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日志

现代科学亟待突破牛顿力学的藩篱

热度 1已有 134 次阅读2018-2-24 11:13 |系统分类:理论研究| 牛顿力学, 二质点模式, 三体问题, 暗物质, 复杂系统

        内容摘要:本文揭示牛顿机械自然观和形而上学方法论的历史根源,指明牛顿三定律及万有引力定律是二质点模式的线性定律。由此可以断言:沿袭二质点模式直接套用上述定律来处理现实复杂系统课题,必然会出现上帝推动说和暗物质假说的奇谈怪论。对此论断,本文做了定性和定量方面的初步论证。

       关键词:牛顿力学   二质点模式   三体问题   引潮力学说   上帝推动   暗物质

       爱因斯坦指出:“牛顿力学是整个物理学的基础,同时也是近代科学的基础,如果没有牛顿力学也就没有现代科学。”由此可断言:倘若牛顿力学的历史局限至今尚未被克服,则其深层缺陷必将在现代科学发展中再次重复。

        众所周知,牛顿力学创建于自然科学搜集整理经验材料的后期阶段。因受当时盛行的形而上学思潮影响和英国传统经验主义熏陶,加之低下的科技水平制约,牛顿认定绝对时空中由同质原子组成的万物,其力学联系仅是线性作用关系。这样,现实宏观复杂世界被扭曲为平坦直线式的大一统体系,从而根除了物质世界不同层次间不可化约的非线性作用关系。这种原始机械论自然观,派生出经典力学推崇的二质点作用模式,即多体问题都可化解为几个二质点课题分别处置,然后把所得结果叠加起来即得整体结论。正缘于此,牛顿运动三定律和万有引力定律,以及实为上述定律奠基石的力的独立作用原理,都是基于上述自然观和方法论的物理学线性规律。

       另一方面,牛顿的时空观源自人类自古以来的实践体验。在世代因袭且习以为常的世俗生活中,一起眏入眼帘的太阳和地面物体,如同合影照片一样被公认为是某瞬时共存的景物写照。然而真实情况是,太阳乃是8分钟前所处位置的影像。即我们看到的图像是不被公众习惯认可的存在时间差的拼合照。由此可洞悉世俗时间观的潜意识公理:宏观世界的全部可见光,均为速度无限大且沿直线传播。

        今天看来,上述公理虽有瑕疵,但却非常适应三百年前的世俗生活,因为它与人类存活状况和大众实践水平相契合。至此似可断言:空间各处光速无限大且沿直线传播,是牛顿力学的一个不曾言明的必备预设。 

        在牛顿力学中,万物的质量与其物质构成、存在方式、运动状态及其环境因素无任何关系,它们具有完全相同的力学性质。照此观点,研究太阳对整个地球的引力现象,立足日地月现实系统和局限于日地二体且把日地都视作质点来处理,其结果也不会有差异。显而易见,从现代复杂系统演化论看来,这种浅薄的形而上学观点,是三百年前打在力学开拓者脊背的时代印记。

       单看日地二体,地球仅受日引力就只能作自由落体运动,而绝不能形成地绕日的椭圆轨道。按照刻卜勒行星运行第二定律,地绕日的轨道速度的量值和方向均随时而变。由牛顿第二定律知道,实现地绕日轨道的变速运动,必然存在与之相应的作用力。既然如此,那么“造成行星轨道的未被说明的切线力”(人民出版社1972年版《马克思恩格斯选集》第三卷第449页)在哪里? 如果“这一神秘的切线力”(上书第495页)存在,那么与其对应的反作用力在哪里?让牛顿困惑不已的这一科学之谜,使其留下令人倍感崇敬的虔诚遗言:“没有神臂,我不知道自然界中有哪种力量能够引起这种横向运动。”“这样,重力可把行星投入运动,但是没有神力它就永不能投入圆周运动,象它们绕太阳运行那样。所以为了这个和其它理由,我迫不得已把这个系统的结构归之于一个有理性的动因”(转引自《光明日报》1987年7月9日阎康年撰文《关于牛顿科学思想的哲学评价问题》)。

        众所周知,既然牛顿力学中只有接触力和超距力两种,那么上述切线力属于哪种力?它的施主何在?再者,如果没有与之对应的反作用力,那么牛顿第三定律岂不毁于一旦?

