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庄一龙: 《如何看待相对论问题——谈辩证唯物主义和科技创新》
科技创新是一种创造性的活动，它是在批判地继承前人成就的基础上实现的。而要做到这点，就需要对前人文化遗产有个批判识别，然后决定取舍的扬弃过程。 如何才能做到正确地批判识别？必须要用辩证唯物主义哲学作指南。后人只有从前人已经取得的成就基础上出发，才有可能超过前人。创新就是要反传统，提出新观点，找出新方法，得出新成果，形成新理论，一句话，就是要标新立异。只有通过创新才能为人类增加新的知识财富。 人们为了揭示自然的奥秘，利用前人的已有成果是必要的，但决不能盲从迷信，因为前人的理论未必都是真理，在科学史上，有一些大家都深信不疑的思想不见得就一定正确，即使是前人已有正确答案的地方也不意味着其中奥秘已经揭示无遗。总之，对前人的科学遗产既要尊重，又不能被旧理论和旧观念束缚住手脚。对待相对论也应该需要有这种态度。 相对论物理学遇到了一系列困难 17世纪，牛顿在总结前人科学成果基础上创立了牛顿力学，成功地建成了整个物理学大厦，可是，到了20世纪初，在解释物体高速运动时，特别是对于光速运动，却遇到了不可克服的困难。这时，一个在专利局工作的小职员爱因斯坦，大胆提出光速在任何惯性系中不变的假设，创立了相对论，发现了时空、质量在运动过程中变化的相对性效应，把物理学发展推到了一个新的高度。成为一个世界公认的伟大科学家。 但是，由于相对论是在假设光速不变，从时空关系出发推出运动物体相对性效应的，而引起光速不变的真正原因却没有交待。这种从“关系”到“事物”的理论隐藏着严重的缺陷。人们围绕这“光速不变”“洛仑兹变换”展开了激烈的争论。同时，爱因斯坦在解释质能关系上，只承认能量的实在性，却否认物质量的实在性的观点，曾经遭到唯物主义哲学家的尖锐批评，他们把相对论斥之为唯心主义“唯能论”、“相对主义”。但是，由于光速不变的实验是一个无法用实验验证的假设，人们不可能用实验手段来推翻这一条假设。而且相对论所推出的相对性效应以后又陆续被实验观察所证实（尽管对这些实验结果解释还颇有争论）。所以，相对论似乎给人的印象是：它在科学上已经取得了巨大的成功。一部分唯物主义的哲学家开始改变反对相对论的立场，采取实用主义办法：“既然不能把相对论批倒，就得把它纳入自己的框架”，反过来把相对论说成是丰富了辩证唯物主义的时空观、物质观。而对爱因斯坦否认物质第一性的观点这个重要的哲学前提却避而不谈了。 随着科学技术的发展，相对论的先天不足必逐渐暴露。虽然相对论成功地解释了一些物体高速运动现象，但是它所推出的相对性效应的关系式却是一个发散型函数，在运用到物理实验过程中却总是出问题。例如，在确定高速运动粒子能量时，总会遇到能量发散的困难，以后虽然用重新定义静止质量的办法，通过“重整化”避免了危机，但这种数学形式上的弥补，只是掩盖了表面矛盾，物理实验中的真实矛盾并没有解决。可以说，当前物理学出现的一系列与相对论有关的问题和困难大部分都来源于此关系式。根据有关文献评考，全部观察实验和理论研究中涌现出的基本疑难，有九成以上与相对论有关。如： 量子色动力学(QCD)理论预言，在极端相对论性的原子核碰撞中会产生高温高密夸克－胶子等离子体(QGP),众多国家花大力投入了实验探索。最近却发现理论和实验研究中“还存在着诸多不确定因素”。QGP是否存在还是个问题。 相对论性重离子碰撞实验中出现的种种困难，最终归结为：“碰撞中发生了洛仑兹收缩吗？”“如何检验？” 70年代提出“惯性约束”，用强激光引发微热核聚变。20多年过去，最近的实验结果是：现有最佳装置的中子产出额远远低于理论估计值。