳 镁 铝 铁 硫 它 不 可 能 是 任 何 化 学 元 素 通 过 对 宇 宙 x 射 线 的 测 定, 同 样 可 以 排 除 暗 物 质 是 离 子 化 气 体 的 可 能 性 当 然, 暗 物 质 也 不 是 死 星, 如 果 短 缺 的 宇 宙 引 力 质 量 是 死 星, 这 必 然 会 使 星 体 轨 道 计 算 发 生 困 难, 最 终 导 致 计 算 结 果 与 观 测 值 不 相 符 近 期, 以 色 列 和 美 国 的 两 位 科 学 家 在 英 国 自 然 杂 志 上 宣 布, 他 们 首 次 发 现 了 类 星 体 周 围 暗 物 质 晕 存 在 的 证 据 大 量 实 验 事 实 都 说 明 自 然 界 中 有 另 一 种 状 态 的 物 质 存 在! 但 是, 人 们 并 没 有 3

34 对 它 进 行 描 述 更 没 有 把 它 和 物 理 规 律 深 刻 地 联 系 起 来, 作 者 意 识 到 它 的 存 在 并 且 把 它 与 物 理 规 律 密 切 联 系 起 来, 这 将 给 物 理 学 带 来 极 其 深 远 的 影 响! 3.3. 玻 色 - 爱 因 斯 坦 凝 聚 态 简 介 现 在 国 际 上 最 热 门 的 物 理 实 验 领 域 是 对 玻 色 - 爱 因 斯 坦 凝 聚 态 的 研 究 这 里 简 要 描 述 一 下 实 验 现 象 : 当 原 子 冷 却 到 极 低 的 温 度 时, 会 发 生 不 可 思 议 的 变 化 原 子 的 尺 寸 会 增 大 几 千 倍, 原 来 像 镜 面 一 样 清 晰 的 表 面 变 得 模 糊 不 清 了, 彼 此 可 以 像 幽 灵 一 样 一 穿 而 过, 而 不 发 生 任 何 偏 转 ( 这 和 常 态 物 质 的 性 质 已 经 完 全 不 同 了, 常 态 的 原 子 如 果 可 以 相 互 穿 过 的 话, 我 们 都 可 以 穿 墙 而 过 了 ) 成 千 上 万 个 原 子 可 以 重 叠 成 一 [7] 个 较 大 的 球 体, 该 凝 聚 体 有 很 多 奇 特 的 性 质, 如 超 流 动 性 等 等 科 学 家 们 让 光 穿 过 这 种 凝 聚 体, 发 现 光 在 这 种 凝 聚 体 中 的 传 播 速 度 只 有 十 几 [8] 米 每 秒, 几 乎 和 自 行 车 的 速 度 相 仿 这 些 实 验 说 明 物 质 的 存 在 状 态 绝 对 不 只 只 是 我 们 熟 知 的 常 态 物 质 这 样 一 种 形 式 这 种 凝 聚 体 是 不 是 形 态 物 质 转 化 成 无 形 态 物 质 的 一 个 过 渡 状 态 呢? 星 体 运 行 规 律 前 面 我 们 说 过, 宏 观 的 星 体 运 行 规 律 那 是 正 在 进 行 的 实 验! 那 是 比 我 们 地 表 实 验 室 所 做 的 实 验 庞 大 得 多 稳 定 得 多 精 确 得 多 的 实 验! 这 些 星 体 运 行 所 拥 有 的 普 遍 规 律 非 常 值 得 我 们 深 思! 通 过 观 察 宇 宙 中 正 在 进 行 的 这 些 伟 大 实 验, 大 家 能 否 有 所 体 会, 大 家 能 否 体 会 到 宇 宙 空 间 中 有 我 们 看 不 见 的 另 一 种 状 态 的 物 质 充 满 着 存 在 着! 1 月 亮 绕 地 球 转 动 的 方 向 和 地 球 的 自 转 方 向 相 同 月 亮 一 天 比 一 天 出 来 得 晚, 月 亮 是 围 绕 地 球 自 西 向 东 转 动, 与 地 球 自 转 方 向 相 同 33

35 如 图 3. 所 示, 九 大 行 星 都 在 接 近 同 一 平 面 的 近 圆 形 的 椭 圆 轨 道 上, 朝 同 一 方 向 绕 太 阳 公 转, 即 行 星 的 轨 道 运 动 具 有 同 共 面 性 近 圆 性 和 同 向 性, 只 有 水 星 和 冥 王 星 稍 有 偏 离 太 阳 的 自 转 方 向 也 与 行 星 的 公 转 方 向 相 同 图 3. 3 如 图 3.3 所 示, 这 是 让 人 着 迷 的 土 星 奇 妙 的 盘 状 圆 环 环 薄 得 令 人 难 以 置 信, 直 径 数 十 万 公 里, 厚 度 仅 几 米 用 唱 片 来 形 容 土 星 环 很 形 象 它 们 由 几 十 亿 块 冰 块 组 成, 排 列 在 行 星 重 力 轨 道 内, 每 一 图 3.3 块 都 是 一 颗 小 卫 星 4 如 图 3.4 所 示, 这 是 我 们 银 河 系 的 概 貌 图 3.434

36 5 其 他 星 系 图 3.5 星 系 ngc891, 银 河 系 的 侧 面 就 是 这 个 样 子 图 3.6 离 银 河 系 最 近 的 河 外 星 系 图 3.7 庞 大 美 丽 且 明 亮 的 螺 旋 星 系 m83, 状 态 大 小 类 似 银 河 系 35

