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陈建国专栏 >> 陈建国译:现实物理学6

陈建国 (jianguochen4@yahoo.com) 2007.04

第六节 知识的荆棘之路

(征求出版商与征求评论稿,未经书面授权、不得转载!)

现在,当我们有了通用的、可说是描写存在的原则性理论——现实系统的进化定律、有序原理和过程相互联系的基本定律以后,必须转而重新对科学知识的过去进行回顾,这是为着认清和体验知识的荆棘之路的内情。

“宇宙由原子组成”、“宇宙在运动中产生”—这些古老的点滴智慧,原来是科学世界的指路之星。以后的两千年,了解在过去的一些世纪中“由此提供了什么”,发现人类的知识仍站在这条路上。也只有到了二十世纪,在这种思想的指导下,人们才在离子显微镜的屏幕上看到了原子。

第二条道路是荆棘丛生的、艰难的和痛苦的:运动力学、运动动力学、统计物理学、量子力学、场论……。非常遗憾,格·伽利略、伊·牛顿的经典自然科学成果,原来是科学界所不明白、不理解和不消化的。在知识的继承链条上,更形成了一种很深的破坏。知识的继承性原则的第一个破坏,是对古典知识的轻视,表现为不理解和没有采用适当地评价方式。轻慢地对待古代知识文明的态度一直保持到今天。只是在第二个千年的末期,人类才开始注意到古代的珍贵遗物。试图理解古老巫术文明中的幻想式作品。

M·法拉第、A·M·安培、O·赫维赛德、G·L赫兹、J·C·麦克斯韦打开了电磁和光的世界,但这个世界过分新奇和非同寻常,而当时阅读和理解J·C·麦克斯韦的著作感到困难和不可理解。O·赫维赛德和G·L赫兹“改写”他的“电动力学”是为了不理解它的人,从中去除了不是非常重要的因素——电磁波赖以传播的介质以太。更有甚者,麦克斯韦方程的习惯和通常的书写步骤中,写成微分形式却丢掉了重要的性质——不可互换性,这种性质包含在原始的假定之中,表示为四元形式的式子(这是缔合式,而不是可交换的代数式)来描写电磁波的传播过程。而所有这一切表明,在对于波的传播过程所做的数学描写中,失去了最本质的环节,因为在不可交换的代数式中ab≠ba。纵波消失了,在介质中激发起原生波。而这些从数学运算式和物理原理中所消失的东西,反映了过程最重要的基本性质——相互作用,也就是在现实系统中因果关系表现的特点。

在麦克斯韦公式系统的现代概念中,包含有电磁波的特性对于时间的偏导数。而这就表明,公式系统没有考虑到叠加于所研究现象上面的联系,而按偏导数的定义,这就保证了电磁波的性质只相对于一个参数—时间而表现出来。所以从对现实的描述中显现出来的,是现实自身经过选择的性质。更有甚者,通常形态的麦克斯韦方程,不考虑在此过程中最本质的观点——即波与介质和物质相互联系的观点,预测所描写波动过程的结构的观点。问题在于,描写任何相互联系,都要表达出相互作用的确切性质,这种性质必须包含在自己的原理之中,并写进过程的动力学。在传统的电动力学中,实际上在所有理论中,描写带有强力特性的过程变化,都不怀疑:任何力都不能自行完成,不会以确定的速度附加上去。只有在这种情况下,方程式携带着有关传播过程已经完成的信息,这是特定作用的自我实现所要求的。这样一种描写显示为“无效的”,也就是它不能促进对于实现相互作用是必需的这种作用的完成。

在理论物理学中的这种情况是这样产生的:牛顿第二定律被看成是“定律”,而不被看成是它应该怎样实现的“定义”。正是因此,它的概念的数学形式,不能作为相互联系过程的方程式,甚至于不能作为运动方程来看待,因为它只反映了相互作用中相互联系过程的个别形式,而绝对不是由克列通FV所代表的相互联系的整体。克列通本身不仅带有能的数量特性,而且也带有能的质的特性,这些能对于作用是必需的并在相互作用过程中发生变换。克列通保证了在波的传播过程中相互作用描述的完整性。这也给出了理由证明,利用传统的方程式是“无效的”,它不可能反映现实所发生的事情的特性。

