变革时空观的新物理学
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摘要：有别于现代物理学以牛顿力学方程和哈密顿方程为基础的机械力学思维，本文提出了有机世界的基于关系实在的、本质性的广义信息熵及最大流原理，建立了基于新时空观的新物理学，导出了新动力学（ξ 方程），对力也有更本质的理解，可以对时空、力、物质、生命、宇宙、有序结构、复杂系统等万物基于关系实在的、满足最大流原理的产生过程进行描述。新物理学框架可克服现代物理学遭遇到的几乎所有问题；在应用方面，本理论提供一套解决问题的全新思路，在研究具体复杂系统方面也已有广泛的运用。
关键词：时空观；力；关系实在；广义信息熵；最大流原理（MFP）
1 引言
综观整个现代物理学的发展史，自牛顿的独立于物质的绝对时空观以来，科学史曾经历了时空和物质运动相耦合的相对论时空观、量子力学的超弦高维时空观等几个阶段，这些可以说是公认的时空观革命。但这些时空观出发点是基于主客观分离的机械力学还原论逻辑，在时空背景上是定义质点、力、速度、加速度、动量、能量等参量（有可积的能量或哈密顿函数），核心是牛顿力学方程和哈密顿方程。这决定了现代物理学的基调是大都具有决定性结构和时间可逆的机械力学特性，显然与现实世界不相符合，蕴涵着深刻的逻辑缺陷，只能是过渡阶段的时空观及物理学，目前正遭遇到重重困难：量子引力的统一场问题、宇宙起源、奇点、黑洞、量子测量坍塌、混沌、湍流、时间佯谬（熵）、自组织和生命悖论（负熵）、G?del 不完备性等等。现代物理学似乎已逼近一个非如此不可的逻辑结构，从某种程度上讲，理论如此发展是因为再无它路可走。结合近几十年来开始考虑的开放条件下的有机宇宙演化问题，我们可以合理地怀疑这些既成事实的理论的自然理性逻辑体系是不完备的、自洽的。
物理学是否有可能走面貌完全不同的另一条路？抑或物理学科至今人们对宇宙实在、力和时空的理解都是错的或至少是片面的？起点不应是牛顿力学方程和哈密顿方程？为回答这个问题，有必要质疑，宇宙实在究竟是什么？时空究竟是什么？力是什么？何为惯性系？物理学究竟该是什么样？对这些问题的回答无疑需要一次新的时空革命及新物理学大厦的重建。
我们认为，重建物理学大厦的前提是如何正确认识宇宙实在、时空和力的本性。由于世界的有机性、主客体融合性、无边无际的耦合网络性，主张“时间、空间、力、运动、流变是人类在洞察和区分差异的过程中产生的，是一种主客体融合的整体而不是可以按机械力学来还原的，即与信息或熵联系在一起”是必要的。目前，沿着这条路径，兴起了热力学时空、耗散结构时空、系统时空、自组织时空观、周易时空、中医时空、分形与混沌时空、TOPOS、涌现时空、非交换时空、自旋网络、热引力、黑洞熵、哈代及Jaynes、惠勒等人的量子信息观、引力就是熵力的理论、Frieden 理论等诸多不成形的定性论述的时空观及新物理学[1-3]。
这些新时空观和物理学越来越接近原汁原味的自然整体，越来越倾向于认为时间与空间是我们人类在洞察和区分差异的过程中产生的，也即更多地关注了全息原理、熵和信息。可以说是从整体论的信息或熵的角度重新理解力（能量、哈密顿量或最小作用量），从而实现对物理学的重建。只不过这些思路仍然深深地根植于现代物理学的还原逻辑（牛顿力学方程和哈本课题得到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划资助。
可以说，“时间、空间、力究竟是什么”至今仍是一个激起人们强烈感情和疑惑的问题。
2 理论
2.1 经典的处理方法，世界处于无穷无尽的耦合之中，对象本来是不可隔离的有机整体，或者说宇宙就像一张巨大的全息图。
(1)式中，能量或哈密顿函数H 是可积的，即可分解或还原的。以此为基础，逐渐出现了电磁场理论、相对论、量子力学和统计力学，形成了物理学发展的标准模式。
2.2 经典处理方法的的问题及挑战不难看出，把注浆充填研究对象还原式地取出来后将它与其余部分的相互作用或联系定义成一个抽象的力，建立牛顿力学方程（这种方法也表示对应有可积的能量函数、哈密顿函数或作用量函数，即哈密顿力学方程），这种力（或能）其实是一种简化和抽象。因此，更实质的问题就是，既然这种还原式的逻辑方式仅是一种简化的处理方式而已，那么我们或许应对它进行质疑：它是惟一的、不可争议的建立物理学的途经吗？牛顿力学方程或哈密顿力学方程是发展物理学的基础方程吗？
