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质点 量子 宇宙背景(上)

(2012-03-22 08:04:09)
标签:

文化

观念变革

物理学创新

杂谈

简介:这是7年前在确诊患了喉癌到手术的4天时间内赶出来的一篇文章,意在对《中华科学物理宇宙图像》做一最基本的注释,重点在于对质点、量子h、宇宙背景这3个属于哲学范畴的实体概念,跟质量M、电量Q、辐射能ε、长度L、时间T这5个用于计量物理量的属性概念,给出严格而明晰的区分。当时觉得上天留给自己的时间已经不多了,必须就最基本的关键点把这个“新的中国的体系”讲清楚。

没有想到的是,上天可能是考虑到我应该把任务完成,赐以“喉癌”的目的是在提醒我应该以“寸时寸金”的态度对待这个课题。

7年来,我的身体状况恢复得很好,自身的感觉比实际年龄要年轻10岁。乘着白院长召唤“创造一个新的中国的体系”的东风,每天一篇不间断地在“周吉善网站”和新浪网的周吉善博客上发表一篇文章,已经坚持了两个多月;意在从不同层面、不同角度阐述清楚,未来能够“拯救科学”的,必然是确信“阴阳互补、有无相生、体用不二”的中华传统文化而无疑。

为了避免跟哲学概念混淆的弊端,标题就使用了绝对属于物理学范畴的3个概念;进而指出这些实体概念并不具有真正的物理学意义,而在物理学理论中用于描述自然规律的物理量,都应该使用符号表示法、诸如M、L、T、Q、ε等,以利于彻底规避使用“是什么”予以发问。

(上)篇从定义质点、量子、宇宙背景切入,进而依据物理学理论中居然存在着两个直接矛盾的关于T(时间)的公式,判定自然界千真万确是由Z、N两个体系构成的巨系统;继而讨论了N系统的“实体”结构问题。

 

 

质点 量子 宇宙背景(上)

 

 

摘要:不少有真知灼见的学者都说:现代物理学理论中的诸多困惑都源自于概念的混淆,笔者经过20年多方求索的结果,发现物理学理论中最重要的实体概念只有质点、电荷、量子及其空间4个;分别用质量M、电量Q、辐射能ε及其长度L、时间T予以计量。于是就把用质量M计量的质点、用辐射能ε计量的量子h分别叫做Z系统和N系统;结合20世纪的许多新发现,把宇宙视为由N系统包裹着Z系统的有机整体,并且称N系统为宇宙背景。进一步又认定质点为Z系统的最小单元,量子h为N的最小单元;物理学理论中的许多困惑和悖论就都可以得以冰释—— 最关键的要害就在于严格区分量子h和辐射能ε、质点和量子h的本质差异;及其确立使用L、T的函数表述的是宇宙背景中一种特殊结构的属性之观念。

关键词:质点、量子h、宇宙背景、质量M、电量Q、辐射能ε、长度L、时间T

 

牛顿啊,请原谅我。你所发现的道路,在你那个时代,是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路;你所创造的概念甚至今天仍然指导着我们的物理学思想。虽然我们现在知道,如果要更深入地理解各种联系,那就必须用另外一些离直接经验较远的概念来代替这些概念。

——爱因斯坦

 

从18世纪开始,物理学就分牛顿范式和非牛顿范式,二者研究的对象和方法截然不同;而今的物理学理论亦分用质量M计量和L、T描述,用能量ε计量和相位描述两大理论体系,物理学所研究的客体理应被分为用M或ε计量的两大类。

传统物理学理论中大量误用“物质”这个哲学概念,是产生诸多困惑和悖论的根本原因之一;实际上物理学的任务就在于用方程描述质量m、电量q、能量ε和时间T、长度L之间的关系—— 这五个概念均用于指代不同物理客体一种可量度的特性,并非指代物理客体本身,是属性概念,而“物质”却泛指所有实际存在着的东西(下文简称实存之物或实存),属于实体概念。

半个世纪以来,世界上越来越多的学者都在关注东西方文化的互补性;依据中华传统的两系统相涵相因、易变会通、和谐互补,自洽统一的整体有机自然观,对400年物理学史梳理和整合的结果,发现牛顿范式所谓的质点和非牛顿范式所谓的量子,属于两类截然不同的实存之物,分别用量纲式中的M和T予以度量。只需要承认物理学的认识论基础是两系统结构论,所谓20世纪物理学对哲学的挑战,或曰科学与哲学的悖论,即可以全部化为乌有。

