易學與物理學

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:物理教育論文
論文作者: 周吉善
上傳時間:2003/4/30 15:36:00

易學與物理學,本來並不存在直接聯系,由于現代科學內部產生的新自然觀和新科學觀,使得一些科學家認為他們的新觀念的發展方向與東方古典哲學基本一致。其共識是,古典物理学的力學自然觀對於描述日常生活中碰到的現象是合適的;20世紀關於原子和亞原子領域的探究已经表明,我們的許多基本观念都應該改變,比如物質、時間、空間和因果關系等。這些基本概念的更新,必將會導致整個世界观的改變,美國高能物理學家卡普拉認為:过去數十年間現代物理學引起的這些變化,好象走向了類似東方的世界觀:宇宙的全部現象是一個不可分離的和諧的整體。不少人把這種現代科學發展趨向在某種程度上要求回到中國古代自然觀,稱之為“科學重新發現了易學”。《周易》的範疇體系雖說为中國傳統科學提供了宇宙秩序原理、方法論原則和科學观,究竟怎樣與現代物理學溝通,即是本文討論的核心。

一、易學自然觀

《周易》包括《易經》和《易傳》兩部分,實際上是上古巫文化化出的符號、周初時期占筮驗詞集錦和戰國末年理性詮釋的統合。作為《易傳》的十篇釋文已經完全脫离蔔筮,建立起一套以陰陽為綱闡釋變化的理論體系。漢興,《周易》作為官學傳習和研究的對象,被尊稱為“五經”之首;漢易已經納入阴陽五行學說,隋唐时期易學即以其理性向科學領域渗透;進而逐漸形成以符號系統與以陰陽為綱紀相結合的範畴體系和理論結構。

易學對宇宙的基本觀點是:陰陽相涵相因、流變會通,構成一個合諧互補的有機整體。

張立文教授在《王船山易學思想略論》〔1-191〕中指出:船山的本體哲学,統體會通於和合。所謂和合者,就是“陰陽未分,二氣合一,氤氳太和之真體”。《易傳》有言“形而上者謂之道,形而下者謂之器”,作者認定道器是虛實範疇,虛與實的主要差異在於隱與顯。“形而上者是隱也”,隱不是無,而是潛在,是形而下所以存在的根據。“形而下者是顯也”,指有形質的東西,“即形之成乎物而可見可循者也”。即此可知,顯指可見可循的事物和現象,隱指寓於“器”而起作用的现象背後更本質的東西;而隱又不是虛無,“道不虛生,则凡道皆實也”。從而推定道乃實存之體,得出道器交與為體、相涵相因、流变會通的兩系統結構論。

道和器的關系究竟如何?就邏輯上講,“形上者乃形之所自生”,因為凡器皆有形,由“形”邏輯上得出對應於“形下”必然存在著“形上”。就二者的主從關系講,“當其未形而隱然有不可喻之天則,天以之化”,依此概括二者的關系為:道是器存在的依據;道通過器而表現自己,一切顯性的運動變化之因皆源之於道。再就孰先孰後的角度講,是“理不先而氣不後”,二者既不存在先後、本末之別,也就從根本上排除了天理、神創的觀念。

張教授立足於人文(兼及自然)闡述問題,認為“王船山道器、氣關系,充分體現和貫徹了《周易》和合人文的精神”,本文专門討論自然而不涉及人文。依据形上學本體哲學,自然界的物理客體應該分兩類,即“形之已成乎物”和“未形”,二者的本質區別在于形下之“顯”和形上之“隱”。

小结:易學自然觀是兩系統結构論。從靜態角度講 ,“萬物(包括宇宙自身)負陰而抱陽,沖氣以為和”;從动態角度講,“陰變陽,陽變陰,其變無窮”。所謂的易,就是講阴陽變化之理的學問,即“易以道陰陽”。

二、兩種物理學理論

物理學作為一門學術的名稱,是從亞裏士多德的希腊文著作延續下來的,這個希臘詞的意思是探討自然的秩序和原理的“自然學”,亞氏又稱其為自然哲學。大約到18世紀中葉,由於學科內容的分化,自然史和化學從物理學中獨立出來,18世紀後半葉法國讨論過留下的物理學意味著什麽,結果是把物理学分為一般物理學和特殊物理學。前者指牛頓力學或由《自然哲學的數學原理》導出的以數學描述質點運動的傳统,後者包括聲、光、电、磁等廣泛領域。通常都把這種劃分說成是數學科學傳统和實驗物理學的分離。

