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摘要：通过分析物理研究的几个基本方法，阐明了其中存在的局限性和误区，这为全面创建万物理论指出了一个全新的方向。买链接百度发表文章广告媒介 关键词：场函数；观测背景；协变系统；参照系；自大而小研究方法；万物理论 中图分类号：N3 文献标识码：A 引言 纵观物理学的发展史，我们可以看到物理研究的模式具有四大特征：一是主要在地表或近地环境中进行观测研究，二是通过设置参照系来分析和研究事物，三是采用“自大而小”或“由近及远”的方法研究微观或宇观，四是通过感官感知外界事物。这种研究模式为物理研究提供了一个大的框架，确定了研究的途径和方式方法；由于这种研究模式存在着特殊性，由此决定了我们的物理研究存在着非普适性和局限性，而容易使我们的研究误入歧途。 1 物理研究中隐含的地表观测背景 我们知道，一方面，各种晶体都具有其特定的内部组织结构，而晶体中原子之间的相互作用主要来源于原子核，可见，原子核是具有极性的；另一方面，一个天体的引力场归根结底来源于构成天体的原子核的场。由此可知，原子核的场并非各向同性而具有各向异性。 对于普通的固体，其内部原子核都在相对固定的位置上振动；对于一般的流体，其内部原子核都在相对固定位置上振动和转动。一方面，原子核的这种周期性的运动状态，使得相邻原子核之间存在周期性的相对稳定的相互作用，从而确保了物体结构的相对稳定性；另一方面，相邻原子核之间的这种相对运动是一种相互的协变运动，故而，物体本身就是一个协变系统。 同理，整个地球是一个大的协变系统，因此它的场（包括引力场和磁场）是由构成地球的原子核运动状态所决定的特定的动态场，这种场随时间的动态性称作场函数。不同的天体其内部原子核的运动状态及其分布是不同的，因此不同天体的场函数是不同的。这种特定的场函数具有本征性，是一种本征场。 我们的物理研究主要在地表进行，在这个环境中所有研究对象（物体）都处于地球场（引力场和地磁场，二者处于相互协变状态）之中，由于地表普通物体的表面场强都小于其外界的地球场强，因此它们都没有外场，物体的场域边界位于其表面的临界场中。在地球场的诱导下，物体的场函数发生协变，使物体场与地球场之间始终处于耦合引力最强的状态。 换言之，近地空间中的所有物体，其场函数都已被地球场所协变，而不是它们自身所固有的本征场函数。由于引力场具有不可屏蔽的性质，因此在地表和近地空间中的一切实验和观测，都是以地球场函数为观测背景，对被地球场所协变的物体场的一种观测。当然，这里也包括我们的实验装置和观测仪器本身。物理学中的手性原则正是由地球场函数所决定的。 由此可见，当把从地表和近地空间实验中所获得的、带有地球场函数烙印的经验和知识，直接推广到近地空间之外区域时，我们就已经掉入了“地球场函数”布下的陷阱之中，不觉中物理学已经偏离了它的正确方向。这是导致当前基础物理理论纷乱现状的一个重要根源。 2 参照系设置问题 为了便于观测事物，通常要选择一个参照系。现代物理学认为参照系可以任意选择。 地球围绕太阳转动，是因为地球处于太阳引力场中而受到太阳引力作用的结果。笔者认为，既然地球位于太阳引力场中，那么地球的运动与受到太阳的引力之间就是因果关系，因此描述二者之间关系，应当以太阳引力场为参照系来进行观测和描述。这一点可以从下述事实中得到印证。 现代物理学认为，宇宙微波背景辐射是一种充满整个宇宙的微波电磁辐射。人们发现宇宙微波背景辐射具有一个微小的偶极各向异性：在赤经 11.3±0.1 h，赤纬 4±2°的地方温度略高，在相反的方向温度略低。 1977年，美国科学家乔治·斯穆特（G.Smoot）发表题为《宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性》的论文。