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第二节 力的精确定义 在物理学中通常使用归纳—演绎法。归纳法是从个别到一般的认识方法，演绎法则相反，它是从一般到个别的认识方法，即从已知的一般原理出发来考察某一特殊对象，从而推演出有关这个对象的结论的方法。归纳和演绎是科学认识过程中两个相互独立又相互依存的思维方法，都是科学认识过程中不可缺少的。下面我们就使用归纳—演绎法来寻找力的本质。 人们抽象地认为力是物体间的作用，但是没有说清楚力究竟是一种什么样的具体作用。我们不禁要问：力是如何产生的？其本质到底是什么？为什么力有共同的特性？它究竟有没有精确定义？ 辩证唯物主义告诉我们：矛盾的普遍性即寓于矛盾的特殊性之中。因此，力的普遍性也应存在于一个特殊过程之中。首先必须找到这个产生力的特殊过程，才能说明力的本质问题。 尽管力的具体作用过程一定是存在的，但是这个过程由于科学技术水平问题和有很多的伪装而隐藏得很巧妙，故很难发现。 我绞尽脑汁，花了三十年的时间去寻找和分析一个又一个过程，一次又一次地被自已所否定，一无所获。后来偶然看到一本碰撞的书，突然触发了我的灵感：在碰撞过程中，碰撞双方的运动状态都会改变，不是从而产生一对碰撞力吗？正所谓：踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。 从对碰撞过程进行认真深入的解剖中，发现了碰撞过程具有力的一切特点。不但大小，方向，作用点，作用与反作用一一对应，而且能证明牛顿三大定律，我终于得出了力是物体间的相互作用的结论。 特别地，只要稍微思考一下，就会发现：碰撞与力这样紧紧地连在一起——在碰撞时间里，两物体的速度在不断地变化着，因而两物体不断地受到力的作用。碰撞过程开始，力的作用出现；碰撞过程结束，力的作用消失。同时，物体的被碰方向就是它的受力方向，碰撞作用点恰是力的作用点，碰撞剧烈程度的大小又正好是力的大小。这一切决不可能是偶然的巧合。因此，我们完全有理由认为力起源于碰撞，并给力下个精确的定义： 力是物体间的相互碰撞。物体受力方向是它被碰方向，力的作用点是碰击点，力的大小是碰撞剧烈程度的大小。 这一定义不是头脑里固有的，而是碰撞过程的客观抽象，是从碰撞这一个别的过程归纳出力的一般特性。因此，它是一个归纳法的典型案例。 力的这一定义能解决如下问题： 1、能具体地说明力的大小、方向和作用点。 2、因为碰撞是相互的，这一定义能清楚说明作用力与反作用力。 3、因为碰撞时物体相互接触，这一定义能说明为什么力没有超距作用。 4、因为两物体碰撞的实质是双方交换大小相等方向相反的动量，可以将任一方的动量交换率的大小定义为碰撞的剧烈程度，因此，这一定义可直接得出F=mdv/dt=ma，从而将力的定性定义——力是物体间的相互作用和力的定量定义F=ma有机地结合起来。 5、力的新定义仅将原定义“力是物体间的相互作用”更改了两个字，即将其中模糊不清的“作用”一词更换为物理意义明确的“碰撞”一词，并由此认为：物体间的相互作用只有唯一的一种——碰撞。提出了力的大统一的物理模式。 6、我们知道，牛顿第二定律只有在惯性系中才成立。因此，牛顿力学体系需要有一个绝对惯性系存在。而根据碰撞是物体间的唯一相互作用，只须把所有的碰撞过程迭加在一起，在碰撞结束后使用动量守恒定律就够了，不用管它是不是惯性系，一般地，所谓非惯性系就是该系统正在受到其他物体的碰撞。在这里，不需要牛顿第二定律，也不需要绝对惯性系。因此，力的精确定义，就自然而然地解决了绝对惯性系问题。 人们认为，简单、对称、统一就是物理学之美。从某种意义上讲，它们是评价物理学理论的最高标准。自然界的现象是错综复杂的，然而背后隐藏的规律确是简单的。