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如何解释检测以太风的三种不同结果
刘 启 新
( 湖北咸宁学院 邮编 437005 E-mail: liuqixin56@ 电话 [phone])
摘 要 迈克尔孙等实验是为了检测以太风的,它有零,0.33和1的三种不同且相互矛盾的结果,作者给出了一个经验公式将这三种不同的结果统一起来.又在低速过程中推出了质速关系式,又由质速关系式导出低速运动、高速运动与相互作用之间的关系,使我们对运动与相互作用之间的关系有了新的认识.
关键词 以太风 质速关系式 质能关系式
(一) 三种不同的以太风
洛伦兹认为牛顿的绝对空间里充满了静止以太.地球是在静止以太的海洋中以30km/s的速度运行,必然有30km/s的以太风产生.1887年,迈克尔孙-莫雷进行了精确实验,没有检测到以太风,实验重复多次都一样,这被称为零结果. 到了1921～1925年,美国物理学家米勒,后来又与莫雷合作,他们多次重复了迈克尔孙实验,都得到了非零的结果[1]( 即0.33的结果,相当于观测到了10km/s的以太风 ).到了1976～1977年, 实验在两个地点同时进行,一个是在普林斯顿,另一个是在加里福尼亚大学的洛伦茨-贝克莱实验室,先后进行了10次实验,他们不但发现了地球运动的全速以太风[2],还发现了太阳系以300km/s在绕银河中心运动,以及银河系在“以太海”中的穿行速度为600km/s,而太阳和地球的净速度是400km/s ( 录自Scicntific American 1978 年238卷5期 ).这被称为“微波实验”,它检测到了全速以太风,简称为“1”结果.按相对论，所有惯性参考系都是完全等价的，不存在一个优越的特殊的惯性参考系,在一个参考系内做任何物理试验都无法发现该参考系相对别的参考系的运动速度,所以迈克尔孙不能发现地球相对以太的运动.但是微波实验就发现了相对于绝对参考系的各种运动,完全否定了相对论的这一结论.
检测以太风的三种不同结果是互相矛盾的:米勒就说迈克尔孙错了, P.A.狄拉克就只承认“1”结果, 他是这样解释的:“人们已经发现了地球和整个太阳系是在以一种可以观测到的速度非常快地运动着。为什么迈克尔孙和莫雷得到的结果为零,为什么他们观测不到地球在绝对意义上的运动?唯一的理由是因为他们的技朮不行。今天的技朮比近百年前的要高明得多。用现代化的技朮,绝对零速度（狄拉克在这里指的是洛伦兹的静止以太或牛顿的绝对空间）是存在的。……这种新技朮砍掉的只不过是爱因斯坦理论的基础部分(狄拉克在这里指的是光速不变原理和相对性原理),而他的新思想是最重要的,是再先进的技朮也干扰不了的.”[3] 一个理论的基本假设全被实验否定了,这个理论就垮台了,狄拉克说它还有什么新思想,这只能说明狄拉克的胡涂,不过他的解释充分地说明了他只承认“1”结果而否定“0”和“0.33”的结果.迈克尔孙当然认为自己的零结果是对的,他在万般无奈的情况下不得不承认:“静止以太的假设被证明是不正确的,并且可以得到一个必然的结论:该假设是错误的.”[4] 爱因斯坦认为迈克尔孙实验的零结果是直接证实了光速不变原理.间接地证实了相对性原理: 既然实验否定了以太的存在,就放弃以太,放弃由以太定义的绝对空间,承认空间是相对的,进一步把相对性思维方法当成普适原理,这就是相对论的第二个基本假设.在这两个基本假设的基础上,爱因斯坦建立了他的相对论.具有讽刺意味的是,相对论的创始人在这里犯了一个绝对性的错误,他把相对性原理绝对化了,以为一切都是相对的,绝对参考系根本不存在.但是3k宇宙背景却给出了一个很好的绝对参考系,迈克尔孙和莫雷当年想得到而没有得到的结果,被微波实验得到了.对此,协同学的创始人,H·哈肯是这样说的:“狭义相对论否定了绝对参考系的存在,但是3k宇宙背景却是一个很好的绝对参考系.这个新的绝对空间导致了一个有趣的时间概念:在狭义相对论中,作任意运动的不同观察者不可能找到一个共同的时间,而与3k宇宙背景联系的观察者却经历着一个宇宙的或者说是普适的时间.”( 录自《自然杂志》7卷8期P582 ) 既然存在绝对空间,与之相连的时间就是绝对时间或称普适时间, 利用它可以决定事件发生的绝对顺序,我们在“迈克尔孙实验的计算错误”一节中将要用到这个普适的时间.而相对时间是混乱的, 作任意运动的不同观察者不可能找到一个共同的时间.
