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用能量取代力学概念体系(下)

(2012-03-30 04:50:16)
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文化

物理学创新

观念变革

物理宇宙图像

杂谈

简介:《中华科学物理宇宙图像》为我们提供了一个全新地观察宇宙大自然的视角:用M计量的物质,被包裹在用L、T计量的空间之中;空间不仅是演绎物理事件的舞台,同时也是物理过程不可或缺的重要条件;空间中充满着用ε= h/T计量的辐射能,其载体是呈全宇宙关联的连续统,可以叫做量子系统,跟用M计量的粒子系统相互对应—— 即微观上同样是两个系统。

图中由Z、N两系统的分界线上一点引出的三条虚线,非常直观明确地告诉我们,辐射能ε可以生出质量m和电量q,逆过程同样成立—— 微观上的最小单元个体有且只有3种:粒子、电荷、量子h,前两种属于Z系统,后一种属于N系统;而Z系统所有的变化,皆由于是辐射能ε自主进出于粒子引出的果。传统所谓的“物体吸收或放出辐射能”的说法,完全把因果关系给“弄颠倒”了,难怪围绕“量子”会存在那么多“不可理解”的东西。

进一步剖析还会发现,物理学描述的能量也是有且只有3种:

与质量M相关的机械能Em=mgR(或mv2);

与电量q相关的电能Eq=Kner-1q(K仅用于统一主单位);

与辐射相关的热能、光能等被称为量子的Eγ(即ε)=hν=h/T。

牛顿范式研究的是第一种,非牛范式研究的是后两种;实际上非牛范式所研究的,无非就是辐射能ε进入粒子之中后,变为Eq被储存起来、导致质量m增加,或者是其逆过程的问题。

只需要再引入“正能”和“负能”之分,大千世界纷纭万象的物理学机制,就很容易以不同形式能量的相互转化为据,给出自洽而合理的诠释。

 

 

用能量取代力学概念体系(下)

 

 

【3】. 中间那三条虚线

请看图中由Z、N两系统的分界线上一点引出的三条虚线,其涵义是:

构成Z系统万物的基本粒子——带电的质子P+和电子e-,可以从N系统中创生,又可以湮灭为辐射能ε。写成式子就是:

ε→M、M→ε双向可逆的过程,就代表着宇宙演化的最基本规律。

据此可以判定:从微观角度考察,自然界的基本存在有且仅有三种:

用质量M计量的粒子、用电量q计量的电荷、用辐射能ε计量的量子h。

前两种属于有形的Z系统,后一种属于无形的N系统;带电的质子P+和电子e-,即是构成现实世界万物的最基本粒子。

进而还可以发现:物理学所研究的能量同样有且仅有三种:

与质量M相关的机械能Em=mgR(或mv2);

与电量q相关的电能Eq=Kner-1q(K仅用于统一主单位);

与辐射相关的热能、光能等被称为量子的Eγ(即ε)=hν=h/T。

Em和Eq均由Z、N两系统所共同决定,只有Eγ 属于N系统所独有,据此可将物理学分为分别跟Em、Eq、Eγ 相关的三大理论体系。

经典物理学的运动学、电磁学、热学之分,现代物理学的广义相对论、狭义相对论、量子论之分,就都分别跟这三种能量相对应与吻合。

右边那条斜线所包括的物理对象,用量纲式中的M计量,其规律使用M、L、T三个物理量描述;封闭三角形所包括的物理对象,用q和ε两个物理量、基本上就不使用M计量,其规律使用q、ε和所谓的场三个物理量描述——据此不难判定,传统将牛顿范式和非牛范式混为一谈,是绝对不可取的。

进而还可以肯定,当代著名物理学家惠勒的下述说法,肯定是对的:

“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”(惠勒:《物理学与质朴性》)。

广义相对论描述的宇观规律,使用大尺度单位或光速计量;量子论描述的微观规律,则使用纳米或埃为计量单位,二者相差20多个数量级——

试想:怎么可能运用同一的物理方程描述相差20多个数量级的规律呢?