L·E·玻耳兹曼、J·W·吉布斯试图写清楚借助于力学定律所研究的现象,但是采用了传统的用概率形式评价状态特性的观点,这样就严重背离了经典观点,只让描写过程而不描写状态,且现象中的每一步都只是完成了个别事件。在科学实践中背离了一种观念,即考虑因果联系应如何表现的观念,相互作用、程序的观念,而这种程序还是由格·伽利略、伊·牛顿制定的,但当时还不理解,科学界也显然是不知情。

L·E·玻耳兹曼对于由不相互作用的粒子组成的系统模式进行考察。在玻耳兹曼方程式的结论中,利用了碰撞数学理论,没有考虑动力学的特殊定律11。正是这种情况要求引入某种数学法则(玻耳兹曼-吉布斯定则),它用这些碰撞过程参数的平均值,代替了对于过程动力学的表现规律进行详细研究。在这样的考察程序中,普适定律完全保存下来的只有“平均值”,同时缺少了对于某种形式相互作用的考虑,而这种相互作用的任何形式在牛顿动力学那里都考虑到了。

按这个程序更详细的工作由T·季、J·W·吉布斯延续下去,他们由此出发,以成果的准确性确定了对碰撞程序的描写准确地遵守力学定律。但是,在这种程序中利用概率手段评价参数,而不考虑相互作用,将科学引向沿概率的道路描写实际,而使现实成为偶然的牺牲品。

我们注意到学者们对待“平均”方法的态度。玻耳兹曼-吉布斯曾经假定:空间的平均值等于时间的平均值。这是遍历性系统的性质,虽然这个原则在数学上没有根据11。这些状态参数的平均值,被认为是在实验中测定的,它们因此被应用于方程式中,例如,在玻耳兹曼方程式中,能够用于描写现象。但是,问题正在这里,每个事实、每个对象的个性特征是大自然的基本属性。最为明显的是,如果运用现实动力学的概念,正是每个基本事例的个性特征的考虑,指出了这种描述的不可通约的实质性简化。

所以应该特别强调,无论是在统计学的方法中,还是在一切物理学的方法中,直到现在,清楚的程序性特征,例如把力、能作为一种状态特性来看待时,在过程中仅仅是产生和存在。这种情况在根本上使任何实验的分析和静态动力学的描述都失败。这是自然,因为应该描写的是过程的性质、作用强度。

统计方法的进一步发展及在此基础上产生的理论指出,在相互作用事件中每个元素的相互作用都不考虑,也不考虑在现实系统中这种相互作用的模式,就不能解决物理学中原则性的问题——多体问题,也就是不能得到关于相互作用粒子系统在外界条件变化时粒子行为的正确描述。

20世纪——科学、技术和工艺飞速地发展。洛仑兹、爱因斯坦、普安卡雷、闵可夫斯基、弗里德曼都力图描写空间和时间的性质,目的在于阐明现实问题,其中包括万有引力、空间弯曲,所有的理论都沿着把它们作为某种实体的这个方向,从容不迫地往前走。实体性的自然和空间一道带上了时间。坚持不懈地断言,对于描写对象,数学的指定是可信的,而不是由对象决定程序。写下了洛仑兹变换以后,就引出了关于存在极限传播速度,而这个速度就是电磁波传播速度即光速的假设。宇宙的新图景形成了,关于宇宙动力学的新概念形成了。在遥远星系辐射光谱中观察到了红移以后,就把它作为宇宙膨胀模型的基础,并且它也是由于宇宙大爆炸而产生的。在这个模型中,宇宙微波辐射被看成是大爆炸的残余。现在也可以把宇宙微波辐射看成是宇宙进化中的退化作用的成果,这种作用的竞争推动了熵减过程。如果是这样的话,那微波辐射的特性是在当时——数百万年前——在这里和现在反映的是宇宙进化过程。也就是熵增和熵减的竞争过程。

关于存在恒定的极限速度,光速就是这种速度的假设,是在相对论中奠定基础的,这在物理学中引发了众多的怀疑。但是,它很快就长期地站住了脚跟,因为一系列实验(迈克尔逊-莫雷实验等等)被说成是该理论的证明。

