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經(jīng)典物理—牛頓力學的質(zhì)疑與批判 隕石&中國 （個人簡介：宋志遠，男，1961年5月，黑龍江。住址：江蘇省，儀征市，儀化生活區(qū)白沙二村十四棟502室，郵編，211900，電話：0514—83226998，手機：13852537300，郵箱：yunshizhongguo@sina.com） 摘要：確切地說，在物理學中至今并未真正說明力和質(zhì)量相互定義的邏輯的關系；并不真正知道相互作用作為運動的終極原因，其邏輯的內(nèi)在關系及內(nèi)容是什么。因此，作為牛頓力學的質(zhì)疑與批判，本文在這里要說明的是：只有在精密設計的實驗中，即須令處于相互作用的兩物體具有完全嚴格相等的條件，才有可能出現(xiàn)牛頓第三定律所述：A物作用于B物的力等于B物對A物的反作用力且大小相等。因為在通常的情況中，任意兩物體的相互作用，其力量的對比都決不會是相等的。而作用力等于反作用力乃是兩物相互作用關系的邏輯規(guī)定，因而作用力與反作用力并不僅僅是單純地相等，在其邏輯關系中，作用力直接即是反作用力，這是由相互作用內(nèi)在關系所規(guī)定的！ 關鍵詞：力量對抗、相互作用、作用力、反作用力、吸引、排斥。 被認為是金科玉律的牛頓力學，從一開始就走入了歧途：物理—力學在牛頓那里是從沒有力（作用）的慣性開始的（慣性定律）。正如恩格斯也在一本叫做《自然辯證法》的書中寫到：“牛頓的引力。能夠給予它的最好的評價就是：它沒有說明而是例證了行星運動的現(xiàn)狀。運動是給定的。太陽的引力也是給定的?！?/b>[1]盡管牛頓強調(diào)了其理論“不從物理上而只是從數(shù)學上加與考慮，”[2]但力學的基礎理論至今尚還缺乏相應的邏輯陳述，則是不容忽視的事實。物理學家們都知道，牛頓運動定律嚴格地說僅只是經(jīng)驗歸納性的陳述及單純數(shù)學形式的表述，即如慣性定律雖然說出了物體具有保持自身狀態(tài)的性質(zhì)，但卻未能就該定律構(gòu)成理論基礎的物理邏輯，來說明物體為什么及如何保持其自身狀態(tài)的；第二定律則僅只是關于物體在受到力作用時其運動效應的數(shù)學說明，即如該定律是力的定義還是力學定律尚無定論；當牛頓論及其第三定律時，仍由于限制于數(shù)學形式的描述與說明，因而同樣未能真正說明力作用之作為運動原因的內(nèi)在的邏輯關系。 記得在學生時代，有一次下了物理課后一個同學戲笑地打了我一下，然后告知我：我打了你等于你打了我。意思是我并沒有吃虧，因為根據(jù)牛頓第三定律，他打我的作用力等于我給他了一個反作用力，且大小相等（方向相反）。所以他打了我即是等于我打了他?！齑蟮脑┩餮?！或許會有人說這是對牛頓第三定律的曲解。不錯，但這并非是對牛頓理論的曲解，相反，這實際上是牛頓第三定律（的數(shù)學解析與說明）給世人造成的一種誤解！ 數(shù)百年來，牛頓理論被成功地應用于各個科學領域，并幾乎所有物理理論的思想、觀點都是以牛頓理論作為基礎。在我們生活于其中可被感知的現(xiàn)實世界里，牛頓理論的廣泛應用已被奉為“圣典”，量子理論雖然發(fā)出了不同的聲音，但擅長作分類的物理學家們將此一現(xiàn)象歸之于宏觀與微觀之別，如同愛因斯坦將運動劃為高速與低速之分以示區(qū)別。因此在經(jīng)典物理神圣的光環(huán)下，似乎沒有人可以對牛頓的理論提出質(zhì)疑與批判！ 狹路相逢勇者勝！ 力量對比強者贏！ 