非經典力學以太——虛體物質

非經典力學以太——虛體物質非經典力學以太——虛體物質 E-mail:y611298@163.com 作者：袁賀滔 摘要：真空的表現有兩個基本事實：1，真空是看不見和摸不著的。2，在真空任意點可以激發出可觀察的粒子。量子場論很好地解釋第2個事實，但無論是狄拉克的空穴真空理論或量子場論的漲落不寧的虛粒子海洋真空理論，都以事實1作為假設來代替對第1事實的解釋，因此都不是本源的理論。本文依靠不複雜的數理邏輯提出以太物質是靜止質量為零的連續體物質之說，解釋真空表現的兩個事實，提供理解真空的新思路。 1，引言 從古至今，對於物理學家們，「真空有何物？」是他們頭腦里揮之不去的問題。在經典力學時代，人們認為真空充滿著「以太」，以太是靜止的均勻分布的充滿空間各個角落的連續性媒質，所有物體，包括地球和各天體都在以太中運動，並且光波依靠以太這種媒質傳播。其實它一出現就已經矛盾重重，比如天體在以太中運動有沒有受到阻力等等，但是人們認為以太是一個最理想的參考系——絕對靜止的參考系，不願輕易放棄。人們設想了以太的一些機械力學的性質，力圖自圓其說，但越說越困難。對於這種經典力學以太，或叫機械以太，使人們最終選擇放棄的是以下兩個致命的問題： 1，從1887年邁克爾遜一莫雷等人開始，多次測量地球與以太相對運動的速度，精確的實驗始終得到零結果。 2，麥克斯韋電磁場的建立表明，電磁場被場源激發後，電磁場的波動可以脫離場源獨立地自行傳播，不需要依靠其他媒質傳播。 即是說，「以太」一無是處。 但是，引出以太概念的「真空有何物？」的問題沒有消失。真空里的物質，換過一個名稱，或是仍然使用以太這一名稱，而賦以新的物質內容，兩種選擇都是可以的，實質的問題是真空有何物？ 2，機械以太之後的真空理論 機械以太被淘汰後，對「真空有何物？」的認識經歷過兩個階段。 第一階段： 狄拉克於1928年把相對論引進了量子力學，建立了電子的相對論形式的薛定諤方程，也就是著名的狄拉克方程。該方程的意義和價值已得到了高度評價，但方程得出了與正能解對稱的負能解，這意味著允許存在電子的能量為負值的狀態，況且這個負能值沒有下限。這樣一來，任何一個電子都可以無止境地落入一個無底的負能深淵，從而無限地釋放能量，狄拉克方程遇到了「負能困難」。為解決這一困難，狄拉克設想所有的負能態已給電子填滿，而電子是費米子，每一能態只能容納一個費米粒子，這樣，我們所熟悉的具有正能量（正質量）的電子就不會跌落負能態了。人們把填滿所有負能態的，數量無窮多的電子群體稱作「電子海」，又如何解釋人們觀察不到電子海呢？在無計可施的情況下，狄拉克作出了一個大膽的設想，把填滿了負能態的電子海看作是真空，真空是看不見的，這樣，電子海當然看不到了。但電子海是無窮的物質，為了解釋這無窮的物質是看不見、摸不著的，狄拉克還必須假設， 假設1，整個填滿了的負能電子海所造成的總效果為零，即整個電子海的所有可觀察量——電荷、質量、動量等等，都是零。[1]。 在這樣的假設下等於說，如果整個電子海只差一個負能級未被填滿，反而可以觀察到，狄拉克把這個空的位置叫作「空穴」。很易算出，這個空穴的可觀察量電荷是一個正單位電荷，與電子帶有的負單位電荷相反，而其他的可觀察量與電子相同，狄拉克把這個空穴稱為正電子，或叫電子的反粒子。這一空穴不能穩定地存在，隨便一個正能電子很易跌落這一負能態空位，此時整個負能電子海給填滿了，又成為了真空。很易繼續推想，如果有能力在真空電子海把一個負能級的電子「搬上」正能級，那麼我們會觀察到出現一個電子的同時必然觀察到真空出現一個空穴——正電子，即是說，真空產生一個電子時必然同時產生一個正電子。當一個電子跌落空穴，電子和空穴同時消失，回歸真空，即是說，電子對會消失於真空。