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梳理“错误”的来龙去脉(上)

(2012-03-09 05:24:07)
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文化

观念变革

物理学创新

物理宇宙图像

杂谈

简介:要“创造一个新的中国的体系”,首先就必须认准“中国的”和“西方的”有哪些本质差异。笔者在构建《中华科学物理宇宙图像》时,坚持了两个原则:一是“用能量取代力的概念体系”,二是对“大统一”思想反其道而行之,着重于“细分精析”。

第【1】节讨论“取代”问题;

【2】提出把物理学研究对象分为宇观、宏观、微观三个世界的必要性;

【3】讲述在《中华科学物理宇宙图像》中,通过对几个不同层次的区分,使得整体的物理学理论豁然明朗起来;

【4】指出严格区分牛顿范式物理学与非牛顿范式物理学的必要性;笔者仅仅跨出区分牛与非牛这一步,就不仅轻而易举地可以揭示出多普勒效应的物理学机制,阐明了狭义相对论性效应的实质,同时还发现了历史上对能量的认知已经出现过两次超越;

【5】依据多年来我的正确观点不能被科学家们接受的经历,“反躬自省”的结果,让我不得不换一种论证角度,把爱因斯坦留下的3个公式放到一起去对比、甄别;这样一来不仅彻底封住了主流科学家的嘴巴,更为重要的是,还发现了存在于高中《物理》教科书中、从西方文化“娘胎里”带来的先天缺陷,及高校的“物理”讲义中对如何阐释相对论的问题,同样存在着错误。从而不得不发出“救救孩子们”的呼声;

【6】详尽地阐述了由于在物理学理论中把牛与非牛混为一谈,传统一直以牛顿范式为典范,对“振动能”缺乏全面深入的理解,最终酿成了当代物理学理论中的“错误多多”。要“救救孩子们”,就必须从最基础的物理学理论入手,精雕细琢地去剖析错误、指明出路。

这一节用了较大的篇幅,讨论对高中《物理》教科书中“振动能”部分如何修改和补充的问题。实际上只需要对这一部分教材做几点修改,现代物理学理论中最起码有3、5个长达百年的困惑和悖论,就都可以得以冰释。

所采用最有效的方法还是“”:

首先,振动有存在倔强系数k的受制振动,不存在倔强系数k的自由振动之分;仅此一分,就可以矫正所有的振动都存在“固有频率”的偏颇理念;

其二,振源有“动、静”之分,只需要讲明这一点,多普勒效应的物理机制,即可以不讲自明;

其三,从产生振动的机制而言,又必须有人为振动和自然振动之分。

在明确了单摆属于自然振动之后,就可以非常清楚地认识到,根本就不存在“恒定的周期”—— 相对论带来的同时性问题,伽利略和洛伦兹变换的对错问题,马上就都可以烟消云散。

围绕相对论争议的焦点就在“时间”,跟时间搅在一起说不清道不明的还存在一个“钟”;在确立了所有的钟根本就不存在“恒定的周期”,即任何一个钟都没有“固有周期”的理念之后,围绕相对论带来的“同时性”问题之真象,亦可以顷刻间大白于天下。

对科学理论的正误具有“判决”意义的是实验,笔者之所以敢于这样讲,是有实验依据的;而且,这个实验,又是任何一个人,随意在什么地方、什么时候,都可以自己去重复的。

 

 

梳理“错误”的来龙去脉(上)

 

 

希望中国学者的名字和第六次科技革命一起载入史册,在新科技革命当中,创造一个新的中国的体系。

—— 中科院院长白春礼

 

 

中国学界等待科技界高层人士这样说,确实等得太久了;在我使用四个图标、七条线、十多个符号,把物理学的全部内容装入一页纸中,取名为《中华科学物理宇宙图像》的10周年到来之际,终于听到我国科学的“掌门人”,发出了让中国人无不振奋的召唤。

—— 引自:中国人等候太久的召唤

 

考虑到这些,我开始相信:那些抛弃从吃奶时就被灌输的并为大多数人所信仰的见解,转而接受一种被所有学派排斥的并只有少数人相信的见解的人,他们即使不是被迫承认,也必然是被有力的论据所打动。