我們知道，在力量對抗的體育比賽中，有這樣的一種規(guī)定：即要求參賽的選手們在一種力量（如體重）近似對等的情況下進行比賽，以示比賽的公平。但在對抗比賽的選手之間無論雙方力量達到了怎樣的平衡，卻總是要分出勝負。也就是說在比賽結(jié)果中，總表現(xiàn)為是一種打破了兩者力量平衡即分出了強弱優(yōu)劣。而在現(xiàn)實中，真正能達到力量對等平衡的狀況是極為少見的，即如自然界的生存法則：優(yōu)勝劣汰，適者生存。在現(xiàn)實中沒有絕對的力量均衡，有到是在大多數(shù)情況中的力量對比的不平等，即如法律也正是為均衡現(xiàn)實中的不平等而對世人形成的一種約制力量。當然，諸如在中國武術中有所謂“四兩披千斤”之說，在體育比賽中還有諸如心態(tài)、技巧等其它因素決定勝負，但力量的強弱對比則是首要的先決條件。而從普遍性的意義上來說，在力量對比差距大的情況中，這種力量對抗的結(jié)果是不言而喻的。 在相關的說明中我已指出，慣性質(zhì)量之建立于物體的體積與密度因而就其直接性而言，它是一個純粹的數(shù)學量，但正如地球引力場作用的不可消除性，則它同時還是一個特定的引力質(zhì)量，或確切地說是一個特定的在地球表面區(qū)域里的引力效應。因此，慣性決非是一種不受力作用的運動（效應）狀態(tài)。雖然在慣性效應的直接性上，不能由實驗來測定其效應中的力的作用，但這卻并不意味著慣性效應中沒有力的相互作用。再者，慣性于現(xiàn)象直接性上統(tǒng)攝了靜止與運動兩個相互對立狀態(tài)的“二象性”效應，也表明了它是一種受制于某種力（確切地說是引力場的約制力）作用的效應。然而，慣性作為力學的起點卻不能用力來表述，除了數(shù)學工作的表面性不能觸及到事物本身，也確如赫茲在其《力學原理》一書序言中所表述的困難那樣：“要……闡明力學的真正內(nèi)容，而不會不時感到為難，不全一再激起歉意，不想盡快跨過原理部分而向他們講述一些應用例子，那是極端困難的一件事”。[3]力學的真正內(nèi)容在于它的邏輯至今尚未能在物理學中建立起來。 在力和質(zhì)量相互定義的（邏輯）關系中，實際上已說明了慣性作為一種特定引力效應背后隱寓著的某種微妙關系（對此我將在關于引力的分析中給予詳細說明）。即慣性作為力學的起點或開端，即類同于哲學開端課題中關于“有”與“無”和“一”與“多”辯證關系。換言之，慣性狀態(tài)中不能由實驗判定及數(shù)量表述的力所體現(xiàn)的“無”（ 0 g）并非是沒有力的作用，如同物體重量實質(zhì)上是表征了引力對其作用的“有”（0 m），重量在量的確定性上即表現(xiàn)為是力作用的“實有”或作為力與質(zhì)量之對比的1 F 。再有，如我以指出慣性質(zhì)量作為一個數(shù)學量在物理—數(shù)學分析中具有的“中介性”意義：即由于同一物體在同一引力場不同區(qū)域中具有不同量值的引力質(zhì)量，由此形成引力質(zhì)量具有的可變性即在同一物體上表現(xiàn)出“多”個引力質(zhì)量，并在量的確定性上或者說是因取決于不同引力場（強度）特定區(qū)域力的作用，令它們相互間表現(xiàn)為一種量的不可通約性，由此以來，不變的慣性質(zhì)量在這里則構(gòu)成它們眾“多”量相互通約的“中介量”，或就邏輯意義來說構(gòu)成“多”所相對于“一”的辯證關系：即，現(xiàn)在我們已知道，所謂場是以有重物作為中心其引力場強度g向外輻射延伸的形式，并就其存在的特性說，由強至弱向外輻射延伸的引力場強度g作為確定的標量是一種穩(wěn)定不變的量，由此如重量定義所規(guī)定：物體的質(zhì)（重）量是取決于引力g的作用，但我們也知道，在這種引力強度g不變的同一區(qū)域中，具有不同“體積和密度”物體所受到的力作用即不相同，換句話說，在同一引力場區(qū)域中不同“體積和密度”物體將有不同量值的質(zhì)（重）量，在這里，物體的質(zhì)（重）量不僅取決于引力的作用，同時還決定于物體作為慣性質(zhì)量確定性的“體積和密度”的大小。