问题竟是：“熵不守恒时相对论性流体力学方程”究竟应该取什么形式？ 拟用超导超级对撞机“模拟宇宙大爆炸的时空和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论。花几百亿美元巨资猜的这个谜还是离不开相对论。 直到现在，量子力学同相对论的矛盾还无法统一起来。 当前，物理学的基础理论发展全面遇到了困难，20世纪90年代以后所召开的世界性的物理学学术会议都要谈到物理学的困境，一些有哲学眼光的科学家，开始怀疑整个物理学的基础理论是否存在着严重问题。有人总结说：20世纪初物理学上空的“两朵乌云”，不仅未消，如今反倒平添了许多。人们开始反思，从对相对论的崇拜逐渐转向了对相对论的怀疑：难道是相对论有问题，把物理学引上了歧途？ 难怪1995年，在美国匹兹堡世界应用物理大会上，5千多位与会者的热门话题不是什么新发现或新发明，而是“物理学还有没有发展的前景？”1997年在德国科隆物理学研讨会惊呼：“物理学正处在宛如开普勒三大定律拯救天文学之前夜”！1998年在圣彼得堡由俄罗斯科学院等主办的自然科学基本问题国际学术会上，300多与会者取得共识：当代科学基础理论问题严重，相对论漏洞百出……。 著名的物理学家康特(W.Kantor)剖析了60多个相对论“实验验证”的第一手资料后认为：“全都基于错误的方法或无效的逻辑”。甚至连大多数的相对论支持者都承认迄今尚未实验观察到洛仑兹收缩：“一涉及广延体就出问题……相对论性静力学、热力学、流体力学，至今尚未建立令人满意的理论框架。” 在科学史上，没有一个理论会象相对论那样产生那么多的“佯谬”如双生子佯谬、柔绳佯谬、直角杠杠佯谬、艾伦菲斯特(Ehrenfest) 佯谬、哥德尔 (Godel) 佯谬，还有对钟悖论和转盘悖论等。也没有一个理论象相对论那样造成那么大的思想混乱。例如，各种相对论教科书对“尺缩钟慢效应”的解释竟是五花八门：不是真实的；不是物理的但是真实的；是表观上的；是数学上的；是视觉效应；是由测量决定的；是同时性的相对性的结果…… 不一而足。那么，相对论又何以博得如此“广泛的”的承认？原因很复杂，其中有个心理因素，为英国国家实验室时间频率部主任已故资深科学家艾森(L.Essen)一语道破：“物理学家对相对论的态度普遍是：并不理解它，但它既然获得公认想必不会错。必须承认直至近年我也一直这样。”他经过钻研，终于发现相对论“是自相矛盾漏洞百出的”。 针对有段时间，某些传媒狂热地吹捧相对论和爱因斯坦，世界上许多严肃的科学家始终保持头脑清醒，冷眼相看相对论。国际著名科学家、诺贝尔物理学奖获得者阿尔文（H.O.G.Alfven）认为相对论“不过是一个小摆设”，“抹杀了科学与伪科学之间的界线”。德国资深理论物理学家韦斯雷（J.P.Wesley）博士说：“相对论从来不顶用”。美国得克萨斯大学终身荣誉物理学教授伯纳斯（J.G.Bernes）称相对论是“一场灾难”，“是改变盲目迷信相对论的时候了！”我国已故著名理论物理学家卢鹤绂院士耄耋之年冲破重重阻力，向世界推出“向爱因斯坦挑战”的檄文后留有遗言：“一般编辑部不敢登这篇文章，他们迷信爱因斯坦，怕人家说他们不懂物理学。” 相对性原理不能成立 目前，尽管一些物理学家已经看出相对论存在着严重问题，甚至“是自相矛盾漏洞百出的”。给物理学基础理论的发展造成了极大的困难，并陷入了深深的危机。那么，为什么他们还要死死捧着相对论不放呢？这是由于相对论作为物理学的基础理论，已经渗透到了物理学的各个分支学科中，其影响极深极广，对相对论的任何一点变动都会“牵一发而动全身”。更重要的是，目前还没有一个比相对论更好的理论出现。除非出现一种比相对论更优越的物质作用理论，否则，相对论统治物理学的局面还会延续下去。