——我对”<自然辩证法>能指导科学研究吗”的看法(之二)
作者：常春藤
本文简要回顾爱因斯坦冲破牛顿绝对时空观念,建立新的引力理论,说明当旧的理论碰到不可逾越的障碍时,只有不为经典所困的勇气才能引领重大创新的到来.
杨树森网友“<自然辩证法>能指导自然科学研究吗”(XYS20081130)一文,对我国半个多世纪以来,恩格斯<自然辩证法>(手稿)进入大学讲台,特别是改革开放三十年来把它列为理工科大学研究生必修课的实际效果提出质疑,这是时代进步的表现.这个质疑不是凭空而来,连续五十九年诺贝尔自然科学奖零记录是提出质疑的一个起因.由此质疑引出的讨论,不论是支持的或是反对的,都有利于问题的深入.
笔者在<空泛的哲学概念不能指导科学研究>(XYS20081105)一文中对杨网友的质疑摆出自己的观点:<自然辩证法>所总结的三大规律过于空泛,无法主导或指导自然科学研究.文中并以非欧几何的发现为例,说明只有敏锐的洞察力,敢于冲破传统的勇气,加以坚持不懈的探索,才能出现革命性的进展.但非欧几何那样的纯粹依赖逻辑推理获得突破的例子,不是科学发展的主流.历史上重大的科学创新大多是因为经典理论碰到了不可逾越的矛盾,那情况又会是怎样?其实当经典理论碰到了不可逾越的矛盾时,情况也不例外,若没有勇气同传统决裂,只求助于”背
颂经典,勤读愿著”,创新的成就永无出头之日!上个世纪初爱因斯坦否定牛顿的绝对空间概念,建立时-空因质量存在而弯曲的引力理论(广义相对论)过程表现得非常典型.对它即使作非常简要的回顾,也会对企图用时代相去甚远的经典指导自然科学发展的愿望有所提醒.在此愿写一点体会,作为对敝作<空泛的哲学概念不能指导科学研究>一文的补充.
一个学科当它已有的理论出现了新的矛盾而无法解决时,就会催生重大的创新,但它必须表现在(1). 它能解释(处理)原有理论能解释(处理)所有的问题;(2). 它能解决(处理)已经出现的原有理论无法解决的若干问题; (3). 它能预测人们根据原有理论所无法预测的问题.这些不可能是从现成经典中找到的.上个世纪初,牛顿万有引力理论出现巨大困难,爱因斯坦创建新引力理论(广义相对论)过程就是一个典型.
17世纪中叶牛顿从万有引力假设出发,用他发明的微积分算法证明开普勒发现的行星绕日运动三定律,是人类有史以来最伟大的成功,它让人类驱逐了来自任何方面的迷信,真正成为宇宙间的主人,但引力究竟为何物的拷问也形影相随:”引力从何而来”?”任何两个物体间的吸引力为何同它们的质量乘积成正比,同质心间距离平方成反比”?牛顿理论始终无法回答.到20世纪初,天文家发现离太阳最近的水星的绕日轨道,却不是如开普勒-牛顿的第一定律所说的椭园,甚至根本不是封闭曲线,这使完美的万有引力理论受到致命的一击,除了它的应用价值外,理论上的严密,表述上的完美一夜间全部崩溃. 一个要求产生更新的宇宙学说的时代来临.
对此,德国年轻的爱因斯坦对引力的现象作完全不同的考虑.他抛弃从古希腊欧几里德到17世纪的牛顿把宇宙空间看成一无所有的空间,只是有质量的物体,彼此在引力吸引下运动着的观点,认为空间,时间,物质互相关联,组成一维的时间t同三维空间x-y-z,构成的四维时-空,它的曲率(四维度量空间的黎曼曲率)不再为零(非欧空间),而任何质点在这度量空间中依照”最小作用量原则”沿一条由初始条件(位置,方向)决定下的最短路径(空间的测地线--Geodesic Line)行走.于是行星在太阳质量影响下的绕日的轨道,就应该是四维时-空的一条测地线,如此,万有引力的假定是”纯属多余”的了.
爱因斯坦的时-空观念,无法从任何哲学家,思想家得到支持,是空前大胆的.然而再好的新观念,必须首先能解开牛顿理论碰到的矛盾,这需要特殊的数学技巧加以验证,否则依然只是高度前卫的哲学探讨.