斯穆特在文中指出：“我们已经发现了宇宙黑体辐射各向异性，观察结果很容易被解释为是由于地球相对于宇宙黑体辐射运动速度为390±60千米/秒。”斯穆特团队作出的地球相对于宇宙黑体辐射运动的结论被人们称为“新的以太漂移”。 我们习惯于以太阳系外恒星为参照系（不考虑太阳的自转）观测行星的运动，如果以太阳为参照系，行星的运行参数将完全不同。这两种参照系下，各行星运行数据见表1。从表1中可以看出，以太阳为参照系时地球的公转速度为345千米/秒，这与地球相对微波背景的运动速度390±60千米/秒是基本吻合的。 表1 两种参照物下太阳系各行星运行数据比较
当然，表1中给出的速度是根据太阳自转的恒星周期25.38天计算得出的，这个周期相当于太阳在纬度26°的自转周期。根据维基百科提供的数据，太阳在赤道处的自转周期是24.47天，根据这个数据计算出的地球公转速度约为413千米/秒。另外，计算中没有考虑黄道对太阳赤道倾角7.25°，而且计算采用的是地球公转轨道的半长径。 据此可知，所谓“地球相对微波背景的运动”本质是地球相对太阳引力场的运动，即上述所谓“微波背景”是指太阳引力场而已。“遗憾的是，当前人们对新实验事实所持的漠然态度和对旧理论所持的无条件信任，实际上已经阻碍了科学的进步。人们对微波背景辐射的观测主要是用来考查宇宙大爆炸学说中物质分布的均匀程度，而对在地球运动方向上出现的千分之一的温度差异这一事实却不予理睬。”（摘自美籍华人物理教授张操著《物理时空理论探讨》 2011年出版） 实际上，太阳系外恒星系和太阳系都处在银河系中心黑洞的引力场之中，我们用处于黑洞引力场中的恒星（系）作为观测处于太阳引力场中的地球运动的参照系，显然是错误的。由此可见，参照系并非可以任意选择。 同理，我们通常认为“以太阳为参照系，地球同步卫星每天绕地球转一圈”的观点也是不正确的。我们先来做一个思想实验： 首先，把银河系之外的所有星系和天体都去掉，只保留银河系，整个银河系应照常运行。这就如同一个原子，通常情况下不论你把它放到哪儿，核外电子还会围绕原子核运动、原子系统不会被破坏一样。 接着，再把太阳系之外的所有天体都去掉，只保留太阳系，整个太阳系也会照常运行。再接下来，把地球系统之外的所有天体都去掉，只保留地球和它的卫星，同理地球系统仍能照常运行，静止轨道上的卫星仍会在那儿。 如此一来，太阳没有了，地球的所谓自转也就无从观测，同步轨道上的卫星围绕地球的所谓“转动”也就消失了。于是我们发现，万有引力定律在这里失效了。由此笔者认为，万有引力定律并非具有普适性，而是适用于地球同步轨道以内的近地空间。 进一步讲，如同我们所知的月球正在远离地球一样，在地球静止轨道外侧静止的物体会受到地球引力场的斥力作用而不断远离地球。在物理学上，这种斥力性质是用暗能量来描述的。可见，引力场这个名称是带有误导性的，并导致我们不得不引入暗能量的概念。显然，引力场概念已经将我们引入了歧途。 3 “自大而小”与“由近及远”研究方法的局限性 如果我们将人类认识自然界的方式，放在微观、宏观、宇观的尺度轴上进行观察，不难发现，人类认识自然界，既不是从微观粒子开始的，也不是从宇观的天体、星系开始的，而是从宏观的身边事物开始的。换言之，我们既不是从物质的最低层、也不是从物质的最高层开始认识自然界，而是从物质的中间层级开始的，而后才开始向更小尺度的微观和更大尺度的宇观延伸。如图1所示。
