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现代物理学基础的思考 7.6真空不空
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六 、真空不空

摘要：文章根据现代物理学的实验基础，提出了真空不空的观点。

关键词：真空不空、以太、相对论、场论、宇宙背景辐射

Einstein：我一生的主要工作：结合对空间、时间和引力的新认识，创立相对论；提出质能等价定律和统一场论（未完成）；对量子论发展的贡献。1938年，Einstein：相对论是从场的问题上兴起的。场是从牛顿时代以来最重要的发明。实物可以看作是场特别强的一些区域，因而，场是唯一的实在【6】。依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的；……（Einstein：《Einstein文集》第一卷第128页）。广义相对论中的规度场就是以太：“分析到最后，否定以太存在就是否定空的空间有任何物理性质”；“广义相对论的以太是经过罗伦兹以太的相对论化而导出的”，“它应该作为惯性作用的介质而起作用。”（Einstein）

韦斯科夫：场是什么？场一开始是作为表达粒子间力的一种形式而提出来。注：粒子之间的空间是光的自由端子的领空，是光场，是自由端子场。

威切曼：在线度10 ^—100厘米的区域内。场的意义是什么？注：在威切曼区域内，如果没有端子扫过，那么，只可能是空的空间。

1954年，Einstein：我认为非常可能，物理学不能建立在场的概念上。如果是这样，那么，我的全部空中楼阁（包括引力理论在内），甚至连其他现代的物理理论也一样，将荡然无存【8】。954年，Einstein：如果以场作为基本概念的客观描述是不可能的话，那么，就得找到一种完全避免连续统（连同空间和时间）的可能性。但是，这样一种理论中可以使用什么样的基本概念，我没有一丁点主见【9】。

现代物理学认为：真空是不存在任何物质与能量的，包括所谓零点能！亚真空的零点能的问题是人为参照系因素.....在某一参照方向上对应处为最大 .....（能的形式发生了变化但总量守恒.....）

任何场都具有一定的时间和空间，所以说，场是由物质构成的，而场具有使物质运动的能力，只有一个原因就是构成场的物质分布不均匀。也就是说，场是由于构成场的物质在有的地方密度大即能量大，而有的地方密度小即能量小形成的。相对论时空观是一种物质依托性的时空观,它由真空所造就,要弄清它的实质,应从真空人手.绝对时空观是一种科学抽象性的时空观,,它不依托任何物质.在绝对时空观中,真空态的物质是存在于时空中的一种可压缩的超流体.绝对时空观是第一性的;相对论时空观是通过变换实现的,是第二性的.总的说来,相对论时空观有一定的局限性,但在人类现有的认识范围中,它是定量描述的基础.不过,它不能有效地描述真空,对此必须结合绝对时空观作定性描述.场论真空结构和性质的研究具有重要意义，真空具有许多效应，如反映真空具有零点能的Casimir效应、真空极化导致兰姆移动、激态原子与真空零点能作用导致原子自发辐射等。真空作为量子场的基态，具有普适的对称性。1920年Einstein在《以太和相对性原理》演讲中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思议的，……因此在这种意义上说以太是存在的。”爱因斯坦曾中肯地说过：“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。” 狄拉克认为：“以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”

