时间和空间的逻辑结构之六

                                    ——时间、空间与物质的运动(下)——2

志勰

本文谈论了作为物理学基础的最基本的问题,当然,你也可以从方法论的角度上把它当作一种哲学看待。从物质存在和定量的角度探讨了物理学的概念和逻辑的问题,当然也探讨了部分的传统的物理观念问题。我认为本文在从新的角度来理解物理学的方法和秩序是非常重要的。


一、概念与逻辑

   1、物理概念与逻辑的思路

    如果要对一个物体进行描述,那么首先我们必须对我们所采用的描述体系进行最简单的定义,只有采用我们定义的标准去对物体的存在状态进行比较、衡量,我们才可以确定物体存在状态,并得到物体存在状态的确定的数值。

    我们考察我们所采用的对物质世界描述的定义系统,可以通过如下几方面进行考察:

   第一、物体状态的分类方法。

    对物理系统进行物理状态的分类描述,归根结底,常规可以将物理状态划分成三种,和传统物理学中的时间、空间和物体的质量三种属性相对应。

    物体的质量表示物体本身固有的属性,通常的定义是物体所包含物质的多少,通过这样的定义,它和物体所存在的其它状态分离开来。

    时间则表示所有物体都存在的存在序列,它表示物质从一种状态到另一种状态的过渡,我们通常将物体存在的时间的这种属性描述为过去、现在和未来。具有单一的方向。时间的概念在这种意义上来说,可以脱离单独的一个物体而在所有其它物质存在的情况下而存在。

    空间则表示物体所占据的体积的大小。空间容纳物体的属性成了空间作为物体本身之外的关于物体状态属性的定义。

    在人们的感念里,时间和空间是与物体本身的属性无关的东西,他们是脱离于物质本体之外的虚拟的量。

    第二、相关联物体状态间的分类关系。

    不止现代的物理科学已经对物体状态间相关联的关系进行了定义,在几百年以前的长期的科学实践中,人们已经对物体存在状态间的关系给于确定。这一点在科学的应用上是通过经验约定来定义的。远在牛顿力学建立的时候,人们已经建立了相关联物体状态间的简单的分类关系。牛顿第二运动定律可以认为是最简单的形式。作为一种科学体系而言,恐怕也是最早的。当然,即便是现在,牛顿第二运动定律在物理上来说,也是最简洁的相关联物体状态间的分类关系。本人提到的分类方法例外。

    可以认为,通过牛顿运动定律,确定了物理中三种最基本的物理量。

    第三、物质描述系统数与量定义的方法(即通常所说的定量单位)。

    作为每一种物理量,为了便于采用一种量的标准去衡量物体存在状态的量,而建立的和物体存在状态的量相比较的标准量。

    这种定义的方法都是采用约定的模式进行的。对于三种基本的物理量的标准量,这是唯一采用的方法。请注意,是约定,硬性的规定,而不是经验约定。

    基于如上三种形式物理定量系统的描述方法之中,还存在一种最为本质的描述特征,这种本质的特征决定了描述物理的角度和方法。可以认为它是前面三种划分方法的基础。在这种处理方法中,不但决定了一个物理定量体系,而且还决定了定量体系的方法,它会给与物理定量系统一种定量的确定性。可以认为,它决定了一个物理定量体系对宇宙中物体的描述范围和精度。同时也决定描述系统的局限性。

第四、物理载体本体的属性

    关于物理载体本体的属性,我在本栏目的其它的文章中已经就具体的问题问题作过根本性的说明。时间和空间的逻辑结构系列的文章就是为此而作的铺垫。在这里不去详细去论述物理载体本体的详细特性以及合理处理的方法,而仅针对这个主题就时间和空间的逻辑结构描述过的作点简要的系统属性概括。请参阅时间和空间的逻辑结构系列的文章,(本栏目)

    物体所存在的质量的属性是人们对物质的力学行为进行定量而得出的概念,在人们所观测到的实实在在的物质属性中,包含了人们的定量属性。在这种意义上来说,人们所得到的质量的概念其意义的本身也在于此。此部分内容在未来的一篇文章里(物质的存在里)还要作系统地说明。

    物体所存在的时间和空间的属性,完全可以归结到物体存在本身的属性上。对于时间,可以通过物体周期性的运动或者不同物体运动状态间存在的区别进行定量,物体存在的时间特性,采用定量方法,采用周期性的运动可以非常方便的确定物体所存在的时间的数量。但是,物体存在的时间观念却未必需要周期性的物质运动。不论我们如何定义时间,物理体系所描述的物质的存在在存在的本身上没有区别。那么,时间仅仅是方便描述物质存在的一种工具。相类似的道理,空间的属性也来源于此。

    对于物理描述系统而言,时间和空间的概念应该从物理描述系统的主体概念中分离出去,而退居到物理概念的次要的位置,作为一种工具性的概念。或者,它不是最基本的概念,可以从物质本身的属性中将它们推导出来。

    通过如上的处理方法,已经建立了一种和传统物理学不同的对物理世界描述的观念。它排除掉了物质的存在而给与我们经验感觉最初的表象。通过物质存在的本身,建立了一种物质逻辑系统。鉴于此,我认为可以将现代的物理学,包括牛顿力学、相对论和量子论,统称为形式物理。

    在这里,将物质本身的存在作为物理描述体系最本质的概念,所有的物理概念都会以此为根据而被推导出来。那么,采用物质的存在作为物理定义体系唯一的基本概念,那么物质世界在描述上的统一,无疑是非常自然的事情。