本文先从廓清质点、量子和宇宙背景这三个范畴讲起。

质点—— 牛顿经典力学将实存之物抽象概括为质点,宏观上称物体,微观上叫做粒子,用量纲式中的M度量,计量单位是千克,仪器用天平。

质点之间广袤无垠的空域被称为真空,视为空无一物,并认定所谓的“”发生在质点与质点之间;真空对物理过程不发生任何作用。

量子—— 是能量子的简称,可以表示为ε=hν(或h/T)。

19世纪末,对热辐射的研究由于实验技术之现代精确化,维恩依据热力学普遍原理对实验数据处理的结果,得到一个辐射能量按频率分布的公式,在高频处与实验符合得很好,而低频处却有较大偏离;瑞利依据统计物理学的能量均分定理也得出一个仅适用于低频、而在高频处却跟实验相差甚大的公式;普朗克由此受到启发,采用内插法引入最小作用量子h,导出一个在高频处趋近维恩公式而在低频处趋近瑞利公式的新公式。

该公式中所包含的能量值必须是一系列不连续的量,即

E=nhν     (其中n=1,2,3……)

能量子这个概念即此而生,从而揭开创立量子理论的序幕。

宇宙背景—— 指大千世界纷纭万象演化的环境。

传统物理学把“能被看到和摸到的感官知觉的对象” (爱因斯坦语)视为研究的唯一对象;20世纪60年代中期彭齐亚斯等人发现了各向同性的2.7k微波,被称为3k微波背景辐射,“真空不空”被学界普遍认同,分立的质点和连续的辐射并存被证实。

本文称能用M计量的质点为Z系统,而用T(即h/T)计量的连续辐射为N系统;由于N系统属于只有通过理论思维才可以把握的“既定的实在”(爱因斯坦语),是质点运动变化的基本环境,故而称其为宇宙背景。

 

1.  相对时间和绝对时间

单摆公式质点 <wbr>量子 <wbr>宇宙背景(上)中的g越大T就越小,钟的读数变大(或曰时间变快),即T∝g-1/2;广义相对论的推论是g越大时间越慢,即T∝g,二者都被证实是对的。于是就产生了一个悖论——

从一个前提(g)出发,得出两个相反的结论(T变大或变小)被证实都是对的——  这个悖论带给理论界的冲击可谓大矣:对于自然界更深、更微的层次,传统使用的排中思维方式不再适用。

两个直接矛盾的关于时间的定律,应该分别适用于Z、N两个系统,将成为唯一可能的既合乎逻辑又与实验相符的解释—— 物理学的认识论基础只能是两系统结构论。

摆钟可以通过调节摆长使所有钟的读数一致,记录的是相对时间;无法人为干预的原子钟记录的应该叫绝对时间

相对:可以人为改变条件的属于相对的范畴;

绝对:不能人为干预的属于绝对的范畴。

据此而论,牛顿经典力学只具有相对的意义,并不能代表绝对的自然规律。现实生活中使用摆钟记录的是相对时间,可以通过改变钟的摆长调节快慢;故而方程中用l、t表述的物理量(g)即是决定时钟快慢的作用量,而与摆锤的质量M没有关系。

小结:在经典运动学理论中,能够使得用M计量的质点运动的作用量,是用L、T表述的物理量g,并非来自于另一质点对它的作用。

开普勒第三定律指出:行星轨道半长轴R的三次方与它的运转周期T的二次方之比是个恒量,与行星的m无关;伽利略的自由落体公式,甚至牛顿第二定律都揭示出,质点“运动的起源”来自用L、T表述的物理量lt-2

这种用L、T表述的物理量用以指代宇宙背景中一种特殊结构的属性,这种特殊结构被柏拉图称为“容器”,卢克莱修称为“虚空”,亚里士多德谓之无形的“包容体”,牛顿谓之“神性自然的感觉中枢”,莱布尼兹名之为参与单子交流的“上帝”,海森堡名之为“数学图像”,爱因斯坦说它是“既定的实在”,怀特海说它“是不能通过直接交流认识的”、在隐蔽处存在的“神秘的实在”(1)—— 总之一句话:从古希腊的以太到被检测到的3k微波,西方文化中始终都存在着一种跟质点同在的另类实存,传统以“物质”一个范畴对客观的基本存在予以抽象和概括,很显然是不恰当的。

推论一:所有质点的自然运动,其作用均来自于宇宙背景的一种特殊结构;用L、T表述的物理量(比如g),可以用于定量计量这种特殊结构对质点(即m的载体)的作用。

另外还必须把运动分为自然运动和非自然运动,才有望让运动学彻底步出300余年的困境。

自然运动:指一切没有人为干预的非惯性系运动,诸如自由落体、行星运动和摆的振动等。

牛顿所谓的惯性运动,不仅添加了许多人为假设的条件,甚至还离不开“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”(恩格斯语),实际描述的是非自然运动—— 揭示自然规律的物理学用方程描述的必须是自然运动,严格地讲牛顿力学并不属于自然科学知识的范畴。

