胡昌伟 物理真实的层次

      物理真实就是实际看到或测量到的事物面貌。人们在观察或测量过程中，不可避免地会受到各种不同性质介质的影响，从而形成了物理真实的层次观。不受任何介质作用影响的真实为一级真实层次；受物理真空影响的真实为二级真实层次；受实物介质影响的真实为三级真实层次。不同层次的真实会有不同的时空观、物质观，它们之间不一定同构，但存在可描述的物理机制。牛顿力学适用于描述一级真实层次；现代物理学描述的是二级真实层次。物理学从描述一级真实层次向描述二级真实层次发展，后者偏离了前者，但在定量上，即理论数据与实验数据的符合上趋向精确。这里并不意味着二级真实层次是对一级真实层次的否定，因为两者对本体的指称是一致的。

      引言
      现代物理学的定量描述越来越精确，但其物理图像却显得怪异而模糊，比如，相对论的时空弯曲，量子论的几率性和不确定性原理等等。为什么这样呢？有人会说：世界本来就是非常复杂的。我们则认为，这里可能会有深层次的简单道理。
      斯蒂芬·霍金和莱昂纳德·蒙洛迪诺说：“金鱼看见的世界与我们所谓的现实不同。但我们怎能肯定它看到的就不如我们真实？据我们所知，就连我们自己说不定终其一生，也在透过一片扭曲的镜片打量周围的世界。”^[1]他们的说法很有趣，我们可进一步这样解读：金鱼眼中的世界要比我们看到的世界复杂得多，是因为它们在隔着玻璃和水看世界。同样，我们人类也在透过一种镜片打量周围的世界，这种镜片的作用在日常感觉不出来，但到了高速或微观世界就显现出来了，从而出现了相对论性效应和量子性效应等等。这种镜片是什么呢？是物理真空！真空不空，量子物理显示了真空起伏、真空隧通效应、真空相变、真空凝聚、真空畴结构等等现象^[2]，这些都说明物理真空类似于介质，是种物理实在。卡西米尔效应^[3]等实验也表明物理真空是“物”，而不是一无所有的虚空。
      不过，斯蒂芬·霍金和莱昂纳德·蒙洛迪诺所持的是基于模型的实在论。他们认为，现实的这种多样性是可以接受的，不可以说哪一种现实比其他现实更真实；每一个物理真实（比如金鱼眼中的真实）都有可能建立一种模型 ( 通常本质上是一个数学模型 )，以及将模型中的要素与观测联系起来的法则；追问一个模型本身是否真实没有意义，有意义的只在于它是否与观测相符。这样的看法很有见地，但也存在问题。因为金鱼的时空观可以在我们的时空观的基础上，用玻璃和水的折射来解释，所以很明显，我们的时空观比金鱼的时空观更基本。因此，用真实的不同层次来表达现实的多样性更为合理。让我们先来分析一下金鱼的“鱼缸时空观”的特征。

      鱼缸时空观
      金鱼的时空观可分为两类，一是金鱼描述鱼缸外世界的时空观；二是金鱼描述鱼缸内世界的时空观。
        现在来考虑金鱼描述鱼缸内世界的时空观。如果鱼缸内水的密度是均匀的，且始终不变，那么，它们的时空观与我们日常的，低速、宏观环境中的绝对时空观一样。然而，一般流体的密度或多或少是会变的。非均匀介质是变折射率介质，其中的光线会向密度较大的方向弯曲。如果鱼缸内水的密度分布是不均匀的，那么，鱼儿的时空观也将是局域的。如图2所示，水密度的大小用颜色的深浅来表示，鱼B发出的传入鱼A眼睛的光线所走的路线是弯曲的（当然，实际上这样的弯曲非常微小），因此，鱼A会误以为鱼B是在C点；如果鱼A游起来，C点会随着变动。另外，鱼在可压缩性流体中移动时，会改变它周围流体密度的分布，这也会影响它的时空观。
   
      总之，鱼缸时空观的一个基本特征是局域性。
      在我们人类的物理学中，绝对时空观是非局域的，而相对论性时空观是局域的。一般认为，绝对时空观是相对论性时空观在低速、弱引力场情况下的一种近似，其实不完全如此。
 