花了兩年時間，於1930年，狄拉克發表他的「空穴」理論，預言正電子的存在，電子-正電子對可以同時產生，也可以同時湮滅。人們除了驚嘆他的超凡想像力外，對他的空穴理論並不以為然，比如《假設1》是無法理解的。但時隔兩年，於1932年在高能物理實驗中發現了正電子，發現了光子轉化為電子對和電子對湮滅成光子。狄拉克的預言得到了證實，相當震撼，儘管此時人們對他的理論仍然有保留，但鐵的實驗事實已使人們對真空的觀念發上了革命性的轉變： 1，真空不空，不管人們對真空的物是否認識，真空必然有物。 2，真空可以被激發出粒子，真空潛伏著很多物質，只要有足夠的能量就有可能把它們搬出來。 第二階段： 人們不認為狄拉克的理論是真空最好的理論，繼續尋找更好的理論，這就是量子場論。量子場論用完全對稱性，不單是論證了電子存在反電子，還預言所有的粒子都存在相應的反粒子，預言給一一驗證了。量子場論把真空狀態看作是物質存在的特殊狀態——基本狀態，或簡稱為基態。基態是最低能級狀態，粒子處於最低能級，就不可能再往更低能級躍遷，即不可能發出任何信息被觀測儀器接收，因此是看不到的。量子場論認為，看不見的真空是所有基態粒子場的迭加。當向真空輸入能量使某種粒子場從基態躍遷到激發態時人們就可以觀察到某種粒子。場具有無窮多的自由度，注入的能量在真空的無論哪一點激發出粒子都是有可能的。那麼，「基態粒子場」的圖象是怎樣的呢？ 量子理論有一條重要的基本規律，叫「不確定性原理」。對於我們的論說，我們關注的是能量與時間之間的不確定關係。△E表示能量的不確定量，△T表示時間的不確定量，兩不確定量的不確定關係是 △E×△T≥h/2π （1） 這種不確定關係允許在沒有與外界發生功能關係的情況下，自發地發生能量不守恆的事件，即在△T時間段里，能量會自發地與原有值發生偏離，最大偏離值△E與△T遵守關係式（1）。能-時不確定原理就是「真空漲落」說法的理論依據： 真空任意點可以在「零點能」，或說「粒子場基態能量」的基礎上自發地爆發能量，即能量上漲，事件存在的條件是遵守能-時不確定關係，爆發的能量要及時消失，即能量回落。按（1）式，能量漲得越高，回落就要越迅速。比如，真空某點能量突然上漲了相當於兩顆電子的靜止能量，即△E約1兆電子伏特，由（1）式知，這能量必須在極其短促的10－21秒內消失。換一個說法，真空任意點可以自發地創生出粒子，但也必須自發地及時消失。由於必須自發地及時消失，因此，事件能成功的方式是創生出正-反粒子對，正-反粒子對會自行湮滅而消失。按照這一真空理論，真空到處都會創生粒子對並適時地自行湮滅，這種景象好象到處放煙花，此起彼落地那樣熱鬧，可是看不到！也沒有發現過自由粒子在如此熱鬧的真空中穿過時會受到來自真空的阻力！這種真空理論必須象「電子海真空」理論來一個「假設1」那樣來一個「假設2」： 假設2，真空中自發地創生的正-反粒子對是「虛粒子」，虛粒子是觀察不到的，虛粒子創生和湮滅的過程是「虛過程」，也是觀察不到的。 但是人們觀察到向真空注入能量，就可以在真空中激發出穩定的實粒子，在假設2下，對這一事實的解說是， 解說：在獲得能量的條件下，虛粒子成為可觀察到的實粒子，虛過程成為可觀察到的實過程。 至此，在機械以太真空理論後，我們列舉出的真空理論有： 1，電子海真空。 2，基態粒子場真空。 3，基態粒子場真空的一種具體形式：漲落不寧的虛粒子海真空。 3，真空理論的缺陷 可以說，這些都不是最好的真空理論。我們認識真空就應當以真空表現出來的基本事實為依據，而基本事實是： 事實1，真空看不見、摸不著。看不見是指用人的眼睛或儀器觀察不到任何東西，摸不著是指粒子在真空中穿行沒有受到來自真空的阻力。 事實2，注入一定能量，真空任意點都可以被激發出可觀察到的粒子。 