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标题: 透视牛顿构思“万有引力”的潜意识 [打印本页]

作者: taotum 时间: 2005-3-6 14:22 标题: 透视牛顿构思“万有引力”的潜意识

透视牛顿构思“万有引力”的潜意识
——《宇宙异变的先兆》节选

作者语：牛顿如何构思“万有引力”？只要你认真看完下文，300多年前牛顿的“潜意识”就在你脸前暴露无遗。当你认为牛顿也不外如此时，就明白爱因斯坦“相对论”在现实世界中除了“相对性”在意识形态方面还有些价值，其余的东西一文不值。

备注：《宇宙》全文已于2004年9月29日在http://www.taotum.com之“宇宙论坛”公开刊载，2005年12月22日即全文删除，要看就抓紧时间啦。

《宇宙异变的先兆》作者：劳锦全 2月22日

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古希腊的亚里士多德是第一个完整地提出及建立《物理学》理论体系的人。物理学主要是讨论物体在时空中的运动。他认为外力是维持物体运动的原因，物体运动速度的有无和大小，是由它是否受力以及力的大小直接决定，把力的作用和物体的速度直接联系起来。在16世纪以前，亚里士多德的运动理论成为解释自然界中各种运动现象的学说。

1543年，哥白尼的《天体运行论》提出的“日心说”宇宙体系，彻底地打破了几千年来占据人们思想的“地心说”的统治地位，使人们对于自然的认识产生了前所末有的思想革命，由此而引起了人们对于自然界传统认识的深刻反思。首当其冲的是对亚里士多德的运动学说理论体系提出挑战，这种挑战随着伽俐略《关于两种世界体系的对话》著作的发表而展开。伽利略通过《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》一文，对亚里土多德运动学说的自由落体定律提出不同见解，确立了新的落体定律，提出了惯性原理及力的相对性原理，从而建立了新的运动学说理论体系。伽利略认为，物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。物体不受外力作用时，在水平面上将永远匀速地运动下去。

笛卡尔则沿着伽俐略的惯性原理的思路更进一步地提出了惯性定律：“运动的本质是：如果物体处于运动之中，那么如果无其它原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，即不停下也不偏离原来的方向”。由此，笛卡尔突破了伽利略惯性原理所描述的物体只能在“平面上”运动的局限性，认为自然运动是在一条直线上进行。

我们在此不妨就亚里士多德、伽利略和笛卡尔的运动学说的不同观点进行讨论，剖析他们的本质。我们知道，运动学的本质：“生物认识自然的最基本的生命法则，体现就是生物适应和改变自然而生存的运动观念上”。不同的生命形式存在着各种截然不同的运动观念，站在人类智能进化的角度，理所当然地摒弃适应自然而生存的技能进化模式，完全是立足于以改变自然而生存的能力认知的生命观上。生命的法则赋予了运动学的规律性，这种规律性必须符合自然的最基本认识。

从生命的进化史来看，这种最基本的认识决定着一切生命模式、物种的繁衍生存及灭绝。因此，毋论是远古、近代、现代以及末来的人类史上，任何运动学说理论的建立，必然都是立足于改变自然而生存的智能进化的观念、意识上。这种观念、意识是不以人类自身的意志可转移。更为重要的是，任何一种运动学说的建立，其前提条件是：其理论的核心必须符合人类对于自然的先知先觉的感性认识，这种先知先觉的感性认识绝对不是某一时代、某一个人的产物，更不是所谓的科学理念的产品。自然、生命没有科学，因而感性、至善至美。虽然我们无从去考究这些先知这觉的感性认识的源流，但我们可以清晰地感悟到它是生命潜能的显现。可以这么说，人类对于自然最早的先知先觉的感性认识，就是昼夜的更替、四季气候的变化形成的潜意识。运动学说的首要任务，就是要合理地解释这些昼夜、四季运动的自然变化，其运动体系所阐述的核心理论必须符合这些自然变化所体现的天体运动的自然模式。无论是“地心说”还是“日心说”宇宙体系中，天体的运动都是周而复始地在同一空间、处所、间距出现和消失。理所当然地可以确定这些天体均沿着同一条轨迹作往返运动。很明显，这种往返运动类似于一个物体在围绕一个中心点作旋转运动。根据昼夜、四季的恒定变化，同样可以确定这些天体的运动速度是保持不变的。我们还清楚地看到，现实中只存在着无形性空间和有形性物质这两种形态共存，而地球（太阳）这物体就在空间中绕日（绕地）循环运动，因此，就象我们在日常生活中看见物体在平面上的运动取决于外力的作用这种运动模式一样，完全可以确定空间中天体的运动同样是受到外力的推动，而且这种力是恒定不变的，这从宇宙正处于一种和谐统一、至善至美的境界中可获知，否则，现实的一切也就不复存在了。由此可以确定，运动的本质：外力是推动物体运动的原因。还有什么比这更好的解释可以符合宏观上天体的运动模式以及微观上物体的运动模式。可见，亚里士多德的运动学说是比较直观且符合自然的本源，虽然他未能就外力是如何产生又是怎样推动天体运动等问题提出任何见解。

