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无情的奥卡姆剃刀,神奇的上帝创世法则 — 论客观世界的简单性与复杂性

已有 3828 次阅读 2020-5-3 20:44 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

客观性原理(objectivity principle)是现实物理学的根本原理。客观性原理表明:物质运动规律是客观的,不依赖于观察者的主观意识。客观性原理的现实意义在于消除量子论造成的认识论障碍,引导人们关注物理理论中的主观因素并寻求解决方案。分析表明,物理理论中包含的主观因素有数学模型的抽象性、物理单位的主观性和坐标系选择的任意性。客观性原理的第一条规则要求物理理论模型具有客观依据,第二条规则要求物理方程与标度无关,第三条规则要求物理方程与原点无关。

客观性原理的标度无关规则用于消除物理单位的主观性,原点无关规则用于消除时空参考点的任意性,它们的操作规程简单而且明确。物理理论的核心概念集包括物质、粒子、空间、时间和相互作用,理论模型的客观性需要从部分和整体两方面把握。部分把握要求每个核心概念的定义都有物理内容和现实基础,整体把握要求理论模型具有简单性、关联性和有效性。例如,点粒子定义的是一个抽象几何体,物理内容主要通过相互作用表现,还需要引进质荷(质量)和电荷概念。弹性粒子的定义则包含质量、体积、弹性和运动等物理元素。弹性与质量守恒规则关联,质量、体积和运动则与相互作用规则关联。弹性粒子的相互作用包括质量吸引和运动排斥(或体积排斥。理论证明,运动与体积密切相关,物体体积反映了粒子的运动强度)。与点粒子相比,弹性粒子相对复杂。但是,弹性粒子的基本元素都有物理内容,而且与其它核心概念密切关联。波粒子(或场粒子)的基本元素(频率、波长、相位,等)也有物理内容,但是,波粒子的相互作用规则(势能或拉格朗日密度)非常复杂。与波粒子相比,基于弹性粒子构建的理论模型在整体上具有高度的简单性和有效性。

简单有效性是一种古典的“思维经济原则”,它有个形象的名称,叫做“奥卡姆剃刀”。这个原则宣称:如无必要,勿增实体。它主张只承认现实存在的东西,多余的空洞概念应当被无情地“剃除”。例如,弹性粒子是有(静止)质量和体积的三维物体。根据这一定义,奥卡姆剃刀首先剃光了规范场理论中的全部基本粒子,因为它们没有静止质量(规范场理论中基本粒子的质量是由局域规范对称破缺机制产生的,这个机制是堆砌在一系列假设之上的假设)。奥卡姆剃刀接着剃除了全部经典物理粒子,因为它们是点粒子,没有体积。弹性粒子是从宏观现实抽象出来的模型,现实物理学将其推广到微观领域,于是修改质子和电子为有质量有体积的弹性粒子。质子的质量是Mp = 1.6726216×10-27kg,电子的质量是Me = 9.1093821×10-31kg,它们的体积尚未得知,但是质子的质量密度一定大于电子。需要强调的是:现实物理学中的质子和电子没有电荷,现实物理学不需要电荷概念。质子和电子是两种不可分割的原始粒子,一切物质都是由质子和电子构成的,如同计算机中的全部信息都是{1,0}两个字符构成的字符串。为了增加趣味性,我们借用戏剧化语言来修饰这些冰冷的事理叙述:无情的奥卡姆剃刀先将万物割杀殆尽,只留下亚当(质子)和夏娃(电子)这对情侣粒子。顺手一刀又切断了联系空间和时间的纽带,颠覆了爱因斯坦精心架设的时空轨道。失去电荷外衣的遮蔽和时空度规的引导,这对情侣粒子茫茫然不知何物可依、何处可归。

那么,上帝(自然)如何再创世界,引导亚当夏娃情侣粒子重归伊甸乐园呢?这个问题带有强烈的神学和哲学色彩。但在现实物理学中,宇宙从简单到复杂的演化有着明确的规则和清晰的图景。上帝制定的演化规则就是粒子的相互作用规律,上帝描绘的演化图景就是物质的层次嵌套结构。弹性粒子的相互作用包括质量吸引和运动排斥。弹性粒子有平动、转动和振动三种独立的运动模式。在弹性粒子场论中,质量吸引由质量势(Φ)表征,运动排斥由动量势(A)表征。质量势和动量势都满足泊松方程,质量密度(ρ)是质量势的源,动量密度(j)是动量势的源。弹性粒子场的作用力包括梯度(平动)力、旋度(转动)力和散度(振动)力。梯度力表现为万有引力和静电力,旋度力表现为科里奥利力和静磁力,散度力表现为运动阻力。根据这些作用规则,质子和电子构成中子(如同地球和月亮构成的地月系统)、质子和中子形成原子核、原子核和电子形成原子、原子形成分子、分子形成分子团簇,等等。在更高的层次上,行星与卫星构成行星系、恒星与行星构成恒星系、恒星系构成如银河系这样的更大星系,等等。这样的图景称之为物质的层次嵌套结构。层次嵌套结构的一般模型是:顶层粒子image.png介层粒子image.png基层粒子image.png潜层粒子,其中image.png是集合论的包含符号。在创建世界的过程中,上帝的作用是设计规则(相互作用)、创造粒子(质子和电子)以及推动宇宙(让粒子动起来)。上帝的创世法术如此简单、如此神奇!当然,这是上帝干的活,绝非人力所及。

简单性是传统自然科学、特别是经典物理学的基本指导原则。简单性思想主要表现在三个方面:物质构成的简单性,运动规律的简单性和科学方法的简单性。从牛顿的“三大定律”到爱因斯坦的“逻辑简单性”标准,都认为自然受控于几条简单的运行规则。爱因斯坦说过:科学的伟大目标是从尽可能少的假设或者公理出发,通过逻辑的演绎,概括尽可能多的经验与事实。逻辑简单的东西不一定是物理上真实的东西。但是,物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西。本体论意义上的简单性是爱因斯坦坚定的信仰,认识论和方法论意义上的简单性则是他毕生追求的目标。

但是,人类的哲学思考在二十世纪末发生了重大变化。随着自然界在众多领域展现的随机性、非线性和演化特征,特别是试图统一物理学的尝试屡遭挫折以后,人们开始怀疑简单性的本体论意义,趋向于认同自然的复杂性。这种观念的变化导致了人们在认识论方面放弃了简单性原则,方法论方面不再从简单性和真实性出发,而是不断发明玄妙的物理概念和深奥的数学理论去描述复杂的现象与事实,以致现代物理学变成只有极少数人能够理解的玄学。

从始于简单的经典力学到困于复杂的现代物理学,其根本原因在于人类还没有认清世界简单性的物质本源,没有找到世界复杂性的根本原因。现实物理学坚持自然的简单性原则,结合还原论和整体论方法,实现了客观世界简单性与复杂性的统一。首先,根据客观性原理排除了物理理论中的人为主观因素。第二,将自然界的物质构成还原为质子和电子两种弹性粒子。第三,发展了运动状态理论和热力学理论,从还原论角度揭示了物体从微观到宏观的状态变化规律。第四,发展了弹性粒子场论,从整体论角度揭示了物体的相互作用和运动演化规律。现实物理学的结果确凿表明:物质的本源是简单的,物质的运动规律和表达形式也是简单的。自然界的复杂性和多样性都是物质相互作用的结果,是系统结构层次性的反映。现实物理学将客观世界的简单性与复杂性在本体论、认识论和方法论意义上统一了起来。

 

论文下载:(英文)image.png Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. 2020,20(3A):9-27

  (中文)  现实物理学纲要.pdf 



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