加载中…
个人资料
周吉善
周吉善
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:80,516
  • 关注人气:138
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

牛顿和爱因斯坦都没有错

(2012-02-17 04:55:38)
标签:

文化

杂谈

物理学创新

牛顿和爱因斯坦都没有错

 

简介:去年10月我在北京,发短信给吴会长希望能够见一面,回答说因为身体健康问题不能见面。因为去北京一次不容易,我心里着急,就又发了如下的短信;付昱华教授打电话告知:吴会长要我“形成文字”发给他们二人。于是就有了这一篇文章。短信内容是——

您知道我心里有多难受、多痛心吗?×××、××、×××三位教授都完全有能力把相对论完善起来,而且我都告诉他们:经典物理学定义的“位移”和“直线运动”,严格讲在我们的生活中根本就不能使用,离开地球都是弧线运动,就更不能用。只需要跳出经验的怪圈,不再把牛顿和爱因斯坦的理论混为一谈,就可以海阔天高了。

但是,他们就是过不了这个坎儿,总是跟着西方跑。看着这些,就跟面对您所说的“打横炮”一样,心里能好受吗?

在这一篇文章中,笔者围绕三个要点,结合物理学发展史,着重讨论了牛顿那“封闭的地球物理学”跟“开放的宇宙物理学”的本质差异,最后得出当前最迫切的任务就是:尽快实现从经验向理性的升华

 

 

牛顿和爱因斯坦都没有错

 

 

本文就围绕如下三个要点展开讨论:

1. 近代物理学史不应该是从牛顿的《自然哲学的数学原理》开始,实际上则应该以开普勒三定律为肇始;

2. 要描述“运动”的规律,首先就必须分清自然运动和非自然运动;

3. 经典运动学和相对论,是分别适用于描述非自然运动和自然运动规律的两种理论,根本就不具备可比性。

S·霍金说:“以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步”。

恩格斯说:“自然科学家相信:他们只有忽视哲学和侮辱哲学,才能从哲学的束缚中解放出来”;“哲学终究报复了自然科学,因为后者抛弃了它”。

学界都说中国传统文化中没有哲学,在中国自然也就没有哲学家了。

现在有一位建国以来唯一受完中国传统文化系统教育的一代学子中的人,不揣冒昧地想以纯粹的中国文化为基础,来解读“科学理论的进步”;他相信“它山之石、可以攻玉”中包含的深刻哲理,对全人类都可以通用。

恩格斯说——

“这种绝对的认识有一个重大的障碍。正如可认识的物质的无限性,是由纯粹有限的东西所组成一样,绝对地进行认识的思维的无限性,是由无限多的有限的人脑所组成的,而人脑是一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识,常做实践上的和理论上的蠢事,从歪曲的、片面的、错误的前提出发,循着错误的、弯曲的、不可靠的途径行进,往往当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理(普利斯特利)”。

巴里·派克在《爱因斯坦的梦》中写道——

“将会有一位新的爱因斯坦降临,把所有这一切弄到一起……过去的情况似乎是这样的:巨大的跨步常常是由单个个人作出的(如爱因斯坦这样的人)。说不定,未来很可能又是这种情况。重要的是,要有能力以一种新的方式考察旧的观念。正如有人说过的:‘你需要一些古怪的念头——古怪得足以发挥作用’。新的爱因斯坦肯定需要一些新的古怪的念头”。

物理学发展史确实是“一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识”,出现“真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”并不稀奇;现在千真万确到了应该“把所有这一切弄到一起”的时候,能够“拯救科学”的,就必然是5000年一脉传承地坚持整体有机、和谐互补观念的中国传统文化。

〔1〕. “开放的宇宙物理学”从开普勒三定律开始

1.1. 历史上最早使用数学形式表述空间中存在着球形结构的,是开普勒用归纳法从第谷积累那庞大的天文观测资料中得出的行星第三定律:

所有行星椭圆轨道半长轴R的三次方跟公转周期T的平方之比值都相等。可以表示为:R3/T2=K,其中的比值K是与行星质量m无关的一个恒量。

推论1:所有天体的轨道运行均由R3/T2决定,用物理学量纲式中的L、T表述空间结构的R3/T2=K即是天体运动的“第一推动者”;“空间中”所有的自然运动,都跟牛顿力学中的“力”和M没有直接关系!