37 朋 友 们, 大 家 都 看 过 水 中 的 漩 涡 吧, 这 些 实 实 在 在 的 天 体 运 行 和 水 中 的 漩 涡 是 不 是 非 常 相 似 啊? 这 仅 仅 是 巧 合 吗? 如 果, 空 间 中 没 有 与 星 体 相 互 作 用 的 物 质, 土 星 的 卫 星 也 好 太 阳 系 的 行 星 也 好 银 河 系 也 好 其 它 星 系 也 好, 为 什 么 像 水 中 的 旋 涡 呢? 为 什 么 具 有 那 么 良 好 的 同 向 性 和 共 面 性 呢? 大 自 然 浩 瀚 深 邃 伟 大, 如 诗 如 歌! 忽 然, 想 起 崇 尚 自 然 的 老 子 的 一 段 话 : 有 物 混 成, 先 天 地 生, 寂 兮 寥 兮, 独 立 而 不 改, 周 行 而 不 殆, 可 以 为 天 下 母 吾 不 知 其 名, 字 之 曰 道, 强 为 之 名 曰 大 大 曰 逝, 逝 曰 远, 远 曰 反 有 一 个 东 西 混 然 天 成, 在 天 地 形 成 以 前 就 已 经 存 在 听 不 到 它 的 声 音 也 看 不 见 它 的 形 体, 寂 静 而 空 虚, 它 独 立 长 存 永 不 停 息, 循 环 运 行 而 永 不 衰 竭, 可 以 作 为 万 物 的 根 本 我 不 知 道 它 的 名 字, 所 以 勉 强 把 它 叫 做 道, 再 勉 强 给 它 起 个 名 字 叫 做 大 它 广 大 无 边 而 运 行 不 息, 运 行 不 息 而 伸 展 遥 远, 伸 展 遥 远 而 又 返 回 本 原 36

38 第 四 章 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 4.1 作 者 的 时 空 观 在 阐 述 各 种 物 理 规 律 之 前, 我 们 必 须 先 把 物 理 学 最 基 本 的 观 念 明 确 一 下 牛 顿 说 : 绝 对 空 间, 它 永 不 改 变, 永 不 移 动 此 乃 空 间 的 本 性 它 独 立 自 我 存 在, 不 与 身 外 事 物 相 干 绝 对 的 真 实 的 或 数 学 的 时 间, 它 的 本 身, 而 且 就 其 本 质 而 言, 总 是 于 任 何 外 界 事 物 无 关 地 均 匀 地 流 逝 着 时 间 空 间 是 人 们 认 识 世 界 的 标 准 和 尺 度, 是 物 理 学 不 可 动 摇 的 基 石 作 者 的 时 空 观 与 牛 顿 经 典 物 理 的 时 空 观 是 一 致 的 1 时 间 是 客 观 存 在 的, 总 是 与 任 何 外 界 事 物 无 关 地 均 匀 地 流 逝 着 数 学 空 间 在 其 本 质 上 与 外 界 任 何 事 物 都 无 关, 永 远 保 持 其 为 等 同 的 恒 定 的 3 速 度 遵 循 伽 利 略 叠 加 原 理 4 质 量 ( 引 力 质 量 ) 是 守 恒 的, 能 量 是 守 恒 的, 它 们 不 能 相 互 转 化 与 牛 顿 经 典 物 理 唯 一 不 同 的 是 作 者 认 为 物 体 的 一 切 运 动 规 律 不 是 依 赖 于 空 虚 的 数 学 空 间 参 考 系, 而 是 依 赖 于 它 所 处 的 总 无 形 态 物 质 空 间 前 面 打 了 个 鱼 在 水 中 游 的 比 方 物 体 好 比 是 鱼, 无 形 态 物 质 好 比 是 水, 物 体 的 一 切 运 动 规 律 依 赖 于 它 所 处 的 总 的 无 形 态 物 质 空 间, 而 不 是 直 接 依 赖 于 数 学 空 间 4. 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 任 何 波 动 都 需 要 传 播 媒 质, 光 和 其 它 的 波 动 没 有 本 质 的 区 别, 它 具 有 波 的 一 切 特 征, 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质, 光 相 对 于 无 形 态 物 质 空 间 的 传 播 速 度 是 衡 定 的 由 波 动 学 规 律 可 知 37

39 波 的 传 播 速 度 u 为 : u G 或 u E 或 u K 其 中, G 为 固 体 的 切 变 模 量, E 为 固 体 的 弹 性 模 量, K 为 液 体 或 气 体 的 体 积 模 量, 为 媒 质 的 密 度 总 之, 不 管 波 是 在 固 体 还 是 在 液 体 中 传 播, 波 的 传 播 速 度 都 与 媒 质 模 量 的 二 分 之 一 次 方 成 正 比, 都 与 媒 质 密 度 的 二 分 之 一 次 方 成 反 比 由 于 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质, 所 以 可 以 得 出 光 速 c 与 无 形 态 物 质 密 度 S 的 关 系 式 为 W c (4.1) S 其 中, S 为 无 形 态 物 质 的 密 度,W 为 无 形 态 物 质 的 体 积 模 量 ( N / m ) 大 家 都 清 楚, 光 在 玻 璃 水 等 物 质 中 的 传 播 速 度 小 于 真 空 中 的 光 速 物 理 学 对 这 些 事 实 并 没 有 很 好 解 释, 我 们 从 无 形 态 物 质 的 角 度 来 理 解 就 非 常 容 易 了 在 地 表 真 空 中, 无 形 态 物 质 的 密 度 就 是 地 表 空 间 的 无 形 态 物 质 密 度 S, 在 地 表 真 空 中 的 光 速 W c (4.) S 在 水 中, 无 形 态 物 质 的 总 密 度 是 地 表 真 空 中 的 无 形 态 物 质 密 度 与 水 所 对 应 的 无 形 态 物 质 密 度 的 叠 加, S S S, 水 中 的 光 速 为 水 c 水 W S S 水 (4.3) 由 于 在 玻 璃 水 等 物 质 中, 无 形 态 物 质 的 密 度 比 地 表 真 空 中 无 形 态 物 质 的 密 度 大 了, 光 在 玻 璃 水 等 物 质 中 的 传 播 速 度 自 然 要 小 于 真 空 中 的 光 速 在 第 二 章, 我 们 介 绍 了 物 理 学 史 上 相 互 矛 盾 的 大 量 实 验 现 象 : 双 星 现 象 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 艾 里 实 验 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 下 面 我 们 就 从 全 新 的 角 度 来 理 解 一 下 物 理 学 史 上 这 些 著 名 的 实 验 和 现 象 在 全 新 的 体 系 下, 所 有 实 验 现 象 之 间 不 再 有 任 何 矛 盾, 非 常 自 然 融 洽 和 谐 统 一 38

