刘绍棠教授讲光的波动性和粒子性争论时,他说,如果光是粒子,会像一般粒子那样相互碰撞,那么我们怎么还能看得见远方的景物呢?光的空间

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书1 5.4 实物与暗物的数理逻辑体系
宋文淼 (wenmiaosong@gmail.com) 上传2007.10 浏览87




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《信息时代的物理世界——实物与暗物的数理逻辑》
第五章 实物与暗物

§ 5.4 实物与暗物的数理逻辑体系

从科学发展的历史可以看到一个合理的物理逻辑体系对于科学技术的发展会产生巨大的促进作用,而一个错误的物理逻辑体系是对科学发展的极大阻碍。但是实际上物理逻辑体系的合理或错误主要不仅是由逻辑体系的内容,而是由时代发展所造成的。每一个在科学发展的历史上起过作用的物理学的逻辑体系,在当时都是引领着科学发展的历史前进的,但是到了科学发展到一定时候,产生了大量的新的感性材料为原来的物理逻辑体系所不相容的时候,这个理论体系就成了科学发展的障碍,这时就必须有新的数理逻辑体系来代替它。

那么爱因斯坦的体系对于科学发展的障碍主要体现在那里呢?我们以为最基本的问题就是它的相对性原理:“任何物理学定律都具有相同的形式”,其它的一切都是枝节性的问题。这个被称为相对性原理的观念其实不是爱因斯坦发明的,也不是牛顿发明的。最早是伽利略提出来的,他是说在惯性系统中所有物理学定律不变,牛顿也用了这一原理。在伽利略和牛顿的时代物理学实际上就是力学,所以这一相对性原理与当时人们所认识到的物理现象是一致的。爱因斯坦的时代出现了麦克斯韦理论,使这一相对性原理产生了动摇。承认物理定律有不同的形式对于一般人说来也许是一件简单的事,但是对于科学家来说却是很困难的,在他们看来科学好像是整个人类所创造的一件最伟大的艺术品,经过多少代人的不懈努力,眼看着就要完成了,而现在又突然要重新再来。更大的问题是对于一般人只要说一句“只不过是重新再来”,但是科学家却不同,因为重新再来,到底怎么再来法,在他们看来,如果没有重新再来的途径,科学就要停顿了?我们很能理解爱因斯坦的方法,他仍把任何物理学定律都有相同的形式这一当时科学家们的信念作为出发点,于是要给它加上新的条件:不再是伽利略坐标变换下的惯性空间中物理学定律保持不变,而是寻找另一种系统下的统一的物理学定律。这就是最早在狭义相对论体系下寻找的统一的物理学定律,在那里他找到了牛顿理论所不可能找到的两个关系:能量与速度的关系和能质变换关系。这一成功鼓励他去作进一步的努力,开始了广义相对论的研究。因为狭义相对论取得的只是局部性的成功,而并没有达到物理学定律可以用一个相同的方程式来表示的目标。所以我们认为物理学定律都能保持相同形式的观念是爱因斯坦物理观产生问题的根源。但是爱因斯坦在广义相对论中最后得到的只是些更不重要也不可靠的验证,并进一步得到了一些没有理性的结果,当然爱因斯坦拒绝了那些没有理性的结果,晚年的爱因斯坦开始感到他所创立的理论也许本来就应该是另外一种样子的。但是一些现代的爱因斯坦却坚持着追寻一个可以描述整个宇宙运动规律的一个统一的方程式。我们相信这是不会有结果的。并不是说追求统一形式的物理世界的描述方法是件不应该去做的事,而是应该先把人类在工程技术、生产和生活中已经出现的大量的新的感性材料搞清楚。而不能再用于已经被生产实践所证明了的不可能的成功的方法继续再做下去。我们说被实践证明不可能的事就是指用光速 c这样一个常数通过所谓四维时空几何来制造符合整个宇宙运动规律的方程式。