1.2. 处在“空间中”的物体,都会按照伽利略的自由落体公式:

h= 牛顿和爱因斯坦都没有错gt2

做自然运动—— 用L、T表述空间结构的g是“第一推动者”;所有的自由落体运动都跟所谓的“力”和M同样没有直接关系!

1.3. 第三个发现并用数学公式描述空间是“动力学量”的是惠更斯。

只需要将惠更斯的圆运动公式T=2π牛顿和爱因斯坦都没有错移项、平方后两边同乘R2,即可以得到被称为宇宙速度公式的V12=gR;当今如火如荼的航天事业,就起始于这样一个公式 。

实际上宇航实践中所使用的“轨道方程”,全都是这个公式和开普勒第三定律相结合的产物;跟牛顿力学完全“风马牛、不相及”。

“这是爱因斯坦的伟大胜利!他的发现变革了我们思考空间和时间的方式。它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的,它们现在成为动力学的量” —— 只需要将霍金这一段话中的第一个“它们”改为“空间”,第二个“它们”改为“用L、T表述的空间结构”,就完全对了。

实际上真正发现“空间是动力学量”的第一人是开普勒,确立可以定量计算公式的两个人是伽利略和惠更斯;前者确立了计算距地面200km的空间范围内物体做自然运动的公式,后者确立了计算距地面200km之外空间范围内物体做自然运动的公式;推而广之就有了依据开普勒第三定律的发展、进行任何轨道计算的宇航实践中所有的公式。

推论2:广义相对论场方程是对牛顿之前的开普勒、伽利略、惠更斯所发现的、三个描述“空间中”自然运动规律公式的综合,使用张量分析标志着研究的对象跟开普勒发现的R3/T2=K都是球,空间度规张量gμν中标出的两个自由度,就分别对应于惠更斯和伽利略公式所揭示的规律—— 广义相对论方程跟牛顿之前的物理学一脉相承,跟牛顿的引力理论风马牛不相及。

推论3:“空间中”的物体都在做自然运动,根本就没有静止的。经典物理学中的“第一推动者”是用L、T表述的R3/T2=Kg,伽利略和惠更斯的两个公式分别适用于表述距地面200km之内或之外物体做自然运动的规律。

广义相对论场方程是实现了对“力学”的超越、采用动量-能量概念表述规律的理论:等式左端的空间度规张量是“第一推动者”,右端的真实涵义是物体处在这种空间环境中,就会具有特定的动量-能量张量;反过来讲就是,如果能够测量出某物体的动量-能量张量,就可以知道它所处空间环境的度规张量—— 因果关系非常明确:空间度规张量是导致物体做自然运动的“”,物体的动量-能量张量是受到空间度规张量作用的“”。

〔2〕. 现在通用的4个运动学方程跟牛顿力学无关

全日制高级中学《物理》教课书(人民教育出版社2000年版)第一册写道:

“应用机械能守恒定律解题,可以只考虑运动的初状态和末状态,不必考虑两个状态之间的过程的细节。这可以避免直接用牛顿第二定律的困难,简化解题的步骤”—— 现在在实际应用中,要解决运动学问题,仅需要应用动量定理Ft=mV、动能定理FS= 牛顿和爱因斯坦都没有错m(V22V12)和动量守恒定律m1V1+m2V2=m1V1+m2V2、机械能守恒定律 牛顿和爱因斯坦都没有错 mV22+mgh2= 牛顿和爱因斯坦都没有错 mV12+mgh1就行。把话说得极端一点,牛顿力学已经不再具有实用价值。