量子場論對於事實2作出了很成功的解釋，但以假設1的方式和假設2代替事實1而迴避解釋，這是一個基本的邏輯缺陷。 人們發現幾十種粒子，量子場論就需要設立幾十種基態粒子場和虛粒子，這些都使得人們不滿足，要尋找「統一理論」。 狄拉克於1930年提出他的空穴真空理論，至1970年的40年間，他經歷過量子場論和各種真空理論，在審視各種理論後，獲諾貝爾獎的狄拉克於1970年竟然說：「以太的觀念沒有死掉，它不過是一個還未發現是什麼用處的觀念，只要基本問題仍未得到解決，必須記住這裡還有一種可能性。」近年來，有不少理論物理學家重審已被淘汰的以太概念。對於上述的真空表現的兩個事實，量子場論是為解決事實2，即真空激發粒子和粒子之間相互作用而設計的，很成功。至於事實1隻能夠說，因為真空是看不見摸不著，所以理論設計出來的真空之物是看不見摸不著的，用假設代替事實這種邏輯來處理的理論肯定不是本源的理論。狄拉克經過深思熟慮說的話表明探究本源可能還是要研究以太，為此我們可以改變一下思路，把理論設計的重點次序調過來，先針對事實1進行理論設計。 4，非經典力學性質的新以太 4，1，新以太應該具有的性質 按對以太最原始的設想，以太是一種填滿空間各處的連綿不斷的物質（連續體），但經過現代物理學洗禮的人們，必然要放棄原來的絕對靜止不動、機械力學性質的概念。如果我們能夠提出一種連續體物質具有如下的性質： 性質1，在通常情況下，物質各處各部分的物質的所有物理量都等於零，這種物質就會處於不可觀測的狀態，沒有阻力的狀態。 這種狀態相當於看不見摸不著的真空狀態。 性質2，在某種「微觀機制」作用下，一定數量（由量子性質決定）的這種物質高度集中於一個極微小的區域，使得這一極微小區域的物理量不為零，這時我們就可以觀察到一個粒子（量子）。 這就相當於在真空中激發出粒子。 符合以上兩點性質的連續體物質就符合真空表現的事實1和事實2，因此就是以太物質， 以下，本文提出符合上述性質的物質是虛體物質。 4，2，何謂虛體物質？ 作者已發表過一篇文章，題目是《虛體物質旋轉體——粒子自旋和粒子質量》[2]，以下簡稱為《虛體》文，文章作了兩方面的討論： 1），提出一種新的物質分類方法，把物質分為「實體物質」和「虛體物質」兩類，並且給出明確的定義： 靜止質量不為零的物質叫實體物質。 靜止質量為零的物質叫虛體物質。 並且指出，電磁場，萬有引力場是虛體物質，不排除還有其他形式的虛體物質。這裡虛體物質這一名稱是有明確物理定義——靜止質量為零，而已常見的「虛物質」的名稱還沒有明確定義。 2），存在一種微觀機制，使得虛體物質集中在一個微觀空間的更深層次的微小空間，虛體物質會以光速為線速度旋轉，這一虛體物質旋轉體的自旋角動量是量子化的，具有的自旋系列量子數與已知的粒子自旋系列量子數全同，並且這種虛體物質旋轉體可以具有非零的靜止質量。 4，3，對（4，1）分節性質1的討論： 虛體物質的靜止質量m0=0，這是經典力學沒有的概念，根據狹義相對論，物體的質量m不是常數，與物體速度u有關，其關係式是 m＝m0(1－u2/c2)－1/2 (2) 從純數學關係看，當m0=0時，u只要不等於光速c，無論是小於c或大於c，物體的質量m都等於零，因而其他的力學量都等於零。正因為所有的力學量等於零，因此是看不到和摸不著的。在常規的研究工作中，會認為這些情況是沒有實際物理意義而捨棄掉，正如狄拉克方程的負能解可以因觀察不到，沒有實際物理意義為理由把負能解捨棄，只保留已得到實驗證實的正能解，但狄拉克沒有這樣做！經過上述艱難分析後的此時此處，仔細推敲就會發現虛體物質的這種結果正是性質1需要的，即在u≠c這種最通常(u從零至無窮大)的情況下，「物質就會處於不可觀測的狀態，沒有阻力的狀態。」