原子钟以原子所发射ε的周期T定义秒,而T无法人为改变,因而记录的是N系统内禀的绝对时间。由ε=hν=h/T可以发现,所谓的量子实际上是普朗克插入的h,辐射能ε和质量m一样,仅用于指代质点和量子h的一种属性;量子h(实存概念)和辐射能ε(属性概念)被混为一谈,是传统理论中存在的一个非常严重的误区。第三节将专门讨论。

 

2.  N系统中的实存结构

上一节着重讨论了Z、N两系统结构论,支持两系统结构论的必要的实证依据是T∝g-1/2和T∝g构成的悖论,揭示出摆钟记录的是N系统作用于质点的相对时间,而原子钟记录的则是N系统自身的内禀时间。

这一节讨论N系统中的实存结构,仍然不乏必要的实证依据:

V12=gR和V22=2gR又构成一对悖论。

V12=gR由惠更斯的圆运动公式T=2π质点 <wbr>量子 <wbr>宇宙背景(上)而来,被称为宇宙速度公式,是发射人造天体的必要依据;V22=2gR是自由落体公式的变形,揭示出最基本的动、势能转化的规律(其中R代表质点到地球球心的距离)。

这两个式子传统被称为运动学方程并不恰当,实际上将二者的两端分别乘以m,即可以用于描述质点动、势能转化的两种不相同规律:

当质点做圆周运动的动量或直线落向圆心的动量相等时(V1= V2),与之相当的mgR却相差一半—— 其作用机制唯一可能的解释就只能是:

N系统用于使质点做圆周运动的能量恰好与质点的动能相当。

拙作“时间随R而变的方程”(2)中有较详尽的阐释,据此不难判定N系统中存在着能量涡旋,同时还可以回答天体运行为什么都是椭圆的问题;更进一步又计算出g=2R/t2,不仅揭示出T和L用以表述质点在涡旋中的持续性和广延性,同时还发现了所谓的机械能均由Z系统的m和N系统的l2t-2共轭决定。此处无暇赘述,接下来讨论时间和空间“不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的它们成为动力学的量”(3-P53)。

要确立用L、T的函数描述的空间结构是动力学量的观念,首先必须彻底抛弃“真空”这个错误概念,并承认质点被包容在N系统之中。

由于任一个质点受到N系统以L、T表述的物理量g的作用,都有两个自由度,要么以V12=gR的形式做圆周运动,要么以V22=2gR的形式落向涡旋中心。进而就应该承认质点的自然运动均属于正、负(传统谓之动、势)能转化的过程,N系统以gR形式提供动因,而质点仅表示N系统作用的结果。

正能:能够被人们用以直接做功的能量,这里指动能。

负能:必须被转化为正能才可以用来做功的能量,比如势能。

宇宙空域存在能量涡旋有没有实证依据呢?

呈凸透镜状的银河系,以及所有螺旋状的星系;现代天文学利用哈勃定律测定了数万个星系的距离,发现星系在宇宙空间中三维分布的客观图像都是:星系像是集中在一堆肥皂泡的泡壁上;壁上星系的密度为平均值的5倍,而泡内密度则为平均值的五分之一(被称为“空洞”),都可以作为涡旋模型的观测依据。而用L、T表述的物理量作为导致质点做自然运动的作用量,不但可以通过质点动量的变化予以测定,其最有力的理论依据莫过于1917年德·西特依据爱因斯坦宇宙方程得出的“没有物质的宇宙时空解”(4-P402)。

广义相对论又被称为关于时空的理论。1917年在爱因斯坦得出静态宇宙解的同时,莱顿天文学台长德·西特亦得出一个“没有物质的宇宙时空解”——只要你承认宇宙间根本就不存在“真空”,就不得不承认广义相对论是关于宇宙背景的理论,其中不包含用M计量的质点,就一点也不奇怪了。

用L、T表述的物理公式(传统称之为运动学方程,诸如:V12=gR和V22=2gR等),就代表着N系统中的特定规律,无论质点的m多大,做自然运动时都必然受到这种规律的制约。

“在德·西特宇宙时空解中,一个试探粒子将自动获得加速度”(4-P402)—— 这句话应改为:任一个质点(包括观察者自身)在德·西特宇宙模型中,都会受到lt-2的持续作用而做非惯性系的自然运动。

依据两系统结构论,只有德·西特根据爱因斯坦宇宙方程得出的宇宙时空解,才是对广义相对论的正确解释;“他的模型的宇宙度规已成为今天宇宙学常用的形式,并被表示为适合物理研究的坐标形式”(4-P402),自然也就应该是顺理成章而又合乎逻辑的结论。

推论二、广义相对论是关于宇宙背景(即空间)的理论

L和T分别指代质点在N系统涡旋中的持续性和广延性;N系统的lt-2持续作用于质点之M的可观测效应,即表现为行星的轨道运行或自由落体两种形式的自然运动。

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