传统认为这四个方程是牛顿定律的拓展和简化,实际上并没有依据。

动量守恒定律由惠更斯确立,是学界公认的;其余3个均可以由自由落体公式导出,跟牛顿力学完全没有关系。请看——

由h= 牛顿和爱因斯坦都没有错 gt2V=gt可得

V22V12=2gh                             (1)

h2-h1= 牛顿和爱因斯坦都没有错 (gt22-gt12)                    (2)

只需要将a=g、S=h代人(1),即可以变为

V22V12=2aS                             (3)

将(2)×g可得

牛顿和爱因斯坦都没有错V22+gh2= 牛顿和爱因斯坦都没有错 V12+gh1                       (4)

只需要在gt=V、(3)、(4)式两端分别乘以m,即得

Ft=mV                                  (5)

FS= 牛顿和爱因斯坦都没有错m(V22V12)                         (6)

牛顿和爱因斯坦都没有错mV22+mgh2= 牛顿和爱因斯坦都没有错 mV12+mgh                                (7)

传统将(1)、(2)、(3)、(4)式称之为运动学方程并不恰当,实际上只需要在式子两端同乘以m(牛顿推导引力定律使用的就是这种方法),(5)、(6)、(7)式即变成物理学理论中广泛使用的动量、动能定理和机械能守恒定律。

教科书中关于“避免直接用牛顿第二定律的困难”之说并不确切;实际情况则是在处理现实生活中的运动学问题时,根本就不需要去考虑牛顿定律—— 出现在现实生活中的运动学问题,最多莫过于交通事故;实际上交警在处理交通事故时,只需要量一下刹车轨迹的长度,看一眼车辆的“体量”,依据上述的两个定理,就可以精确计算出结果。

推论4:在解决经验生活中现实的运动学问题时,使用的方程是自由落体公式的变形,实际上已经实现了对牛顿力学定律的超越。使用这些方程时“只考虑运动的初状态和末状态”,“不必考虑两个状态之间的过程的细节”;或曰根本就不需要去考虑所谓“力”的作用。

〔3〕. “封闭的地球物理学”的前提必须是“假设”

3.1.地面上”的物体全都处在“静止”状态(即静者恒静),跟“空间中”的物体截然相反(即动者恒动);想让“地面上”的物体“运动”起来,就必须使其受到“力或冲击”的作用—— 故而在现实生活中根本就不存在自然运动,而只有“受迫”运动,本文谓之非自然运动

但是在牛顿的经典力学体系中,这种永远离不开“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”(恩格斯:《自然辩证法》)的运动,却被定义为惯性系运动,条件是物体必须受到“平衡力”的作用。于是,牛顿第一定律所谓的惯性运动,跟自然界真正的惯性运动就截然不同了:

对于“空间中”的惯性运动(即自然运动)而言,跟所谓的“力和M”都没有关系已如前述,运行的轨迹都是“曲线”而不是直线;而对于“地面上”由牛顿所定义的惯性运动(即非自然运动)而言,不仅必须受到“平衡力”的作用,其运行轨迹也被牛顿强制性地定义成了“直线”。

故而,我们就把这种理论谓之“封闭的地球物理学”,不仅其中的“直线”和“受平衡力作用”,都是牛顿人为的假设,甚至连“惯性”这个概念,都已经完全有悖于辞书和常人所理解的常识范畴的意义。

推论5:牛顿第一定律、即所谓的惯性定律,描述的根本就不是惯性(即自然)运动;虽说具有很好的实用性,却不具有真理性!该理论只能用于近似地描述“地面上”的运动,根本就不能用于描述“空间中”的运动。

当前存在于学界最严重的失误,就是依据牛顿的惯性定律,去品评、质疑、挑战、否定适用于描述离开“地面”而到“空间中”做自然运动的新理论。实际上只需要承认这两种理论各有自己适用的范围,就可以天下太平了。

3.2. 人们都说牛顿最伟大的成功之作,是所谓的万有引力定律;却不清楚该定律是建立在“错误的”假设基础上的一种“莫须有”的虚构。

全日制高级中学《物理》教课书(人民教育出版社2000年版)中,推导引力定律的第一假设是:

牛顿以用线系着让小球作圆运动时,由线提供向心力作为类比,假定(是假定!)行星绕太阳做匀速圆周运动,是以太阳的“引力”为向心力。

设行星质量为m,轨道半径为R,公转周期为T,可得如下关系式:

F(mg)=mRω2=4π2mR/T2.