因为物理学理论不允许有空白阶段。 但是，要寻找一种更好的可以替代相对论的物理学理论谈何容易，至今围绕相对论问题争论了几十年，相对论到底有哪些问题？哪些问题是最本质的？根本还没有搞清楚。在这种状况下，主动地运用正确哲学的立场和方法就显得很重要了，特别是辩证唯物主义哲学，它将象指路灯那样起到指导作用。看来，相对论的问题不完全在物理学上，也不在数学上，而是相对论的哲学前提出了问题。相对性效应作为一种客观存在的自然现象，它背后一定有着物质作用的原因。可是，相对论在推导相对性效应时，恰恰不是从物质原因出发，而是从光速不变和相对性原理出发，但这两条假设不是产生相对性效应的本质，而是事物之间相互作用所显示出来的关系，相对论从关系出发，推出事物的变化，恰恰违背了辩证唯物主义由事物到关系的物质第一性原则。 相对论的新的替代理论必须具有以下一些特点： 1，它必须是一种物质作用理论，能够用物质作用的原因来解释光速的特点； 2，它必须是能够推出质量、时空变化的相对性效应； 3，它必须是能够解释全部用相对论可以解释的现象； 4，它必须是还能解释一部分用相对论无法解释的物理现象，并预言一些物理新结论。 5，它必须是某种革命性的新观念，不可能在现有的物理学框架内寻找到。 相对论虽然推出了相对性效应，但不一定能表明相对论就是正确的理论，因为它的哲学前提的出发点错了，虽然可以用它解释一些物理现象，不过那是一种假象。历史上托勒密体系也能用来解释天体之间的运行规律，而且在一定精确度范围内还相当成功。曾迷人地统治了一千多年。但它是以颠倒了的事物关系来解释物体运动的。哥白尼体系的成功，其根本意义不在于比托勒密体系数学上更精确，而在于它是人类对天体运动认识的一种观念上的根本解放，是唯物主义哲学思想的成功。 同样，用爱因斯坦的相对论虽然可以解释一些现象，但是，它现在的地位就好象当年的托勒密体系那样，是颠倒了关系的错误理论。按照相对性原理，两个相对运动的物体，不管哪个作参照系都是一样的，这就是运动的相对性。例如，甲乙两列车，甲停着，乙向着甲开去。按照相对性原理，既可说乙向着甲开去，也可说是甲向着乙开去，因为选择任何一辆列车作参照系都是一样的。相对论的这种描述实际是把运动物体同整个发生物体运动的背景割裂开来了，作为一个孤立体系来讲（譬如与其他系统无关的两个物体），它确实是纯相对的东西，它和周围没有比较标准，就无法确定它在整个背景中的位置。这就是相对性原理隐藏着错误的原因。相对性原理只是反映了物体运动中的部分真理，因为它只考虑运动物体及相互之间的距离变化，没有考虑运动物体所处的地球引力场背景及引力场对运动的影响。 我们都知道，一颗飞行的炮弹，速度越快，则飞行距离就越远；如果速度不断增大，炮弹就可能争脱地球引力成为地球的卫星，当速度大到一定程度，炮弹就会飞离地球，甚至飞出太阳系。这表明，地球上的静止物体，一旦运动起来，就具有一种对抗地球引力企图争脱引力控制的趋向。那么，对于上面所讲的甲乙两列车，开动着的乙列车具有一种争脱地球引力的能量（来源于所消耗的能量），而停着的甲列车却没有这种能力，它们怎么能相等呢？理论上讲，只要运动的乙列车速度足够大，列车也可以象炮弹那样成为地球的卫星。这种情况下，是宇宙空间的乙列车卫星围绕地面静止的甲列车旋转，还是地面静止的甲列车围绕宇宙空间的乙列车卫星旋转？用相对性原理是无法回答这个问题的。从这点看，“乙列车正在向甲列车开去”，这又是绝对的。这种绝对性是由于地球的引力场背景作用造成的。在这里，相对性原理不能成立。所以，对于地球系统来说，地球引力中心为原点的那个参照系就是个局域性的绝对参照系。（它当然不是宇宙的绝对参照系，从这里可以看到系统论的思想光辉）。