21世纪物理发展首要的两个绊脚石

志勰

意义:说明了能量守恒和转化定律、动量守恒定律所存在的错误,它们是21世纪物理发展的两个首要的绊脚石,放弃它们将会打开微观物质世界的新领域。

简介:能量守恒和转化定律以及动量守恒定律是错误的,它们在阻碍着物理学的发展。


一、引言

    在20世纪的中后期,物理学的两大理论——相对论和量子论扩展到几乎所有自然科学领域,在某种意义上来说,也意味着到达它们发展的极限。同时对物理科学发展总结所作的评价著作也相继问世。从历史的发展上看,多数科学史方面的工作者相信,百年一次的科学革命①会在科学的发展上重演。现在已经是进入21世纪第5个年头了,主流科学仍在原有的思路上保持沉默,而非主流的却在一些网络传媒地方讨论的异常火热,那么这是否意味着一种历史的时刻呢!

    在历史上新旧科学的替换,大都是建立在原有科学所存在的漏洞被充分认知,并且不足以满足对现有科学现象的解释上。或者没有找到利用现有科学充分解释现象的前提上,这样才导致新的现象的发展方向的选择和被选择。

    科学发展到现阶段是否具有这样的条件呢?又是什么阻碍了物理科学进一步的深入下去呢?通过几篇文章来提出我的看法,讨论这个影响物理学发展的几个首要的问题,来达到抛砖引玉的目的吧。本文主要讨论两个主要的绊脚石。下面我们来看。

1、导致20世纪科学发展的因果思路及困惑

    自十九世纪四十年代之后,人们从不同的角度提出能量守恒和转化定律,由众多的学者参与这种传统的不同能量间的转化关系验证。如焦耳先生验证的的热功当量。到20世纪初,几乎从各个与能量有关领域验证了不同能量间的转化规律。并导致能量守恒和转化定律在科学中被普遍的大量的应用。现在看来,那个时代所做的工作是验证了不同种能量之间可以相互转化,并存在确定的转化关系。并不能证明能量守恒②。

    在发展能量守恒观念的同时,大多数的科学家存在一种误区,这种误区就是认为建立了不同种能量之间的相互的转化关系,并且转换的量存在等量的关系,那么就建立了能量守恒和转化的普遍规律。

     同时,其它的守恒观念也相继建立。如动量守恒、角动量守恒等。守恒观念地提出,为寻找各种物质运动变化规律建立了桥梁。加快了认识物质世界的进程。

    然而,这样的观念恰恰是错误的。错误的原因在于没有给能量概念进行合理的定义。这是导致物理发展方向向不合理性所迈出的第一步。

    根据这种理念,我们只要根据这个守恒的观念,就可以不问物质运动变化的具体过程,可以不管物质运动变化的实际关系,就可以建立对物质运动过程求解。

    相对论和量子论是这种物理理念的进一步的延伸。在物理理念发展上,相对论架设了质能关系中间的桥梁,在解释原子核反应质量亏损的过程里,很自然的建立了质能守恒和转化定律。

    相对论不问两个参照系之间的作用属性差异而建立的两个参照系统之间的定义系统关系,本身存在物理上的内部矛盾③,另一方面,物理处理方法也不符合物理原理④。质能守恒和转化定律在这种基础上的进一步扩展导致了能量观念的混乱,除了不能寻找到能量统一的定义模式之外。还导致了另一个物理理论观念的进一步发展,大家都知道,这就是对能量量子化处理的量子论。爱因斯坦的质能关系直接推进了这个进程。

    量子论不问物质结构的具体关系而建立的数学描述系统 ⑤。两种理论都掷明显的物理错误于不顾。(关于相对论和量子论本文暂不讨论)

    通常认为量子论是解决微观物理问题的有效方法,由于它的建立是基于原子核外电子发射现象的假设描述而建立的规律,本身并没有可靠的物理原理来作为理论的基础。在将它应用到更微观的原子核领域过程中,那么就值得推敲了。