1829年,泊松把当時法國物理學的思想傾向歸為兩類:物理力學和解析力學。他把前者的特征描述為“它的唯一的原理是把一切還原為分子運動,而這些分子是把力的效果從一點傳到另一點並保持這些力之平衡作用的核心”,即期望用天體運動的牛頓平方反比定律數學格式,精密地描述宇宙一切现象,稱牛頓範式;而後者則強調現象的解析格式,輕視對物理原因進行討論,稱非牛頓範式。1840年以後,牛頓範式的地位被非牛頓範式所取代;與之同時,拉格朗日原理被泊松和哈密頓予以發展,使力学成為完全分析的形式,並且以能量取代力的概念體系。本應該由之意識到“根本不存在纯粹的力學現象,實際上運動总是結合著熱和電磁的變化,它們也規定運動”〔2-9〕,從而結束牛顿的“力學神話”,可惜的是西方哲學沒有能夠為物理學提供合適的自然觀,以後的物理学就在迷茫中走了許多彎路。對两種範式的本質差異,一般都視为用幾何法還是用解析法的数學問題。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com

19世紀30年代之後,隨著實驗物理學的成熟,出現了實驗物理學和理論物理學之區分;物理學的理論又分原理理論和構造理論两類。前者是先使用分析法在經驗中發現自然過程的普遍特征(即原理),然後給出各種過程必須滿足的數學形式的判據,比如牛頓力學;後者又叫“假說—演繹”法,即先確立“想象的原理”(即“假說”),然后采用反證法通過由原理導出的結論對原理進行證明,給出的內容與經驗所顯示的現象吻合得愈多愈一致,特別是能够從假說來預言現象並得到證實,這種構造理論就愈成功。依據这種分類方法,一般都承認17世紀牛頓的《原理》和惠更斯的《論光》就分別代表了原理理论和構造理論。對這兩種理論劃分的依據主要在於思維方式,即前者采用分析法而后者采用綜合法。

三、兩類物理客體

牛頓的《原理》和惠更斯的《論光》,從近代物理學奠基開始,兩種截然不同的理論分別传承為兩種體系,即牛頓範式——原理理論,惠更斯範式——構造理論,其本質差異不在思維方式和數學形式之不同,也不在是采用數學方法還是實驗方法之別,而在於研究的客體分屬於根本不同的兩類。

以質量對物體進行計量,並假定質量都集中在一個質點,以相互傳遞力的作用描述运動,是牛頓範式的核心觀念;非牛頓範式研究的光、熱、電、磁等現象,都不能以质量進行計量,最終認识到了這種現象都與“能量”直接相關,並且以能量取代了力學概念體系。

而今首當其沖應該明確的是物理學根本就不直覺研究“物質”,正象無法品嘗水果一樣,因為二者都是抽象的類概念。物理學只研究質量、能量、電量、時間和空間之間的關系,兩種理論的適用範圍不同,前者是關於質量系统的理論,後者則適用於能量系統。以往不適當地把能量說成是物質运動的形式(如“能即運動”)〔3-526〕,是產生混乱的肇端。現代物理學已經確認物理客體分兩類:宇觀上有分立的天球和連續輻射,微觀上分粒子和场,粒子物理學分費米子和玻色子,理論物理學稱其為物質粒子和相互作用;物理学理論也分用質量計量和時空描述、用能量計量和位形描述兩個系統。“我们首先把宇宙的物質內容分成兩個部分:“物质”即諸如誇克、電子和繆介子等粒子,以及“相互作用”諸如引力和電磁力等等”〔4-38〕。當代著名物理學家霍金居然會說出如此不合邏輯的荒唐話,不難看出“物質”這個誤用概念帶來的混亂是何等嚴重。

物理客體不能用“物質”這个概念進行抽象和概括,而應该分為質量和能量兩個系統,二者的本質差異有3:1、分立和連續;2、有無靜質量;3、量傳遞時物理客体僅只振動而不發生運動方向的位移。確認能量系統存在的依據有5:1、德西特從廣義相對論場方程得出沒有物質的宇宙時空解;2、無限的(负能電子)海的發現;3、愛因斯坦說:“依據廣義相對論沒有以太的空間是不可思議的”;4、3K微波背景輻射證明“空間”不空;5、粒子物理學的實驗發現,絕大多數粒子為瞬息亿變的動態網絡。

“全〖ZZ(〗空間〖ZZ)〗充滿著相互作用着的各種不同的場”〔2-387〕,這種分布著某種物理量的空間,不同於經典物理學中作為参量的空間。“場從數学上表述了能量局域性概念”,“是一個具有無窮多自由度的動力系統”〔2-353〕。即此可知,一切自然現象虽表現為質量系統單元個體的運动和變化,動變之因卻源於能量系統的作用;而能量系統本身不通過作用于質量系統的效應也根本就無法觀測。 物理學早已將物理客體分為彌散態粒子和凝聚态物體,3K微波輻射發現之後,就应該從分類學的角度再增添一種連续態網絡;進而將彌散態粒子分為質量子和能量子,如此一來,物理世界圖象就會變得非常清晰。