         依据哥德尔不完全性定理——对于所有基于经典数理逻辑的、包含初等数论的、经典一致的形式系统,在系统中必定存在某些不可判定的命题,其本身或者其否定,在系统中都不可证——可以断定:行星轨道上是否有神秘切线力,牛顿力学体系自身不可能给以证明。正缘于此,一代天骄牛顿才迫不得已步入上帝推动说的宗教殿堂。

       国家天文台退休研究员郑怡嘉,2012年8月21日在博文《宇宙学方程对大众的误导》中指出:“爱因斯坦为了得到他的宇宙学方程而引进的宇宙学原理,其结果是把广义相对论引力方程中的非径向运动分量完全去掉。这导致大众误以为,在宇宙学研究中非径向运动分量没有什么意义,因此人们在研究宇宙学问题时,常常忽略了非径向运动分量的重要作用。实际上如果没有各种非径向运动分量的存在,太阳系、星系、星系团等宇宙中不同尺度层次的成团结构是无法稳定地存在。” “近年来人造卫星和空间站已经为世人皆知,人们仍然只知道‘自由下落的局域参考系’,而无视人造卫星和空间站这样‘非惯性参考系’的做法就让人无法理解。也许这是因为非径向运动的成因一直是个让人头痛的问题,所以人们不愿意去触碰它。牛顿就因为无法解释太阳系中各个行星非径向运动的成因,最后只好把它归结为,是‘上帝的第一推动力’形成了太阳系中各个行星的非径向运动存在。”

       上帝推动神话,既是以二质点机械作用为基本对象的牛顿力学体系不可逾越的科学难题的宗教外衣,又是经典力学在开创期所必经的形而上学线性发展阶段必然触及的科学问题,也是现代科学进军现实复杂系统非线性相互作用的响亮号角。但由于多方面原因,学术界对此重大科学谜题的深远意义尚无清醒认知,致使牛顿力学的历史局限性扩散到当代诸多学术领域
       正如郑怡嘉所言:“因为(天体)非径向运动的成因一直是个让人头痛的问题,所以人们不愿意去触碰它。”下面简介我在这方面的初步探索结果。

       考虑到日地月是力学作用紧密体,地球是多个活跃圈层交互作用的复杂体,我立足日地月系分别考察固态地月上部圈层的相互作用,从中推出作为三体系统质的一系列新结果。详见新浪博客《地球动力学创新成果简介》与《月球动力学创新成果简介》。其中与本文相关的三项内容如下:

        1、 从表面上看,地恒受日一排斥力,其值与日地距离的三次方成反比。地球1千克质量受此力的极大值为百万分之6.3牛顿。此力一方面使日地距离不断加大,另方面使地绕日轨道椭圆趋于圆形。不言自明,从二质点作用传统模式看,日对地引力呈周期震荡的减小趋势。

       2、首次揭示上述神秘切线力的变化模式:地绕日从近日点到远日点的前半周,此力顺地绕日方向;地绕日后半周,此力反地绕日方向。地球1千克质量受此力的极大值约为百万分之5牛顿。

       3、从表面上看,在三体动态系统中,月球受日、地的引力分别都有所增大。地在近日点、月在近地点处的弦时,月球1kg质量受日、地引力分别增大0.35达因和0.41达因。

       似应指明,万有引力上述变化现象,实际上是日地月现实复杂系统实际演化过程中的一种三体系统质。因此,这种复杂系统所特有的力学属性,在由二质点作用模式建构起来的现行理论体系中是绝不能出现的。由此足见,依据复杂系统演化理论,扬弃近代力学崇尚的二质点作用模式,是地月动力学创新的起步点。

        爱因斯坦用升降机的理想实验,即“自由下落的局域参考系”,得出引力场和惯性场的等效原理,以此为基点创立了广义相对论。由此可见,相对论并未否定万有引力定律,而是立足光速有限论从另一角度对其作创新性描述。

       福州原创物理研究所梅晓春等人,近年在《前沿科学》发表两篇文章,严格证明按照爱因斯坦的广义相对论,天体在太阳引力场中只能做抛物线非周期运动,不能做椭圆轨道运动和双曲线运动。这与他把广义相对论引力方程中的非径向运动分量完全去掉不无关系。

       众所周知,广义相对论被认为是对牛顿引力理论的改良版,在近似条件下必须与牛顿引力理论一致。这是广义相对论成立的最起码的要求。如果在近似条件下都不能得到描述行星的椭圆轨道周期运动,那说明此理论有致命的严重痼疾。

