评《物理学的思维艺术》

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发表时间:2023-02-25 02:08:05 更新时间:2023-02-26 20:54:43

楼主:观察与发现  时间:2023-02-24 18:08:05
中科院物理所2023年1月11日,推荐了作者廖玮题为《物理学的思维艺术》的文章(以下简称:廖玮文章),推荐的理由是:“物理学思维的特点是什么?是需要在面对困难的情况下找到合适的方法并获得答案,甚至在不知道答案为什么是正确的情况下得到正确的答案,然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系。这是辉煌的智力成就,是高超的思维艺术。本文从思维艺术的视角阐述物理学的思辨之路,视角独特。”。

中科院物理所的这个推荐理由,概括起来就是“物理学思维的特点,是先用合适的方法找正确的答案”;“甚至在不知道答案为什么正确的情况下得到答案”;“然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系”。中科院物理所把这种获得正确答案的思维方式,称为“辉煌的智力成就”,“是高超的思维艺术”。

这种推荐理由确实符合廖玮文章的宗旨,廖玮文章以费曼的量子电动力学的协变表述和重整化方法,以及伽利略对于匀速运动和加速运动的研究作为例子,来阐明其文章的宗旨。

廖玮文章的宗旨就是“物理学思维的艺术就在于,我们需要在面对这类困难的情况下找到合适的方法获得答案,甚至在不知道答案为什么是正确的情况下得到正确的答案,然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系。这是辉煌的智力成就,是高超的思维艺术。此外,正是在这种首先获得的少量可靠线索的指引之下,辨析概念和打造理论体系的努力才不会陷于概念的丛林之中而找不到正确的前进方向。这样才可能在还有许多问题没有被透彻理解的情况下就建立起可靠的理论体系,这也正是在物理学历史上多次发生的情况。”。

简单地说,廖玮文章的宗旨,就是在局部的、个别的场景中“物理学家在十分困难的研究条件下,克服困难并积累了大量可靠的知识。伽利略对匀加速运动的研究为这种研究模式提供了一个典型的范本。”等等都不符合客观事实。

我们以有据可查的客观事实来平等地讨论廖玮文章所涉及的问题,这种讨论对于澄清客观事实是非常重要的。

事实上,按照廖玮文章的宗旨——“总之,在困难的情况下创造合适的概念描述现象、追溯和发现原理是物理学研究以及一切科学研究的首要方面,在此基础之上,人们才可能把已发现的原理建造为逻辑严密的可靠理论体系。”。我们还可以在物理学发展进步的历史中,找到非常多的用符合廖玮文章宗旨的这种研究方法进行物理学研究的事例,几乎从人类科学发端开始,直到现在大多数的物理学家和数学家们都是这样进行他们的研究工作的。比如麦克斯韦及其麦克斯韦电磁学理论;再比如迈克尔逊-莫雷实验出现以后,洛伦兹等人对于这个实验的解释,以及这种解释而产生的洛伦兹变换等等;还有现代的、廖玮文章作为例证的费曼的量子电动力学的协变表述和重整化方法,以及量子力学及其全部的理论,弦理论、超弦理论以及M理论等高于三维的高维空间理论等等,诸如此类的例子不胜枚举。

但是,事实上,上述这些理论都是失败的。虽然物理学家们从伽利略就开始了直到现在的“物理学家常常不能直接检验物理规律,而只能检验物理规律的推论。在这种情况下,猜测隐藏在现象背后的规律成为一个必要的环节。作出猜想之后,还必须检查猜想。因为猜想不直接展现在现象之中,从猜想得到推论是另一个必要的环节。运用数学知识从猜想得到推论,或者运用物理图像从猜想得到推论,是得到推论的两种方法。最后,再使用实验或者观测检查推论,或者将推论与其他已知的事物去比较从而检查推论。当从多方面检查推论都无误之后,我们就可以树立起对猜想的信心。如果与实验或观测不一致,我们可以通过这个方式矫正自己的直觉,再次做出猜想,再推论,再用实验和观测检验。通过这种反复纠正和尝试,最终达到对现象的正确认识。图4对伽利略的这种思想方法做了一个简单展示。通过这样一种方式,物理学家在十分困难的研究条件下,克服困难并积累了大量可靠的知识。伽利略对匀加速运动的研究为这种研究模式提供了一个典型的范本。”。

这种从“猜想”到“实验和观测”,再从“再次做出猜想,再推论”,再到“再用实验和观测检验”的循环什么时候是个头呢?显然是没有尽头的,因为自然界中的个别事例都是无穷无尽的,所以这种循环显然是要永无休止地进行下去的。

例如,伽利略的相对性原理,这个原理是说,惯性坐标系中的物理学定律都是一样的。怎么检验这个原理呢?有人提出了,可以在匀速运动的船中进行检验,因为在封闭的船舱里,是感觉不到船是静止的,还是在做匀速直线运动的。