现在我们已经非常清楚:

行星轨道运行属于自然运动,用线牵拉着小球转动属于受迫运动、即非自然运动,其实质完全不同;引力提供向心力的假定,纯粹属于臆想虚构。

在现实生活中经常会见到这样一种现象:水上的漂浮物总会围绕旋涡的中心作圆运动,旋涡中心并不存在任何特殊的物质,也没有用线牵拉漂浮物,这种运动中所谓的“向心力”究竟由何而来呢?

小结:以非自然运动为据作为类比,去推导完全属于自然运动范畴的规律,是不可取的;或者可以直接谓之曰“错误”。

实际上该式完全可以由将T=2π牛顿和爱因斯坦都没有错移项、平方、合并后乘以m得到。

这样一来就必然应该承认该式是对惠更斯圆运动公式的剽窃;值得庆幸的是,惠更斯的圆运动公式所描述的是自然运动的规律,这也就使得所谓的引力定律,具备了描述“空间中”物体自动落入圆球中心的客观基础—— 实际的动力之源则依旧来自于用g或R3/T2=K表述的空间结构。

第二步为了消去上式中的T2,将开普勒的成果T2=R3/K代入,得到

F(mg)=4π2Km/R2 .

在这一个式子中,作为动力学量的依旧是g=4π2K/R2应该没有异议。

下一步的代换可就有问题了:为了得到可度量的目的,需要将K去掉,牛顿即以假想的太阳质量M和一个常数G的乘积GM代换4π2K,得到

F=GMm/R2 .

正是这一步代换,使得该公式丢失了“用L、T表述的空间结构”是“动力学量”的客观机制,而在物理学理论中留下一个“质量对质量吸引”的怪圈;从而完全丧失了正确解读相对论的可能。

推论6:“空间中”的自然运动有两种形式:要么绕着球心做圆运动,遵从惠更斯的圆运动公式,要么运动的方向指向球心,遵从伽利略自由落体公式决定的规律;二者都跟“力和M”没有关系。

由于“空间中”的自然运动跟“力”根本就没有关系,牛顿关于太阳的引力为行星的轨道运行提供向心力的假定,就完全属于凭空臆想的范畴。

实际上牛顿所谓的“引力”,只不过是“空间中”的物体,由于受到“用L、T表述的空间结构”的作用,使得物体向球心聚集的可观测效应而已。

现在我们都已经非常清楚:牛顿所谓引力作用的效应,最远只能达到距地面200km的空间范围,空间实验室中的“失重”(即不存在重力作用),已经非常有力地对上述结论给出了证明。航天器在达到这样的高度后被称为“入轨”,就要关闭发动机靠“惯性”飞行,也非常明确地告诉我们:“空间中”所谓的惯性,跟牛顿第一定律的“惯性”,存在着天渊之别。

综上所述,并不难看出:天体的运动遵从的是自然规律,地上物体的运动却离不开“用人力……的必要性”;故而物理学对“运动”规律的表述,就必须分清自然运动非自然运动两个体系—— 相对论问世后学界出现的诸多困惑和悖论,根源就在于物理学的传统一直把这两种运动混为一谈。

当我们把物理学史上“一个挨一个地和一个跟一个”的发现“弄到一起”时,就又有了第二个发现:传统把近代物理学的肇始定在《自然哲学的数学原理》的发表、错了,真正描述自然规律的物理学,应该从开普勒算起。