40 4.3 斐 索 实 验 的 全 新 解 释 1851 年, 斐 索 做 了 一 个 非 常 巧 妙 的 实 验 它 反 映 出 水 可 以 带 动 光, 然 而 不 能 完 全 带 动 光, 而 是 以 较 慢 的 速 度 前 进 斐 索 实 验 测 量 出 在 水 中 传 播 的 光 相 对 于 地 球 的 速 度 是 c c f (4.4) n 式 中 + 表 示 光 顺 着 水 流 的 情 况, - 表 示 光 逆 着 水 流 的 情 况 其 中, n 是 水 的 折 射 率, 曳 引 系 数 f.434., 比 1 小 如 何 理 解 斐 索 实 验 呢? 为 什 么 水 可 以 带 动 光 呢? 现 在 我 们 从 无 形 态 物 质 的 角 度 上, 就 可 以 很 好 理 解 斐 索 实 验 因 为 水 带 动 了 无 形 态 物 质, 所 以 水 可 以 带 动 光 在 地 表 真 空 中, 地 表 无 形 态 物 质 的 密 度 是 均 匀 的, 我 们 用 S 表 示, 假 设 地 表 无 形 态 物 质 相 对 于 地 球 没 有 运 动 在 水 流 内 部, 由 于 距 水 分 子 的 距 离 十 分 小, 水 的 无 形 态 物 质 密 度 就 不 可 忽 略 了, 总 无 形 态 物 质 密 度 就 等 于 地 表 无 形 态 物 质 密 度 与 水 流 无 形 态 物 质 密 度 的 叠 加 S S水 S (4.5) 假 如 在 地 表 真 空 中 的 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 为, 水 流 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 为 水, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 为 : S 水 S S 水 水 S 令 f S 水 S 水 S, 则 f (4.6) 水 光 在 水 中 传 播 时 相 对 于 这 个 运 动 的 总 无 形 态 物 质 空 间 的 传 播 速 度 是 c / n, 光 相 对 于 地 表 的 速 度 为 39

41 c c f水 n (4.7) 因 为 水 带 动 了 无 形 态 物 质 运 动, 所 以 水 带 动 了 光 这 很 好 地 解 释 了 斐 索 实 验 中 水 对 光 的 曳 引 现 象 下 面 我 们 定 量 地 计 算 一 下 水 的 曳 引 系 数 当 光 在 地 表 的 真 空 中 传 播 时, 光 速 为 当 光 在 水 中 传 播 时, 光 速 为 W c (4.8) S c 水 W S S 水 (4.9) 把 (4.8) 式 和 (4.9) 式 两 边 平 方 然 后 相 除 得 c 水 c S S S 水 由 于 f S 水 S 水 S, 又 c 水 c, 代 入 后 得 n f 1 1 (4.1) n 我 们 知 道 水 的 折 射 率 n 1.33, 理 论 上 我 们 来 计 算 一 下 水 的 曳 引 系 数 f n (1.33) 实 验 中 斐 索 测 得 的 水 的 曳 引 系 数 f 可 见, 理 论 值 与 实 验 值 非 常 吻 合 不 仅 仅 是 斐 索 实 验, 其 它 很 多 曳 引 实 验 都 表 明, 各 种 物 质 对 光 的 曳 引 系 数 都 满 足 公 式 (4.1) 的 形 式 4.4 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 的 全 新 解 释 1876~ 1887 年 间, 迈 克 尔 逊 和 莫 雷 两 人 做 了 一 个 实 验, 用 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 想 测 量 地 表 上 以 太 风 的 速 度 结 果 地 表 上 根 本 没 有 以 太 风 4

42 迈 克 尔 逊 和 莫 雷 当 时 做 出 结 论 说 : 倘 若 地 球 与 以 太 有 相 对 速 度, 它 也 不 可 能 超 过 地 球 轨 道 运 动 速 度 的 1/ 6, 肯 定 地 说, 是 不 会 超 过 1/ 4 的 现 在 我 们 可 以 很 好 理 解 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 如 图 4.1 所 示, 在 第 三 章 中 我 们 探 讨 过, 在 地 球 的 表 面, 地 球 的 平 动 会 带 动 地 表 附 近 的 无 形 态 物 质, 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 较 小, 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 正 说 明 了 这 种 带 动 作 用, 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 表 明, 在 地 球 表 面, 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 小 于 75 m s. 图 密 勒 实 验 的 分 析 解 释 年, 密 勒 和 莫 雷 在 地 表 用 更 精 密 的 仪 器 做 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验, 所 得 实 验 结 果 比 1887 年 迈 克 尔 逊 和 莫 雷 的 更 接 近 于 零 后 来, 密 勒 超 出 了 地 表 空 间, 得 到 了 不 同 寻 常 的 结 果 到 了 191 年, 密 勒 把 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 装 置 安 在 威 尔 逊 山 上 进 行, 所 用 方 法 和 以 前 一 样, 但 实 验 发 现 有 1 km / s 的 正 效 应, 也 就 是 说 光 相 对 于 地 球 在 以 1 km / s 的 速 度 做 漂 移 运 动 可 以 说 密 勒 实 验 对 相 对 论 的 光 速 不 变 原 理 是 否 定 的 现 在 我 们 可 以 很 好 理 解 密 勒 实 验 如 图 4.1 所 示, 距 离 地 表 高 度 不 同, 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 的 速 度 不 同 ; 由 于 高 度 的 影 响, 在 高 山 上, 地 球 对 无 形 态 物 质 的 带 动 减 弱 了, 也 就 是 说 在 高 山 上, 无 形 态 物 质 相 对 于 地 球 的 速 度 较 大 了, 所 以, 在 高 山 上 做 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 会 发 现 干 涉 条 纹 有 漂 移 威 尔 逊 山 175 多 米 高, 可 见 地 球 对 无 形 态 物 质 的 带 动 随 高 度 增 加 而 很 快 地 减 弱 了 4 年 月 初, 我 到 五 台 山 的 北 台 顶 上 测 量 了 光 速, 北 台 顶 海 拔 358 米, 测 量 结 果 显 示, 在 高 山 上 光 的 传 播 速 度 与 地 表 没 有 差 别 人 们 在 高 空 也 测 量 过 光 41