也即是說： 靜止質量為零的虛體物質正是構成以太的基本物質。 承認這一點，馬上就會得出以太的基本情況： 1），真空中不同地方的以太物質可以有不同的速度，因而以太不是均勻分布的，不是靜止不動的。 2），以太存在極接近光速以及超光速，甚至大大超光速的情況，只不過是出現這些情況的「幾率」有多大的問題，幾率是量子理論的基本觀點。 電磁場和光子的靜止質量為零，是虛體物質的一種，也是組成以太的一種物質，按1）和2）的結論，在真空中運動的電磁波和光也存在小於通常所說的光速c和大於光速c（即超光速）的情況，但以這些速度運動的電磁波和光是觀測不到的，因為它們的質量依然為零。其實相對論和麥克斯韋電磁場理論描述的僅僅是可觀察的情況。 4，4，對（4，1）分節性質2的討論： 什麼情況下，以太的質量才不為零呢？由（2）式知，只有在虛體物質的速度u等於光速c的條件下質量m才不等於零，才是可被觀測到的。在u=c的條件下，物體的質量 m叫「動質量」,由（2）式知，動質量m是一個不定數0/0，必須要由其他途徑求得，這一點在〈虛體〉文中已有所交代。 只有在u=c這麽「點狀」的條件下，以太物質才有質量，變成可以觀察的對象，這一點已暗示存在真空激發的概念。由於如下兩個聯立的理由： 1），真空充滿以太，以太是虛體物質。 2），只有在u=c這麽「點狀」的條件下，以太物質才有質量，變成可以觀察的對象。 對於真空可以激發粒子這個事實，以上的聯立理由就必然得出如下兩個結論： 1），存在一種微觀機制，使得以太物質高度集中在一個微觀空間的更深層次的微小空間（粒子大小的空間）。 2），在這微小空間里，虛體物質不斷地以光速作為線速度作圓周運動。 單有第1）點也是觀察不到的，必須有第2）點，即虛體物質只有以光速運動才可以被觀察到。《虛體》文正是討論虛體物質旋轉體的效果。雖然《虛體》文未算證明虛體物質旋轉體等於粒子，但已有了粒子的力學量，顯示虛體物質旋轉體是粒子的跡象。 在理論上淘汰以太的愛因斯坦，卻在晚年認為「理論物理決不能沒有以太」。他認為，相對論雖然也拋開了真空以太，這是因為不能把電磁場解釋成以太狀態而逼著這樣做的，把場作為獨立的物理實在，這是一種二元論，他進一步說：「我們希望後代將能克服這個二元論概念」，「從而不再視場為獨立的物理實在」。 到這裡，我們提出一個極粗糙簡單的物質圖象，也正是因為粗糙和簡單，也是極形象化的物質圖象： 以太濃縮而成粒子，粒子化解回歸以太。 或中國特有的言簡意賅卻帶模糊的語言： 虛變實，實變虛。 5，結語 通過本文的分析和論說，其作用是向人們提供一種新思路，真空充滿以太，以太是虛體物質，這種以太是非經典力學性質的新概念，是一種不同地方以不同速度流動的連續體，流動的速度存在極接近光速和超光速的可能性。以太存在極度集中（激發出粒子）和分散（粒子消失）的可能性。 在1999年第1期「求索」雜誌刊登史南飛教授的一篇文章，題目是《以太是陳舊的概念嗎？》，文中有一段陳述列寧對新以太的看法，儘管列寧的話的目標是哲學，但他對以太的看法正好用來作本文的結語：《列寧看來，以太作為一種所謂的「准物質的實體」，是物質具體表現的潛在形式，不具備可直接觀測的特徵。然而，作為這種零質量形式的「原始介質」、「基本介質」的以太，又能夠通過一定方式凝結成有質量的物態，為人們所觀測到。列寧說：「不管沒有重量的以太變成有重量的物質和有重量的物質變成沒有重量的以太，從『常識』看來是多麼稀奇；……不過是再一次證實辯證唯物主義。」。 [1]：引自尹儒英著的《高能物理入門》一書中的第三章。 [2]：文章刊登在《中國科技博覽》雜誌2010年第32期，或上西陸網》學術圈子》現代物理爭鳴找
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