      绝对时空观、相对论性时空观和物理真空之间的内在联系
      绝对时空观的数学表达是伽利略变换：  
      由（1）式可以证明：空间和时间与物质无关；空间和时间相互独立；空间间隔和时间间隔是不变量，即时空标准不变。其中时空标准的绝对不变是其最基本的特征，因为由此可以推出时、空与物质的无关性和时、空的相互独立性。
      狭义相对论时空观的数学表达是洛伦兹变换：       （2）式显示时间和空间之间是密切相关的，两者共同构成了四维时空连续体，其单位时间和单位长度会随着速度而变化，于是就没有普适的时间和空间标准。广义相对论则进一步指出：单位时间和单位长度会随着引力势而变化。可见相对论性时空观是一种局域化的时空观。
      鱼缸时空观的局域性是由光在水和玻璃中的折射所造成。而相对论性时空观的局域性是由于物理真空的作用。
      张操教授说：“‘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’。”^[4]这句话很实在。我们就将物理真空称为“以太”，并提出了“可压缩性以太论”^[5.6]。旧以太论是与相对论不相容的，而可压缩性以太论可以用以太的可压缩性，即以太密度的可变性来说明相对论性效应，这弥补了旧以太论的不足。
      可压缩性以太论认为，在宇宙的以太海洋里，它的密度分布与实物密切相关——实物是以太密度波包的核心，实物的质心就是以太密度的极大值点，这意味着引力场就是以太密度场。光线在引力场里的弯曲，就是光线向以太密度较大的方向弯曲，这在道理上与声音向空气密度较大的方向弯曲完全一致。可见，相对论性时空观类似于金鱼的缸内时空观。
      至于相对论性时空观与绝对时空观之间的关系，可压缩性以太论中的洛伦兹变换的流体力学导出提供了相关的答案。
      作为真空态物质的以太，是一种无限分布的超流体，光是其中的第二声。在流体力学里，有一个把无限分布的可压缩的超流体转化为不可压缩流体的数学变换式，将它代入伽利略变换，就可以导出洛伦兹变换。由于伽利略变换表达绝对时空观，洛伦兹变换表达相对论性时空观，这里就显示了绝对时空观、相对论性时空观和以太之间的内在联系：在绝对时空观中，以太是可压缩的，即其密度可变；而在相对论性时空观中，以太是不可压缩的，即其密度不可变，光速也就不变了。这显示相对论的四维时空连续体就是不可压缩的以太连续体，所谓时空的洛伦兹不变性也就是相对论中的以太密度分布的均匀性。
      绝对时空观和相对论性时空观之间的上述关系，说明两者是两种不同性质的时空观，它们的时空标准是错位的：绝对时空观中以太密度较大的地方，相对论性的量尺较短，时钟也走得较慢。或者说，在相对论中相邻的两个以太质点的间距处处相同，各向一致，于是相对论性的单位长度同绝对时空观中以太质点的间距成正比；相对论性的单位时间同光通过以太质点间距的时间间隔成正比。广义相对论还进一步把绝对时空里以太密度的变化率描述成了相对论性时空的曲率，这如图3所示。       图3 两种不同性质的时空观 在相对论性时空观A中，以太密度均匀 但时空是弯曲的；在绝对时空观B中，时空是平直的，但以太密度分布不均匀，颜色的深浅表示以太密度的大小；相对论性时空曲率对应绝对时空中以太密度。  
      相对论性时空其实是以太的变态，是一种“物”，因此，说它会弯曲是可以理解的；绝对时空无所谓形状、大小，就无所谓“弯曲”了。