同一种自然现象在伽俐略看来却产生截然不同的说法。伽俐略是通过构思一个力学实验来进行论证的。他首先构思了一个斜面理想实验，第一种情况：沿光滑斜面下滑的物体将不断加速；第二种情况：沿光滑斜面上升的物体将不断减速；第三种情况：当物体放在一个既不向上又不向下的平面上时，由于不再有加速和减速的原因，物体将沿着这一无限长的平面永远运动下去。也即是说，物体的加速或减速是外力影响的结果，当一个运动的物体不受外力时，将永远保持匀速运动状态。

另外他又设想了另一个理想实验，一个物体由静止沿光滑斜面滑下，随后沿另一斜面上升时，最后将上升到它原来的高度。物体在上升的斜面上达到原来的高度所走过的距离随着斜面的坡度减小而增大。当坡度很小时，物体将走过很长的距离才能达到原来的高度。伽利略由此推论说，当这一斜面的坡度减小到零，即变为一个水平面时，物体将再也达不到原来的高度，因而物体将会永远向前运动下去了。伽利略在《两门新科学》中得出结论说：“我们可以进而指出，任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可保持不变；不过，这只是在水平面上发生的一种情形。因为在向下倾斜的平面上已经存在一加速因素，而在向上倾斜的平面上则有一减速的因素，由此可见，在平面上的运动是永久的。因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止”。这就是所谓的惯性定律。就这样，伽利略形成了和亚里士多德截然不同的结论。

以伽利略的运动学说用来解释宏观上天体的运动就有这样的说法，地球之所以能够周而复始地绕日匀速运动，是由于地球没有受到外力的作用，正是这一原因，才使到地球保持着原来的运动状态的恒定。那么，我们除了认识到地球能够维持目前运动状态的原因外，不禁要问：又是什么原因使到地球能够形成这种运动状态？伽利略也就无能为力了。在现实的世界中，伽利略的运动学说显得苍白无力，显然有违于我们日常生活积累的经验，一个物体（没有生命的物体）只存在着静止态，它只有在外力推动下才能运动。按照伽利略运动学说，在没有外力作用下，天体和物体应该都保持匀速运动状态，但是，现实中存在着天体运动和物体静止的相互矛盾。可见，伽俐略的运动学说未能完善地将天体运动与物体静止这两种不同的运动模式合理地统一起来。他只能通过力的相对性原理来解释运动与静止的矛盾。另外，匀速运动必须有一个平面的支撑才能实现这个先决条件，显然与天体在没有任何平面支撑条件下仍能沿着一条闭合曲线匀速运动的虚空状态不符，由此而产生了平面上的匀速运动轨迹与空间上的匀速运动轨迹根本不相符的予盾。上述存在的运动与静止、平面与虚空两个矛盾是伽利略的运动说无法解决的。正如我们接下来在万有引力章节中论述的牛顿力学定律一样，伽俐略所设想的运动学说，同样是平面运动作用力的体现。事实上，牛顿的力学观点亦只是伽俐略运动学说的延伸。