43 速, 测 量 值 和 地 表 是 相 等 的 这 就 是 说, 在 高 山 上 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 有 漂 移 ; 但 是, 高 山 上 无 形 态 物 质 的 密 度 与 地 表 没 有 明 显 差 别 4.6 光 行 差 现 象 的 分 析 解 释 在 地 球 上, 用 望 远 镜 观 测 遥 远 的 任 意 一 颗 恒 星, 发 现 在 地 球 轨 道 的 不 同 位 置 上, 我 们 用 以 观 测 的 望 远 镜 方 向 在 一 年 内 有 周 期 性 的 变 化 在 实 际 观 测 中, 这 个 最 大 的 角 约 等 于 1 4 弧 度 物 理 学 家 们 用 以 太 的 思 想 来 解 释 光 行 差 现 象, 得 出 的 结 论 是 : 地 球 相 对 于 以 太 的 海 洋 以 3km / s 在 运 动, 也 就 是 说 地 表 上 有 3km / s 的 以 太 风 人 们 认 为 这 和 地 表 上 的 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 的 零 结 果 是 完 全 矛 盾 的 这 个 实 验 与 地 表 上 的 迈 克 尔 逊 莫 雷 实 验 的 零 结 果 真 的 有 矛 盾 吗? 现 在 我 们 从 无 形 态 物 质 的 角 度, 能 很 自 然 的 理 解 光 行 差 现 象 如 图 4. 所 示, 假 如 恒 星 发 出 的 光 以 速 度 c 垂 直 于 地 球 的 轨 道 平 面 射 来 ; 地 球 带 动 着 它 表 面 的 无 形 态 物 质 相 对 于 宇 宙 空 间 以 速 度 运 动 当 光 在 远 离 地 球 的 宇 宙 空 间 中 传 播 时, 地 球 的 运 动 对 远 处 的 总 无 形 态 物 质 影 响 非 常 小, 可 以 忽 略 恒 星 发 出 的 光 在 宇 宙 中 将 依 然 以 速 度 c 垂 直 于 地 球 的 轨 道 平 面 射 来 ; 由 于 地 球 相 对 于 宇 宙 空 间 以 速 度 运 动, 在 地 球 上 图 4. 观 察, 光 相 对 于 地 球 有 个 反 相 的 速 度 ; 所 以, 在 地 球 上 观 察, 光 是 从 向 前 倾 斜 角 的 方 向 射 来 的 从 图 上 可 以 看 出, 观 测 方 向 与 原 传 播 方 向 夹 角 的 正 切 值 为 : tan c 4

44 把 地 球 的 轨 道 速 度 3km / s 和 光 速 带 入, 会 得 出 这 个 最 大 角 约 等 于 1 4 弧 度 以 上 解 释 与 观 察 事 实 符 合 得 很 好, 而 且 并 不 会 和 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 矛 盾 4.7 艾 里 实 验 的 分 析 解 释 既 然 水 可 以 带 动 以 太, 那 么 把 望 远 镜 中 灌 满 水, 人 们 推 断 将 会 看 到 与 无 水 时 不 同 的 光 行 差 现 象 在 1871 年, 艾 里 在 望 远 镜 中 灌 满 了 水, 可 是 艾 里 仍 然 观 察 到 与 无 水 时 一 样 的 光 行 差 现 象 在 以 太 的 框 架 下, 艾 里 实 验 和 光 行 差 现 象 斐 索 实 验 等 也 是 相 互 矛 盾 的! 现 在 我 们 能 很 自 然 的 理 解 艾 里 实 验 如 图 4. 所 示, 当 把 光 行 差 实 验 的 望 远 镜 中 灌 满 水 后, 注 意, 因 为 水 并 没 有 相 对 地 球 运 动, 水 的 存 在 只 是 使 望 远 镜 中 总 无 形 态 物 质 密 度 比 无 水 时 大 了, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 球 仍 是 静 止 的 光 进 入 地 表 附 近 的 物 质 空 间 后, 水 的 存 在 并 不 会 影 响 它 的 传 播 方 向 所 以, 仍 能 观 测 到 与 无 水 时 相 同 的 光 行 差 现 象 4.8 双 星 现 象 的 分 析 解 释 人 们 通 过 对 遥 远 的 恒 星 进 行 观 测, 来 判 断 光 速 是 否 依 赖 于 光 源 速 度, 发 现 双 星 系 统 都 很 正 常, 从 来 没 有 看 到 过 魅 星, 进 而 判 断 出 光 速 与 光 源 的 速 度 无 关 光 速 与 光 源 的 速 度 无 关 这 是 远 在 相 对 论 产 生 前 人 们 就 通 过 双 星 现 象 得 出 的 结 论! 下 面 我 们 来 分 析 一 下 双 星 现 象 我 们 说 无 形 态 物 质 是 光 的 传 播 媒 质, 光 速 与 光 源 速 度 无 关 43 图 4.3

45 如 图 4.3 所 示, 在 星 球 附 近, 总 无 形 态 物 质 会 受 到 星 球 运 动 的 带 动 ; 所 以, 当 光 在 星 球 附 近 传 播 的 时 候, 从 a b 点 发 出 的 光 相 对 于 宇 宙 空 间 的 速 度 是 不 同 的, 但 是 光 在 星 球 附 近 传 播 的 时 间 很 短 在 遥 远 的 宇 宙 空 间, 总 无 形 态 物 质 不 会 受 到 星 球 运 动 的 影 响 ; 当 光 在 辽 阔 的 宇 宙 空 间 中 传 播 的 时 候, 从 a b 点 发 出 的 光 相 对 于 宇 宙 空 间 的 速 度 是 相 同 的 由 于 在 星 球 附 近 的 影 响 极 其 微 小, 所 以 我 们 观 测 的 双 星 系 统 都 很 正 常 感 兴 趣 的 朋 友 可 以 自 己 定 量 地 推 算 一 下, 类 比 一 下 地 球 吧, 在 地 球 附 近 几 千 米 的 高 空, 地 球 对 该 处 无 形 态 物 质 的 带 动 就 减 弱 了 ; 即 便 再 高 一 些 的 高 空, 光 传 播 到 此 也 只 需 很 短 很 短 时 间! 而 光 速 微 小 的 差 别 引 起 的 时 间 差 更 是 非 常 非 常 短! 这 个 时 间 和 星 球 的 轨 道 周 期 根 本 没 有 可 比 性 4.9 萨 格 纳 克 效 应 (sagnac 效 应 ) 意 义 重 大! 1911 年,Sagnac 发 明 了 一 种 可 以 旋 转 的 环 形 干 涉 仪 实 验 原 理 如 图 4.4 所 示 将 同 一 光 源 发 出 的 一 束 光 分 解 为 两 束, 让 它 们 在 同 一 个 环 路 内 沿 相 反 方 向 循 行 一 周 后 会 合, 然 后 在 屏 幕 上 会 产 生 干 涉 萨 格 纳 克 效 应 中 条 纹 移 动 数 与 干 涉 仪 的 角 速 度 和 环 路 所 围 面 积 之 积 成 正 比 图 4.4 下 面 我 们 对 萨 格 纳 克 效 应 从 一 个 全 新 的 角 度 来 理 解 一 下 如 图 4.5 所 示, 为 简 单 起 见, 我 们 不 妨 假 定 该 环 路 是 半 径 为 R 的 圆, 并 假 定 干 涉 仪 是 作 顺 时 针 方 向 的 定 轴 转 动, 角 速 度 为. 由 于 干 涉 仪 的 运 动 不 会 影 响 地 表 总 的 无 形 态 质 的 状 态, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 是 静 止 的 环 路 本 身 相 对 于 地 表 的 线 速 度 为 R, 顺 时 针 44 图 4.5 真 空 中

