近距作用与超距作用及量子纠缠
宇宙研究网 吴东敏
物质粒子或物质结构之间的相互作用,是相互之间自然力的作用。在长期的科学总结中,自然力只有四种:引力,电磁力,弱力,强核力。近代物理学400多年以来,几乎所有的物理学家都认为,物质之间力的作用方式只能是近距作用,不可能是超距作用。超距作用是物理学历史上曾经出现过的一种观点,超距作用指的是相隔一定距离的两个物体之间存在着直接的,瞬时的相互作用,不需要任何传递媒质,也不需要任何传递时间。
近代科学始祖勒奈•笛卡尔(1564-1642年),法国人。霍金在他的名著《大设计》中曾经十余次提到笛卡尔的名字。笛卡尔提出太阳系起源的“漩涡说”,曾经是17世纪最有权威的宇宙论。笛卡尔认为宇宙空间中的物体不存在“超距作用”,并最早将“以太”(ether)引入到科学里来,作为中间媒质传递力的作用,解释磁力和月球对潮汐的作用力。
1686年,艾萨克·牛顿(1643-1727年)提出万有引力定律,表达了天体之间或粒子之间的引力关系。但他未解释引力的传递过程和作用时间。虽然牛顿也相信以太是存在的,但由于人们没有找到以太存在的证据,所有的以太模型也都存在缺陷。所以,牛顿的弟子认为以太并不存在,天体之间的引力是超距作用,不需要任何传递媒质,也不需要传递时间,可以认为是比光速快得多的瞬时作用。
超距作用是超自然的作用,本来属于四大宗教和神学的观念,在哲学上属于唯心主义的观念范畴,对于信奉唯物主义哲学的物理学家来说,绝对不会相信两个物体在它们之间没有任何关连的情况下会发生任何作用。
1837年,迈克尔·法拉第(1791-1867年)提出电场,磁场的概念,用电力线,磁力线来表达电磁相互作用。用“场”的概念取代以太和电磁以太来表达物质的近距作用。其实,“场”仅仅是一种设想,虽然法拉第以来的科学家对场的本质并不了解,可是就这样不明不白,糊里糊涂地把“场”视为“特殊物质”作为传递媒质传承至今已有170余年。法拉第以后经麦克斯韦(1831-1879年)用几条偏微分方程组成的方程组来描述电场磁场及其性质,居然物理学家们都能接受相信,并把它视为经典电磁场理论。后来爱因斯坦(1879-1955年)也模仿麦克斯韦,修改了牛顿万有引力概念,也用“场”的概念和引力场偏微分方程表述引力,用引力场取代笛卡尔的以太,物理学家们也能接受相信。可以看出,这些物理学家的共同观点是,用物质(以太或场)的近距作用形式来传递相互作用,而不相信物质之间存在超距作用。
爱因斯坦引力场方程是条难解的二阶非线性偏微分方程,它的两个近似解史瓦西解和克尔解都把爱因斯坦时空导入奇点。霍金在其名著《时间简史》中说道::“经典广义相对论由于预言无限大密度的点而预示了自身的垮台。”虽然霍金对大爆炸理论的修正,黑洞引力效应,面积定理,无毛定理,量子效应等理论的建立起决定性的贡献,但是霍金根本不相信广义相对论和大爆炸理论,也不会相信自己的黑洞理论,所以把虫洞和时间旅行等科学幻想也写进他的书中。20世纪20年代以后,爱因斯坦逐渐成为至高无上的世界级物理学权威,像霍金这样的身份地位怎敢碰触广义相对论这条红线。霍金表达自己的观点比较隐晦,许多教授学者甚至霍金身边的弟子没有仔细阅读霍金的《时间简史》,不理解霍金的真正灵魂。
其实,从20世纪70年代起,霍金投入到“量子引力”理论研究之中。去除爱因斯坦引力“场”的概念,在量子引力理论中,霍金认为,天体之间的引力作用是通过被称为“引力子”的虚粒子的不断交换来实现,这种引力子非常奇妙,它没有质量,天体会连续不断地发射引力子传递引力作用,使天体互相吸引。
在现代高能粒子物理学中,认为宇宙中的一切结构由62种“费米子”和“玻色子”(36种夸克,12种轻子,14种玻色子)构成,其中由13种被称为自旋分别为0,1,2的“玻色子”传递力的作用,引力子是玻色子的一种。还有传递电磁力的玻色子“光子”,传递弱力的三个重矢量玻色子,传递强核力的8个“胶子”,这表明天体之间的引力作用,原子核与电子之间的电磁作用,核子之间的强作用,核子内部的弱作用,都是近距作用,它们两者之间并不是一无所有或空无一切的超距作用。近距作用是近代和现代物理学界中物体与物质粒子相互作用的主流观点。近距作用与超距作用两种不同观念是区别唯物主义与唯心主义的分水岭与试金石。支持近距作用观点是近代400年从哥白尼,伽利略,笛卡尔,牛顿,胡克,库伦,惠更斯,法拉第,麦克斯韦,赫兹,开普勒,普朗克,爱因斯坦,霍金等几乎所有物理学家的共识,是数千年人类文明从神学走向科学的重要标志。
自然科学发展总是在艰难曲折中不断前进。20世纪初,德国物理学家普朗克在黑体辐射实验中发现能量与频率成正比关系E=hf,显示了h成为最小能量单位,被称为最小“能量子”或“量子”,频率f的数值是自然数列,所以,能量是一份一份像粒子,能量是不连续的。普朗克自己都无法相信这个“量子”观念,然而这个设想与实验结果却十分相符。后来爱因斯坦提出“光子”概念,其实,光量子才是量子力学的基石,逐渐发展成为一门真正的的科学——量子力学。对于量子力学基本原理的诠释理解在科学界始终存在不同的观点。1935年,“量子纠缠”观念被爱因斯坦–波多斯基–罗森桥(爱·波·罗或EBR)等三人作为一个悖论的质问提出,被作者称为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦咒骂超距作用为鬼魅作用,是因为人们认识宇宙问题的思想方法牵涉到是否符合哲学和逻辑学定律定理等重大问题。爱因斯坦“上帝不掷骰子”的决定论量子力学与波尔的概率论量子力学之间产生严重分歧。海森堡的“不确定性原理”是世界上不可回避的基本原理,对于粒子的位置与速度不能同时被精确观测到,遵守统计规律的概率论量子力学才与实验现实相符。尽管如此,持续20多年的爱因斯坦波尔之争,直到1955年,爱因斯坦至死坚持不相信量子力学是完备的科学。由此可见,对于不能直接观测到的微观世界物质现象的规律是不能用一两个,三五个实验能够证明而使人信服,宇宙复杂性的程度是人们难以想象的。爱因斯坦如此执着和自信是基于他对唯物主义哲学的信任。在小的局域范围内,量子之间的纠缠或相互作用,可能有人们未知的物质在传递力的作用。非局域大距离的量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在瞬时的强关联,它们之间无须任何媒质,那也是绝对不可能的。
20世纪下半叶起,西方物理学在发展中渗透进更多的唯心主义设想,可能把物理学研究引向歧路。重新提出“量子纠缠”与“超距作用”就是其中一例。1996年,中国科技大学物理学硕士潘建伟先生到奥地利维也纳大学攻读博士学位,从事量子纠缠和其它量子物理信息方面的研究工作。回国后,现任中国科技大学常务副校长,中国科学院院士。由潘院士主持的“量子隐形传态项目组”于2013年测出,量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级(10000倍以上)。宣称量子纠缠的实在性,非局域性,隐变量以及测量等量子力学问题在量子计算和量子通信研究中起重要作用。对此,我感到十分震惊。我有以下疑问想法和建议:
- 为了消除学者的误会,潘院士首先应该说明,本项目中的量子概念指的是“粒子”还是“波”。
- 电子,离子,核子是能量子,算不算本项目中的量子。潘院士心目中的电子计算机与量子计算机有什么不同。
- 本项目中的相互纠缠的量子是光子,电子,原子或者是其它粒子,应当很明确地说明清楚。
- 对纠缠量子的制备和纠缠效应的测量是本项目的重要部分。应该向纳税人公布量子纠缠原理的实验设备,实验仪器,实验器材,实验程序和实验报告。基本的量子纠缠原理实验应该不属于保密范畴,若愿意公开整个实验装置和实验过程更好。这样做是为了便于广大科学研究者科学爱好者对本项目的实验结果,包括“量子纠缠”及“超距作用”等问题提出质疑。
- 本项目组测出量子纠缠的传输速度比光速快10000倍,是用什么仪器设备测量的,还是算出来的,可靠吗?
- 我认为:所谓的两个或多个量子系统之间的量子纠缠极有可能是一种无线遥控装置,它可能工作在微波,远红外或近红外,可见光波段范围内某个未开发的区域之中。虽然它隐秘性很好,但也不可能是超距作用。所谓测出来传输速度比光速快10000倍,很可能是误会,由于传输如此短距离,所需时间非常短,可能在皮秒(ps),飞秒(fs)数量级。如仪器工作在某非线性区域,会产生差之毫厘谬以千里的后果,如再加上计算方法可能有误,测算结果会产生严重失真。超光速问题是敏感问题,是不能随便下结论的,须十分谨慎。
- 对于近距作用还是超距作用问题,究竟是400年以来大批著名科学家诸如笛卡尔,牛顿,法拉第,麦克斯韦,爱因斯坦,霍金错了,还是潘建伟院士错了?是现代高能粒子物理理论错了,还是潘建伟院士错了?对于量子纠缠的EBR悖论,是爱因斯坦等三人错了,还是潘建伟院士错了?这些都是科学界十分重大的事件。建议中国科学院拿出必要的实验研究经费或以某科委科协主持下召集科学工作者组成项目组,制作必要的设施,直观清晰地验证“量子隐形传态研究项目组”的量子纠缠效应和超距作用实验能否成立,同时说明是否有学术造假之弊。世界上大部分魔术是可以被揭穿的,是否真金须要用火来炼。
- 从正反两个方面进行科研项目的研究有如下益处:
- 可以提高研究效率,促进和加快研究步伐。
- 可以比较有效地防止研究工作误入歧途。
- 本项目是极为重大的项目,不管结果如何,只要做好能说明问题的实验,都是对人类科学的重大贡献。
- 可以相对节省科研费用,对纳税人有所交代。科学发展的脚步不能停顿,纳税人的钱不能浪费!
请原谅我对“量子隐形传态研究项目”提出挑战,追求真理是科学工作者人生的最大愿望。谢谢所有科学家和科学爱好者的关注。
2015/10/14 于上海
研究超光速的美籍华人学者—-张操教授
胡昌伟
今年在科学网上有一篇博文“50年磨一剑:超光速20倍”,其关注度的数据是:热度45,4460次阅读,204个评论,推荐数20。可见该文很吸引科学网读者们的眼球。它的作者就是美籍华人物理学家张操教授。
在物理学界,超光速是个既绕不开,又很难碰的问题。说它绕不开,因为有许多现象显示超光速的存在,比如已经发现有几十个类星体内部子源的视速度存在着超光速;在量子隧道效应和量子隐形传态等实验中存在着超光速;SN1987A超新星爆发后,中微子比光子早到达地球3个多小时等等。然而,大多数物理学家对超光速问题“敬而远之”,因为作为现代物理学两大基础之一的相对论认为:任何物体的运动速度或信号的传播速度都不能超过真空中的光速。因此,研究超光速是有风险的,这需要一种实事求是,大无畏的,敢于反潮流的创新精神。张操教授就有这样的精神,他的这种精神既表现在学术上,也体现在生活中。
张操教授1942年出生,1960-1965年就读于复旦大学核物理专业。在大学三年级时,他与同班女同学董蓓蕾相恋了。当时,大学生不能谈恋爱是一条不成文的潜规则,触犯这条规则是要受到惩罚的。但他俩的恋爱发自内心,真诚、纯洁,他们认为这是神圣的,就坚持了下来。
在大学毕业分配时,他俩受到了实实在在的惩罚:张操被分配到安徽,董蓓蕾被分配到北京。他们的爱情经受了七年分居两地的考验。后来,他们坚贞的爱情打动了董蓓蕾工作单位的军管会主任,是他(军人也有情!)帮助把张操的工作从安徽调到了北京。后来,他俩一起去美国讲学和工作,退休后又双双回上海定居,他俩的婚姻生活可以说是白头偕老,美满幸福。
张操大学毕业踏上工作岗位,正逢“造反有理”的文革时期,他在学术上也造了一次反。当时,学术界认为:河外星系的普遍性红移是多普勒的速度效应,即红移值越高,它们逃离地球的速度就越大。他对此提出了质疑,写了《宇宙学红移的可能解释》一文,并于1974年发表在当时国内唯一的一家物理学杂志《物理》上,并引起了一些讨论。
当时,世界上还没有个人电脑,更没有英特网。可是美国的物理学界有一个收集前沿科研信息的很好的做法,他们办了一个期刊《物理学文摘(Physics Abstract)》,它不仅收集欧美的物理学论文,也关注苏联和中国的物理学论文,有专人负责翻译。张操惊喜地发现,他的论文摘要竟出现在《物理学文摘》上。 估计翻译者是台湾人,他把张操的名字翻译成:“Tsao Chang”。 为了保持科学论文上作者名字的一致性,后来他就一直采用这个英文名字。
1980年,乘中国大地上的改革开放的春风,张操有幸得到了胡耀邦总书记的关心,作为访问学者前往美国进修了近二年。他在办理护照时填写了Tsao Chang这个名字,外交部批准了。大陆人办理出国护照时采用台湾人的英文拼法,张操或许是第一个。到美国以后,很多台湾人以为张操是从台湾去美国的,张操回答说,他是从大陆来的中国人,与台湾人是一家。
张操的第一篇英文论文发表在1979年的欧洲《物理快报》(Physics Letters)上,论文标题的中译是:“各向异性空间中的麦克斯韦方程”。其学术观点是,根据宇宙微波背景辐射的各向异性,可定义一个特殊的惯性系,从而麦克斯韦方程组可以改写成为另外一种形式。这种“定义一个特殊的惯性系”的做法,是带有反潮流性的。当时在中国打字机也很少,他用手写稿向《物理快报》投稿后,对是否能够正式发表把握不大。想不到,他很快收到了该刊物主编的回复,表示接受论文发表。该编辑部还帮助他校正英文,并替他英文打字,论文很快在3个月时间内发表了。回想起来,他很感谢那位主编,因为那篇论文的发表过程几乎是一个奇迹。不仅如此,那篇论文发表以后,就有美国教授邀请他去美国访问,这使张操走出了一条他原来没有设想过的人生道路。同在1979年,他的另外一篇英文论文“超光速研究的一个新途径”发表在英国物理期刊上,这是他对超光速研究的第一篇论文。
在张操的几篇英文论文中,他研究了Tangherlini教授在1959年提出的“推广的伽利略变换”。在这种变换的框架中,可以描述超光速运动的粒子。在美国期间,张操教授与Tangherlini教授有3次互访。大约在1981年,张操教授前去拜访时,Tangherlini教授还带他前去哈佛大学听英国物理学家霍金教授的一场讲座。
在中国与美国,张操教授曾教授过电动力学,近代物理等课程,并兼搞相对论和引力理论的研究,发表研究论文二十多篇。他个人研究的重点一直是超光速问题。在1985年初的一次国际学术会议上,他预言了中微子是超光速粒子。在2000年,他与复旦大学资深教授倪光炯合作研究了中微子超光速的量子方程。
张操教授在美期间,还研究了空间物理学。其中有几年参与了美国太空总署与斯坦福大学合作的大型实验项目:引力探测器B的误差分析。美国的“引力探测器B”卫星项目,耗资7.5亿美元,其目的是为了验证相对论性的“惯性系拖曳效应”导致的陀螺仪自转轴偏转。其角度之小,就好比是从400米远之外去看人的一根头发丝。有人质疑, 花7.5亿美元做这样一个实验值得吗? 张操教授对此有同感。他认为,所谓的科学共同体,在无形中操控了科学研究的话语权和资源分配权,他们热中于花大量人力物力去验证细微的相对论性效应,却冷落了对有前景的超光速研究的投入。
张操教授说:美国的空气好,水好,但我更喜欢中国的文化和生活习惯。2003年,他从美国亚拉巴马州大学退休,就携夫人回上海定居。在中国继续从事物理学研究,并且参加与科学有关的社会活动。他现在是上海市老科协创新委的副主任,也是上海市科普校园行专家讲师团成员。他在许多学校作过科普讲座,很受学生的欢迎。
2011年10月,张操教授的专著《物理时空理论探讨—超越相对论的尝试》由上海科学技术文献出版社出版。2012年6月,张操的科普书《穿越时间可能吗?——PK <时间简史>》由复旦大学出版社出版,并曾经在上海书展上得到推荐。2012年12月,上海科教电影制片厂为张操拍了科教影视:《探秘时间旅行》。2013年春季,张操在上海复旦大学核科学与技术系任外聘教授。
自古以来,人们对于时间的单向性是公认的。可是,自从1905年以来,相对论的时间定义成为了物理学时间的唯一定义,从此,时间的单向性被歪曲了。在这里,超光速运动成为了禁区,但时间却可以通过“虫洞”被穿越。近几年,宣传时间始于宇宙大爆炸,时间是相对的、虚幻的,时间可以被穿越等等之类观念的大量“科普”和影视作品充斥了市场,误导着青少年。张操教授看在眼里,急在心中,为了坚持时间单向性的自然属性,发扬中华文化的优秀传统,2015年4月,张操教授与他的朋友们在山西临汾市的一所双语学校的校园内建立了“时间公理”教育石碑,上面大书:时间永远是单向流逝的。时间机器不存在,人类利用“虫洞”进行星际旅行是不可能的。
近年来,张操教授与复旦大学研究生廖康佳以及南阳理工学院樊京博士合作,研究交流电可能超光速的实验,颇有收获。他们已经在《现代物理》等学术期刊上发表了“导线中交流电场时间延迟的测定”等论文。其中指出:在特定的电路参数情况下,交变电场的速度可以大大超过光速。这个实验结果表明,狭义相对论是有局限性的,光速不是一切物质运动的极限。张操教授认为,他们的实验结果将打破延续了110年的相对论的理论教条。
张操教授以300年前的意大利科学家伽利略作为他的偶像。他说:“我感到很幸运,能够生活在互联网时代。虽然耳朵聋了,眼睛花了,但我每天可以与网友交流,阅读很多信息,还能进行科学研究。我坚信超光速是存在的。”
在物理学界,超光速的研究长期被看成是“旁门左道”,常常是简单地被否定、或者是轻蔑地贬低。受到这种舆论的影响,公众听到
“超光速”,心理上害怕;听到“虫洞”和“穿越”却感到好奇。
其实,“虫洞”和“穿越”远远要比“超光速”不切合实际。
在实验中,物理学家已经发现了许多超光速现象。例如,在反常介质以及光纤中,光的群速度可以超光速;近场的电磁感应速度可以超光速等等。 在1987年, SN1987A超新星爆发时既有中微子又有光子前往地球,中微子到达时间比光子到达时间早了3个多小时。由于这是天文现象,很难肯定中微子是超光速粒子。
中微子与原子的相互作用非常微弱,大部分中微子可以轻易地穿透地球。太阳内部核反应产生了大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。然而,我们一点也不用担心中微子会伤害我们的眼睛。
现在,多数物理学家认为中微子有质量。如果是这样,中微子的速度就不是光速。按照我的研究(有论文为证),中微子是超光速粒子。如果是这样,超光速的中微子就一点也不可怕。
有人说,根据相对论,如果中微子是超光速粒子,时间会发生倒演。那么,这是一种误解。
时间代表万物运动的顺序性,任何单一的物质运动都不能改变时间的的顺序性。任何物理学理论都有一定的适用范围,我们不能因为理论设置的限制,否定实验的事实。
以我们最近研究的交流电的速度为例,我们发现交变电场在金属导线内的速度不是常数,它与电路参数相关。在大多数情况下,交变电场的速度是低于光速的。 可是在特定的电路参数情况下,交变电场的速度超过光速20倍以上。如果是这样,又有什么可怕呢?