由此可见，伽俐略运动学说存在两个非常严重的矛盾，第一个矛盾：惯性原理产生的平面与空间之间的予盾；第二个矛盾：运动学的核心理论不符合现实中存在的物体运动与静止之间的矛盾。第一方面的矛盾首先被笛卡尔利用质点在坐标系上运动变化的方法突破。笛卡尔认为，任何物质的运动都可视为质点的运动，即是说在一个平面上运动的物体和在空间上运动的天体均可视为一个质点，任何质点在坐标轴上的运动可视为一条直线。就这样，在笛卡尔设立的坐标系的垫脚石中，平面上的匀速运动形式飞越空间，瞬间成为虚空中一切星体共同遵循的运动模式。第二方面的矛盾后来在牛顿力学体系中得以解决，而牛顿的运动学说理论的步伐则迈得更快、更弦妙。

我们在前面已讨论了牛顿三大力学定律，在这里没有必要再重复。牛顿是如何解决上述第二方面矛盾呢？牛顿在第一定律中提出，任何物体，如果不受到其它物体的作用，它就保持自已的静止状态或匀速直线运动状态。物体保持这种运动状态的特性，称为惯性。同时，确定了力的涵义，认为力是产生加速度的原因，而不是维持速度的原因。在伽俐略的运动学说中，只强调了物体在没有外力作用的情况下保持匀速运动状态，完全忽视了现实中物体除了“运动态”之外还存在着另一种“静止态”，而运动与静止状态是处于对立统一的共态中，这是自然界中普遍存在的最现实的运动规律。很明显，这一点是伽利略的运动学说理论体系中最大的缺憾。因此，牛顿首先在第一定律中弥补了这个缺口，使到惯性原理具有从空间到现实中都存在的运动与静止的协调统一性。在先后解决了上述两个方面的矛盾后，牛顿在伽利略、笛卡尔的基础上更进一步讨论了运动的变化。在第一定律的前提下，第二定律引入了加速度、质量这两个物理量。确定了物体的加速度与外力之间的同时性和正比关系，定义了物体的质量就是物体惯性大小的量度。牛顿通过第一、二定律的前期工作，为建立第三定律——万有引力定律铺就了信道。

让我们来分析一下牛顿是如何设想出万有引力定律的。先知先觉的感性认识告诉我们：对自然的认识，只要直觉的感性认识是最真实的时候，理性的思维模式则成为多余甚至变成谬似千里的误导者；当理性的思维认识主导一切，而直觉的感性模式一无是处的时候，人类的灾难也就接踵而来了。自然的变迁，生命的演化，时间在改变着一切。虽然时换势移，一切早已尘封，但是，人类对于宇宙的痴谜永远没有改变。五千多年前，古埃及金字塔的建造，凝结了多少人类对神秘宇宙的苦思冥想。相信古埃及时代，人类对于天体的研究已积累了丰富的经验，对于天体的运动是保持一种匀速状态的观点是应该清晰明确的。可以这么说，亚里士多德的运动学说理论体系只不过是对古埃及人对于天体研究成果的承托和发展。

天体的运动必然是受到来自空间的作用力推动，就好似日常生活中用力推动一块石头移动一样，否则，天体又怎么可能在空间中平白无故地运动呢？推动石头的力（其实是生命之力产生的平面运动作用力，没有这种生命之力，石头的位移根本不可能实现）就这样清楚无误地展现在面前，然而，推动天体（如地球）的力又是怎样产生呢？我们站在地球坚硬的土地上，眺望着虚无飘渺的空间，完全可以想象到一只无形的手在推动着巨大无比的地球在虚空中不断地作周而复始的运动，但无论如何我们都找寻不到这只无形的手。人类有智能认知以来，一直看不到推动地球运动的力所留下的任何蛛丝蚂迹。虽然没有任何依据证明推动地球的力存在，但直觉告诉我们：这种力是肯定存在的。亚里士多德的运动学说无疑正是基于这种源于先知先觉的感性认识所带来的设想。

