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物理学观念变革的要点(中)

(2012-03-19 06:27:20)
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文化

观念变革

物理学创新

三维圆球

杂谈

简介:从哲学的角度承认空间是跟物质同时并存的一类基本存在并不难,难就难在如何从物理学的角度认识和应用它。当我们认真梳理了400年来诸多物理学家“一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识”成果,并且“把所有这一切弄到一起”进行整合之后,很容易就发现了从宏观角度考察,空间是“有结构”的;从微观角度考察,“不空的空间”中存在着呈连续态的基本作用量子h(传统叫做普朗克恒量),这一节只讨论前者。

空间中存在着“用L、T的函数表述的三维圆球”型结构,从开普勒第三定律中的R~3/T~2=K,到广义相对论场方程使用球度规张量,再到庞加莱猜想被完全证明—— 如果不是把前后3、4百年间“所有这一切弄到一起”,笔者绝对不敢如此肯定地说空间中存在着球结构。但是,科学只相信“眼见为实”的实验结果,这一点笔者心里也并非不清楚。

为了百分之百地做到无懈可击,就不得不又举出科学家利用哈勃定律通过谱线红移测定数万个星系的距离,对星系在宇宙空间中三维分布的分析结果表明:“星系像是集中在一堆肥皂泡的泡壁上,壁上星系密度为平均值的5倍,而泡内密度则为平均值的五分之一(称为“空洞”)”。通过现代化的精密仪器观测到的“肥皂泡”,总应该算是“能被看到的感官知觉的”“球”吧。

围绕“空间”存在的第二个问题是:

相对论带来的“时空成为动力学的量”,实在太匪夷所思了。

问题就出在把哲学概念和物理学概念混为一谈:传统认为“空间就是L、L就是空间”,即是产生观念混乱的总根源。实际上只需要把“时空成为动力学的量”改为“用L、T表述的空间结构,即是能够让M的载体做自然运动的推动者”,相对论带来的观念变革很容易就可以被接受;因为即使是在经典的物理学理论中,g和a本来就是可以使得M的载体产生“加速度”的动力之源嘛—— 经典物理学和相对论对“空间”的认知,根本就没有什么不同。只需要不再把哲学概念物质、空间和时间,跟物理量M、L和T混为一谈,“用L、T表述的空间结构”成为动力学的量,不是就很容易接受吗?!

在《中华科学物理宇宙图像》中,对于”宇宙”的回答笔者曾经给出——

推论一  宇宙是由Z系统(具备有形、能被感官直接感知、用量纲式中的M度量之特点)和N系统(具备无形、不能被感官直接感知、用量纲式中的L、T度量之特点)组合而成的巨系统。

二者呈被包容和包容关系,前者传统谓之物质,由之构成现实世界;后者传统称为空间,即是宇宙背景。物理学必须持物质~空间系统论的自然观。

物质空间都是物理学理论中误用的哲学概念,必须彻底予以废弃。所有的物理量均为属性概念,物理学根本就不研究物质和空间本身。

2006年庞加莱猜想被证明之后,又在推论六中添加了具体计算出的对“引力效益可达无穷远”的否定——

推论六  从开普勒的行星轨道第三定律R3/T2=K与行星的质量m无关;到由伽利略的自由落体公式变形而来的V2=2gR;再到由惠更斯的圆运动公式变形而来的、被称为宇宙速度公式的V2=gR,所描述的均为用L、T表述的空间结构作用于m、使物体做自然运动的基本规律。

广义相对论使用空间度规所描述的规律,跟上述定律一脉相承,与牛顿所谓的引力丝毫没有关系;用L、T的函数表述的物理量,指代的是空间中的一种实体结构,由之作用于m将导致现实世界中的物体做正、负能转化的自然运动,是宇宙背景作用于现实世界的一种最基本的机制。

庞加莱猜想被完全证明,结合宇航实践积累的数据,不难算出包裹地球的三维圆球中,在距地心6.6×106m以外的任何一个地方,根本就都不存在牛顿所谓的“引力”效应;只有在半径不大于6.6×106m的范围内,物体才会遵从V2=2gR沿着曲线轨道落入球心。

在半径大于6.6×106m之后,将遵从V2=gR做圆运动,随着R的增大椭圆的长轴亦逐渐增大,直至离开这个三维圆球进入渐近三维平坦空间。

牛顿所谓的引力,是封闭空间中用L、T表述的三维圆球作用于m,使物体向球心聚集的直观效应,跟中心有没有大质量天体丝毫没有关系。

银河系的中心就找不到大质量天体,即是最有力的证据;也可以从漩涡周围的漂浮物,经常会围绕着中心“打旋儿”,偶而又会被“吸入”中心这种司空见惯的现象中悟出这个道理来。

 

 

 

物理学观念变革的要点(中)

 