这个实验的特点是简单和稳定,已经有多个实验室重复了这个实验。由于金属导线自身的分布电感与长度有关,所以纵向电场的时间延迟与频率以及导线长度有关。在我们的实验中,从时间延迟计算得到的交变电场速度代表导体内的电势能的能流速度,以及电信号的速度。
在交流电路的情况,电源产生的交变电动势直接把电势能和信息以纵场的形式同步地传送给电路的各个部分。这种传送能量的方式与电磁波是完全不同的。
我们的超光速实验结果与Maxwell理论以及电工学没有冲突。
在100年以前,天才的发明家特斯拉设想过,交流电速度可能是超光速的。在特斯拉的年代,技术上不可能测量交流电的速度。现在,我们很高兴地说,特斯拉的设想是正确的。
所以,自然界存在超光速运动,并不可怕。可怕的是受到教条的限制,束博了自己的思想。
参考文献
[1] Zhang, L., Zhan, L., Qian, K., et al. (2011) Superluminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on brillouin lasing oscillation. Physical Review Letters, 107, Article ID: 093903.
[2]. 张操,廖康佳,樊京,导线中交流电场时间延迟的测定,Modern Physics 现代物理, Vol.5, 29-36,2015, http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14804
[3] . 张操,廖康佳,“交变电场速度测量的物理原理”, 《现代物理》,Modern Physics, 2015, 5, 35-39。http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14949
本文引用地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-271800-893902.html (科学网张操博客)
王令隽:绝对真理与相对真理
2015年元旦
关于绝对真理与相对真理的辩论,是一个老话题,也是哲学上的一个大话题。其实大多数人都接受这样一个观点:人类的知识是 不断进步的,今天认为是正确的真理,以后可能随着科学的进步会有修改或者发展,甚至完全被新的理论所取代。比如地心说被日心说取代,牛顿的光子说被惠更斯 的波动说取代等等。对此,应该没有人有异议。可是,有些人因此否认任何绝对真理的存在,甚至宣扬这么一种观点,所有我们现在以为是正确的东西,明天都可能 被证明为完全错误的。这完全是科学虚无主义和实际上的不可知论。我不认同这种极端相对主义的态度。人类的知识中如果没有一些长期稳定的原理,科学就不能发 展。如果没有一些永远不能违背的原理,科学上就没有是非。我曾经和一位极端的相对主义者辩论。他认为世界上的任何理论都不是绝对正确的真理。我说:“我至 少可以找到一条绝对真理。”
“说出来听听。”
“听好了:世界上不存在绝对真理—这是不是绝对真理?”
他立即语塞。
但是,仅仅在逻辑上证明绝对相对主义者的背理并没有解决问题。因为真正的问题是,在我们已有的科学知识中,到底哪些知识 是绝对不能违背的真理?哪些是可能被修改的相对真理?这些“相对真理”的真理性表现在哪里?到底如何判断?如果我们不能从我们掌握的科学知识体系中认定一 些绝对正确的不可违背的原理原则,或曰“绝对真理”,也不能对那些尚难称之为“绝对真理”的科学理论建立足够的信心,我们实际上就和相对真理主义者相去不 远。我希望通过几个典型问题的讨论来谈谈,在我们已有的科学知识体系中,哪些是绝对真理,哪些是相对真理,如何判断科学理论的价值和可信性。
相对真理论者经常举如下一些例子作为雄辩来说明世界上没有绝对真理:
1)一加一等于二曾经被认为是绝对真理。可是科学的发展产生了二进制。在二进制中,一加一等于十。
2)欧几里得几何曾经被认为是绝对真理。可是科学的发展产生了黎曼几何。在黎曼几何中,欧几里得几何的许多结论都不正确。比如说,在黎曼曲面上,过直线外一点不能作一条直线与它平行;三角形的内角和大于180度,等等。
3)因果律曾经被认为是不可违背的绝对真理,可是近代物理认为因果律可以被违背,时间可以倒流反演,历史可以倒转。
4)部分小于全体曾经被认为是绝对真理,可是在粒子物理中,部分可以大于全体。
5)人们曾经认为空间是三维的。可是弦论认为空间是10维的。可见空间的三维性也不是绝对真理。
6)能量守恒定律和物质不灭定律曾经被科学界认为是绝对不能违背的定律。可是近代物理认为能量和物质都可以从真空中创生,也可以湮灭。
还有很多例子。限于篇幅,我们先讨论这些。如果我们能从这几个典型例子的讨论中澄清一些糊涂概念,其他例子当可按照同样的精神理解。
一)一加一是不是等于二?
我想先请相对真理主义者回答,“一加一到底等于二还是等于十?是等于二正确还是等于十正确?或者相对地说,哪一个更正 确?哪一个更错误?”我想,大概没有人能说哪一个相对正确或者相对错误。为什么呢?因为两者都正确,只是进制的不同而已。在十进制中,或者任何大于二的进 制中,一加一都等于二。在二进制中,一加一等于“十”。可是人们不可忘记,二进制的“十”和十进制的“二”是物理上完全等同的东西。“一加一到底等于二还 是等于十”这个看似矛盾的命题是因为语言叙述的不准确造成的。在十进制和二进制同时存在的情况下,准确的说法应该是:“在十进制中一加一等于二”,“在二 进制中一加一等于十”。这样就不会混淆了。显然,两者都正确,没有任何一种说法是相对正确或者相对错误。当然,因为二进制只是在电脑技术中使用,在日常生 活中人们都用十进制,所以只要说“一加一等于二”,不必说明进制,从来不会误解。如果你用二进制,就得特别说明,否则就会被误解。如果您初次上女朋友家, 准丈母娘热情地招待你吃饺子:“小伙子,能吃几个饺子?”您不失时机地炫耀您的二进制学问,答道:“先来一万个吧!”您准能把准丈母娘吓晕:我的宝贝千金 怎么找了一个外星人?
这种用不同的进制表示同一个物理量的情况很多。比如中国以前一斤分成十六两,后来才改成一斤十两。有相当一段时间两种进 制同时使用。如果您想买四两糖,售货员会问:“老秤还是新秤?”就是先要问清进制。一位朋友从国内来过圣诞节,早上起来问外面温度是多少。“才50度。” “天啦!50度?我们那儿夏天最高才40度。”她才知道华氏和摄氏温度大不一样。科学上常用绝对温度,等于摄氏温度加上273度。所以,同一个物理事实, 比如水的冰点温度,用华氏表示是32度;用摄氏表示是零度;用绝对温度表示是273度。这种因为制式不同而得到的不同数值并不表示华氏或者摄氏温度是“相 对正确”,绝对温度“绝对正确”,而是都正确。水的冰点温度并不因为不同的表示方法而改变。
所以,说“一加一等于二”是相对真理的朋友是在以不同进制表达同一个物理事实来否认物理事实本身的绝对正确。“一加一等 于二”到底有多正确?这么说吧,如果“一加一等于二”是错的,整个数学科学都将全盘皆错。从四则运算,到代数三角几何数学分析微分方程拓扑群论微分几何, 就都是错的。所以,“一加一等于二”是绝对真理。
二)欧几里得几何是相对真理还是绝对真理?
欧几里得几何是一个相对真理论者经常引用的例子。他们说,在欧几里得几何中,过直线外任何一点可以而且只可以引一条平行 线,可是在非欧几何中就不正确。在非欧几何中,过直线外一点或者可以引无数条平行线,或者一条平行线都没有。又如,在欧几里得几何中,三角形的内角和等于 180度,可是在非欧几何中,三角形的内角和可以大于180度,也可以小于180度。可见欧几里得几何不是绝对真理。这些朋友显然把非欧几何看成是比欧几里得几何更先进,更正确的几何学。这是完全的误解和歪曲。
欧几里得几何和非欧几何中的一些不同的结论,根源在于对几何对象的定义。非欧几何中的“直线”其实是曲线,是非欧曲面上 的短程线(geodesic)。短程线的定义,就是过短程线上任何两点的线段以短程线的长度为最短。比如说,在一个球面上的任何两点可以划无数条弯弯曲曲 的线段。在这些线段中有一条是通过这两点的大圆的一部分。这条线段比任何其他线段都短,所以叫短程线。球面上的大圆也因此被定义为球面上的“直线”。在平 面几何里面,我们都知道“两点之间以直线为最短”,所以在曲面上把短程线定义为“直线”,就是直线概念的直接延伸和推广。
如此定义了黎曼曲面上的“直线”以后,就得到了一些和欧几里得几何不同的结论。比如,球面上所有的大圆,或者说“直 线”,都相交。因此,在球面上,“过‘直线’外一点不能做一条平行线”。另外,球面上三条大圆所形成的“三角形”的三个内角之和大于180度。举一个例 子,考虑两条经度相差90度的经线和赤道所形成的球面三角形。因为每两条“直线”(大圆)之间的夹角都是90度,所以三个角加起来就是270度,而不是 180度。
球面是曲率为正的(凸的)曲面。还有曲率为负的曲面。在曲率为负的(凹的)曲面上的情形又不一样。在这种曲面上,过“直线”(短程线)外一点有可能作无数条短程线与之平行(永不相交)。由三条短程线形成的三角形的内角之和小于180度。
这里似乎有三种互相矛盾的结论。到底哪一种是对的,或“相对正确”的呢?有没有“绝对正确”的结论呢?事实上,如果描述这三种情形的语言准确,这三种结论都正确,绝对正确,而且互不矛盾。对这三种情形的准确叙述应该是:
1)在平面(曲率处处等于零的曲面)上,过直线外一点可以而且只可以作一条平行线;三角形的内角之和等于180度;
2)在球面(曲率处处大于零的曲面)上,过短程线(大圆)外一点不能作另一条短程线(大圆)与它永不相交;三条短程线(大圆)所形成的三角形的内角之和大于180度;
3)在曲率处处小于零的曲面上,过短程线外一点有可能作无数条短程线与之永不相交;三条短程线所形成的三角形的内角之和小于180度;
这三个结论全都正确,绝对正确,都是绝对真理。所有的混乱都是因为将短程线定义为直线造成的。事实上,球面上或者狗追面(曲率小于零的曲面)上的短程线根本就不是直线。真正的直线是曲率处处等于零的线。
那么,将短程线定义为广义的“直线”有没有意义呢?有的,那就是这种广义的直线定义使罗巴切夫斯基从数理逻辑上证明了欧 几里得第五公设确实是公设,是没有办法由其他四个公设推导出来的。但是,如果因为这个原因就无视直线与曲线的差别,就认为欧几里得几何不正确了,甚至以为 有了高级的非欧几何,欧氏几何就可以抛弃了,就是完全错误的理解。实际上,任何黎曼曲面都是嵌在更高维的欧几里得本底空间中的。黎曼曲面上的几何是以欧几 里得本底空间的存在为前提条件的。如果本底空间中的欧几里得几何不成立,那么作为子空间的黎曼曲面上的一切几何对象及其运算,诸如矢量平移,度规联络,协 变微分,曲率张量等等的定义和数学分析都不可能,甚至连弧长的计算都不可能。所以,如果欧几里得几何不正确,黎曼几何也不正确。欧几里得几何固然比黎曼几 何简单易学,但是简单并不妨碍其正确,正如四则运算简单,但并不影响四则运算的正确。
总之,欧几里得几何是绝对真理,绝对正确,永远正确。
三)因果律与高维空间问题
对这两个问题,我已经在多篇文章中有过讨论。有兴趣者可以参见拙作《克鲁斯科变换和数学创造论的发端》和《高维空间与内部维度》。限于篇幅,我在此就不再赘述了,只是简单地陈述我的结论:原因必须发生在结果之前,这一因果律是绝对不能违背的绝对真理。凡是违背因果律的理论 都是错误的理论。
物理空间是三维的;时间是一维的单向的。时间不能倒流,历史不能倒转。时间是独立于任何其他物理量的绝对自变量。凡是违背这些基本事实的任何理论都是错误的理论。时间的一维单向性和物理空间的三维性是绝对真理。
四)部分能不能大于全体?
不能,绝对不能。这一绝对真理在粒子物理理论中被违反了。弱电统一标准模型假定质量等于零的光子是由两个有质量的玻色子的组合。质量为10 MeV的下夸克会衰变出一个质量大于80000 MeV的负W粒子和一个质量为5 MeV上夸克。这只能说明弱电统一模型的荒唐,而不能否定部分小于全体的绝对真理。我要在此进一步强调的是,部分小于全体的原则对质量,电荷和体积都必须 一一遵守。
五)物质守恒定律与能量守恒定律
这两个定律是科学的最为重要的成果。在科学实验和工程实践中,从来没有违背这两个基本科学定律的例子。物质不可以无中生有地被创生,也不可以被消 灭;能量不可以被创生,也不可以被消灭。 无论是正负电子对的产生还是湮灭,都仅仅是量子场论的理论概念,毫无实验证据。理论家们为了给创造论提供“科学”证据,居然把量子力学中的一个非常局部的 结果海森伯测不准关系捧为普遍的绝对真理,宣称这个“原理”可以从真空中无中生有地创生能量,并进而根据“质能等价原理”转变成物质,从而创造整个宇宙。 这完全是理论家们的幻想。他们的幻想不仅不足以否定能量和质量守恒定律,反而证明他们的幻想绝对错误。关于这个问题,我在“论质能关系”一文中有详尽的讨 论。兹不赘述。
六)判断绝对真理与相对真理的标准是什么?
当然是实践。我们上面讨论的一些命题,如一加一等于二,因果律,时间的一维单向性,物理空间的三维性,部分小于全体,欧几里得几何,能量守恒定律, 质量守恒定律等的正确性,经过了几百年甚至几千年无数次的实践检验,无一违反的例子。其真理性绝对不容置疑,因此可以用来检验理论的真伪。
不过,一个理论或原理要称得上是“绝对真理”,仅仅有大量的实验检验是不够的,因为实验检验毕竟是有限的而不是无限的。即使经过千百年的亿万次的检 验,也还是有限次的检验。所以,一个理论,一条原理,要称得上“绝对真理”,除了在人类已有的经验中不能有任何反例,还必须符合另一条标准:逻辑刚性。也 就是说,服从还是违反一条“绝对真理”涉及基本物理事实的大是大非问题而不仅仅是某一个物理量的精度问题。比如说,服从还是违反因果律意味着历史是否可以 倒转。是非常刚性的逻辑问题,不容违反。逻辑刚性还可以从另一个角度理解。我们固然没有可能对一个理论检验无数遍,但是如果这个理论一旦违反,就可以立即 导致违反物理事实的荒唐结论。所以逻辑刚性是可以用反证法来证明的。
物理空间的三维性也是非常刚性的原则。这里没有近似。没有2.9维 也没有3.1维。自由度必须是整数。大家都知道二维空间和三维空间的差别,也知道三维空间与四维空间的差别,应该能了解空间维度的刚性。
部分小于整体原则的刚性也是不难理解的。如果部分可以大于全体,就可以无中生有。同样道理,如果物质守恒定律和能量守恒定律可以违反,也可以无中生有,所以是实际上的创造论。其刚性于此可见。
一加一等于二也是非常刚性的真理。1加1不可能等于1.9或者2.1,不可能近似地等于2,而必须精确地等于2,否则整个数学体系就将被颠覆。1加1如果不是精确地等于2,也将导致创造论或世界毁灭论。
同样,如果欧几里得几何不成立,则包括黎曼几何在内的整个几何体系将被颠覆,因为黎曼几何的正确性是以本底空间的欧几里得几何的成立为先决条件的。 如上所述,黎曼几何所描述的几何是曲率不等于零的曲面上的几何,和欧几里得几何所描述的平直空间中的几何描述的是完全不同曲率的曲面上的几何,所以并不相 悖。
对于其他的理论或者原理是否绝对正确的判断,也必须遵守这两条判据:1)大量的实验证据(必须没有任何反例);2)逻辑刚性。
七)科学上还有哪些理论是正确理论?