    (小序:十几年前,我把这个想法而导致的物理描述叫做基本论,现在想来,如果统一物理描述系统,这无疑是唯一的方法和途径。如上可以认为是关于这种描述方法的哲学思路。当然,仅仅凭借物质存在的思路还是不能统一物理描述系统,还需要加上物质的作用。关于这个问题,我在时间和空间的逻辑结构之六——时间、空间与物质的运动(下)——8中已经提出了解决这个问题的方法,即建立一个新的物理定律,就是平方反比定律,它用于描述物质间的作用。这两种思路合并到一起,从哲学方法上来说,足可以完成对整个物理系统的描述。)

   2、观念与逻辑的方法

    自19世纪能量守恒定律建立之后,大多数物理学者都坚信一个信念,即对于整个的宇宙,可以采用一种统一的描述方法对宇宙中的物质运动变化规律进行描述。

    (大家知道,物质的运动变化依赖于物质间的作用,在物质间的基本相互作用上统一了,那么统一物质运动的描述则会变为很简单的事情。通常认为,我们已经发现在宇宙中存在四种不同的基本相互作用,大统一的主题也主要表现在对这四种基本作用的统一上)。

    这种观念我认为可以叫做大统一理论。对这种理论统一的尝试自19世纪之后从来就没有中止过,比较典型的是爱因斯坦在采用相对论的方法统一了引力和惯性之间的关系,或者物质的运动和引力之间的统一。继而在晚年尝试电磁理论、物质的运动和万有引力之间的统一。但终未能获得满意的结果。但毫无疑问,相对论在尝试采用统一的方法来描述引力和物质运动间的关系是物理的大统一理论的开端

    科学发展到今天,和19世纪末叶相比,已经获得了巨大的成就。我们现在来回首一下过去科学所进行的尝试思路。就会发现采用常规统一的方法来描述整个物质世界的运动变化规律是没有这种可能的。

    我们这里不谈论相对论的适用范围和描述方法,而仅在相对论在描述相互作用间的关系的过程中所采用的观念模式和逻辑方法进行一下浏览,我认为这是必要的。

   (1)狭义相对论逻辑方法的问题

    在狭义相对论中,爱因斯坦通过基于客观基础上假设的模式引入两个关键性的假设,大家都知道,一个是光速不变原理,另一个则是狭义相对论的相对论原理。通常认为可以采用这两个假设推导出相对论的时空观念,那么在这个基础上就可以推导出质能关系。这样狭义相对论就建立了物质的运动和物质状态之间的最密切的联系。这个联系足可以采用统一这个词来对物质的存在和运动进行描述。(但很遗憾,物质的存在和运动并不代表整个的物理描述系统。因为除了万有引力的作用之外,在物理学中还存在另三种基本的作用。电磁力、强相互作用、弱相互作用和电磁作用。)当然,以现在的证据来看,这样的统一是错误的。这种逻辑的方法也是错误的。其关键在于在狭义相对论中引入了光速不变原理。光速不变原理和狭义相对性原理的引入,在相对论中会导致两种时空观念并存,并且在描述物理系统(相对论)中是等效的,但是它所代表的物理的客体在物理数值定义体系中确是不同的。后面我们也要讨论这个问题。

    (既然我们采用定义单位来描述物质的运动变化,那么物质的这种定义单位在任何一种惯性参照系中都不会发生变化。否则它就失去了定量单位的意义。我们不能因为物质所存在的状态不同,而去改变定量系统中的数与量的关系。比如相对论在不同惯性参照系中所建立的协变关系。在后面我们还要讨论这个问题。并纠正在狭义相对论原理的阐释中对相对论的的一个分析。)

    这个问题是逻辑方法上的问题。

   (2)广义相对论错误的逻辑判断

    在广义相对论中,采用经验约定的方法建立了引力质量和惯性质量的等效性。质量的概念是通过力学的属性进行定义的。不论是万有引力还是普通的作用力。其作用力的基本单位是相同的。那么以作用作为定义质量的工具,其定义的结果必然是完全相同的,并且没有任何区别。引力质量和惯性质量是不需要建立这种等效性的。因为这是统一的定义系统。都是通过作用的本身进行定义的,不需要建立这种多余的等效性。(关于这个问题,可参见广义相对论存在的问题

    物质本身的存在和它在外界的作用下发生存在状态的改变,都是在作用量的改变。如果两者的定义系统是相同的,那么,它必然没有区别。实际上,在我们所采用的物理定义系统中,我们不能找到两者有任何的区别。那么,在原理上来说,以此为基础所建立的原理应该没有过错。但恰恰相反,广义相对论存在着错误,这得自于和狭义相对论相接轨的概念。也就是通常所说的时空观念。

    从方法上来说,如果时间和空间仅仅是描述物质存在状态的一种工具,那么,这种工具同物质的存在是没有关系的。不论我们采用什么样的,描述物质存在的辅助工具去描述物质的存在。物质还是物质,它不会是别的东西。而在相对论中,物质存在的本身属性(质量)不但会在不同的惯性参照系中发生变化,而且在引力强度不同的引力场中,物质的质量也会发生变化。那么,这只能说明,物质的质量不是表征物体所含物质多少的量度。从任何一个惯性参照系中去度量一个确定的物体。这个物体所含物质的量不是常数。

    这样,相对论导致了概念逻辑上的混乱,离物理描述系统的统一,不是越来越近,而是越来越远。我们不排除不同数学语言对物理描述的有效性,但是数学语言和物理概念的对应上应该是唯一的。否则必然存在问题,或者语言上的问题,或者物理关系上的问题。下面,我们来看一看自然现象和语言的对应。

