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牛顿力学制约着现代物理学的前进脚步2012-11-30 8:47:00　阅读 次 参与讨论()马上投稿

　　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，宏观复杂世界被视为平行直线式的大一统体系，从而消除了不同层次间不可化约的非线性作用关系。这种机械论自然观，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体问题分别处置，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，以及由第二定律推论出的力的平行四边形合成定理，都是基于上述自然观和方法论的物理学线性规律。

　　牛顿的时空观源自人类自古以来的社会实践。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，如同合影照片一样公认为是某瞬时共同存在的写照。真实情况则是太阳乃是8分钟前的位置。即我们看到的图像是不被公众习惯认可的存在时间差别的拼合照。由此可洞悉世俗时间观的潜意识公理：宏观世界的可见光背景，被设定为各向速度无限大且沿直线扩张的绝对参考系。其空间形式，是世俗空间观通常采用的笛卡尔坐标系。不难看出，若无上述公理，我们就难以在此坐标系中画出某瞬时有距离差别的两个物体的精确位置。正如黑格尔所言："凡是存在的都是合理的"。上述公理虽不科学，但却非常适合世俗生活，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：空间各处的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，研究太阳对地球的引力现象，立足日地月系和局限于日地二体，其结果不会有差异。显见，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。

　　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，我立足日地月系考察地球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。其中揭示日地月两级复杂系统在演化过程中，不仅存在对抗万有引力的三体动学机制，而且存在地绕日运动所必需的轨道切线力。地球从近日点到远日点的前半周，此力顺地绕日方向，后半周逆地绕日方向。地球1千克质量受此力的极大值约为百万分之5牛顿。

　　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。按照开普勒行星运行第二定律，地绕日的轨道速度的量值和方向随时而变。由牛顿第二定律知道，实现地绕日轨道的变速运动，非有一与之相应的作用力不可。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？ 由牛顿第一定律知道，地球若只受太阳引力，在地绕日轨道切线方向上，地球只能保持静止或匀速直线运动。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？它的施主花落谁家？如果没有与之对应的反作用力，那么牛顿第三定律的普适性岂不毁于一旦？如若存在，天涯何处覓芳踪？

　　由电动力学起家的狭义相对论，虽然否定了光速无限大的传统观念，但牛顿在其《自然哲学的数学原理》中表述的“运动的基本定理或定律”——其中第二定律的数学表达式为d(mV)=Fdt——只需把质量观念与时俱进为变量，则三定律仍然保持其普适性。

　　爱因斯坦用升降机的理想实验，获得了引力场和惯性场的等效原理，由此创立了广义相对论。由此可见，相对论并未否定万有引力定律，而只是从另一角度对其作出全新描述。

　　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。

　　不言而喻，暗物质假说立论的首要条件，是对万有引力定律的理解及运用均正确无误，倘若察觉其中之一存在端倪，就必然会对暗物质假说的合理性提出质疑。

　　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。它们同时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。

　　科学的发展常有类似之处。三百年前地绕日的轨道速度之谜，产生出“上帝第一次推动”的宗教神话；今日星系的极高速度萌生出了暗物质的怪命题。像地绕日的“神秘的切线力”只有在日地月系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方可被阐明。因此，从二者均拘泥于二体作用模式的通病看，复杂系统演化论的基本思想，是医治物理学痼疾的灵丹妙药。

　　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？

　　总括而言，物理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”（北大王晓钢语）。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现实力学原型。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”（杨振宁语），那么物理学新发展的突破口也就日益清晰了。