        综上所述,牛顿力学由其历史局限所决定的线性本质,在相对论中并未被克服。而近百年来爱因斯坦的耀眼光芒,使人们对由牛顿传承下来的理论缺陷视而不见。这种状况势必影响当代物理学的正确发展。当今被视为科学前沿课题的暗物质和暗能量,便是典型的例证。

       70年前瑞士天文学家弗里兹·兹威基发现,具有极高速度的星系围绕星系团中心运动,只有把中心质量大幅度增加,才能用万有引力定律解释这种运动现象。据此他提出星系团中大量存在暗物质的猜想。

      众所周知,星系和星系团中心的距离,它们分别到地球的距离,都极其遥远。它们发出的光传到地球的时间长度相差悬殊。因此,在同一画面观测到的它们的位置关系,虽在同一宇空却非同一宇时,而且隔离它们的时间长度总是大得惊人。如漠视这种情况而套用扎根于世俗时空观的万有引力定律,那必然因削足适履而难以应对星系团中令人惊异的变故。

         无可否认,暗物质猜想者测算万有引力时,本质上仍是沿用二质点作用模式,这种远跨研究对象层级差别的公式套用,必定会得出令人瞠目结舌的结果。

       科学发展常有类似之处。三百年前地绕日轨道切线力之谜,产生出上帝推动的宗教神话;今日星系极高速度萌生出了暗物质的怪命题。像地绕日的神秘切线力只有在日地月现实复杂系统的演化过程中才能被说明一样,星系极高速度的不可思议性惟有在更大系统的非线性复杂作用中才有可能被阐明。因此,从二者均拘泥于二质点作用模式的通病看,复杂系统演化论的基本思想,是破除牛顿力学历史局限的灵丹妙药。

        我们知道,哈勃图中的超新星距离我们甚为遥远。有的超新星发出的光线要历经上百亿年才能到达地球。由光速不变原理知道,超新星发出的光线传到地球所经过的时间,与其到地球的距离成正比。因此,哈勃图纵坐标所表示的距离,也间接代表着接收到的光线的传播时间。由于这些时间是超新星很多年前发出的光到达地球的时间,所以哈勃图原本是一幅天文考古图,实际上它只是揭示了红移与自今算起的以往时间长度的正变关系。由此理应得出所考察的以往那个时间段内,宇宙相关区域曾经加速收缩的结论。不言自明,此与以世俗时空观看待哈勃图而作出的宇宙正加速膨胀的论断恰好相反并构成镜对称关系。

       从另方面说,在同一画面观测到的各个超新星的位置关系,因距离差别悬殊,故虽处同一宇空却非同一宇时,而且隔离它们的时间长度总是大得惊人。如果漠视这种情况而运用生根于世俗时空观的多普勒效应,那么以此为据的说教岂能算科学结论?

        顺便指出,起始于牛顿平衡潮学说的现行引潮力的定义,把二体作用模式运用到了极致。详见新浪博客《引潮力批判》一文。

       总括而言,经典力学开创期所必经的形而上学发展阶段,决定了牛顿力学的基本理论都是线性的。相对论和量子力学虽然在两个相反方向对它做出了有质变意义的扩张,但均未涉猎非线性交互作用的力学原型。三者的数理方程对时间的反演均具有对称性,其揭示的物理过程均具有可逆性。既然真正的物理学定律不能是线性的,那么物理学新发展的突破口也就十分清晰了。

       王万欣邮箱:13653874705@139.com

发表评论 评论 (1 个评论)

回复 钟承道 2018-3-6 14:27
我们是老朋友了!您的引潮力思想与我对引力本质是场物质元子包围宇宙万物的压力,是元子场以超流体的压力是宇宙万物产生现象上的万有引力。二体、三体不是问题,引力的本质是不是超流体的压力才是原则的大问题!星系流体力学景观,已经很显然高数了人们,引力的本质是超流体元子场包围宇宙万物的压力!万物的惯性力和信息显示的万有引力本质都是看不见的场物质充斥全宇宙,包围宇宙万物的压力。万物在元子场的压力正比于物质的质量,物质对场物质的反作用力得到宇空中的浮力。万物在元子场的压力场强度正比于物质的质量,反比于场物质流体元子的密度与力线作用面积的乘积!作用于自身就是惯性力:F=M·g=M·M/ρR²。物质又都是自身所见的压力场强度相互作用:F=M₁M₂/ρr²。老朋友以为如何?
牛顿和爱因斯坦都没有认识到引力的本质!

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