   3、自然现象和语言的对应

     我们采用语言对自然界的事物进行描述,不论是精确的数学语言还是采用人类在生活中进行交流的人文语言进行描述,语言和自然界的事物必然是一种对应的描述。

    那么,首先一个问题是在语言描述过程中的对应方法。在人文语言中,我们可以采用多种表达形式对相同的事务进行描述,比如早餐,我们可以采用早餐来表达一个概念,我们也可以采用早饭、早点来描述,同时还可以清楚的表示为早上吃的饭等等。另一方面,才用汉语可以采用这样的描述,那么在英语可以采用breakfast 或者brekker等等进行描述。但是不论采用任何一种描述方法对这一个概念进行描述,它的语义范围是相同的。

    自然界的事物在人类的语言中有多种对应。我们可以认为在我们这种描述中,同样的一个物理概念可以存在多种描述的方法。在物理的概念中,在一个相同的系统中也存在多种描述的方法,但是有一个前提,所有的针对一个概念进行描述的多种描述方法,它所描述的物理内涵必然是相同的。如果不是相同的,那么必然不是相同的概念。

    物理概念和它所描述的物理内涵有着唯一的对应性。这种物理概念和它所描述的物理内涵间的对应的建立方法是经验约定。举个例子来说,“山”所描述的含义是自然界中的山,至于为什么,在汉语里可以归结为原始意义上的象形,但这并不能作为根据。因为这只是建立的方法。其最本质的意义则是大脑中的一个符号和自然界中事物的对应意义上的经验约定。

   4、最基本的概念

   (1)物理描述的特征

    物理学作为一种描述物质运动变化的学科和语言学有着相同的地方,都存在一个表述的规则。在这个规则中,必须确认我们描述的目标,即描述的客体。其次再确认它在进行或者存在的状态。同时物理学和语言学也存在着一定的区别。这种区别就是物理学必须有一个客观存在的客体,当然你也可以假设,但这个客体必须是客观存在的。语言学则没有这些限制,它可以将一些不存在的事物作为描述的对象。比如它可以描述主宰万物的神的存在,并可以赋予它确定的存在形态。即可以赋予它1.85米,也可以赋予它10.87米。

    物理学在这方面则不同了,它必须赋予客观存在的真实性。通常意义上的这个真实性则是物理的规则。或者更通俗的说,是客观存在。

    (2)物理描述的常规模式

    在物理学实践应用的范围上,通常物理学的描述模式可以划分如下的几种描述模式:

    第一、确认描述的客体为真、确认客体存在的属性。

    当我们描述物体存在的时候,必然要对物体的存在进行确认,确认物体的某种状态、确认物体存在的属性。比如一个物体在运动。电子对外会显示电的属性。静止的电荷间存在静电作用。

   第二、确认描述客体间的作用关系。

    采用物体在空间中相互之间的位置来描述物体之间的作用关系,如万有引力定律、库仑定律、弹力、作用力等。

    第三、描述客体在存在进程中在空间位置的变化关系(也可以认为物体在一段时间内的两种状态和两个空间位置的关系),或者更精确的说描述客体在时间上的运动变化规律。

    物理学在对自然界的描述的过程中,在物理意义上来说,都可以直接或者间接、分解或者组合的将物理的描述模式划归到如上的三种描述模式之中。但在如上三种描述模式之中,都存在一个描述的对象,并且在物理的方法上,我们都把这个描述的对象看作描述的客体。并且它具有“物”的属性。

   (3)物理描述的最基本概念

    所有的物质运动变化规律都必须通过物质的运动、物质受力状态、物质的状态分布等物质的存在形式来实现。物质在这种物质运动规律中,无疑是作为表述系统的主体。

    从另一个角度来看,所有的自然现象都可以采用物质运动变化的角度来解释,所存在的整个世界是由物质构成的世界。物质作为所有现象的载体,这是作为物理学科我们所进行的唯一选择。

    因此,在这里,我认为将物质的本身作为一种最基本的概念,来对自然进行描述是合理的。

   5、质与量

    (1)质的意义上的质与量

    第一、对属性区分的质

    一个物理概念对应一种物质的存在形式,或者物质的存在本身、或者物质的运动模式、或者物质的运动规律。在物质众多种存在形式中,我们可以针对物质存在形式的不同给与质的划分,即:一种物质的存在形式对应物质存在的一种属性。将这种质的区别明晰开来,并给与确定的概念。这就是物质存在的属性概念。

    物质是以多种多样的形式在存在,物质存在的多样性就给我们精确的区分每一种物质存在形式质的区别带来一定的困难。有的物质是以质的形式在存在,比如分子、原子、电子。而有的存在形式则是物质的运动形式,比如波的存在形式、电流的存在形式,它们分别是介质、电子的运动形式。当然,尽管物质运动形式的多样性,我们仍可以对物质的存在形式给与质的区分,在物理学中我们都在有意识无意识的在学习和掌握这种区别。比如:介质的周期震动,我们可以很自然的得到波的属性,电子在导线中大量的定向移动,我们得到电流的概念。