今天已有诸多的先驱研究表明，对还原逻辑进行质疑是必需的。普里高津学派长期反对物理学确定的、可逆的时空观和动力学，认为物理学应有全新的时空和动力学，他发现了几乎在所有领域，能量函数、哈密顿函数或作用量函数都是不可积的，深刻揭示了物理学的阴暗面；邢修三指出用牛顿力学方程（包括哈密顿方程、刘维方程）作为物理学的基本方程是有问题的，物理学可能先天就是随机的，满足反常刘维方程，这也是对物理学的挑战；欧阳等人指出牛顿力学的规则理论没法描述很多非规则现象，深刻地揭示了力学还原论的逻辑漏洞；杨本洛对整个自然科学体系的逻辑悖论进行了深刻的批判。另外，最新研究暗示，万有引力乃至量子力学中描述奇异量子现象的电磁力、强相互作用力、弱相互作用力就是熵力或信息力，而熵力或信息力就是关系的不断区分并会趋向最大化，是一种整体统计结果而已，这意味着自牛顿以来的所有的力都不是基本的和可还原的，是对现代物理学中力及相应时空观的严肃质疑。
其实，显而易见的是，根植于还原逻辑的现代物理学已直接导致了巨大的困惑。首先是量子引力，如彭罗斯等指出的，相对论中的奇点或黑洞熵、量子测量坍塌、相对论与量子力学的不统一就暗示着现代物理学或许从牛顿时代起就蕴藏着自戕的不和谐因素。另外还有混沌、粗粒假设、不可逆佯谬或时间之矢、自组织、生命、心智等异常扰人的问题也是现代物理学必须直接面对的困惑。很多人不得不很不情愿地承认：碰到这些困惑的原因科技是我们把牛顿力学（或哈密顿力学）用到了不该用的场合。
因此，面对图1（a）这样的研究对象，一定有比还原性的力（可积的能量函数、哈密顿函数或作用量函数）更基本的东西，一定有一种与根植于还原逻辑的现代物理学不同的科学构架。前述的研究暗示我们需复活一个古老的真理：整体大于部分之和。换句话说，整体不是完全可以用还原性力（可积的能量函数、哈密顿函数或作用量函数）来处理的，更进一步，物理学的基本方程和时空观都不应是牛顿力学方程或哈密顿方程、刘维方程等所表示的。
一句话，我们需要直接从图1（a）所示的整体网络中提出力、时空和动力学的物理学大厦。
如目前Frieden 利用Fisher 信息重构了物理学，也有人从量子信息角度理解重力。这些研究是试图从反映整体网络的信息/熵角度修正牛顿力（能量函数、哈密顿函数或作用量函数）、时空观和动力学，提出新的物理学方程，从而尝试重建物理学。
尽管至今为止的研究强调了整体性对还原性的超越，一定程度上重新解释和超越了力（能量或哈密顿函数），取得了巨大进展，但由于没有正确地得出反映整体论的信息/熵的表达式，或仍根植于现代物理学的还原逻辑，没有正确理解图1（a）所示的研究对象的整体特性，目前的方法统统没法直接导出时空对称破缺的现实世界动力学。实际上，目前的信息和熵起源于统计力学和热力学，而统计力学和热力学尽管强调了整体性，但仍是以经典力学为基础，因而对整体性的理解是不彻底的，这导致了目前的信息和熵描述整体特性的不彻底，对能量函数、哈密顿函数或作用量函数的修正不充分，对最小作用量原理理解也不充分。
可以说，现代物理学带来的巨大困惑没有彻底根除，时空观和动力学的变革仍不是彻底的，新物理学方程的提出和物理学的重建都必须进一步深入展开。
2.3 新的处理方法面对图 1（a）所示的研究对象，必须以另外的更彻底的方式理解其整体特性，从而正确处理力/相互作用、时空、动力学，并重建物理学的新框架。我们的出发点是，对图1（a）所示的全息图这种研究对象，为了更全面地反映整体特性，注意到只有描述无穷无尽耦合关系的参量ρJ 才是第一位的、惟一的、更基本的、更全面的（当然这仅是一个哲学上的先验假设，争论仅应是哲学的品味方面，目前并不需要科学的解释，准确与否只有看其推出的结论是否符合实际，事实上由其推出的现实世界的图像表明它是正确的），它可以表示成[4-5]
过去以微观可逆的牛顿力学（或哈密顿力学）为基础，引入粗粒假设等，导出中观动理学方程，再进一步可导出所有宏观非线性偏微分方程（如流体力学、弹性力学、反应扩散方程等），也似乎能解决所有问题。现在借助对力的新理解，过去所谓的微观可逆动力学、中观动理学和宏观现象不可逆微分动力学方程终于统一了。其实所谓的基本力是不存在的，只有熵力，式（5）就是力学方程的广义普适形式，适用于从物理到生物和社会的所有系统，如量子、流体、天体、生命、城市等。它是一个以力矩而不是力为基础的结构方程，由此可给出结构化的预测结果。
