1、真空不空

1. 1、元气说和以太论^[1]

真空的本义是一无所有的空间。古希腊的原子论认为，所有的物质都由原子构成，而原子之外就是虚空。起先，经典物理学沿袭了这种观点，但后来，出现了以太、场之类的观念，它们将真空看成了一种特殊的，连续性的东西。其实，把真空当作特殊的，连续的物质，在我国古代就已经形成了一种比较普遍的学说，那就是元气说。

“元气”，有时单叫“气”。一般认为，元气说形成于汉代，但它的思想萌芽可追溯到先秦。早在西周末年（约2800年前），《国语·周语》上就有“天地之气”的说法。

元气说作为一种万物本原的学说，与道家思想有着一定的联系。老子说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”这里，作为万物本原的“道”太玄了，它是超物质的，只可意会，不可言表。通常将“道”解释为规律，这也难免有些偏颇。元气则可看成是对“道”的一种物化，它被认为是一种客观实在的，真空态的连续性的物质。

元气说的集大成者张载说：“太虚即气。”“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚。”这里可以看到，元气说，从统一的物质本原，来认识和说明物质世界，并且从事物的内部关系来说明连续性的“气”与间断性的实物之间的转化，蕴含着物质生生不息，不可创造，不可消灭的思想。尤其可贵的是，“太虚即气”将现代物理学所充分显示，而又难以描述的“真空不空”，一语道破，说明元气就是物理真空，是一种真空态的连续性的流体。

当然，元气说和古代其他的朴素唯物主义思想一样，都是根据一些简单的，肤浅的现象，凭直觉和想象而得到的思辨性的见解，其中，真金和泥沙俱存。不过，由于在事物的发展过程中，随着质的不断提升，形式上会存在着循环往复的现象，因此，在古代的朴素唯物主义思想中，有值得我们借鉴的东西。气态物质是产生元气说中“气”的一个物质基矗但如果元气说局限于探讨气态物质及其和液态、固态物质之间的性质和变化关系，它的意义就要大打折扣了。元气说中的“气”还包含了人的气感、场和物理真空等，它隐含着这样的意思：物理真空和实物之间的关系，类同于物质三态之间的关系。这是元气说的魅力所在。如果说，古希腊的原子论是近代西方科学的渊源，那么，元气说将是21世纪物理真空理论的先导。

元气说包含三个基本观点：万物以气为本原和元素的观点；气化（运动变化）的观点；感应（相互作用）的观点。它从萌芽期起，就与中医理论（包括经络说、气功说）、宇宙说（盖天说、浑天说、宣夜说）等结下了不解之缘。元气还被用来解释乐器的共振共鸣、磁力、潮汐、天体运行等等现象。因此，程宜山先生认为：“西方形形色色的朴素唯物主义之间，呈现出一种后浪推前浪的形势，最后归结到原子论；中国形形色色的朴素唯物主义，则呈现出一种百川归海的形势，开始时有多种朴素唯物主义形式并存，后来都归结为元气论。”对此，张岱年先生指出：西方唯物主义的基本范畴是“物质”（指实物）或(作为实物本原的)“原子”；中国古代唯物主义的基本范畴是“气”或“元气”。可见，元气说是中国历史上科学文化遗产中的瑰宝。

在西方，以太是古希腊的词，亚里士多德曾认为，地上的万物由水、火、气、土四大元素组成，而天体由第五种元素以太构成。在17世纪，笛卡尔借用了“以太”这个名字，首先提出了科学的以太观：太空中充斥着以太，它是引力超距作用的媒介。后来，惠更斯根据光的波动说，进一步认为，以太是光波的传播媒介，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中。牛顿虽然不同意光的波动学说，但他也像笛卡儿一样反对超距作用，承认以太的存在，并且认为，以太还能传递电、磁等相互作用。