    在试验面前,求解原子核运动规律的过程中,有两个规律非常重要,一个是能量守恒和转化定律,另一个则是动量守恒定律。这两个规律是在研究机械运动过程中所建立的规律,对于微观的适用性并未曾进行任何的验证。在科学的实际应用过程中,所采用的是先验的拿来主义的做法。我们知道,如果这两个定律是错误的,那么这将直接导致对试验现象的解释过程中错误的结论。而目前这两个定律已经有足够的事实说明它们是错误的。

   在20世纪末期,现有的物理理论已经无法对微观在进一步的深入下去。除了得自于这两个定律之外,还有一个则是量子论的测不准关系,它直接给微观物质的属性进行了定性。由于后者并不是很重要,本文不再对这个问题进行讨论了。本文讨论前者。

    此外,关于能量守恒和转化定律所导致的促进物理学科之间的关系,已经有专门的一篇文章介绍过了。这里就不重复了,可以参考⑥。

2、阻碍21世纪物理发展的第一大绊脚石——能量守恒和转化定律

    (一)能量观念的理念

    阻碍21世纪物理发展的第一大绊脚石当归能量守恒和转化定律。能量守恒和转化定律对物理发展的阻碍作用主要在于它直接决定物理的理念,直接决定了解决物理问题的思路。把它叫做第一大绊脚石并不为过。

    我们知道物理所研究的是物质运动变化的原理,那么在求解物质运动变化过程中什么问题最为重要呢?寻因求果当归因果关系。我想这个答案大家都不会否认。而能量概念的定位则直接决定了这个因果关系。我们要改变一个物体的存在状态,我们需要给它施加能量。能量的作用直接决定了它在物理学中的地位。它直接决定了物质运动变化的线索。

    根据能量的作用和求解物质运动变化规律的特点,能量的定义可以通过两个方面进行定义,一方面是根据给物体施加作用的量,另一方面是物体状态改变的量。大家知道,在物理学中已经有这方面的概念,这就是冲量和动量。前者的表现形式是ft,后者则是mv。能量转化的过程通常就表现为一个物体(一种物质)对另一个物体(另一种物质)施加的作用,并且后者的状态发生改变。所有宏观物体的现象都可以通过物体微观个体的表现行为来进行解释,不论是热、电、磁、光等,都可以通过施加作用以及被作用体的状态发生改变来完成描述。

    那么我们在研究物质运动变化的过程中,能量的概念就还原到物质的运动变化中了。能量的统一在于物质运动变化的统一。能量只是其中的因果关系。

    以前我曾有几篇系统的文章讨论过能量这方面的问题,可参见⑦。

    物理科学即使发展到今天,最初的能量方面的观念依然保留,这就是能量观念的不统一。机械能、电能、磁能、原子能等等等等。这种不统一的观念才用能量转化来弥补。对于能量这个问题,其实我们只要研究物体的对外输出的作用和它所接受到的作用等表现形式,那么这就是能量的本身所固有的反映。

(二)能量守恒和转化定律对当前物理的阻碍

    除了能量的理念进行如上的变更可以更合理的描述物质的运动变化规律之外,另一个需要说明的问题就是能量守恒和转化定律如何对21世纪的物理所形成的阻碍了。

    到目前为止,由于在概念上,我们对能量属性的不确定,导致对能量转化过程的认识是混乱的。

    (1)我们先来看能量转化计量的规则。

    普遍认为,自然界中存在基本的四种相互作用,并且在这四种相互作用中,表现为能量形式的转化在日常生活和科学应用中,已经普遍的应用到其中的两种,就是万有引力和电磁力。物质本身就是能量的载体和被承载体,这构成常规能量转化的所有内容。由于强相互作用和弱相互作用仅限于原子核核子间的作用,并且我认为该两种相互作用存在理论上的问题⑧。这里不进行讨论。

