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 马国梁 （emgl@sohu.com） 2007.05
第二章、现有实验所给予我们的启示
（一）空间是物质的。即现实的宇宙真空都是充满物质的。科学研究已经证明：的确不存在十九世纪所描述的那种“以太”，但是由此就断定空间中一无所有也是不能令人信服的。爱因斯坦在后来的广义相对论中又给与空间以物质的性质。与此同时，其他科学家也纷纷发表自己的看法：狭义相对论的先驱者之一——洛仑兹即对“空虚空间”持怀疑态度；狄拉克在发 展相对论量子力学的过程中引入了“新以太”的概念；李政道在研究“不寻常核态”的工作 中发现真空中存在着真空物质。总之，现代科学已经充分证明：“真空并不是一无所有的虚 空，而是指没有实物粒子(如电子、质子、中子等)的一种总能量处于最低状态的场，即基态 的量子场。真空具有真空涨落、真空极化、真空相变、真空对称自发破缺等特性。真空正是 这些性质的载体，这说明真空是物质的一种形态。”( 见《自然辩证法 概论》高等教育出版社 1991年5月修订版第23页)。在一定条件下，可以从真空中 产生基本粒子。但是现在我们还完全没有研究出真空物质的结构，也没有完全弄清它与引力场、电磁场、强力场、弱力场及实粒子的关系，对它的研究还有待于继续深入。
我们所在的空间在相当广大的范围内是连续统一的。现在借助于现代化的天文观测手段，我们已经观测到二百亿光年远的宇宙深处，但是还没有发现空间的边缘。很可能，宇宙空间在各个方向上都是无限延伸的。
由于空间的物质性所以给实物质的运动提供了充分的条件。由于物质的间隔，使物体在空间中有了确切的位置；由于物质被物体从中穿越，使物体有了确切的运动，并可描述出它的运动轨迹和运动量的多少；在物质的环境中，还使物体的惯性得到了表现；使物体的运动产生出一定的效应，如运动物体上的时空变化。由于空间的物质性还使微小粒子在运动时产生的波动和其它运动行为得到了合理解释。也正是由于空间的物质性才使空间中有可能被激发生成引力场、电磁场等及它们的场波，并使物体通过这些场产生相互作用。离开了物质的空间，恐怕许多物质现象都将化为乌有。
当然真空物质的密度肯定很小，如果都转变成实物质的话大约在10 ^（—26）千克/米^3 数量级， 且空间各处的真空物质未必分布均匀。但局部的“空虚空间”恐怕也很难存在，任何实物质都不能阻止真空物质的渗透、扩散。
真空场的运动形式除内部固有的运动之外还有伴随经典场的波动和受实物质运动影响而产生的扰动。
(二) 物体的运动具有绝对性。现代科学研究已经表明，场和粒子是物质存在的两种基本形式，再加上中间的物质形式，这样物质的构成层次则成为
基态量子场 (真空物质) → 经典力场 ( 引力场等 ) → 光 子类 → 实粒子 ( 轻子、介子、重子)
所有实物质都是以单个粒子或由粒子组合成的物质系统(团体)分布在空间中的，被空间容纳并在其中悬浮。各级物质系统的层次由低到高分别是
基本粒子 ( 电子、核子) → 原子 → 一般物体 ( 卫星等 ) → 行星系统 ( 地球等) → 恒星系 统
(太阳系等) → 恒星集团系统 (银河系等) → 总星系
中间每一个物质系统都是上级物质系统的一部分，都有若干个同级系统，都还可以分解成若干子系统。基本粒子的分解情况现在还不甚清楚；比银河系更高的物质系统也还远未弄清。很可能这级物质系统将是人类认识的极限，我们很难再超越它。
既然空间是物质的，那么每个粒子、每个物质系统在其中的运动也就是它们相对真空物质的运动，也就有了绝对性可言，成为绝对运动。物质系统的运动情况可用它的质量集中点(质心)来代表。
场和粒子可以相互转化，是不可分割的统一体。物质的空间和实物质也是不可分割的统一体 。因此就总体上说，真空物质与实物质是不应有相对运动的，也就是说所有的实物质作为整体在空间中是没有绝对运动的。所有的绝对运动都是局部物质的绝对运动。它们向空间中各个方向运动的动量都是相等的，其矢量总和应为零。因为不管实物质的总量及其分布规模是 有限的还是无限的，动量守恒定律总是成立的，动量绝不会无中生有。但对其中的任何一部分实物质来说，它的绝对运动都很难恰巧为零。所有的实物体，可以说都在空间中永恒的运动着。