物理客體分物體、粒子、網絡三類,分別用質量、電量(或荷質比)、能量計量;人類生活的現實世界屬於質量系統(從天球到原子乃至質子、電子),能量系统則是一切運動變化的動力之源;所有的共振態、復合态粒子均屬於能量系統的動態網络,只有那些穩定的能量子才有现實意義;不同能量子的有序組合構成信息(從質量系統講,傳递信息必須有載體,而對能量系統,信息和載體則合而為一,於此無暇展開討論),可以用於操作質量系統的變化和存儲一切自然現象。 免費论文下載中心 http://www.hi138.com

小結:物理客體分兩個系統三種態。质量系統和能量系統確實屬於“負阴而抱陽,沖氣以為和”的狀態;作為兩系統“中介”的彌散態,是演绎世間萬象的“大舞臺”;何以產生质量和電量,是現實世界存在的最根本機制。

四、時間和空間

無論哲学還是物理學,時間和空間都是一对非常重要的範疇,同时又是亙古至今爭論最多直到今天还沒有取得共識的兩個概念。16世紀之前,基本上没有留下多少值得關註的重要論點;牛頓為了創立完整的力學體系,不得不提出人類歷史上第一个時空構架。他認為物質是在絕對空間中運動,時間不跟任何物質對象相關、自身等速地在那裏流;時間和空間各自獨立互不相關。亦即是說時間和空間僅只是描述運動的參量。

現代物理學的發現則是:“广義相對論用空時結構的几何性質來表示引力場”〔2-328〕,場不但“是某種物理量的空間分布”,還是“一個具有無窮多自由度的動力系統”〔2-353〕。很顯然,時空結構應該被理解為改變物體或帶電粒子運動状態的作用量。

依據質能兩系統结構論看待,即使在牛頓力學體系中,時空結構也是作用量而不是描述運動的參量。比如牛頓力學的第一號自然力——重力G=mg,如果沒有g作用於m,物體就不會自由下落,很顯然g是使m自由下落的作用量。如果用電磁作用相類比,g可以被称為引力場強,其作用效應跟电場作用於電量沒什麽兩樣。自从發現了動量和能量守恒之後,牛頓力學方程基本上已經不再使用,足以说明牛頓力學非常片面,能夠溝通三个領域最基本的物理量只有動量和動能,根本就不需要力這個概念。

時間和空間究竟指什麽?答曰:二者分别是對能量系統單元個體持續性和廣延性的計量,恰如用質量計量物體、用電量計量帶電粒子那樣。

“空間一時間未必是一種可以認為離開物理實在的实際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間之中,而是这些客體有著空間的廣延性”〔5-112〕。愛因斯坦如果對中國古典哲學稍有理解,就會再說一句:這些客體还有著時間的持續性。這种“物理實在的實際客體”即指能量系統而言。

能量系統雖是連續态,探究其具體作用時卻需要量子化。假定其最小單元為h,由ε=hν=h/T可知,只要測出周期T,即可以知道具體的能量值,同理測出波長即可知動量。故而可以說时間和空間是對能量系統兩種属性的計量。

董光璧教授猜想對於不同的相互作用,應該“各有其時空結構”,是有道理的。用於電動力學的時空結構已經非常成功,“對於電磁相互作用,相对論提供的時空結構和量子論提供的能量結構,既在邏輯上自洽又與經驗相符”〔2-429〕;而對於質量,发揮作用的時空結構有ι2t -2和ιt -1两種,對行星的運行則有R3/T2=K。

小結:時空不是獨立的存在,而是用于計量能量系統屬性的概念構架。对於物體或帶電粒子,不同的時空结構作用於質量和電量可得能量和動量;對於能量系統,只需要用T和λ對基本單元个體計量,即是能量和動量。

五、兩種運動

讨論過物理學不應該使用“物質”這個哲學範疇,明确了物理客體分質量、能量兩个系統,確立了質量、電量、能量和時空是基本的物理量,并且弄清了時(T)空(λ)可以直接作為計量能量和動量的基本量,不同時空結構又分別是驅動質量或電量的基本作用量之後,還應該讨論一下運動形式問題。

