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《相对论:病理诊断与修复方案》研究过程与突破

(2012-12-04 09:57:13)
标签:

相对论

爱因斯坦

时间

光速不变

教育

分类: 学术论文

 

作者:吴建国博士、南京邮电大学教授

 

    《相对论:病理诊断与修复方案》电子书,以我发布在“南京吴建国”新浪博客上的几篇文章为主要内容(http://blog.sina.com.cn/wujg699),增加了“提示”和“十年研究体悟”,揭开了隐藏在物理常识概念背后的认知陷阱,终于让相对论从数学解释回归到物理解释。这本电子书已经上传至“iask爱问共享资料”(http://ishare.iask.sina.com.cn/f/34919620.html)供大家下载传阅。

 

     一、我因何用十年时间去“诊断和修复”相对论

    1983年我考入哈尔滨师范大学读化学专业本科;除化学专业课外,学习过《大学物理》和《高等数学》。四年大学教育给我最基本的塑造是形成理科思维习惯。这种思维习惯,让我至今仍然不能如通常文科教授那般去文科思维。我所说的理科思维,就是思维中坚持概念指意要唯一化论述的证明逻辑;而所说的文科思维,就是思维中采用概念指意流行化论述的意境链索。所以,文科思维会让文章很美,理科思维会让文章有失文采;但理科思维去做哲学研究有个很好的优势,就是较擅长追究常识概念背后的问题。

    1989年我考入华东师范大学的自然科学史暨自然辩证法研究所,读自然辩证法(科技哲学)专业硕士。这个研究所曾是我国自然辩证法界的著名研究机构,以科技史方面研究见长。我在那里走进了科学哲学领域,并且熟悉了科技史

      2002年我考入南京大学,有幸成为这所著名大学的首批科技哲学专业博士生。在这里我开始研读科学知识社会学(SSK)”方面著作,并撰写博士论文《科学知识:从个体建构到社会化生产》。我试着建构一个科学知识产生模型来解释这样一个过程:个体建构私人知识,然后把符合科学特征标准的私人科学知识向社会公共知识系统贡献,继而这种已经成为公共科学知识的私人贡献参与知识的社会竞争,最终在社会获得科学地位

       由于理论模型被建构,至少需要有一个案例来进行验证它可行。我把这个案例就选为被称为现代科学支柱的相对论,希望用它的产生过程来完美地验证我的理论模型。为此,我系统整理如下一些问题:相对论研究的对象是什么?伽利略是如何建构这方面理论的?爱因斯坦是如何建构的?两者的理论建构有何不同?爱因斯坦的相对论建构凭什么优势获胜?等等。

       这本是从赞美相对论角度出发的工作,当时绝没想到相对论本身会存在如此大的认知陷阱(尽管我读硕士时就了解相对论有许多佯谬)。随着对这个验证案例的系统化梳理,我突然发现自己已经完成了对相对论的哲学分析与病理诊断,并且完成了自己私人化的相对论重构。面对这种突如其来的相对论重构,我自己也不敢相信是真的。为此,我曾鲁莽地向母校的物理院士写信、给校学术委员会写信,希望能告诉我这相对论重构到底错在哪了?我也确实得到了非常善意的回答,但也让我清楚地知道自己撞到的不仅是科学问题,而且还是科学文化问题。最后,我把这个相对论重构作为私人科学知识建构的案例保留在我的博士论文中(2005年底,以专著形式由黑龙江人民出版社出版)。

      2005年我博士毕业了,但相对论重构却如恶魔一样又缠绕我七年,强占用了我几乎工作以外的所有业余时间。

      以我的知识背景,当然知道在当下科学文化环境中,质疑相对论等于学术自杀。如果知道你研究相对论,同事会认为你神经不正常;单位会认为你不务正业;政府不会给予研究经费;学术期刊的编辑会把你论文直接枪毙。这样,你会因此无法晋职称,甚至无法完成单位的科研工作考核。

今天,我可以说坚持过来了。在把5篇论文贴到南京吴建国的新浪博客上之时,尤其在完成这本《相对论:病理诊断与修复方案》电子书之时,我可以轻松地离开了,因为相对论对我已经没有任何悬疑与混乱,物理过程相对论与概念体系均已经清晰完善了。

    二、十年研究过程的“痛与快乐”

    初读“爱因斯坦相对论”表述是简单的,是位满面红光的君王。但那些“佯谬”的存在,表明它是位百年久治不愈的患者。为弄清“相对论”病理,需要不断地对其进行哲学批判,不断梳理它的概念逻辑脉络理清。这就似给一个疑难杂症患者不断地进行“X光扫描体检”,以发现“病症后面的病理”。