二千多年过去了，伽俐略受到哥白尼“日心说”宇宙体系的影响，更认识到凭人类自身的力量是根本不可能找到推动地球运动的原动力，在地球原动力这个障碍天壁般无法逾越的情况下，如果继续强调外力是物体运动的原因，那么，只能停留在二千多年前亚里士多德的运动学说水平上，这岂不是表明人类对于自然的认知到了极限。如果要超越亚里土多德的运动学说，就必须迥避推动地球运动的原动力这个无法面对的难题，这样，地球匀速运动的模式就成为伽俐略选择的最关键性的突破口。在这种思想指导下，正如我们在前面所描述的伽俐略设想的两个理想实验的情况也就成为可能了。推动地球运动的无与伦比的原动力问题就在所谓的惯性运动的解释里轻描淡写地消弥了。简单地说，目前的地球是在没有任何外力的推动下在自发地、恒古地循环运动。这种结论多么令人不可思议呀。至于伽俐略一再强调的落体定律，无疑是将矛头针对着亚里士多德的落体定律，无论这些局部性的争论结果如何，都与运动的全局性无关。两者孰是孰非的问题，任何断语显然为时过早。

毋容置疑，牛顿深刻地认识到亚里士多德的运动学说与伽俐略运动学说之间的矛盾，意识到要在亚里士多德运动学说的基础上寻求发展，必须要首先解决现实中存在的寻求出推动地球运动的原动力问题。而这一问题穷人类一生恐怕也不可能触及。因此，沿着亚里士多德的道路走下去根本上是无路可走。衡量得失，伽俐略的运动学说独辟蹊径，其惯性原理的观点合理地解释了天体普遍存在的匀速运动这种现实性。在解决了伽俐略运动学说存在的两方面矛盾后，一个更之严重的矛盾随之产生：天体（地球）之所以保持匀速运动，是因为他们没有受到外力的作用，从而维持他们原来“既定”的速度运动。然而，在太阳系中存在一个事实，就是地球在不断地围绕太阳作匀速圆周曲线运动，这种情况与笛卡尔惯性定律所描述的物体是以同一方向、速度沿着同一条直线运动的方式完全不符。即是说，地球的运动轨迹是一条完全闭合的圆周曲线，而笛卡尔惯性定律的运动轨迹是一条无限延长的直线。这个矛盾非常明显地凸现了。只有解决这个最后矛盾，才能使到伽利略运动学说能够自圆其说。因此，笛卡尔提出了以太漩涡理论来说明天体的运动为什么不是惯性的直线运动而是圆周运动。但牛顿认为这种解释与开普勒的行星运动定律所描述的天体运动情形不符。显然，伽俐略运动学说理论体系的核心问题就在这里了，只有最终解决这个问题，才能将宏观天体与微观物体的运动和谐地统一起来。在这种指导思想的引领下，牛顿终于一步步地迈向万有引力的方向。

在日常生活中，通常我们都看到一种现象，两个人在进行拔河比赛，当他们的拉力大小一样、方向相反时，就会出现一种静止的匀衡状态。这种现象到处存在，比如两辆马车并行，当他们的速度一样，坐在马车上的人有一种仿似置身于一辆静止的马车上的感觉。这样，我们就可以得出一样结论，当物体与物体之间相互作用时，只要他们整体达到某种平衡，对于他们来说，就会构成一个静止或者匀速运动的平衡状态。在现实中出现的运动现象，为什么不可以用来解释天体的运动情况？基于这些设想，牛顿认识到：物体的静止或匀速直线运动的状态，不单只是在物体没有受到外力作用的情形下实现，还可以在物体与物体之间的相互运动达到整体匀衡的情况下实现。这样，牛顿终于寻找到解决地球为什么不停地围绕太阳旋转的原因。原来地球与太阳之间存在着相互作用力，这种力就是万有引力。地球与太阳之间的作用力达到整体匀衡，这样，地球不停地绕日作匀速圆周运动的运动模式就在这种万有引力的作用下建立了，并将万有引力模式引伸为宇宙万物的运动都遵循的原则。当牛顿明确了大方向后，接下来的任务就是如何运用力学上的数学原理的技巧去表达这些观点了，当然也就离不开通过一些简单的模拟之类的手法去演绎了，这样，脍炙人口的萍果堕地的经典故事也就得以上演了。在此，我们没有必要去从头描述牛顿如何运用力学、几何学等技巧去修饰其三大力学定律。事实上，只要你确定一个既定的目标，可以轻易易举地通过各种假设、定理、公式去演绎而成，那怕是最不可能实现的事实，总可以创造几条公式然后在纸上去兑现。