即引力對物體的作用同引力質(zhì)量具有可變性一樣，在同一引力場中不同“體積和密度”大小的物體所受到引力的大小即不相同，引力對物體的作用力是隨著物體“體積和密度”的大小而發(fā)生變化的——這也是引力的相互作用在邏輯學意義上的微妙之處。不變的引力（強度g）對眾“多”不同的物體形成不同的質(zhì)（重）量?！εc質(zhì)量是相互定義的！ 黑格爾曾說道：“無論天上地下，都沒有一處地方會有某種東西不在自身內(nèi)兼含有與無兩者?！?/b>[4]但在這里需要強調(diào)注意的是，這并非單純是關于所謂哲學的邏輯說明，嚴格地說“天上地下”應是泛指宇宙間一切事物。對哲學邏輯有所認識的人們來說應知道，單純的“有”僅僅是有正如單純的“無”直接是無。——在哲學家那里單純的“有”和單純的“無”僅僅是一種單純地尚空無內(nèi)容的意味、或一種在語言中作為思想表達形式的肯定的直接性。它們只能在自身邏輯發(fā)展運動的持續(xù)完善中獲得真實性與真理性。當然，單就所謂哲學的概念來講，并基于哲學之為愛智慧乃是以自身作為對象的特殊性，故爾在黑格爾的論述中或許是過于晦澀，甚至許多人不理解“有”與“無”的同一性：有之為有須以無來促成，反之即然。因為，“它們的真理是一方直接消失于另一方的運動?！?/b>[5]
由此我們看到，引力場強度g作為標量是一種直接確定了的量度，這一點是由有重物作為物理實在——引力場強度g由強至弱向外輻射延伸——的現(xiàn)實性所決定的，因而只要有物體存在其中就必受到該物體所在區(qū)域引力的作用。然而，物體所受到引力作用的大小卻又直接決定于物體構(gòu)成慣性質(zhì)量的規(guī)定性：“體積與密度”。也就是說，引力（強度）對物體的作用在量的確定性上表現(xiàn)為一種間接的不確定性，一種需取決于物體被直接作用到的現(xiàn)實性，并因而才能借助于物體表現(xiàn)出其構(gòu)成力作用的現(xiàn)實性?！龅膹姸?/b>g在邏輯意義上僅僅是存在之“有”，反之，物體質(zhì)量因須要力的作用來促成的現(xiàn)實性則是直接的“無”。因此，引力之“有”和物體質(zhì)量之“無”必須通過相互過渡也即是“變”才能成為具有了現(xiàn)實性存在的“實有”。這就是說，引力具有的力作用必須借助于被作用的物體（質(zhì)量）來實現(xiàn)，而物體具有的（質(zhì)）量度的確定性又必須是通過受到了引力的作用來完成。這也才是相互作用在物理學中的邏輯規(guī)定及意義。 物理學家們都清楚地知道，在自然狀態(tài)里，牛頓第二定律無論是關于力和質(zhì)量的定義還是力學定律，它所描述的力學現(xiàn)象都是一個特例：一個打破了慣性常恒狀態(tài)的特殊的力學效應。再者，無論是自然界中有沒有突變或是由連續(xù)的突變組成，慣性的常恒態(tài)則是自然界的主要特征。即如慣性的圓周—勻速運動，所謂自然界的常恒態(tài)并非是指自然界無變化，相反這種常恒態(tài)是自然界在力的相互作用中能夠保持平衡的一種特性。慣性作為一種自然界常恒態(tài)的運動效應即如恩格斯在論及引力時所說：“一切運動都存在于吸引與排斥的交替之中。