    本电子书所表述的“物理过程相对论”现在看来很简明(许多事情当把逻辑脉络弄清楚后,它就变得很简明),其实我确认它就是相对论是很痛苦的过程。观念上的束缚很难被发现。当年哥白尼用几十年就是没突破“天上的物体是圆周运动”这个束缚,所以他的日心说解释观测数据甚至没有托勒密的地心说精确;直到开普勒才突破这个束缚,提出椭圆轨道才使日心说真正变得精确。回头看去,所有科学理论的突破,都是“一句话就可点醒梦中人”的事。

    最初发现“伽利略变换”中没“时间变量”,而“爱因斯坦相对论”中有“时间变量”,两者差别就在于“信号参与后,主体观测到的路程和对象运动时间起算点应该是:主体与信号相遇点”,从而把“伽利变换”推算与“爱因斯坦火车厢案例”的过程解统一起来。发现关键点,却实让我十分激动和兴奋,而后的公式的步步推算也还顺利。

    但当我去理解爱因斯坦相对论为什么能用到洛仑兹因子时,却百思不得其解。用近一年的时间,我清楚了洛仑兹因子的由来,清楚了爱因斯坦经典文献推算思路,清楚了“几何平均数办法”可得洛仑兹因子,清楚了他用“光速不变”规定才能在路程换算上使用洛仑兹因子等等之后,我才真正看到“爱因斯坦相对论”是个数学公式,而不是物理过程公式。这时,我才真正总结出“相对速度陷阱”。

    在《诊断一》中,我只是把“时间”再分为“存在时间、观测时间”。当时“存在时间”指称的是“客体世界的唯一性时间”,而“观测时间”指称的是“主体世界的对应时间”。由此我找到了“存在时间相等原理”,它是物理过程换算的平台。这样,其实已经解决了“相对论”所研究关于时间的两种换算:其一,存在时间与观测时间的换算关系;其二,不同主体间观测时间的换算关系。

    但在追问“存在时间”本质时,我突然发现“存在时间”在客体世界没有“对应物”。也就是说,时间是纯主体世界中建构出来的参量,客体世界也没有过程。继而认识到“主体无法如上帝那样即时感知,要靠分析所拍摄的历史影片来描述客体”,那么“因果关系就成了客体相互作用关系的历史描述”。时间只存在于主体世界,那爱因斯坦所说的“尺缩钟慢”当然不会是客体世界的现象,“时空联结”也只是主体世界的描述方法。

    当不同主体观测值之间有换算系数,那么这系数就是“等式”两边同比放大的倍数,物理定律当然均适用。所以爱因斯坦把相对论称为“不变性理论”。

    2005年博士毕业后,我已经明白“物理过程相对论”根本用不到“光速不变原理”,但开始琢磨“光速不变原理”背后的概念问题,发现这个“光速不变”的教材解读其实隐含着“极限速度”、“游行速度”、“物体运动速度”、“原始粒子运动速度”等概念的物理意义,形成了我的“速度哲学论纲”(即诊断四)。

回顾这十年研究过程,那种煎熬极似阿黛尔唱的“rolling in the deep”(黑暗中翻滚,爱恨交加);面对概念再分与观念突破,则如同李娜所唱荡气回肠的“青藏高原”(缺氧中翻过一道道山)。当然,这个过程也有“快乐”,那就是每有概念分开了,让我有猜中谜底的兴奋;过程解释进一步通顺了,则让我有黑客过关的激动。

    三、区别于“官科、民科”的科哲思路

1905年爱因斯坦建立狭义相对论算起,至今已经过去百年。相对论已经被写入所有国家的《大学物理》教材,但它的许多“佯谬”过百年而不解。这些“佯谬”标示相对论肯定有问题和缺陷。

     1、官科与民科思路为什么不行

       百余年来,批判爱因斯坦相对论者无数,也都或多或少发现问题,那么多的佯谬就是这么产生来的。但他们的批判均不彻底,不是从概念再分主客二分层面进行系统化的哲学批判。   

       官方(或说正规)科学家的解决思路通常是用新实验去验证(比如寻找超光速现象);这条之所以走不通,是因为含混概念让人们无法设计验证实验;假使已经找到超光速现象,那又如何重构相对论哪?所以问题不能用实验检验方法去解决。

民科(那些游离于科学共同体之外而热衷于科学研究的人员)解决思路通常是在原来的概念体系内部去解决问题;这之条路之所以走不通,是因为原来的概念体系中存在许多含混概念,(比如光速,光在客体世界中作信号的速度,是运动速度;而光在主体世界中作观测对象的速度,是观测速度),导致问题不清,逻辑线不唯一;爱因斯坦相对论的那些问题无论怎样让你感受强烈,你也理不清头绪、走不出困境。