进而我们提出物理学应该有“开放的宇宙物理学”、“封闭的地球物理学”之分,明确指出牛顿的力学体系属于后者,充其量只达到了准科学的水平。

1. 首先,对物理学史上“一个跟一个”重要人物的贡献,做一个极其简略的梳理,期望能够让后人对这两种理论发展的脉络有个清晰的了解。

围绕“运动”问题在物理学史上留下深深足迹的有:亚里士多德、哥白尼、开普勒、伽利略、惠更斯、牛顿、拉格朗日、哈密顿、庞加莱、爱因斯坦等人;关于天体地上物体之分的问题,可以追溯到亚里士多德和哥白尼。

亚里士多德认为“静止是绝对的”(即静者恒静),物体只有在受到“力或冲击”时才会运动—— 对于地上物体而言,千真万确就是这样的;如果要说这种理念属于经验知识的范畴,应该是没有异议的。

哥白尼的《天体运行论》揭示出“运动是绝对的”(即动者恒动),这种理念应该属于理性知识的范畴,已经完全实现了“对经验”的超越—— 即使是在文明如此昌盛的今天,如果用亚里士多德的说法做一次随机调查,承认其正确的依旧会占多数,其中肯定还会有一些科学家,应该是没有问题的。

沿着哥白尼的道路走、并且卓有成效的,有开普勒、伽利略、惠更斯三人,他们不仅成功地用公式描述了“空间中”物体做自然运动的规律,同时还揭示出所有自然运动的“第一推动”,均来自于“用L、T表述的空间结构”。

但是,人类最迫切的需求,却是如何定量解决地上物体运动的问题。

有了上述三个人揭示出的描述自然运动规律的公式,应用这些公式解决经验中的运动学问题,即成为可能;牛顿力学就应运而生了。

地上物体的惯性是“静者恒静”,也就是亚里士多德所谓的“静止是绝对的”;究竟应该如何让地上物体实现“动者恒动”呢?

牛顿想出一个绝招,创立了被称为牛顿第一定律的“惯性定律”:

即以“受平衡力”作用、做匀速直线运动的假设条件为前提,在“动者恒动”和“静者恒静”之间划上一个等号(匀速直线运动和静止等价)。

在物理学史上,实际情况是从牛顿开始,本来应该是揭示自然规律的物理学,却走上了描述非自然运动的歧路—— 迄今为止,还没有人明确指出过物理学理论中存在着这样一个陷阱;为了对物理学史“正本清源”,我们不得不提出更改物理学史的起点、把开普勒三定律作为肇始的主张。

2. 通过〔1〕中的讨论,我们得出“力和质量M跟自然运动不存在关系”的结论,肯定不会被学界轻易认同;但是,客观实际千真万确就是这样的。

现在先来讨论“力”这个概念。

恩格斯在《自然辩证法》中早就指出:“把纯主观的关于的概念,塞到一个已经确定是离开我们的主观而独立的,从而是完全客观的自然规律中去,这无论如何是一种奇怪的‘客观化’方法”(黑体字为原文中所有)。

黑格尔更为尖锐地批评说:“说磁石有灵魂(如泰勒斯所说的),比起说它有吸引力更好些;力是一种性质,性质是可以和物质分离的,可以想象为一种述语;而灵魂则是磁石的这种运动,是和物质本性等同的”。

怀特海的话尤其一针见血:“牛顿所谓的力,不管表现为何种数学公式,都不过是上帝施予的外加条件而已”。

牛顿自己也曾经宣称:“我不得不把我们这系统的结构归之于一个全智的主宰”;“我们必得承认有一个上帝”。

我们的结论是:牛顿力学体系中所谓的“力”,实际上指的是用lt-2表示的物理量作用于M、所展示出的效应。因为在经典物理学体系中,关于“力”的名称不管有多少种,不把它换算成lt-2(即a)就没有办法代入方程计算。针对lt-2和M的关系,前者是作用量、后者是被作用量,是不应该有异议的。

更何况,经过后来许多人的努力,尤其是在18世纪末,“拉格朗日和哈密顿的工作使力学彻底摆脱了对几何学的依赖成为完全分析的形式,并且以能量取代力的概念体系”(董光璧:《世界物理学史》);最终完成了以两个“定理”、两个“守恒律”彻底替代牛顿力学的工作(如〔2〕中讨论的)。