能够称得上是绝对真理的论断毕竟不多。上面我们讨论的一些经过实践检验的千锤百炼的理论和原理远远不足以涵盖整个科学知 识体系。这些可以被称为“绝对真理”的东西绝大多数在几千年前就被人类认识了。科学发展到今天,人类的科学知识已经远远超过了这些“绝对真理”所能涵盖的 领域了。我们现有的知识体系的许多定律和原理,都不能说是“绝对真理”,而是“相对真理”,是有待继续完善,继续精确化,继续修正,甚至在某一天可能被新 的理论取代的理论。那是不是说,我们除了坚信一些有限的“绝对真理”,除了每天念叨“一加一等于二”“部分小于整体”“时间不能倒流”这些常识以外,对其 他的科学知识就一概怀疑,甚至完全否定呢?绝对不是。如果我们将科学信念和科学信心仅仅局限于非常有限的“绝对真理”,而怀疑甚至否定绝大多数科学定律, 那就实际上取消了科学本身,和绝对相对论者的差别也不过是五十步笑百步而已。我们现在掌握的科学知识体系中,虽然绝大部分还不能称之为绝对真理,但是其正 确性是被无数的科学实验和工程实践证实了的。我们应该对科学知识体系有足够的信心。让我们看看经典物理的例子。
经典力学是经典物理的支柱。伽利略和牛顿的经典时空理论和诸如质量,速度,加速度,能量,动量,角动量等力学概念的定义 以及牛顿三定律,加上牛顿的万有引力定律,构成了一个完整的经典力学体系。几百年来,经典力学被应用于建筑工业,交通工业,,机械制造工业,军事工业,航 空航天工业等无所不包的人类实践之中,成了推动文明进步的科学工具。也为其他理论(电磁理论和热力学)的形成和发展提供了基础。对经典力学的正确性,我们 应该有充分的信心。
那经典力学是否存在将来被进一步修正的可能呢?哲学上很难否定这种可能性。问题是,如何修正?与其哲学上空谈修正的可能性,不如看看20世纪理论家们对经典力学的修正所产生的后果,更能发人深省。
爱因斯坦修正了经典的时空观,把时间从独立的自变量变为依赖于空间和速度的因变量,以洛伦兹变换取代伽利略变换,演绎出 了狭义相对论。这个新的时空变换理论的第一个直接结果就是钟佯谬,一个证明狭义相对论不自恰的逻辑结果。第二个结果就是质能等价原理,一个没有任何实验证 实但却为创造论提供借口的结论。关于质能等价之谬误,我在《论质能关系》一文中有详细讨论。对于宣称证实了相对论的一些实验之谬误,我在《检验钟佯谬的对 称实验》一文中有详细讨论。
牛顿的万有引力理论是经典力学的重要组成部分。逻辑上,很难说牛顿的万有引力定律是绝对真理。事实上,多年来我自己也在 探索牛顿万有引力定律的修正,但不是爱因斯坦的修正法。爱因斯坦将万有引力归结为时空的弯曲,建立了一个四维二阶张量方程,称为爱因斯坦引力方程,以之取 代牛顿的万有引力公式。这就是广义相对论。对爱因斯坦引力方程的(0,0)分量作线性近似所得出的对牛顿理论的修正量实际上等于零。这使人们认为牛顿理论 是爱因斯坦的近似。可是,(0,0)分量的线性近似绝对不能掩盖广义相对论对牛顿经典引力理论的彻底颠覆这一事实。这种革命性的颠覆表现在广义相对论的几 个重要预言。其中一个预言是引力能使光线弯曲,这完全违背经典物理,也没有任何可信的实验证明。爱丁顿的日食观测实验把日冕对光线的折射解释成引力对光线 的弯曲。
爱因斯坦引力方程最简单的解析解,施瓦兹查尔德解,存在奇点无穷大发散。爱因斯坦引力方程的另一个解析解,科尔解,则证 明广义相对论违反转动相对性,并同样存在无穷大发散问题。广义相对论的这些无法解决的困难被拓扑学家们演绎出黑洞白洞多重宇宙等离奇概念,和经典物理毫无 关系。爱因斯坦的广义相对论应用到宇宙学,演绎出了荒诞不经的大爆炸理论。所以,广义相对论不是对牛顿引力理论的“修正”,而是彻底的颠覆。牛顿的万有引 力定律即使以后可能被修正,也不会是根本性的颠覆,而只是非常小的修正。我的估计是,修正量不会大于一亿分之一。而且任何修正都不应该有无穷大发散的问 题,不应该违背科学逻辑和绝对真理。我们用牛顿的引力理论可以提前三年预算出行星和卫星的位置,误差小于一个弧秒。如果说,天上的日月星遵照牛顿的万有引 力定律运行了千百万年,那么天体们遵照牛顿万有引力定律继续运行千百万年应该不成问题。对于这样的理论,我们应该有足够的信心。
经典物理的另一个重要理论是麦克斯韦的电磁场理论。麦克斯韦把电磁理论中的所有实验定律非常完美地统一在一个完备而又自 恰的理论中,预言了电磁波的存在,并立即得到了实验的证实,发明了无线电通讯技术。麦克斯韦的电磁场理论使我们懂得了光就是电磁波,因此有了物理光学。应 用经典电磁场理论,我们可以成功地解释电磁波(包括光波)的反射,折射,衍射,干涉,极化等所有电磁波的传播现象,直接应用到无线电天线和微波波导和微波 器件的设计。至于电力工业和电子工业,包括电脑和网络通讯工业,完全依赖经典电磁理论。所以,麦克斯韦的经典电磁理论的正确性,不仅在于其数学理论的完备 性和自恰性,而且在于电力工业电子工业电脑工业网络技术激光技术遥感遥测等尖端科学中每日每时无以数计的科学和工程实践所建立起来的信心所支持。我看不出 这样的理论需要任何修正。
经典的热力学理论不像牛顿力学和经典电动力学精确。许多定律只适用于一定范围,比如温度压力有一定的范围,工作媒质密度 不能太大,不能有相变,万有引力和电磁作用力(分子之间的粘滞力)小到可以忽略不计等等。在适用范围以内,热力学定律还是相当有效的。在热力学理论的指导 下,发明了蒸汽机,产生了18世纪的工业革命,直到今天,仍然和经典力学一起有效地指导着现代重型机械,车辆,飞机,导弹和航天器的设计。所以,经典热力 学的某些定理虽然很难说是绝对真理,但是在适用条件下是相当准确的。热力学中的一些原理,比如热力学第二定律和熵增长定律,具有深刻的哲学意义。(当然也 不是绝对真理,详见拙作《人能否死而复生—兼谈热寂说》。)
八)讨论绝对真理与相对真理的现实意义
现在讨论绝对真理与相对真理这种似乎是纯哲学的命题有没有现实意义?当然有。意义有二:1)通过这种讨论,我们可以揭穿一些理论家们违背基本科学逻辑和绝对真理颠覆科学贩卖神学的把戏;2)通过这种讨论,我们可以端正一些新理论探索的方向,避免否定一切的科学虚无主义。
20世纪理论物理学家们在构造新的理论时,从许多违背基本物理事实和科学逻辑的假定出发,比如:
1)假定时间不是独立的自变量而是随空间坐标和速度而变的因变量;
2)假定宇宙有限;
3)假定三维物理空间是四维超空间中的三维超球面;
4)假定时间有起点(大爆炸)和终点(大湮灭);
5)假定宇宙在大爆炸后的瞬间以超过光速二十几个数量级的速度暴涨;
6)假定宇宙大爆炸之前时空不存在,也不存在物理定律;
7)假定测不准关系可以从真空中产生能量,创生物质和整个宇宙;
8)假定物理量都是算符;
9)假定粒子由波函数代表,波函数的平方为物质密度;
10) 假定波函数可以进一步被当作算符,并表示成生成子和湮灭子;
11) 假定生成子和湮灭子算符可以创生和湮灭粒子;
12) 假定无穷大发散的质量和电荷等于零(重整化假定);
13) 假定质子与中子是同位旋空间中的两种状态;
14) 假定费曼图代表实际的物理过程;
15) 假定物质的相互作用是通过交换场粒子完成的;
16) 假定规范协变形是普适性原理;
17) 假定散射截面能谱图上的共振峰是基本粒子;
18) 假定粒子的质量小于其衰变产物的质量(整体小于部分);
19) 假定质量等于零的光子由质量不等于零的粒子组成;
20) 假定核子和介子都是由带分数电荷的夸克组成;
21) 假定夸克带有三种颜色和三种味道,而且是禁闭的;
22) 假定真空中存在无处不在无时不有的希格斯场(上帝粒子);
23) 假定所有粒子必须通过上帝粒子获得质量;
24) 假定时间是由实时间和虚时间组成的二维复时间,虚时间比实时间更实在;
25) 假定基本粒子是由十维空间的弦或者十一维空间的膜组成的。
这二十多个假设,同时又是结论。20世纪的理论物理学家们只要一提出假设,立即就成了结论和“尖端理论”,“前沿科学”,他们因此而违背的经典科学立即就被宣布“过时了”。有了这些假设出来的“真理”,理论家们就可以演绎出更多的革命性结论,比如:
1) 不同坐标系里的时钟快慢不一(钟佯谬);
2) 同时性是相对的;
3) 光速在任何参考系中都具有同样数值(光速不变原理);
4) 物体的长度会由于速度增加而缩短;
5) 质量会随速度增加;
6) 质量和能量等价,可以互相转化;
7) 在同一时空中可以重叠无数个宇宙;
8) 宇宙中97%的物质都是天体物理学家们无法观测的“暗物质”;
9) 宇宙中存在白洞黑洞虫洞(时空隧道);
10) 人们可以通过虫洞超光速旅行;
11) 人们可以坐时间机器回到从前改变历史;
12) 人们可以用时间机器作为无法防御的武器征服任何敌人;
13) 基本粒子数多达几百个;
14) 所有的粒子都不能带有质量;
15) 在核微观尺度能量守恒定律和动量守恒定律都不成立;
这些假定和结论或者违背逻辑,或者违背常理,或者违背经典物理定律,或者违背物理事实。有许多违背绝对真理。人们本来可 以根据一些绝对真理来指证这些基本假定和结论的谬误,但是20世纪的理论家们坚持说,世界上没有绝对真理,任何真理都是相对的。近代理论物理是一场革命, 是Shift of Paradigm。在这革命口号下,科学上已经没有任何判断是非的标准了,因此也就没有任何是非可言了,因为任何明显的判断标准都没用了。曾经被认为是天经地义的绝对真理,都被20世纪的理论物理学家们拒绝作为理论真伪的判据。科学一旦完全失去任何是非判断标准,剩下的就只有地位,名望和权威了。任何荒唐 理论都可以被权威们宣称为“前沿科学”,神学和玄学于是就堂而皇之地被搬进科学的殿堂。人们唯一需要信仰的,就是权威们的最新指示。他们今天说黑洞是伟大发现,明天又说黑洞不存在;今天说空间是四维的,明天说是26维的,后天又说是10维的,大后天又说是11维的;今天说宇称守恒,明天说在弱相互作用中宇 称不守恒;今天说物理规律必须符合规范对称性,明天又说大自然会自动对称破缺;今天说宇宙是封闭的,明天说宇宙是开放的。对这些五花八门眼花缭乱的革命理 论,科学界无法也无权判断其真伪,只能听权威们的宣判。
我们现在确立因果率,部分小于整体,逻辑三段论,无穷大不等于零,时空无限,物理空间的三维性,时间的一维独立性,质量 守恒定律,能量守恒定律等等科学定律为绝对真理,确立科学实证主义,实际上是重新确立判断理论真伪的科学标准,反对玄学标准和神学标准。这是我们讨论绝对 真理与相对真理问题的第一个现实意义。
讨论绝对真理与相对真理问题的第二个现实意义,是为新的探索端正方向,排除否定一切的科学虚无主义和极端不可知论。
由于20世纪理论物理荒唐的玄学性质,许多独立思考的人们开始新的探索,可是在探索新的理论时,却不自觉地受20世纪理 论物理主流思想哲学与逻辑的影响。这种影响的两个突出表现就是:1)相当多的探索者在跟着追求大统一理论;2)相当多的探索者试图从根本上否认经典物理体 系。关于大统一理论之不切实际,我在《科学上会不会有万能的最终理论?》一文中有详细的讨论。这里我们着重谈谈后者—如何正确对待经典物理理论。
经典物理理论中的许多定律定理虽然很难说是绝对真理,但是总体来说,经典物理中的时空理论,牛顿三定律和万有引力定律, 麦克斯韦电磁理论,以及热力学基本定律的真理性已经为无数科学实验和工程实践所证明。某些经典的定律可能有修正的余地,某些经典的微观模型(比如原子分子 和核子模型)也有很大的修正余地,但是这种修正要以实验为根据,而不能以幻想为根据。不能仅仅为了实现“大统一”而突发奇想,彻底革命。许多朋友不能接受 20世纪的理论物理,却接受其哲学和思想方法,一味追求大统一理论。有的到高维空间里面去翻筋斗;有的在时空理论上做文章,在背离经典时空理论的道路上走 得比爱因斯坦还远;有的发明不同品牌的原始量子来构造整个宇宙世界;有的认为整个物理学都错了;有的甚至怀疑基本物理量如质量和电荷的定义及其存在;有的 认为世界上没有万有引力只有万有斥力,如此等等。这些朋友对经典物理概念和理论之所以会如此轻率,是受了20世纪理论物理主流思想的洗脑,接受了科学虚无 主义。他们的理论的前景不会比20世纪的理论物理更加光明。
人类从穴居野处刀耕火种的蛮荒时代,发展到今天的空间时代,网络时代,核武核能时代,真是翻天覆地的变化,是从类人猿到 现代人的进化。这种进化的根本原因和动力在于科学的发展,在于人类知识的积累。如果人类知识总是在完全正确与完全错误两个极端之间围绕零点反复徘徊作正弦 振荡而不能逐渐上升,就不会有知识的积累,因而也就不会有社会的发展。人类知识之所以能够逐渐积累,是因为人类对大自然的认识中包含有正确的成分,而且正 确的成分会越来越多。错误的成分会随着人们认识的提高而被扬弃(比如地心说,热寂说,相对论,量子场论,弦论等)。正确的部分经得起实践与时间的考验,会 逐渐积累起来,指导人类的社会与工程实践,因而才会有现代科学的伟大成就。如果我们对支撑着整个现代科学伟大成就的经典科学理论采取一概否认的科学虚无主 义,就会重蹈20世纪理论物理学的覆辙。我们现在讨论绝对真理与相对真理,就是要端正对科学理论的正确认识。不能沦为一些时髦“理论家”们的心理战的俘 虏,以为经典科学理论都是过时的不正确的理论。经典物理理论当然要发展,一定要发展,但是发展不是一概否认,彻底革命。一个支撑着整个现代科学伟大成就的 理论体系不可能根本错误,完全错误。这是我奉献于新理论探索者们的一点意见。
《宇宙的真谛》讲座第一讲,第二讲
吴东敏
第一讲 宇宙的定义
科学的宇宙观念主要有两种:经典的宇宙观和相对论宇宙观。在两种宇宙观里,宇宙的定义是完全不同的。
一, 经典的宇宙观,空间–时间–物质概念。
什么是宇宙?经典的或称牛顿时代的宇宙观念认为:宇宙是物质结构,是万物的总称。在天文观察或者观测中,宇宙泛指总星系(指所有的星系)。宇宙包含总星系占据的空间和这一空间中的一切物质粒子及其物质结构。宇宙中的物质结构始终随时间不断地发生变化并且在广大空间里处于不断地运动之中。
什么是空间?什么是时间?在人们的传统观念中,空间就是“空”的空间,是容纳万物的场所。时间就是光阴岁月,它永不停止,永远向前流逝。在传统的或称经典的牛顿时代时空观念里认为:世界万物(宇宙万物)都在共同的三维立体空间与共同的时间里运动演化。在物理定量上,空间与时间又是一种尺度或者工具,就像人们生活中的度量衡工具一样,是绝对的。三维空间用来度量宇宙万物之间的距离与位置,时间用来度量每个空间状态先后间隔过程的长短。空间和时间是客观存在的,不为人们意志为转移,不能因为某人没有看到空间,时间就认为空间时间不存在,也不能认为在人类或其它物种没有产生之前和消失之后,空间时间不会存在。这样就可以消除“人择原理”引起的无意义的纷争。时间空间不是物质,仅仅是一种存在而不是实在。空间和时间观念通常作为高等生命——人类大脑中的思维意识而存在。普通动物,植物,微生物,它们虽然在空间里生存,但是,它们并没有空间时间存在的观念和意识,也不能因为这些生物没有意识就认为空间时间不存在。没有空间和时间的存在,就没有不断演化中的宇宙,万物在空间中存在,在时间里演化是永远不变的真理。
在经典的宇宙观里,空间绝对静止,连续不变,各向同性,尺度无限。空间不包括空间中的任何物质(基本粒子,以太等),指的是绝对虚空或绝对真空的场所。这种把物质从空间中独立出来是一种研究方法,一种把复杂化为简单的方法。空间就是“空”的空间,是任何粒子都不存在的空虚的空间。这样,通常的物质及其它如暗物质,以太,场,引力,电磁力,真空能等物质与物质现象就无法在空间中躲藏起来,就可以避免有些科学工作者研究员高级教授在研判中堕入到唯心主义的歧路中去,甚至拔不出来。把物质独立出去以后,剩下的则是一个绝对静止,尺度无限,连续不变,各向同性的人们常知或者熟悉的几何空间,称为欧几里得几何空间(欧氏空间)。这样就可以自然地把黎曼空间,罗氏空间,高维空间等畸变空间理念从欧氏空间里请出去。因为只有在欧氏几何空间里的物理理念才符合人类生存,生产,生活的正常习惯。假如,爱因斯坦的弟子认为,由于地球的存在,地球表面及附近的空间会畸变成黎曼空间的话,他们首先必须详细提供地球如何能使空间歪曲的充分的物理理由。这种物理理由至今没有人能够提供,今后也不可能有人能够提供。因为地球引力只对物质的质量产生作用,不可能对空间发生作用。对于卡拉比–丘成桐多维空间也是如此。宇宙的物理问题与数学游戏应该严格区别出来。
在空间中,我们不管往哪个方向看,其尺度都是无限大,就像无限大的半径,其球的体积无限大。或者以空间中某一点为原点,它的前后,左右,上下的尺度均为无限大,空间的体积等于无限深乘以无限宽乘以无限高等于无限大,这一点一直为人们所理解。前后,左右,上下三条相互垂直的直线构成了三个相互垂直的平面,这三个平面决定的空间,就是人们常知的三维空间。三维空间中某一点,比如天空中飞机的位置,我们可以用经度,纬度,高度三个坐标尺度来表示它的位置。空间尺度的计量单位主要有:国际标准米(m),微米(μm),纳米(nm),千米(km),光秒(ls),光年(ly),天文单位(日地距离),千秒差距(kpc),兆秒差距(Mpc)。
除了绝对的欧氏数学空间观念以外,有不少物理学家和物理学研究者提出了相对的物理空间观念,把他们认为存在的暗物质,暗能量,宇宙弦,各种场物质,以太物质,量子类圈体,旋进量子,光子海,磁单极子海,超流体,太极子,宇宙子,斥力子等等不能直接观察到的物质包含在空间中,表示空间的特性,演变出形形色色的多种空间观念及其理论。在此须要特别提醒,在设想解释物质粒子相互作用,及其形成的物质结构时,不要误入再次的,主观意想的,唯心主义的,脱离物理定律的歧途之中,请始终不要忘记:任何物理空间必须以一无所有的不含有任何物质的三维的几何空间为背景。
时间永远流逝,永远向前,它的连续性,单向性就像一条有方向性的直线。在数学里可用数轴表示。时间没有开始,也没有结束,它是无限的。在人们的思维中,时间可以向前看50亿年,500亿年,5000亿年……,也可以倒溯到过去的50亿年,500亿年,5000亿年……,你想时间多长就有多长,全凭你的想象力。时间在描述宇宙物质运动演化时,它是矢量,表示物质运动顺序的单向性,人们把它比喻成流水,总是向前,不能倒流;此时的时间,表示物质运动的时间坐标在移动。但通常的时间是标量,表示两个空间物质状态的时间间隔。时间间隔的计量单位主要有:秒,毫秒,微秒,纳秒,分,小时,日,月,年(回归年),万年,亿年。时间的计量方法主要有:铯原子钟的铯衰变辐射周期法。当地太阳时认定法(当地两个相邻太阳最高点时的时间间隔为一日,太阳最高点定为当地时间12点)。格林尼治时间测量法(相邻两次穿过国际日期变更线上某地的时间间隔为一日)。天文时间观测法(相邻两次在某天文台同一位置同一方位观测到某星座恒星的时间间隔为一回归年)。全球GPS系统同步时间定位法(统一的地球时间)。美籍物理学张操教授把如小时,日,月,年等表观的,通常的,可感觉的,外部的(精确的或者不精确的)量度看成是牛顿物理绝对时间观中的相对时间。与现实生活中的时间观念比较相符。他认为:“时间的定义不应该局限于一种特定的物质运动,例如光的运动。时间(和空间)是比光速更为基本的物理量。世界上即使没有光线,也照样有时间的定义。”绝对时间中的“秒”与认为是相对时间中的日(地球自转一周所需的时间),月(月球公转一周所需的时间),年(地球公转一周所需的时间)之间的换算差异诞生了现代天文历法。采用阳历闰年,阴历闰月等方法来加以调节。满足人们的生产需要和生活习惯。
宇宙是物质结构,是万物的总称。什么是物质?物质既是一种存在,又是一种实在。它有形状,有尺度(大小),有质量,有特性(电荷)等。不具有形状,尺度,质量,特性的存在,就是非实在,非物质。这样就可以把物质与非物质的概念区分出来。
大部分物理学家把物质分为两种形式,一种是有形有质量的实体物质,另一种是有能量无形状的物理场物质。把场物质定义为特殊物质。可以暂定为特殊物质的有:各种场,以太,超流体等等。特殊物质是人们在不了解自然现象的本质情况下的设想,有待人们揭开它的本质。
宇宙中只有物质与非物质,没有特殊物质的观念可以把物质的概念统一起来,避免在学术研究中因为概念的演变引起无休止的争议。物质是不依赖人的主观意志为转移的客观实在。携带质量和能量(或电荷)是物质的基本特征。通常物质(基本粒子及其结构)必须具有几何形状和空间尺度。
古希腊科学家亚里士多德认为地球上的物质由水,气,火,土等四元素组成。古希腊哲学家德谟克利特认为一切物质均由许多“原子”排列组合而成。现代粒子物理学认为,一切物质(物质结构)由62种基本粒子构成。它们是:36种夸克,12种轻子,14种玻色子。但是,62种粒子的形状,尺度,质量,性质没有明确规定,距离定义它们为物质粒子还遥遥无期,目前仅仅停留在模糊的设想之中。在我的“二粒三构”理论学说中,一切物质结构均由两种基本粒子构成,它们有质量,有电荷,有形状,有尺度。二粒三构理论学说是《宇宙的真谛》的核心部分。
宇宙在尺度上是有限的,还是无限的?有部分物理学家把空间当成宇宙,由于空间无限大,所以他们认为宇宙的尺度无限大。在经典的宇宙观里,宇宙是万物的总称,假如无限大的空间里都存在着物质结构,则我们可以说宇宙无限大。
在20世纪40年代以前,大部分科学家都相信宇宙无限大。在天文观测中,遥远星座在天球投影的位置角度,年复一年始终没有变;人们也祈盼着恒星(太阳)永远不老,宇宙永远不朽不变。即使空间中的恒星不断地消亡,但是又会不断地产生,宇宙是永恒的,在时间上,宇宙没有开始,也没有结局。所以把这种在宇观大尺度结构基本不变的宇宙称为“稳恒态宇宙”或称“稳态宇宙”。后来,有些科学家以为宇宙是从大爆炸开始,从很小变成很大,而且越变越大(宇宙不断膨胀),那么这个宇宙是有限的。因为有限的爆炸膨胀速度乘以有限的膨胀时间等于有限的宇宙尺度(s=vt)。如果这个宇宙越来越大,宇宙中物质的平均密度越来越小并趋向于零,然后整个宇宙在广大的空间中慢慢地消失,科学家称这种宇宙的结局为开宇宙。反之,如果宇宙的体积反变缩小,越来越小,物质的平均密度越来越大,最后收缩成为一点或很小的体积,科学家称这种宇宙的结局为闭宇宙。
在传统经典的宇宙观里,宇宙尺度可能存在如下几种状态:
1, 空间无限大,空间里布满物质结构(星系结构)。宇宙是无限的。
2, 空间无限大,宇宙里包含的物质结构(星系结构)只占据部分空间。宇宙是有限的。
3, 空间无限大,宇宙是有限的。空间里存在许多个宇宙,甚至无限个宇宙。
二, 相对论时空观。
20世纪初,爱因斯坦先后发表了被称为狭义相对论和广义相对论的文章。经爱因斯坦的弟子学习总结后,形成相对论时空观。在相对论里,宇宙的定义发生了变化。什么是宇宙?宇宙就是时间和空间,合称为“时空”。此谓:“四面八方(空间)为宇,古往今来(时间)为宙。”当然也包括时空中的物质。按照人们的传统观念,空间无限大,时间无限长,宇宙尺度应该无限大。但是在这里,时间与空间也可以是有限的,它可以从某一时刻,某一大小开始到某一时刻结束。时间与空间是宇宙的主体,再也不是度量工具。相对论时空观把时间与空间两个完全不同的量结合起来成为“时空”一个概念:时间不能完全脱离和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓“时空”的客体。把三维空间加一维时间发展成为“四维时空”(闵氏时空)的相对论宇宙观。
随时间变化的三维空间中的物质运动,其图像简单直观。可以用电影摄影机来比喻,它以每秒24格的频率连续拍摄,将活动图像分解成24幅静止的图像来研究,把复杂化为简单。在电影放映机里又可以用每秒24格的速度播放,还原物质的真实运动。其它,如用于人体健康检查的CT扫描拍摄也与此雷同。把时间与空间独立开来,有利于人们认识世界。而“四维时空”把时间与空间结合在一起,把简单化为复杂,把人们的大脑渐渐地向歧路中引进,五维时空,十维时空,28维时空直至M理论认定的11维时空。时空如此复杂,那么在复杂时空中运动的物体和人类将如何生存?高维时空能为时空隧道,时间机器等荒唐的怪物,提供理论基础。对于人们现实的生存生活则没有任何物理意义。空间和时间是非物质性质的存在,把空间量子化,时间量子化,所谓空间量子尺度为10-35m,时间量子尺度为10-43s,量子化的空间与时间是可以分离的,不连续的。显然是无稽之谈,十分荒谬!