在宏观领域，人们根据万有引力和库仑力的作用力性质不同，对物质的表述分别用质量、电荷两个概念。然而，我们从宏观所看到的物质性质是物质在宏观层面上的一种表现，显然这种性质是由物质微观层面上的性质所决定的。因此，质量和电荷的基本性是令人怀疑的。 换言之，质量和电荷的本性可以根据物质的微观性质推导出来，它是物质的微观性质在宏观上的一种表现形式。然而，在物理实践中，人们却将微观性质在宏观上的这种表现形式作为物质的本质，来推导物质的微观性质，显然这是本末倒置了，我们在方法和方向上出了问题。笔者认为，将质量和电荷概念引入微观和宇观领域需要特别慎重，否则会将我们引入歧途。 实际上，宏观环境的物质模型，是我们动用所有的感官才建立起来的。然而到了微观和宇观环境，我们只能靠视觉观察，其它所有感官都不能派上用场。显然对于试图了解微观和宇观的探索者而言，在这种没有任何经验且只能靠视觉观察的陌生环境中，到处都布满了陷阱。在这种环境中，探索者唯一倚重的知识只有宏观经验，而问题恰恰就出在这里。 在广义相对论的框架下，我们目前得到了被大多数人所接受的宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点，却不适用于所有物理定律，显然我们从已知的定律推导出了一个不满足这个已知定律的事物，单从逻辑上讲就已经不自洽了。同样，在量子理论体系内，符合不确定性原理的标准模型，几乎无法准确预言实验结果，而只能根据实验给出的结果，通过调节那些可自由调节的若干参数，才能保证与实验相符合，显然量子理论也将我们带入了不可知的误区。 我们知道，质量和电荷概念是经典物理学的两大支柱，牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功，使人们不加思索（因为不清楚概念的适用范围）地将它们直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念的提出，如暗物质、暗能量、色荷等，如图2所示。可见，随着人们的视野从宏观拓展到宇观和微观，物质概念进一步多元化了。显然这是物理学误入歧途后必然导致的结果。
如果说，宏观体验与宏观观察相结合就可以得到一个有效的宏观理论的话（牛顿力学和麦克斯韦电磁理论在宏观领域的成功已经证明了这一点），那么，我们已经建立的宇观和微观领域的理论就值得商榷了。这是因为，这些宇观（或微观）领域的理论并非宇观（或微观）体验与宇观（或微观）观察相结合的产物，而是宏观体验（即依托宏观物理概念）与宇观（或微观）观察相结合的产物。因此，我们已经建立起来的宇观或微观领域的理论逐渐陷入更加艰难的困境之中，也就不足为奇了。 令人遗憾的是，为了摆脱困境，许多科学家还在不遗余力地对这些宇观或微观领域的理论进行一些“枝叶”上的修正。由于问题的根源在于宏观概念的直接引入（即理论的根基──基本概念──存在问题），虽然对这些理论修正的努力可以解决一些燃眉之急的问题，但不可避免地会引发一些新的问题和矛盾，故不可能从根本上解决问题。 综上所述，导致物理学陷入困境的根源，是人们将宏观体验直接推广到宇观和微观而引起的。宇观和微观的环境与宏观环境都是不同的，然而宏观个体的我们既不能进入微观环境中，也无法直接感知大尺度的宇观环境。于是，人们就想当然地将宏观经验直接用于微观和宇观的观测中，从此物理学就偏离了它的正确道路。在后来的物理学的继续发展中，物理学偏离正确的道路越来越远。 4 感官感知与抽象思维 物理学的发展进程是我们认识自然界过程中重要的有机组成部分，在感知自然界的过程中，我们完全依赖于我们的感官。可见，感官在感知和认识自然界的过程中起着无可替代的重要作用。 我们知道，一些远古的昆虫进化到现在，进入地下穴居的昆虫分支，视觉器官已经退化，取而代之的是，进化出了较为发达的触觉器官--触角；而留在地面的昆虫分支，视觉器官进一步得到强化和完善。类似实例不胜枚举。这些事实表明，感官的种类及其功能强弱是经过长期与环境相适应的结果。