   另一个关键的问题则是对各种能量的计量。

    只要在单纯能量计量里,确认是一种线性关系,或者说累积的关系。比如煤炭石油等化学能,一个单位的燃料释放出一个单位的能量,两个单位的燃料释放出两个单位的能量。再比如一个单位确定温度的水所含有的能量为一个单位,两个单位确定温度的水为两个单位;一个单位的水温度升高一度所需要的能量为一个单位,温度升高两度所需要的能量为两个单位等等。化学能、电能都具有这种线性关系,或者说累积的关系。

   只要在n种能量中,任何一种能量都具有这种线性关系,那么就可以采用对应方法来建立转换关系。该对应为不同种能量间的单位对应。

    奇怪的是动能、势能却不具有这样的特征。在转换过程中,由于是通过物体的动量、冲量来实现的。动量、冲量是具有这样特征的,我想这是动能势能仍然经住客观检验的原因之一。另一个原因在于机械运动中的杠杆原理⑨。

    (2)计量规则中所出现的冲突

    前面我们已经看到只要两种能量之间遵守线性关系的规则,那么就可以采用等量的方法来对能量进行等量替换。或者说认为两种能量之间的数值关系可以进行量值转换。这是从数学的角度所提出的概念,同时也是对现有的能量转换概念的某种规律的数学考察。

    但是物理所研究的是物质的运动变化,仅仅靠这种简单的数学规则是远远不够的。原因在于物质存在自身的属性,这种属性打破这种纯数学的对易规律。

    物质运动变化过程中不是单纯的某种能量进行单一的转化,会随着物质运动规律自身所对外作用的属性出现多种对外作用形式。比如通电的导线。我们给一个导线通一电流,电能除了转化为热能之外还会转化为磁能,除了转化为热量之外,还会转化为磁场。计算一根通电直导线采用焦耳定律这是通常采用的方法。那么转化为磁场我们就忽略了它的能量。所转化的磁场仍然遵守前面我们讨论的能量单位的对易规则。一个单位的电流产生一个单位的磁场,两个单位的电流产生两个单位的磁场。处于这个磁场中空间位置的一点仍然会对该点的产生磁作用。这是施加能量的特征。

(3)能量守恒和转化定律对物理领域发展的阻碍

    上面的通电直导线中如果所通的不是直流电,而是高频电流。那么物质运动变化规律的特征很快就显现出来。我们都知道,它会辐射电磁波。我们抱守着能量守恒和转化定律来看待所给出的解释是,电能一部分转换为电磁波,另一部分转化为焦耳热。这是错误的。

    错误的原因在于导线中的焦耳热仍然要遵守W=i2Rt,同时任意瞬时电流所产生的磁场强度仍然要遵守和电流的大小成正比。原来的规律是不变的。只是电流对外作用方式的问题。

    采用能量守恒和转化定律,我们会忽略掉物质运动变化中所反映出来的新的物质运动变化属性。在对待未知的事物面前,如果仍然采用老观念去解释,那么新的物质运动变化中所反映出来的属性将会被我们忽略。

    在对未知新现象试验的解释过程中,大量的应用了能量守恒和转化定律。尤其是数学方程中所建立的等量关系。有多少忽略的新属性,那么就造成多少认知上的损失。

(4)能量的转化规律

   在对物质运动的考察中,存在这样的能量转化规律。所有的能量转化过程中,确定的转化途径存在确定的转化关系。同时,必然伴随其它能量形式同时的转化,并且也存在确定的独立的转化关系。

   3、阻碍21世纪物理发展的第二大绊脚石——动量守恒定律

    除了能量守恒和转化定律之外,另一个物理铁律当归动量守恒定律了。动量守恒定律可以根据牛顿第三运动定律直接推导出来,在人们的观念中,它的基础性和可靠性是不言而喻的。既然是这样,为什么还要把它当作阻碍21世纪物理发展的第二大绊脚石呢?