      物理真实的3个层次
      一般以为真实就是事物的真相，即不受外界任何影响的固有形象，这应该是唯一的。但事物的真相只是一种理想的真实，因为在我们周围存在着空气等实物介质，还有无处不在的以太。我们的感官或仪器所接收到的关于事物的信息都是通过各种相互作用传递过来的。物质之间的相互作用是客观的存在，而且事物真相的信息和相互作用的信息往往是纠缠在一起的。从“物理真实就是实际看到或测量到的事物面貌”这个角度来说，将真实分为不同的层次比较合理。我们称事物的不受任何介质影响的真相为“一级真实”。
绝对时空观是不受任何物质作用的时空观，它的时空标准不受物质环境的影响，可以被用来描述一级真实。不过，物理学是一门实验科学，它的理论数据应该与实际的测量数据相吻合。测量是物质之间，即测量工具和被测量物之间相互比对的过程，因此，抽象的绝对时空是无法直接被测量的。牛顿认识到了这一点，他说：
      “我没有定义时间、空间、处所和运动，因为它们是人所共知的。唯一必须说明的是，一般人除了通过可感知客体外无法想象这些量，并会由此产生偏见。为了消除偏见，可方便地把这些量分为绝对的与相对的，真实的与表象的以及数学的与普通的。”^[7]
显然，牛顿认为，绝对时空观是“人所共知”的，它好比一条公理，牛顿物理学就建立在这条公理之上。在绝对时空观中，既有绝对时空，也有可测量的相对时空。相对空间有房间空间、车厢空间、地面空间、太阳系空间等等；相对时间有北京时、格林威治时、阳历时、阴历时等等。人们是通过相对时空来抽象出绝对时空的。
      物理学的时空都是可测量的相对时空，其值也就必然会与衡量工具有密切关系。普通的量尺和钟表会因为热胀冷缩而变化，对此，人们不会说“时空变化了”，因为可用更精确的时空衡量方法来证明时空没变，变化的只是量尺和钟表本身。在现代物理学中，最精确的时空标准都是用光来定义的。比如，国际单位制米的定义是299,792,458分之1秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。根据这个定义，光在真空中1秒钟通过的距离总是299,792,458米，无论它走得快还是慢，光速成了一种不变的定义速度。现代物理学就是建立在这样的时空标准的基础之上，或者说现代物理学是以光作为时空衡量标准的。因为光是已知的传播信息的最快速度，这样定义的时空标准是切合实际的。在这里，如相对论所示，时空标准是会变化的，这被物理学界普遍认为：这种变化是时空本身的变化。而在绝对时空观看来，这变化的只是时空的衡量标准，真正的绝对时空本身不会变；把时空标准的变化当作时空本身的变化，这只是一种可行的数学模型。
       有人会说：在物理学中，除观察的东西外无物为真，抽象的绝对时空等概念是没有意义的。此话差矣，绝对时空等概念所对应的是一级真实，它们是对事物本质属性的抽象，它们虽然是不可观测量，但比能够直接测量的相对概念更真实，更有普遍意义。量子力学显示：任何一种守恒定律都对应一种不可观察量，如能量守恒对应绝对时间；动量守恒对应绝对空间位置等等^[8]。能量守恒和动量守恒定律具有普遍性，这是对绝对概念的客观性的一种反映。
      相对论性时空和绝对时空是两种不同性质的时空，前者是局域的，可测量的；后者是普遍性的，抽象的。相对论性时空是对绝对时空观中的相对时空的定量上的精确化。由于绝对时空标准的不变性，我们可以相对于任何一个实物性的参照物建立一个刚性的三维坐标系和一维的时间轴，它们就是绝对时空观中的一个相对时空的数学表达。而在相对论中，坐标轴是非刚性的，它们会随着运动速度或引力势的变化而伸缩或弯曲。
      相对论性效应是一种以太密度变化效应。以相对论性时空观为基础的现代物理学所描述的是受以太影响的真实。以太无处不在，它对事物的作用普遍存在，因此，我们称受以太影响的真实为“二级真实”。
      金鱼眼中的真实，受到玻璃、水等实物介质的影响。实物介质的分布是有限的，其对实物的作用也是局部的。我们称受实物介质影响的真实为“三级真实”。实际上，我们通常所看见的，或用工具测量到的都是三级真实，因为我们周围存在着空气，它或多或少会影响事物的形象；我们的计量仪器也会受介质的影响而热胀冷缩。不过对于实物介质的影响，人们一般都会另行加以计算、处理，而不会当做普遍性的时空现象。物理学探索的是普遍性的规律，它一般不会把局部性的三级真实看作基本的真实。在日常情况下，我们周围的空气、以太等对近处实物形象的影响不大，所以我们总以为眼见的是事物真相，即一级真实。
      二级真实和三级真实都是经过了介质的作用，它们之间的结构有可能是同构的。但如1所述，这两者与一级真实之间一般不同构。

