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物理学观念变革的要点(上)

(2012-03-18 05:19:44)
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文化

观念变革

物理学创新

实体概念

属性概念

自然观

杂谈

简介:在对自然哲学和物理学做了必要的区分之后,科学理论中的误区就比较容易厘清了,5个中的4个基本上都属于哲学的范畴,唯有最后一个才属于物理学的范畴。其中最严重的是将属于哲学范畴的实体概念(物质、空间)和物理学概念(M、L、T)混为一谈;笔者仅仅从区分这两种概念入手,很容易就发现构成宇宙整体的有用M度量的“物体”和用L、T度量的“空间”,据此确立了Z、N两系统结构论的《中华科学物理宇宙图像》模型。

要“创造一个新的中国的体系”,唯一可行的方法就是“旧瓶装新酒”,即依据西方科学理论的基本架构为基础,作出一些具有本质差异的必要修正和补充,其中最关键的当属于“概念”问题。

对于“最可能带来根本性突破的理论创新,应该是在旧有理论的框架之外独立地提出某种全新的概念”,这种观点愚以为并不可取;实际可行的办法则应该是,对大家耳熟能详的那些原有概念,从“内涵”和“外延”两个方面略加修改和完善,除非特别必要,不要增添最基本的物理学新概念;尤其是应该对哲学和物理学的概念,必须极其严格地做出区分;当然,摈弃掉极少数常用的物理学概念,自然也是不可少的。

笔者仅仅从严格区分5个概念切入,就收到了非常有效的可嘉效果。

进一步还发现,牛顿引入那个对运动学非常有效的概念“质点”,就非摈弃不可;取代它的是现代物理学中已经得以通用的“物理事件”,即把每一项具体的“运动”,都叫做一个“物理事件”,实际上这也很好接受。

据此一改,我们就可以说:任何一个“物理事件”都包含3个要素:一是参与物理过程的“”用量纲式中的M计量;二是事件所涉及范围的大小(即广延性)用用量纲式中的L计量;三是事件所经历过程的长短(即持续性)用用量纲式中的T计量—— 物理学量纲式中的三个主单位M、L、T,所指代的就分别是用于度量“物理事件”的“质”、及其广延性和持续性的标尺。

那些追问质量、空间、时间“是什么”的提问方式,根本就不属于物理学的范畴;有必要去回答这些问题的,也只能是哲学家。

这篇文章只讨论了如下两方面内容:

1. 物质和空间是两个哲学概念;认定宇宙是由用M度量的物质和用L、T度量的空间构成的巨系统。这两个概念并不具有真正的物理学意义。

2. 由于物理学是以度量为基础的学科,量纲式中的M、L、T就都是用于度量的“标尺”,分别用于对参与物理事件的“质”,及其广延性和持续性予以计量。根本就不应该将它们跟哲学概念混为一谈,用“是什么”予以提问;物理学家所关注的,只能是以什么为“单位”、用什么仪器度量的问题。

 

 

 

 

物理学观念变革的要点(上)

 

 

摘要:从哲学角度考察,研究自然现象、描述自然规律的物理学,必须摈弃传统的实体物质一元论的自然观,接受物质~空间系统论的自然观;恩格斯在《自然辩证法》中写道:“存在的不是质,而只是具有质并且有无限多的质的物体”——物质、空间和宇宙,是指代“体”的类概念,物理学量纲式中的M、T、L是用于计量“质”的“类空”概念,传统理论中将二者混为一谈的陋习,是引出诸多观念混乱的总根源。

依据物质~空间系统论的自然观,物质的“”用以kg为单位的M予以计量,空间的“”分别用以s、m为单位的L和T予以计量;物质和空间的“物理性质”分别用M及用L、T的函数予以表述;物理学理论中只使用L、T而不出现M的方程,所描述的都是存在于空间中的自然规律—— 自然界所有的自然运动,无不是由之作用于M而引起物体的动能与静能(传统谓之势能)相互转化的过程。