我们对于物理学基本概念的分析表明：绝对空间这一最基本的物理概念不仅没有被物理学至今为止的发展所抛弃，相反，却越来越接近于被证明。由于绝对空间在物理学中起着至关重要的作用，具有丰富的物理性质，我们不得不将其视为一个独立的物理实在。任何将绝对空间等同于一无所有的虚空的观点在物理学上都是不可思议的。但是，至今为止我们对绝对空间这一实在到底是什么还没有确定的认识，对其物理性质我们通常是在真空的概念之下进行探讨，并且视真空为某种基态的量子场，但这种场又不能确定地认为是某种我们已经可以确定把握和描述的场。我们只是就其作为一个物理实在的意义上将其看作是场，它与所有已知的场在物理性质上没有什么共同之处。任何已知场（如电磁场、引力场等）都有明显的动力学效应，而真空场的基本物理效应是惯性；已知场是运动的，但真空场本身却没有明显可描述的运动特性。声名卓著的开尔芬就十分热衷于构造以太的力学模型。他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型，我是永远也不会满足的。”1890年，他提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的。洛仑兹在世纪之交虽然积极参与了物理学的几个前沿领域，却极力设法修补旧理论，总想在不触犯经典理论框架的前提下把力学和电动力学调节器和起来。但是，1887年迈克尔逊实验否定了为电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁力学的基础受到了冲击。洛仑兹为此而郁郁不乐，他于1892年写信给瑞利说：“我现在简直不知道怎样才能摆脱这个矛盾。不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，………我们就根本不会有一个合适的理论了”。……….直到晚年，他还认为以太是具有一定优点的概念。据玻恩回忆说：“我在洛仑兹逝世前几年看望他时，他对相对论的怀疑态度没有改变。”据板田昌一讲，洛仑兹面对波粒二象性的新概念，曾绝望地哀叹：“在今天，人们提出了和昨天所说的绝然相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了，我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去。”玻耳兹曼直到1902年还公开宣称：“力学是整个理论物理大厦赖以建立的基础，是所有其他科学分枝赖以产生的根源。”迈克尔逊设计试验的目的是为了证明“以太”的存在，可是事与愿违。为此他非常失望，以至于试验没按原计划完成，而是草草收场。他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辩哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”

Einstein在以太问题上也曾犹豫不定。他在题为《以太和相对性原理》的讲演中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思义的。实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而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。……因此在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图象中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”现在，面对宇宙背景辐射等实验事实，许多著名物理学家都认为应当恢复以太假设。伯格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系。迈克尔逊和莫雷的梦想变成了事实，即找到了我们太阳系的绝对运动。斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾。最后，我们看一看当代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在1970年，狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”美籍物理学家张操说：“……现代物理学一方面否定以太的存在，另一方面却引入了物理真空的概念。其实，‘物理真空’仅是以太的一个代名词。‘物理真空’这个术语很容易被人误解为虚空，并与空间概念相混淆。所以，笔者宁愿采用19世纪的物理学常用的术语‘以太’来代替‘物理真空’。” 【7】

到20世纪中期以后，人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。今天，理论物理学家进一步发现，真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态，它是简并的，实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏，就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。这样看来，机械的以太论虽然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着，并具有旺盛的生命力。

以太论的消失始于Einstein的相对论于1905年发表之后。“相对论假设一经引入，把以太看作实物的概念就要从物理理论中排除出去。”“当光的电磁理论取代了光的固体弹性理论以后，以太这一机械的概念实际上已变成多余的障碍物了。”“最近Einstein引伸了以太这个概念。它不应再被认为是一种实物，只不过是跟真空相联系的那些物理量的总和。” 【4】