    从牛顿运动定律中得出来的规律应用于20世纪以前的机械运动描述是没有问题的,在21世纪以前几乎没有人在理论上对其进行过怀疑。但是该观念是否适用于所有的未知规律,这一点不能确定。主要的原因在于动量守恒定律是根据机械运动得出的规律,即便在机械运动中,还存在非常规的物质作用模式,比如分子热运动、通过介质传递的作用、电作用、磁作用等等。这里要讨论几个动量不守恒的现象。

  最初让我对它产生怀疑来自于原子核理论中的中微子让我产生了疑惑。主要原因在于根据中微子的属性,它可以轻易的穿越地球。对于中微子这种物质,这种怪异的结论让我对其真实性产生怀疑,如果它是一种物质粒子,没有任何的理由和根据来得出这样的结论。原因在于只要是真实的物质粒子,它不可能不和物质产生作用,只要产生作用,那么它便无法穿越地球。中微子的引入是为了解释核子反映过程中的动量守恒问题,这使我对动量守恒的问题作了比较多的留意。

   (1)动量不守恒的现象

     我曾在2003年提出过通过托里折利定理检验流体动力学动量不守恒的方法⑾,那个方法是采用牛顿第三运动定律来检验托里折利定理定理,两者存在不同的结论。假设托里折利定理是正确的本身就不是证明的方法,因为托里折利定理本身可能存在问题。

   第一、喷气动力过程中的能量不守恒

    另一种检验方法是在2001年5月份提出的,是通过火箭反冲过程中,通过改变火箭喷口的截面积来检验的,通过火箭燃气和火箭的分离速度及其提供的动量关系来检验的,它对动量不守恒的证明是有效的⑿。简要的证明如下:

    假设存在两个火箭发动机,一个发动机是另一个发动机喷管截面积收缩而得到。假设两个发动机的燃料及其燃烧速度是相同的,或者说单位时间内喷出的气体的量是相同的。客观事实说明,喷管收缩后发动机的动力会增大。但是单位时间内燃烧的燃料是相同的。从燃气喷出的速度上来说,燃料燃烧所产生的温度为最高温度,或者换句话说,燃气分子的动量是相同的。两个发动机输出动力的不同,说明这本身就不遵守动量守恒定律。

  该过程中,一种在理论上的处理方法是火箭的动力来自于燃气分子的碰撞过程,上面解释为何获得不等的动力依据也来自于此。这说明在复杂的机械运动系统中动量守恒未必成立。

  第二、电磁波传递作用过程中的动量不守恒

    此外在2000年8月还提出过在电磁理论中动量守恒定律不能成立的,利用该原理可建立一种新型的太空动力模式,可参见⒀。简要地说明如下:

    假设一个电子和大质量粒子碰撞,那么在碰撞减速的过程中,它会发射电磁波。该电磁波则会对带电粒子产生作用。在碰撞过程中会遵守动量守恒定律。该电磁波对带电粒子的作用则会使带电粒子产生一个动量增量,则不再遵守动量守恒定律。

  该判定的方法主要是通过空间介质传递的作用,由于电属性的粒子存在两种,可以看作对称。由于其作用是相反的。对一种带电粒子产生一个方向的作用,那么对另一种带电粒子产生反方向的作用。该作用则不再遵守牛顿第三运动定律,换句话说,也不遵守动量守恒定律。

  第三、空间介质传递作用的不守恒

  在宏观的比较大的方面也存在动量不守恒的现象,比如两个天体间由于万有引力的作用而产生的椭圆形轨道运动。可参见⒁

  牛顿第三运动定律的内容为两个相互作用的物体,其作用力的大小相等方向相反。在不涉及到力的传递速度过程中,该定律是成立的。但是在相距比较远相互运动的两个天体上,由于万有引力传递的速度为光速,那么当两个物体运动过程中,两个物体间的作用相互传递到被作用物体本身所需要的时间为不同的时候,那么这两个物体间的作用则不再遵守动量守恒。不仅仅是宇宙天体,高速运动的带电粒子间的作用也同样不遵守动量守恒的规律。

