物理创造史----牛顿的宇宙描述

伊萨克?牛顿(1642—1727年)根据对伽利略的各个定理的总结。(对客观宇宙的描述或构造再不是一个人能完成的事情了,不是放几个元素在大脑里一摇,就能构造一个自己的宇宙的事情;而是几代人,在一个时期里,一点点来制造对我们所处的宇宙的描述。这里有技艺高超者和平庸者之分,牛顿当然是大宗师。)他提出了自己的力学三定律,这是描述宇宙万物的运动关系的命题。

{dy}定理即惯性定理是指物体在没有外力作用下,它是静止的就保持静止,如果它是运动的就保持匀速直线运动。这里对静止就保持静止,大家直观都很好理解。而运动就保持匀速直线运动,(这是否与光速不变有关?)是亚里士多德与受力运动没有分开的地方,这也是他认为地球是{jd1}静止的原因。要运动就必须有力的作用,所以他建立了V=KF/R的关系。牛顿{dy}定理则抛弃了{jd1}静止的参照物,指出运动相对性。这时,人——观察者在相对性中的地位依然很重要,因为我们组合客观规律是依据我们的观察来组合的,这不论是亚里士多德的运动学、牛顿的物理学,还是后来的相对论。人的观察过程决定我们组合客观规律的形式,虽然客观宇宙千万年来都是这样表现自己(这还是推论),如果我们的观察方式不一样,组合的宇宙也不一样。惯性定理就是确定了运动中的观察者之间的观察没有区别,即没有优越的观察者。亚里士多德的运动学是建立在观察者{jd1}静止和观察者观察能力是{jd1}的基础上;牛顿物理学是建立在观察者相对静止和观察能力无限的基础上;相对论则是建立在观察者相对静止和观察能力(速度)有限的基础;量子力学则认为观察者的分辨能力也是有限的;混沌理论认为观察者的预言能力同样是有限的。人们还有什么无限的能力呢?可能就是思维无限能力了。

我们认为我们面对的或所处的宇宙是独立于人类发展的,但我们创立的“客观宇宙”是逃不脱人的中心论的,没有人的观察也无所谓宇宙不宇宙。尽管有了我们人,我们可以想象如果地球不出现人,宇宙也会存在。这本身就是一个恼人的问题,这也是贝克莱、马赫等感觉是存在的立足点。因为我们在,才有我们这些思维组合。我们相信在我们之前宇宙已经存在,但我们通过观察而构造的宇宙与我们所处的宇宙不会是{jd1}对应的。尽管我们认为不断在把握我们所处的宇宙的本质,但这本质是以我们观察为基础,思维组合的。它可能是我们所处的宇宙的本质(这是推论),因为我们的构造有一定的预见性,这种预见能力就是人类的智慧,预见能力实际也是人的创造能力。我们说明天太阳从东方出来,这是预言或构造明天。它来源于什么呢?来源于我们对今天、昨天的记忆和以此为基础的组合。这个例子似乎太漫长。我们就说明天我要外出,按过去的记忆我需要坐汽车,按一般推想我会安全地出去,然后回来,实 际上就是对明天活动的创造,因为明天并没有观察到,我们这种创造大都按一般情况来创造的。可是第二天出了车祸,我再也回不来,这是归纳法的失败,但大家并不会因为外出有车祸而坐在家里不动。我们每天还是在不断创造明天,预言太阳明天从东方升起,预言太阳的燃料烧完而熄灭,预言我们可能有{yt}象小鸡一样被绞了脖子。这就是我们创造宇宙的本质,以便随时改造我们创造宇宙的本质。这本质是需要以我们的观察为基础的,而观察是依靠人的眼睛。(因为构造深层次宇宙中,人的其它的感觉器官已经被抛弃,如果我们只用触觉或听觉创造世界将是另一幅图景,盲人摸象就是这样。)所以尽管我们认为人不是宇宙的中心,但我们是我们创造宇宙的中心,我们构造宇宙理论时,我们还是离不开我们,尽管我们可以想象可以离开我们,除非有第三者出现。外星人?上帝?神?同时,他们必须具有比我们眼睛更强、更敏感的观察能力,如果是一类盲人外星人也没有用,因为他们还不如我们。就象上帝一样,能力虽然是无限的,可存在了那么久,只能安慰一部分人的心灵,没有给我们制造一张床、一架航天飞机,一切还是依靠我们自己;所以,我们对我们所处的宇宙的观察决定我们所构建的宇宙。对于我们所处的宇宙和我们所构建的宇宙之间有什么差别,是很大,是很小;还是没有,还是风马牛不相及,我们不知道,我们只能说可能很小。谁告诉我们很小?我们自己告诉我们自己;或说几百年的科学发展,还是我们自己;从来没有救世主,也没有神仙皇帝,一切靠人类自己。人类的孤独、无奈和无助就在这里。这也是循环推论的根本原因,循环推论是一种创造思维方法。我在故我思,我思故我在;鸡生蛋,蛋孵鸡,没完没了;都是思维组合。什么是这{dy}推动者?我们自己,我们的创造力。再过去一点就是唯心者了,我们怎么想,我们所处的宇宙就怎么存在。如果是这样还真好,我们就是上帝了;但我们很谦虚,只想努力去做一个戴镣铐的上帝。