 2、我的科哲思路如何能走出困境

我的解决思路是重新区分概念,把原来含混的概念尽可能地作主客二分,这样就重新建立一套概念指意唯一化很好的概念体系;在此基础上,问题和解决思路就都清晰起来。

还有一个问题,就是我懂不懂相对论?读完物理专业的本科用时四年,读到硕士用时七年,读到博士用时十年;我从2002年起到今天也用时十年(这不算先前学科技史的时间),这十年间我专注研读相对论相关文献。所以,自己相信读懂了相对论,至少读出我理解的相对论。

我发现:以伽利略、牛顿为代表的绝对时空观和以爱因斯坦为代表的相对时空观虽不同,但均没注意等式陷阱(数学成立,物理不成立);均不明白凡有时间属性的事物只存在主体脑中;均不区分存在时间(不使用信号测量)和制式时间(使用信号测量);均不知道时间相等原理(两次相遇间,客体的存在时间相等)

     四、我在“相对论重构”路上的理论突破

    可用练武功的晋十层级来形容

    第一层突破:在对比伽利略变换和爱因斯坦相对论后,我发现相对论实质是两种换算关系:主体观测值与客体实际值换算关系、主体间观测值的同质换算关系

       第二层突破:我发现伽利略变换与爱因斯坦相对论的区别,源于是否考虑到信号参与主体观测值的形成。如果考虑到信号作用,那对象的运动路程、运动时间就应该在信号与主体相遇那刻来确定,而不是伽利略变换中在对象运动终止那刻来确定。 

       第三层突破:我发现时间是个混合概念。如果不区分存在时间观测时间(后期也称之为制式时间),就不能讨论清楚相对论问题。同样道理,客体的运动速度与主体的测得速度、对象运动的路程和主体观测路程也必须进行概念再分。否则,概念混用,就永远不能说清相对论问题(无数的挑战相对论者,都因还使用混合概念而失败)。

      第四层突破:我发现存在时间相等原理(这很关键),用它把所有制式时间换算成存在时间,就能得到各种换算系数。这些系数能表明,主体运动信号作用两个因素对制式条件下观测结果的影响。

      第五层突破:发现爱因斯坦的狭义相对论推导过程中,是采用了相对速度作唯一变量(由此落入速度等式陷阱),硬让相对速度不能区分的两种情况有同一的换算系数(共轭系数,即几何平均值;这是他推导过程中等式操作实质),从而附会上洛仑兹因子。 洛仑兹因子本是同一主体观测的两个特定对象的实际路程比例系数,而与两个主体观测同一个对象的路程值换算无关,也与同一主体观测两个同向对象的路程值换算无关。

        第六层突破:发现时间是纯主体性(客体无时间性,这绝对突破常识)的,是主体认知必须采用拍摄历史影片方法所引入的参量。就是说,凡与时间关联的事物,都只是主体世界中建构出来的物象。也就是说,爱因斯坦所说的尺缩钟慢现象,仅是主体所拍摄历史影片进行不同制式转录时,才有的现象。或者说,四维时空(时间与空间关联)仅是主体世界的描述方法,客体世界无穿越

       第七层突破:发现因果关系也仅是客体相互作用关系在主体世界的历史性描述。客体世界中存在的客体、空间只有运动属性、相互作用属性,而无时间属性和过程属性;主体世界中客体象、空间象才不但有运动属性、相互作用属性,而且有时间属性和过程属性

       第八层突破:发现相对论的理论建构中,根本用不到特殊规定光速不变。爱因斯坦只所以特殊强调光速不变,是因为他在公式推导中要强行贴上洛仑兹因子是路程收缩系数。而研究这个光速不变原理,让我也有意外收获,就是发现它隐含了极限速度游行速度等概念的物理意义,隐含了物体运动速度原始粒子运动速度等概念的物理意义。这些隐含的物理意义,从爱因斯坦撰写文献分析中没发现他有考虑。

       第九层突破:发现诸如速度=路程/时间等这种常识性物理公式背后隐藏着历史等于现实陷阱平均值陷阱相对速度等式陷阱等等。在主客世界彻底区分之后,发现路程其实是主体按观测过程把客体世界的空间距离进行主体性加合的结果。而且这种追究认知陷阱的思路,也以用来审视其他物理知识。

       第十层突破:发现我国科学文化中无哲学批判精神,先贤崇拜风气严重,国人习惯“学生式思维”,导致自然科学界以记住教材内容为人才标准,注解教材内容为研究内容;导致哲学界,不敢对现行教材内容(那些当下流行的科学理论)进行硬碰硬地批判,甚至科技哲学演变成对流行理论赞美和顺从。在这种科学文化传统下,才酿成了李约瑟难题和当下的钱学森之问

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