对于爱因斯坦本人来说,他还是奉行传统经典的宇宙观念,为了得到一个稳定的宇宙,曾在他的方程中加了一个宇宙常数项。在膨胀宇宙的发现和确认以后,爱因斯坦后悔自己错了。
相对论建立在相对性原理,光速不变,等效和广义协变性原理上。在光传播需要时间和天体的引力场对时空影响作用的现象和原理来看,遥望夜空的星象,并非实际的星图:1,数千年,数万年前的星光到现在才进入我们的眼帘,其实际位置早已偏离。2,星系之间的相对位置与状态的表观现状,与其实际状况可能大不不同。3,远处星光穿过临近星体(主要指太阳)到达地球,远处星体的表观位置与实际位置不同而发生视差。4,地球的自转,公转,太阳绕着银河系中心的复杂运动,又使人们的观测复杂化。
在地球上看宇宙,或者说在星系里(银河系)看宇宙,只能看宇宙的局部,是在看宇宙的过去。比如说,我们观测太阳是在看它8分20秒前的样子,因为阳光从太阳走到地球这段距离需要的时间是8分20秒。看仙女座大星云(编号为M31)是在看它220万年前的模样,因为M31与地球的距离约220万光年。许多旋涡星系的平面是斜着倾向地球,它的一侧与另一侧与地球的距离相差数万光年,因此,人们拍摄到这样的星系的模样非其真实的样子,两侧相差数万年时间。所以,在地球上看宇宙犹如坐井观天,瞎子摸象,无法把宇宙的全部图像或者局部图像描述出来。看到的图像大部分不正确,不精确。要了解宇宙的全部结构和宏观模样,就须要一个共同的时间,共同的空间,也就是说人们的认识必须回到牛顿时代以来经典的空间时间观念上来,通过多种方法途径,多种技术手段,逐步建立直观的宇宙结构模型。目前,螺旋结构的银河星系模型已经比较直观地呈现在人们的面前,我们的太阳位于英仙臂和人马臂之间的猎户支臂外侧,距离银心2.7万光年的位置上。宏观的宇宙图像和模型不能建立在可变的相对论时空里。在传统的牛顿时空观念里,人们考虑到光速不变,光传播须要时间,天体结构,天体力学,天体物理学方面的问题,客观地探测宇宙结构的真实模型及其演化规律。在传统的宇宙观里,宇宙,空间,时间,物质等概念清晰,条理分明,各行其道,表述简单。避免了相对论时空观把时空物三者融合在一起的复杂性及其引起说不清道不明的无休止的百年之争。当初,爱因斯坦对迈克尔逊和莫雷的光速测量实验感到十分兴趣,把光速不变的实验结果引进他的论文中,用光速去度量时空,是赶时髦的冲动。对于光的本性本质问题,笛卡尔,牛顿,惠更斯,麦克斯韦,爱因斯坦,霍金等大批科学名家始终没有搞清楚。在光速的本质问题完全不清楚的前提下,把光速不变原理作为相对论中的重要理论依据是十分不妥当的。这是相对论从诞生之日起就受到许多著名物理学家质疑的根本原因之一。
爱因斯坦是伟大的学者,在科学研究上有其不可磨灭的功勋,但不是他的相对论。最著名的是他的质能等价方程E=mc2,是核能研究的理论基础。目前为止,还没有找出更合适的方程取而代之。出于原子弹的威力,爱因斯坦登上世界科技高峰的最高宝座。许多人把爱因斯坦一般的甚至错误的东西视为至宝是可以理解的。青山遮不住,毕竟东流去,相对论及其宇宙观现基本上已被人们所抛弃。当代前沿科学家,实验物理学家基本上不相信相对论。霍金在《时间简史》第九章时间箭头里说过:“任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而,正如我们看到的,经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当时空曲率变大,量子引力效应变得重要,并且经典理论不再能很好地描述宇宙时,人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。”所以,把霍金列为“当代最重要的相对论家”是张冠李戴,完全不合适的。霍金讲解相对论,但是不相信相对论,也不相信大爆炸理论,他相信的是量子力学和超弦理论。作为一种理论,只要主要部分的某一点被证伪,这个理论就要放弃。还没有被证伪的,可以暂时保留下来进行继续考证。许多民间科学工作者已经发现相对论的弊端,试图把爱因斯坦和相对论作为大老虎打,全面揭露,无情批判,进行了几十年还不休止其诚是可嘉的。相对论淡出空间物理学是必定无疑的,也不要期望有一天某位主流物理学家出来宣布:相对论是错误的。如果要宣布,早在20世纪80年代世界主流物理学界就可以宣布广义相对论和大爆炸理论死刑。因为爱因斯坦是祖师爷,多少徒子徒孙仍然直接或间接在享受着他的俸禄。何况这种理论引发的无意义的争论对社会并没有产生实质上的危害。其实,作为科学研究,批判相对论不是目的。
霍金在《时间简史》中说:“科学的终极目的,在于提供一个简单的理论来描述整个宇宙。”大道至简,理论以简单朴素为美。其实质却能无所不至,万象包罗,而且尽可能地做到定性明确定量简单,能告诉大部分人们而不是少数科学家:我们赖以生存的宇宙的真谛所在?
三, 宇宙学公理,小结。
自从古希腊科学家哲学家亚里士多德和德谟克利特以来,至今已有2400多年的历史,人类可以归纳出如下有关时间,空间,世界万物的宇宙学公理:
1, 时间空间是不以人类主观意志为转移的客观存在。时间空间是虚的存在而非物质性的存在(非实在或者虚在)。
2, 世界万物是不以人类主观意志为转移的客观存在。世界万物是实的存在(实在)。
3, 世界万物始终随时间不断地发生演化,并在空间中处于绝对运动的状态之中。
4, 时间具有连续性,顺序性,单向性。时间犹如光阴岁月,江河流水永不停息,均匀流逝,勇往直前。空间是承载世界万物的场所。空间绝度静止,尺度无限,各向同性。
5, 时间空间是表述万物运动的两个不同的物理量,物质的运动轨迹可以由它的空间坐标和时间坐标移动轨迹来表述,但它们不是物质,只有数学度量。
2400年来,人类形成了传统的,经典的宇宙观念,后来被称为牛顿时代的宇宙观:“什么是宇宙?宇宙就是世界万物。”通俗认为包括太阳,月亮,星星,大地。泛指总星系及其占据的空间以及空间中的一切物质结构和一切物质粒子。经典的宇宙观念把宇宙定义为“万物”。描述的是实在的物质第一性的宇宙。它是唯物主义哲学宇宙观,自然科学的基石。近100年来,出现了相对论的宇宙观念,把宇宙定义为“时空”。描述的是虚拟的非物质性的宇宙。它是四大宗教里唯心主义哲学的延续和演变。西方国家神的意志推动下的时空大爆炸,与东方中国盘古王开天劈地,然后万物生机盎然,如出一辙。演变成意识第一性,物质第二性的唯心主义哲学宇宙观。这种非物质性的宇宙演化,把没有物理特性的简单的欧氏空间,唯心地设想成各种歪曲空间,黎曼空间,高维空间。但是,始终难以找到空间畸变原因的可靠的物理解释。
第二讲 质量与能量
一, 质量与能量的定义。
在牛顿力学中,物质具有质量和能量。质量与能量是物质的两个基本特性,这是区别物质与非物质唯一的重要标志,凡是物质必须具有一定数值的质量和能量。
质量是定义物体或物质含有物质多少的一个物理量值。质量大小表示物质或物体含有物质数量的多少。在这个定义下建立起来的牛顿力学定律里,物体质量的大小显示了物体惯性能力的大小,质量越大,惯性能力或者效应越强。同时,物体的质量的大小也显示了物体抵抗外力或产生引力效应能力的强弱,质量越大引力效应越大。在相对论里,爱因斯坦根据牛顿力学里的这两个效应,用运动和力的角度去理解与发展和重新定义质量,引进了“惯性质量”和“引力质量”两个概念,把牛顿力学里,质量是物质多少的概念演变成相对论质量,提出静止质量和运动质量概念。生活在地球赤道上的人类,时时刻刻跟着地球以每秒大约465米的速度自转,以每秒大约30公里的速度绕太阳公转,又以每秒大约250公里的速度随同太阳绕银河系的中心转动,银河系又有可能以更大的速度在空间中运动,宇宙中没有静止的物质和天体,何谓静止质量?所以判定静止质量与运动质量没有具体标准和现实意义,会把事件变得愈加复杂。在牛顿力学中,物体的质量的大小与其运动状态和运动速度无关,始终不变,牛顿力学中的质量定义才是客观地表达物体或物质性质的一种基本物理量。在相对论力学里,物体的质量与其运动速度有关,速度越大,质量越大,而且这种质速关系是非线性关系。物体在运动过程怎么能够获得更多的质量呢?似乎十分荒唐的唯心设想对表示物质性质不会有任何贡献,只会增大事物的复杂性。与此相反,中国重庆有位学者认为:物体的质量随着其运动速度的增大而减小,当物体的速度达到光速时,质量减小到零,这位学者的设想与推导似乎也很正确,并没有什么问题。然而,物质的速度达到光速时,质量到底是零还是无穷大?反正,运动中的物体的质量无法直接测量,胡说八道都行。但是,它们违背了哲学,逻辑学的原理。相对论力学的质量概念来自牛顿力学质量定义之下,却又演变出否定牛顿力学质量的定义,是自相矛盾的舍本求末,违背了逻辑学的“同一律”。相对论力学源自于牛顿力学,却偷换了牛顿力学最根本的质量定义,模糊了质量与动量的概念,设想了相对论动力学方程,从逻辑上讲,这条方程是不允许的,也不可能得到实验的验证。所谓的验证,必须重新引起人们的深思。相对论力学不是牛顿力学的发展,而是基本概念上错乱发展的产物。数百年实验证明,牛顿力学才是近代科学最完美而不可动摇的经典理论。
能量的定义是物质运动做功能力的一个物理量值。能量大小表示物体或物质做功能力的大小。物质能量的扩散传递与转换通过力的形式发生作用,人们称它为“能力”比较合乎常理。通常的能量类型主要有:机械能(动能,势能),热能,电能,磁能,电磁能,化学能,光能,核能等等。
机械能是物质的速度和所处的位置具有的能量。
热能是物质粒子无序自由的无规则振动具有的能量。
电能是带电物质与带电物质之间具有的能量。
磁能是磁性物质与顺磁性物质之间具有的能量。
电磁能是原子核与核外电子之间具有的能量。
化学能是电子,离子之间的电磁结合具有的能量。
光能是光子质量具有的动能和光波具有的波动能量。
核能通常人们以为是核子之间的结合能。
从以上可以看出,在各种能量中,人们无法找到离开物质的能量。 同样,人们也无法找到没有质量的物质。已知的世界万物都是如此。如果我们设想有一种没有质量的物质或者基本粒子,唯物主义者认为,应该拿出一张纸,把它的结构图形画出来,赋予它有一定的形状,尺度,性质,结构;才能向他人说明该粒子是如何与其它物质之间产生相互作用。然而人们会发现,这种粒子的结构图形是画不出来的。即使画上一个圆圈,圆圈的中心空空的没有质量,人们很容易理解,如果有人问,圆圈是什么物质材料怎么没有质量?就难以回答。更难的是,一个没有质量,没有电荷的粒子是如何与其它物质发生作用?还得要设想除了引力,电磁力,强力,弱力四种相互作用以外,还要发现第五种自然力。发现第五种自然力可能是超难问题。但科学家妄想用一种避开自然力的说辞如耦合,场效应之类加以敷衍,演变出一种机制。目前最“成功”的是希格斯玻色子在希格斯场机制下能使粒子获得质量,竟然能使部分科学家相信,还能获得诺贝尔奖。这个世界上,前沿物理荒唐之事层出不穷,一种研究,只局限于搞学术研究的小圈子里的部分人所主宰,不可能让圈外人提出质疑,说白了是少数几个人说了算,怎么能证明它的正确与否?这是人类科学的悲哀!
自然界所有的能量均由物质所携带,物质携带质量和能量是物质的基本特性。物质之间的相互作用力是因,运动变化是果,有因才有果,因果律不能颠倒。
二,质能方程。
1,牛顿力学的质能方程:E=mgh+mv2/2
这是一条最完美,最精确的质能方程。它表示处在地球引力范围内的地球表面物质的能量等于其位于该处相对的引力势能与其动能的和。它至今仍然是现代水力发电站设计的理论基础,在世界范围内,它已经通过不计其数的实际验证。在此不必细说,估计没有人提出异议。
2,爱因斯坦的质能等价方程:E=mc2
这是一条最重要的质能方程。是核能研究和核电站建造的主要理论基础。物质的能量由它的位置和速度来决定,本方程缺少位置项,只有速度项,显然是一条不完全方程。在牛顿力学质能方程里,如果估计势能mgh等于动能mv2/2的情况下(即:mgh=mv2/2时),此方程就变成爱因斯坦的质能方程E=mc2。所以,我们可以把爱因斯坦的质能方程看成近似的基本正确的质能方程。所以,我认为爱因斯坦质能方程是牛顿质能方程的特例,而不是发展。
验证爱因斯坦方程的精确性虽有困难,但是至今仍然无法找到更加合适的方程取而代之。
一条不很精确的方程也可以用其它参数加以调节,把它变成十分精确的方程并不奇怪,例如,把核燃料利用率数值进行调整会使E=mc2变得十分精确。
爱因斯坦的质能方程显示了核反应中的核材料的质量亏损化作光子,中微子,以太等其它粒子质量的同时放出核子之间的结合能。它应该理解成质能等价方程而不是质能互换方程。请不要把它理解成质量可以变成能量,能量可以变成质量。在核反应过程中质量始终守恒,在这里,质量守恒定律依然是不可否定的宇宙学基本定律之一。许多物理学家把质量守恒定律,能量守恒定律演变成质能守恒定律,这个微小的差别,把质量能量混为一谈,不知不觉会把现代科学引向歧路。许多前沿物理观念的设想就是从这个错误观念开始,导致物理学前景依旧一片茫然。
3,相对论质能方程: E=m0c2/√1-v2/c2
20世纪30年代以后,粒子加速器的开发制造和不断改进,能量从1MeV以下的低能加速器到如今的1TeV以上的超高能加速器,能量提高百万倍以上,科学家发现,被加速的带电粒子束流的速度始终不能突破光速,并遵循上述质能方程。因为它源自相对论质速方程m=m0/√1-v2/c2 ,所以称为相对论质能方程。
相对论质能方程限制了光子的质量m0必须为零,光子在作光速运动时,E=0/0=等于任何数,方程成立;如果m0是不为零的任何数,则任何数除以零等于无穷大,光子的能量将变成无穷大,方程将不能成立。本方程也限制了任何物质的运动速度必须小于光速,否则,质量能量出现虚数,显然违背物理规律。然而,光子的能量不可能无穷大,光子的质量也不可能是零,有许多实验如康普顿散射实验效应,光电效应实验能够证明光子具有一定数值的质量,动量与能量。
宇宙中白矮星的数量很多,白矮星是恒星燃烧了数亿年后衰老的恒星,质量大约减小了一半。恒星燃烧把自身的质量以光子辐射和恒星风抛洒暗物质粒子(中微子和其它粒子)的形式带走了天体的质量,仍然遵守质量守恒定律。在相对论的指导下,在天文观测方面,前沿科学家为了满足相对论的须要,把光辐射列为能量辐射而不是物质质量辐射的范畴,把宇宙物质结构的组成列为:能量73%,暗物质23%,通常可见物质4%,虽然没有大错,但须要重新审视。
为了使相对论质能方程不与质量守恒定律相悖,本人在2004年写有文章《爱因斯坦方程的再讨论》发表在西陆网现代物理争鸣论坛上。把光速分为绝对真空光速和相对真空光速,绝对真空是没有任何物质的欧氏几何空间,相对真空是含有暗物质,以太,场物质的物理空间。物理真空中的光速始终略小于绝对真空中的光速,这样,相对论质能方程就允许光子携带较小的质量下可使方程仍然成立。后来几年,我发现相对论是一个不可验证的理论,只会引起人们无意义的争论不休,所以把空间分为绝对真空和相对真空并没有多大意义。更重要的是,当我发现光的本性以后,认为光不可能在绝对真空中长久辐射,因为光结构在绝对真空辐射中散架了;前沿科学家观测到宇宙空洞,辐射到宇宙空洞中的光突然寂灭可以得到证明。
三,能量的起源与自然的力。
能量起源于力,但能量有别于力。力有三要素:大小,方向,作用点;力是矢量。能量有大小,但方向和作用点不是唯一的,而经常是多个方向,多个作用点,所以能量是标量。能量是力做的功,能量也表示物体做功的能力。物质能量的传递,交换与转换的微观过程须通过力的相互作用来完成。人们在长期的科学总结中,发现了4种自然的力:万有引力,电磁力,强核力,弱核力。我把它们细分为6种力:
1,万有引力,或称牛顿力。它是基本粒子或者物质结构的质量之间的相互作用力。
2,电力 ,或称静电力或库仑力。它是基本粒子或物质结构的电荷之间的相互作用力。
3,磁力。它是磁性物质之间的相互作用力。
4,电磁力。它是电子之间或者电子与原子核之间的相互作用力。它也存在于某些天体之间的相互作用力。
5,强核力。核子之间的结合力。
6,弱核力。核子内部的离散力。
进一步的研究表明:6种力的本质只有两种力:牛顿力和库仑力。它们分别是基本粒子或者物质结构的质量或者电荷之间的相互作用力(详细分析请看后文)。所以,一切物质的能量起源最终归结于牛顿力和库仑力。可谓:“没有力?哪有能?”