依据上一节的讨论,我们已经知道牛顿范式的核心概念是“”;而非牛范式却“不追求自然界中这些现象的真正原因”,也就是说不需要去考虑所谓的“作用力”,故而在非牛范式中“用能量取代力的概念体系”的工作,做起来肯定就不会太困难。

关于在牛顿范式中“用能量取代力的概念体系”的问题,以后另外撰文讨论;本文就专门讨论在非牛范式中如何用“能量”来取代“力的概念体系”。

【4】. 正能和负能

未来物理学发展的方向,必须以能量彻底取代力学概念体系,究竟应该如何起步,笔者认为应该从区分正能、负能做起。

能量,在经典物理学理论中是个标量,而在热学和化学中已经有+Q、-Q之分(仅指是放热还是吸热),现代物理学理论中也不乏“质量能总是正的”、“引力能总是负的”(霍金语)等说法。这种对能量精细区分的做法,也确实代表着物理学理论的进步。遗憾的是物理学界依旧沿袭牛顿理论以效应命名能量的陋习,迄今都不清楚能量究竟有多少种。

上述物理宇宙图像已经告诉我们:能量仅有与质量相关的Em,与电量相关的Eq和与辐射相关的Eγ三类;而Eγ与Em、Eq又存在着本质差异,现代物理学中通常所谓的能量,即专指Eγ而言。

在深入讨论自然界能量转化的规律时,首先应该定义正能和负能。

正能:能够被直接用来做功的能量。比如物体的动能mV²、辐射能Eγ。

负能:需要由人直接或间接做功,最终被储存到N系统中的能量。

比如物体的势能mgR、被储存在粒子中的Eq。

先讨论Em:与质量相关的能量传统称为机械能,依据上述定义,仅需要将势能和动能分别改称负能正能即可;当正、负能发生转化时,改变的仅是用L、T表述的物理量,而m却恒定不变,故而可以认定所改变的只是N系统中的量值,即N系统是作用者,而Z系统只是被作用者

现实世界中的自然运动,均属于正、负能转化的过程。只需要将动、势能转化,改称正、负能转化,就不难解释自然运动的实质及作用机理。

再看Eγ:传统立足于现实世界的物体,把 Eγ称为物体的吸收或放出,是一种倒置的说法;实质上是在不同的能量环境中,Eγ可以自主地进入或从粒子中逸出,Eγ 总表现为主动的作用量,而粒子仅展示现象。

Eγ 的进出是因,粒子的变化是果

所以在“宇宙运动的‘第一推动者’”一文中,我们就说过:

大千世界中所有的物态、物性乃至于物种变化引发的纷纭万象,其“第一推动者”即是由空间中的作用量子h所传递的辐射能ε。

在由于Eγ 进、出引起的变化中,Eγ 在N系统中自由传播时为正能,转化为Eq被储存到原子、分子的相空间之后,被称为负能

最后讨论Eq:当Eq以ner-1q形式储备在粒子的相空间时是负能,转化成电荷运动的mV2时为正能。粒子的荷质比制约着正、负能转化的当量关系。

沿着这条理路深入探索下去,用正、负能转化解释所有的自然运动自然变化,并不存在太多困难。重要的是一定要把概念换成,实际上这两个概念在场论中本来就是相通的。

【5】. 非牛范式揭示出的物理学机制

在《中华科学物理宇宙图像》中,共得出八个推论;跟非牛范式直接相关的有如下三个:

推论二  从电荷由Eγ 创生或湮灭为Eγ可知,微观上宇宙中的最小单元个体只有三种:粒子、电荷和量子。

物理学方程中最重要的五个物理量:质量m、电量q、能量ε(即Eγ)和时间T、长度L,前3个分别指代粒子、电荷和量子的本质特性,后两个分别指代N系统中任一点弯曲的程度和两点之间的间隔,用L、T的函数所表述的物理量(如g、gR),指代的实体是存在于空间中的一种特殊结构。

依据上述两个推论可知,宇宙是由N系统包裹着Z系统的永恒存在;宇宙是粒子量子电荷为过渡态相互转化的无始无终的过程

推论三  自然界的能量只有跟质量m相关的Em,跟电量q相关的Eq,跟辐射相关的Eγ(即ε)三种。物理学理论亦分三大体系:

经典物理的运动学、电磁学和热学就分别研究跟这三种能量相关的自然现象,但是始终存在一个“第一推动”的问题无法回答。现代物理学的广义相对论、狭义相对论和量子论,也分别研究属于这三个范畴的自然现象,对“第一推动”给出的回答是:宇宙间所有的自然运动自然变化,皆由N系统为之提供第一因(the First Cause),而由Z系统展示被作用的