—— 伽利略

 

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)。

—— 恩格斯

 

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。

—— 怀特海

 

“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”。

—— 牛顿

 

“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”。

—— 黑格尔的警示(引自《自然辩证法》)

 

“应用机械能守恒解题,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解题的困难”。

                          —— 高中《物理》(2000年版)

 

 

 

梳理“错误”的来龙去脉(上)

 

 

 

【1】. 要“创造一个新的中国的体系”,这个体系跟西方的体系就肯定存在着本质差异,应该是不争的事实。文章开头引用了五段关于“力”的语录,就是为了能够证明物理学以“力”为核心概念的传统,早已受到许多有真知灼见学者的质疑;笔者认为“新的中国的体系”首先就应该抛弃“力”字,围绕“能量”这个概念对西方科学的重要成果进行重新梳理与整合。

笔者绝对不是因为脑子一时“发烧”,贸然提出如此主张。请看——

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为力学在物理学中的广泛应用开辟了道路”(1)—— 但是,200年前不仅错过了“以能量取代力的概念体系”的一个绝好机会,反而又为“力学在物理学中的广泛应用开辟了道路”——直接原因是牛顿周围不应有的光环迷住了历代物理学家的眼睛,更为重要的是哲学没有为物理学提供一个物质~空间系统论的自然观。

中国学者不仅早已觉察到这个问题,而且在高中《物理》教科书中居然提出“应用机械能守恒解题……可以避免直接用牛顿第二定律解题的困难”,已经迈出了可喜的第一步;可惜的是其“观念变革”还不够彻底。

笔者在“对牛顿力学体系的超越”一文中,已经明确指出:当今解决、处理现实生活中的运动学问题,只需要应用动量守恒定律、机械能守恒定律,动量定理、动能定理4个公式就完全可以,根本就不需要再使用牛顿定律。

本文不计划讨论跟牛顿力学相关的内容,顺便提一下就一笔带过,以后将会专门撰文阐述。这里只讨论跟《论动体的电动力学》相关的问题。

 

【2】. 细翻一下近400年的物理学史,就会发现一种怪现象:

对于物理学研究的对象,总是“分而再分”;而对于物理学的理论,则是“合而又合” —— 最早是把牛顿范式和非牛顿范式混为一谈,直到20世纪中期之后,又突发奇想追求建立可以适用于所有领域的“大统一”理论。

为了能够尽快让物理学走出困境,笔者多次呼吁需要定义三个概念:

宇观世界:指宇宙学和天文学研究的对象。

长度单位使用天文学单位1.496×1011m(等于地球到太阳的距离)或大尺度单位9.5×1015m(即光年)。

宏观世界:指现实生活涉及到的经验世界。

长度主单位使用m,大单位用km,小单位用mm。经典物理学就适用于这一领域。

微观世界:指量子理论研究的粒子世界。

长度单位使用纳米10-9m或埃10-10m。

试想:宇观和微观所使用的长度单位相差20多个数量级,怎么可能使用“大统一”的几个相同的确定方程予以完全描述呢?

当代著名物理学家惠勒指出:

“我们常说,物理学中最大的问题是协调量子论和相对论。我现在更鲜明地说:相对论和量子论根本不能协调,除非在这样一种框架中,即在其中没有这两者,没有定律,并且更重要的是‘没有时间’”(2)。

笔者敢于肯定地说:惠勒的说法没错儿。

只需要在“相对论”前加上“广义”两个字就完全正确了。

基于此,笔者在构建“物理宇宙图像”时,就采用了“对理论进行细分”的“逆向思维模式”反其道而行之,最终取得了意想不到的效果。

 

【3】. 构建“物理宇宙图像”的前提是中西文化大融合;实际上只用了华夏先民总结出的“阴阳互补有无相生体用不二”12个字的认知理念,其余的基本上都是西方科学的重要成果,甚至连所使用的概念都还是传统物理学理论中原有的,仅仅对它的外延和内涵做了一些必要的修改或补充。