2.4 新方法的寓意及应用讨论新时空观及物理学直接沟通了生命与非生命、心智与非心智、时间无方向与时间单向、有限与无限等之间的联系，是所谓的“生命的新物理法则”。经本文改造后的新物理学可以统一经典物理、化学、生物、生态、经济、社会、意识等各个层次，开辟了一条并行于现代科学的绝对时空、是在无穷无尽的耦合之中、无穷无尽的区分感知中诞生和演化的，这是惟一的严格形式，MFP 是惟一形式的取代现代科学的新物理学，由此产生新时空、力的新表述、新动力学（即不可逆的对称破缺的时空和信息动力学）及宇宙本质图像（一团流体的流变，是对称破缺的时空动力学，不妨称之为最大流时空观，它是关于自组织、系统、生命、社会、引力、量子、黑洞、宇宙、大自然的真实时空，是物理学或科学的本来面目），由此有其在中观层次上复杂系统中的严格应用。它是一门基于新时空理论的科学，至少原则上可以解释现代物理前沿的量子力学、相对论宇宙学难题，如证明四种力统一于力，产生宇宙大爆炸、黑洞，清除奇点，清除坍塌，解释真空场等，从而形成一门真正的与现代科学并行的新学科。
MFP 的新时空观及新物理学是对时空观和物理学的全新理解，更接近生物、社会、政治、艺术乃至宗教等现实世界，而不像现代物理学那样机械，与其它世界不相融或没法推向其它世界。
所谓科学，它并不是那种所谓的真实刻画了大自然的绝对真理。它只是一种构建，即如何从一个观点出发，最终能产生对于我们有效用的东西，可检验，也可像波普尔所说的那样被证伪。牛顿的科学是这样，爱因斯坦的科学也是这样，今天我们提出的科学同样是这样。
本文除了给出统一科学、重建新物理学框架这样的学术上的东西外，其在具体应用和检验方面也是很重要的。利用数据可对方程（5）重构求解（不过本框架暗示，由于各阶耦合都可能存在，大自然是不可穷尽的），MFP 反映了大自然是简单性与多样性的统一。
3 结语
牛顿力学发展到量子力学与相对论，它们都有各自的缺点，似乎不适合作为新理论的起点，已到了无路可走的地步，正如不少科学家提到的现代科学正走向终结。本文与非交换时空、自旋网络和TOPOS 等理论一样，从信息的角度提出了一个起初似乎不与现代物理学中任何其他东西相关联的数学结构MFP，由此产生时空、力、物质、能量、动力学、宇宙、万物，可统一宇宙学（相对论、黑洞、宇宙起源[7-8]）、量子力学（测量问题）和复杂系统。
类似于TOPOS，定义认知量、原汁原味的熵和信息，由其特性直接导致ρ，导致新时空观和动力学，这超越了普里高津及其它统计力学家的论点（普里高津分析了从对应牛顿力学的刘维时空上的刘维方程或哈密顿方程如何导出Langevin 方程，坚持热力学第二原理是一个基本原理，并分析了其对时空和动力学的影响，但他仍以牛顿力学为基础和逻辑传统不能不说有历史局限；其它统计力学家则仅是唯象地写出随机方程，或以牛顿力学为基础，引入粗粒假设，导出随机方程，乃至导出非线性偏微分方程，进而导出幂律之类，蕴涵但谈不上新时空观）；也超越了引力和黑洞的熵及时空观（如赵峥、Verlinde 等[1]提出的）。MFP无疑是继牛顿的绝对时空、爱因斯坦相对论时空、量子时空以来的又一次更大的时空革命，可称之为第三次时空/科学革命。它统一了过去所谓的主观时空与客观时空、内部时空与外部时空、耗散结构时空等概念，重新阐述了熵并发现了新变换，这与历史上相对论对Lorentz变换进行重新阐述以统一当地时空与实际时空相似。
由于本框架是一种直接面对现实世界的物理学理论，而不像过去人们在无时间方向、简单、机械、主客体分离的牛顿力学和相对论的时空观和动力学下描述的现实世界，因此，本框架在现实世界的复杂系统方面的具体应用方面是严格的、全新的。对具体复杂系统如有机自然、有机宇宙、生命、心智、秩序、自组织、活力等而言，过去采用的系统科学、非线性科学、自组织理论、复杂性科学、统计力学等理论均以牛顿力学为基础，是在自身逻辑框架上做的挣扎，均没有实质性地突破牛顿力学的内在物理逻辑，是不彻底的。因此，为描述其特性，需要一种全新的科学理论，即本文提出的直接基于新时空观和新物理学的科学理论。