推论四  大千世界纷纭万象的起因,皆源自于正能Eγ 进入粒子后转化为负能Eq被储存在原子、分子的相空间;或者是由于粒子的电结构变化导致Eq转化为Eγ 而放出。在这种转化过程中,严格遵守N系统损失931MeV能量,Z系统增加1.66×10-27kg质量的规律。

自然界所有的自然变化,皆由物体所处外界的能量环境所决定——“外因是变化的条件,内因是变化的依据”这种传统说法应该颠倒过来,改为宇宙背景中不同的能量环境为一切自然变化提供必要的依据,而物体本身仅只是能不能观察到现象的条件而已。

有了这三个推论,只需要再补充两点知识,在非牛范式中实现“用能量取代力的概念体系”,就基本上没有困难了:

一是辐射能ε对物体的作用有两种效应,即改变温度或改变结构。

对于前者,传统理论中已经讲的非常充分,而对于后者,则仅仅使用“内能”或“结合能”的概念提到而已。对后者需要做认真的研究和补充。

二是对辐射能ε转化为负能Eq被储备,或者由于粒子电结构的改变,由Eq转化为ε而放出的规律,传统理论中根本就没有这方面的知识。

鉴于“取代”所涉及的具体问题很多,另文讨论,这里无暇赘述。

由于传统的物理学理论以西方哲学的“实体论”为基础,处处都立足于“眼见为实”去描述和阐释现象,故而就形成了“物体吸收或放出热量”的陋见,实际上却是把真正的因果关系给弄颠倒了。

只要认真考虑一下,对于炼铁炉而言,究竟是创造特殊的“能量环境”促成矿石变化,还是依赖矿石自主地吸收热量,眼界不是就豁然开朗了吗?

中国有一句俗谚:万物生长靠太阳。“靠太阳”的什么?

不就是靠太阳提供的“能量环境”,按照四季有序的周期性变化吗?

故而笔者在一篇文章中就明确指出:以现象论为基础的非牛顿范式物理学,是中华传统自然哲学的滥觞。中西文化的碰撞与融合,有形、无形二元论的自然观,对自然现象持“现象论”的认识论,即是最恰当的切入点。

 

*****

“在自然科学本身中,我们也常常遇到这样一些理论,在这些理论中真实的关系被颠倒了,映像被当做了原形,因而必须把这些理论同样地倒过来。这样的理论常常在一个长时期中占统治的地位”。

恩格斯这一段话,千真万确说中了存在于自然科学中问题的症结。

但是,也正像他所指出的:近400年的物理学大厦,确实是在“一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识”过程中,将一个个发现“堆积”起来的建筑,出现“真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”的现象并不稀奇;而现在确实是到了应该“把所有这一切弄到一起”(巴里·派克语)的时候—— 笔者认为能够“拯救科学”的,必定是5000年一脉传承地坚持整体有机、和谐互补观念的中国传统文化。

“‘能’这个名词……还会造成一种假象:‘能’是物质以外的某种东西,是加到物质里面去的某种东西”。

现在我们要说:辐射能ε确实是用M计量的所有“物体”之外的、可以加到“物体”里面去的“东西”—— 恩格斯的错误就出在,把属性概念“能”和实体概念“物质”混为一谈,及其不愿意放弃物质一元论自然观。

“当热在差不多两个世纪内都被看做特殊的神秘的物质,而不是被看做普通物质的运动形式时,热学的情况就是这样,热之唯动说才完成了这个倒过来的工作。然而被热素说所统治的物理学却发现了一系列非常重要的热学定律”(恩格斯:《自然辩证法》)。

看起来,“热之唯动说”还必须“倒过来”,被“热素说”所取代才正确。

因为“热之唯动说”只能解释温度变化的现象,对于“结构”变化的深层次问题,却无能为力;所以才会有200年来存在于热学领域的诸多困惑。

再则,如果“热素说”是错误的,又怎么能够依据它“发现了一系列非常重要的热学定律”呢?

最最有力的证据是:热素~热量~热能~热辐射,只不过是所使用的概念不同而已;近400年的物理学实践充分证明,在使用量纲式中的M计量的物理客体之外,千真万确存在着一种不能用M计量的物理实在。开始时人们称它为“热素”,后来叫做“热量”,实际上就是现在被公认的辐射能ε。

彻底摒弃物质一元(即实体论)的自然观,接受宇宙由用M计量的实体和不能用M计量的空间构成的两系统结构论,自然科学就很容易迈进“柳暗花明又一村”的全新境界。

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