在18世纪，由于光的波动说受到排挤等原因，以太论也曾一度没落。到了19世纪，随着光的波动说的复兴和电磁学的发展，在托马斯·杨、菲涅耳、法拉第和麦克斯韦等人的推动下，以太论再度兴起，并确立了它在物理学中的重要地位。

曾来到中国的传教士丁韪良（Martin, W.A.P）将元气说与笛卡尔的以太旋涡说进行了具体的比较，指出二者之间存在着惊人的类似。因此，他推断：笛卡尔在构思他的以太旋涡学说时，受到了中国元气说的直接影响。以太和元气一样，代表的都是宏观的物理真空，将真空看成是一种特殊的物质存在形式，我国远早于西方，而使真空态物质理论具有活力的系统性的电磁场理论、光的波动说等等，诞生在西方。所以，可以把西方19世纪的以太论，看成是我国古代的元气说和西方近代科学相结合的产物。

1．2、现代物理学没有否定以太论

现代物理学建筑在相对论和量子论这二大基础之上，它们以不同的形式描述了“真空不空”，因此，它们都没有否定以太论。

以太论在相对论诞生后，失去了它在物理学中的地位。有的人就认为，以太论已被相对论否定了。其实，这是一种偏见。爱因斯坦对以太论的心态是相当矛盾的^[2]，他既意识到以太的存在，又搞不清它的真面目。1920年，他在专题演讲“以太和相对论”中曾指出：“依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的。因为，在这样一种空间里，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此，也就没有物理意义上的空间-时间间隔。但是，又不可认为，这种以太会具有那些为重媒质所特有的性质，也不可认为，它是那些能够随时间追踪下去的粒子所组成的，而且也不可把运动概念用于以太。”在这里，爱因斯坦既指出以太的存在性，又对以太的性质提出了看法：1、以太是光的传播媒介。2、长度和时间的标准由以太决定（这点很重要，但他无法把握）。3、以太不同于一般的有质量的实物（重媒质）。4、以太不能用相对论时空观进行描述——他实际上是把以太（物理真空）描述成了四维时空连续体，而用相对论的时空观去描述相对论的四维时空连续体，好比一个人抓住自己的头发，要把自己提起来一样，不可能。由于这种不可能，爱因斯坦对以太只能回避。在1938年，他与英费尔德合著的《物理学的进化》中有一段话：“我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。经过这么多的失败以后，现在应该是完全丢开以太的时候了，以后也不要提起它的名字了。我们说，空间有传播电磁波的性质。”在这字里行间，流露了他内心的无奈。为了应对这一无奈，他搬出了“潮的观念。在“相对论和空间问题”一文中，他说“当笛卡尔相信他必须排除空虚空间的存在时，他离开真理并不怎么远……为了揭示笛卡尔观念的真正的内核，就要求把场的观念作为实在的代表，并同广义相对性原理结合在一起；‘没有朝的空间是不存在的。”爱因斯坦所谓的“潮是弯曲时空的“曲率潮，这有点类似于古希腊的毕达哥拉斯学派，他们认为数（包括几何形状）才是万物的本原。但这颠倒了数和物的关系。

量子场论认为，物理世界由各种量子场系统组成，量子场的激发表示粒子的产生，量子场的退激，表示粒子的消失，这些量子场的能量的最低状态，即量子场的基态就是真空。在这样的量子真空里，存在着量子运动，即“零点振荡”，比如，局限于一定体积内的量子场，当该体积发生变化时，其中的零点振荡能量会有相应的改变，从而产生可以观察的“卡西米尔效应”； 在这样的量子真空里，也存在着相互作用，从而造成“真空涨落”，即真空中有各种虚粒子在不断地产生、消失和相互转化。另外，量子场论还显示了真空极化、真空隧通效应、真空相变、真空凝聚、真空畴结构等等，这些都说明真空类似于介质^[3]。可见，物理真空是物，而不是一无所有的虚空。