牛顿第二定理为F=ma即是说力正比于加速度。第三定理作用与反作用力定理,是指当一个物体受到作用力作用时,它对作用于它的物体有相同的作用力,且方向相反。

对运动学研究,使牛顿和莱布尼茨同时构造了微积分的数学方法,其基础是取极限。在运动中,距离、时间、速度的变化可用增量这个概念表达,它含义是从某种状态或量值变化到另一状态或量值,一般用△表示。如时间为t2-t1=△t,距离s2-s1=△s等等,取极限就是这个增量趋近于零,即在时间间隔趋近于零时,距离、速度等的增量是多少。这里由于一开始没有很好的区别零与趋近于零(任意小)的关系,被贝克莱说成一会儿成为无,一会儿变成有的幽灵。任意小这个概念,实际是人构成的一个概念,这是一个“乌龟群”思维组合方法构成的,这样可以在任意小这个概念下把变化的量近似的转换为不变量。如速度在任意小的时间间隔的情况下,我们可以认为是瞬时速度;弯曲的空间在任意小的情况下,我们可以看成是平的空间;曲线在任意小的情况下可以认为是直线。可以说理解任意小这个思维组合方法是现代科学的入门概念。但是,我们所处的宇宙是不是可以符合任意小这种思维组合呢?

牛顿根据开普勒的三定理,从那苹果砸到头的顿悟中感觉到万有引力的存在,并从地球上物体总是落向地面来推出宇宙间都有吸引力,并总结出公式:

F=km1m2/rr

这里F表示两物体m1、m2之间的引力,r是两物体之间的距离,k是引力常数。

对于运动物体的描述,我们自然用距离s和时间t来反映了。

速度v=s/t

加速度a=(vt-v0)/t

平均速度v=(vt+v0)/2

这里vt、v0分别表示在时间t时的速度和在时间开始时的速度。对时间0至t取极限我们可得到瞬时速度和瞬时加速度。

对于物体之间的速度关系,由于没有了{jd1}的观察者,这就要看观察者在什么运动物体上,不同的运动物体上有不同的速度测量值。有一列做匀速直线运动的火车,对站台的速度为v1;在火车上有一列玩具火车,对真火车的速度为v2,方向与真火车相同。有三个观察者分别在站台,真火车和玩具火车上。亚里士多德的运动学认为站台上的观察者是一个{jd1}观察者,另外两个观察者是相对站台上观察者来运动的。伽利略——牛顿运动学则认为这三个观察者都是相等的,没有谁比谁更优越,但观察能力是超距的,即具有上帝一样的无穷的观察能力。所以,站台观察者测量认为真火车相对站台速度为v1,玩具火车相对站台速度为v1+v2;同样,真火车上观察者认为站台相对他的速度为v1,而玩具火车上的观察者认为站台相对他的速度为v1+v2。观察者——人在创立宇宙时逐步从神坛上走了下来,逐步不是那么随心所欲;可又想随心所欲,又想走上神坛。怎么办?我们首先研究客观对象,找出它们不变的东西、同一的东西,然后决定宇宙的未来,我们不又走上了神坛吗?