从牛顿的运动学说理论体系可以看出，一个更大的矛盾又呈现在我们面前。第一定律认为物体静止和匀速运动是由于物体没有受到外力的情况下产生，但是，第三定律——万有引力却是在物体与物体之间存在着相互作用力的条件下才能成立。在这里，物体之间的相互作用力与物体所受到的外力作用力是同一性质的力。简单地说：第一定律认为地球之所以匀速运动，是由于地球没有受到外力的作用；而第三定律又认为地球之所以围绕太阳匀速运动，是由于地球受到太阳外力的作用。犹如以子之矛，攻子之盾，这显然是极之矛盾。另外，万有引力定律还存在一个令人难以置信的结论，宇宙天体之间的大小、质量是非常悬殊的，但根据万有引力定律，它们之间的相互吸引力是大小相等、方向相反。这种情形类似于两个物体之间相互碰撞时产生的瞬时弹力，而以这种瞬时弹力的形式来演绎虚空中天体之间的超距吸引力是难以令人信服。当然，这些暴露的问题通过一些数学上的技术性修补还是可以勉强应付。最后，还有一个宇宙更深层次的核心问题：天体在虚空中运动的“支撑点”问题，牛顿的运动学说理论体系是难以企及。说真的，如果陛下有什么高见，请不妨亮一亮。试问：谁又能提出不同的意见来合理地解释以下问题：为什么地球围绕太阳不停地运动？这样，我们在别无选择的情况下，牛顿的万有引力定律无疑是最佳的选择。事实上，纵观这三百多年来物理力学的发展史，牛顿的力量影响至今，包括近代的爱因斯坦的相对论，如果没有牛顿运动学说理论体系的承托，相对论也就根本没有任何意义了。除非相对论能够另辟蹊径，从这种意义上说，伽俐略的伟大作用及历史意义是远远高于其后来者，因为他开辟了一片运动新天地。

牛顿力学上的基本概念，例如：惯性原理、力和质量的定义、时间和空间属性等等，都存在严重的混乱。在《原理》一书中，牛顿对惯性定律是这样描述：“每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态”。显然，为了使这一陈述具有意义，我们必须知道什么是“力”，也即是说应该先确定的“力”的精确定义。可是他对力就没有给出一个精确的定义。他虽确定力是使物体运动发生变化的原因，但这并等于告诉我们“力”是什么。实际上这只是一种空洞的循环论证。正因为慨念上的含糊不清，所以牛顿自已对“力”这一概念的使用也十分混乱，有时他把“惯性”称为“物质固有的力”，有时甚至把加速度称为“加速力”（例如：运动力来自加速力与质量的乘积）。对于“质量”，牛顿定义为物质之量，是密度与体积的乘积，可是他又说“密度相同的物体”是指那些惯性与其体积之比是相等的物体”。正如马赫在1883年批评的那样，牛顿在这里又一次犯了逻辑上循环论证的错误。牛顿力学中存在的基本概念的不明晰，这当然是由于惯性定律存在的矛盾性所致。直至现代，物理力学上的这种基本概念仍然是纠缠不清。