除绝对运动外，还有物体间的相对运动。相对运动大小等于两物体的绝对运动之差。例 b 物 体相对 a 物体的运动等于 b 物体的绝对运动减去 a 物体的绝对运动，即：
Vba = Vb — Va
而 b 物体的绝对运动则等于 a 物体的绝对运动再加上 b 物体相对 a 物体的运动。可依次类推。当有一个运动链时，末端物体的绝对运动等于初端物体的绝对运动再加上中间各物体间的相对运动。
系统内一物体的绝对运动等于高一级物质系统质心的绝对运动加上本系统质心相对上级质心的运动再加上物体相对本系统质心的运动。如地面物体的绝对运动即等于日心的绝对运动加上地心相对日心的运动再加上物体相对地心的运动。
但仅靠物体间的相对运动是不可能算出物体的绝对运动来的，内运动不能反映对外运动。如测绝对运动需根据它的绝对运动效应或空间中场物质的波动与物体运动的合成情况推知。
种种迹象表明，我们所在的物质系统的绝对运动大约在每秒数百千米的数量级内。
(三) 参照系的选择方法。参照系是指我们所特别规定的某物质系统，是我们研究其它物质系统的运动情况的参考基准。在真空物质上建立参照系虽然非常公正，但是因为它的“空虚” 特性使我们用起来非常不便，故必须放弃此法；在无限的实物质的质心上建立参照系也非常公正，可我们不知道该质心究竟在哪儿，故该法也不现实。剩下的只有在有限的物质系统上了，可所有的物质系统都在不停的做绝对运动，所以真正理想的绝对静参照系我们是找不到 的。
那么做绝对匀速运动的惯性系呢?根据牛顿第一定律似有可能：当物体不受外力或受平衡外力作用时 ，原来运动的物体将永远保持原有的运动状态，以大小不变的速度和方向沿直线运动下去。可是实际上宇宙中的物体没有一个不受力的，即使受力平衡也只是暂时性的。所有的物体都在宇宙空间中做着各自不同的曲线运动。所以真正理想的运动惯性系我们也是找不到的。
但我们可以找到近似理想的参照系。现代科学研究结果表明，物质系统的级别越高，它做绝对曲线运动的情况就越简单，速度变化就越慢。如地心的绝对运动除绕日心转(公转周期是1年)外还有随日心在银河系内的公转(公转周期是2亿年)，随银河心在太空中的运动(运 动情况不详)；太阳中心除绕银河心公转外还要随银河心在太空中运动；而银河心则只有在太空中运动一项了。由此可知，物质系统的级别越高，就越接近匀速直线运动，就越适合作 运动的惯性系。如一般情况下地球是一个良好的惯性系，如将太阳作为惯性系精度就更高些 ，而银河系的情况则将会更好。
当物体的加速度一定时，如果研究所需的时间段越小，那么物体的速度变化就越少，它与惯性系就越接近。如在地面上研究单摆的振动，如在几分钟之内是可以将地面作为惯性系的，但经过几小时就不行。
由于任何物体都有惯性质量，所以任何物体的运动速度都不会发生突变，都只能是连续的渐变过程。就是说任何物体都有一定程度的惯性运动。不管加速度是多少，只要时间足够短，就可将该物体当作惯性系。但此时须给被研究的物体附加一惯性力。只有当物体只在万有引力作用下做变速运动时，才可不用附加惯性力。因为按照广义相对论原理，只有此时惯性力才能被万有引力恰好抵消。
当在惯性系中研究各物体的运动时，参照物体不得与被研究的物体有相互作用。如果这种作用不可避免，那么必须将它对参照物的扰动尽量减小。根据牛顿第二定律，当作用力一定时，加速度与质量成反比，所以这就要求参照物体的质量必须远大于被研究物体的质量。如研究一般物体的运动将地面作为惯性系即符合这一要求。两质量不相上下的物体就不宜将其中任何一个作为惯性系，此时可取它们共同的质心作惯性系，因为内力作用并不改变质心的运动状态。当然此时也可以高级物质系统作为惯性系来研究低级物质系统及其内部物体的运动 。