3. 空间的结构

3.1.空间说成是跟物质并存的一种基本存在,从西方哲学的角度来看,确实有点让人匪夷所思。这就需要从文化学的角度来说明了。

华夏先贤认为:“书不尽言,言不尽意,圣人立象以尽意”,于是就采用“遮诠法”定义那些“只可意会、不可言传”的事物,比如对于“道”这个概念,老子就说:“视之不见,名曰‘夷’;听之不闻,名曰‘希’;搏之不得,名曰‘微’。此三者不可致诘,故混而为一。其上不皎,其下不昧,绳绳兮不可名,复归于无物。是谓无状之状,无物之象,是谓惚恍。迎之不见其首,随之不见其后。执古之道,以御今之有。能知古始,是谓道纪”—— 一连用了九个“不”、三个“无”,最终以“道纪”二字予以概括。

意思就是对于“”,我们虽然无法进行具体的描述,但是由它所决定之规律(即“道纪”)的作用,却是可以直接感受到的。

霍金讲到广义相对论带来的“空、时”观念变革时说:“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”(5)。

依据上一节的讨论,这里的第一个“它们”应改为“空间”,第二个“它们”应改为“用L、T的函数表述的空间结构”;这样一来就不仅正确地阐明了广义相对论所带来“空、时”观念变革的真正涵义,而且跟经典物理学理论中“用L、T的函数表述的空间结构”同样是“动力学量”完全一致—— g和a不同样都是可以使得物体的动能发生变化的“动力学量”吗?

3.2. 爱因斯坦曾经指出:科学知识中存在着“经验知识和理性知识之间永恒的对立”;“在人类成熟到获得一种能够概括全部实在的科学以前,还需要有另一种基本的真理。这种真理只是随着开普勒和伽利略的到来才成为哲学家的共同财富”(1)。

开普勒和伽利略带来的“另一种基本的真理”究竟是什么呢?

无非指的就是开普勒第三定律R3/T2=K和自由落体公式h=物理学观念变革的要点(中)gt2;此外还有惠更斯的圆运动公式T=2π物理学观念变革的要点(中)—— 此三人,实际上已经实现了对西方哲学的突破;虽说当时、乃至于迄今学界都还不甚清楚,这些公式所表述的就是存在于空间中的自然规律,但是作为“另一种基本真理”的这三个公式,一直沿用至今、在“实用”上都是非常有效的。

可惜的是在经典物理学理论中,一直错误地把L、T说成是描述运动的“参量”,认为它并不具有真正的物理学意义。

现在我们已经清楚了,开普勒早已发现了空间中存在着结构,在他之前,帕斯卡尔就已经指出:“宇宙是无限的球体,到处都是球心,却哪里也没有球面”(1);伽利略的公式揭示出的是,自由物体处在三维弯曲空间中,就必然会按照由他确立的那个公式揭示出的规律做自然运动;惠更斯的公式揭示出的是,物体处在渐近闵氏空间中,就必然会按照该公式揭示的规律做自然运动—— 而今所谓的宇宙速度公式V2=gR,就可以由之直接变形而来。

正如爱因斯坦所说,关于“事物的这种真理”必须“经过”一代又一代人“重新加以刻勒”,才不“会完全被我们遗忘掉”—— 需要“重新加以刻勒”的时间跨度一般并不确定,通常需要有一些非常特殊的条件予以支撑。

我们之所以敢这样讲,一是庞加莱关于空间中存在着三维圆球的猜想被完全证明,二是航天实践积累的经验和数据,让我们可以计算出三维弯曲空间和渐近闵氏空间的界限究竟在什么地方。

3.3. 空间作为可以使得用M计量的“”做自然运动的动力学量,这个命题千真万确是正确的;自由物体在闵氏空间中按照圆或椭圆轨迹运行,在三维弯曲空间中,则沿着螺旋线的轨迹,落入三维圆球的中心—— 伽利略和惠更斯的公式完全可以用于定量计算;广义相对论原来跟牛顿之前三个人所发现的“真理”一脉相承,而跟牛顿经典力学风马牛不相及。

“引力场直接同空时度规性质发生关系,前面引入的gμν黎曼度规张量……一身而二任,既规定了四维空间在每点的度规性质,同时也表示了在各点的引力场”(6)—— 何需如此弯来绕去,“在广义相对论中,弯曲时空(错!是空间而不是时空)本身就是引力场”(7)。

准确的说法应该是:                           

在三维弯曲空间中,存在着一种用L、T的函数表述的实“”结构;这种结构作用于M、使得物体向球心聚集的效应,就是牛顿所谓的“引力”。

“依据广义相对论,空间已经被赋予物理性质”,这话没错儿!

需要补充说明的是,空间的“”分别用以s、m为单位的L和T予以计量,其“物理性质”使用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

3.4. 在承认了空间是一种与物质并存的另一类基本存在之后,第一个问题就是:广袤无垠的空间中究竟存在着什么样的“结构”呢?

广义相对论场方程就是关于空间结构的理论,既然使用球度规张量分析的数学形式,就不难由此颖悟出空间中存在着许多球形结构。

三维圆球:指用L、T的函数表述的存在于空间中的无形的球结构。

历史上最早使用数学形式表示这种球形结构的,是开普勒用归纳法从经验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。

凭什么可以判定该定律描述的是球形结构呢?