既然感官是与环境相适应的产物，那么它就不可能超越环境，而是与所处环境相协调的一种特设。 首先，人类生存于地球表面环境中，相对浩渺、复杂的宇宙，地表环境是极其微小的和极为特殊的一种环境。因此，对于认识整个宇宙，我们的感官种类存在不可逾越的局限性。另一方面，特定的活动方式和竞争关系，也决定了感官种类的有限性。在现实环境中，如果我们的眼睛具有和鹰眼一样的功能，那么我们的世界将不存在色彩，而是一个黑白世界。也就是说，在物质的性质中，我们要去掉“颜色”这一项。还有，我们的感官是在环境的差别刺激下而不断强化的，因此对于那些无处不在的背景物质(如充满整个空间的连续态物质，史称以太)，我们也是无法感知的，如同水中的微生物感觉不到水的存在一样。由此可见，相对纷繁复杂的自然界，我们的感官种类存在局限性，并因此决定了我们只能看到物质世界的部分侧面而不是全部。 其次，特定的活动方式和竞争环境，还决定着感官在分辨能力上的局限性。比如，空中一些飞禽的视觉分辨能力优于我们，地上一些走兽的嗅觉分辨能力优于我们等等。虽然我们通过各种仪器可以更好地观察微观和宇观现象，但这只是感官分辨能力的有限提升而已，所看到的还只是事物的表象、甚至假象。由此可见，面对由基本粒子逐级构成的自然界，我们的感官分辨能力存在局限性，并因此决定了我们看到的只是事物的某些层面而不是本质。 感官的局限性，决定了我们通过感官认知的物质基本性质是局部的和表象的。虽然我们的感官是认识我们所处的极为有限环境的有效工具，但对于认识整个宇宙和物质的本质，它显然是无法胜任的。因此，在认识宇宙的过程中，除了感官感知，我们更需要大脑的抽象思维。 从历史上看，通常总是实验给理论以寻求更新理论的推动力。而在狭义相对论的建立过程中，实验似乎并没有起到这样的作用，相反，是观念上的洞察力起了独一无二的作用。实际上，狭义和广义相对论的建立，是爱因斯坦对当时已知的各种物理现象进行抽象思维(归纳总结)而创造出来的，而不是基于当时的已知理论通过逻辑推理推导出来的。量子理论的创立过程亦是如此。 纵观人类发展的历程，对物质的认识过程是循序渐进的、有层次的。真正的理论源于归纳总结而非逻辑推理，它超前于实践并为实践指引方向；当实践突破了理论的适用范围时，必然催生出新的理论，旧理论自然地成为新理论的一个子集或特例，新理论再次引领人们在其适用范围中前进。周而复始，人类不断扩大实践的疆域、不断逼近自然界的真相和物质的本质。 抽象思维具有无限的开放性，纯粹抽象思维形成的世界观，种类繁多且真假难辨。典型的代表是唯心主义，具体表现形式包括各种宗教及其派别，他们将自然界的一切现象归为神、上帝或真主等的意志。因此纯粹的抽象思维极易走向不可知论。 抽象思维与感官直觉（实证）是辩证统一的，脱离抽象思维的实证必然走向形而上学机械论，脱离实证的抽象思维必然走向唯心论。因此，在认识宇宙的过程中，抽象思维必须以客观现象为前提，且结论或其可观测效应必须最终通过实践直接或间接检验。只有这样，我们才能透过局部和表象，看清物质的本质，建立起一个普适的物质模型。 5 结束语 毫无疑问，爱因斯坦相对论和量子理论是对经典物理学发起的一场大革命。然而，这两套理论互不相容、各管一方，如同整个宇宙这枚硬币的正面和反面。统一宇宙的观念使人们逐渐认识到，这两套理论也许只是一种过渡性的理论。在物理学面临各种课题与挑战的当下，我们需要重新审视物理学研究的基本途径和方法，理清问题根源，进而去纠正它，只有这样我们才可以建立起一套普适的万物理论，进而为历时一个多世纪的物理学革命画上一个完美的句号。 作者简介：刘泰祥(1969—)男，山东莱芜人，高级工程师，研究方向：理论物理。 |
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