物理学量纲式中的M、L、T,分别用于表述物质、空间的三种“质”,如果将国际单位制电磁学量跟电磁学的高斯制单位相比较,很容易就可以发现长度L和时间T是比质量M更基本的物理量。以此为出发点进行考察的结果,发现量纲式中的M对宇观世界而言并不具有物理学意义;在微观领域内相对于1MeV而言,M竟然与之存在两种当量关系;对牛顿力学而言,M居然成了一个变量—— 仅仅改变一下自然观,区分清楚实体概念和属性概念,不再把自然运动和非自然运动混为一谈,不确定关系就可以得到圆满的解释,所谓“光速”C的实质,亦可以被我们看得十分清楚。

在确立了“时间T和空间不对等”的观念,严格区分自然运动和非自然运动之后,经典运动学中存在的诸多困惑就都可以得到冰释;只需要承认“光(即辐射能ε)和粒子不对等”、传统所谓的量子ε实际上只是被普朗克称为“基本作用量子h”所传递的一种能量,就很容易发现自然界所存在最小的微粒只有粒子、电荷和量子三种。

以此为出发点,不仅很容易就可以阐明辐射能ε为什么总是一份一份的,同时还可以对光的自发辐射给出合理而自洽的解释。

关键词:自然观,实体概念,属性概念,自然运动,非自然运动,物质~空间系统论,空间的结构,不确定关系,自发辐射,所谓的光速C

 

物理学是以度量为基础、用数学描述自然规律为手段的一门学科。

传统都说物理学又叫自然哲学,实际上这种说法并不恰当;自从牛顿“用数学原理取代思辨原理”之后,物理学就已经跟自然哲学分道扬镳了。

霍金既承认19~20世纪的科学,过分“数学化和技术性”使得人人都对它望而却步,却又埋怨哲学家跟不上科学理论的进步,是没有道理的。

但是,物理学由自然哲学发展而来,自然哲学没有能够为物理学提供坚实的基础,却是真的。集中表现在自然观错误和概念混乱两个方面。

1. 自然观:指的是人类对大自然的最基本看法。

西方哲学把所有的客观存在统称为“物质”,这种自然观被叫做“唯物论”;20世纪物理学的诸多成果都在证明,未来科学必须用物质~空间系统论的自然观取代实体物质一元论。

1.1. 海森堡说:“希腊自然哲学的出发点是丰富多彩的现象能藉以得到解释的本原问题。不管我们可能感到多么不可思议……包含着三项在随后的发展中日益变得重要的基本要求:第一,必须寻求这样一个统一的本源;第二,这个答案必须只用理性来给出,也就是说不涉及到神话;第三,也是最后的要求,在这一范围内,世界的物质方面必须起决定性的作用”(1-P69)。

本文就把这种哲学自然观叫做“实体物质一元论”—— 也就是说,“物质”是用来指代自然界所有基本存在的唯一的概念。

1.2. 爱因斯坦说:“人们曾设想,不依赖于主观认识的‘物理实在’是由空时(为一方)以及与空时作相对运动的永远存在的质点(为另一方)所构成(至少在原则上是这样)。这个关于空时独立存在的观点,可以用这种断然的说法来表达:如果物质消失了,空时本身(作为表演物理事件的一种舞台)仍将依然存在”(2-P115)。

本文就把这种哲学自然观叫做“物质~空间系统论”的自然观—— 也就是说,承认宇宙是由物质空间两个系统构成的有机整体。

1.3. 定义:

宇宙(指universe而不是cosmos)是由物质空间构成的巨系统。

边界条件是:宇宙之外再也没有任何基本存在。

物质:指用量纲式中M计量的、可以被分隔成独立个体的基本存在;

空间:指宇宙中除物质之外,用量纲式中L、T计量的所有空域。

1.4. 华夏先民则说:

 “形而上者谓之道,形而下者谓之器”;“天下万物生于有,有生于无”—— 或者干脆说:“散则为气,聚则成形”;称有形者为,无形者为

20世纪物理学的成果揭示出:只有中华传统的两系统结构论,才真正适宜于描述宇宙大自然这个自组织巨系统的客观实际—— 物理学就应该建立在两系统机构论自然观的基础之上。

 比如“当我们企图把牛顿经典理论应用于原子时,它失灵了;这时需要一个新理论(即量子理论)”(3)。

巴里·派克写在《爱因斯坦的梦》中的这句话,还隐含一层意思:

将量子理论应用于牛顿的质点时,同样也要失灵。

故而可以得出:牛顿范式将客观实在抽象为质点,用量纲式中的M计量;量子理论将研究对象称为量子,用辐射能ε予以计量—— 二者很显然不能被抽象概括为同一范畴,用物质这一个概念予以称谓就肯定是不恰当的。

1.5. 结论:

物理学必须建立在物质~空间系统论自然观的基础上,才有望冲破传统的藩篱,步入“柳暗花明又一村”的全新境界。

 

2. 严格区分实体概念属性概念

2.1. 恩格斯在《自然辩证法》中写道:

“存在的不是质,而只是具有质并且有无限多的质的物体”(4)。

怀特海也曾经指出:

“亚里士多德关于称谓和关于基本实体的学说,就发展而为实体的诸属性相互联系而基本实体之间却相互分离的学说了。所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”(1)。

2.2.

爱因斯坦说:

“古代的几何学家所研究的是概念上的东西(直线、点、面),并没有真正研究到空间本身”;“‘物质’已失去作为基本概念的地位”(2)。

“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体(其中重要的特例是‘固体’)的概念接收过来,加以修正,使之更加确切”(2)。

“目前物理思想的特点,和整个自然科学思想的特点一样,是在原则上力求完全用‘类空’概念来说明问题,力求借助于这些概念来表述一切具有定律形式的关系……完全用‘类空’概念来理解一切关系在原则上是可能的(因为‘物质’已失去了作为基本概念的地位)”(2)。

2.3. 为了彻底消除“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的困惑,对科学和哲学交叉使用最频繁的物质、空间、质量、长度和时间五个基本概念,认真剖析、甄别的结果,发现它们之间的逻辑关系是:

实体概念:物质     空间    (属哲学范畴表述共性的抽象的类概念)

          ↓    ↙   

属性概念:质量  时间    长度 (属科学范畴计量个性的基本物理量)

表述共性的类概念只有称谓作用,仅用于指称基本存在本身

自然科学理论中使用的“物质”和“空间”,并不具有任何物理学意义,只具有泛指物理客体的作用。试想:你能够回答“水果是什么滋味吗”?

据此可知:物理学根本就不研究物质和空间“本身”。

表示个性的物理量,属于可以由任何人重复测定、并且具有确定计量单位的属性概念,而不用于指称任何实际“存在”的东西。

实际存在的“东西”,在中国传统文化中被称为“”,在西方文化中应该叫做“物体”;但是在传统的物理学理论中却错误地称其为“物质”。

2.4. 恩格斯还指出:

“一切认识都是感性上的测度,这正是黑格尔所说的困难:我们当然能吃樱桃和李子,但是不能吃水果,因为还没有人吃过抽象的水果”。

由于“实物、物质无非是各种实物的总和”,“运动无非是一切可以从感觉上感知的运动形式的总和;象‘物质’和‘运动’这样的名词无非是简称,我们就用这种简称,把许多不同的、可以从感觉上感知的事物,依照其共同的属性把握住”。

于是就出现了“我们先用我们的头脑从现实世界作出抽象,然后却不能[正确](笔者添加的两个字)认识我们自己作出的这些抽象”(4),而把它当成真实存在的东西。

物理学理论中存在的最重要问题,就在于“不能认识我们自己作出的这些抽象”,而是把前人“抽象”出来的“类概念”,当做具体存在着的“物体”,从而把它跟描述物体之“”的、被爱因斯坦称为“类空”概念混为一谈。