但是,由于物理学的传统是以牛顿范式为典范,学界又一直把牛顿尊为近代物理学的鼻祖;即使是发现了问题的症结之所在,也只敢使用“避免直接用牛顿第二定律的困难,简化解题的步骤”来提醒学生,并没有人敢于直接提出“放弃牛顿力学”的主张。

至此,我们不得不发出从根本上修改物理学教材的倡吁:

真正的描述自然运动(即动者恒动)之规律的物理学,应该是沿着开普勒、伽利略、惠更斯、爱因斯坦、庞加莱等人的贡献这一条线发展的;对于地上物体之运动的描述,只需要使用惠更斯的动量守恒定律,由伽利略的自由落体公式变形而来的机械能守恒定律、动量定理、动能定理就尽够了。

在未来的物理学教材中,对于牛顿力学,只需要在适当的地方做一些简要的介绍就行;不应该像现在这样以牛顿的学说为主线向子孙们灌输。

如果我们把表述整体自然规律的理论比作“空间实验室”,牛顿的学说就好像能够把“空间实验室”送入太空的火箭;然而,在“空间实验室”入轨后,火箭就必然被废弃。牛顿力学起到的仅仅是这种“火箭”的作用。

3. 物理学的任务有二:一是用数学定量描述自然规律,一是阐明其作用机制。对于这第二项任务,经典物理学根本就没有尝试着回答;现在虽然不少人都说“时空成为动力学的量”,也还缺乏能够取得“共识”的基础。

本文提出一个“用L、T表述的空间结构”是“第一推动者”的命题,依据是从开普勒的R3/T2=K、伽利略和惠更斯的g,都是可以导致物体做自然运动的主动因;到牛顿的lt-2,同样是使物体做非自然运动的作用量;进而还阐明了广义相对论场方程左、右两端单一而确定的因果关系。但是,也并没有能够揭示出“空间”推动“物体”做自然运动的物理学机制。

2006年庞加莱猜想被完全证明,即为上述观点提供了必要的数学支持。

庞加莱在100多年前曾经提出:

任何一个封闭的三维空间,只要它里面所有的封闭曲线都可以收缩成一点,这个空间就一定是一个三维圆球。

结合航天实践和环绕速度、脱离速度等数据,并不难计算出相对于包裹地球的“三维圆球”而言,在距地面不超过2×105m、即相对于地球的球心不超过6.6×106m的范围内,属于“封闭的三维空间”(即所谓的三维弯曲空间);在距球心6.6×106m~1.39×107m的范围内,任何一个航天器都必将在圆形或椭圆轨道上做自然运动,这种空间就属于渐近闵氏空间—— 伽利略的公式适用于三维弯曲空间,惠更斯的公式适用于渐近闵氏空间。

原来“用L、T表述的空间结构”是“第一推动者”的物理学机制,跟流体的漩涡总会让漂浮物“打旋儿”,或者是被吸入中心的作用机制并无二致。

牛顿所谓的引力,实际上是三维弯曲空间使得物体向“三维圆球”中心“集聚”的直观效应。其“第一推动者”就是“用L、T表述空间结构”的g

小结:传统关于“引力场的作用可达无穷远”的说法是错的;航天器上的“失重”事实,更加有力地证明了这种说法是荒谬的。

如果要问引力理论应用于对太阳系行星轨道的计算为什么那么有用?回答是:这个定律是通过对惠更斯的圆运动公式、开普勒第三定律的变形导出来的,而这两个定律所描述的正好是“空间中”物体做自然运动的规律。

推论7:所谓的“引力定律”本身属于自然规律的范畴;错误仅在于把作用的方向搞反了—— 实际的作用机制是三维弯曲空间使物体向“三维圆球”中心集聚,牛顿却把它说成是因为受到中心大质量物体的吸引。

4. 对于“自然运动跟质量M无关”的结论,反对的人将会更多。

用于反驳的最强有力论据将会是:航天实践中的计算,根本就离不开对质量、尤其是对燃料质量的精确把握。

是的。实际操作的过程确实是如此—— 但是,空间实验室的配套建设,无论质量增加多少倍,其轨道都不会改变;开普勒第三定律揭示出的轨道运行跟行星质量无关,都为上述结论提供了坚实的基础。

究竟应该如何协调这一对“尖锐的矛盾”呢?