这种检验方法,如果按照廖玮文章的从“猜想”到“用实验和观测”进行检验,再到“再猜想”到“再用实验和观测”进行检验,还可以再“猜想”到,可以在匀速运动的汽车、飞机等等匀速运动的物体上,进行“再用实验和观测”进行检验等等,这就无限循环下去了。这显然是任何人都做不到的,在这种无限循环的困境中,科学显然是不能够得到发展和进步的。

但是,这个时候牛顿出现了,牛顿总结深化了伽利略的相对性原理,提出了牛顿绝对时空观念及其理论,并且牛顿以牛顿绝对时空观念及其理论作为物理学的最基本公设的基础上,建立起来了牛顿经典力学这个人类的整个物理学(见于牛顿所著《自然哲学的数学原理》一书)。

牛顿经典力学告诉人们,只做一个实验来检验伽利略的相对性原理就可以,不用再做更多的实验了。因为牛顿用来作为物理学最基本公设的牛顿绝对时空观念及其理论,就是实验事实,所以对于伽利略相对性原理就不再需要所有的实验进行检验了。

因此,牛顿用他的以牛顿绝对时空观念及其理论作为物理学最基本公设的基本上,建立起来的牛顿经典力学,使人类科学永远摆脱了廖玮文章所说的,从“猜想”到“用实验和观测”进行检验,再从“猜想”,再到“再用实验和观测”进行检验的无限循环的困境,使人类科学摆脱这种迂腐的停滞状态,进入到了高速发展进步的过程中来了。

所以18世纪英国最伟大的诗人亚历山大·蒲柏赞扬牛顿“自然与自然法则在黑暗中隐藏,上帝说:让牛顿去吧,于是一切都被照亮。”。

直到现在,人类科学仍然遵循着牛顿树立的一个实验检验理论的科学原则。所以,牛顿以牛顿绝对时空观念及其理论作为物理学最基本公设的基础上,建立起来的牛顿经典力学,是符合自然规律的——这个自然规律就是时空观念及其理论,是自然界最本质、最基本的规律,物理学是建立在以时空观念及其理论作为物理学的最基本公设基础上的,具有完整、严密逻辑的科学体系,这是自然规律和自然法则。

虽然牛顿绝对时空观念及其理论,被后来的实验事实证明了,是有问题的。但是,牛顿首先发现和认识到的时空观念及其理论是自然界最本质、最基本的规律,物理学是建立在以时空观念及其理论作为物理学的最基本公设的基础上,具有完整、严密逻辑的科学体系这个自然界的最本质、最基本的规律和法则却是不可动摇的。如果动摇了这个自然界最本质、最基本的规律和法则,就是使人类重新回到廖玮文章所说的那种从“猜想”,到“用实验和观测”进行检验,再从“再猜想”,再到“再用实验和观测”进行检验的无限循环的“自然和自然法则在黑暗中隐藏”的、抛弃自然规律和自然法则的状态中,这显然是一种违背自然规律和自然法则的反科学状态,是使科学停滞不前的一种状态。

无独有偶,在迈克尔逊-莫雷实验出现以后,由于牛顿经典力学,以及麦克斯韦电磁学理论不符合这个实验。洛伦兹等人,不去审视牛顿经典力学和麦克斯韦电磁学理论,而是按照廖玮文章所说的所谓的“辉煌的智力成就”和“高超的思维艺术”,去用数学编造所谓的“运动物体的长度缩短了”、“运动物体的时间变慢了”等等,脱离了实验事实,脱离了牛顿经典力学的臆想,来以数学等人的主观意识,使牛顿经典力学和麦克斯韦电磁学理论符合迈克尔逊-莫雷实验。结果却是洛伦兹必须解释,为什么“运动的物体长度缩短了”?为什么“运动物体的时间变慢了”?洛伦兹等人给出的解释,是因为聚集质点成为物体的力,都同电磁力是一样的力,因为电磁力运动时,是变化的,所以这些力运动时也是变化的,所以“运动的物体长度缩短了”、“运动物体的时间变慢了”。

如果按照廖玮文章所说的所谓的“辉煌的智力成就”和“高超的思维艺术”,对洛伦兹等人的这些从他们的“辉煌的智力成就”和“高超的思维艺术”中得到的“猜想”,从“猜想”到“用实验和观测”进行检验,再到从“再猜想”,再到“再用实验和观测”进行检验,这样无限循环下去。是多少实验经费都不够的。

但是,爱因斯坦遵循牛顿发现并且认识到的,时空观念及其理论是自然界最本质、最基本的规律,物理学是建立在以时空观念及其理论作为物理学的最基本公设基础上的,具有完整、严密逻辑的科学体系这个自然界最本质、最基本的规律和法则,仔细审视了牛顿经典力学和麦克斯韦电磁学理论。

爱因斯坦发现,牛顿经典力学和麦克斯韦电磁学都不符合迈克尔逊-莫雷实验,这种不符合实验的结果,是牛顿绝对时空观念及其理论有问题,是牛顿以有问题的牛顿绝对时空观念及其理论作为物理学的最基本公设造成的;是麦克斯韦电磁学理论把法拉第实验发现的电磁学预言的电磁波这种实物物质,变成了由不存在的以太传播的能量波造成的。