(2)动量不守恒对物理学的影响

    虽然从作用的角度在牛顿第三运动定律的基础上可以直接得到动量守恒定律,但是在复杂的粒子系统上、电磁波发射的基础上,都可以发现动量不守恒的痕迹。那么对于我们尚且不知道的领域,是否还会遵守动量守恒定律呢?

   如果我们武断的利用动量守恒定律去求解未知领域的问题,那么很可能会得到错误的结论。中微子的结论是非常明显的。

    我个人认为,打破动量守恒定律,就会打开解决微观物质世界作用的一个窗口,就像中微子问题一样,它可能是微观物质作用的一种尚未知晓的新属性新规律。而如果我们抱守这个未曾经过微观领域实证的动量守恒定律,那么我们很可能会放弃微观物质世界的真实。

  在这个意义上来说,作为阻碍21世纪物理发展的第二大绊脚石。我们需要放弃。

   4、结束语

  我们如何对待物理前辈们在开拓物理认识自然世界中所建立的规律,是将它们拿到不断扩大的物理领域中去检验其是否正确,还是将它们当作不可冒犯的铁律。这是需要认真对待的问题。

2005.4.1

讨论


附录:

①对于科学革命这个用词,我认为感觉上并不是很好。主要是“革命”一词来自于社会被新旧观念、新旧关系、新旧结构的完全不同的替换,在历史的发展中,大多采用暴力的形式。科学如果也需要这种形式,那么说明主宰科学的机构不愿意改变现有的科学状态,又怎么能谈科学的发展呢?而用于科学革命,这意味着对某种历史阶段科学发展的全盘否定。20世纪的科学革命并未曾达到这个目的,牛顿力学系统在实际应用中的技术应用仍然是非常多的。

②关于能量守恒和转化定律的验证情况。存在多方面的问题,一个是定义系统间的问题,基本的能量概念的合理性,并未曾对能量作出一个准确的定义,该验证的有效形式值得怀疑。另一方面,即便在现有的能量定义体系中仍存在能量不守恒的现象。可参见能量转化的逻辑结构

③相对论基本物理原理上的错误在于未曾对两个参照系统之间的参照单位进行定义。可参见 相对论的时间悖谬 对物理意义和物理结构演绎过程的分析可参见 相对论的终结

④ 将在下一篇文章中基础物理学中尚未解决的两大重要问题来讨论其中的部分问题。

⑤量子论对原子结构进行解释没有任何物质结构的可能性。可参见 物质的分子属性与原子核外的电子分布状态——核外电子的存在状态和物质分子对光吸收的关系

能量守恒和转化定律与物理科学体系

能量的定义系统与能量的转化、能量守恒和转化定律与物理科学体系能量转化的逻辑结构 此外还有最初的观念机械运动的能量体系,喜欢追根溯源的可参见。

时间和空间的逻辑结构之六 ——时间、空间与物质的运动(下)——8

⑨可参见能量的定义系统与能量的转化中的三、能量概念中的矛盾1、功率的问题——力与速度的乘积

⑩可参见 能量的定义系统与能量的转化

可参见 流体动力学中的动量不守恒现象

可参见 火箭动力技术和动量守恒定律

可参见  划时代的技术原理之一一个新型太空动力原理

可参见  物体作用的基本定律与绝对参照系统

附录中所列的文章都可以在本站(物理科学探疑)找到

后语:

    临近爱因斯坦先生逝世的4月19日越来越近了,我把一些基础性的重要的思考拿到这里来,以示纪念。在4月19日会发布这个系列的第二篇文章。

2005.3.29


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