问题还应该从牛顿的引力定律说起—— 此前我们把引力定律说得一无是处:第一假设将自然运动、非自然运动混为一谈,错误地将空间中的“三维圆球”作用于质量M说成是“质量对质量吸引”,所谓引力的方向本来是从“三维圆球”的外围向球心“收缩”,却被说成是来自于“中心”的吸引。

实际上在所谓的引力定律中,由假设而导出的那个常数G,却是一个非常重要的物理量,已经是不争的事实。但是,G的物理意义究竟是什么,在传统的理论中依旧是一个谜。我们给出的回答是:

G的真实涵义,代表着1千克=6.53×10-10K(R3/T2的当量关系!

在“封闭的地球物理学”中,质量M是一个几乎任何地方都不可或缺的物理量;在“开放的宇宙物理学”中,R3/T2=K则是一个唯一决定自然运动之运行轨迹的物理量。要想让地面上物体到空间中去做自然运动,不应用MR3/T2=K的当量关系肯定是不行的;牛顿无意间假设-推导出来的这个当量关系式,在航天实践中就这样稀里糊涂地被我们用起来了。

讲得更直白一些就是,在应用动量守恒定律进行“变轨”时,燃料质量M和轨道R3/T2=K变化量之间,存在着确定的对应关系,就由G来决定。

航天器连同火箭的总质量只对发射过程有意义,因为这个过程发生在三维弯曲空间,必须遵从机械能守恒定律;“入轨”后M就完全没有意义了。

5. 最后,极其简单地勾勒出运动学(物理学一个分支)史发展的曲线。

5.1. 经验的:地面上物体-静者恒静。

亚里士多德曰:静止是绝对的,运动必须受到“力或冲击”的作用。

在“静止是绝对的、运动是相对的”理念基础上,产生了上帝创世说。

5.2. 超经验(=理性)的:空间中物体-动者恒动。

哥白尼的《天体运行论》:

“运动是绝对的、静止是相对的”—— 直接跟上帝创世说对立。

这是把许多天文观测的发现“弄到一起”从理性上得出的结论。

开普勒:行星运行第三定律R3/T2=K,轨道运行与行星的质量M无关。

这是把从第谷那里得到的许多人观测的结果“弄到一起”,得出的“用数学描述规律”的结论——开普勒是“第一位数学物理学家”。

伽利略:空间中物体的自然运动公式h= 牛顿和爱因斯坦都没有错 gt2(即R= 牛顿和爱因斯坦都没有错 gt2)。

惠更斯:圆周运动公式T=2π 牛顿和爱因斯坦都没有错 ;动量守恒定律公式mv=m1v1+m2v2

上述三个公式表述的,都是自然运动的规律;其中的“第一推动”皆来自于“用L、T表述的空间结构”,应该是没有异议的。

5.3. 回到经验的:让地上物体“运动”起来,必要条件是“用人力同天然作用相平衡”—— 描述的是非自然运动的规律。

5.3.1. 假设“受平衡力”作用,做“匀速直线”运动—— 在“动者恒动”和“静者恒静”之间划了一个等号。“惯性”这个概念的内涵被扭曲。

牛顿第一定律所谓的“惯性运动”,跟真正的“惯性运动”,存在着天壤之别,是导致观念混乱的根源之所在—— 牛顿的惯性定律离不开“用人力”。

5.3.2. 将依据自由落体公式确立的G=mg的单一方向,推广到任意方向,得出牛顿第二定律F=ma(实际上所谓“力”的作用者g或a,同样都是“用L、T表述的空间结构”)。