    但是在我们学习的过程中,我们往往忽略了物理概念和它对应的物质运动形式是相等效的。现代物理学中将物理的概念采用数学的方法进行描述,正在一步一步的远离物质的存在形式和物理概念相对应的描述模式。现代的相对论和量子论则是典型的这种理论。相对论放弃掉将时间和空间仅仅是描述物质存在的工具,而将时间和空间作为描述物质存在的基本结构元素之一。量子论则放弃掉物质存在的质的存在属性本身,而将物质的运动形式和物质的质的存在淡化开来,使我们不能区分物质的存在形式和物质的存在这样的基本属性。波粒两像性和物理对象量子化的规则则充分的说明了这样的道理。这些最缺乏的就是对物理对象质的属性的区分。

    这一点在物理学中则恰恰是最为重要的东西。

      当然,在实际的物理应用中,物质质的存在的属性则是不容易辨认的。不只是现在的物理学中的波粒两像性,在物理哲学中质的存在和质的存在形式在和自然事物的对应过程中,也是不容易区分和辨别的。在科学史上,对自然界事物两种属性的判别一直伴随着整个的科学史。在未来,也会一直成为物理学的主要内容。

   第二、通常意义上质的存在

    给与物理现象的主体对象一个确定的解释,通常包含如下两种解释途径:

    一种解释途径是将物理现象的主体对象当作物质质的存在。比如电子、质子等。

    另一种解释的途径是将物理现象的主体对象当作物质的运动形式去处理。比如光波、热等。

    在物理学的发展史中,对物理现象的解释一直采用如上的两种解释途径。在前者,我们通常赋予物质存在质的内涵,后者则是物质的运动形式。但实际上,在物理学中两种解释途径对于特殊的客体的解释一直是纠缠不清的。19世纪以前的热质学说就是采用一种质的存在去描述物质分子的运动,当然,我们已经否定了这种对热现象解释的方法。即便在现在,光子学说仍然处于这种两种解释途径之间。一种解释模式是采用介质学说去解释,将光子仅仅当作空间介质震动的一种形式。另一种则是将光子当作一个客观存在的客体去进行解释,现在流行的光子学说则是这样的解释模式。

    如上的两种模式对于解释物理现象的主体对象来说是唯一的,一个物理现象的主体对象它不能既是物质质的存在,又是物质质的运动形式。前者,表现为一种存在的客体,后者则是运动形式。我们通常意义上所指的则是前者。它是运动形式的承载者。

    (2)定量意义上的的质与量

    第一、物质存在的质和定量意义上的质的区别

    如果一个物体在存在,那么对于物体存在的属性和特点,我们需要观察和观测才能确定物体的存在特性。否则我们不能确定物体的存在特性。在我们所进行的观察和观测的过程中,我们需要一定的观测手段对物体进行观测,从某种意义上来讲,物体的属性我们是否认识到和我们的观测手段有非常重要的关系。

    如果我们不具有观测到物体某种存在属性的特点,那么我们就不能发现物体存在的这种属性,如果我们的观测手段不能观测到一种物体的存在,那么我们便不能发现这种物体的存在。在我们对物体存在的判定中,这个物体就不存在。

    物体存在的质和观测意义上的质有着本质的区别。

    我们在观测物质的存在过程中,都是采用物质和物质之间的作用属性来判断物体的存在特点,或者说物质之间的某种作用信息。我们所得到的物体存在的某种属性则是我们采用已知的物体作用属性来判断物体存在的属性。在这种判断的模式中,这是一种经验约定。如果我们没有这种经验约定的模式,那么我们需要给于物质的这种作用属性以新的内涵。这样,物体间的存在属性则有一个依据现有的物质存在属性特点的定义的问题。这依赖于两方面,一种是观测的结论,另一种则是我们根据现有的定义体系的定义。

    物质存在属性是我们观测到的物质存在信息的经验约定。它并不代表物质真实的存在属性,它只是我们观测到的物质存在属性。

    第二、如何处理定量意义上的质和存在意义上的质之间的关系

    不论我们采用何种观测定量方法,我们所得到的物体存在的属性都是我们定量意义上的属性。我们在说一个物体的存在属性的时候,物体的存在则是针对我们观测意义上的存在。

    物体客观的存在特点和观测意义上的存在特点总是存在一定的区别,在科学上我们所说的精确度就是这种意义。在微观上来说,我们不能对物体的存在在观测上严格的确定,总是存在一定的误差。当然,即便在宏观上我们也不能做到严格的100%的精确测定。(测不准原理又叫做测不准关系,包括两种测不准量,一种是物体的位置,一种是物体的动量。在能量和时间之间也存在这种测不准关系。最初是对微观粒子进行观测由海森伯提出。和这里提出的意义和内涵是不同的。)只要是属于观测的量,我们观测的本身和物体存在的本身都存在这种不确定性。这是由物体的存在属性和物体的观测属性本身决定的。

    我们在谈到物体的存在的时候,我们所指的是物体真实的存在,但是我们所能提供的物体存在的依据只能是我们观测到的物体的存在。因此,我认为在科学上应该区分开物体的存在属性和物体的观测属性。

    可以通过这样的模式。

    我们在谈论物体的存在的属性的时候,可以认为我们谈论的是物体的真实存在属性,但是在确认一个物体的存在属性和特点确定数值的时候,我们所指的则是观测属性。

   6、物体存在状态的定量方法

   ( 1)定量物体运动的方法

    第一、经典定量物体运动的定量方法

    自牛顿运动定律建立之后,在科学上就建立了一种统一的物质进程标准。这种标准是将物质当作一个物体看待的时候,其运动进程遵守一种规律,这种规律的特点是牛顿第二运动定律——F=ma 。在牛顿力学中,这是一个非常普遍的规律。我们可以认为,通过这样一种物质间作用的关系,已经建立了一种统一的物质运动进程标准。