物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底只有少数几条基本的假定。下面我们就从简单、对称、统一的角度上，将力的碰撞理论和几何场论作一比较。 力的碰撞理论是简单的。第一、碰撞过程可以从物质运动到一起自然而然地产生，不需要任何其它的假设；第二、它能简单形象地说明力的一切特性；第三、它不需要高深的数学知识，只需要描述动量守恒定律的一次方程就足够了。 统一场论是复杂的。第一、几何的场论不能从物质运动过程中自然而然地产生，需要假设一个弯曲的空间；第二、它不能简单形象地说明力的基本特性；第三、它需要极为高深的数学知识，爱因斯坦认为现有的规范场和非欧几何还不够用，迫使他不得不进行数学研究。 根据简单性原则：如果有两个理论，几乎能解释同样多的事实，谁简单，物理学将选择谁。显而易见，物理上的碰撞理论比几何上的统一场论要优越得多。 碰撞过程的图象是两个物体沿同一直线的两端向同一点运动，任何时候都是关于该点对称的！这一对称的平直空间要比弯弯曲曲的非对称性空间要优越得多。 统一就是要求理论在不附加太多的基本假定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象。统一场论只争取统一万有引力和电磁力，而碰撞理论是要争取统一所有的力！在统一的目标上统一场论也远远不及碰撞理论。 众所周知，目前自然界普遍存在四种力：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，它们决定了现今自然界的各种物质运动。物理学的终极目标就是要将四种力统一成一种力，即所谓的大统一。 如果认为只要有了力的精确定义，力的大统一就完成了，那就错了。因为我们仅完成了归纳—演绎法中归纳的一步，还有演绎——从已知的一般原理出发来考察某一特殊对象的一步还没有完成。也就是凡是发现一种力，都得建立一个具体的碰撞模型来加说明。 事实上，这样作是非常困难的。因为宏观上的碰撞人们很容易识别和认可。但是微观上的许多粒子一时还无法直接观察到，这就给碰撞过程的识别增加了意想不到的巨大困难。具体的碰撞过程是客观存在的，决不是任凭人去设想一个。同时，有些过程由于有很多的伪装，隐藏得很巧妙，找到真实的具体碰撞过程也决非是件容易的事。 例如在万有引力问题上，伽利略说:“探讨自然运动加速的原因，目前似乎不是适当的时候。许多哲学家对这问题发表了许多不同的见解，有的说，是由于向心的吸引，有的说，是由于物体内各个极小部分彼此之间的推斥，有的则认为，是由于落体周围媒质的某种应力，它驱使落体从一个位置移到另一个位置。这些幻想以及其他的见解，本应予以检查，可是，现在实在不值得去做。” 牛顿对于重力的本质是这样讲的：“直到现在，我还未能从现象中发现重力所以有这些属性的原因。我也不想作任何假说……重力实际上是存在的。它是按照我们已经阐明的定律在起作用，它对说明种种天体及海水的运动是很有用的，能达到这一点对我们来说已够满意了”。 这就是说，对万有引力的起因众说纷纭，很难统一。限于当时科学技术水平的限制，一时难以找万有引力的起因，就连伽利略和牛顿也无何奈何，万有引力的起因已经远远地超越了时代的科学水平。因此我们心须承认，限于时代的科学水平，有些力我们一时还找不到具体的碰撞模型，寻找力的具体的碰撞模型将是一个长期的艰巨的任务。 尽管碰撞过程具有力的全部特征，要使“力是物体间相互碰撞”这一精确定义具有普遍性，还必须把人们已发现的四种力用具体的碰撞过程加以描述才行。也就是从特殊到一般的过程。这是一个涉及到各个力学领域的工程浩大的力学理论，也就是力的大统一的新理论。由此可见，一条从物质的碰撞而不是从几何上的力的大统一的新途径就展现在我们面前！当然，这需要全世界广大的力学工作者一起为之奋斗才能成功。 这些从特殊到一般的过程，其实并不难解决。我们以后将会详细讨论。 |