然而運動只是在每一個吸引被別處的另一個與之相當?shù)呐懦馑謨敃r，才有可能發(fā)生”。[7]恩格斯這段話雖然未能說明引力與斥力于邏輯中的相互關系及引力作為促成運動的原因，但卻說明了慣性效應恰恰就在于這種相互“抵償”也即是一方進入到另一方之相互過渡的“變”中才得以實現(xiàn)。 在力學中，自然界中所發(fā)生的一切運動均是力相互作用的表現(xiàn)形式，如恩格斯曾說：“交互作用是我們從現(xiàn)代自然科學的觀點考察整個運動著的物質(zhì)時首先遇到的東西?！换プ饔檬鞘挛锏恼嬲慕K極原因”。[8]也就是說，所謂力的作用在它的現(xiàn)實性中總是表為是兩個（以上）物體間的相互關系。因此牛頓在表征了單純的力作用效應的第二定律后，又建立了用于表征兩個物體之間相互作用確定性關系的第三運動定律：A物作用于B物的力等于B物對A物的反作用力且大小相等。然而我們知道，在現(xiàn)實領域中由于物體質(zhì)量大小的不均等性，以及如恩格斯曾說過：“力和它的表現(xiàn)是恰恰同樣大的，因為在力和它的表現(xiàn)當中都是同一個運動”。[9]即力和質(zhì)量是相互定義的。因而真正要令兩個物體作用于對方的力相等，只有在經(jīng)過精密計算及嚴格操作的實驗中才可能實現(xiàn)。這就是說，發(fā)生在自然狀態(tài)中的物體間的相互作用，決不會出現(xiàn)牛頓第三定律所說的力量相等的對峙狀態(tài)?！趦蓚€質(zhì)量不相等物體間的相互作用，其力量的對比是不言而喻的。物理學家們都清楚地知道，太陽作用于地球的（引）力與地球作用于太陽的（引）力，即它們之間的相互作用力（量）是決對不相等的。換言之，除了在精心設計及嚴格操作的實驗中作為一個特例，牛頓第三定律并不成立。 然而，如恩格斯曾說道：“運動只在每一個吸引被別的一個與之相當?shù)呐懦馑謨敃r，才有可能發(fā)生。否則一個方面會逐漸勝過另一個方面，運動因而最后就會停止?！?/b>[10]就是說，盡管關于運動—相互作用的牛頓第三定律在內(nèi)容表述的直接性上并不成立，但作為關于運動邏輯的解析說明，卻在無意中道出了力和質(zhì)量于相互作用關系中的表現(xiàn)形式，或確切地說是表明了在恩格斯那里被認為是“吸引轉(zhuǎn)變成排斥和排斥轉(zhuǎn)變成吸引，在黑格爾那是神秘的”。[11]——物體在相互作用中的力與質(zhì)量的相互關系。 作用力等于反作用力！因為作用力直接即是反作用力！ 在關于慣性的說明中我已指出，在邏輯上物體具有力和質(zhì)量的雙重規(guī)定性，并必須在相互作用中實現(xiàn)完成其規(guī)定的現(xiàn)實性。這也是牛頓萬有引力定律未能能完全說明的精髓：任意物體（即擁有質(zhì)量又）都具有吸引他物的能力，所以才稱之為萬有引力。在今天，隨著物理科學及其統(tǒng)一論觀念的發(fā)展，物理學家們都清楚地知道，引力作用是通過場來實現(xiàn)完成的，因而引力場之由有重物作為中心所形成的對存在于其中任意物體的（吸引）作用力，其本身則同時是一個具有確定質(zhì)量規(guī)定性的實體。因此，根據(jù)萬有引力定律，物體在其存在的現(xiàn)實性中均具有相互吸引的性質(zhì)，但物體具有這種能力及其構(gòu)成質(zhì)量規(guī)定的確定性則必須通過它們之間的相互作用來實現(xiàn)完成。牛頓理論雖未能確切地表達出相互作用內(nèi)在的邏輯，但力的相互作用是發(fā)生在兩個（以上）物體間一種確定性的相互關系，則是不容質(zhì)疑的。