46 转 动 ; 从 干 涉 仪 所 在 的 转 动 的 参 考 系 中 看, 无 形 态 物 质 相 对 于 环 路 的 线 速 度 为 R, 逆 时 针 转 动 ; 顺 时 针 方 向 和 逆 时 针 方 向 传 播 的 两 束 光 相 对 于 环 路 本 身 的 线 速 度 分 别 为 顺 逆 c R c R 环 的 周 长 为 L R, 因 而 两 束 光 在 环 中 运 行 的 时 间 差 为 R R t c R c R 4R c (1 R c ) 略 去 二 级 微 小 量, 得 4S t (4.11) c 光 程 差 为 4S ct (4.1) c 因 而 与 上 述 的 光 程 差 对 应 的 条 纹 移 动 数 目 是 4S N (4.13) c 可 见, 萨 格 纳 克 效 应 中 条 纹 移 动 数 与 干 涉 仪 的 角 速 度 和 环 路 所 围 面 积 之 积 成 正 比 萨 格 纳 克 效 应 已 经 得 到 广 泛 的 应 用, 光 纤 陀 螺 已 成 功 地 用 于 航 空 航 天 等 领 域, 是 近 几 十 年 发 展 较 快 的 一 种 陀 螺 仪 对 于 光 纤 陀 螺 仪, 光 在 介 质 中 传 播, 其 传 播 速 率 与 介 质 的 折 射 率 有 关, 也 与 介 质 的 切 线 速 率 有 关 这 时 我 们 如 何 理 解 萨 格 纳 克 效 应 并 得 到 符 合 事 实 的 公 式 呢? 如 图 4.6 所 示, 设 光 纤 线 圈 半 径 为 R, 光 源 和 探 测 器 均 置 于 A 处 装 置 相 对 地 表 空 间 以 角 速 度 沿 顺 时 针 转 动, 环 路 本 身 的 线 速 度 为 R. 光 纤 会 带 动 其 内 部 的 总 无 形 态 物 质 顺 时 针 转 动, 根 据 对 斐 索 实 验 探 讨 的 相 关 公 式 可 知, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 地 表 顺 时 针 转 动 的 线 速 度 为 图 4.6 光 纤 中 45

47 1 f R (1 ) R n 从 干 涉 仪 所 在 的 转 动 的 参 考 系 中 看, 光 纤 内 总 无 形 态 物 质 是 逆 时 针 转 动 的, 总 无 形 态 物 质 相 对 于 干 涉 仪 逆 时 针 转 动 的 线 速 度 为 1 R R (4.14) n 光 相 对 于 总 无 形 态 物 质 空 间 的 传 播 速 度 是 衡 定 的, 所 以 顺 时 针 方 向 和 逆 时 针 方 向 传 播 的 两 束 光 相 对 于 环 路 本 身 的 线 速 度 分 别 为 两 者 的 时 间 差 为 c 1 R n n 顺 c 1 n n 逆 R 略 去 二 级 微 小 量, 得 环 路 包 围 的 面 积 是 S R R 4 R t (4.15) c 1 c 1 c (1 R c n ) R R n n n n R 4 R t c, 因 而 上 式 可 改 写 成 4S t (4.16) c 所 得 结 果 与 真 空 中 的 t 表 达 式 (4.11) 相 同, 可 见, 在 介 质 中 我 们 从 理 论 上 所 得 的 结 果 也 完 全 符 合 事 实 对 应 的 相 位 差 tcn tc 8 S c n 式 中, 为 激 光 在 地 表 真 空 中 的 波 长, n 为 激 光 在 介 质 中 的 波 长, c n 为 激 光 在 介 质 中 的 速 度 如 果 光 纤 圈 绕 有 N 匝, 其 相 位 变 化 为 8 SN (4.17) c 46