欧几里德的几何公理体系xx地描述了我们直观世界的空间。牛顿物理就建立在这个空间之中,牛顿三定理反映了物体在空间和时间上的变化,衡量这种变化的是速度、加速度及力(力这东西让我在中学时期理解不透,总觉得它不知从何而来?我们一推物体就有力出现总让人莫明其妙)。而万有引力的加入就是在空间和时间中放入了质量,古典物理宇宙就是这种结构。光则是这个宇宙的附加,似乎是“上帝”给我们的一个观察工具。(其实力除引力外都是光的一种表现形式。相对论则把光引进这个宇宙。)

在牛顿无光的宇宙中,基本元素是空间s、时间t、质量m。这里s与t的比值是速度v,v与t的比值是加速度a,a与m之积是力F。元素之间的关系是牛顿三定理和万有引力定理。

在研究物体m之间碰撞问题时,笛卡尔提出了一个质量m与速度v的组合动量mv的概念,即运动的量变。我们来看一下,m、s、t、F、v、a有什么新的组合,组合方式有加、减、乘、除。如果我们任意构造,这是一个无限的组合。很容易看出古典物理是根据客观世界的对应来组合如物体的匀速运动,匀加速运动、两物体之间的引力、两物体之间碰撞(三个物体以上的碰撞就难计算了),物体的圆周运动。如匀速运动是a=0,力与加速度的关系是F=am,两物体碰撞前后的关系是动量守恒:m1v1+m2v2=恒量。如果我们任意说a2m/t=mva/t2,Fv/t2=ms2/t5,它不代表具体的物理现象,所以是无意义的,在学习中是错误的,老师会给零分。上面几个元素,如果你可以组合出某种形式,并指出它的意义话,那你就发现或创造了一个物理定理,牛顿就是这样做的。

在这些组合中,有一个组合形式mvv,这是莱布尼兹研究落体运动中发现的。他认为应以mvv作为运动的量度,而不是mv。于是mv,还是mvv谁更合理的问题产生了,各有各的证据,各又代替不了对方。在1743年J?达朗伯只好认为两种量度都有效,大家在不同条件下觉得那个量度方便就用那一个,这样结束了几十年的争论。于是,大家又发现F?t和F?s的物理意义,即动量mv的变化为F?t=mv2-mv1,动能mvv的变化为F?s=mv2v2/2-mv1v1/2。达朗伯认为由于有加速度而产生的惯性力(-ma)。如将F=ma代表的运动方程看成在每一瞬间处于平衡状态的力学系统即F-ma=0,这样动力学就可化为静力学了。

这个牛顿宇宙的基本元素s、t、m是{jd1}不变的,F是物体的相互作用。力F是怎样作用呢?特别是星球之间。笛卡儿拒绝“空虚空间”,强调一切相互作用都是由直接接触或者借助中间介质来实现的。牛顿曾认为地球和月球之间不需要什么介质就能相互作用,物体可以瞬间作用到另一物体上,即力的传递速度是无穷大;但他也认为这是不可思议的。尽管有这点麻烦,牛顿的力学宇宙是完满的,在基本元素s、t、m上根据各种结构方式(牛顿三定律、万有引力定律)建立了{dy}个科学的宇宙。那我们是不是爬出了洞看到了太阳呢?牛顿在研究行星运动时认为行星最初沿椭圆轨道的运动是两种简单运动的复合,一个是由于太阳的引力引起的向着太阳的运动,一个是由于受到一个横向推力作用而沿着轨道切线方向的运动。是谁让行星有这个横向运动的呢?牛顿只好说是神来推动了,我们还是洞里。但是,牛顿把天上的和地上的规律统一起来了,否定了亚里士多德的两界说。

还有一个问题就是牛顿宇宙是一个无限的静态宇宙,那是什么东西来克服这万有引力的宇宙不会坍缩呢?特别是宇宙存在了无限长的时间。人们试尝用“乌龟群”方法来回答这个问题。(在回答回答不了的问题时,一个是用神,再一个是“乌龟群”,这是古典的方法。现代的方法就是用海森堡的测不准原理或人择原理。)如地球被太阳吸引,同时它还受其它的星体的吸引,这样你扯我拉达到平衡而不坍缩,当然其它的星体又受其它的其它的星体的吸引,直到无限。后来有人计算这个平衡比针尖上叠鸡蛋还不稳定,自然你不能把针刺进鸡蛋咯!

 

牛顿宇宙的元素是:质量m、空间s、时间t。

结构是:速度v、加速度a、力f、动量mv、动能mvv。牛顿力学三定律、万有引力定律、动量守恒、能量守恒。

功能是:对我们所处的世界的一个简单的描述,在相当长的时间里是不变的。

这里牛顿宇宙是一个抛弃了我们所处的宇宙许多性质的宇宙,即只有质量m、空间s、时间t的宇宙。这个无光的黑暗宇宙的动力来源是什么呢?牛顿只好说是亚里斯多德的{dy}推动力了。

简单地说,就是个玩积木的过程!不同的积木块,可能组合成个房子和宇宙,也可以任意构成个您想得到的东西。



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