爱因斯坦的信念是:任何物理定律的成立同观察者处于何种运动状态无关(广义相对论名称的由来).写成几何语言,即在含有质量的四维时-空中,物理定律(方程的成立)叙述的内容都应该是几何物(Geometric Object),同坐标选取无关.当然包括”空间是弯曲的”(即空间曲率不会零),”质量沿最短线运动”等,都同坐标的选取无关(即同观察者所处状态无关).爱因斯坦需要能在一般坐标系上展开的数学手段,微积分运算变得十分冗繁,也没有现成的数学可供使用,他碰到了牛顿当年必须创造新的计算方法(微积分)的问题.
幸运的是:爱因斯坦竟无需如牛顿那样从头创造类似微积分的新算法,其实在他形成含有质量的非欧时-空概念前,计算三维(和三维以上)的度量空间的曲率--黎曼曲率问题,德国数学家黎曼已在一般度量的情况下完成(后称之为黎曼几何),它是现实世界中两维曲面的高斯曲率的推广,而且意大利数学家里契(Ricci)和列维-奇微塔(Levi-Civita)用张量分析方法处理曲率计算,建立了一套名为绝对微分计算(Absolute Differential Calculus)的法则,诠释黎曼曲率的含义,这正是爱因斯坦所需要的.爱因斯坦在他的朋友(格罗斯曼)的帮助下,熟悉了这套计算程
式(他也有改进),写出了在弯曲空间的运动方程(世称广义相对论的场方程).而在行星绕日运动情况,方程的解的无穷级数展开后的最初两级近似就是牛顿的中心引力场方程,至此爱因斯坦四维弯曲时-空观念把牛顿得到的行星绕日的轨道定律成为他的近似结果,揭开了万有引力理论无法解释的水星绕日轨道并不封闭的秘密,万有引力成为多余,没有它,宇宙规律更完美.
在特殊的质量密度分布情况,爱因斯坦场方程的解有奇点现象,即某些区域的测地线通过某一个点,其物理意义是:星际运行轨道在某种质量分布情况下,会出现奔向一个点的现象,连光线也不例外,爱因斯坦由此预言宇宙间”黑洞”的存在,这是牛顿理论所没想到的,已有天文观察获得证实.至此,爱因斯坦广义相对论的时空因质量存在而弯曲的理论,能够解释(处理)牛顿理论所能解释(处理)的问题;能解决(处理)牛顿理论无法解决的问题;能预测牛顿理论无法预测的问题,达到了完全的成功.
有意思的是:爱因斯坦的时-空理论说明我们生活的空间实实在在的是被人咒骂的,连大数学家高斯虽然发现了它,也不敢承认的非欧空间.谁能想到这大逆不道的怪物竟是我们周围无处不在的真实.
爱因斯坦空间弯曲理论的成功,再一次说明,冲破旧矛盾建立新的理论,不能指望在原有理论的框架中实现.事实上爱因斯坦出世的年代,牛顿的<自然哲学的数学原理>一书已经引领世界科学进步三百多年,贡献之巨,无与伦比,但爱因斯坦明白他的计划不可能从该书找到支持,他必须另辟蹊径,如此,他终于完成罕世伟业.
我不是在评述爱因斯坦,只是在努力体会科学巨人的品格:锲而不舍的思索,无畏的创新,这些都不可能从”熟读经典原著”,”背颂普适法则”所能做到的. 爱因斯坦若在传统面前有半点依赖,半点犹豫,现在的科学就不是这种样子了.
爱因斯坦的成功,更是我们科学发展的一面镜子:科学创新不能困于原有经典哲学框架,更不能规定某种定势思维.
中共中央号召:”创新是一个民族进步的灵魂。中华民族是有这种灵魂的。创新也是国家兴旺发达的不竭动力”(江泽民在<八六三>计划实施十周年大会上讲话). 这个讲话帮助人们清醒地盘点我们发展科学思维走过的路.
中国从改革开放起,即成立了全国性的”中国自然辩证法研究会”,全国31个省区有30个省区也相应成立”自然辩证法研究会”,任务很明确--”以马克思主义哲学为指导，探索自然界和科技发展的普遍规律”(“中国自然辩证法研究会”网站所作的简介),更通过对理工科大学生讲授恩格斯的读书笔记<自然辩证法>(手稿)来指导科学创新.毫不夸张地说,中国早已拥有全世界公认的”规模最大,水平最高,经验最丰富”的自然辩证法研究和教学队伍.但现在建国已五十九年了,为一代一代的大学生引入<自然辩证法>教育也五十九年了,却连续五十九年诺贝尔奖为零.在这样不愉快的记录面前,作为科学思维的指导,恩格斯写于一百多年前的那部读书笔记--<自然辩证法>,同当前时代是否有点脱节?能否指导我们占世界人口近四分之一的大国的科学创新发展?这样的问题在已经付出的学费面前,应该认真的思考了.