即相互作用表現(xiàn)為是（兩個以上）物體具有力和質(zhì)量之雙重規(guī)定的一種確定性關系，而這里須要注意的是，所謂相互作用是指一種對抗性質(zhì)的兩個（以上）物體均作為力和質(zhì)量的規(guī)定性參予其中的相對關系，這就是說，所謂相互作用，在這里是表現(xiàn)為雙方同時產(chǎn)生并作用于對方的力。 首先按照牛頓的說法，某物對彼物的作用將使彼物產(chǎn)生一個對某物的反作用。就物體間的碰撞來說，一物去撞擊另一物因另一物具有質(zhì)量，故產(chǎn)生一種抵抗作用，雖也可說是一種相互作用。這一點在關于物體間碰撞的各種狀態(tài)的實驗解析及理論論證中已有充分說明，至于一物的作用力與另一物的反作用力相等的情況，則必須是事先經(jīng)過精密計算兩物體質(zhì)量及一物對另一物作用力、初始速度的大小才有可能發(fā)生。并重要的是，這種單純地用一物作用另一物來說明力的相互作用，顯然未能真正說明牛頓第三定律所要表述的物理思想。其次）如牛頓建立的萬有引力定律，相互吸引的真正意義在于所有的物體均具有吸引的能力。三）就概念或語言的定義而言，相互是指一種雙方主動參與的關系?！挥袃蓚€物體均作為主動者參與對對方的作用，才真正構(gòu)成了力的相互作用。 因此，對牛頓第三定律所表達的物理思想必須給予重新說明。有實驗經(jīng)驗的物理學家都很清楚，當一物撞擊另一物時，基于力與質(zhì)量的相互定義，此另一物確是產(chǎn)生了一個反作用力，但這個反作用力與它受到的作用力是否一樣的大小，則是取決于兩物體本身質(zhì)量的大小，以及撞擊物初始速度、作用力的大小。而當一重物去撞擊一輕物或一輕物去撞擊一重物時，兩物之間力量的對比是不一樣的，但無論是在那種撞擊中，都不會產(chǎn)生牛頓第三定律所說的情況：即一物的作用力與另一物的反作用力大小相等。如我已經(jīng)指出，力的相互作用是指物體在（相互作用的）對抗狀態(tài)中，雙方均是已自身作為力和質(zhì)量的規(guī)定性參予其中并作為“主動者”給對方施加作用（力）。因而，在這種雙方主動參與的相互作用中，不僅有某物對彼物的作用力令彼物產(chǎn)生一個反作用（阻）力；同時還有彼物對某物的作用力令某物產(chǎn)生一個反作用（阻）力。即如同萬有引力作為物體間的相互吸引的實質(zhì)：此一物吸引彼一物的同時，彼一物也吸引著此一物，而非是單純地某物“主動”吸引另一物、另一物則“被動”的受到吸引。如地球并非處在被吸引的被動地位——太陽因其有著巨大的質(zhì)量形成了一個引力場并因此對存在于其中的九大行星施加了引力作用；九大行星各自質(zhì)量同太陽相比雖然非常之微小，但作為具有質(zhì)量規(guī)定性的物體同樣亦對太陽施加了它們微弱的引力，并正是由于這兩種引力的相互作用，才使九大行星的旋轉(zhuǎn)運動能夠完成、實現(xiàn)。（對此我將另文《地球在滾動著……》中給予說明） 因此，在物理—力學的邏輯意義上來說，牛頓第三定律所表達的相互作用在力和質(zhì)量相互定義的關系中應為：A物對B物的作用力FA（因B物亦有一對A物的作用力故）等于A物對B物作用力的反作用力FA；反過來即同樣，B物對A物的作用力AB（因A物亦有一對B物的作用力故）等于B物對A物作用力的反作用力FB?；虼_切地說，一物對另一物的作用力等于此一物對另一物作用（力）的反作用力。至于相互作用中兩物體各自的力與質(zhì)量的大小是否相等，絲毫不影響它們在邏輯關系中的作用力即反作用力的規(guī)定性?！谶@里，物體具有力和質(zhì)量的雙重規(guī)定性，任意物體對它物的作用亦表現(xiàn)為一種雙重性規(guī)定：作用力與反作用力。