5.3.3. 依据T=2π牛顿和爱因斯坦都没有错 、R3/T2=K的多次变形,导出所谓的引力定律;其中以假想的太阳质量M和一个常数G的乘积GM代换4π2K,得到了最终的引力定律公式F=GMm/R2—— 然而,正是这一步,使得该式丢失了“用L、T表述的空间结构”是“动力学量”的物理机制,而在物理学理论中留下一个“质量对质量吸引”的怪圈。

牛顿把开普勒、伽利略、惠更斯三人的发现“弄到一起”,建立起一个以“力”为核心概念、可以用于解决经验问题的运动学理论体系。

5.4. 再次超经验:后来经过许多人持续的“接力”工作,到18世纪末,由拉格朗日、哈密顿明确提出“以能量取代力的概念体系”,进而完成了以动量定理Ft=mV、动能定理FS= 牛顿和爱因斯坦都没有错m(V22V12)和动量守恒定律m1V1+m2V2=m1V1+m2V2、机械能守恒定律牛顿和爱因斯坦都没有错mV22+mgh2= 牛顿和爱因斯坦都没有错 mV12+mgh1四个方程完全取代牛顿力学体系的工作——但是,迄今学界都还没有真正意识到这一取代的重要意义。

两个守恒定律,描述的是自然运动规律,其中绝对没有添加任何人为的因素。两个定理揭示出,可以通过“人为参与”的办法,来改变自然运动的状态和轨迹—— 正是这两个定理,为实现“飞天梦想”提供了必要的条件。

但是,要想飞出包裹地球的“三维圆球”(即三维弯曲空间),却还缺少一个非常必要的条件:直到19世纪末,物理学还被囚禁在欧氏几何学的牢笼之中,对于运动轨迹的描述,依旧坚信经典运动学对“位移”的定义是哲理—— 实际上建立在“位移”和“直线”基础上的经典运动学,对于我们的经验生活都不能适用;请不要忘记人类踩在脚下的是“球”而不是“平面”。

5.5. 非欧几何学的诞生,是人类离开地球必不可少的条件;爱因斯坦广义相对论的场方程,为人类提供了一个实现梦想的“天梯”。

S·霍金说:“这是爱因斯坦的伟大胜利。他的发现完全变革了我们思考空间和时间的方式。它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的,它们现在成为动力学的量”。

回顾开普勒第三定律,伽利略、惠更斯的两个公式,“用L、T表述的空间结构”本来就是“动力学的量”。在“理性”的范畴内,宇宙运动(空间中的动者恒动)的“第一推动者”千真万确就是g、gR、gμν 嘛!

从“理性”的角度考察,离开地球所有的运动轨迹都不是“直线”,空间中所有的自然运动,都是在椭圆(或正圆)轨道上做周期性循环。

必须“理性”地承认,飞行器在距地面200km之外、关闭发动机后的轨道运行,才是真正的“惯性运动”。

每一个天体都被包裹在一个“三维圆球”之中,其半径各不相同;除此之外全宇宙的所有空域都是相互连通的。

相互连通的空间中做自然运动,就只有度规理论才方便于进行计算。

有了上述这些“理性”的思想准备,才可以谈“飞天”这个话题。

5.5.1. 升空问题:使用机械能守恒定律即可以实现。

5.5.2. 变轨和调姿问题:使用动量守恒定律并不难完成。

当我们回首观瞻时,“飞天”和“遨游太空”,实际上只需要伽利略公式的变形和惠更斯的动量守恒定律就可以了。

惠更斯的两项成果:动量守恒定律和圆运动公式,已经为“遨游太空”准备下最基本的雏形理论模型。

爱因斯坦的主要贡献是:首先证明高速、长距离运动时,“位移”这个概念绝对不再适用;进而提供了一种非常便于轨道计算的“空间度规”模型—— 正是这两点,满足了人类离开“地面”到“空间中”遨游的必要条件。

物理学理论的发展,经历了经验~理性~再回到经验~重新提升到理性的几经反复;当前认识论上的“瓶颈”,就是尽快完成从经验向理性升华

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有