      不同真实层次之间的物理概念的错位
      由于在不同真实层次之间，事物所受的作用性质不同，物理概念的定位也就不同。空间、时间和质量是三个最基本的物理量，下面就拿它们来作下分析。
      关于空间和时间，由前述可知：牛顿物理学追求的是一级真实层次，它认为存在着不变的，普适的长度和时间的标准，实际的量尺和时钟的变化，不会被看成是时空本身的变化；现代物理学以光来定义长度和时间的标准，其实质是用当地真空中的以太密度来定义长度和时间的标准，以太密度的变化就被当做了时空本身的变化。
      我们将一实物所处的当地真空中的以太密度称为“基态”，那么，相对论性的时空标准就会随着基态而变化。下面将看到：质量和能量也会随着基态而变化。
      质量最早由牛顿定义:“物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”^[7]在这个定义里，包含了两层意思：一是表明质量的实质，它是代表物质的量。二是说明质量的量度：质量是密度和体积之积。
      牛顿所谓的物质，显然只是实物。他的质量定义是其实物性物质观的反映。用密度和体积一起来计算物质的量，相当于用物体所含的粒子数来计算物质的量。在这里，他继承了古代原子论的思想，把物质归结为具有某些绝对不变属性的粒子的集合，因此，可以用一个物体所包含的粒子数来确定它的物质量。
      牛顿的质量观念在现代物理学中行不通了。相对论显示，同一个物体的质量会随着参照系之间的相对速度和所到之处的引力势而变化。现代物理学虽然没有意识到以太的重要性，但实际上它的物质观同时空观一样离不开以太。可压缩性以太论指出：以相对论性时空观为基础的定量描述与以绝对时空观为基础的绝对描述之间的对应关系是：引力势的绝对值对应以太密度；质量对应实物的以太密度的增量（相对于基态）；能量对应以太压强的增量（相对于基态）。这就是说，实物好比无限深广的以太海洋表面小小的浪花；其质量值是相对于基态的微小的增量，它会随着基态的变化而变化。从相对于物体静止的参照系上来看，同一实物，它所处地方的基态越大，其质量越小。大家知道，原子核内的核子质量小于原子核外的，这一般用结合能来解释。其实，这用基态的不同来说明更自然。如图4所示，由于原子核外的基态小于原子核内核子之间的基态；原子核内核子之间的基态又小于核子内部的基态，所以核子的质量，原子核内的小于原子核外的，而构成核子的3个夸克的质量总和又远小于核子本身的质量。对此可以打个恰当的比方：珠穆朗玛峰相对于海平面来说高8844.43米；但它相对于青藏高原来说只有4000米左右高了；如果站到它邻近的山岙上来观察，它的高度只有几百米了。海平面、青藏高原和邻近的山岙相当于不同的基态。       图4 不同基态里的核子质量 绿色表示原子核外的基态；蓝色表示原子核内核子之间的基态；紫色表示核子内部夸克之间的基态。棕色代表可观察到的质量，其中A是原子核外的核子质量；B是原子核内的核子质量；C是核子内部3个夸克的质量。
 
      在二级真实层次中，质量和能量都是相对于基态来说的。能量的相对性很显著：物体的动能在不同的参照系来看是不同的；物体的势能会随着离地面的高度而变化。在相对论中，物体的质量会随着运动速度和引力势而变化，这表明质量也具有相对性。由于质量的相对变化量与能量的相对变化量之比为1/C²，所以质量的相对性一般难以被察觉。实际上，基态是质量和能量相对为零的状态，它是能量的起点，也是质量的起点。
      反科学实在论的悲观归纳论认为：如果过去取得了很大成功的科学理论，在历史上都一个个地被发现为错误的东西，根据归纳原理，我们有什么理由相信实在论所说的现在取得成功的理论是逼近真理的呢^[9]？对于这个问题，现在我们可作这样的回答：
      二级真实层次，它的物理量跟以太密度的分布有关，但因为以太密度的分布与实物密切相关，它所描述的本体同一级真实层次的指称是一致的。打个比方：一级真实是人眼直接看到的东西，而二级真实是人眼透过（由以太构成的）凹凸镜片看到的东西；这两者所看的是同一件东西，但看到的形态会有所不同；两者之间的差异取决于镜片的度数，它相当于一种“基态”。可见，现代物理学并没有从根本上否定牛顿时空观、以太论等一级真实层次的理论。经典物理学在真相描述方面逼近真理；而现代物理学在（受以太影响的）定量描述方面逼近真理。我们沉浸在以太里，所能测量到的量都不可避免地被打上了以太的烙印。从真实性上来说，一级真实是不受任何介质干扰的真相，二级真实偏离了真相，但它在定量上，即理论数据与实验数据的符合程度上更为精确。