相对论是建立在迈克尔孙实验零结果的基础之上,如果米勒实验也是零结果,微波实验也是零结果,则相对论就是正确的.科学实验的非零结果是不讲情面的,爱因斯坦先生是不是太性急了一点,迈克尔孙没有发现静止以太,马上就放弃以太,放弃绝对空间,等到1921～1925年,米勒-莫雷多次重复迈克尔孙实验,得到了非零的结果.对此,爱因斯坦无话可说, 这使得他对自己的理论失去了信心: 1922年,他说他的理论只不过是一个过渡理论,是短命的.[5] 而米勒则始终认为“0.33”的结果是爱因斯坦相对论的一个反例。他在科技杂志上发表了数十篇论文，说爱因斯坦错了,直到1941年他去世时，仍确信他的实验是正确的。后来的微波实验更是相对论的又一个反例.在这些反例的冲击下,相对论就无法招架了.
如何才能对三种不同的结果作出统一的解释呢?迈克尔孙和狄拉克都是诺贝尔奖的得主,米勒担任过美国全国物理学会的主席,是美国科学院院士,是一位老资格的物理学家,这三个人之间的矛盾是不能轻易对待的,说任何一方错了都不行,其实三种结果都是正确的.因为零结果都是在地球表面上做的, 0.33的结果是米勒在威尔逊山上做的, 而1的结果是用U-2飞机在15000 m以上的高空中得到的。有一个经验公式,可以将三种不同的结果联系起来。以V表示观测到的以太风的速度, L是实验装置离地球表面的高度,显然L取值只能是L ≥ 0, V0=30Km/S 是地球运行的速度,K为常数,则实验能观测到的以太风的速度V为
V=V0（1 — e） （1）零结果是在地平面上得到的,即是当KL→0时, e→1, 所以V→0
1的结果是高空中得到的, 这相当于 当KL→时, e→0, 所以V→V0;所以微波实验的结果为1。威尔逊山的海拔高度L=1700m,山上有天文台,山势是平地拔起的,远离地球表面一千多米,所以才能测到10km/s的以太风.不然,就是在西藏高原上也只能算是地球表面,也只能得到零结果. (1)式只是表述了事物的变化过程是一种渐渐的变化过程,它是随空间渐变的,下面还将介绍随时间T的渐变过程,都是对渐变过程的描述,不要把它当成了清规戒律.
(二)质量为什么随速度的增大而上升
质量随速度的增大而上升是相对论效应,如果说光速不变原理和相对性被新技朮否定了,为什么质量随速度上升的结论即‘质速关系式’又是正确的呢?为什么会出现极限速度呢?其实‘质速关系式’有错, 但不易看出,我们将问题简化, 其中错误就显然易见了.
假设有一块质量为M的木板浮于水面上,水以定速 V向东流,木板被绳拉着,在某时刻T=T时,锚绳断了,木板受流水冲力F由静止状态变成以速度为V的运动状态, 在低速情况下,实验测得冲力F与相互作用的相对速度U =（V0 —V ）成正比,k为比例常数.按F = Ma = M(dV/dT ),则有方程:
Ma = F = k（V—V） 或 m a = F = k V（1） (2)
或 M(dV/dT ) = F = k（V—V） （3）
+ V = V (3a)
令K = , 这个方程的解就是(4)式,以(4)对T取一次微商即得(3a)
V = V（1 — e ） （4）
将(4)代入(2): Ma = F = k（V—V）,且令K = k / M,可求得加速度a的变化规律为
a = K V0 ·e (5)
在(4)式中, 当T→0 时,则V→0; 这时的(2)式变为(6)式:
Ma = F = k V (6)
而在(5)式中, 当T→0 时,则a →最大值KV0 , 即(6a)式:
a = (6a)
利用,可得到 (7)
如果令m = M0 ,消去(7)式左边分子、分母中的a , 则错误地得到在低速情况下的‘质速关系式’:
或 M = (8)
(8)式表明当V→V0时, M→ . V0是这一物理过程的极限速度.由(7)到(8)是错误的!(错在什么地方,后文将会指出).它与相对论的‘质速关系式’(8b)相类似:
或 M = (8b)
.在此只要令M0 = m , (8b)式又可变换成(7b)式
(7b)
又可把(7b)看成是 ,则(6b)和(2b)分别是
Ma=F=k 或 ma=F=kc (2b)
在(2b)式中, 当v →0 时, 则有 Ma=F=kc (6b)
在相对论中,质速关系式(8b)是直接拿出来的,它是没有推导过程的.
(2b)式明确地表示F和a是随v的变化而变化, 当v →0 时, F和a都是→极大值.随着v的渐渐变大,则F和a都渐渐变小, 当v→c 时, 则有F→0, 和a →0, M为常量.