基本思路是“”而不是“合”。

首先把物理客体分为用质量M计量的Z系统和用能量ε计量的N系统;中间那一点辐射出的三条虚线,揭示出微观的基本存在只有用质量M计量的粒子、用电量q计量的电荷、用能量ε计量的量子三种;进而确认了能量也只有跟M相关的机械能、跟q相关的电磁能、跟辐射相关的辐射能ε三类。

尤其明显的是,左边那一条斜线所涉及的内容,对应于牛顿范式物理学和广义相对论;右边那一个封闭的三角形所涉及的内容,对应于非牛顿范式物理学和量子论、狭义相对论—— 斜线包括的牛顿范式的物理客体,用量纲式中的M计量,用M、L、T组成的方程表述规律;三角形包含的非牛顿范式物理学,用q、ε予以计量,基本上就不使用量纲式中的M这个物理量。

小结:牛顿范式和非牛顿范式物理学,所遵从的规律不完全相同,本来就应该是天经地义的嘛!

传统的物理学完全以牛顿范式为典范的做法,就很值得商榷。

“引力场是用广义相对论说明的,而其它三种场则属于量子理论领域”(3)—— 现代物理学的结论,跟上述剖析完全一致。

 

【4】. “物理学本来就有牛顿范式非牛顿范式之分,围绕所谓‘相对论’出现的诸多困惑和悖论,根源就在于将这两种范式混为一谈。

牛顿范式物理学研究的是‘能被看到和摸到的感官知觉的对象’(爱因斯坦语),依据‘力’可以改变物体运动状态的原理,去描述物体运动的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是由热、光、电、磁作用所导致现象的规律—— 现在已经非常清楚,后者所研究的对象都跟辐射能ε直接相关。

如果立足于两种范式所研究的‘能量不同’去考察,就不难发现:

牛顿范式物理学所描述的是物体自身的能量在相互转移时所遵从的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是物体放出的能量,在介质中以振动波形式传递时的规律—— 物体自身的能量~物体放出的能量,二者存在本质差异应该很正常,也就决定着不会遵从完全相同的规律。

在牛顿力学中,能量转移都是由两个物体通过碰撞实现的,遵从动量守恒定律;而转化则指物体自身的动能与静能(即势能)的相互变化。

多普勒原理所描述的,已经是对牛顿范式物理学的超越,迄今学术界都没有意识到这一点;因为声能就是由物体放出的(不是具有的)能量、转化为振动能凭借分子的碰撞在传递。该原理的物理学机制是:

运动物体自身的动能,对由它放出的、以振动形式在介质中传递的声能,在振动频率上一定有所附加;因为速度是个矢量,这种附加自然就会有正、负之分,具体表现为在频率上有增大或减小之别。

据此可知,《论动体的电动力学》揭示出的则是:

光能从物体中放出时,不但完全遵从多普勒原理,而且在与速度相垂直的方向上,同样又会出现附加—— 因为声波是纵波,而光波却是横波”(4)。

笔者讨论围绕《论动体的电动力学》存在的问题时,完全抛弃了“”的概念,从“能量不同”的角度去剖析和阐述,不但收到了很好的效果,还发现了对于“能量”的认知,历史上已经出现过一次超越;但是就因为没有能够区分牛顿范式和非牛顿范式之不同,一百七、八十年过去了,对多普勒效应的物理学机制,依旧是茫无所知。沿着这条思路只向前又跨出半步,对于横向多普勒频移的物理学机制,也就非常轻松地给出了答案。

从牛顿范式自身的能量通过碰撞转移;到发声体放出的能量转化为振动能传递时,发声体的动能在振动频率上就会有所附加(即多普勒原理的物理机制),已经实现了第一次对经典观念的超越,但是迄今理论界还没有人明确指出过这个问题;再到物体放出光能(即横波)时,物体的动能在垂直于速度的方向上,对频率又会有所附加,这就又实现了第二次的超越—— 物理学从描述物体自身的动能,到由它放出的振动能;再到由纵波变为横波,规律不尽相同本来就很正常嘛。

但是,由于人们的认知理念一直“以牛顿力学为典范”,就导致了学界在一百多年间不能正确理解和对待《论动体的电动力学》—— 物理学不注重严格区分“能量”之不同的传统,即是产生观念混乱的最根本原因。

 

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