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对物理学的思考(一)
2019-06-06
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    质点的适用范围(一)

    早在1900年,英国的开尔文勋爵在皇家学会的新年致辞中就自负地宣称,物理学的大厦已经完成,今后物理学家的任务只是把实验做得更精确些。但不久后,物理学就出现了两大突破,相对论与量子力学就先后破土而出。在这后来的一百多年中,物理学有了突破性的飞速发展。

    历史的发展总是有些相似,现今似乎又出现了一些麻烦,现在的量子场论,在探索粒子物理领域取得了巨大的成就,但理论本身并不完美:在一些计算过程中出现了无穷大。虽然用重整化方案可消除这些发散,然而这种技术近乎是一种“耍赖皮”(王竹溪语)的手段,在概念上也存在不自洽之处。显然这只是一种技术方法,并不是对物质运动本质的认识,只能是一时的权宜之计。另外,强、弱、电三种相互作用并未得到真正的统一,标准模型也只是一个唯象的理论,其只是在低能量情况下的行为,而在更高的能量标度上,又将如何?是否会像麦克斯韦方程把电力和磁力统一成为一种电磁相互作用?而广义相对论中的奇点更是物理学中的一大困惑,霍金和彭若斯早在上世纪70年代就已经证明,经典广义相对论中的奇点是不可避免的,在奇点处,曲率和密度无限大、一切物理规律都已失效。对于这样一种只在数学定义中出现却威胁到物理学的东西,是不受物理学欢迎的。还有一些如暗物质及暗能量及量子纠缠等等问题及看似已解决了的老问题,如熵无限增大宇宙热死等等,都没有得到根本的解决。

    对物理学的思考,似乎还应当从根本上进行一次疏理,进行全面深入地思考。

    物理学是什么?

    物理学是人对自然界的物质运动规律地认识、研究、探索的学问,是研究自然界的物质结构、物体间的相互作用和物体运动最一般规律的自然科学,是人类实践的总结。这些物质运动规律是可被人的实践所再现的,是人类社会利用自然更好生活所必须遵守的自然规律。

    物理学之所以被人们公认为是一门重要的科学,不仅仅在于它对客观世界的规律做出了深刻的揭示,还因为它在发展、成长的过程中,形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系,并形成了一种行之有效的实践方法--物理实验,它提供最多、最基本的科学研究手段。正因为如此,使得物理学当之无愧地成了人类智慧的结晶,文明的瑰宝。 大量事实表明,物理思想与方法不仅对物理学本身有价值,而且对整个自然科学,乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。人类的历史已经表明所有的重大新(高)技术领域的创立,事先都在物理学中经过长期的酝酿。 当今物理学和科学技术的关系两种模式并存,相互交叉,相互促进,的确没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命。物理学被公认为是科学技术发展中最重要的带头基础学科。

    人的生存与社会的发展,都是物质运动变化的结果,由此认识物质运动与变化的规律,也就成为人能更好生活与社会正常发展首先要解决的问题。也正是为此物理学也就成为人类社会首先认识发展的学问,是最基础的学科也是最古老、发展最快的科学。

    对物理学的思考从经典物理开始。

    经典物理学最突出的研究特点是将运动的物质首先作为一个整体运动来加以研究,并将这个整体简化为一个点来加以研究。大至星系、恒星、地球,小至原子、分子、基本粒子,都当作一个点--“质点”来加以研究。这些物体在运动坐标中都是一个物理的点,在运动的过程中只是研究其整体在时空中的运动变化及相互作用,对其内部及空间限度暂不加以考虑。这种研究过程是通过物体在时空中的运动变化过程规律来加以总结认识的。

    其实这也正是人认识物质运动所必然的过程。人对自然的认识首先是看到物体整体的运动,为了能更简洁的把这一运动加以描述并找到其运动规律,将物体作为一个点来处理显然是最方便也是最好的选择。因为这样就去除了物质运动中其它很多运动方面的干扰,可对物体整体运动规律进行更清晰明了的总结。正如研究地球绕太阳运动的规律时,并不考虑地球上的风云变换,甚至连地球的自转都不考虑,只是将地球作为一个质点绕质点太阳运动,从而就可正确的得到地球绕太阳运动的规律。这样就总结出了经典物理的很多定律,如牛顿力学三定律、引力定律:、电荷间的作用力:等等。

    与此同时,也建立了质点在时空中运动的描述方法,这就是人所能见到的三维立体空间和一维时间的绝对时空中的相对性运动的时空观。这个空间只是一个描写物质运动时的坐标架,与在其内运动的物质是无关的,是所有惯系中都完全相同的,尽管物质运动是在这种空间中作相对运动,即这个坐标可以是相对均速运动的,但这个时空只要是作均速运动,其就不发生变化,是绝对不随物质运动变化而变化的。正是这样,牛顿物理力学大厦建立了起来,这的确看似一个完美的物理学大厦。

    也就是说在物理的研究过程中,是将物体都当成一个点-―质点来对它的运动及相互作用加以研究的,这时是将这个物体的所有本质如质量等等都赋予这个点上,同时这个物体所占的空间范围是被忽略了的,从而对物体的运动及相互作用加以描述。这也的确描述了物体的相互作用及其运动状况。如地球绕太阳的运动等等。

    由于将物质运动作为一个点,并末考虑其所占的空间限度,故这时所得到的物质运动规律是有条件的,这个默认条件就是这种规律是物体整体的运动及相互作用的规律,这种规律是不能用于进入物体内部的相互作用的,也就是两个相互作用的物体之间的相互距离是不能小于物体本身的限度的,即两个物体是不能占据同一空间的,其之间的距离是不能为零的。这也就表明现在物理中所有相互作用规律都只能是在物质所在空间之外才成立。

    这也就表明经典物理的相互作用规律,其是物质所构成的整体之间相互作用造成的运动变化的规律,它只适用于物体所占空间之间的相互作用,而若进入物体所占空间内,这一规律就不一定成立了。这对牛顿定律是如此,对引力定律、电荷作用力也是如此。这也就伏下了当两个物体相互距离为零时(r=0)会出现无穷大的问题。

    也就是经典物理规律所适用的范围只能是蘋果落到地面上的范围,而不适用蘋果落到地里面后的相互作用。

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1938年7月15日生。北京大学毕业,分配到中国工程物理研究院核物理与化学研究所工作,直到退休。研究员。现居住北京海淀区。
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