那么，相对性原理成立的条件是什么呢？上面我们已经分析过，相对性原理的错误在于没有考虑物体运动的背景影响，这么看来，只有当引力背景对运动物体的影响能够消除，或者背景引力接近于零的情况下，相对性原理就可以成立。这就是说，需要满足引力场很弱或者离开引力中心无穷远的特殊条件。这一般是不可能的。其实，相对性原理本来是由伽利略提出来的，那是在宏观物体低速度运动，而且地表引力场可近似看成不变时能够成立。但是，爱因斯坦把相对性原理用来处理高速运动的物体，那肯定是不能成立的。否则，在引力场背景作用存在的情况下，如果相对性原理成立的话，我们必然会推出托勒密体系和哥白尼体系是相等的荒谬结论。 广义相对论把物理学变成了一种数学游戏 相对论用事物的关系取代事物本身还表现在物质和场的关系问题上。按理，爱因斯坦广义相对论发现空间的弯曲同引力场有关，而引力场强弱又与物质的多少有关，因此，把物体质量的变化看作是场、时空变化的根源应该是顺理顺章的，也是符合自然界本来面目的。而且，对于解有源场的泊松方程来说，从场源去寻找场分布的正演问题的解都是确定的；反过来，从场的变化去求场源的反演问题的解则是不确定的，实际是有无穷的解。只要人为地设定n个边界条件，那么就一定可以找到n个与之对应的方程解。但是，这n个解是否在现实中都真的存在，是否有现实意义，却需要用哲学的头脑去分析判断的。爱因斯坦从事物关系求事物本身的思路不仅推出了一个发散型的质速关系函数，带来了甩不掉的高速粒子能量发散的“重整化”麻烦；而且也给整个物理学研究方法带来了不良影响。逐步脱离了自然科学本身的唯物主义道路。 爱因斯坦用场的存在否定了物质本身的存在，又用时空弯曲的数学形式代替了场的实在性，结果，本来是研究物体之间的作用变成了研究时空的数学方程变化，这样，研究的手段变成研究的对象，给物理学研究带来了混乱。物理学不再是研究物质之间的相互作用，而是把物理学变成了一种数学游戏。在这种游戏里，人们只要去大胆设想出一个特定的边界条件，便可根据方程找到相应的数学解表达形式，再由数学解表达形式去寻找物质分布的可能形式。而不必去管这种边界条件是否在实际的物质作用中确实可能存在。因此，严肃的物理学研究变得越来越脱离实际，越来越抽象、难懂，成为真正的“意志的自由创造”。所谓宇宙的奇点，大爆炸之前没有时空的起点等，一个一个“上帝”的代名词被制造出来。现在的理论物理、宇宙学研究就如一个人象画家，他已经不再去画人象，而偏偏喜欢画外星人，他可以去自由创造，只要大胆想象，总能画出与想象对应的外星人来，因为这不是实在的东西。同时人们还得花费大量的人力物力去证明这些自由意志产物实在性的神话。 爱因斯坦相对论特别是相对性效应的发现是20世纪最重大的科学成果之一，它曾经有力地推动着人类对微观世界、宇观世界和接近光速运动物质性质的研究。但是，它也是和科学史上的其他伟大理论一样，有着时代局限性，因而随着科学技术的新发展，其缺陷方面也逐渐显示出来，当前，国内外学术界对此理论有着越来越多的质疑和争论，这是正常的。也有助于物理学尽快走出目前的发展困境。只要我们的科学家能够运用辩证唯物主义的哲学方法，破除迷信，去掉一些盲目崇拜，在科技创新的潮流中，中华民族也完全有可能走在世界前列。2000. 8 主要参考文献： ① 恩格斯：《自然辩证法》1971年 221 ②《爱因斯坦论著选编》上海人民出版社 1973年 23 ③ 爱因斯坦：《狭义与广义相对论浅说》上海人民出版社 1979年11-17 ④A.C.康帕涅茨：《理论物理学》高等教育出版社 1960年 88－90 ⑤ 许少知：《世纪之误》《科技日报》1998 10 24 ⑥ 许少知：《世纪性大论战》《科技日报》1998 9 3 |