爱因斯坦的运动学说无疑是沿着伽俐略、笛卡尔、牛顿等人的足迹走下去，只不过是在数学异化所虚拟的漫无边际的空间中走得更之遥远。有鉴于伽利略、笛卡尔、牛顿等对于力、质量、惯性定律等定义的不明晰性，以及他们的运动学说的核心理论对于自然界各种运动现象的阐述存在着不可调和的矛盾。我们认为，沿着这些人类无法解决的矛盾所展示的道路走下去是不切实际的，也是行不通的，其结果只会令人类更之迷惘。我们又如何去理解相对论中的力、质量和能量的问题呢？这好比我们无法理解几何学上点、线和面之间的复杂关系一样，知其言而不知其所以言。在此，让我们作一个简单的比喻：质量好比人体，能量则代表人的体力，人体的活动是依靠体力来维持。按相对论质能式的表述，人体原本是由细胞组成的则变成由体力构成。质能式的矛盾是显而易见的，人体在活动中不断消耗体力，这只是表明了人体中蕴藏着体力，但这并不等于说人体就是由体力构成，更不能说人体只是体力的一种体现形式。人体可以转化为体力，体力又可以转化为人体，而速度是转化的前提条件，这岂不是极之荒谬的结论吗？

惯性定律无疑是亚里士多德运动学说与伽利略运动学说的分界岭。它本来就是一个极之予盾的东西，我们不妨用现实中存在的运动现象来加以分析。惯性定律认为：物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。物体不受外力作用时，将保持静止或匀速直线运动状态，即保持其惯性。我们先从太阳系天体运动的宏观角度观察，地球及八大行星均绕日旋转运动，由于各大行星自身的质量属性、与太阳的距离等等因素不同，因此他们自转和公转速度均不同，但是，他们都保持各自既定的速率在自转和公转的匀速圆周运动。我们完全可以下这样的结论：太阳系各大行星是一种惯性运动。这就意味着他们必须遵循惯性定律的“力”的原则，即他们没有受到任何外力的作用，这是令人难以想象的。惯性定律表明：宇宙空间成为一个一无所有的“力真空”状态，无数巨硕无比的天体竞然在虚空中惯性地漫游。他们均没有受到任何“力”的约束，却高度一致地有序运动，从而形成宇宙之美。难怪亚里土多德、伽俐略、笛卡尔、牛顿都认为宇宙的和谐至美是上帝的杰作，如果这个世界真有上帝的话，那么“惯性”就是上帝之上的上帝了，因为上帝要依靠“神奇的力量”来操纵一切，而它只需要一种我无法想象到的“不是力量的力量”来控制一切，这岂不是说，“惯性”即是上帝的灵魂了。

我们再从地球上物体运动的微观角度分析。我们看到地上的一块石头，它永远都静止不动，因为我们是站在地球这个参考系里，而事实上，石头与地球是一个整体，这个整体不停地围绕太阳运动。可见，我们不单只习惯上将地球参考系从宇宙参考系中分离开来，而且还人为地将石头从地球整体里分割出来，这就是物理学上所谓的惯性参考系的概念了。由于有了参考系的概念，物理学上力的相对性原理就有存在的价值了。以惯性定律的眼光，如何看待这块石头究竟是惯性运动亦或静止，如果说它在惯性运动，那么表明它没有受到外力的作用，如果说它静止，同样说明它没有受到外力的作用。而惯性定律认为，物体在没有外力作用下，保持静止“或”匀速运动状态。也即是说，石头只能呈现要么静止、要么运动的唯一状态，不可能两态共存。可见，力的相对性原理是不符合惯性定律关于力的运动性质的，因为，力的相对性原理是指明任何物体都处于运动与静止共存的“力”的运动原则。只要我们摒弃物理力学的条条框框，就会得出一个结论：石头是处于运动之中。那么，为什么我们又认为石头静止呢？这是因为先知先觉的感性认识在潜意识里暗示我们，而主导我们潜意识的是生命之力，因此，我们对于石头静止的认识完全是生命之力的运动结果。但同时，生命之力又引道我们透过石头静止的假像去认识石头运动的真实一面。当我们积累了这些石头经验之后，通常就以生命之力去认识世界的一切，这样，我们又潜移默化地回归到力的相对性原理的桎锢中，最终用生命之力去诠释自然之力了。---------------

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