某些权威的物理学家认为宇宙中的能量分为正能量和负能量,这是没有物理根据的不正确的说法,认为宇宙的正能量等于负能量,总能量等于零,它违反了质量守恒定律和能量守恒定律。能量是标量不是矢量,也不分正负,能量的最小值是没有能量即零能量,宇宙可以从无到有,但构成宇宙的基本粒子不能从无到有,基本粒子的能量也不能从无到有,宇宙的总能量等于构成它的一切基本粒子能量的总和。宇宙始终遵守质量守恒,电荷守恒,能量守恒定律。通常有些人们把正义的能力称为正能量,不在此例,它不属于物理学范畴。
四, 质量的自聚性和能量的离散性。
1, 引力,重力,重量和质量。
我在网上看到许多学者教授对引力,重力,重量,质量的概念理解不同,纠缠不清。在此首先表示我的看法:
处于地球表面的人类在生活工作活动中,经常感觉到我们身边的各种物质物体都具有重量,那是因为这些物体具有重力,重力是地球对物体的引力,重力和引力的单位在标准国际单位制中用牛顿和达因来表示(1牛顿=105达因)。重量是重力大小的量值,重量的大小本应该也用牛顿来表示,但是,按照人们的生活习惯,重量的单位采用公斤(kg),克(g)来表示。并设置在常温常压下(摄氏20度,海拔为0米时,一个标准大气压时)物体的重量等于物体的质量,即1公斤的重量等于1公斤的质量。1公斤质量的物体,不管它置放在海平面还是放在珠穆朗玛峰上,或者月球表面或者火星表面,它的质量始终是1公斤,因为它所含有的物质的多少没有变化。1公斤质量的物体在海平面,在高山上,在月球上,在火星上,在飞船上,它的重量是各不相同,因为它在不同的地方所受到的引力大小各不相同。重量表示重力的大小,物体的重量与它接受到的引力等值。
2, 质量的自聚性。
地球表面所有物质物体以及地球内部的一切物质都具有重力,重力的方向都指向地球的中心。这表示构成地球的所有物质的质量具有自聚性。地球的中心,包括地球的质心,地球的重心,地球的几何中心三者几乎重合在一点。通常的质量的自聚性指的是构成物体的各个质点向物体的质心自聚的特性。质量的自聚性可以很容易地由牛顿的万有引力定律得到理解,它是构成物体的所有质点的万有引力的合力表现出来的特性。
我们看到气态的云雾凝结成球形的小水珠下落到地面;我们看到铸造工厂里有许多熔融态的金属凝结成球形的小珠子;中国女航天员在飞船中的物理实验,看到失重状态的液态水凝聚成水球在空间中漂浮。这些都是物质具有质量自聚性的杰作。由此,我们会理解高温气态的恒星为什么会呈球形;我们也会判断出地球,月球,水星,金星,火星的早期曾经经历过高温熔融状态。
3, 能量的离散性。
物质的能量包括机械能,热能,电能,磁能,电磁能,化学能,光能,核能等。地球物理学研究认为,地球的结构由地壳,地幔,地核构成。地球内部物质的温度和压力随着深度的增加而不断增高,使熔融态的岩浆除了有地心的引力,又有以热能为主引起的离散力,这种离散力的微观本质是电磁斥力。地壳的厚度约8到40公里,在地壳板块较薄弱的区域经常发生火山爆发或发生地震。这证明构成地球物质由于携带热能而具有离散性。地球内部各个质点的离散力与它的重力方向相反,由于热能带来的高温高压,离散力大于重力,它试图冲破地壳的阻力,迸发出来。
恒星燃烧发出的各种巨大的能量,其本质主要是氢聚变产生的核能。能量的离散特性主要表现在天体的高温高压和以光辐射与粒子抛洒为主要方式。
物质物体具有质量的自聚性与能量的离散性是物质的基本特性。这种特性,也可以用人类的活动来理解,宇宙中一切物质和物质现象包括人类的活动,如一个党派,一个团体,一个企业,一个企业集团也都同样具有自聚性和离散性两个方面。
4, 天体的自转与粒子的自旋。
除了地球日以继夜的自转以外,科学家在天文观察中发现,几乎所有的球形天体都是自转的。天体为什么会自转?我们应该找出它的主要原因。天体质量的自聚性和能量的离散性使天体处于自聚引力和离散力的平衡状态,这种平衡是不稳定的,一旦天体表面某一质点受到外力的作用,根据力合成的平行四边形法则,质点会有一个切线方向的分力,驱使天体开始转动。开始转动的天体,每个质点的离散力向质点运动方向倾斜,分力加大,使转动速度加快;速度越快,每个质点的离散力越向运动方向倾斜,切线方向的分力变得越大,使转动加速,直到天体达到最大的自转速度。
天体自转的角速度与天体质量的乘积表示天体的自转角动量,它的大小取决于天体的能量大小(或者离散力的大小),这是内因,当然,天体自转角动量的大小还与天体的外部环境有关,这是外因。内因与外因共同决定天体的自转角速度。发光发热的天体具有较高的能量,因此具有较大的自转角动量。科学家可以观测天体的自转角动量来估算天体的能量并可获得天体内部结构方面的部分相关信息。
对于微观粒子,科学家在长期反复的研究中发现它们有自旋的性质,如离子,原子核,电子,光子等。由于它们携带电荷,构成每个微观粒子内部的每个质点携带同性电荷,它们彼此之间的库仑斥力使它们具有离散性。处于质量自聚引力与电荷离散力平衡的微观粒子一旦表面受力,粒子则会产生振动;由于力合成的平行四边形法则,质点在切线方向产生分力,使粒子开始转动,转速越大,每个质点的离散力越向转动方向倾斜,驱使转动的分力更大,转速会越来越大,直至达到最大值。粒子自旋的角动量数值的大小取决于粒子的电荷与质量的比值,这个比值称为粒子的荷质比。所以,微观粒子荷质比越大,粒子自旋角速度越大。这样,可以帮助人们估计出微观粒子之间在空间中运动和相互作用方面许多相关的性质和规律。
五,宇宙的纯朴性和复杂性。
我们的宇宙是物质性的宇宙。宇宙的演化,归根结底是宇宙物质物体的质量与能量发生运动和变化。任何物体由基本的物质构件组成,基本粒子所谓的“基本”,表示它既不能消灭,又不可创生,也不可以再分,它们是组成基本物质结构的原始材料。数量庞大的基本粒子及其结构,形成了五彩缤纷的复杂世界,它们把上百类自然科学及其分支从根本上联系在一起。科学家都相信宇宙是纯朴的,纯朴就是朴素简单,它是由基本粒子排列组合而成的物质结构的运动变化。科学的目的是不断探求更深层次的基本构件,反复多次地从底到顶,从顶到底,梳理推导,总结研判,直至发现基本粒子的原型及其性质。基本粒子非常纯朴,它们在通常的三维空间中存在,没有遇到卡拉比丘空间流形,它们不懂得加减乘除和复杂的数学,更不知麦克斯韦方程组,薛定谔方程,爱因斯坦场方程是什么?基本粒子与基本物质结构在相互接触时只表现为吸引作用或排斥作用。粒子的质量引力和电性引力能使各种各样的物质结构形成,电性的能量离散斥力能使物质结构发生运动变化。
宇宙的复杂性表现在:宇宙中只有相似,而没有相同的物质结构与运动状态。从物质的表观特征来看,有人找过,在地球上找不到完全相同的两片树叶,两粒砂子,两个指纹;找不出两个完全相同的人,即使是同一个人,他的昨天与今天不同,早上与晚上不同;追溯到构成这些物质结构体的不同与变化,以至找不出完全相同的的原子,电子,甚至基本粒子。虽然我们不能观察基本粒子的表观特征与内部结构,但我们可以判断它们不能处于相同的状态(位置与速度)所表现的特征。不同粒子的排列与组合数非常巨大,构了非常复杂的宇宙。所以,在宇宙中很难找到统一的“放之四海而皆准”的绝对真理。宇宙中的真理都是局部适用的相对真理。质量能量的运动变化不可能全部按照规则定律来进行,常常是确定性与随机性相伴随,有序与无序相连接,简单与复杂相交融,表现出宇宙演化的混沌性,无规性。宇宙是个复杂的大系统,宇宙学与系统科学,混沌科学的研究应该联系起来,并不仅仅是相对论与量子力学。
一.一位朋友从国内转来一篇2009年登载于《中国企业新闻网》上的文章:《中科院院士朱清时 佛法解释物理学》,摘要如下:
“ 3月8日下午3时开始,朱清时院士发表了精彩的讲演:《物理学步入禅境:缘起性空》。引起了听众的极大兴趣,对这一惊世骇俗的论点,报以热烈的掌声。
朱清时先生,是中国科学院院士、第三世界科学院院士、原中国科技大学校长、国际书协顾问。他作为国际著名物理学家和教育家,立足于现代物理学后最新成果,与佛教哲学相结合,探讨了物质与意识的本质意义。
他以爱因斯坦的统一场论和霍金的“弦论”,与佛学经典《成唯识论》的“藏识海”进行比较研究,他认为是相通的。物质世界,是无数宇宙弦的交响乐,与眼前世界是藏识上因风缘而起的波浪,是极其相似的。
他不无幽默地说:“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!”这一论点,可以说,彻底动摇了二十世纪以来作为主流认识论——“唯物主义”的基础。”
如果朱清时先生是一位喇嘛或者方丈,我们读过这篇奇文之后也就可以一笑置之。偏偏这位朱先生头上顶着“中国科学院院士、第三世界科学院院士、原中国科技大学校长、国际著名物理学家和教育家”的光环,他对物理科学居然如此见识,不能不使人感到一种莫名的悲哀。
朱校长所谓的科学家千辛万苦爬到的“山顶”是什么呢?是“弦论”,是“能描述一切现象的理论”,又叫“最终的万能理论”,英文叫“Theory of everything”。其实弦论根本就没有得到科学界的认同。粒子物理标准模型的创立者之一,世界著名的理论物理学家、美国科学院院士,1979年诺贝尔物理奖得主格拉肖说:“超弦理论将演变出一些只有在未来的神学院里的神学家们导演的活动。自黑暗的中世纪以来,我们第一次看到崇高的科学研究最终的结局竟然是再次以信仰取代科学。” 另一位知名物理学家杨振宁先生的意见和格拉肖的意见异曲同工。20几年前我在纳什维尔的范德比尔特大学物理系工作时,我们请杨振宁教授给了一次讲座。有人问杨先生对弦论有什么看法。他回答说,弦论不能够给出任何一个物理量供实验物理学家检验。也就是说,这个理论和实际的物理世界毫不搭界。这样的理论够资格为物理学的“前沿”“山顶”吗?一个完全脱离物理现实世界的理论绝对不是前沿物理理论,而是前沿神学,前沿玄学,前沿佛学。弦论不是科学的“山顶”,而是20世纪理论物理背离科学的崎岖山路往唯心主义的沟壑下滑到谷底。在这个谷底等候着弦论的到底是西方神学还是东方佛学,科学家没有必要太感兴趣。
弦论产生的根源是粒子物理理论的深刻危机。基本粒子理论的无穷大发散问题始终得不到解决,即使重整化也不能解决所有的发散问题。引力场就没有办法重整化。理论物理已经走入了死胡同。于是一些大胆的理论家就提出革命性的假设—高维时空,以图走出困境。超弦理论由格林和施瓦兹于上世纪八十年代提出。这一理论需要十维空间,其中六维“额外维度”卷曲成尺寸在普朗克长度(10的负43次方米)的线段。 超弦理论的问题是,它给不出任何一个可以为实验检验的物理量。同时,这种理论并不是唯一的。至少有五种不同的超弦理论相互竞争。但是物理规律必须唯一,不能亦此亦彼,亦黑亦白,模棱两可,或模棱五可。1995年,惠滕(Whitten)引进了第十一维空间,于是“超弦”的线段就变成了“超膜” (Membrane)。惠滕猜想这五种不同的十维超弦理论有可能是同一个十一维“超膜理论”的不同表现形式。这种“Membrane Theory”简称为“M-Theory”,其具体结构尚不清楚,所以只是一种猜想,对五种不同的超弦理论至少是一个安慰。就是这么一种精神安慰,被许诺为“20年后就可以结束基础理论研究的“最终理论”。其实这种漂浮在11维数学空间中的M-理论只不过是以数学和物理字眼进行现代化包装的古典神学和佛学,只是还没有佛学那么高妙庄严。
可以肯定,除非超弦理论家们从高维空间或曰“额外隐形维度”回到现实的三维空间和一维时间,他们的理论就和实际的四维时空中的物理现象没有任何关系。他们的理论就只能是神学和佛学。指望躲到“额外隐性维度”中去解决现实维度中的物理问题,无异痴人说梦。做这种梦的朋友其实连自己的研究经费都还得指靠四维时空中的纳税人的三维钞票。因为如此,弦论家们和所有的宗教家们最起劲反对的就是唯物主义和科学实证主义。在这方面,朱清时校长也不肯后人。为了证明唯物主义的错误,朱院士请动了一位洋大人施太格缪勒:
我们从当代著名的哲学家施太格缪勒(Wolfgang Stegmuller)在《当代哲学主流》一书中写的一段名言开始。
他写道:“未来世代的人们,有一天会问:二十世纪的失误是什么呢? 对这个问题,他们会回答说:在二十世纪,一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分,而且即使在西方哲学中,譬如在所谓身心讨论的范围内,也常常处于支配地位。
“但是另一方面,恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”
这就是说,一方面以“唯物主义”为标记的哲学广为流行,而另一方面“物质”究竟是什么? 却又说不清。施太格缪勒正是在这里看到了“二十世纪的失误”。
施大人所说“恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。” 恰恰与事实相反。使20世纪科学感到困难的真正原因,是理论物理学家们逐渐抛弃了经典科学的物质概念,背离了唯物主义,滑到了唯心主义的道路上而不能自拔。
既然施大人认为科学的物质概念是错误的,那您就应该告诉我们证据何在,应该告诉我们什么是正确的。可是施大人唯一的理由是“物质究竟是什么,却又说不清”。您怎么可以把自己的困惑当雄辩?难道您说不清楚的概念都是错误概念?难道因为您搞不明白物理上“物质”的概念,就可以断定物质概念的错误?既然您搞不清楚,为什么不可以认真学习,等搞清楚了以后在发议论?朱院士称施太格缪勒为当代著名的哲学家。他所引用的施大人的这段论述,却不太像一个“当代著名哲学家”的议论。不过,只要他的姓氏不在中国的百家姓中,而是盎格鲁萨克逊姓氏,他的议论也就具有天生的伟大基因,值得朱校长敬畏、惊讶和震撼的。
施大人是学哲学的,不懂物理也罢。朱院士是科学家,中国科学院院士,为什么也跟着这位施大人否认“物质”的概念,说唯物主义是“20世纪的失误”?
唯物主义和唯心主义的争论早在古希腊时期即已开始,并非20世纪的哲学争论。唯物主义在科学从黑暗的中世纪的神学中解放出来的斗争中起了关键的作用。随着物理科学在十九世纪的确立,物理学研究基本上遵循着唯物主义,即任何科学理论必须能够解释自然现象,经受实验和逻辑的检验。即使在唯心主义盛行的某些领域,理论最终逃脱不了实践的检验。这是国际学术界一个不变的原则。自欧洲的宗教改革,文艺复兴和启蒙运动以后,科学慢慢挣脱了黑暗的宗教统治,摆脱了神学认识论,确立了科学认识论。科学认为大自然的规律是可以通过人类的实验和逻辑推理认识的,而不是只有少数圣人智者才能了解的东西。新康德主义价值哲学的创始人之一在《启蒙哲学》中指出,启蒙精神是一种实证精神,推理精神和分析精神,而不是纯粹的假设。科学认为人的知识的源泉是科学实验和工程实践,而不是少数智者的抽象思维和先验的假定。所以,凡是不能经过实验验证的理论都不是科学理论。普朗克说过:“实验是我们掌握的唯一知识,其他全是诗意和想象。”就连爱因斯坦也承认:“对现实的知识始于经验,终于经验。” 实践不但是检验真理的唯一标准,也是所有科学理论与科学逻辑的最终源头。这就是科学实证主义,科学上的唯物主义。
可是这一科学原则在20世纪后半叶已经被理论物理学界完全抛弃。代之而起的是中世纪的神学原则。大自然的理论不是始于经验,终于经验,而是始于假设,终于假设。理论上禁止测量的,比如夸克禁闭,或实验上根本无法测量或验证的,比如需要比太阳系还大的加速器来验证的大统一理论,被视为前沿科学。人们对理论的信心不是建立在反复重复的独立实验之上,而是建立在对先验的原理的信仰之上。信仰取代了实证,中世纪的权威崇拜和神秘哲学取代了科学实验和逻辑推理,成了判断科学理论真伪的标准。科学先驱们通过艰苦的反复实验来发现物理定律被鄙弃了,代之以理论家们草稿纸上的数学游戏。理论家们一拍脑袋就可以将基本粒子总数翻一翻;理论家们一拍脑袋就可以从每一个立方厘米的空间中每秒钟创造出10的143次方个宇宙;理论家们一拍脑袋就可以在10的负33秒钟的时间内以超过光速20 几个数量级的速度将宇宙暴涨到成人宇宙;弦论家们一拍脑袋就可以创造26维空间或者11维空间。霍金公然宣称创造论符合现代科学精神,宣称虚时间比实时间更实在,宣称人们无法决定什么是实在的。科学实证主义完全被虚无主义和玄学取代。创造论取代了科学的物质不灭定律和能量守恒定律。大爆炸宇宙学以地心说和有限宇宙论取代了科学的无限宇宙论。巫术和遁术被堂而皇之地当作科学大肆宣扬。毫无物理意义的弦论被自吹为前沿科学和万能的最终理论。这是科学史上从唯物主义向唯心主义的大倒退,从科学向神学玄学的大倒退。朱清时校长在科学的大是大非面前,选择的是与弦论共进退,反对物理学的“物质”概念和科学实证主义,以至于奉佛经为高于科学理论的真理,走入了极端的唯心主义。据维基百科的介绍,2000年之后,朱清时的思想中宗教尤其是佛教的成分日渐增加。其著作《东方科学文化的复兴》认为“以‘整体论’为指导的东方科学思想将成为第二次科学革命的灵魂”。2009年3月8日,他发表《物理学步入禅境:缘起性空》的宣传佛教演讲,认为当代物理学弦理论就是佛教的缘起性空观点,“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!”
朱清时校长2009年在《物理学步入禅境:缘起性空》一文中,长篇大论地对物理学的发展做了一个标准教科书的科普介绍以后,得出了一些惊人的结论。他说:
在弦论之中,情况发生了根本变化。过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子,现在都是宇宙弦上的各种“音符”。多种多样的物质世界,真的成了“一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。(《金刚经》)”物理学到此已进入了“自性本空”的境界!
有人会想,天啊!物质都不是客观实在了,那么,世界上还有什么东西是实在的吗?
回答是,有的。事物之间的关系,就是实在的。
在朱清时院士看来,物质都不是客观实在,可是事物之间的关系倒是实在的。也就是说,罗密欧和朱丽叶虽然不是客观存在,但是没有恋人的“事物之间”的爱情是实在的。这比柏拉图式的爱情更进一步,更加唯心。太阳和地球都不是客观存在,可是“它们之间”(谁们之间?)的万有引力是存在的。朱院士是从事同位素分离的化学家,用的就是激光与同位素之间的相互作用,或曰“事物之间的相互关系”。如果激光和同位素这两个“事物”都不存在了,还存在任何“事物之间的相互关系”吗?当然您仍然可以把激光器和同位素放在您的实验室,这时候当然会有“事物之间的相互关系”。那么,为了保证这种“相互关系”的存在,激光器和同位素须不须要存在呢?唯物主义者认为他必须存在。朱教授当然可以认为摆在您实验室的激光器和同位素“不是客观存在”。这正是唯物主义者和唯心主义者的区别,也是物理科学和弦论的区别。唯物主义者认为,没有不运动的物质,也不存在没有物质的运动和没有物质的相互关系。朱院士则认为“一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。(《金刚经》)”
为了说明“以弦论为代表的物理学”如何神奇,朱清时院士没有讨论任何物理,而是举了一个种苹果树的例子,一个本该在农业大学课堂里讲述的课程。朱教授说,为了得到一个苹果树,必须要有“因缘”。苹果种子是“因”,其他条件如土壤,水分,肥料,阳光,温度等是“缘”。我不由得想起了“水肥土种密保工管”。原来农业八字宪法是从佛经里面得到的因缘。朱校长长篇大论地说了一大堆种苹果树的因缘之后,立即得出结论说:“总之,在二十一世纪开始的时候,以“弦论”为代表的物理学,真正步入“缘起性空”的禅境了!”我怎么也接不上从农科课程的叙述到弦论之间的逻辑关系,理解不了苹果树与弦论之间的因缘。朱院士的逻辑推理水平难道就是这样?
二. 朱校长在文中两处提到了霍金:
中新网北京8月19日消息:霍金在昨天的科普报告过程中只赢得了两三次掌声,全场几乎没有会心的笑——他的理论太玄奥,以至于大多数来自北大、清华的学子都说没太听懂。
据北京晨报报导,昨天下午,北京国际会议中心排起数百米的长队。门口有人私下兜售门票–最少500元一张。询问退票的人也不少,大家都期待着一睹霍金风采。但两个小时的公众科普报告尚未结束,已有人提前退场——实在听不懂。
从中新网和北京晨报的报道看,霍金此次访华,已经非常不吃香了。朱校长把霍金市场的滞销归因于弦论的深奥难懂。他说:
霍金这次讲的《宇宙的起源》,其基础是当代自然科学的最新成就-弦论。真正懂得这个理论的人,都会产生一种强烈的敬畏、惊讶和震撼感。
稍后,他又说:
回头再看一下本文起头的那则消息,不难明白为何人们难以听懂霍金的那么生动的报告,原因就是:“物质是实体”的观念,在人们的心中太执着了!