物理真空是“量子场的基态”。这种说法包含二层意思：物理真空是“潮；它具有量子性。

其实，“潮是物理量连续分布的一种状态。比如，空气密度场，它是空气密度在空间里连续分布的一种状态；温度场是温度在介质中连续分布的一种状态。由此看来，场不是物质的一种基本存在形式，如空气密度场的物质基础是空气；温度场的物质基础是传播温度的介质，等等。那么引力尝电场等的物质基础是什么呢？是物理真空，一种真空态的介质，这就是我们所说的“引力场以太”，简称“以太”，它才是不同于实物的另一种物质的基本存在形式。

至于量子性，它只是微观世界的特性。如果只从微观的角度来研究以太，那是相当片面的。比如，对于水，我们如果只从微观的角度去研究它，就只能发现它是由一个个分子组成的，每个水分子都在进行着杂乱无章的运动，而无法发现它是一种连续性流体的最基本的性质。现在，人们对物理真空进行研究已经几十年了，但关于它的本质的认识似乎越来越复杂了，看来，这同人们只从微观的角度来进行研究有很大关系。另外，微观世界的真空，充斥着电磁相互作用和强相互作用等，这与只有引力相互作用的宏观真空也有一定的差异。因此，对于以太，我们不但要从微观的角度来进行研究，还应该从宏观的角度，把以太看作是一种连续性的，电磁中性的介质，来进行研究。实际上，在宏观方面，爱因斯坦早就把物理真空描述成了四维时空连续体，这是相对论时空观中的以太的形象，不过，这种四维连续体已经失去了物质的特性 而只成了描述时空的几何体。下面，我们将指出，宏观的物理真空可看成是绝对时空中的可压缩的超流体。而且，在这种物质性的基础上，我们将可以进一步去认识不同时空观之间的关系，显示引力场的实质和相对论现象的物理机制等等。

1．3、洛伦兹变换的流体力学导出

在流体力学中，不可压缩流体的运动，速度势φ满足方程:

（1.1）

可压缩流体的运动，若流体的速度在互相穿插时可基本不受影响，即对于超流体，可应用线性化方程^[4]：

(为该流体中的声速、流速) （1.2）

对(1.2)式作变换：

（1.3）

（1.2）就成了（1.1）的方程形式：。即（1.3）是将可压缩的超流体变换成不可压缩超流体的变换式。

如果存在一种特殊的超流体，它能满足（1.2）式成立的有关条件。那么，我们在这样的二股相对地作匀速直线运动的特殊超流体上，建立二个平行的直角坐标系O₁()、O₂()，它们的X轴互相重叠，O₂相对于O₁以速度沿X轴正方向运动，那么，在绝对时空观中，它们之间存在着伽利略变换关系：

（1.4）

和 （1.5）

（注意，这里将分别写成了）

将（1.3）代入（1.4）和（1.5）（1.4）中的和（1.5）中的因相对静止而不变得：

（1.6）

和 （1.7）

把（1.6）中的第一式代入（1.7）中的第一式，可得：，将代入，得：

（1.8）

如果特殊超流体的声速就是光速，那么，形式上，（1.6）和（1.8）二式合起来就是洛伦兹变换！

以上的推导是不严格的。不过，知道了下述关于以太与实物、引力场之间的关系，那就不成问题了。

洛伦兹变换反映了一种客观的定量关系，那么，洛伦兹变换的流体力学导出，就意味着存在一种特殊的超流体。这种特殊的超流体是什么呢？因为它的声速就是真空中的光速，所以它不可能是一般的实物流体，只能是物理真空，即以太。这就从另一个角度印证了以太的存在，并且，它是宏观的绝对时空中的可压缩的超流体，光的传播媒介。

以太概念的内涵是随着历史的发展而变化的：笛卡尔的以太不同于亚里士多德的以太；19世纪的以太又与笛卡尔的以太有所区别；而引力场以太观将摈弃19世纪以太论的机械性，吸收现代物理学，包括相对论的精华。