同理，还要求被研究物体的转动惯量必须远小于参照物体的转动惯量。所以被研究物体离开参照物体质心的距离，被研究物体的大小及运动范围都必须在较小的限度内。
关于绝对静参照系可这样来近似确定：A、当在绝对运动速度很低的惯性系中研究高速运动（接近光速）的物体时，可将该惯性系近似当作绝对静参照系；B、当在惯性系中研究做闭合曲线 运动的物体时也可将该惯性系近似当作绝对静参照系；C、当在惯性系中只研究各物体的相对运动时，自然可将该惯性系当作静参照系。如研究物体中分子的热运动就可选物体的质心作静参照系，研究原子中电子的运动可以原子核作为静参照系。
研究表明，有许多物理现象、规律在不同的惯性系中都具有相同的表现形式，与惯性系的绝对运动无关，但并非所有的现象、规律都如此。原“狭义相对性原理”的论断言过其实，故它不应再作为一条规律。
事实上，我们已在不自觉的使用着高级惯性系。如我们将在地球周围能够观测到的部分恒星组成天球作为静参照系(天文惯性参照系)来研究太阳系内各星球的自转、公转及相对运动 。还发现高速转动体的轴线在空间中的朝向具有绝对不变性，总是做平动运动，并将之运用于导航技术。如地轴总是指向北极星，还有研制成的陀螺仪等。
应用上述原理，我们可以很容易的解决牛顿水桶的问题，这个问题在历史上曾有过争执。在铅垂线下端悬挂一装满水的桶。现在桶周围的物质空间与宇宙万物是同属一体的。水面凹不凹与桶的转不转没有多少关系，关键是看水体与宇宙万物有无相对转动。A、当两者相对静止时水面不凹陷；B、当两者相对转动时则水面凹陷。此时可看作是水体转动，宇宙万物静止；也可看作是水体静止，宇宙万物转动——但这种情况不存在。因为宇宙万物的转动惯量远大于水体的转动惯量，在力矩的相互作用下转动起来的只能是水。故水面的凹陷与否的确反映了水体在空间中的绝对运动情况。
由上述分析可知，参照系的选择并不是随意的。应根据研究需要按照一定的原则来选取。即应用方便，又要精确可靠。
P.G.柏格曼在《相对论引论》一书中曾指出：“我们对惯性系的最终定义实际上可能是：惯性系是相对于整个宇宙物质具有零加速度的参照系。”(人民教育出版社1961年12月第1版第166页脚注)。这与我们上述的指导思想是一致的。
(四) 时空性质与物质运动的关系。空间与物质不可分割并不单纯在于所有的物质都占用空间或现实的空间内都充有多种形态的物质，还在于我们是通过物质认识它的，特别是通过实物质。不论是它的存在、它的意义还是它的性质，都是通过它和物质的关系来表现的。空间是由于物质而存在就象是山洞是由于山而存在一样。试想如果没有山，那么同样一方空间如何再成为洞？时间与物质运动不可分割的情形与上类似。在连续的时间中有与真空区域相类似的静止时段。如果能够超越这个时段那么就可认为是通过了时间隧道。
研究发现，物质系统的级别越高，物质密度就越小，作用力就越小，演化过程就越慢。从这点看，很难再有总星系以上的物质系统。而在级别很低的微观领域，则物质密度很大，作用力很强，运行过程很快。
时空的性质是由物质来决定的。在整个宇宙中，作为无限的时空当然是统一的、不变的、永恒的。但是作为局部的有限的时空则是可以变化的。例如在某一区域内当所有的实物体都按一定的比例缩小时，就可以认为是该处的空间缩小了；当所有的运动过程都按一定的比例变慢时，那么就可认为是该处的时间运行速率变慢了。
以研究在不同情况下时空的性质及变化规律为课题而产生了不同的学科理论。其中研究在不同区域内由不同的物质分布所确定的时空性质和在加速运动的物体上的时空性质是广义相对论的任务；而研究在匀速运动的物体上时空的性质则是狭义相对论的任务。在静止和低速运动情况下时空具有简单的不变性，且为经典物理学所采用。