    在这一统一的物质进程标准中主要包含如下的内容:

    (一)标准的空间距离概念

   (二)标准的时间流程概念

    (三)标准的物质作用概念,同时也包含了物质量的定量概念。

    如上的四种概念是通过建立在经验约定基础上的概念。在量的观念上,也是一种循环定义的概念。举个例子来说,F=ma,当作用力是1个标准单位的时候,质量为一个标准单位的时候,加速度也是一个标准单位。定量体系中的标准单位在这种意义上来说是一种统一的标准单位。

    在牛顿力学中,物质运动的定量体系所采用的基本单位是绝对的标准,不会因为任何情况这种定量模式会发生任何的改变。举个例子来说,一个物体的热胀冷缩过程中物体的体积随温度的关系。我们在测量物体随温度变化的体积变化过程中,我们不会考虑我们所采用的定量标准是否会随温度发生变化,并将我们的定量标准看作标准的定量模式,采用标准所测得的物体的体积大小,则是物体的空间大小。无疑,传统的定量方法在近似的定量应用上是方便的。

    这样一种定义体系,不单单是在概念上是一种经验约定,物质的这种定量模式在定义的属性上来说也是一种经验约定。

    另一个需要说明的问题是相对论所采用的定量物体运动的方法也是这种定量方法,其依据是在狭义相对论中的第二个假设——狭义相对论的相对性原理,但略有不同。(这种不同是依据不同的惯性参照系,建立不同的定量标准,即通常所说的协变关系。)在后面我们要讨论这个问题。

   第二、经典定量物体运动方法的缺陷

    在因果律的基础上,传统对物体运动进行描述,两种截然不同方法中存在着共性。这种共性就是牛顿第二运动定律。在牛顿力学中,它的适用性是不言而喻的。但是在相对论中似乎值得怀疑,这一点可以认为是时间和空间观念的不同。但是,我们只要对相对论稍加分析,就会发现,牛顿第二运动定律具有普适性,一个最简单明了的证据就是狭义相对论的相对性原理。即:在任何一个惯性参照系中,物理定律普遍的成立。两种物理体系在客观事实面前似乎已经统一。但是,相对论和牛顿力学存在着区别,在实验事实上,水星的近日点进动充分说明了这个问题。两种描述系统思路上的统一,并不表示两种描述系统对物质世界的描述上是统一的,我想这得自于两种描述系统对物质世界的描述方法。

    关于两种系统描述方法的问题,这里就不加详细的讨论。这里仅围绕本文的主题——物理的逻辑和方法,来讨论两种描述系统的思路以及所忽略掉的东西。(在后面的部分要讨论)

    在经典所建立的物理学中,所有的物理现象和规律都依据一种准则,这种准则就是客观事实和物理理论描述的对应。那么在这种描述的基本概念定义的过程中,(前面我们已经说明过,基本概念是时间、空间和物体的质量),都是采用经验约定的模式。牛顿第二运动定律也不例外。我们可以认为,牛顿第二运动定律在太阳系中的地球上,引力场的强度9.8米/秒的加速度的环境里是严格成立的,并且物质在这个存在环境里的运动变化规律是经过严格检验的。

    那么,除此之外的物质环境中呢?我们没有任何的理由和根据得到牛顿第二运动定律具有普适性的这个绝对性的结论。也没有任何理由得到宇宙中所有环境中的物质的运动变化都遵守我们所存在的环境中的这个经过检验的结论。

    基于这种客观事实,我们不能再没有经过客观事实检验的情况下,将牛顿第二运动定律推广到所有物质的领域。这样的结论不是轻率的,而是存在着理论基础。从物理哲学的角度上,经典(牛顿力学和相对论)忽略了物质存在的环境,从数学的角度上说,牛顿第二运动定律中的质量和作用力之间的常数关系不能都取值为一。我们所存在的环境不代表宇宙中所有物质的存在环境。

    当然,在哲学方法上这样处理,对于物理描述体系来说,并不是最简化的方案。如果我们要追求描述与理解物质世界,那么,这是没有办法的事情。因为我们只是物质运动的描述者,我们去寻找物质运动的规律,而不是去创建物质运动变化的规律。在物质世界中,我们不是主宰者,而只能是物质存在的一部分。我们必须将自身还原到物质本身的层次。

   (一)牛顿力学定量方法的缺陷

     首先从定义体系上来说,在牛顿力学中,我们只指明了定量系统的标准单位的定量方法,但是并没有给于这种定量系统定量的定义环境。主要是从时间、空间和质量的三种概念上,没有指明定义的环境。此外,在物质作用上也没有指明唯一确定的定义环境。通过循环定义的方法,可以存在多种不同的定义系统。因为只要符合F=ma的条件,就已经足够了。爱因斯坦就是因为牛顿力学的这个漏洞,才创建了狭义相对论。只要指明定义系统的环境,那么,狭义相对论则根本不会出现。至少不会在牛顿力学的基础上来建立这种协变的物理定义体系。