1901年, 考夫曼等许多人在做加速电子的实验时发现, 电子的加速度a并非固定值,而是随着v的变大而减小,这说明了考夫曼等人的实验证实了(2b)式是与实验相符合的,但是当时人们对(2b)式并不了解,不知道a为什幺会减小,他们想到a只与M有相乘的关系, a的不断减小必定是M在不断变大引起的, 错误地理解成质量随速度的变大而上升[6], 这样理解是历史性的错误.所以当他们发现当a →0 时, 就以为是M→引起的,其实应该按(2b)式来解释才合理. (2b)式给出了在高速情况下,作用力F与相互作用的相对速度U =成正比, k为比例常数.这才是考夫曼等人的实验所确定的物理内容.(2b)式和(6b)式确定之后,又可反推出(8b)式, (8)和(8b)的推导过程都有错误:由(7)式推导(8)式(或由(7b)式推导(8b)式),是把(7)式左边分子、分母中的a约分了, 这是不能约分的, 因为分子的a定义于(6)式,这时的a是极大值.而分母的a定义于(2)式,是一般值.两者不同,不能相约.不然,由约分得到的质速关系式就是错误的.说由于“M→,所以a → 0”也是错误的.正确的解释应该是: 由于相互作用力F与相互作用的相对速度U成正比,实验表明,在低速情况下U =(V0 - V),在高速情况下,U =,当v →c 时,U → 0;所以有F→0 和a→0.这相当于“由于M→,所以a→0.” 由此可总结出“F,U相关定律”: 相互作用力F随相互作用的相对速度U变化, U越大,则F越大, U越小,则F越小,当U→0时,则F→0。在低速情况下,F由(2)式确定;在高速情况下,F由(2b)式确定, (2)和(2b)都是由实验给出的。在前面的例题中,木板的速度V不可能超过水的流速V0 , V0是这一物理过程的极限速度,如果有人说V0是自然界的极限速度,大家都会说他是蠢才.同理,粒子在加速器中的速度v不可能超过c, c是这一物理过程的极限速度.在这两个物理过程中, V0和c是等价的.但是相对论却把c当成了自然界的极限速度.同理, 则V0也可以是自然界的极限速度.且V0可以是任意常数.则自然界的极限速则有无限多,这当然是错的.所以把c当成了自然界的极限速度是错的.
(三)相对论力学的内在矛盾
质能关系式 E = Mc2 是由质速关系式(8b)推导出来的:
M= = M0 (1)-= M0 (1 + + + …), (9b)
对展开式只取前两项就成了质能关系式(10b)
E = Mc2 = M0 c2 + (10b)
只有当v很小时, 即当是微小量时,展开式(9b)才可以忽略后面的高次项,这说明质能关系式(10b)只能应用在当v很小的情况,但是它却被用在高速领域,这就不正确了.假设 = 0.9 ,
M0 (1 - 0.92 )-= 2.2941 M0 (11b)
M0 (1 + 0.92 ) = 1405 M0 (12b)
(11b)与(12b)相差甚远(而在质能关系式(9b)中它们却是相等的),这说明质能关系式在高速领域是不能用的,如果将(9b)的展开式多取几项,(12b)就接近(11b)了.但是多取的几项又如何命名呢?(10b)右边第一项M0 c2是静能,第二项是动能,如果还取第三项,第四项……,那又称为什幺能呢?没有办法,所以质能关系式(10b)只能取两项,即在当v很小的情况才能适用,但是‘质能关系式’是相对论力学里的主要公式,是处理高速领域的力学公式,又只有当v很小的情况才能适用,这就是相对论力学里的內在矛盾.
对质速关系式(8b)的传统解释是:“ 由于M → ,所以a → 0 .”正确的解释应该是:由于相互作用的强度（或作用力F）随相互作用的相对速度U变化, 实验表明,在低速情况下U =( V0 - V ),在高速情况下,U =,当v →c 时,U → 0;所以有F → 0 和a → 0 .这相当于“由于M→,所以a → 0 .” 由此可总结出“F,U相关定律”: 相互作用的强度（或作用力F）随相互作用的相对速度U变化, U越大,则F越大, U越小,则F越小,当U→0时,则F→0。在低速情况下,F由(2)式确定;在高速情况下,F由(2b)式确定, (2)和(2b)都是由实验给出的。在前面的例题中,木板的速度V不可能超过水的流速V0 , V0是这一物理过程的极限速度,如果有人说V0是自然界的极限速度,大家都会说他是蠢才.同理,粒子在加速器中的速度v不可能超过c, c是这一物理过程的极限速度,但是相对论却把它当成了自然界的极限速度,如果是这样,则V0也可以是自然界的极限速度,这当然是不可能的.
[参考文献]
[1] F. 因曼, C. 米勒. 今天的物理学. 北京. 科学出版社. 1981 317-318
[2] R. A. Muller. 宇宙背景辐射和新“以太”漂移.《世界科学译刊》 1979 6 1-12
[3] P. A. M. 狄拉克. 我们为什幺信仰爱因斯坦理沦. 《自然科学哲学问题丛刊》.1983 3 14-16
[4] 杨建邺,止戈. 杰出物理学家的失误.武汉 华中师范大学出版社. 1986 97
[5] K. R. Popper. 科学革命的合理性.《世界科学译刊》 1979 8 10
[6] 倪光炯, 李洪芳. 近代物理. 上海科学技朮出版社. 1979 57-58