由于這里的作用力與反作用力是一物體對另一物體于相互作用中的力與質(zhì)量的表現(xiàn)。因此，在這種相互作用中即存在著力量對比的對稱性：即同一物體在量度上相等的作用力與反作用力；同時還有一個不對稱的破缺性：兩物體各自相等的作用力與反作用力在力量對比上的不對等性。也就是說，在邏輯范疇中，兩物體于相互作用中表現(xiàn)為“對稱”與“不對稱”或“等量”與“不等量”的兩對四個力的交互作用關系。 對牛頓第三定律所述內(nèi)容來說，也即是在我們身處其中的現(xiàn)實領域（嚴格地說是地球引力場）中，由于地球引力場強大的約制力作用，因而在我們所能觸及感知的現(xiàn)實世界中，除了在物理實驗設計中，物體間的相互作用并不明顯。但在我們稱之為宇觀和微觀的世界，如天體間引力的相互作用、及原子領域里粒子運動力的相互作用，由于目前科學技術操作的限制，對這兩個領域，限于觀測解析與說明，它們處于完全的自然狀態(tài)，則恰好表明它們正是處在這種相互作用中。在前述中我曾提到，在太陽系中，太陽以其巨大的質(zhì)量所形成的引力場對所有存在于其中的物體（我們稱之為行星）產(chǎn)生一種引力作用，令它們均受制其吸引作用；反之，我們稱之為行星的九大星體，因其也是一個具有質(zhì)量規(guī)定并形成引力場的實體，盡管同太陽相比其質(zhì)量大小比差巨大，但它們作為這樣的實體同樣也對太陽產(chǎn)生一種引力作用。因此，在它們的相互作用關系中，太陽對行星的吸引作用，由于行星也對太陽有一個吸引（盡管很微?。?/b>作用，故太陽的吸引力同時亦表現(xiàn)為是對行星吸引的排斥力，并太陽對行星的吸引與排斥是一樣大小的。反之，行星對太陽的吸引則由于太陽的引力作用而同時表現(xiàn)為是一種排斥。并同樣這個排斥與吸引在量上是大小本等的。換言之，地球或九大行星并不因其質(zhì)量同太陽相比的微弱，而就處在一種完全被動的被吸引地位?！鳛閷嶓w或確切地說作為具有同一特征的由“有重物”形成的引力場，則是“地位”等同的現(xiàn)實存在。即如光速雖然有著所謂極限的位移量，但同我們在地球上所能觀測到任意小速度的位移量，除了有量的差別外，并無本質(zhì)上的區(qū)別：均是同具有同一規(guī)定性的“單位時間內(nèi)的位移”。 所以，晦澀的黑格爾哲學所謂引力轉(zhuǎn)變?yōu)槌饬?、斥力轉(zhuǎn)變?yōu)橐Φ纳衩苄再|(zhì)，并不真正地神密。引力之所以同時就是斥力，是因為在相互作用中，所有物體均是處在由相互吸引形成了一種對抗的關系中。由此，它們的相互吸引即可看做是一種相互排斥。（至于這種相互吸引或相互排斥是如何在質(zhì)量與力作用對比巨大的情況中，物體仍舊保持自身運動，如我們熟知的軌道運動，我將另文《地球在滾動著……》中討論。）
參考文獻： [1] 恩格斯《自然辯證法》[北京]人民出版社、1984年、第254頁 [2]《自然哲學之數(shù)學原理》[陜西]陜西人民出版社、武漢人民出版社、2001年、第10頁 [3] 引自《力學》湖南教育出版社，1985年1月，第58頁 [4] 黑格爾《邏輯學》、[北京]商務印書館、上卷，第73頁 [5] 黑格爾《邏輯學》、上卷，第70頁 [6] 黑格爾《邏輯學》、上卷，第51頁 [7]《自然辯證法》、第126頁 [8]《自然辯證法》、第96—96頁 [9]《自然辯證法》第261頁 [10]《自然辯證法》126頁 [11]《自然辯證法》第143頁 2011.6.1. |
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