48 因 此, 利 用 光 的 干 涉 原 理 测 出 后, 即 能 求 出 转 速 之 值 计 算 结 果 与 事 实 完 全 一 致, 我 们 很 好 地 解 释 了 光 纤 陀 螺 仪 的 萨 格 纳 克 效 应 萨 格 纳 克 效 应 意 义 重 大! 它 是 对 光 速 不 变 原 理 的 直 接 否 定 爱 因 斯 坦 著 作 中 是 这 样 描 述 的 光 速 不 变 原 理 : 任 意 一 条 光 线 在 静 止 坐 标 系 中 总 是 以 恒 定 的 速 度 c 运 动, 不 管 这 条 光 是 由 静 止 的 还 是 由 运 动 物 体 发 出 的. 静 止 是 指 相 对 于 观 察 者 静 止. 根 据 光 速 不 变 原 理, 光 相 对 于 所 有 静 止 参 考 系 的 速 度 都 是 恒 定 的 c, 在 环 形 干 涉 仪 所 在 的 参 考 系, 两 束 光 相 对 于 环 形 干 涉 仪 的 速 度 都 是 恒 定 的 c, 不 管 环 形 干 涉 仪 怎 样 旋 转 干 涉 条 纹 都 不 应 该 移 动, 更 不 该 和 角 速 度 成 正 比 然 而, 事 实 是 条 纹 移 动 数 与 干 涉 仪 的 角 速 度 成 正 比 这 与 相 对 论 的 分 析 完 全 不 同 维 护 相 对 论 的 学 者 常 常 会 狡 辩 说, 光 速 不 变 原 理 只 适 用 于 惯 性 参 考 系 惯 性 参 考 系 是 经 典 物 理 的 概 念, 相 对 论 抛 弃 了 经 典 物 理 的 绝 对 时 空 观, 所 有 运 动 都 是 相 对 的, 请 问 如 何 定 义 惯 性 参 考 系? 相 对 论 根 本 无 法 定 义 惯 性 参 考 系, 凭 什 么 拿 惯 性 参 考 系 来 搪 塞 萨 格 纳 克 效 应?! 退 一 步 说, 即 使 相 对 论 能 区 分 出 惯 性 参 考 系, 环 形 干 涉 仪 是 非 惯 性 参 考 系, 当 环 形 干 涉 仪 匀 速 转 动 时, 它 只 有 向 心 加 速 度, 正 反 两 束 光 是 沿 着 圆 的 切 向 运 动, 在 相 对 论 中, 正 反 两 束 光 相 对 于 环 形 干 涉 仪 的 速 度 也 绝 对 相 同, 不 管 环 形 干 涉 仪 旋 转 的 角 速 度 多 大, 干 涉 条 纹 都 不 应 该 移 动, 更 不 该 和 角 速 度 成 正 比 然 而, 萨 格 纳 克 效 应 中 条 纹 移 动 数 与 干 涉 仪 的 角 速 度 成 正 比 这 不 仅 仅 是 实 验, 而 且 已 经 在 航 天 航 空 中 广 泛 应 用 所 以 说, 无 论 如 何 萨 格 纳 克 效 应 都 是 对 光 速 不 变 原 理 最 最 直 接 的 否 定 4.1 雷 达 波 传 播 中 的 时 间 延 迟 以 及 光 线 弯 曲 6 地 球 上 的 观 察 者 使 电 磁 波 从 离 开 太 阳 最 近 的 表 面 ( R ~ 1 km ) 往 复 传 播, 8 也 使 电 磁 波 从 离 开 太 阳 较 远 的 空 间 ( R ~ 1 km ) 往 复 传 播,( 发 射 到 太 阳 系 内 的 行 星 水 星 或 金 星 上, 然 后 反 射 回 来 ) 在 地 球 上 计 量 它 们 往 返 时 间 的 时 间 差, 发 现 在 太 阳 附 近 传 播 的 光 在 时 间 上 会 延 迟 47

49 人 们 认 为 这 恰 恰 验 证 了 相 对 论 的 空 间 弯 曲 我 们 不 相 信 什 么 空 间 弯 曲, 我 们 不 赞 成 用 扭 曲 时 空 来 处 理 物 理 问 题, 请 大 家 思 考 两 个 简 单 问 题 : 当 光 通 过 一 个 玻 璃 球 体, 光 线 发 生 了 偏 折, 我 们 就 可 以 说 空 间 弯 曲 了 吗? 当 光 通 过 玻 璃 比 通 过 空 气 慢, 我 们 就 可 以 说 空 间 弯 曲 了 吗? 人 们 喜 欢 新 奇, 喜 欢 刺 激, 但 是 千 万 不 要 把 新 奇 刺 激 拿 到 物 理 中 故 弄 玄 虚, 空 虚 的 数 学 空 间 什 么 也 没 有, 请 问 空 虚 的 数 学 空 间 何 以 会 弯 曲? 了 解 了 无 形 态 物 质 的 分 布 规 律, 我 们 能 很 好 理 解 雷 达 波 延 迟 如 图 4.7 所 示, 由 于 太 阳 附 近 的 无 形 态 物 质 密 度 较 大, 电 磁 波 在 太 阳 附 近 通 过 时 速 度 较 慢 ; 在 离 太 阳 较 远 的 空 间, 无 形 态 物 质 密 度 较 小, 电 磁 波 的 速 度 较 快 所 以, 在 太 阳 附 近 传 播 的 电 磁 波 在 时 间 上 会 延 迟 太 阳 附 近 的 无 形 态 物 质 是 球 形 分 布 的, 这 就 好 像 一 的 巨 大 的 凸 透 镜, 当 光 线 在 太 阳 附 近 通 过 时, 显 然 会 向 太 阳 所 在 方 向 发 生 弯 曲 图 年 5 月 9 日, 爱 丁 顿 率 领 的 考 察 队 在 西 非 几 内 亚 湾 的 普 林 西 比 岛 进 行 日 蚀 观 测, 他 们 发 现 经 过 太 阳 附 近 的 光 线 向 太 阳 所 在 方 向 发 生 弯 曲, 这 个 消 息 一 经 传 出, 全 球 为 此 轰 动 48

50 第 五 章 无 形 态 物 质 是 物 理 规 律 的 基 础 处 理 物 理 问 题 必 须 依 赖 与 数 学, 但 是 人 们 往 往 使 物 理 过 于 数 学 化 了, 渐 渐 忽 略 了 物 理 学 的 客 观 基 础 人 们 解 决 物 理 问 题 经 常 建 立 数 学 参 考 系, 数 学 参 考 系 只 是 为 了 便 于 处 理 物 理 问 题, 与 物 理 规 律 没 有 任 何 必 然 的 直 接 的 联 系 但 是, 人 们 竟 然 直 接 把 物 理 规 律 建 立 在 数 学 参 考 系 上, 这 是 经 典 物 理 最 根 本 的 失 误 作 者 将 纠 正 经 典 物 理 的 失 误, 在 客 观 的 物 质 的 基 础 上 探 讨 最 基 本 的 物 理 学 问 题 物 体 的 一 切 运 动 规 律 不 是 依 赖 于 绝 对 的 数 学 空 间, 而 是 依 赖 于 它 所 处 的 总 无 形 态 物 质 空 间 前 面 我 们 打 了 个 鱼 在 水 中 游 的 比 方, 物 体 好 比 是 鱼, 无 形 态 物 质 好 比 是 水, 物 体 的 一 切 运 动 规 律 依 赖 于 它 所 处 的 总 的 无 形 态 物 质 空 间, 而 不 是 直 接 依 赖 于 数 学 空 间 本 章 中, 作 者 将 从 无 形 态 物 质 的 角 度 全 面 探 讨 最 基 本 的 物 理 规 律 作 者 将 明 确 区 分 引 力 质 量 惯 性 质 量, 重 新 明 确 定 义 牛 顿 第 二 定 律, 重 新 推 导 动 能 方 程, 重 新 推 导 动 量 人 们 认 为 质 量 增 加 运 动 粒 子 寿 命 变 长 质 能 方 程 等 问 题 是 经 典 物 理 无 法 面 对 的, 是 对 相 对 论 最 有 力 的 证 明 本 章 中, 作 者 将 对 这 些 问 题 给 予 非 常 自 然 的 解 释 本 章 中, 作 者 将 解 释 对 物 理 学 有 着 深 远 影 响 的 大 量 著 名 实 验 现 象 : 万 有 引 力 常 数 变 化 厄 否 实 验 傅 科 摆 的 奇 特 现 象 星 体 运 行 规 律 中 微 子 超 光 速 现 象 虚 质 量 正 负 电 子 湮 灭 等 等 本 章 中, 作 者 将 探 讨 万 有 引 力 库 仑 力 磁 力 反 射 定 律 折 射 定 律 实 物 粒 子 波 粒 二 象 性 宇 宙 大 爆 炸 等 等 物 理 学 最 基 本 的 问 题 49