2.5. 进一步考察还可以发现:

2.5.1. 量纲式中的L、T 和 M,分别是表述空间和物质最基本属性(即)的物理量;量纲式中的L、T(即)跟空间(即)的关系,与M(即)跟物质(即)的关系完全相同。绝不应该将L、T、M 跟空间、物质两个实体概念混同—— 传统理论中的诸多困惑和悖论,问题的根源大多数都在于此。

只有那些表示基本属性(即质)的物理量,诸如 L、T、M、q、ε等,才具有物理学意义;故而在物理学理论中,应该尽可能少用、或者干脆不用物质、空间之类的哲学术语—— 爱因斯坦关于它们“已经失去作为基本概念的地位”之说法,指的就是在物理学理论中二者已经不再具有实用价值。

在中国1千多年前的唐朝,崔憬就提出“体用不二”的命题,跟恩格斯的“体、质”两分法基本相同;然而,其思想内涵却更丰富、明快得多。

华夏先民面对呈现在眼前的万象,所关注的是“用”而不是“体”,而体和用却又根本就无法被分开;故而才会有“体用不二”的观念。

金刚石和石墨的“体”都是单质的碳,金刚石则用它最“硬”的“质”,而石墨却用它最“软”的“质”——“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的问题,根源就在于将“(即)”混为一谈。

2.5.2. 时间T(即质)和空间(即体)属于不对等的关系,传统将实体概念“空间”和属性概念“时间T”并称“空时”或“时空”使用的陋习,即是引起观念混乱的一个非常重要的原因。

两千多年前华夏先民公孙龙就留下一个“白马非马”的命题,真不知道曾经难倒过多少才智非凡之士—— 只要能够悟出其中所包含的深刻哲理,就不难弄懂“空时”或“时空”之类说法中所包含的错误。

为了能够定量描述自然规律,物理学理论中将质量M、长度L和时间T定为量纲式中最基本的物理量,使得用“实体的诸属性相互联系”的关系进行定量表述得以实现,为自然科学的蓬勃发展奠定了可靠的基础。

但是,物质、空间这两个被“抽象”出来的哲学概念,却并不能用于指代参与物理过程的具体的物理“客体”,故而才会有关于“基本实体之间却相互分离”这种非常正确的说法。

2.6. 定义

质量,是用于计量物体可以用kg做单位予以度量的、“”的多少的基本物理量,属于一类“基本存在”共同具有的“”,被记为M

时间,是用于计量空间中任意一点能够用s做单位予以度量的、“”的长短的基本物理量,是一个跟空间的弯曲程度相关的量,被记为T

长度,是用于计量空间中任意两点之间能够用m做单位予以度量的、“”的大小的基本物理量,跟空间是平直还是弯曲相关,被记为L

至此我们给出的6个定义,前三个是适用于哲学的抽象的概念,指的是三个不同系统的“”;后三个是适用于科学的、指谓“体”之可以为“”的“”的“类空”概念,都有具体的度量单位:千克kg、秒s、米m。

为了避免物理学概念和哲学概念的混淆可能带来的歧义,在未来的物理学理论中应该完全采用符号表示法,使用Z(质量)系统、N(能量)系统、M、T、L替代物质、空间、质量、时间、长度五个概念。

从可以“度量”的角度考察,在经典物理学中L用于度量欧氏几何的直线距离,在相对论和量子论中L用于度量非欧几何的弧线长度

物理学量纲式中的T、L、M,都是用于计量客观存在最基本“”的属性概念。物理学理论中用L、T的函数表述的物理量(比如g、gR、gμν等),均用于指谓空间中一种“实体”结构的“”;而只使用L、T而不出现M的“数学图像”(海森堡语),均用于表述存在于空间中的一种自然规律。

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