爱因斯坦以爱因斯坦相对时空观念及其理论作为物理学的新的最基本公设的基础上,建立起来了爱因斯坦狭义相对论及其相对论物理学(见于《爱因斯坦文集》第二卷,第83—84页,商务印书馆,北京,1977年。)。

爱因斯坦以爱因斯坦相对时空观念及其理论作为物理学的新的最基本公设,代替了牛顿以牛顿绝对时空观念及其理论作为物理学的最基本公设,并没有完全抛弃牛顿经典力学,而是物理学获得了在牛顿经典力学基础上的革命性飞跃,解决了牛顿经典力学所面临的,无法克服的困难,成功地解释了迈克尔逊-莫雷实验,纠正了麦克斯韦电磁学理论的错误。

所以,爱因斯坦狭义相对论及其相对论物理学的建立,也证明了牛顿首先发现并且认识到的,时空观念及其理论是自然界最本质、最基本的规律,物理学是以时空观念及其理论作为物理学最基本公设的基础上,建立起来的具有完整、严密逻辑的科学体系这个自然界最本质、最基本规律和法则的正确性。

还是无独有偶,费曼的量子电动力学协变表述和重整化方法,并不是理论的本质,而且重整化方法并没有彻底解决量子电动力学以及所有量子力学理论中的发散困难难题。这种发散困难难题是说,由于量子场论、规范场论、标准模型、量子电动力学、量子色动力学等等所有量子力学理论中,把微观粒子假设成没有体积的点粒子,而造成的所有这些量子力学理论,在计算时的微观粒子的质量、能量、电荷等等物理量无穷大,而使所有这些量子力学理论都无法向前发展的困难,这种发散困难难题,是所有这些量子理论都无法解决的(见于百度百科《量子场论》条目)。

吉林大学出版社出版的张辉所著《自然原理》一书作者张辉,在继承和创新性发展了爱因斯坦狭义相对论的基础上,得到了革命性的、颠覆性的、改变了人们世界观的物质固有时空观念及其理论,——即物质固有时间原理和固有空间原理,并且以张辉物质固有时空观念及其理论作为物理学的新的最基本公设的基本上,建立起来了张辉物质固有时空观念及其理论物理学这个具有完整、严密逻辑的物理学科学体系,即超越了牛顿经典力学和爱因斯坦相对论物理学的人类整个物理学(见于张辉所著《自然原理》一书,第20—22页,吉林大学出版社出版,长春,1996年。),其中物质固有空间原理的数学表述公式是v=k2/m,v表示物质固有体积;m表示物质质量(惯性质量);k2是常数。所以,上述的量子力学的所有理论中存在的发散问题难题,被张辉物质固有时空观念及其理论物理学彻底地解决了。因为依据上述的物质固有空间原理v=k2/m,所有的微观粒子以及宏观物质都具有固有体积,这就彻底地解决了,量子力学所有理论中的因为微观粒子没有体积而导致的发散困难难题。

总之,人类物理学,从牛顿经典力学,到爱因斯坦相对论物理学,再到《自然原理》一书作者张辉物质固有时空观念及其理论物理学的发展进步,是由于牛顿、爱因斯坦以及《自然原理》一书作者张辉发现并且认识到了,时空观念及其理论是自然界最本质、最基本的规律,物理学是以时空观念及其理论作为物理学的最基本公设的基础上,建立起来的具有完整、严密逻辑的科学体系这个自然规律和自然法则,以及科学发展的客观规律的必然结果。

人类物理学发展进步的这个客观事实证明了,时空观念及其理论是自然界最本质、最基本的规律,物理学是以时空观念及其理论作为物理学的最基本公设的基础上,建立起来的具有完整、严密逻辑的物理学科学体系这个自然界最本质、最基本的规律和法则,以及科学发展的客观规律,是不可违背的;违背了这个自然界最本质、最基本的规律和法则,以及科学发展的客观规律,就会造成人类科学技术的停滞不前和倒退。

廖玮文章,把伽利略对于匀速运动和加速运动的研究以及爱因斯坦对于伽利略贡献的评价,作为其文章宗旨的例证,是不符合客观事实的。因为伽利略并不是廖玮文章所说的,是从“猜想”到“实验和观测”检验的无限循环。

而是,伽利略在实验中总结发现了,伽利略相对性原理等等重要的自然规律,并且伽利略第一次把实验及其实验检验理论,引进了人类科学,把以依据实验事实为基础的思辨认识论,引进了人类科学,开创了引领人类科学技术发展进步的先河,是人类科学技术发展进步至今的基础。爱因斯坦正是基于伽利略的这些贡献而高度评价伽利略的,而爱因斯坦本人也是这种推动人类科学技术发展进步的典范。

总而言之,廖玮文章的内容都不符合客观事实。




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