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用能量取代力学概念体系(上)

(2012-03-29 04:47:03)
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文化

物理学创新

观念变革

杂谈

简介:“用能量取代力的概念体系”,实际上在200年前就已经有人做了相当成功的开拓性工作;这200年间,那些有真知灼见的哲学家们,也已经充分阐述清楚,牛顿力学把“力”字作为一个最基本概念,是导致“上帝”一直在科学的殿堂上受到顶礼膜拜的最根本原因。但是……

在《中华科学物理宇宙图像》中,笔者发现了两项跟传统物理学截然不同的内容:一是牛顿范式和非牛范式必须“分而治之”,对非牛范式物理学,只需要实现了“用能量取代力的概念体系”,许多困惑和悖论就很容易得以冰释;而且取而代之的工作也并不难。

二是对于整体物理学的理论,必须采用“细分精析”的的方法去梳理和整合,建立“大统一”理论的路是绝对走不通的。

由于此前讨论所涉及的基本上都是非牛范式的内容,现在就接着讨论跟光、热、电、磁现象相关的部分;基本上就是量子论所涵盖的全部东西。

狄拉克说:量子论的基础还没有建立起来。主要指的是哲学基础,包括自然观和概念问题两个方面。(上)篇就先讨论这方面的内容。

 

 

 

用能量取代力学概念体系(上)

 

 

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。

—— 董光璧:《世界物理学史》

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。

——  高中《物理》

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:《自然辩证法》

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:《观念的冒险》

“在地球上的纯粹力学中,排斥的或上升的运动一定是人工造成的”,其间始终都离不开“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”。

——  恩格斯:《自然辩证法》

 

 

笔者之所以引述这些语录的目的,无非是想证明:

“用能量取代力的概念体系”,实际上在200年前就已经有人做了初具规模的开拓性工作;这200年间,那些有真知灼见的哲学家们,也已经充分阐述清楚,牛顿力学把“力”字作为一个最基本概念,是导致“上帝”一直在科学的殿堂上受到顶礼膜拜的最根本原因。

本文依据《中华科学物理宇宙图像》的一张简图,集中讨论用能量取代力学概念体系的必要性和可行性。为了清楚、明晰起见,首先必须简要介绍一下构建这一张图像的最根本理念,即——

对宇宙的组成、结构和演化,及其物理学的整体理论,统统采用两分法:

宇宙是由可以被隔离成独立个体的Z系统与呈连续态的N系统组合而成的巨系统。Z、N两系统的结构关系,华夏先民称之为“负阴而抱阳”;亚里士多德称之为“包容与被包容”,并指出被包容体有形,包容体无形——

可视的现实世界(即Z系统)被包容在宇宙背景(即N系统)之中,犹如人类及地球上的万物被包容在空气之中似的。

定义

有形:能够直接被看到的感官知觉的对象。

任何放大仪器都可以被视为视觉的延伸。

无形:必须借助有形才可以被感官知觉的对象。

比如用磁针感知的磁场,用频谱仪感知的辐射等。

 

用能量取代力学概念体系(上)

 

【1】. 宇宙的组成、结构及演化

“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”。

                                            —— 爱因斯坦说:《狭义与广义相对论浅说》

这是爱因斯坦从哲学的角度对宇宙基本存在的分类:宇宙是由物质空间构成的二元巨系统。相对论带来的具有革命性的观念变革是:

空间不仅仅是“作为表演物理事件的一种舞台”,用L、T的函数表述的空间结构,还是引起宇观、宏观所有自然运动的第一推动者—— 在“宇宙运动的‘第一推动者’”一文中,已经做了比较详尽的讨论。

为了避免将哲学和科学概念混为一谈引出的观念混乱,我们把物质和空间分别叫做Z系统和N系统;并且指出这两个系统分别用M和L、T予以计量。

“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”。

——  怀特海:《观念的冒险》

怀特海明确告诉我们:“关于称谓”和“关于基本实体”是两码事。

哲学家关心的是“实体”;而科学所关注的则是“实体的诸属性相互联系”,使用的就只能是跟“关于称谓”相关的概念—— 笔者由此悟出:

哲学家用的是“实体概念”,诸如宇宙、物质和空间;科学家只能使用“属性概念”,量纲式中的M、L、T是也。

据此提出:物理学必须使用符号表示法:相对于物质、空间、质量、长度和时间,就只能使用Z系统、N系统、M、L、T予以表示。对于这些符号所表示的内容,根本就不能使用“是什么”予以提问,而是问“应该用什么度量和计量” —— 因为物理学是一门以度量为基础、用数学描述自然变化之规律的学科;传统认为“物理学又叫自然哲学”,是引出观念混乱的肇始。

笔者仅仅依据这两点,结合华夏先民总结出的“阴阳互补有无相生体用不二”的认知理念,就确立了宇宙是由Z、N两系统构成的自然观;从400年的物理学史中提炼出了那十几个最基本而又普遍适用的概念。

结构的角度讲,宇宙是由流体似的空间包裹着块状实体构成的巨系统;从演化的角度讲,是质量M湮灭为辐射能ε、或者由ε创生出M的双向可逆的自组织演化过程。

【2】. 运动和变化

牛顿力学着眼于“运动”和“静止”之分描述规律,首要条件就必须回答“运动的原因”是什么。牛顿把它叫做“力”,用F=ma予以表述。

描述运动又必须选取研究对象“之外”一个“静止”物体作为参照,最终造成了牛顿第一定律所描述的惯性运动,就总是无法回答“动因”由何而来的问题—— 通常都说牛顿力学中,存在着“规律外加”的严重弊病。

“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”。怀特海这话就非常贴切地道破了牛顿力学的致命弱点。

18世纪随着傅立叶的热传播理论“根本不借助牛顿原理在概念方面和数学表示方面都获得了重大的成功”,法国的“科学家们都倾向以原理把现象组织成一个系统,而不追求自然界中这些现象的真正原因”(董光璧:《世界物理学史》)。这种理论在物理学史上被称为非牛顿范式物理学。

非牛顿范式物理学跟牛顿范式存在三点本质差异:

第一、非牛顿范式物理学不是着眼于“质点”而是着眼于“系统”去看待被研究对象,已经包含着“系统论”观念的雏形。

第二、非牛顿范式物理学“不追求自然界中这些现象的真正原因”,也就是说有意无意之间已经承认规律就存在于被研究的“系统”之中;这就从根本上排除了“上帝”插足的余地,跟“规律外加”的牛顿学说大相径庭。

第三、这种理论是着眼于“变化”而不是着眼于“运动”进行描述。

“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,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)教科书中这一段话给我以灵感,所谓的“初状态和末状态”,实际上就是着眼于“变化”跟着眼于“运动”的根本性差异:

所谓的“变化”,指的就是同一个系统在不同时刻展示出的不同现象,至于变化的原因,根本就没必要去过问,只需要默许它就存在于系统之中,就可以如实地反映出系统变化的脉络和轨迹。可以谓之“规律内在”说。

非牛顿范式物理学着眼于“系统”,立足于“变化”去描述规律,无须考虑“现象的真正原因”; 牛顿范式物理学着眼于“质点”, 立足于“运动”去描述规律,最终导致了始终跟“上帝”脱不开干系—— 传统的物理学以牛顿范式为典范的做法,肯定是不恰当的。

请看“图像”中右边的那条斜线和左边那个封闭的三角形,二者根本就不存在任何的重叠交叉,故而可以肯定地说:

上述两种范式的物理学,肯定不会遵从完全相同的规律。

这篇文章就专门讨论跟封闭三角形相关的内容,跟牛顿力学相关的那条斜线,以后再专门撰文讨论。

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