Einstein在创立广义相对论时就已经意识到：“没有以太的空间是不可思议的，因为在这样的空间里，不但光不能传播，而且标尺和时钟也不能存在。”1952年，Einstein在《狭义与广义相对论浅说》的序言中补充说：“空间-时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性。这样，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义。”实际上，Einstein并不否定真空的物质性。不过，他认为，应该用“场”来替代以太。他说：“为了揭示笛卡尔观念的真正内核，就要求把场的观念作为实在的代表……‘没有场的空间是不存在的’。”时空弯曲与引力场是等价的。在牛顿的理论中时空只是讨论问题的一个参数，但是在广义相对论中是客观存在的。而它的载体就是量子，量子的频率之倒数就是时间，波长就是空间，红移就是时空弯曲，红移率越大曲率越大，场越强。场的存在，或者说以太的真实存在，至少有以下四个依据：1、位移电流：与“电荷移动”无关的位移电流能够产生磁场，这对超距作用说是不可思议的，这就说明真空不空，真空具有极其复杂的物质，位移电流（电场）、磁场依据这一物质而存在。2、真空极化现象：1947年，物理学家发现，真空具有极化现象，即外界电荷会使真空物质的正负电荷偏离，兰姆的微粒氢原子光谱实验和日本的朝永振的计算都证实了这一点，这一现象说明真空具有物质属性。3、广义相对论：Einstein在狭义相对论中否定以太的存在，但广义相对论的建立体现了Einstein思想的明显改变。他指出：广义相对论“是一种场论”，“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数，同时不考虑任何决定以太的原因，那末广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太。” Einstein甚至试图把各种场统一起来，形成一种完美无瑕的理论。他认为，这个理论将可以根源性地导出现在的所有物理定律，更加深刻地阐述自然奥秘。“以太─物质这种对立就会逐渐消失，整个物理学将通过类似几何学、运动学和引力理论那样的一种完备的思想体系。”4、量子力学：量子力学中的许多现象，例如测不准原理、粒子运动的波函数、几率性等，如果不借助真空的物质属性，人们很难理解。然而，所有这些，只要假定真空中存在着一种物理实在的东西──不管我们称它为“以太”还是“场”──便可能凭着数学推理及计算，对它们作出根源性的理解。甚至，我们可以由此试图建立一种人们梦寐以求的所谓“终极理论”。

研究表明：各种介子的最终衰变物包括正反粒子湮灭反应产物只是几种基本粒子：正负电子和正反中微子及光子中的某几种，而且正反中子、正反质子等强子也有迹象表明是由某些更基本的粒子组成。

现代物理探索中，真空的以太组成一直是许多人挥之不去的思想， Einstein认为：相对论虽然也抛开了真空以太，这是因为不能把电磁场解释成以太状态而逼着这样做的；把场作为独立的物理实在，这是客观存在的二元论。他进一步说：“我们希望后代将能克服这个二元论概念”，“从而不再视场为独立的物理实在”，还说“理论物理决不能没有以太”。真空V0作为新以太，它的存在是不同于现实世界的全新领域，遵循的规律也一定不会与现实世界物质存在的机械规律相同；如原子中价电子做变速运动不满足经典电磁理论的辐射规律一样，真空中源于V0的组成也可以不满足机械运动规律，不会发生可观测的漂移，迈克尔逊和莫雷等人自然也就不会观测到漂移速度，当然这也有可能完全不对电磁波的传播产生任何影响。具有机械特征的真空旧以太确实并不存在，但要对真空由自身的客体单元组成做否定判定，上述历史上的两个理由并不充分。

Einstein在晚年，力图想纠正自己理论中的偏见，他意识到，时空并非实体。他曾说——“物理客体有着空间的广延性”。这里所谓的“空间的广延性”，本质上就是用易学揭示的与物质世界共存的反物质世界。这是一个对物质世界进行平衡和自组的“形上”世界。【2】相对论加强了场的概念在物理学中的重要性，使时间与空间联姻。二十世纪初，Einstein面对所有一切探测“以太风”的实验都失败的事实，认为“引入光以太”本来就是“多余的”，这样空间就又回到了一无所有的“空虚”状态。可是这样的认定在当时就不能自圆其说。面对空间能够传播电磁波的事实，Einstein又认为空间“ 具有一种发送电磁波的性能”，是“物理空间”；在后来的广义相对论中，他认为空间的性质应由“物质的分布”来决定，实物体可以“弯曲”周围的空间。这些都显然与前面的空虚空间的定义相矛盾。空间既然一无所有，那它就不可能具有象物质一样的性质。还有，如果空间中真的一无所有，那么各实物体就成了一个个的孤立个体，彼此间互相隔绝，互不相关。Einstein讲：“可以假定有以太存在。只是必须不再认为它有确定的运动状态，也就是说，必须抽掉洛伦兹给它留下的那个最后的力学特征。”“狭义相对论不允许我们假定以太是由那些可以随时间追踪下去的粒子所组成的，但是以太假说本身同狭义相对论并不抵触。” 【5】因为没有中间物质相连接，所以物体间的相对位置变得没有意义且无法确定；因为没有连续的物质被跨越，所以物体间的相对运动也变得没有意义和无法确定；同时因为没有背景物质作参考，所以运动路径也就无所谓和测不出曲直多少。【1】李政道教授指出：如果真空是粒子物理微观世界中一些奇妙现象的根本来源，那么它也会对宇宙中宏观的物质与能量的分布起着一定的作用，我们应当把真空、微观和宏观现象统一加以考虑，21世纪是真空的世纪。【3】