玻尔、海森堡、薜定谔、费米、费曼深入到电子和原子过程的世界。历史在直到第二个千年结束前的整个时期内,用丰富的经验来理解原子和原子核的构成、电子在原子结构和物质中的作用,应当高扬一种原则:“思想需要充分地疯狂”,——创造多种多样的理论,然而在此基础上出现的是以概率标准评价所描绘的“状态”参数的习惯性做法。理论物理的武库中精选出各种各样的原理:玻尔互补原理、海森堡不确定性原理、系列物理特性曲线按最少参数展开原则、相似原理等等。虽然这些原理(则)在科学文献中广泛使用,但是据多数情况,它们都没有带来所预测的成就。

现在已经明白,它们都是没有根据的。系列物理特性曲线按最少参数原则展开——这是解非线性方程所产生的经验。既然在现实中性质是非线性的,正如我们所看到的,随着每个基本事件的变化状态也发生变化,那上面的做法就取消了描写用预测方法增补现实过程的想法,因为每个叙述都只表现单一基本步骤的活动。在相似原则中,调整所研究尺度行为的相似性,却总是不考虑它的资源变化的特性,这结果是多么的奇异。这样,所谓的海森堡不确定性原理、状态参数的测不准关系式是:

正是与状态概念自身的不确定性相联系的,拿它作为经典来评价时空共轭参数和过程的函数参数。正是因此,类似的关系式只有在过程函数的参数中表示出来,才可以看成是过程参数的定义原则(4)或者看成是描述过程相互联系基本定律的数学式。直到现在,在流行的物理学中,还继续把实验看成是状态的顺序过程,而状态本身表征为过程的函数性质。为使这种方法论能成立,引入了“准静态过程”的概念,这原本荒谬的物理概念无助于解决问题。

随着M·普朗克能量子的发现和A·爱因斯坦对光电效应的解释,物理学偏向于选择“量子态”,试图解释所观察过程的规律性。量子力学、量子电动力学、量子化学、量子场,一直到空间和时间的量子化——这就是20世纪物理学制造出来的成果。

正如我们所看到的,现实动力学所提出的观念可以解释和描写许多现实过程的特性,这些在理论物理学的现有框架内原则上是无法解释的。实际上,量子化无论是过程原本就存在一份一份的特性(如能量),还是所发生事件的实现过程表现为此类形式,都没能突显出来。正是事实的概念和那种拟人化的特点,投进了“量子化”概念中。而如果这个作用的大小取决于作用力与作用速度的乘积,即克列通,这种作用的能量保障值的话,普朗克常数h此时就作为在相互联系方程式中作用大小的量纲系数被突出出来。从这样的观点看待众所周知的关系式E=hν。此处h也作为过程的时间特性(过程的时间长度倒数)及其能量保障的量纲系数。这个常量系数很重要的特点是,它与电磁波的频带无关!事实上,普朗克公式E=hν表示能量在质的方面的特性,它在相互作用过程中的强度。完全明白,1焦尔能量的作用在频率为1010赫兹时,实际上不同于同样能量的作用而频率为1000赫兹。

但是在20世纪的后半期,P·费曼已经被迫承认,在物理学中使用了相互矛盾的原则,必须在工作中抛弃一部分,而保留另一部分。在物理学、化学、生物学中发现了许多对实际工作有益的东西,但是并没有理解现象之本质。物理学对此的回答是,或许因为发生了不必回答的问题,为什么这事会发生,就是因为其中缺失了因果相互联系的定律。物理学自身也越来越被劝告说,在逻辑上不能勉强合拢。物理学过分地注意研究代表进化过程的“状态”,作为“状态”的顺序性,从机械论的角度看是极简单的,而由一种状态向另一种状态的过渡是有规律的。正是这这样的思想方法中,进化过程也被看成是过程的顺序性、事件实现的顺序性,它反映了存在的特殊本质。

相应地描写这种过程的数学,同时也成了科学,因为数学自身在描写状态时只是客体的运算程序,而决不是客体本身。在这种思想方法中关于客体性质的概念是独立变化的。现在,性质作为客体对于外部作用发生反应的程序特征出现,而不是作为绝对的、不变的客体中的特殊性质的存在、客体自身的独立特性。正是反应这个概念本身,突显了作为与改造相联系的、即与在作用从一个对象向另一对象转移过程中作用的再造相联系的、因果转化过程的存在。所以,对于物理学和数学来说,遇到了同一个研究对象——事实场

在这里大量存在的现象,触及到了过程的一般性质——反映过程在作用参数变换时过程的量的特性和性质的特性之过程的能量信息。

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