佛学认为,物质世界的本质,就是缘起性空。藏识海(又名“如来藏”)是宇宙的本体。物质世界的万事万物,都是风缘引起的海上波涛。
从朱清时校长的上下文看来,他自己是懂得弦论的,因为他说“人们难以听懂霍金的那么生动的报告,原因就是物质是实体的观念在人们的心中太执著了!”朱校长是不执著于物质是实体的观念的,所以就不会听不懂霍金深奥的报告。他不但听懂了,而且觉得霍金的报告“那么生动”。他自认为是“真正懂得这个理论(弦论)的人”,产生了“一种强烈的敬畏,惊讶和震撼感。”我对朱校长的这一番表白和宣示有一丝丝怀疑,因为如果您真的懂得了这个理论,就不太会感到震撼。
我们不妨把这次霍金的访问和2006年霍金访问的情形作个比较。据朱清时校长的前任方励之校长的记述, “霍金在中国访问时的待遇,‘很接近党和国家领导人’了。2006年,他的公众学术报告被安排在北京的人 民大会堂举行。听众数千,有学者专家,有高政治级别的人物,也有霍金爱好者。”“《时间简史》出版后,销路极佳,霍金成大众‘明星’了。《时间简史》的中译本,也是中文科普丛书《第一推动》的首册。尽管如此,我敢说,大部分公众仍然并不真知道霍金的学术贡献在那里。TIME(时代)杂志有文说,购有《时间简史》者,大多只看到(或只能看到)第三页。可以推断,在北京人民大会堂里的数千霍金听众,读过第三页以后者,也不会多。”
霍金在2006年在北京人民大会堂的演讲,听众同样听不懂,但是却盛况空前。何以几年以后,霍金的报告却受到如此冷落?以至于他的科普报告只赢得了两三次掌声,全场几乎没有会心的笑,两个小时的公众科普报告尚未结束,已有人提前退场?其原因不是他的理论太玄奥,而是学生们开始头脑冷静下来了,不再盲目地追捧依靠谎言和谬论支撑起来的权威和权威理论了。你可以在某一个时期欺骗所有的人,也可以永远地欺骗一部分人,但是不能够永远地欺骗所有的人。尤其是北大清华的学子,是不太好欺骗糊弄的。霍金在中国的市场价值,还会继续下滑。
三. 朱清时院士公开地宣传佛教物理学,在任何意义上都够格被称为“朱清时现象”。这种现象有几个明显的特征:1。一个有地位的科学家成为自己并不懂的“弦论”等玄学理论的拥趸。2。一个非常有成就的物理学家最终走向宗教迷信的道路,认为物理学的出路在某种神学和宗教。
朱清时现象的第一个方面比较容易解释。朱院士是化学家,对粒子物理理论和弦论其实不太了解。可是因为身居高位,不得不对主流理论物理和自诩为万能的最终理论的弦论表示一个热烈拥护的态度,以表示自己称职,无愧于中国科学院院士和中国科技大学校长的头衔。他的弦论方面的知识是从媒体宣传和科普读物中得到的。而这些宣传最重要的两点是:1)弦论是前沿科学,是物理学的顶峰;2)弦论是万能的最终理论。这两点对于包括朱院士在内的广大不知情的科学工作者有非常大的震慑作用。因为不知情,就容易迷信,真以为弦论是物理学的顶峰。对于身居高位的院士和校长,必须维护学术领军人物的形象,因此对于学术上的热门话题必须有公开的态度,当然就必须根据媒体和科普读物的宣传中归纳出一个看来是主流的观点,。
朱清时现象的第二个方面比较复杂一些。这里有两个原因:1)20世纪理论物理本身陷入了不可自拔的神学玄学泥坑;2)中国社会近年来封建迷信的泛滥。
第一个原因是内因,是主要原因。如果不是理论物理本身陷入神学玄学,不管社会上宗教迷信如何泛滥,科学家也不会陷入迷信。事实上,在科学从黑暗的中世纪中诞生时,整个欧洲社会不仅在思想上沉浸在长达一千五百年的宗教传统里,而且在政治上和法律上也束缚在宗教审判的枷锁里。可是科学先驱面对宗教淫威毫不畏惧,宁可被宗教裁判所烧死,也要坚持科学原则和科学真理。因为有了这些科学先驱的殉道精神,科学慢慢挣脱了黑暗的宗教统治,摆脱了神学认识论,确立了科学认识论。如果说,在启蒙运动时期,科学家们对“物质”与物质的“运动规律”和“相互关系”还没有清晰的定义和定量分析,那么到了牛顿时代,这种定义和分析就已经非常清晰,非常科学了。以科学实验为知识源泉,以指导科学技术实践为目的的科学研究的方法也成熟了,因而有了现代科学技术的辉煌成就。可是,这一科学实证主义自20世纪初慢慢为理论物理学家们逐渐抛弃了。1905年,爱因斯坦彻底颠覆了经典时空理论,假定时间不是独立于空间的自变量,而是依赖于空间和速度的因变量。自此以后,整个20世纪的时空观便成了理论家们的玩偶,变得毫无物理意义,以至于发展到时光可以倒流,因果可以倒转。霍金甚至认为时间可以是二维的复时间,而且虚时间比实时间还要实在。你叫崇拜霍金的朱清时院士如何不从佛学中去找因果?爱因斯坦的狭义相对论的一个最重要的结论就是质能等价原理。根据这一原理,质量和能量可以互相转换。这又是对经典的质量观念的彻底颠覆。按照经典物理学,质量是物质多少的量度,而能量是物质运动的多少的量度。这两者相关但是不等价,不能互相转换。狭义相对论的质能等价观念对20世纪粒子物理产业具有至关重要的作用。一方面,质能等价概念是将几百号共振态认定为粒子的唯一根据;另一方面,质能等价原理加上海森伯测不准原理又为真空创造物质制造了借口,为物理学滑向创造论提供理论依据,彻底混淆了物质与意识(物质之间的相互作用)的区别。物质成了完全的虚无。这当然会使许多科学家像朱清时院士一样,认为“物质都不是客观实在了,那么,世界上还有什么东西是实在的吗? 回答是,有的。事物之间的关系,就是实在的。”朱校长的这一感叹和认知,根源也在狭义相对论的质能等价原理。
除了以上这些非常关键的对经典物理学的颠覆以外,还有一些违反数学规则和物理事实的假定,比如重整化将无穷大等于零的假定,比如要求物理规律和方程式服从规范协变性,以至于不容许任何粒子带有质量的假定;自动对称破缺要求所有粒子都必须通过上帝粒子获得质量的假定等等。这些荒唐假定违反最基本的数学物理逻辑。朱清时院士和许许多多不明就里的科学家们当然无法理解这些荒唐假定,有不得不表示拥护,所以只有遁入空门和神学,诉诸上帝和佛祖。
这些,就是造成朱清时现象的内因—20世纪理论物理本身坠入了唯心主义的深渊。因为是20世纪理论物理本身的问题,所以不但中国人,外国人也有坠入神学的,英国人霍金就认为“上帝在创造天地之前根本没有制造任何东西。事实上,这非常接近现代思想”。他认为时间有始点和终点, “这使许多物理学家非常不满,可是却使相信创世记的宗教领袖们欢欣鼓舞,因为这就是(创造论的)科学证明”; “在对未来的预言中,星象学并不比科学定律差。” 还有一個美国人,一个諾貝爾獎得主,費米實驗室的主任利昂理德耳曼,他把超高能對撞機比作古代巴比倫人動工建築可是並未竣工的通天塔。理德耳曼说超高能加速器建成以后,我们就可以进入天堂,明白大自然的最终规律,或者说,“能够读懂上帝的思想”。
朱清时现象的第二个原因是中国近年来风行的宗教迷信活动。这或许是对文化革命思想专制的过度反叛。文化革命以后,对宗教思想的压制基本上取消了,这本来是好事。可是什么事情都有一个度。如果将宗教自由的本意歪曲为大张旗鼓地恢复封建迷信,就会泛滥成灾。如今中国的寺院道观里,无不香火鼎盛。烧香许愿的施主们,有在仕途上不畏艰险攀登的贵族,也有在温饱线上挣扎的农民工;有西装革履的高等学府的教授,也有穿着肚跻装的妙龄少女。这些施主绝大多数不是来和方丈或者真人探讨佛学或者道德经,而纯粹是为了一些世俗的目的。这种封建迷信普及之快之广,简直令人不敢置信。有钱的土豪在办公桌上摆个貔貅以保生意兴隆,没钱的的哥在反射镜下吊一个伟人像以保交通安全,在赤县神州已经司空见惯。如果说土豪和的哥没有文化,受过高等教育的大学生们应该不至于如此迷信吧?不见得。我曾经和一位来自北京的留学生闲聊。他说北京许多大学生想出来留学,为了那拿到外国大学的Offers(入学许可和奖学金),就到卧佛寺去烧香。因为“卧佛寺”和“Offers”谐音。朝拜了“卧佛寺”,就能得到“Offers”。高等学府的学生怎么会迷信到如此无知的程度?有了朱清时这样的校长教员,高等学府里面生产出迷信无知的学生也就不足奇怪了。中国高校中像朱清时校长这样明目张胆地宣扬迷信,倡导佛教物理学,用《金刚经》《入楞枷经》来诠释物理学,扬言“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!”,似乎不是孤立的现象。有的比朱清时校长走得还远,以至于为一些江湖术士和得道半仙宣传造势,颁奖合影,还要美其名曰“弘扬中华传统文化”。这种现象,难道不值得教育部和科学院关注,进行适当的监督约束吗?
杰佛逊《宗教自由宣言》的本义,是对宗教统治的反叛,是指公民有选择自己宗教信仰的自由,也就是说,公民有不皈依占统治地位的宗教的自由,以及不信仰任何宗教的自由。这一宣言对于在美国不信仰基督教的其他教徒(犹太教,天主教,摩门教等)是一个法律保护。中国近代国情不同,文革以前占统治地位的思想是无神论。宗教实践被长期置于统战工作的框架之内。文革以后,这一框框被打破,各种宗教活动开始有了真正的实践和自由。这就使国人将“宗教自由”误解为“弘扬宗教”甚至“宣扬迷信”,与杰佛逊的本意背道而驰。
世界史上几千年来的各种各样的宗教对人类文明所起的作用,是一个大题目。见仁见智,求同存异吧。我不想在此文长篇大论地谈论宗教史,只想简单谈谈在现代社会中,我们应该如何正确对待宗教。人类既然已经从过去的历史接受了充满几十个宗教的社会遗产,就应该懂得不要使这笔遗产继续给人类带来宗教仇恨和宗教战争。不同教派的教友要学会互相尊重对方的宗教取向。不要把其他教徒都看成是该入地狱的异教徒或邪教徒。要把他们看成自己的兄弟姐妹,是Fellow Human beings。信教的目的,应该是为了追求人伦道德的清纯高尚和心理的平安。我在巴特尔国家实验室工作期间,与当地华人基督教会相处甚洽。我送给他们一副对联:“慈善勇义是基督,仁爱敦睦即轩辕。”无论是西方的基督教,还是中国的儒道释,讲究的都是慈善忠恕,仁爱敦睦。伦理道德是相通的。如果人们能够坚持政教分离的原则,不让宗教干扰政治,干涉教育,渗透科学,仅仅把信教作为一种个人信仰,道德追求,行事准则,生死态度,那宗教信仰就完全是个人私事,别人干涉不得的。这就是宗教自由。
但是,对于公众人物,在公开场合宣扬某一种特定宗教,并以影响科学教育为目的,就不仅仅是私人的事情了。一个堂堂中国科学院的院士,中国科技大学校长,是级别相当高的政府官员。头上冠着顶戴花翎,袖里揣着银子官印,其一言一行的社会影响力,和市井小民的街谈巷议自不可同日而语。作为一个科学家和教育家,必须时时谨记自己的科学责任和社会责任。谨记我们的责任是推动科学的发展而不是推动科学向神学倒退;是传道授业解惑而不是以神学玄学误导学生,使他们越来越惶惑,越来越糊涂,越来越愚蠢。像“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了”这样的话,如果出自雍和宫中喜滋滋地数香火钱的小沙弥之口,人们自然不会去认真理会;可是出自中国科技大学校长朱清时院士之口,再经过媒体炒作,其社会影响力,尤其是对高校学生的误导作用,就不是小沙弥的说教可比于万一了。因为支撑着朱清时声明的并不是他的逻辑,他的学问和他的信仰,而是中国科学院院士和中国科技大学校长的头衔所代表的公权力。
教课书上的错误,我们能无动于衷吗?
张操
我在10个月以前,在科学网上发表了一篇博文:“如果大学教课书错了,怎么办? ”。文章前面三段是:
“我们知道,学生差不多每天都要做家庭作业。如果做错了,对不起,扣分。高考更加要命,如果题目做错了,很可能改变一个人一生的命运。
一般而言,自然科学教课书上的知识,经过千锤百炼,绝大部分是正确的。 可是我在近期研究直流电场传播速度的实验过程中,意外地发现大学电磁学教课书上长期存在一个明显错误。这个明显错误讲给中学生也会明白,可是大学教授们讲错了
题目是最简单的直流电路。典型的直流电路具有一个电池,电池二端由金属导线连接一个负载电阻。例如,汽车上启动开关一转,电池二端产生的电流由金属导线连接到了汽车发动机,汽车马达转动啦。这是很简单的道理。”
可是,大学教科书上说,电池向外界空间输出电磁能量,然后电阻从外界空间吸收电磁能量。我在博文中晒出中国一本电磁学教课书的图示(因为图示已经在以前的博文中发过,这里省略),作者是我尊敬的北大老教授,赵凯华先生。
10个月过去了,情况更加清楚了。上述的错误观点在很多大学电磁学教课书都存在。不仅如此,中国电磁学教课书的这个观点是从某些外国电磁学教课书上搬来的。
10个月过去了,我们向中国的高级期刊投过稿,都没有通过初审。可是,现在是网络时代,总有开放的学术期刊刊登我们的学术观点(We do not care about SCI!),我们已经发表了2篇中文论文(见参考文献)。
我们的论文指出:在直流电路的情况,电池内的化学能转化成电能,在电池二端集聚了正负电荷,产生了电动势。这个电动势在导线内以及电阻内形成电压和电流,自由电子的电势能转化为电子的动能,消耗了电功率。所以,电能完全在导线内部传输给电阻的。
有人向我提出过:张老先生,世界上聪明的人有的是,是不是你自己搞错啦。
我回答说,如果我没有充分的把握,我哪敢“老虎头上拍苍蝇”。
有人向我说过:张老先生,这是一个简单的物理学问题,就算你是对的,又怎么样?
我回答说,我们要为学生负责。对于大学教课书上长期存在的错误,我们当教师的有责任纠正它。这个简单的物理学问题,可以比喻为由中国科学家提出的物理学上的1+1 问题,难道不值得充分讨论吗?
一位网友评论得很好:教科书是承上启下的工具,要有错必究。
为了纠正这个电磁学教课书上长期存在的一个明显错误,高教部门有责任和义务吗?中国科学院学部有这个责任和义务吗?
在这里,我向科学网上参与讨论过这个学术问题的网友表示感谢。我也向科学网的编辑们表示感谢,因为科学网为广大的科学工作者提供了一个交流和呼吁的平台。
参考文献
[1]. 赵凯华, 陈熙谋,《电磁学》,(第3版),(高等教育出版社,2011)第676-578页。
[2]. 樊京,张操,“关于金属导线中直流电能的传输”,南阳理工学院学报,第6卷,第3期 (2014)第1-4页。
[3].张操,樊京,“纵向电场和超光速研究”, Modern Physics 现代物理, 2014, Vol.4, 107-112. 这个期刊是中文版的开源期刊,读者可以免费下载。
http://www.hanspub.org/Journal/PaperInformation.aspx?paperID=14130#abstract
第五届全国民间科技发展研讨会暨时空与光物理讨论会于2013年8月在我国太原举行。《论文摘要汇编》如下:
前言—————————————————————————————————————-张崇安
第五届全国民间科技发展研讨会贺词———————————————- 宋正海7
我国民间科技创新概况————————————————————–黄友直7
民间科学与自然国学—————————————————————–宋正海10
自然国学基本点问答—————————————————————–宋正海12
创新与人才————————————————————————— 关原成13
放飞科技中国梦———————————————————————- 胡昌伟14
《宇宙宏微论》简介—————————————————————–彭宏钟17
爱因斯坦及其“相对论”————————————————————– 李泱20
“控制论”的本质———————————————————————- 李泱21
现代物理学所面临的“哲学”问题—————————————————-杨光京22
古斯-汉森位移是揭示光本性的判决性实验 —————————————-耿琦24
微太模型初论————————————————————————-张操25
暗物质的答案及定量计算————————————————————郝建宇27
宇宙总质量正负解和宇宙加速膨胀—兼回答暗能量为什么存——————— 郝建宇32
普朗克能量子的宇宙学意义———————————————————-郝建宇38
大型强子对撞机实验可能破坏质量守衡及其解释———————————-郝建宇39
光速的两个理论值及其引出的常数关系——————————————– 郝建宇40
惯性力和惯性力矩的来源·———————————————————–赵常德41
惯性力与惯性力矩的关系·———————————————————–赵常德43
客观世界只存在空间不存在时间·————————————————— 柏青山44
诸空间观和光本性观辨析·————————————————————张崇安45
超光速与超光速观测效应·————————————————————李子丰50
光的粒子性与光速·——————————————————————–李子丰52
在光的粒子性观念下得出的马吕斯定律——————————————— 杨发成54
运用量子光学基本观点解析杨氏实验———————————————— 杨发成55
光是以太的量子涡旋的密度波——————————————————– 叶波59
迈克尔逊试验原理问题探究———————————————————- 叶波62
粒子衍射学说·————————————————————————-凡伟66
太极宇宙模型才是标准的宇宙模型————————————————– 张树斌75
光是由时间决定的热斥力负电荷波能量场—————————————— 张树斌79
光子的实质与机理·——————————————————————–陈刚83
光子的能量·—————————————————————————-陈刚87
光本质论—————————————————————————— 丁一宁91
论说现代有几种可肯定的光本性————————————————————安九贤96
物体温度升高及电容器充电后重量减轻的原因(和重力与万有引力是对立的)——–安九贤98
发现磁场、磁力线的本质—就是磁旋轴—————————————————–宋立强100
光子模型·————————————————————————————–李新民110
论光、光速常数及超光速——————————————————————– 林志德116
绝对静止与运动——————————————————————————-张久义120
光线通过旋转透明介质改变轨迹·————————————————————刘武青121
从大型强子对撞机说中国梦—非线性希格斯粒子数学讨论·——————————-习强122
从光的表现探索光的本质——————————————————————– 宓海江140
一道光线产生整个宇宙———————————————————————– 宓海江141
光在我们认识自然中的作用—————————————————————— 李升山142
关于质数定理取整公式的取整运算法则—————————————————– 沙寅岳143
每一个大于五十万的偶数都可表为两个质数之和·——————————————-沙寅岳149
《论埃拉托斯特尼的筛法与新的质数定理》·————————————————沙寅岳154
用思维发射器为人调病做善事—————————————————————-北京心脑慈善福乐总部外联部156
暗物质、暗能量与“招善引惠”养生·———————————————————-环球心脑易太极养生组织科研部157
福音——————————————————————————————– 高国俊158
抗击癌症,中国几乎全面溃败————————————————————— 高国俊158
科学学新进展新科学学创建真理哲学批判辩证法—————————————— 可雪160
中医科学疗法治疗癌症有特效————————————————————— 可雪160
光本性讨论与决议初稿———————————————————————– 张崇安
文章分享:
张崇安
空间本性和光本性是物理学基础。历史上代表性的空间观有四类:1)牛顿绝对空间观;2)以太空间观;3)相对论、量子力学空间观;4)玄空间观。代表性的光本性观念也有四类:1)牛顿光本粒子观;2)麦克斯韦光本波动说;3)相对论、量子力学光本观;4)粒群波光本观。这些观念理不清,影响当代物理学的发展,也为玄学的滋生提供土壤,故去伪存真、去弱存强非常重要!
