改造牛顿力学,一统物理江湖,打通物理学与生命科学连接之通道

如何“政造”牛顿经典力学,使之重新一统“物理学江湖”,甚至打通物理学与生命科学连接的通道?

我们认为,让牛顿经典力学重新一统物理学的“江湖”,甚至打通物理学与生命科学连接的通道,是有可行性的。关键是克服它的机械唯物论缺陷。而这首先又得弄清楚人们为什么说现在的牛顿理论是机械唯物论的。1、牛顿经典力学的核心是牛顿第二定律(又称牛顿原理):外力是物体改变运动状态的原因。它等于物体质量和加速度的乘积。用公式表示就是

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

由牛顿原理,物体的运动只受到刻板的外力场的规定。一旦初条件和外力场给定,物体的运动状态就将被唯一地和僵死地决定。于是人们就可以利用牛顿原理计算出未来的一切。就像钟表等等机械一样精确。在历史上,人们曾经根据牛顿第二定律进行的计算,在指定的时间和方位观察,竟然真的就发现了太阳系中一颗当时是“新”的行星——海王星——这使牛顿的声望达到了顶点。他因此还被教皇称之为“上帝派来为人们带来光明的人”。当时科学界也把牛顿力学理论捧上了天——真以为使用该理论就可以计算出未来的一切了!

由以上的论述可知,牛顿经典力学理论确实是机械论的。原因就在于物质的一切运动和变化都是由刻板的“外力”决定的。那么,这一理论能否改进,又如何改进呢?

2、既然牛顿理论陷入机械论泥淖的关键原因是牛顿原理中的“力”只有“外力”,那么在牛顿的“力”中增加内力的部分不就行了吗?而且,内力无处不在:物体作为一个“系统”,其各个组成部分(元素)相互之间的作用力便是典型的内力。然而这些内力在牛顿理论中却都用不上——由于牛顿第三定律的前提性制约,使得这些内力统统都“抵消”掉了。要在牛顿原理的力中再增加“内力”的成分就必须另辟蹊径——这个新加上的力(内力)必须具有以下特点:一是在宏观条件下小得可以忽略不计(从而不破坏牛顿原理原先在宏观领域的应用条件);二是它必须和牛顿第三定律互不“撘界”——即它必然是“不符合牛顿第三定律(无反作用力)的力”,例如电磁场中的运动电荷所受的洛伦兹力等非中心力。

3、我们之所以说牛顿理论是机械唯物论的,还在于牛顿原理中的力与表示物体运动状态的参量(速度)无关(公式中力的自变量中不包含v)。也就是说,物体现在的运动状态,不是将来的运动状态的原因。即现在的运动行为和将来的运动行为无关,它们不在同一个“因果链”上(据此,在社会学中,人们就可以说:既然我现在的行为不是将来的行为的原因,那么我就不必为将来的运动行为负责了。试想一下,这将会是多么的荒谬呀!)——这实际上就是人们常说的缺乏“主动性”——而缺乏主动性正是机械唯物论的重要特征。所以,要克服牛顿理论中的机械唯物论,则在前面我们谈到的应当加进去的新的“内力”的表示式中,就必须包括有速度的因子。

4、让我们接下来进一步分析主动性的问题。按照《现代汉语词典》的解释,“主动”一词是指“不待外力推动而行动(与被动相对),是内在动力的表现,是在主体意识的支配下进行的活动。而意识正是“死”的物质同“活”的生命的重要分界线。为了可以让改进后的牛顿理论能和生命科学接轨,必须探讨意识的问题。

意识属于精神领域,是“长角带刺”的,实在难以下手。但总体说来,精神、意识等等作为生命物质的功能,都是同信息有关的:如果不能感知和适应环境的变化,即不能去接收、处理、存贮和利用信息,生物又怎么可能“趋利避害”、“适者生存”,以至于“进化”而形成不同生存环境中 千差万别的物种呢?所以,研究信息并将其纳入到物理学的基本理论之中,是物理学打开通往生命科学的通道的关键所在。因此,我们认为,前面我们谈到的应当加进去的新的“内力”的表示式中,就应当有关于信息的成分。

5、进一步分析信息,应当看看信息到底是什么。对信息的定义多种多样,但总的说来目前人们已经从不同的角度认识到了信息与“结构”是有关联的:因为有差异才有信息,而我们认为结构是物质存在的方式(即亚里士多德所讲的物质的“形式因”),事物之间的差异表现在存在方式上就是结构的差异。而信息就是“结构的外化”。

谈到结构,不能不谈到“结构力”(即贝塔郎菲所说的“形状的力量”)。结构可以产生力,这是人人都可以体会到的。自然界中碳原子的不同结构能生成石墨、金刚石这样硬度截然不同的物质,社会学中不同的团队因人员的结构不同而有着天差地别的工作效率,都是结构力的明证。但在这里我们要表征它,则需要找出其物质载体。显而易见,这个载体必然也是物质性的。我们认为可以由物质存在的最小颗粒——元子——来担当。具体而言就是由元子作为主角的“物质性背景空间(MBS)”的密度函数来表征。

6、最后,从当代科学的发展趋势来看,非线性越来越受到人们的关注。这主要是因为大家都已经认识到,以前在科学中研究的线性问题,其实只是个别的特例,线性只是非线性海洋中的一些孤立的小岛。所以,在对牛顿理论中的力进行思考的时候,必须认定这个前面我们谈到的应当加进去的新的“内力”,是非线性的力。

现在总结一下:如果在原先的牛顿原理的表示式中增加一个新的很小、但却很重要的内力,对牛顿原理加以改造,便可以借助于牛顿力学原有的威势来一统物理学的“江湖”,但这个新增加进去的力必须具备以下特点:不符合牛顿第三定律的,包含有速度因子在内的,与信息相关的,与结构有关的,非线性的,内力。由于篇幅所限,怎样具体找到这个力的问题,我们以后再谈。在这里我们只是可以告诉大家:我们已经找到了它!有兴趣的朋友可以参阅我们的书(曹文强 贺恒信著:《物理学革命的哲学思考:寻找“科学统一性”方向的探索研究》,高等教育出版社,2014年1月),其中有详细的论证,包括详细的数学物理推导。欢迎各位朋友批评指正。



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