依据球体积V=4πR3/3可知,R3符合球体积的量纲;T表示周期,而周期都是闭合的圆,由之围成一个二维平面,两个相同的平面圆垂直相交,自然就会构成一个球体。

将T2释为时间的垂直相交,并非是我们的臆想——“虚时间是一个很难掌握的概念”,“它和实时间夹直角”(霍金:《霍金讲演录);霍金已经用特殊的数学技巧解决了这一难题,我们这样讲并非没有数理依据。

开普勒早就提出的数学模型,虽说被广义相对论场方程的物理解给出了证明,但是科学要的是实证。

人们利用哈勃定律通过谱线红移测定了数万个星系的距离,对星系在宇宙空间中三维分布的分析结果表明:“星系像是集中在一堆肥皂泡的泡壁上,壁上星系密度为平均值的5倍,而泡内密度则为平均值的五分之一(称为“空洞”)”(11-P89)。通过现代化的精密仪器观测到的“肥皂泡”,总应该算是“能被看到的感官知觉的”“球”吧。

3.5. 一百余年前庞加莱曾经提出一个猜想——

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。

2006年,这个猜想被炎黄子孙“完全证明”,即为我们提供了一个正确描述宇宙空间结构的数学模型。

整体宇宙是由N(空间)系统包容着Z(物质)系统的永恒的存在,N系统即是一个封闭的整体;依据庞加莱猜想不难判定:

整体宇宙是一个其大无比、有边无界的球体

宇宙中任意一个封闭的区域,都必将会形成一个三维圆球;天文观测到的所有天体似乎都像存在于一个湍流的涡旋之中,为封闭空间中的任何一个三维圆球都存在自转的判断,提供了充分而必要的证据。

宇宙中所有的星系团、星系以及任意一个独立的天体,都被包裹在一个三维圆球之中;这些半径R差异极大的三维圆球又可以相互叠加,比如包裹着月球的三维圆球,就被包裹在包裹地球的三维圆球之中……直至包裹太阳系的三维圆球等等,均被包裹在包裹银河系的三维圆球之中。

任何种类的天体都被包裹在空间中的某一个三维圆球之内的逆命题,却并不完全是真命题,比如包裹着银河系的这个三维圆球的中心,就不存在可以被观测到的天体。传统理论由于受到牛顿所谓引力的误导,称那个空域存在“暗物质”,就纯粹是臆想的结果。

依据物质~空间系统论、庞加莱猜想证实了封闭的三维空间必定是三维圆球,结合航天实践的经验和环绕速度、脱离速度等数据,并不难粗略地计算出相对于包裹地球的三维圆球,在距球心不超过6.6×106m的范围内属于三维弯曲空间;在距球心6.6×106m~1.39×107m的范围内,属于渐近闵氏空间;当距离大于1.39×107m后,就成为渐近三维平坦空间——牛顿的引力理论所必需的三维弯曲空间,只存在于距地心6.6×106m的范围之内;广义相对论所揭示的渐近闵氏空间,存在于距地心6.6×106m~1.39×107m之间,惯性定律所必需的平坦空间,则存在于距地心1.39×107m的范围之外。

推论一:引力理论、广义相对论和惯性系理论分别适用于相对于地球球心不超过6.6×106m、6.6×106m~1.39×107m、大于1.39×107m三种空间;而对地球所谓的渐近三维平坦空间,实际上则是相对于太阳的渐近闵氏空间—— 航天领域所谓的“空间通道”,就存在于无限嵌套的三维圆球那相互连通的闵氏空间之中。

推论二:任何企望用一种特定的理论描述整体宇宙规律的设想,都注定是不可能成功的,因为宇宙空间结构本身的多样性,决定着宇宙中所有的自然运动必将会遵从不尽相同的规律。比如惠更斯和伽利略的两个公式,就分别适用于渐近闵氏空间和三维弯曲空间。

但是,首先确立适用于平坦空间的L-T结构模型,经过相关变换以得到适用于渐近闵氏空间的L-T结构模型,再变换出适用于弯曲空间的L-T结构模型,则是完全有希望实现的。

推论三:引力定律和惯性定律根本不能相容。

基于物理学应该描述属于自然运动的最基本的自然规律,牛顿的惯性定律根本就不能成立,因为它永远都无法摆脱“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”(恩格斯:《自然辩证法》)。但是这个定律用于解决现实生活中的具体问题却非常实用,而科学家则永远都不应该忘记实用性≠真理性!

建立在Z、N两系统结构论基础上的《中华科学物理宇宙图像》,完全符合400年来诸多物理学家所发现的基本事实:空间中存在着许许多多封闭的三维圆球,所有的天体都分别在不同的圆球中、依据由R~3/T~2=K决定的轨道,在做着自然运动。用L、T的函数表述的空间结构,就是这些天体做自然运动的“第一推动者”。

对于自然运动而言,N系统的三维圆球结构是“因”,Z系统物体的运动展现的是“果”—— 单因对单果的逻辑关系非常明确。传统采用逻辑循环的方式对广义相对论场方程作出的解释错了;因为开普勒第三定律早已揭示出,对于所有天体的轨道运行,质量M是没有意义的。

可以肯定地说,关于“质量引起时空弯曲”的传统说法,纯属于臆想!

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