在历史上，H.A.洛仑兹曾经创立过一种理论，它是相对论的前躯，代替把相对性原理推广到电动力学。“他假定存在一种特殊的参考系，对它来说，以太是静止的。为了说明迈克尔逊—莫雷的实验结果，他假定以太可以影响在其中运动的钟和直尺。根据这个假设，钟在运动时变慢，尺沿运动方向收缩。”(P.G.柏格曼著周奇、郝苹译《相对论引论》人民教育出版社1961年12月第1版第47页“问题4”)。并推出了时间和长度的收缩因子皆为SQRT(1—uu/cc）。可惜他没有将此理论发展下去，提出相应的时空坐标变换式以及为验证它所需的实验设计。在当时的实验无法证明以太存在的情况下，洛仑兹最终放弃了该研究方向，另改它途。后来由于爱因斯坦坚持否定以太的存在，从而使洛仑兹的上述研究结果失去了最后的存在基础，终于被人们遗忘。现行的狭义相对论虽然也承认了运动直尺的收缩效应和运动时钟的变慢效应，可是它一方面认为这种变化不是物体本身的变化，是物体做相对运动时彼此测量的结果；另一方面又认为是物体运动时时空变化的反映。两者自相矛盾。
其实洛仑兹的早期思想并非全无可取之处。我们抛开他的关于以太的错误观念，就可以建立一个正确的理论。不妨这样认为：空间是物质的，绝对静参照系和物体的绝对运动都是客观存在的。所有物体的时空特性都不是一成不变的，它可以随着物体的绝对运动而发生相应的变化。“直尺缩短、时钟变慢”即是时空变化的反映。现在关于运动时钟的变慢效应已经通过多种实验充分证实，而关于运动直尺的收缩效应也已被公认其合理性。
(五) 光的客观属性。光是一种物质现象，它不可能脱离物质而存在。光的载体物质是电场和磁场，本质是电磁波。当然我们现在还没有弄清电磁场与真空物质的关系，它究竟是真空物质的一部分还是另外独立的一部分不得而知；也还远未弄清光的粒子性的产生机制。但研究表明，光在空间中的传播具有客观独立性，与光源和观测者及其它受体的状态无关。不管它们怎样运动，光一旦离开光源，它即以离开时的光源位置为中心，以辐射状向四面八方传播开来。其传播速度是由空间的性质决定的，在各个方向上都以恒定的速度直线传播。早期的恒星光行差实验可以证明这一点。观测表明，从遥远的恒星上发来的星光，当由于地球的绕日公转使运动方向与星光方向的夹角发生变化时，望远镜镜筒的方位角也必须随之发生相应的变化才能始终观测到星光。并根据地球的运动速度和方位角变化情况粗算出光的传播速度为30.1万千米/秒。那么不难想象：当地球的运动方向与星光的传播方向相反或相同时，我们所观测到的光速就一定会发生相应的增减变化。罗默的天文观测结果证实了这一点。在低速运动的物体上观测光速，其结果是符合经典速度合成规律的。
(六)“光速不变原理”的修定方法。“光速不变原理”不应再指“惯性系中各个方向的单程光速”，而应改指“各个方向往返闭合光路的平均速度”。具体为：“在任意惯性系内，光在各个方向的闭合光路上，做往返运动的平均速度总是一恒定值。”这是一条经过反复实验充分证明的规律。迈克尔逊—莫雷实验所直接证明的正是这一条。在相互垂直的两个方向上，当两臂长相等时，从中点分开的两束光在往返汇合后并没有发生预期的干涉现象，这说明两束光的全程运动时间相同，两束光的总平均速度也相同；但这不能说明各个方向上的单程光速也都相同。还有，当采用闭合光路时，用各种方法所测出的光速基本上为一恒定值，这也证明了新定义的“光速不变原理”。
那么为什么会这样呢?这是因为光在空间中是以恒定的速度传播的，所以在静止的观测者看来，不管光的传播路径怎样，其平均速度总是一恒定值；而在运动的物体上，由于运动的影响，如果单纯按经典速度合成法，其结果则不再等于原光速，即使是闭合光路也不例外。但是由时空的运动特性可知：在运动的物体上时空总是发生一定的变化的，通过这一修正，结果在闭合光路中使测出的平均光速恰好等于原光速。这一因素巧妙的掩盖了物体运动对光速测量所产生的影响，并诱使我们由此走向歧途。
综上所述，现有的实验事实确已充分揭示了我们过去认识上的许多错误，使大自然的本来面目在我们的脑海中形成一个轮廓分明的图象。我们理应据此对原理论进行彻底的修正，以使它更加准确地反映客观规律。具体内容分述如下.
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