51 5.1 万 有 引 力 及 库 仑 力 大 家 知 道, 在 宏 观 上, 物 体 之 间 的 相 互 作 用 力 必 须 通 过 某 物 体 才 能 够 传 递 同 样 地, 物 体 之 间 相 互 作 用 的 万 有 引 力 以 及 电 荷 之 间 相 互 作 用 的 库 仑 力 也 必 须 通 过 某 种 物 质 传 递 了 解 了 无 形 态 物 质 之 后, 我 们 可 以 得 出 这 样 的 结 论 : 物 体 间 的 万 有 引 力 是 通 过 无 形 态 物 质 传 递 的 相 互 作 用 电 荷 间 的 库 仑 力 也 是 通 过 无 形 态 物 质 传 递 的 相 互 作 用 科 学 家 们 在 矿 井 钻 孔 或 海 水 内 的 真 空 中 进 行 地 球 物 理 实 验, 来 测 定 物 体 间 的 万 有 引 力 常 数, 得 出 的 引 力 常 数 都 高 于 地 表 实 验 室 中 的 测 定 值 实 验 室 测 得, G, 而 地 球 物 理 测 得 的 平 均 值 为, m kg s G m kg s. [14] 科 学 家 们 一 直 不 理 解, 同 样 是 真 空 中, 引 力 常 数 为 什 么 会 有 区 别 呢? 现 在 我 们 可 以 很 好 理 解 为 什 么 引 力 常 数 的 测 量 值 会 有 明 显 差 别 物 体 间 的 万 有 引 力 是 通 过 无 形 态 物 质 传 递 的 相 互 作 用, 物 体 间 万 有 引 力 的 大 小 与 它 们 所 处 空 间 的 无 形 态 物 质 密 度 有 关 由 于 在 矿 井 钻 孔 或 海 水 内 的 真 空 中, 组 成 地 球 物 质 的 总 体 分 布 距 该 空 间 更 近 一 些, 所 以 在 矿 井 钻 孔 或 海 水 内 的 真 空 中, 无 形 态 物 质 密 度 都 比 地 表 实 验 室 中 无 形 态 物 质 密 度 大 一 些 所 以, 在 矿 井 钻 孔 或 海 水 内 的 真 空 中 测 得 的 万 有 引 力 常 数 都 较 地 表 要 大 自 然 界 中 有 磁 荷 吗? 一 直 有 人 在 探 索 我 们 认 为 自 然 界 中 不 存 在 磁 荷, 磁 力 是 电 荷 相 对 于 无 形 态 物 质 空 间 运 动 而 产 生 的 相 互 作 用 我 们 举 一 个 大 家 熟 知 的 浅 显 的 例 子 两 艘 船 在 水 中 同 向 并 排 行 驶 时, 水 流 会 对 船 产 生 一 个 使 它 们 相 互 靠 近 的 压 力 ; 而 当 两 条 船 静 止 在 水 中 时, 就 不 会 产 生 这 样 的 压 力 当 电 荷 静 止 在 总 无 形 态 物 质 空 间 时, 它 们 之 间 只 有 库 仑 力, 电 荷 间 不 会 有 磁 5

52 力 ; 而 当 电 荷 相 对 于 总 无 形 态 物 质 空 间 运 动 时, 运 动 电 荷 间 就 会 有 磁 力 当 电 荷 静 止 在 总 无 形 态 物 质 空 间 时, 它 不 会 产 生 磁 场 ; 当 电 荷 相 对 于 总 无 形 态 物 质 空 间 运 动 时, 它 就 会 产 生 磁 场 当 电 荷 振 动 时, 会 促 使 它 周 围 的 无 形 态 物 质 振 动, 产 生 电 磁 波 电 荷 是 相 对 于 参 考 系 运 动 产 生 磁 场 吗? 物 理 规 律 与 空 虚 的 数 学 参 考 系 有 什 么 必 然 的 联 系 吗? 没 有 任 何 必 然 的 联 系! 传 统 物 理 竟 然 直 接 把 物 理 规 律 建 立 在 空 虚 的 数 学 参 考 系 上, 这 是 传 统 物 理 最 根 本 的 失 误 下 面 我 们 看 一 看 直 接 把 物 理 规 律 建 立 在 参 考 系 上 存 不 存 在 逻 辑 矛 盾 如 图 5.1 所 示, 我 们 来 分 析 一 下 A B 两 个 电 荷 的 受 力 情 况, 如 果 我 们 把 物 理 事 件 与 空 间 参 考 系 联 系 起 来, 就 会 产 生 矛 盾 按 照 相 对 性 原 理, 物 理 定 律 在 所 有 惯 性 参 考 系 下 都 具 有 相 同 的 形 式 那 么, 在 K 系 中 观 察,A B 两 个 带 电 体 是 静 止 的, 它 们 都 不 产 生 磁 场 ; 而 在 K 系 中 观 察,A B 两 个 带 电 体 是 运 动 的, 它 们 都 产 生 磁 场 图 5.1 物 理 事 实 只 能 有 一 个 结 果 也 就 是 说 某 一 时 刻,A B 两 个 带 电 体 在 空 间 是 否 产 生 磁 场 是 客 观 的 唯 一 的 显 然, 前 面 两 种 判 断 是 相 互 矛 盾 的 另 外, 在 K 系 中 观 察, A B 两 个 带 电 体 是 静 止 的, 它 们 之 间 只 有 库 仑 力 ; 而 在 K 系 中 观 察, A B 两 个 带 电 体 是 运 动 的, 它 们 之 间 不 仅 有 库 仑 力, 而 且 相 互 间 还 会 有 磁 力 物 理 事 实 只 能 有 一 个 结 果 也 就 是 说 某 一 时 刻, 两 个 带 电 体 之 间 的 受 力 是 客 观 的 唯 一 的 显 然, 前 面 两 种 判 断 是 相 互 矛 盾 的 我 们 必 须 把 物 理 规 律 和 物 体 所 处 的 无 形 态 物 质 空 间 联 系 起 来, 只 有 这 样 物 理 规 律 才 能 够 更 加 客 观, 才 能 够 更 加 自 然 和 谐 当 电 荷 静 止 在 总 无 形 态 物 质 空 间 时, 它 不 会 产 生 磁 场 ; 当 电 荷 相 对 于 总 无 形 态 物 质 空 间 运 动 时, 它 就 会 产 生 磁 场 在 我 们 的 理 论 中, 绝 对 不 会 有 上 面 的 矛 盾 51