Einstein曾说过（Einstein文集，第一卷，“以太和相对论”p128-129）：“依照广义相对论，空间已被赋予物理性质，因此，在这种意义上说，存在着一种以太。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，Einstein既指出以太是存在的，又对以太的性质提出了看法：1、以太是光的传播媒介。2、量杆和时钟（长度和时间的标准）由以太决定。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。

“人们从未见到过负质量物体，未必一定意味着负质量不能存在，而可以只是因为原先存在的物体都是正质量的.在经典物理学中，一切运动是连续的，一个原先为正能量的物体，不可能通过连续变化而越过能隙区变成负能量.但是在量子物理中情况完全不同.量子力学容许有不连续的变化，原来正能量粒子可以跃迁到负能量去.

将量子力学与相对论结合而建立的狄拉克方程就有两种解，正能解描述正能量粒子的运动，负能解描述负能量粒子的运动.狄拉克没有回避负能态的存在，他假设了在真空中所有的负能态均已经被负能量电子所充满.狄拉克方程和他提出的新的真空图像使他预言了反电子的存在，并在随后的实验中被证实.” 【10】

“狄拉克在其一篇论文中写道：“最近正电子的发现，又重新复活了旧的负动能的理论，因为到目前为止，实验发现完全和理论相符.”他建议人们应当去“发现负能态的物理意义”. 【11】

“还有一种可能性更令人惊讶，这就是从能量为零的状态中创造物质.之所以会出现这种可能性，是因为能量既可以为正也可以为负.运动的能量和质量的能量总是正的，但引力的能量，如某些引力场和电磁场的引力是负的.有时会出现这样的情况，创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力或电磁力的负能量抵消了.”“天文学家们能够测量诸星系的质量，星系间的平均距离，以及它们的退行速度.把这些数字代进一个公式，就能得出一个数字，物理学家们已经把这个数字解释成宇宙的总能量了.这个数字在可观测的精度里的确是零！为什么会有这个结果？宇宙学家们长久以来一直迷惑不解.有些宇宙学家提出，有一个深藏不露的宇宙原理在起着作用，根据这一原理，宇宙的能量就得恰好为零.” 【12】

“宇宙的总能量刚好是零.宇宙的物质是由正能量构成的.然而，所有的物质都因引力而吸引.两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开.这样，在一定意义上，引力场具有负能量.在空间上大致一致的宇宙情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙总能量为零.” 【13】

“爱因斯坦的广义相对论保证,宇宙中所有物质和运动具有的总的正能量精确地被宇宙中引力产生的负势能之和所平衡,总能量为零.” 【14】

“一个孤立系的总能量E不可能改变” 【15】宇宙从创始的大爆炸演变到今天，直至终结，完全可以看作是一个孤立系统，根据能量守恒定律 ,宇宙在各个状态的总能量也必然为零，奇中终⁰； 0 成立.

物理学家卡西米尔发现真空中两个平行导体板之间会出现负的能量密度，并预言这样一对导体板之间存在微弱的相互作用，后来这个预言被实验证实，从而为负能量的存在提供了直接证据.

下面是肖军先生的分析：

经典理论	相对论
存在以太空间	不存在以太空间
光速	光速
固有圆频率	固有圆频率
波长	波长
量杆长度	量杆长度
变换式	变换式
场量关系式	场量关系式式中：
电磁作用力	电磁作用力
组合速度	组合速度
质速关系式	质速关系式