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宇宙秩序从哪里来的?

2016-07-27  汉青的马甲

       宇宙秩序从哪里来的?

       我已用了许多篇幅讲述了东西方的不同点,可是有些国人仍然不愿意承认自己的不足点,咬死说,中国人的智慧在全世界首屈一指,中华文化深博盖世。什么叫世界首屈一指?就是指世界第一名,请问,过去和现在,拿什么证明是世界第一?不能贡献任何划时代的知识学科、学说和原理给世界,如何好意思自夸首屈一指!虽然中国人的确也不算笨,但是象这样不谦虚下去,才真正显得非常愚笨!从小怂恿说谎、伪装、扯皮,一直象这样教会讲假话,养成这种性格,确实危害整个社会不浅。倒是对统治阶级虚夸业绩、掩盖错误、宣扬永远伟大正确,十分有利。

       我已说过,中国人只有靠这种善于伪装自己、掩盖缺陷的小聪明自欺国民,而不会有大智慧拿出来供全世界鉴别和使用。就拿发现宇宙运行规律这个大智慧来谈吧,这足以证明了这一点。而西方人的大智慧也就是从这里开始起步,一步步向世人证明其无穷的力量,令人惊叹的想象力,高等数学的抽象力,因而一次次突破了人类的极限,向造物主挑战——宇宙秩序从哪里来的?

       在千千万万个西方天文物理学家之中,最具有代表性的也是最初开创的三个划时代的人物:波兰天文学家哥白尼(1473—1543年)、德国天文物理学家开普勒(1571-1630年)、英国天文物理学家牛顿(1643—1727年)。几乎成为一场接力赛中的一组选手,把天文物理学推向人类最自信最辉煌的阶段,让后人高举这个火炬,一路狂奔到如今。

       是什么因素使得西方人脑洞大开的?我认为,这一切都是因为西方人研究园形和球形的数学思维能力促成的。亚里士多德螺旋线是东方人从没有想到过的事,例如西方人用螺旋原理抽水,直到文革时,农村人工抽水还在用滑板抽水。机器上的螺丝钉也是人家发明的。这足以说明中国人对于园形和球形的思维能力欠缺。所以才会一直认为“天圆地方”之说,地永远是平直的,天永远绕着地转。西方人很早就认识到地是园孤形的,古希腊有人用竹竿在二地之间,测出同一时间阳光下的投影长度,以此计算二地的孤长、弦长和地球的周长,运用的是三角函数。

       正是因为认识到地球是园球形的,才有了和哥白尼处于同一时代的哥伦布,探索新大陆的壮举——从大西洋绕到东方。“二哥”验证了“日心说”的原理的正确性,因为球形的物体才会滚动,天体运行现象是在地球滚动的情况才会发生的。

       约在1515年前,哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《浅说》的论文,他认为天体运动必须满足以下七点:1、不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心;2、地球只是引力中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心;3、所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近;4、地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的;5、在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的;6、在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的,地球同时进行着几种运动;7、人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。

       有关“日心说”的学说经过多少争论和教会威胁,直到1543年5月24日,垂危的哥白尼在病榻上才收到出版商从纽伦堡寄来的《天体运行论》样书,他只摸了摸书的封面,便与世长辞了。从历史的角度来看,《天体运行论》是当代天文学的起点──当然也是现代科学的起点。

       哥白尼也和前人一样严重低估了太阳系的规模。他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆,这当然是错误的。他的学说里的数学运算很复杂也很不准确。不象中国人一切学说从不靠数学支撑,只要简单的古文叙述一下就可以成立,这是中国人智慧最大的软肋之一!也是西方人最不认同的地方。哥白尼的书立即引起了极大的关注,驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察,其中最著名的是丹麦伟大的天文学家泰寿·勃莱荷,开普勒就是根据泰寿积累的观察资料,最终用数学推导出了星体运行的正确规律。

       开普勒发现了行星运动的三大定律,分别是轨道定律、面积定律和周期定律。这三大定律可分别描述为:

       (一)行星运动第一定律(轨道定律):所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动。太阳的位置不在轨道中心,而在轨道的两个焦点之一。

       (二)行星运动第二定律(面积定律):在同样的时间里,行星半径在其轨道平面上所扫过的面积相等。

       他把地球作为比较标准:以日地平均距离(为1个天文单位,即1..5亿公里)为距离单位;以地球绕太阳运动周期(一年)为时间单位。计算出各个行星的公转周期(T)及它们与太阳的平均距离(R)排列成一个表,以探讨它们之间存在什么数量关系:

       行星名称 公转周期(T) 太阳距离(R)

         水星         0.241            0.387

         金星         0.615            0.723

         地球        1.000             1.000

         火星        1.881             1.524

         木星      11.862             5.203

         土星      29.457             9.539

       从这个表中这么一堆乱七八糟的数字中,又能反映出什么规律性的东西呢?这就像做数字游戏一样,开普勒对表中各项数字翻来覆去作各式各样的运算:把它们互相乘、除、加、减;又把它们自乘;时而又求它们的方根……。这样,在很少有人了解和支持的困难情况下,他顽强地苦战达9年之久。经过无数次的运算失败,他终于找到一个奇妙的规律。他在原来的那个表里增添两列数字:

行星名称 公转周期(T) 太阳距离(R) 周期平方(T) 距离立方(R)

