改造牛頓力學,一統物理江湖,打通物理學與生命科學連接之通道

如何“政造”牛頓經典力學,使之重新一統“物理學江湖”,甚至打通物理學與生命科學連接的通道?

我們認為,讓牛頓經典力學重新一統物理學的“江湖”,甚至打通物理學與生命科學連接的通道,是有可行性的。關鍵是克服它的機械唯物論缺陷。而這首先又得弄清楚人們為什麼說現在的牛頓理論是機械唯物論的。1、牛頓經典力學的核心是牛頓第二定律(又稱牛頓原理):外力是物體改變運動狀態的原因。它等於物體質量和加速度的乘積。用公式表示就是

F(r)=ma= dp(t)/dt

由牛頓原理,物體的運動只受到刻板的外力場的規定。一旦初條件和外力場給定,物體的運動狀態就將被唯一地和僵死地決定。於是人們就可以利用牛頓原理計算出未來的一切。就像鐘錶等等機械一樣精確。在歷史上,人們曾經根據牛頓第二定律進行的計算,在指定的時間和方位觀察,竟然真的就發現了太陽系中一顆當時是“新”的行星——海王星——這使牛頓的聲望達到了頂點。他因此還被教皇稱之為“上帝派來為人們帶來光明的人”。當時科學界也把牛頓力學理論捧上了天——真以為使用該理論就可以計算出未來的一切了!

由以上的論述可知,牛頓經典力學理論確實是機械論的。原因就在於物質的一切運動和變化都是由刻板的“外力”決定的。那麼,這一理論能否改進,又如何改進呢?

2、既然牛頓理論陷入機械論泥淖的關鍵原因是牛頓原理中的“力”只有“外力”,那麼在牛頓的“力”中增加內力的部分不就行了嗎?而且,內力無處不在:物體作為一個“系統”,其各個組成部分(元素)相互之間的作用力便是典型的內力。然而這些內力在牛頓理論中卻都用不上——由於牛頓第三定律的前提性制約,使得這些內力統統都“抵消”掉了。要在牛頓原理的力中再增加“內力”的成分就必須另闢蹊徑——這個新加上的力(內力)必須具有以下特點:一是在宏觀條件下小得可以忽略不計(從而不破壞牛頓原理原先在宏觀領域的應用條件);二是它必須和牛頓第三定律互不“撘界”——即它必然是“不符合牛頓第三定律(無反作用力)的力”,例如電磁場中的運動電荷所受的洛倫茲力等非中心力。

3、我們之所以說牛頓理論是機械唯物論的,還在於牛頓原理中的力與表示物體運動狀態的參量(速度)無關(公式中力的自變量中不包含v)。也就是說,物體現在的運動狀態,不是將來的運動狀態的原因。即現在的運動行為和將來的運動行為無關,它們不在同一個“因果鏈”上(據此,在社會學中,人們就可以說:既然我現在的行為不是將來的行為的原因,那麼我就不必為將來的運動行為負責了。試想一下,這將會是多麼的荒謬呀!)——這實際上就是人們常說的缺乏“主動性”——而缺乏主動性正是機械唯物論的重要特徵。所以,要克服牛頓理論中的機械唯物論,則在前面我們談到的應當加進去的新的“內力”的表示式中,就必須包括有速度的因子。

4、讓我們接下來進一步分析主動性的問題。按照《現代漢語詞典》的解釋,“主動”一詞是指“不待外力推動而行動(與被動相對),是內在動力的表現,是在主體意識的支配下進行的活動。而意識正是“死”的物質同“活”的生命的重要分界線。為了可以讓改進後的牛頓理論能和生命科學接軌,必須探討意識的問題。

意識屬於精神領域,是“長角帶刺”的,實在難以下手。但總體說來,精神、意識等等作為生命物質的功能,都是同信息有關的:如果不能感知和適應環境的變化,即不能去接收、處理、存貯和利用信息,生物又怎麼可能“趨利避害”、“適者生存”,以至於“進化”而形成不同生存環境中 千差萬別的物種呢?所以,研究信息並將其納入到物理學的基本理論之中,是物理學打開通往生命科學的通道的關鍵所在。因此,我們認為,前面我們談到的應當加進去的新的“內力”的表示式中,就應當有關於信息的成分。

5、進一步分析信息,應當看看信息到底是什麼。對信息的定義多種多樣,但總的說來目前人們已經從不同的角度認識到了信息與“結構”是有關聯的:因為有差異才有信息,而我們認為結構是物質存在的方式(即亞里士多德所講的物質的“形式因”),事物之間的差異表現在存在方式上就是結構的差異。而信息就是“結構的外化”。

談到結構,不能不談到“結構力”(即貝塔郎菲所說的“形狀的力量”)。結構可以產生力,這是人人都可以體會到的。自然界中碳原子的不同結構能生成石墨、金剛石這樣硬度截然不同的物質,社會學中不同的團隊因人員的結構不同而有著天差地別的工作效率,都是結構力的明證。但在這裡我們要表徵它,則需要找出其物質載體。顯而易見,這個載體必然也是物質性的。我們認為可以由物質存在的最小顆粒——元子——來擔當。具體而言就是由元子作為主角的“物質性背景空間(MBS)”的密度函數來表徵。

6、最後,從當代科學的發展趨勢來看,非線性越來越受到人們的關注。這主要是因為大家都已經認識到,以前在科學中研究的線性問題,其實只是個別的特例,線性只是非線性海洋中的一些孤立的小島。所以,在對牛頓理論中的力進行思考的時候,必須認定這個前面我們談到的應當加進去的新的“內力”,是非線性的力。

現在總結一下:如果在原先的牛頓原理的表示式中增加一個新的很小、但卻很重要的內力,對牛頓原理加以改造,便可以藉助於牛頓力學原有的威勢來一統物理學的“江湖”,但這個新增加進去的力必須具備以下特點:不符合牛頓第三定律的,包含有速度因子在內的,與信息相關的,與結構有關的,非線性的,內力。由於篇幅所限,怎樣具體找到這個力的問題,我們以後再談。在這裡我們只是可以告訴大家:我們已經找到了它!有興趣的朋友可以參閱我們的書(曹文強 賀恆信著:《物理學革命的哲學思考:尋找“科學統一性”方向的探索研究》,高等教育出版社,2014年1月),其中有詳細的論證,包括詳細的數學物理推導。歡迎各位朋友批評指正。



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