    在牛顿定义系统中,还存在着很大的扩展余地。可以通过如下几方面来实现扩展:一方面通过物质的存在环境,它包括它所存在环境的物质的平均密度。这一点是物质存在环境的空间属性背景。采用数学的方法则是F=kma,其中k的取值大于或者小于1。经典的牛顿力学k的取值为1,k表征这种环境的物质背景属性。另一方面通过物质的存在状态和物质加速度的关系来表征物质作用和状态的关系,可以表征为a=k(F/m),其中k为物体状态和加速度的力学关系。此外,在不同的作用环境里,比如引力场、电磁场以及在近代物理中所提出的强相互作用和弱相互作用等几种作用,其作用环境不同,这个常数k也可能存在着不同。在常规的物理中,我们通常将这种作用的区别给屏蔽掉了。比如,采用电荷荷质比的方法来测定电荷的质量,我们通常采用牛顿力学经验约定的方法将常数k给屏蔽掉,而将这个量值附加到电荷的质量上。至于电荷的确切数值是多少,这种测量方法在常规的测量中是否适用。其依据还是经典的规律。我们假定了传统规律的普适性,采用这种普适性去定量未知物体的质量。这种方法测定的质量只能是针对这种特定方法的质量。而不是物质普适性定义的质量。

    也许牛顿先生本人也没有注意一个牛顿力学定义系统的问题,这个问题就是牛顿第一运动定律确定了物体存在状态的属性,即通常所说的惯性。但是,牛顿第二运动定律确指出牛顿第一运动定律的特解,将力和物质存在属性的关系建立一个唯一的关系。但是没有任何客观事实说明这个关系是唯一的。

    在牛顿所生活的年代,对空间介质的探讨可以说还一无所知,对物质运动变化的客观事实采用经验约定的方法,具有非常有限的局限性。如果我们将牛顿力学进行扩展,新的描述范围已经和牛顿力学的最初格格不入。我想,这应该已经不能叫做牛顿力学了。

    (二)相对论定量方法的缺陷

    仅仅采用牛顿力学关于定义系统的常数来说明狭义相对论和牛顿力学的关系是远远不够的,因为两种理论解决的问题和出发的角度是截然的不同。一方面是牛顿力学的出发点在于,它所描述的是日常生活的环境中常规物体的运动变化,这种描述环境,基本相互作用(万有引力)的强度和运动速度的差距并不是很大,从一种参照标准很容易测量到物体在这种标准中的数值坐标。它直接面对的是客观事实和经验。将牛顿第二运动定律作为牛顿第一运动定律的一个特解是理所当然的事情。相对论在这个基础上,建立等效原理,无疑是将这一物理表述形式直接给搬到高速的问题上,以日常生活中的经验感觉想当然的去处理高速物体的在相近状态下的关系。

    相对论,在当时的科学领域中直接面对的是电磁波的速度和物体运动的高速问题,这一点在相对论建立的前期已经被很多物理学者所关注,在电磁学中所必须引入空间介质也为很多物理学者所尝试,以太的概念就说明了这样的事实。麦克尔逊——莫雷实验的否定结果只否认了刚性以太的不能存在。我必须重申一下,以太的概念只是根据电磁理论所必须假设的概念,其物理内涵也是在假设之中,没有任何理由假设以太的概念必须是刚性的,而不是除此之外的其它的形式。

    相对论在麦克尔逊——莫雷的否定以太的刚性的基础上,否认了以太作为一种实物的存在。而仅仅作为一种和真空物理量相关联的物理常数。电与磁的作用除了建立经验约定之外,可以说我们对电与磁通过空间的作用形式是未知的,那么,我们有什么理由建立相对论的时空结构呢!答案是没有。

    大家知道,相对论是建立在光速不变原理和狭义相对论的相对性原理的基础上。我们对光速不变为一常数在理解中存在一个误区(下一篇文章中将要说明)。狭义相对论的相对性原理又仅仅是在日常生活中的一种经验约定。广义相对论的原理又是在这个基础上的一种外延。那么,相对论的根据呢?

    在客观事实上,建立这样的理论我并不认为这是一种合理的科学定量系统。在科学应用上,我们通常将相对论看作处理高速物体运动的一种有效的理论,并且将牛顿力学当作相对论的一种理论数值的近似。但实际上,相对论和牛顿力学是两种不同的物理定量系统。牛顿力学中的一个单位数值不等于相对论中的一个相同的单位数值,同时相对论不同的惯性参照系中相同的物理量的数值也不可以画上等号。理论的意义仅仅在于一个等效。对于物理的数量关系来说,尤其是定量比较系统,这没有意义。我们不能在理论上采用等效的方法去描述物理事实。

   下面我们先看一下判定定量系统的依据。

   (2)相同定量系统的三要素

    如果我们要考察一种定量系统,那么,在两个不同的定量系统中,如下三种物理量必须是统一的标准,我们才可以将两种定量系统看作是相同的。

     物体的质量、物体的长度、物质运动变化的流程,只有在如上三个定量概念相同并且其关系唯一确定的时候,我们才可以判作定量物体的描述系统是相同的。

    如果我们通过两种不同的定量系统来定量物体的运动变化,如上三种物理量的物理数值是不同的,那么我们没有任何理由确认我们所得出的两种结果在数与量上是统一的。或者换句话说,不能对我们所得到的两种数值进行比较大小。因为物理量的数与量的关系是不同的。

   (3)定量物质存在状态的物理量的标准问题

    对于一个相对于我们运动的物体,如果我们要确定这个运动物体的存在状态,那么我们必须要对它进行观测。首先我们要选定一个参照系统作为一个相对静止参照系,并在这个基础上建立观测系统的某种标准。通常我们都把这个参照系统叫做静止参照系统。我们在这个参照系统上对这个运动物体的观测数值都会依赖于这个静止参照系统的标准。