       真实层次之间的物理机制
      柯瓦累说：“科学思想总是试图透过定律到达其背后去找出现象的产生机制”^[10]科学实在论的物理机制应该有一定的物质基础。物理机制就是关于形成物理现象的基础物质的性质、关系和变化的原理。数学结构只能表达量方面的关系，这是种表象，不能完全地表达事物的物理机制。
      可压缩性以太论描述了相对论的物理机制：相对论不是没有物质基础的空中楼阁，它的物质基础是以太；相对论性效应是以太密度的变化效应，因为以太密度的变化会引起定量上的时空标准的变化；狭义相对论的运动学效应是因为物体在可压缩的以太中运动时，它基态中的以太密度比静止时有所提高，于是相对论性的长度收缩了，时间变慢了；广义相对论的引力场效应是因为引力势绝对值对应以太密度，所以相对论性的时空标准会随着引力势变化。比如，在外界引力势相同时，两个物体M、N 的质量相同；当它们处于不同的引力势中时，它们的质量不同了。如图1所示，在M上的观察者认为：根据相对论，真空中，包括N所在处的以太密度都为d，但N的质量变大了。
        图 5  质量随引力势变化示意图：X轴表示矢径；Y轴表示以太密度或引力势的绝对值；O’点有一天体，它周围的引力势的分布如长曲线所示；两条短曲线M、N为两个物体的以太波包。Y轴上的虚线表示宇宙背景中的以太密度很大。
 
      以太密度的概念建立在绝对时空观的基础上，属于一级真实层次的概念。一级真实层次是不考虑外界任何影响的“原始”的真实，对于二、三级真实层次现象的物理机制，一般都可在一级真实层次的基础上进行描述。比如，我们对金鱼眼中的三级真实的描述就是在绝对时空观的基础上，用玻璃和水对光线的折射来进行的。
      笔者将二级真实偏离一级真实的效应称为“定量效应”^[11]，相对论性效应和量子效应等都是定量效应。定量效应是由以太的作用引起的，相对论性效应由宏观以太的作用引起，而量子效应由微观以太的作用引起。宏观和微观以太既有共性，也有差异。宏观以太的作用好比一片光洁的镜片；而微观以太的作用就像一片毛糙的镜片，从而出现几率性、不确定性之类的特殊现象。我们可以把现代物理学可看成是经典物理学加定量效应。反过来也可以这样说：我们可以带着定量效应，让现代物理学回归经典。
关于以太论，现代物理学肯定了真空不空，就是对以太论的认可。旧以太论的不足主要是没有认识到以太的可压缩性效应以及实际的定量数据与以太基态有关。另一方面，由于人们生活在以太中，不能摆脱定量效应的干扰，从而使现代物理学家将四维时空绝对化了。他们一直在透过以太看世界，却“不识庐山真面目，只缘身在此其中”。有许多杰出的物理学家意识到了以太的存在，但却难以认清它的真面目。比如诺贝尔物理学奖的得主维尔切克认为现代意义上的以太是一种“网格”^[12]；布赖恩.格林认为希格斯海有点象现代意义上的以太^[13]。这里所谓的“现代意义”就是站在相对论性时空观的基础上来看的意思。这样看到的只是二级真实层次中的以太形象。比如说，在相对论性时空观看来，以太是处处均匀，各向一致的，以太质点的分布确实像种“网格”。而这与一级真实层次中的可压缩性以太形象有很大差异。
 
      结束语
      现代物理学所描述的往往与我们的直观想象大相径庭。于是，许多物理学家越来越依赖数学模型，并认为正确的数学模型可以代表或反映真相。显然，由于存在定量效应，正确的数学模型会不可避免地偏离真相，所以基于模型的实在论是不确切的。
B.K.里德雷说：“我们得通过那一切来关注大白鲨。丰富的数学在等着我们去构造关于万物的宏大理论，但最终还得回到三维空间和一维时间的现实世界，那是我们一切经历的来源。另外，我们还得考虑科学方法在所难免的局限。我们就像走在钢丝上，常常战战兢兢地在应用数学和宗教般的科学热情间摇摆。将来，我们需要特别敏感地将基本物理学从那些数学和宗教的东西里区别出来。”^[14]看来，里德雷所说的大白鲨就是以太，它使物理世界变得怪怪的。绝对时空是不受任何介质干扰的真正的时空，所以我们应该对正确的数学模型进行基于在绝对时空观的基础上的物理机制的描述，否则物理学有可能误入歧途。

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