水星          0.241                0.387              0.058                0.058

金星          0.615                0.723              0.378                0.378

地星          1.000                1.000              1.000                1.000

火星          1.881                1.524              3.54                  3.54

木星        11.862                5.203           140.7                140.85

土星        29.457                9.539           867.7                867.98

       从这个表的后面两列数字里,我们可以看出这个奇妙的规律,即:T2(T的平方)=R3(R的立方),从而得出行星运动第三定律:

       (三)行星运动第三定律(周期定律):行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。

       天体为什么会有秩序有规则的运动着?于是这个接力棒就传到牛顿手里。他在1687年发表的论文《自然定律》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;为太阳中心说提供了强有力的理论支持,并推动了科学革命。

       牛顿三大运动定律——第一定律(即惯性定律)说明了力的含义:力是改变物体运动状态的原因;第二定律指出了力的作用效果:力使物体获得加速度;第三定律揭示出力的本质:力是物体间的相互作用。牛顿为解决运动问题,才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的,牛顿称之为“流数术”(即微积分)。微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。

       第一定律引入力的概念和阐明惯性属性,定性揭示力和运动的关系,为第二定律打下基础、准备必要的概念;第三定律进一步给出作用力的性质,揭示物体运动的相互制约机制。三定律结合,全面解决了任意物体在受复杂的外力作用后的运动问题。牛顿运动三大定律是一个有机整体,是一脉相承的完整理论体系,是力学的基本公理,由它们出发推论而出的动量定理、动量守恒定律、动能定理、机械能守恒定律、动量矩定理、角动量守恒定律,进一步证实了动力学公理化体系相容性和一致性。

       万有引力定律是牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适的万有引力定律表示如下:任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

       牛顿在《自然哲学的数学原理》第三卷中写道:“最后,如果由实验和天文学观测,普遍显示出地球周围的一切天体被地球重力所吸引,并且其重力与它们各自含有的物质之量成比例,则月球同样按照物质之量被地球重力所吸引。另一方面,它显示出,我们的海洋被月球重力所吸引;并且一切行星相互被重力所吸引,彗星同样被太阳的重力所吸引。由于这个规则,我们必须普遍承认,一切物体,不论是什么,都被赋与了相互的引力的原理。因为根据这个表象所得出的一切物体的万有引力的论证……”

       牛顿用万有引力定律证明了开普勒定律、月球绕地球的运动、潮汐的成因和地球两极较扁等自然现象。牛顿的万有引力定律是天体力学的基础。人造卫星、月球和行星探测器的轨道,都是以这个定律为基础来计算的。

       这也解释了为什么所有天体都是圆球状的物体。由于离心力,所以星球会变成一个各个面都必须稳定的形状;根据万有引力和角动量守恒,这些物质会绕其引力中心自转,并加速收缩,逐渐形成球状;天体在太空中处于失重状态,在万有引力和分子引力下各向受力相等,只有圆才能使各质点的重力势能降到最低。自然界中的物体都会自发的向最低能量状态转化,因为球形体表面是圆弧形的,能分散受到的压强,从而增加抗压强度,因此显得更结实;是因为重力场的作用力源自於星体中心,将所有的物质都往内拉,大质量天体在自身引力的作用下,都向长期来自重力中心的万有引力作用屈服,因此形成圆形。但小质量天体就不一定了,例如绝大部分小行星、彗星其重力太小,而无法超越本身结构的力量。因此,这些星体也就保有不规则及不完整的形状。

       万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律,实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞跃。它第一次解释了(自然界中四种作用力之一)一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

      万有引力一开始就是想回答地球怎么绕着太阳转的问题,但是一开始是谁把他们扔出去的呢?这就是所谓的“第一次推动问题”。我们的太阳、地球和月亮系统看上去好像还是稳定的,已经运行了不知多少亿年了,而且分秒不差。那么是谁在照料着这个稳定的系统,圈着它,把它关进了太阳系的笼子里,不让它乱跑的呢?

       尽管牛顿对宇宙认识得这么深刻,牛顿仍然相信“创世说”。牛顿明确地说:他认为天体之所以会运动,是因为上帝创造了万物以后,也设定了各种自然规律,比如运动定律等等。上帝先把它们一推,然后天体就按“动者恒动”的定律一直运动下去,事物都就按照自然规律和概率顺其自然的发生。上帝不再作任何事情。

       包括爱因斯坦在内,由于他们越是深入研究出自然规律如此精巧、如此分秒不差,就会越相信有一个上帝之手存在。牛顿实在找不到科学的答案来解释这一切,从而把第一次推动的功劳以及以后对太阳系照看的功劳都只能归于上帝了。要不,你说是谁呢?

       1727年3月20日,伟大艾萨克·牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着:

       让人们欢呼这样一位多么伟大的

       人类荣耀曾经在世界上存在。

       只有不懂得宇宙规律的人,才会稀里糊涂的过下去,永远不会问宇宙秩序从哪里来的?用牛顿的话来作结论:“在没有物质的地方有什么存在呢?太阳与行星的引力从何而来呢?宇宙的万象为什么秩序井然呢?行星的目的是什么?……动物的眼睛是根据光学原理所设计的么?……岂不是宇宙间有一位造物主么?……虽然科学未能立刻使我们明白万物的原治,但它引导我们归向宇宙的主宰。”

      2016.7.27

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