    如果我们在单位时间里观测到这个物体在静止参照系统的坐标中移动了一个确定数值的长度单位,比如n个单位。那么这个物体的运动速度就是n个长度单位/时间单位,或者说它的运动速度为n。这个速度n是这个物体在我们选定的静止参照系中的速度数值。这是观测事实。至于类似于相对论将这种观测事实变换回物体实际的运动速度。我认为是没有意义的。它主要取决于如下几个方面:

    第一、我们根据这个静止的观测系统得到的运动物体的运动数值,都是相对于这个观测系统标准的数值而言。其数值依据都依赖于此,我们观测到的速度是这个静止参照系统中的运动速度。我们所能得到的这个物体的运动速度也只能是这个物体相对于参照系统的运动速度。

    第二、在我们得到这个物体运动速度的确定数值的过程中,我们所依赖的所有的物理量的数值都是这个静止参照系中的物理量标准。我们只能相对于这个静止参照系统而言。时间、空间、物体的质量等物理量,我们不能在这个静止参照系统的标准上,观测出脱离于这个参照系统参照标准之外的数值。或者换句话说,我们从观测系统得到的观测结果是唯一的,并且仅仅是相对于我们所采用的观测系统的标准数值。

    当然,相对论的意义不是单纯的物体的观测运动速度和物体的实际运动速度的变换上,它所具有的意义在另一方面是观测系统和被观测系统之间的理论数值计算上。但是,时间和空间的定义,从最原始的意义上的地球围绕太阳公转周期的运动模式,和地球子午线的客观存在。我们没有任何理由确认这种时间和空间的原始定义模式在任何一个参照系统中不是通用的。如果我们所采用的计量时间和空间尺度的标尺发生变化,那么我只有调节我们所采用的计量工具,使其和这个标准吻合。比如(举个未必成立的例子,仅说明这种关系):在静止参照系中,当地球围绕太阳旋转一周的时候,某一个确定原子震动的周期为n。在运动参照系中,当地球围绕太阳旋转一周的时候,这个确定原子震动的周期为n+x。那么,我们只有通过地球围绕太阳旋转一周对我们所采用的计量工具进行校正。在静止参照系中原子周期震动为n个周期,所经过的时间等效于在运动参照系中原子震动n+x个周期。关于n和n+x之间的关系。在本系列其他的文章中还要讨论这个问题。

    (4)建立一种统一的物质存在状态定量标准意义

   第一、日常生活中的启示

    如果我们采用某种物体的标准长度去定量物体的长度,并且采用这样的物质定量工具对物体的长度进行定量。那么,热胀冷缩效应会对定量工具的标准产生一定的影响。

     如果我们考虑到精确的定量物体的体积,那么我们则必须要将我们所采用的定量标尺随温度的变化也要考虑进去。这样传统的定量方法定量出的严格的定量数值则应该是如下的模式:

    首先我们要定量一个标准的标尺数值,我们需要指定标准标尺在特定环境下的数值。如:在摄氏0度时标尺的数值为标准的标尺数值。然后我们建立标准标尺和测量标尺的关系。测定测量标尺在一定温度下和标准标尺之间的关系,然后我们再用测量标尺去确定物体的数值,再将这个数值根据我们得到的“测定测量标尺在一定温度下和标准标尺之间的关系”进行还原,将我们实际所测得的数值变换成标准的数值大小。这样,我们就得到了标准的物体的大小。

    热胀冷缩的现象是由于物体的微观分子的运动变化所引起的,并且在物体大小的定量上,会直接影响物体的空间体积数值。如果我们所采用的定量工具也同时在发生着热胀冷缩的现象,在这种意义上来说,我们所采用的定量工具所给与的定量结果也不是标准的。前面我们看到了,我们需要根据定量工具的热胀冷缩的结果和我们建立的标准进行变换,经过变换后的数值才是标准的数值。

    我们的定量标准存在一个确定的环境,并且在这个确定环境中才可以确定标准数值,定量环境的改变必然会改变我们采用定量工具所直接定量结果的准确性。这样,就需要我们针对定量工具的定量数值在不同的环境中的变化规律。建立变换规律才可以对不同环境中的物体进行定量。

    从另一个角度上来看,如果是跨区域的不同环境中的定量,那么我们是否需要进行数值变换呢?举个例子来说,在地球上我们采用摄氏0度作为定量物体长度的标准环境,并作为地球上测量物体长度的温度标准。有一枚飞船飞到金星上,金星的平均温度是70度。这枚飞船测量温度的时候是否还需要将直接测量到的数值变换成地球上的测量长度标准么?如果我们还采用变换数值的方法将所测得的数值标准变换回地球上的标准,这对于在金星上的定量工作来说是非常不方便的。

    如果我们将金星上测得的数值变换回来,那么我们可以将金星上物体的大小和地球上的物体大小进行比较,但如果我们不变换回来,则不能对两种数值标准的物体进行大小比较。这在科学的实际应用上各有利弊。

    对物体描述的定量并不仅仅限于物体的长度,还有物体的运动变化进程,物体的力学属性等等。但是为了便于对两个区域的物质运动变化规律进行统一的描述、比较,建立一种定量标准系统是非常方便的。这也是我们采用定量标准的意义所在。

    我个人认为,建立一种不同环境中的标准单位的变换关系是很有必要的。

   第二、可能存在的的定义模式导致的定量系统的困难

    我们要想采用一种统一的物理定义模式来对整个宇宙进行描述,最大的困难就是定量环境和定量手段所给于的局限性。

   如果我们要对所有的物质运动变化进行统一的描述,我们不能将高速运动和场的作用强度非常大的情况下排除出去。对于前者,高速运动物体相对于我们的观测系统的运动速度很大,找到合适的传递信息的工具非常困难。我们不能采用一束光在观测者和被观测者之间传递来测量远远趋近于光速的运动物体的运动速度。同样的,我们也不能采用可以和场发生作用的物质作为信息的工具来对场的作用强度相差太大的两个区域中的物质行为进行测量。

