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《大推动》 第二章 牛顿力学的危机 内容提要： 牛顿力学讲了已300多年，使人类对物质世界的认识发生了历史性深化，她的光芒仍然照耀着21世纪的人类向科学的未来挺进。但牛顿力学也出现了前所未有的危机，许多定律遭到了新的观测事实的挑战，原有的定义正被大量悖论群否定，部分力学原理使新的继承者面临两难选择，牛顿力学不再是科学门徒手上不可更改的《圣经》。 一、 牛顿力学大厦的破败 我们现在来把牛顿力学的逻辑线条清理一下，这种线条的第一段就是他《自然哲学的数学原理》的第一部分，这部分讲了八个定义与四个注释，其中头四个定义依次是：定义1、质量(m)，定义2、动量(mv)，定义3、惯性(0、v-)、定义4、外力(a)。 从这头四个定义可以看出，牛顿首先要为物质确定一个量m，有了质量m，就可以知道物体位移的速度v，两者的乘积就是运动的量mv。这里的速度v显然是平均速度v-，即相当于“匀速运动”。由于这种匀速运动状态v-同静止状态0都是惯性运动状态，看不出平均速度v-随时间t的改变量，故引入“加速度”的概念。当物体运动速度v0在时间t内运动到v时，则有v-v0/t= a，这就出现了加速度a的概念。再把“加速度”同定义1中的“质量”m挂钩，就 有了ma=F，力或外力就诞生了。外力的作用具有方向性，从而产生了“作用力”F与“反作用力”-F的概念。把这四个定义组合起来，就是牛顿力学“三大运动定律”的全部内容。 物质m、空间S、时间t是三个最基本的物理量，或叫“物理三元素”。速度v只是一种时空比S/t，静止只是空间位移的停止，当S=0时，S/t=0。当时空比为常数C时，就会出现匀速直线运动S/t=C，惯性就是对这两种特定时空比的表述。而加速度a=S/t2，是空间对时间平方的比，外力或力又是物质m与空时平方比的积F=mS/t2=ma。当引入矢量概念之后，就会有力的大小相等、方向相反的反作用力“-F”。由此观之，牛顿力学中的许多概念都是从“物理三元素”中演绎或派生出来的，是对物质、时间、空间关系的不同数学表达。 在力学(mechanics)从物理学(physics)领域独立出来之后，物质的质量m、空间长度的量L与时间长度的量T就被改称为力学三大基本量纲Q：Q=LpMqTr。比如速度v=L/T，加速度a=L/T2，力F=mL/T2，力矩f=mL2/T2，万有引力Fg= m2/L2。 我们知道，时间t是以秒、小时、天、年、世纪等“久度”为单位的，其度量工具 是漏刻、钟表与天象。而空间S(或L)是以毫米、尺、米、公里、日地距、光年、秒差距等“长度”为单位的，其度量工具是绳、尺与光速。这两种物理元素(时空)的量度不存在什么实质性争议，主要问题是出在“物质”这个第一物理元素的量纲上。在牛顿力学中，物质m的量度是克、英磅、公斤、吨等，其度量工具是天平秤与其它各种衡器，由于这些衡器只在地球表面这个特殊的空间环境里有效，仅是地球重力的量值表达，它是一种矢量。而质量m应该是一种标量，要求以此标出宇宙间所有物质的“度”与“量”，故克、英磅、公斤等量度背后还有更深的含义没有被揭示。 在牛顿力学中，重力是由“万有引力”Fg决定的，“万有引力”Fg的大小又反过来取决于该星体质量m的大小，质量m越大，万有引力Fg越大，引力半径r越长，重力加速度g值越大。“质量”m遭遇到循还论证，不能表明自己“物质的量”到底是多少。 由质量到重量，由重量到重力，再由重力到“万有引力”，这一演绎过程表明，“万有引力”是“质量”产生的最后原因，“万有引力”定律也是牛顿“力学三定律”的理论基石，如果“万有引力”理论没有问题，整个牛顿力学大厦就将是稳固的，但究竟什么是“万有引力”背后的原因呢?牛顿回答说“不知道”!因此，凡关注牛顿力学大厦的人，都会把注意力集中到“万有引力”之上，看这个神秘的“引力”是如何*纵“质量”、并推动整个宇宙运动的。 爱因斯坦曾说：“物理学实际上始于质量、力和惯性系统的发明。所有这些概念都是一些自由的发明，它导致了力学的建立”(《爱因斯坦文集》第一卷)。由前面几节所作的历史回顾不难看出，质量、力、惯性系统的“发明”并没有完成，这些概念依然是混乱的、模糊的、不确定的。物理学中的质点力学大厦依然还建立在移动的沙滩上。 同时，运动、静止、推力、空间、万有引力、引力场等物理概念，都还依赖人们的主观设定，就连物质、时空的构成也是不可深究的。当力学界不断涌现新的科学巨匠时，当我们站在21世纪不断宣布“重大突破”时，当我们回看伽利略、牛顿等人为物理学大厦奠下的这几块基石时，难免产生不寒而栗的感觉。 图十一、牛顿力学大厦的倾斜 我不知道21世纪的这本物理烂帐何时能算清，也不知道“物理学家”、“理论物理学家”、“中国理论物理学家”、“世界著名物理学家”们的脸红不红。如果这样的“力学”再一代代讲下去，很难说后辈们不会窃笑于未来。虽然我们不必再像马赫当年一样，提什么“物理学的危机”，但“物理学”大厦确实一直都在摇晃，就如图十一的景象，不知什么时候会轰然地垮塌。我不希望看到这样的学术悲剧上演，故在此偷偷地检视牛顿力学大厦的裂隙与漏洞，并希望有更多的人来参与经典物理的翻修与重建。 《大推动》经典物理重建与牛顿力学批判； 第二章 牛顿力学的危机；一、牛顿力学大厦的破败； 《大推动》雷元星著； 四川科学技术出版社2003年12月出版； ********************************************** |