1 历史上代表性的四种空间观念辨析
凡深刻的物理学和哲学观念都要追溯空间本性问题。中国古代周易哲学中坤卦,就包含对空间的看法。到了宋代,张载明确提出“一物两体”说,他说:“两体者,虚实也,清浊也,聚散也,动静也”。虚、清、散、静就是关于空间的描述。在物理学中,牛顿最早定义空间;电磁论、相对论、量子力学也各有其空间观念。这些观念不协调、不统一、扑朔迷离!
1.1中国古哲学和牛顿的正确空间观
中国古代认为,世界是两种元素组成,称为阴和阳。空间就是阴,实物就是阳。阴和阳对立统一、和谐相处。在西方,古希腊也有原子论和虚空的说法。牛顿划时代的科学巨著《自然哲学之数学原理》中首要篇幅是对时间和空间的定义。他认为空间 “与任何事物无关,处处均匀,永不移和任何物体相互作用,相互转换,——这暗含着空间中不存在受力而不运动的物体;3)空间永恒静止。可以看出:牛顿空间很类似张载的清、散、虚、静空间观,是符合中国传统哲理的,集东西文化古哲理大成。
然而,大多数人没有理解牛顿空间。有人把牛顿空间和超距作用相联系,误认为牛顿空间就是有连续介质的以太空间。这显然是一种曲解:牛顿也承认空间并非虚空,甚至牛顿早期认为光是一种媒介波,只是后来,他经过分许多光实验分析,认为以太对于光是多余的。
为什么牛顿绝对空间观是三大力学定律、万有引力定律、各种守恒定律的基石呢?因为只有空间不和任何物体相互作用和相互转换,无限广大、绝对静止,才有惯性的存在和惯性参照系间的等价、相对性原理和伽利略变换、质和量的严格规定、数学语言的精确优美。故牛顿空间是一个万物统一衡量的背景。在实践上,几乎所有的科学技术成果在此背静下取得。
牛顿空间导出相对性原理和伽利略变换,要求速度服从矢量合成律,——这意味着光速也服从速度合成。于是,相对论“光速与源速无关的”光速不变原理就受到破坏;所以,牛顿空间和相对论空间格格不入。由于以太下的光速是标量,不服从矢量合成律,故承认牛顿空间就必然要否定狭义相对论。
1.2 麦克斯韦错误的以太空间观
以太空间在牛顿时代已出现,起源于光本性问题的回答。与牛顿同时代的惠更斯认为光本性是类似于水波、声波的介质波,这就必须假定一种介质布满于整个空间——以太。牛顿说和惠更斯说争论了好长时间,后来英国人托马斯·杨作了双缝干涉实验。因缺乏波长和频率概念的牛顿光粒子说对该实验解释无能为力,光粒子说走入低谷(这一实验非常机巧的显示出光的波动性一面,至今惟有粒群波能很好解释,其它解释都带来种种逻辑和实验的困境)。再后来,在麦克斯韦和赫兹的研究下,光波动说占了上风。
然而,人们很快发现,光是横波,意味着如果光是以太波,要求以太有远远高于水、铁等物质的密度和弹性模量,——这样的空间我们甚至不可能在其中走来走去!实验也丝毫未察以太阻力!在麦克斯韦理论中,机械以太变为电磁以太,以太化身为真空的磁导率和介电常数,但力学问题终不能回避!因为电磁场是有强弱的,意味着电磁场不是连续的,故而,电磁以太最终也面临制造巨大光速需要的以太媒介密度和弹性问题。以太的力学结构究若何?麦克斯韦终生探讨,终不得妙解。
十九世纪末的迈克尔逊-莫雷实验企图检验地球在以太中的漂移速度。然而,这一实验零结果给以太理论沉重打击!为解释此实验,相继出现地球带动以太说和狭义相对论时空缩伸说。由于前种解释在力学上带来更多麻烦,人们接受了狭义相对论。以太因狭义相对性原理的确立而在物理学中被划掉,取而代之的是时空随速度而缩伸的怪异现象。电磁学一方面要否定以太,一方面又要迎合相对论光速不变和量子力学波粒二象性,使得其单单在数学上就步履艰难[1]。
否定以太,关于“场”概念就有一个尖锐的问题:电磁场能在真空中整体运动吗?这个问题,历史上已有过激烈的争论。法拉第发现磁单极感应现象后,对“磁力线是否随磁体一起运动的现象存在着截然相反的看法”[8],法拉第认为:磁体转动时,它周围的磁力线并不随之运动;韦伯却认为磁力线随转动物体一起运动。显然,如果承认以太,场是以太的波动,由于以太充填了整个空间而不能整体移动,场也就不存在整体运动,于是,磁力线不随磁体运动;但在否认以太下,电磁场与源速间服从速度合成律,磁力线伴随磁体运动。粒群波观念认为:磁场的实质是空间中运动光子群,于是磁力线服从相对性原理而伴随磁体一起运动。
当代,相对论被驳得体无完肤 [2][3]。不少倒相者把目光又聚在相对论否定了的以太上,认为以太可能是合理的,应该把以太找回来。例如国内出现:真空物质、推迟论、真空信息、影子物质、太极子气、量子外力、标准时空论等观念。但各种以太观都要解决一个问题:即以太的力学结构问题。例如:以太与物体如何相互作用?如何解释以太传播巨大的、具有横波性的光而未被实验察觉?这些问题回答不了,以太理论终不能再生!
以太空间带来的矛盾是多种多样的。设想,如果空间中充满以太,一切物体的运动都要受到影响。则均匀、同一、无界、静止的那个牛顿空间就不存在了。相对性原理受到破坏、物体的惯性不成立、惯性参照系不存在、自然物体没有了严格的边界、没有直线、欧氏几何不存在、数目成为多余、物理规律不能用数学语言描述、宇宙万物运动会被静态的以太风阻碍而最终停止下来,科学研究失去了意义…。可见,以太并不优美!
1.3 相对论、量子力学难于理解的空间观
在相对论、量子力学中,空间成为次一级的概念。狭义相对论的空间可以随运动速度快慢而缩伸;广义相对论空间与物体的质量有关,大质量的物体周围空间弯曲度大;量子力学的空间则从测不准原理导出。根据测不准原理,物体的动量和位置不能同时测定,物体的位置愈要准确,动量愈起伏不定。于是,空间成为虚粒子涨落的海洋。狄拉克甚至认为:涨落海洋还不断创生基本粒子!
相对论、量子力学都有严格的数学关系,但数学背后的物理实在一直“无人能懂”[4]在这两大理论中,数学的身份要高于物理学。其空间观念也成为数学关系式的导出量。空间不再是基本的概念,而成为物体运动的附属品。与牛顿绝对空间观和麦克斯韦以太空间相比,相对论、量子力学空间观都断章取义,算不上是系统的空间观。
常理告诉我们,空间是个巨大的容器,容万物在其中运动。光速、测不准原理都是先定义空间和时间后才能定义的概念。而相对论、量子力学都冒了这种大不韪。
“空间自身的弯曲和空间随速度的缩伸”的概念把空间搞得异常复杂。人们不仅难以确认它的作用机理,而且数学失去了简单优美。量子力学虚粒子涨落空间观很难与物理学各种守恒定律相容,这种涨落是数学上的还是物理实质上的不明;是一种新以太观吗?也不明。不仅如此,相对论和量子力学彼此间也是矛盾:谁也理解不了弯曲空间、伸缩空间与涨落空间是一种什么关系?相对论认为光速是极限,而量子力学几率幅叠加却是“超距作用”!
相对论、量子力学把空间置于次要地位的做法,连同两理论创始人都感到棘手。其作为对十九世纪物理学出现裂痕后向二十一世纪过度的数学纽带有一定意义。然而,“皇帝的新装”终不能穿的太久!“无人能懂”不等于正确!当代,许多人对相对论、量子力学赖以建立的实验予以了新的解释[2-7],于是这两种不彻底的空间观念也即将成为历史。
1.4 充满迷信色彩的玄空间观念
还有一类空间观既非以太空间,亦非绝对空间。空间被描述的更加复杂,例如“四维空间和四维时间”、“真空信息”等等。把各种难以解释的现象归罪于空间,空间成为“万罪之源”!可称为“玄空间观”。这类空间观大多用一些更加抽象的数学关系描述,凭空想象而不关注实验。反正你也不理解空间,实验也做不到那么细腻,说空间有“十几维”,你也说不出个是非!——这类空间的复杂程度更甚于相对论、量子力学。
三维空间简单优美,而且三维就够了。一些难以解释的涉及空间现象可以从粒子微小细腻处去处理。例如,暗物质、暗能量可以从光子具有质量去解释,没有必要非得从空间自身去挖掘。“子不论怪、力、乱、神”。还是少假设怪异,多崇尚简单为好!
2 光本性观念讨论
光本性问题与空间本性密切相关,是物理学焦点,也是揭开自然之迷的钥匙。现代物理学的三大支柱:电磁论、相对论、量子力学都直接或间接受之左右。正确分析之非常重要!
2.1牛顿原则上正确光本粒子观
牛顿是光学研究集大成者。他对光本性研究了几十年。最初他认为光类似水中行驶的船只,能激起以太涟漪,但经过几十年的思考后,他最终认定光是粒子流。
牛顿光本观与其绝对空间观一脉相承。因为牛顿很容易察知:如果把光看成类似于声波的介质波,绝对空间观念就会受到彻底破坏,威胁到三大力学定律的存在。故他必须选择光本粒子观。由于牛顿物理观念是一个统一体系,其光本粒子观原则上是正确的。
但牛顿光粒子观也有不足。例如牛顿未给出光的波长、频率分析,他对以太也予以不彻底保留。还有,牛顿认为引力是超距作用,使得后来许多人把绝对空间误解为以太空间,张冠李戴,光本性问题更陷入糊涂!
2.2 麦克斯韦错误的光本介质波动观
光本波动观最早起源于惠更斯的研究。惠更斯与牛顿争论的焦点是:光是类似声波?还是类似子弹流?杨氏干涉出现后,光波动说占了上风!
麦克斯韦本人是以太的肯定者。但他对以太的研究一直没有合理的结论。以至于他的真空磁导率、介电常数处于无米之炊、无源之水的状况。二十世纪初,当人们发现光为横波后,光以太说陷入困境。根据常理:波速愈快,要求介质的密集度和弹性模量愈大,巨大的光速要求以太有极高的密集度和弹性模量,使得我们根本不可能在房间内走来走去。另外,十九世纪末,企图检验地球在以太中漂移速度的迈克尔逊-莫雷实验零结果也等于否定了以太。迹象表明:承认以太的光本波动论,原则上是错误的。
2.3 断章取义的相对论光本观
迈克尔逊-莫雷实验出现后,有两种解释:一种是地球带动光以太的办法,但这种解释带来更多的麻烦:难道江河、汽车、分子、电子就不能带动以太吗?第二种解释是狭义相对论。保持了光速不变,却扭曲了时空。狭义相对论除了认为光速是极限外,几乎没有谈及任何光本性问题。由于该理论立足于矛盾的两基本假设[9],其光本性观念也就自然不成体统。
2.4 逻辑不自恰的量子力学光本观
量子力学起源于杨氏干涉、黑体辐射、康普顿散射等实验。它糅合了下述观念:1)承认光的波动性一面;2)承认光的粒子性一面;3)否认以太空间;4)否认绝对空间。成为“四不象”。看似简单数学关系式:,背后的物理实在一直“无人能懂”[4]!
量子力学引进了个“几率波”概念。并企图用几率幅叠加来解释波粒二象性。然而,陷入“不能用任何经典语言描述”的困境[13]。该解释还带来的贝尔不等式、薛定谔猫,电子分身术、超距作用等一系列困境。则其光本性观念也是不成体统的。
2.5 粒群波光本观念
承认绝对空间,承认万物由微小粒子组成,当粒子聚合成规则间隔的群,并沿一定方向等速成列运动时,群的密集度或边界呈现出一种规则的此起彼伏变化,可用波动方程描述,称为粒群波。电磁场就是空间中运动光粒子群密集度变化的函数。
电磁波的粒群波方程为:
(1)
其中,C为光子群相对于其源的速度,V为源相对于考察参照系的速度。就是速度合成。
粒群波是由粒子群构成的立体波,根据粒子群空间结构和密集度的不同,有平面波、球面波、柱面波和较复杂的高斯光束等,例如图1、2所示。
把电磁波本性看作光粒群波,具有下列优势:
1) 可以很好解释扬氏干涉、迈克尔逊-莫雷实验、康普顿散射类实验[5-7]。
2) 可以消除经典电磁波理论中的数学困境、电磁波能量上的困境[5-7]。
3) 可以摆脱以太而很简洁地解释光的横波性[5-7]。
4) 可以自然地把光的粒子性和波动性统一。摆脱相对论、量子力学的困境。
接收屏蓝移
激光枪 光子群
V C
地 面
图1运动小车光子群速度合成呈现多普勒蓝移
光子群环 接收屏
Y C
} λ{
点光源
X
图2 椭球面光粒群波
3 光速问题
3.1 以太空间下的光速与源速无关错误观念
光速与源速有关还是无关?是判明光本性是波动还是粒子的一个根本依据。
我们注意到:现有波动力学中,忽视了介质整体运动时的情况:波动方程速度项均为标量。事实上,如果介质整体运动,介质波速是矢量,服从矢量合成法则。例如:以速度为的匀速运动列车上的声波,在铁路边考察时,向前运动的声音要比向后的快。波动方程为:
(2)
代表空气中的音速,约311米/秒;是以地面为参照系时列车内声波强度变化的三维量;项是速度矢量合成。可以看到:方程(2)和方程(1)在数学上形式相同,即介质整体运动时的波动方程数学形式与粒群波源运动时的形式相同。
但是,如果认为光本性是以太波,上述速度合成项不存在。这是由于以太在宇宙中传播各种光振,必布满于整个空间,不可能再有多余空间供其整体运动,方程(2)中项不存在,即光速与源速无关。
3.2历史上诸多光速测定值为恒值说明了什么
历史上许多实验测出光速近于30万公里/秒。于是有人认为光速与源速无关,是个恒量。其实,因大多数测定采用回路法,正好抵消了光速与源速的合成 [2][5][6][8]。测定的值恰好就是光相对于源的速度。这类实验支持光粒群波观念。
3.3 光速与源速服从速度合成的光粒群波观念
承认绝对空间,就得承认速度的合成律。考虑光常常呈现出波动的一面,把部分光波的本性看作是规则大小、规则间隔的光子群列观念较为妥当。于是光速不仅与源速有关,而且与源速间服从速度合成。物理学又回到简单、和谐、统一!
4 光子群流和光子海洋概念
4.1光子质量和光子海洋概念
根据万有引力和电磁场的实存,宇宙空间并非完全真空,而是充满大量粒子。由于光子既有质量和动量,又是光的直接载体。故所谓的“以太”迹象应该是光子在空间中的存在。
在康普顿散射实验中,如果假定与石墨散射体单个电子发生作用的是单排光子流。根据经典力学可导出新的康普顿散射式,并认为旧康普顿散射式在数学上成立。据此,可导出光子质量 、光速相对于其源常数C、普朗克常数h 间的关系式为(为单位秒):。计算出光子质量的较精确值为:3.68625163×10-51千克[5-7]。
又不少人证明引力、核力是电磁力[11-12]。研究人员还估计,一只100瓦的白灼灯每秒发射出1020个光子。说明宇宙中分布有大量高速运动、有质量、动能的光子流。当光子遇到天体时,被发射、反射、折射为光子群流,如同地球上的江河。大量的光子群流在宇宙中交织汇合,又形成巨大的光子海洋。其可以施力于物体,也可被物体作用而发生局部改变。
由于光子有质量和动量,光子海洋蕴涵巨大的质量和能量。由此可以解释暗物质、暗能量起因。又由于光子海洋中的高速运动光子流可以给任何两物体以靠近的挤压力,由此可以探讨引力的起因。
4.2承认光子海洋和否认以太
不能把光子海洋与以太概念相混淆。两者有本质的区别:
1)光子是光波的直接构成体。就如同氢、氧分子是空气的构成体一样;以太被认为是光的传播媒介,如同声音和空气的关系。因此,光子海洋本身就是光的组成体,而以太是光的介质,是一种独立于光的东西,二者有本质的不同。
2)以太被认为可以自由进出物体内部,有极高的密度和弹性模量,不能被物体发射、折射、反射;而构成光子海洋的光子可以进入物体,转化为物体的组成部分,并能被物体发射、反射、折射。
3)光子海洋中的光子相对于源(次源)以光速常数C高速运动,质量虽小,动量却大,且服从惯性原理。而以太微粒呈大范围静止状态,一般不对物体形成冲力。
4)光子群流能被物体带动,速度可以与源速进行矢量合成;而以太能否被物体带动?在理论和实验上都很模糊。以太下的光速是标量,不是矢量。
5)光子海洋有质量和冲力,可以直接利用此探讨暗物质、暗能量、引力的起因;而以太概念下暗物质、暗能量、引力的起因模糊。
因此,应当承认光子海洋而否认以太。这样,在牛顿绝对空间基础上,又增加光子海洋概念做补充。物理图景变得丰富而灵活。这也属于辨证的空间观念和光本性观念!
参考文献
[1]宋文淼《现代电磁场理论的数学基础——矢量偏微分算子》,北京,科学出版社,1999。
[2]郝建宇 狭义相对论自我否定剖析,《时空理论新探》,地质出版社,2005.10,3-20
[3]Xu Shaozhi,No one can save Lorentz Transformation,Apeiron,v.7 ,No.1~2,2000
[4]卢鹤绂《再释量子力学哥本哈根 “正统理论”》,上海,《自然科学年鉴》1989年卷,2.1。
[5]张崇安《自然界广泛存在有非介质传递的波》,北京,卢鹤绂格物研究所《格物》NO3,2003.12207-214
[6]张崇安《光本性研究的历史与前景》,北京,原子能出版社《现代物理及其应用》2004,494-497
[7]张崇安《用光粒群波解释杨氏干涉和康普顿散射》,成都,西南交通大学出版社《数学·力学·物理学·高新技术研究进展》——2004(10)卷 250-255
[8]张元仲《狭义相对论实验基础》,北京,科学出版社,1979,14,22-58,90-123
[9]郑辁《现代物理学问题——相对论质疑》,北京,学术出版社,1991,1-100
[10]张崇安 狭义相对论两条基本假设是互相矛盾的,《时空理论新探》,地质出版社,2005.10,220-222
[11]谭启蔚.引力的本质与广义相对论若干问题.北京:地震出版社.相对论再思考.251-252
[12]耿琦.引力、核力与电磁力的统一.陕西人民教育出版社,2003.2,131-181
[13]杨福家.《原子物理学》,北京,高等教育出版社,1991,218-328、325
(注,由于排版软件问题,粒群波方程,波动方程,图1,图2未能打出。抱歉!以张崇安原文为准)
二:光本性讨论与决议初拟稿
张崇安
摘自西陆网站“第五届全国民间科技发展研讨会拟形成一个光本性的决议”
http://club.xilu.com/hongbin/msgview-950451-299918-9.html第260楼
本次会议可以形成一个”第五届全国民间科技发展研讨会暨时空与光本性共识”,您看我列出下列几点是否可行?