   前者属于定量系统和定量工具之间的矛盾,需要在观测时间和空间上更精密的测量;后者则是物质间的作用和定量系统之间的矛盾,需要排除掉物质和场作用之间的作用关系。

   这是定量系统在物理中的局限性。它会导致采用统一的物理定义模式来对整个宇宙进行描述产生困难。并且会伴随人类的科学发展在无限的接近。

(5)物体的定量标准同物质运动变化和环境的关系。

    前面我们已经看到了,采用标准物体的长度定量工具所定量的物体的数值大小和物体所在的温度环境存在一定的关系。那么影响标准物体的长度定量工具还和什么因素有一定的关系呢?

    对这个问题,已经有专门的学科对这个问题进行研究,就是相对论。相对论认为,对物体描述的定量标准有一定关系并发生影响的是两种情况:

    一种是惯性参照系统之间的相对定量标准。

   另一种则是由于引力场的空间作用所引起的绝对标准。

     前者,仅和惯性参照系之间的相对速度有关系,其依据主要来自于电磁理论。后者则和引力场的强度有关系,主要依据来自于作用给与物体结构属性的关系。

   关于这些,我们将在第四部分——时间、空间同物质运动变化的关系给与属性分析,在第五部分——时间、空间同物质定量体系的关系讨论这个问题。

   7、因果律

    如果物质的存在状态、发生改变,那么我们对物质的存在状态进行处理存在两种处理方法。

    (1)根据牛顿第二运动定律,物质原有的固定的存在状态发生了改变,那么,形成改变的原因一定是由力的作用引起。在这里,我认为可以将牛顿第二运动定律扩展到(将物质进行量子化处理——物体是由物质微粒构成,物质微粒的微观特性表征物体的属性。)变换到每一个物质微粒的状态。遵循力学的规律,也可以看作因果律。这样处理的角度是物质的运动变化都可以采用力学的原因得到合理的解释。

    当然,这样处理的结果是牛顿第二运动定律已经超出牛顿力学定义的范畴。在牛顿力学中,物体的惯性属性当作一个恒量看待。而这里则是将物体的宏观属性进行量子化分解,分解成物质的微粒间的作用结构与力学的属性上。这样,力学的属性则是指的作用的范畴。

    (2)根据传统的量子论的测不准原理和物质的波粒两像性,采用物质的作用在空间中分布的可能性的方法对物质的运动变化进行解释。在这里可以看作非因果关系。采用这种方法可以采用物质在空间中作用在空间中的排列与组合的方法对物质的存在状态进行可能性的几率解释。

    我并不赞同这种方法,虽然这种方法在对微观物质世界中的解释尤其是在原子的领域获得了很大的成功。但这并不代表采用力学的方法采用因果律对物质实体的运动规律不能成功解释。在电磁理论与原子论栏目中(本站)的原子论中,采用因果律的作用模式对氢原子光谱进行解释,也是非常合理的。

    同时,如上两种方法也提供了对物质运动变化进行解释的两种途径。

    一种途径采用因果律。所有的物质运动变化都可以采用因果律的模式进行解释,或者更进一步的说是所有物质的运动变化都可以采用物质间的作用进行解释。那么,根据这种解释模式,相对论中的时间和空间也可以通过物质间的作用进行解释。在这种解释途径里,存在明确的因果关系或者说力学属性。

    另一种途径则采用非因果律。所有物质的运动变化也可以采用非因果律的模式进行解释。即:不采用力学的模式进行解释。

    我们知道,相对论在物质运动变化的定义属性处理上,采用的是协变的模式对不同的惯性参照系统、引力系统进行定义处理。量子论在对微观物质运动变化的处理上,是采用波粒两像性和几率的概念对物质的存在模式和物质的存在属性进行处理。

    我在这里必须提醒一下的是,20世纪的两大物理理论成功的运用,说明采用非因果律的模式对物质的存在状态和存在属性进行解释,在某种意义上来说,可以对物质的运动变化给与描述。但是这样描述的意义并不是我们所描述的物质的存在和运动变化为真为目的。而是仅仅为了解释物质的运动变化规律。仅仅是为了理论模式和客观实际相吻合,除此之外,没有其它的物理意义(当然,在数学应用上有很重要的价值)。

 

[小序]

   写这篇方法和逻辑上的物理文章,对我来说实在是有点勉为其难。但这样的文章在物理的整体观念上也是不可或缺的。因此对这篇文章,我用了大量的时间去思考关于物理系统的观念和方法。在写作上也经历了很长的时间,大概有半年左右的时间吧(考虑的时间比这还要长一些)。但是设计的面积很大,往往转来转去,就转到物理科学方面,有些问题是很难分清是物理的问题还是哲学的问题,在这上面本文是一塌糊涂。

   这篇文章不是最初的原稿,原稿比这篇要写得好一些,从逻辑上和方法上更系统一些。由于我所在的环境中两个月之前发生过多次的停电事件。因为停电而重写就有六、七次之多。因此这篇文章也最辛苦了。而之后电脑又发生了意外,即将写好的文章又彻底报废。因此本文最后又从头开始。

   大家现在看到的这篇文章只是恢复以前的文章中的内容,从范围和细节上,远远不及以前写的。

志勰  于2001年11月5日

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