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最近知乎上有人邀请我回答“杨振宁教授说「哲学从来没有影响过物理学」,你认为这句话对吗?”这个问题已经网上挂了两三年,已有不少人回答,例如赞同者认为“杨振宁、温伯格、霍金等真正的现代物理学家,普遍有个共同特点:极其反感外行的哲学家对物理学大而化之的指手画脚。尤其是温伯格,生前基本上一直在旗帜鲜明地怼这些伪哲学家们。所以他们说出这种话毫不奇怪。”
上面的说法显然是一种傲慢。我的观点如下,不一定对的,欢迎讨论:
这个问题应该是曲解了杨先生的意思,他的本意应该不是这样的。“哲学从来没有影响过物理学”的观点肯定是不对的,近几十年来基础物理没有突破性进展,就与缺乏哲学上的思辨有关。在论文《关于星系的两个重要经验关系的理论解释》中作者是这样认为的:“上世纪物理学界倡导的反对哲学思维、强调主观模型和数据计算的研究方式,正在钝化人们与大自然交流对话的灵敏神经。只有改变这种局面,才能促进基础物理学的实质性进步。”
现在每门学科都已经精细化和碎片化了,门户森严壁垒,井水不犯河水。这种状况导致专业学者的眼界非常狭隘,没有宏观视野,容易犯一些低级错误。例如为了解释星系的平坦旋转曲线和Tully-Fisher关系,提出了一些修正牛顿力学的方案。这些方案没有任何哲学和逻辑上的理由,本质上就是用含参数的简单函数来拟合观察数据,与星系结构毫无关系。这种方案也被很多人反复研究了四十多年,这就是典型的没有哲学脑子的结果。
再如哈勃观测定律V=H D,这实际上就是一个宇宙尺度因子函数线性化处理的结果。哈勃参数H相当于函数泰勒展式中的系数,不同红移处的展开系数是略有不同的。但这也被一些专家反复研究,认为是什么哈勃常数危机,还列为了的优选科研项目。其实,那些几代人为之奋斗的所谓标准模型,违反一些基本的科学常识,何尝不是这个水准。由此可见,哲学思辨和逻辑思维对基础研究是至关重要的,否则在那里瞎折腾而不自知,甚至还自鸣得意。
再如关于“同时性的相对性”的讨论,也涉及哲学和逻辑的思考,很难局限于物理学。时间概念是很复杂的。狭义相对论中的时间通常指的是惯性系中的时间坐标,不同坐标系中的时间坐标是不同的,是不能直接比较的。每个粒子的真实时间是它的原时,原时与坐标系无关,但与粒子的运动状态有关。宇宙存在统一的时间标准,这是客观的和唯一的,就是相对于宇宙微波背景静止的坐标系中的时间,和牛顿的绝对时间概念相近,宇宙学中的FLRW坐标系中的宇宙时是这个统一时间的平均化。详细讨论参见《同时性的客观性和唯一性》或者https://www.researchgate.net/publication/365769839_tongshixingdekeguanxingheweiyixing
关于这个问题和审稿有过较多的讨论,这种讨论往往比原论文更有启发意义。一些物理学家认为哲学对物理研究没有作用,这就是哲学讨论,现摘录如下。
问题:在论文中提到“空间坐标相对于宇宙微波背景是静止的”,宇宙微波背景不是物质,如何作为参照物?
回复:辐射存在多普勒效应,因此可以作为参照物的。举例说明:如果你有两个相同的激光笔,一个向前发射一个向后发射,如果两个激光笔相对你不动,你观测到的两束激光是同颜色的。如果两个激光笔相对你沿着第一束激光一起运动,你会发现向前的激光蓝移,而向后的红移。你用相对于你静止的两个反射镜把激光反射回来,就能检测了。所谓“相对于宇宙背景辐射静止”的坐标系,就是指在两个相反方向上辐射强度都相等的平衡点。
问题:相对论中能量等同于物质。平坦时空中不受引力干扰,也即不受能量干扰。而宇宙微波背景存在微波能量,其与平坦时空的差别如何消除?
回复:“相对论中能量等同于物质”表述不严格的,应该是物质都有能量,辐射是电磁波,当然是物质,也有能量。能量的定义与坐标系有关的,例如上面提到的两个激光笔。
弯曲时空具有两套“参考系”,第一套就是流形上的坐标卡,也就是广义坐标。另一套是每一点上的切空间,用局部标架表示,满足洛伦兹对称性。旋量场方程就涉及两套系统。
问题:引言第一段引用的火车遭雷击思想实验适用于狭义相对论。引言第三段及第二节的论述的也是狭义相对论中的内容。狭义相对论本身就是只阐释了“时间的相对性”,而没有阐释“同时性的相对性”。“同时性的相对性”只存在于广义相对论。作者应在广义相对论中寻找实验模型证明“同时性的相对性”不存在。
回复:狭义和广义相对论都是关于时空的理论,是能够同时用的,有时还必须同时用。弯曲时空中也有局部标架系统和洛伦兹变换,物理规律同时满足广义协变性和局部标架协变性。
“同时性的相对性”主要是狭义相对论的观点,就是所谓时间膨胀和尺度收缩的出处。图1是说明平直时空的同时面的,而图2就是说明弯曲时空中同时面的。这里的概念很微妙,我解释得很仔细的,这些问题值得深入讨论。
问题:第三节中,惯性系等价原理只成立于惯性系中。广义相对论中受引力影响,无法构建惯性系,所以等价原理不成立,所以不适用“物理定律的协变性”。
回复:我的论文中没有“惯性系等价原理”的说法,但物理定律必须同时满足广义协变性和局部标架协变性,例如旋量方程就涉及坐标和标架两套协变性。
问题:作者提出的同时性的客观性和唯一性的观点,根本不新鲜,这本来就是牛顿时空观的观点。
回复:流行的观点是“相对论否定了时间的同时性”,随便翻开一本狭义相对论教材就能够看到这种观点:相对论否定了牛顿时空观。我的论文的意义在于,在相对论的框架内,论证了同时性的客观性和唯一性。而在牛顿那里这是基本假定,也不符合洛伦兹变换,时间本身是不能变换的。
问题: “同时性的客观性和唯一性”与相对论的相对时空观完全不相容,但作者竟然采用洛伦兹变换推出这个结论。
回复:洛伦兹坐标变换变换是坐标系之间的对应关系,而时空却是客观存在,所有坐标系描述的是同一个时空,而坐标系只是人为的标签,可以因人而异。这里概念有点微妙,需要仔细想想才能明白,论文中反复解释过的。
问题:作者宣称揭示了现实时空只存在一个整体同时超曲面,但对何为超曲面并没有给予解释,也没有解释为何同时超曲面或整体同时超曲面。
回复:论文采用数学格式,每个观点都有详细论证的。顺着“结论”往下看,并理解论文所表达的意思就知道了。
问题:作者认为把观察者或被观察者等同于参考系,把坐标系等同于现实时空是一个认识误区。实际上,观察者或被观察者当然可以作者一个参考系,比如,观察者在地面上,那么整个地面就可以作为观察者所处的参考系,被观察者比如说是一艘船,那么同处船上相对静止的一切人和物也可以当做一个参考系。这是基本常识。完全是作者自己把坐标系与现实时空割裂开来,让其坐标系丧失了具体的物理意义。
回复:我说这句话的意思是“用任何坐标系描述这个物理过程结论都是一样的”,而不一定局限于观测者或者被观察者。详见原文解释。
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