1、根据中华传统的哲理,认为我们的世界是空间和实物组成。空间具有无界、同一、静止的性质,实物具有有界、各异、运动的性质(这实际上就是张载提出的两体者,虚实也、聚散也、清浊也、动静也)的翻版,也拥护了牛顿”与任何外界无关,永远保持相同和不动”的空间观以及牛顿主张的物体具有质量、动量观。–这一条已经否定了相对论可以随光速缩伸的空间。
2、空间和实物是不能互相转化的。这一点支持了物质不灭定律,支持了物理学能量守恒、动量守恒。但是,反对了奇点创世说,反对了量子力学虚粒子涨落空间产生基本粒子说。
3、场的本质是实物粒子在空间中分布和传递的一种现象。无论引力作用、电磁作用,都要通过实物粒子的传递实现。电磁场是光子在光微子(亚光子)海中的穿越。引力场是光微子(亚光子)海表现出的压力。场在宇宙中分布是不均匀的,就如同地球大气在太阳系中的分布不均匀。光微子(亚光子)海在银河系和星系之间有不同的密度。
4、光和电磁波的本质是光微子(亚光子)在空间中成群运动的现象。对于以太说,是光微子(亚光子)的自由程和随机碰撞导致的往复压力运动形成的波;对于粒子说,就是有间隔的群列在光微子(亚光子)海洋中穿越的现象。前者要求海洋密度和弹性足够,后者要求电子内部弹性和密度足够。前者光速是光微子海洋密度和弹性决定的,后者的光速是电子自身密度和弹性以及电子在原子核周围运动的情形决定的。只要肯定这两种光本性中的任何一种,都可以否认相对论和量子力学玄学。为树立中国文化,争夺话语权作出贡献。以下的论述中,我们将会看到,把光看做规则间隔的、在光微子(亚光子)海洋中穿行的群流,不仅可以避免亚光子海洋的密度和弹性问题,而且普朗克常数下的能量分立原理。对于光本性的揭示具有更广泛的说服力。
5、光的干涉衍射,是一种次光源现象。次光源调整了光子群流的密集度,致使物体内电子吸收过程中,发生能级跃迁释放光就是明条纹,电子变肥而没有发生能级跃迁就是暗条纹。相位就是光微子群密集度状况。如果两个180相位的群遇在一起,群列密集度就会变为均匀,波长频率不明显。如果同相位的群遇在一起,单个群的密集度就会增大。
6、亚光子(光微子)是一种基本粒子,它有质量,有动量。因为亚光子海洋中的亚光子有自由程,能够发生碰撞,而带有电子的物体能够吸收这种海洋并释放规则周期的亚光子群成为光子。所以,造成了物体内外亚光子海洋的密度不均匀,于是就形成的引力作用。
7、光速在真空中服从矢量合成。光速常数在真空中是相对于发射源和次源的。斐索实验、双星观察、赛格尼克效应、迈莫实验、缓慢运动物体的电磁现象、运动光源的多普勒效应都证明光速与源速、次光源速度有关。
8、由于光子在光微子(亚光子)海洋中穿行会受到磨损,构成光子的部分亚光子(光微子)会被磨损掉落在亚光子海洋中。所以,光子的速度、频率、甚至波长都会与其在亚光子海洋中穿行的距离有关–由此导致了引力红移。这种解释,引力红移是星系远离的证据,也不是宇宙大爆炸的证据。这样,我们就不需要相信我们的世界有一个原始火球爆炸而来。
9、由于光的本性是规则间隔粒子群流,单个亚光子的动能与单位秒乘积就是普朗克常数,这样就不需要引入量子力学几率波或物质波概念。也不需要认可量子纠缠等超距作用现象。由于引力作用、电磁作用依靠实物粒子在空间中的传播实现,所以任何超距作用都是不存在的。依靠量子纠缠而建立的量子通讯基础是荒谬的。
10、光子是巨大的亚光子群列,由于亚光子可以组成各种形形色色的群空间结构,所以,光子本身可以携带信息。由于亚光子在同一空间中运动具有惯性,所以这种携带的信息具有信号稳定性,由于亚光子相对于发射源、次光源有光速,所以这种携带的信息就可以传播到远方–这就是量子通讯的实质。但量子通讯与几率波叠加没有任何关系。
11、电磁波乃是振荡电路周期发射的亚光子群。由于亚光子相对于振荡电路的发射振子是光速常数,并在真空中运行服从惯性原理,所以,振荡电路规则间隔发出的亚光子群间距不变,就是电磁波波长。而光和紫外光也是亚光子组成的群列,不过这个群列更细、更整齐。密集度更大。
12、我们初步认为电子是亚光子(光微子)凝聚体。所以,任何发光,吸光、次级发射吸收都与电子的运动、变化有关。
关于光的波粒二象性与光本性的探讨
——读王令隽教授的文章《光的波粒二象性漫谈》后感
作者 吴东敏
关于光的波粒二象性,美国某大学的终身教授王令隽老师提出了一个很好的,颇具代表性的观点:“光波,电磁波,声波的波动性是没有疑义的,有疑义的是其粒子性;物质的粒子性是没有疑义的,有疑义的是其波动性。”可以透露出王教授的观点认为,是波就不是粒子,是粒子就不是波的观点。我赞同王教授的观点。所不同的是我认为:波是粒子的振动在弹性媒质中的传播。
在王教授的《光的波粒二象性漫谈》里可以看出,王教授在研究中认为光是波而绝非粒子。光的能量是光具有波动性表现出来的能量,所以,光波的实质就是能量(电磁能)的密度波。如果赞同普朗克量子理论和爱因斯坦光子理论的话,应该把光子视为没有质量的“能量子”,光的传播只不过是“能量子”的量子涨落或能量密度起伏的传播,而绝非物质粒子振动的传播(机械波)。
王教授认为波和粒子是不相容的两个概念,波是运动而不是物质,粒子则是物质。他以人们最熟悉的水波为例,在一个宁静的湖面上激起波浪,水波往前传播,可是水分子并没有随着波浪前进,水分子只作上下振动,所以水波传播的是运动,是能量和动量,而不是物质(水分子)。此话十分正确。但是王教授在这里忽视波源的作用。宁静的湖面为什么会激起波浪?那是因为我们在宁静的湖面上扔了一块石头。如果扔下去的不只是一块石头,而是一块接一块的石头,这样,人们就可以看到持久不断的水的波动。光波与水波类比,有质量的光粒子在弹性媒质里运动,激起了媒质的波动,这个波动叫做光波。光包括了三部分:1,提供光子的光源;2,运动中的光子链;3,传递光波的媒质。前辈科学家把传递光波的弹性媒质叫“以太”。通常人们忽略了光源,所以光的波粒二象性指的仅仅是光子和光波。光的能量由两部分组成:1,携带质量的光子由于运动具有的动量和动能;2,受激媒质由于波动具有的动量和能量。在光的波粒二象性中光子的运动和媒质的橫振动的传播各行其道,是和谐的,相容的。含有光子辐射的光有近红外线,可见光,紫外线,X射线,伽马射线,它们具有波粒二象性;而波长较长的无线电波,微波,远红外辐射不含有粒子辐射,不具有波粒二象性,只具有波动性。
如果王教授认为光只是波,只具有波动性而没有粒子性的话,许多光现象将不能解释。下面以王教授提到的“光电效应”,对问题展开讨论,采用爱因斯坦时代最原始的真空光电管的工作情况作具体简易的分析:
一束光照射到光电管的阴极时,按照王教授的观点,光应该是能量的密度波,阴极表面的所有电子将受到波动能量起伏的扰动,当能量达到某一临界值,克服电子的逸出功,将发生光电子辐射;由于能量是连续的,阴极表面的每个电子受到的作用是相同的,因此每个光电子逸出阴极表面的初速度或初动能是相同的。这表明阴极表面的每个电子的命运是相同的,行为是一致的。要么大家都不出来,只在阴极表面振动,要么大家一齐出来,而且离开阴极表面的初速度与初动能相同。表现为阳极电流出现两种状态,要么截止(最小值),要么导通饱和(最大值)。不管入射光线的能量大小的变化规律按照正弦波,或其它各种脉冲波分布,而相应阳极电流的波形始终是矩形波(或前沿陡峻的梯形波)。这显然与光电管的工作状况相悖。因此用光的波动性解释光电效应是不合理的。然而更加棘手的问题还在下面:王教授认为光不是物质,是能量,能量只有大小,没有形状,没有电荷,没有引力;你如何去描述它与电子发生作用的微观机理或机制。它会把人们的进一步的思维,假设,导入到唯心主义的歧路中去。离开物质的能量犹如离开躯体的鬼魂。可以说它披头散发,青面獠牙,也可以说它像窈窕淑女,白面书生。
光电效应的主要原因是光具有粒子性,而且这个粒子必须具有质量,才能得到圆满的解释。光粒子(光子)辐射,犹如机关枪中的子弹扫射,光强弱表示机关枪的数量的多少,光的频率高低表示每支机关枪射出的子弹数量的多少。光子的能量不是连续的而是一份一份的。由于光子的质量大大地小于电子的质量(约是电子的10^-18倍),所以要求击中电子的机关枪里射出的子弹数量要多,就是说光的频率要足够高。否则,就不能克服电子的逸出功。事实证明,光的频率越高,光电子的初速度和初动能才会越大。对于不同材料制作的阴极,电子的逸出功的大小不一样,因此其发生光电效应的临界频率是不同的。另外,从微观的物质内部结构来看,物质内部是很“空”的,电子的分布密度不大,机关枪击中电子的命中率不高,所以要求机关枪的数量足够多,就是光的强度不能太小。表现出来的现象是:随着光的增强减弱,阳极电流会同步增大和减小。在感光录音的电影胶带中,经过脉动音频电流调制的胶带通光声道,当光通过它射入光电管的阴极时,阳极电流的变化曲线与射入阴极的光强弱的变化相同,光电管把光信号转换成相应的电信号。只有这样的解释,才与实际相符合。
光的粒子性表现的能量是不连续的或者说是一份一份的,而波动性表现的能量是连续的。除了光电效应,其它如康普顿效应,黑体辐射,光的反射,光的折射,光的散射,光的色散等也都需要光具有粒子性又有传播媒质的波动性才能得到合理的解释。在此不作过多的表述。
在一束自然光中,包含有光波和光子,还可以把光子从光波里分离出来。王教授听到一定会感到惊讶。怎么可能呢?是不是痴人说梦?这其实是很自然的现象。下面举例和说明一些与波粒二象性有关的问题:
一束阳光或者白炽灯光,含有光子和光波,当它直接射到光电管阴极和通过偏振片后射到光电管阴极两种情况下,阳极输出的光生电流的大小不一样。透过偏振片,有部分光子被散射或折射,到达阴极的光子减少,就是说扫射电子的机关枪的数量减少,因此光生电流变小。偏振片不能把光子全部分离出去,透过的光是属于部分偏振光,而不是完全偏振光。同一颜色的光,其含有的能量可以不同。
一张白纸能反射光波,但不能反射光子,光子被纸吸收,使纸的温度上升,一部分还可以穿过白纸。一面镜子(镀银的玻璃平面镜)能反射光波,也能反射光子。两种反射光的能量明显差别,可以用肉眼辨别出来。是不是可以得出如下结论:一张白纸能把太阳光中的光子和光波分离出来,而镀银的平面镜不能把太阳光中的光子与光波分离出来。其实质是,银镜有一层由银原子间的自由电子构成的非常致密的负电场,对携带负电的光粒子由于同性相斥而被反射出来,而纸纤维分子间没有自由电子。
一片绿色的树叶由于反射太阳光中的绿色光,能使人们看到它是绿色的。太阳光含有光波和光子,当它射到树叶的时候,阳光中的光子被原子(电子和核子)散射,折射,吸收,或者透射。被反射回来的光波中,光子几乎被分离出去。在树叶表面发生反射的仅仅是绿色光波,是波长约为490到570纳米的绿色的光波。780到570纳米的红橙黄波与490到380纳米的青蓝紫波没有被反射而是被吸收了。同时说一下视觉的本性,人们在空间中任意地方可以看到这片树叶,是因为我们眼睛里的视网膜感觉到从这片树叶反射的绿色偏振光传来的光媒质的微小振动所带来的能量。大科学家牛顿和爱因斯坦却认为反射的是光子,而不是光波。一片树叶能把光子洒满整个空间,让所有人能够看到它吗?有这么多光子吗?请思考在我们的周围有多少片叶子和多少颗树?多少使我们可以看到的桩桩件件?我们的空间将被光子充满,这是不可能的。更加觉得太不可思议的是,天刚朦朦亮,太阳还没有从东山上升起的时候,这棵树和周围的一切事物已经把光子洒满了整个空间,让人们可以看到它。可惜的是牛顿和爱因斯坦没有仔细的想想,一直到死仍然没有感悟出这个似乎是十分简单的道理来。
光的波粒二象性表现出来的特性。光与物质发生作用的时候表现出粒子性,是因为光子的能量密度大,光波撒满空间,其能量密度小。同时,光和物质作用的时候,光波在界面上被反射回来,而光子则与物质粒子发生碰撞,发生动量能量交换(如:局部温度变化而被人们检测出来)。尤其是紫外线,真空紫外线,软硬X射线,伽马射线,它们所含有的光粒子数量巨大,表现出明显的粒子性。光在传播的过程中表现出波动性,是因为人们发现光传播过程中光的绕射(衍射),干涉,极化(偏振)等波动现象。所以,光在传播时只观测到波动性,难以观测到粒子性,而与物质作用时明显地观测到粒子性,波动性却很不明显。
在著名方程E=hν中,有它使用的局限性。阳光通过三棱镜色散出来的绿色自然光,树叶反射出来的绿色偏振光,LED绿色光源,激光器发出来的绿色激光,同步辐射光源射出来的高纯绿光,虽然它们的频率基本相同,但它们的能量却不大相同。光的能量还与其它几个因素有关,最重要的是光的波粒二象性因素,而不仅仅是频率ν。
光速问题。人们对光速不变原理持有疑义。在此,把光速分解为光子的速度与光波的速度,人们在研究各种波的波速时发现,任何波的传播速度由其赖以传播的弹性媒质的性质来决定,以此类推,光波的速度由空间的媒质来决定,这一点对于相信空间媒质是以太,还是电磁场的学者来说双方均没有疑义,都相信光速不变。由于是媒质波动的传播,与光源的状态无关,不管光源是静止还是运动,不管光源运动速度的快慢,光速始终不变,人们可以很容易就能理解它。测量得到的光波的速度是299792458m/s 。
光的速度还包括光子的速度,光子速度与光波速度通常情况下保持同步。不然的话,在光的长时间长距离数万年,数亿年的传播中不堪设想,光的结构肯定会破坏会散架,这与观察不符。但是,光子在传播过程中,光子从光疏媒质进入光密媒质,或者由光密媒质进入光疏媒质时,或者进入不透光的物质,或者进入半透光的云彩中时,光子的速度当然会发生改变,或者迅速降低至零。降低至零的时候,光子的动能转化为物质的内能,还有其它多种重要效应(另择文章细说,包括光子速度降为零的时候会转变成其它粒子。)。
王教授不相信德布罗意波的存在。我的想法与王教授相同。我认为电子的衍射图像与X射线的衍射图像相似,是因为电子也可以激起空间媒质的波动,不同的是没有频率特性。 认为物质粒子具有波动性是不可思议的,这是王教授激烈抨击光的粒子性的主要指导思想。2005年,我曾作过一个携带负电的有质量的光子的运动轨迹图像:光子在自身运动电场感应出来的磁场里受洛伦兹力的作用下做圆周运动,描述出来的光子运动轨迹是光子呈螺旋线式前进,好像子弹出膛,是旋转着前进的。后来我放弃了这个想法。物质粒子的波动性,不在于自身的波动,在于自身运动激荡起周边弹性媒质的振动,这个振动的传播形成横波,平面波,空间波等。我希望王教授也能与我同感。
在光的以太媒质中高速运动的电子流,对弹性的以太媒质发生碰撞,照样会激起媒质的波动。X射线的频率约为10^18到10^20赫兹,它所含有的光子数的总质量与电子质量的数量级相当,它们的行为相似,所以电子的衍射图像与X射线的衍射图像相似。但是,物质波与光波的行为有重大区别,光的三要素,构成光的完整的辐射机制(在此不做细述),能在空间中做长时间,长距离的辐射。而电子流却不能。德布罗意波公式:λ= h/mv 反应了物质波的波长与粒子(电子或质子)的速度关系,并不能反应波的频率或者周期等最重要的波动概念。
下面讨论电磁波,光波的波动性问题。
对电磁场的本质问题,谈谈我的看法。200年前,法国科学家安培认为磁铁内部的原子分子等物质微粒内部存在一种环形电流,提出分子电流假设;这种电生磁的理论被法拉第和麦克斯韦沿用和发展成为经典电磁理论。法拉第先后提出电场,磁场的概念,把电力磁力的疑难本质打包在电场磁场里换了一个名称叫作电场力和磁场力。电场最基本的性质是对放入其内部的电荷产生力的作用,不管该电荷运动还是静止;而磁场最基本的性质是对放入其内部的运动电荷产生力的作用。当运动电荷产生磁场以后,变成磁场与磁场之间的作用。这说明同种场,电场与电场,磁场与磁场才能发生力的作用,磁场与电场不发生力的作用。同种场才有力的作用,异种场不发生力的作用在实验中早被人们认可。这证明了磁和电是两种不同的事物。在人们的观念中只有龙生龙,凤生凤;而龙生凤,凤生龙不可能。麦克斯韦认为在什么都没有的真空中,运动的电场会产生磁场,运动的磁场会产生电场的假设理由根本是不充分的。然而这种交变电磁场形成电磁波的理论却一直被科学家推崇。虽然有破绽,但再也找不出其它好的理论代替它。按照磁的电本质假设,二百年来,人们没有找到分子电流;对地磁场的成因,人们总结并提出了12种与电流有关的理论学说,都没有成功。电,磁,场的微观本质至今仍然是个谜。
王教授特别尊崇麦克斯韦方程组的数学描述,认为其精密程度到了令人不容置疑的程度。我的数学水平不好,但我可以怀疑它的正确性。理由一,麦克斯韦在研究电磁现象而不知道电磁本质的情况下作出的数学定量,可能会犯定性的错误。如果定性错了,那方程组就全错了。理由二,对物理问题作数学定量的精确性是技术问题。例1,假设通过人家的观测,光速值约为30万公里/秒,你可以参考电磁振荡现象设计两个参数;电参数,真空介电常数ε0 ;磁参数,真空磁导率μ0 ;使它们的数值符合运算得到真空光速等于30万公里/秒。如果发现实验数据只有29.9万公里/秒,你可以对两个参数的数值进行调整,使它达到十分精确并不难。例2,爱因斯坦根据前人长期对水星进动误差的观测,修正自己的参数,使其达到符合观测值43角秒/百年是可以做到的。
用数学物理法去研究物理问题首要的是先认识物理。大家最熟悉的问题,树上3只鸟,开枪射死1只鸟,树上还有几只鸟?这是3-1=2还是3-1=0的问题。一座10亿吨的大山塌缩成一个原子核,把它放到百慕大三角的海底,它会很快地钻到地心里去还是不会?一个质量大约是太阳1.5倍的冷恒星,抵抗不住自身的引力,会发生瞬间塌缩成为一个黑洞,你会相信印度的强德拉塞卡和苏联的兰道的计算吗?400多年的近代科技史,多少困惑,多少设想,多少方程,有多少是正确的。多多少少的正确与错误的交融,编织成一团乱麻,把世界变得更加复杂。使人们看不清方向而走向歧路走向迷宫。梳理,辩别,整合,创新才是后人的重要任务。
电磁场和电磁波理论是虚拟的理论。由于它的神秘性,科学界历来认为它是一种特殊的物质。王教授干脆认为它不是物质,因为它不具备物质的特性,认为它是能量。也就是说,电磁场是能量场,电磁波是能量波。能量没有大小,没有形状,没有“手”,没有“足”,没有力的作用。能量的传播靠人们的想象,把它看成能量的起伏,涨落。电磁波是能量的密度波。要描述它的微观作用,十分困难,只能借助机械波,如水波,声波的行为去比较,去说明。谁能描述无线电波的电磁能的能量涨落为什么不从振荡廻路直接走,而跑到发射天线,从发射天线的表面抛洒到空间里去呢?天线与空间界面有何微观作用机制?我认为能量的密度起伏或密度涨落的传递是一种唯心设想,达到能量平衡能量就不能传递了。可以举出许多人们熟悉的机械能,热能,电能传递的例子。实现能量起伏传递是不可能的。
光波(包括无线电波,微波)的传递媒质,前辈科学家认识到空间一定存在着一种物质,这种物质叫“以太”。由于多方面的原因,以太模型以太理论不够完善,发生几起几落。
本人认为,空间中必然存在着平均密度稀薄弹性极小的以太结构。2011年出版了《宇宙的真谛》一书。建立了“二粒三构”理论。描述了基本粒子和基本物质结构模型,阐述了光,电,磁,热,场,波的本性,四种自然力的本质,基本天体结构与运行规律。欢迎提出质疑。
2013,07,02
宇宙研究网征集研讨如下方面的论文:
1 光的本性。
2 磁的本性。
3 地球磁场及空间磁场的成因。
4 中微子振荡实验与中微子谜题探秘。
5 量子霍尔效应的微观机制解析。
6 LED光源与太阳能硅光电池的量子转换机制。
7 宇宙中天体系统的宏观演化及其机制。
8 其它宇宙前沿科技问题。