53 5.1. 认 为 场 就 是 物 质 是 概 念 糊 涂 现 在 有 一 种 非 常 普 遍 的 说 法 : 场 就 是 物 质 人 们 认 为 电 荷 之 间 的 库 仑 力 是 通 过 电 场 这 种 物 质 传 递 的 相 互 作 用 ; 物 体 间 的 万 有 引 力 是 通 过 引 力 场 这 种 物 质 传 递 的 相 互 作 用 这 种 说 法 大 家 都 认 为 很 有 道 理, 其 实 这 是 逻 辑 混 乱 概 念 不 清 电 场 怎 么 定 义 来 的 呢? 因 为 电 荷 之 间 有 作 用 力, 所 以 定 义 了 电 场 而 当 问 及 电 荷 之 间 为 什 么 有 作 用 力 时, 人 们 又 理 直 气 壮 地 回 答, 因 为 有 电 场 啊! 电 场 是 物 质! 引 力 场 又 是 怎 么 定 义 来 的 呢? 因 为 物 体 之 间 有 万 有 引 力, 所 以 又 定 义 了 引 力 场 而 当 问 及 为 什 么 物 体 之 间 有 万 有 引 力 时, 人 们 又 理 直 气 壮 地 回 答, 因 为 有 引 力 场 啊! 引 力 场 是 物 质! 如 图 5. 所 示, 人 们 对 场 的 认 识 就 像 蛇 吞 自 己 的 尾 巴, 犯 的 是 最 简 单 的 逻 辑 循 环 的 错 误 图 5. 人 们 对 场 的 认 识 就 像 蛇 吞 自 己 尾 巴 我 们 以 电 场 为 例, 电 场 强 度 E 是 怎 么 定 义 的 呢? 因 为 电 荷 之 间 有 电 场 力 相 互 作 用, 为 了 数 学 化 地 描 述 这 种 作 用, 人 们 这 样 去 定 义 了 电 场 强 度 : 在 空 间 某 点 放 个 试 探 点 电 荷 q, 如 果 该 试 探 电 荷 所 受 的 电 场 力 为 F, 则 该 点 的 电 场 强 度 为 F E q 因 为 有 电 场 力 所 以 才 定 义 了 电 场, 空 间 某 点 处 的 电 场 强 度 E 等 于 位 于 该 点 处 的 单 位 正 电 荷 所 受 的 电 场 力 电 场 强 度 不 过 是 单 位 正 电 荷 在 空 间 各 点 所 受 电 场 力 的 数 学 描 述 如 果 谁 还 硬 要 说 电 场 是 物 质 的 话, 请 明 确 告 诉 大 家 电 场 是 什 么 样 的 物 质? 什 么 样 的 物 质 带 有 矢 量 方 向? 5

54 理 解 了 场 不 过 是 数 学 描 述, 现 在 我 们 再 问 : 电 荷 之 间 的 库 仑 力 是 通 过 什 么 传 递 的 相 互 作 用? 物 体 间 的 万 有 引 力 是 通 过 什 么 传 递 的 相 互 作 用? 我 们 会 清 醒 地 认 识 到 真 空 中 必 然 会 有 某 种 实 实 在 在 的 物 质 存 在 着, 电 荷 之 间 的 库 仑 力 正 是 通 过 这 种 实 实 在 在 的 物 质 传 递 的 相 互 作 用, 物 体 间 的 万 有 引 力 也 正 是 通 过 这 种 实 实 在 在 的 物 质 传 递 的 相 互 作 用 空 间 中 有 实 实 在 在 的 另 一 种 状 态 的 物 质 存 在! 正 是 这 些 实 实 在 在 的 物 质 才 是 物 理 规 律 依 赖 的 基 础!!! 5. 引 力 质 量 与 惯 性 质 量 必 须 区 分 在 探 讨 各 种 物 理 规 律 之 前, 我 们 必 须 对 最 基 本 的 物 理 概 念 剖 析 清 楚 只 有 这 些 物 理 概 念 清 楚 了, 物 理 学 才 会 更 加 坚 实! 经 典 物 理 时 期 人 们 还 区 分 引 力 质 量 和 惯 性 质 量, 但 是, 在 近 代 物 理 中, 引 力 质 量 与 惯 性 质 量 被 认 为 是 等 效 的, 已 经 不 再 区 分 混 为 一 谈 了 引 力 质 量 和 惯 性 质 量 必 须 要 加 以 区 分! 5..1 引 力 质 量 可 以 说 引 力 质 量 由 来 于 牛 顿 的 万 有 引 力 定 律 : mm F G (5.1) r 这 里 的 m M 都 是 质 点 的 引 力 质 量 人 们 对 引 力 质 量 做 过 非 常 明 确 的 描 述 : 引 力 质 量 反 映 物 体 所 含 物 质 量 的 多 少 大 家 想 想, 一 个 物 体 有 一 万 个 分 子, 放 在 月 球 上 太 阳 上 它 就 变 成 十 万 个 一 百 万 个 了 吗? 显 然 不 会! 大 家 再 想 想, 一 个 物 体 有 一 万 个 分 子, 高 速 运 动 了, 它 就 变 成 十 万 个 一 百 万 个 了 吗? 显 然 不 会! 引 力 质 量 是 恒 量, 我 们 仍 然 用 m 表 示 确 切 地 说, 称 其 为 固 有 质 量 更 恰 当 53