我们希望关于实物和暗物的概念会对物质世界的重新认识提供一个新的方向。特别寄希望于中国年轻一代的物理学家能够沿着这条道路重新获得作为中国人的自信和自强的精神。物质存在有两种相反相成的形式完全符合辩证唯物主义的哲学观,也符合所有的物理学的实验观察。当年牛顿在他的力学理论中只有实物,他一直为此而感到不安,他认为一个物体可以把力和相互作用通过虚空加给另一个物体是极大的荒唐,实际上引力场的存在已经早已为科学界所接受,只是碍于爱因斯坦的相对论才总是表示得那样暧昧不清。物质存在的两种属性,实物的空间占有性和暗物 (或虚物)的空间共容性是描述迄今为止所有实际观察的最合适的表述,记得近半个世纪前,在清华大学学普通物理时,刘绍棠教授讲光的波动性和粒子性争论时,他说,如果光是粒子,会像一般粒子那样相互碰撞,那么我们怎么还能看得见远方的景物呢?我想关于光的空间共容性不过是我把半个世纪前受到的老师的教育,在适当的场合用适当的语言重新表达出来而已。同样物质自身存在的空间属性和物质运动的时空属性同样是为所有物理观察所证明的,也是曹盛林的著作中所清楚描述过的,他研究的是芬斯勒时空中的相对论 [2],在某些方面我们有不同的观点,但是我在他的著作中学到了很多深刻的思想。把实物和暗物组成一个完整的物理世界,有质物质的以质量、位移和速度等作为表征的实物运动特性和对应的以频率、波长和波函数等为表征的暗物波运动特性同样也已为信息社会的大量实践所证明,并且也已经有了大量的现代数学方法可以合理地描述这样一种物理理论模型,只是这将涉及到很多繁复的数学形式。由于本书的性质,这里只宜作一概念性的介绍:

描述一个完整的物质运动过程应该是描述实物的运动过程和暗物的运动过程的两个偏微分方程组的组合。虽然这一对方程组的自变量确实只是时间和空间,由于这两个偏微分方程组的形式不同,对于这样两个偏微分方程组的组合的数学性质将完全不同于一般代数方程或者微分方程的联立方程组。在爱因斯坦时代把它看成时间和空间的四维几何是完全可以理解的,由于那个时代还没有对于偏微分方程的一般数学理论,如线性微分算子、线性偏微分算子和函数空间的理论。很显然只有在把上面的问题加上极端的简化条件才有可能找到这一对偏微分方程组的组合与四维时空几何的某些对应关系。这就是狭义相对论所找到的物理关系。这种极端简化条件首先是把空间变为一维的,因为三维时空无法与时间找到对应的数学关系,其次还要对实物和暗物的运动作极端的简化,这样就可以把两个时空的偏微分方程组合变成两个以时间和某一维空间为独立变量的代数方程组,而这个代数方程组的独立函数中有一个也变换为质量。这样我们可以找到相对论质量速度关系的物理内涵。在那里光速 c既不是永远不变的更不是不能被超越的一个宇宙间的唯一的特殊量,而只是极端简化假定中保持不变波速。质量也是事先假定了与速度的某种简化关系,这种质量与速度的关系也是在出现了与速度有关的非牛顿力之后所自然出现的,这在上一节中已经做了详细讨论,但在推导狭义相对论关系时必须再做简化假定。除此以外爱因斯坦相对论中的所有公设和时空关系都只是狭义相对论所需要的一些铺垫,并没有任何真实的物理内容。

也就是说在20世纪初,假如有人给了两个偏微分方程组让人们去求解,而没有任何关于偏微分方程的知识。当时的牛顿们坚持牛顿的理论框架,略去了暗物的方程组,得到了时间与空间可以分离的方程组,对每个瞬时都可以计算出经典的结果。而爱因斯坦却坚信必须把时间和空间联系起来,宁愿在其它方面作尽可能的简化,于是得到了时空联系的方程组和狭义相对论的结果。确实爱因斯坦超过了所有 19世纪末的牛顿们!这就叫创新!原创性的创新!尽管当时据说只有三个半人懂得相对论,但是与实践的正确关系是人们不得不承认他!到后来爱因斯坦把它推广到三维空间的时候,发展成了广义相对论,实际上在四维时空上的几何是没有物理内容的,不可能再得到任何与物理实在有正确关系的理论结果。所以实际上那时三个半人懂得相对论也是虚的,只有爱因斯坦自己可以算半个懂得相对论的人。但是以后越来越多的人都懂得了相对论,不懂得相对论的人就不懂得科学,站在广义相对论最前面创造着各种光怪陆离的宇宙模型的人成了科学的权威。实际上真正具有正常思维的人是无法搞懂清楚这些权威们所搞的那些明堂的。

但是我们又不得不看到科学发展的曲折性。我们完全不应该把现在的思维方法用到爱因斯坦的年代。实际上科学是按着爱因斯坦所引领的道路经过多少屈折才到达现在的境地。下面让我们重新回到那个年代来回顾和终结爱因斯坦引领着我们所走过的道路。

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