亞裏士多德很早就提出自然運動和強迫運動區分之必要,物理学界至今都沒有認真对待。所謂自然運動,應該是不受人的幹預,不準附加任何人為條件的運動,比如自由落体、自組織系統的變化和行星運轉等(下文稱绝對運動);所謂的強迫运動當指人為增添了特設條件的运動,比如將物體擡高、摆鐘和日常生活中經常發生的許多運動。

牛頓力學除自由落體之外,幾乎都有附加条件,將運動定義為一個物體對另一個物體的位移,運動的基點建立在物體對物體的作用(即力)之上,並將物體看作一個質點等,基本上都屬於質量系统的相對運動。現代物理學發現的因果關系被破壞,基本上都產生於对絕對運動和相對運動的作用機制之混淆。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com

“一個鐘所處的引力勢越低(深),它走得越慢,而那裏發出的光在引力勢較高處去接收就會发生紅移”〔5-92〕,亦即是說原子鐘在那裏發出的光频率較小,周期變大。如果是摆鐘,依據T=2πL/g,由於g變大,周期就必然变小。兩種鐘的結果居然完全相反,基於什麽原因呢?這就恰好能夠說明相對運动和絕對運動的作用機制不同,显示的結果就必然會適得其反。由於原子鐘的頻率直接決定於能量子的頻率,屬於絕對運動;而擺鐘的周期則由作用量g與彈性勢的平衡決定,屬於相對运動,g變大時相對而言等於固定不變的彈性勢變小,故而鐘的周期亦隨之變小。 “量子理論和每一种合理的真實世界觀念都沖突”〔6-127〕;“量子力學改变了古典物理學的因果觀和實在论”〔2-328〕。這些观念產生於發現了絕對運动和相對運動效果迥異,感到困惑的原因是沒有樹立起時間和空間“不再是事件在其中發生的被動的背景”,“相反的,它們現在成為動力學的量”〔4-53〕,根源在於沒有突破“物質”一元論的樊籬。

問起廣義相對論場方程的意義,通常的回答是:“物質和能量要使時空向其自身彎曲”〔4-60〕,反過来彎曲時空的曲率又決定著物體運动的路徑。這種表述本來存在一個因果互易的邏輯循環,只需要將誤用概念“物質”去掉,就變成了非常明晰的單因(能量)決定單果(質量運動路徑)的關系。再如“勢函數V表示質量系統對空間任意點的引力作用”〔2-361〕,實質上則是勢函數表示任意時空点對質量的趨動作用。作用和被作用的因果关系弄顛倒的原因,许多都出在用相對運動的觀念去解釋絕對運動;產生這種觀念的根源又非常久遠和牢固,先是哲學上把物質說成第一性,繼而近代科學一開始就决定只研究屬於第一性的質量和重量,外加擔心宗教神學找麻煩,所有物理學理論就都必須把物質或質量說成是運動变化的起因。依據兩系統结構論,動因僅來源於能量系統。

宇觀上的星体都是絕對運動,很早很早之前就受到許多哲人的關註,他們的不少觀點由於跟相對運動的理論不合,都受到了冷遇。歐拉認為“一切物理过程都是以太與物質相互作用的結果”〔2-180〕,欧多克斯認為“日、月和行星分別固定在想象的勻速轉動的天球上,星體本身不動,它們隨著天球運動”〔2-51〕,笛卡爾的觀点更明確:“宇宙空間充滿媒質的旋渦運動,天體被媒質的旋渦推動”〔2-145〕;最直觀形象的描述莫過於那個陰陽互動的太極圖,那是華夏先民無數代人仰觀俯察智慧的結晶。天空中所有星系或星系團無不都是一個渦旋,其中不少渦旋的中心根本就找不到質量(被稱為質量丟失的暗物質)。很顯然這些涡旋都是能量積累形成的畸變時空,那些特定的R3/2=K的不同旋线上,都可能會有星體在做自然運動,根本就不需要什麽引力作為向心力,自然也就沒有必要去找切線力的源。

易學中雖說沒有“自組織”這個詞,王船山卻早就講清了自組织的作用機制。“陽變陰合,乘機而為動靜”,“二氣之動,交感而生,凝滯而成物我之萬象”,如果將質量子和能量子類比為陰陽,這種说法還滿有道理的。

小結:運動有相對和絕對之別。因果關系被破壞的原因大都生之於用相對運動的理論去解釋絕對運動,根源在於物質一元論不能作為物理學的哲學基礎。

六、唯物宇宙觀

科學思想作為文化的一部分,在相當長的时間內世界各地都是沿著自己的傳統在發展;從16世紀開始,隨着西方殖民主義的掠奪,希臘傳统的科學逐漸傳播到世界各地。如今所說的近代科学,主要指希臘科學傳統的擴展,其間也不乏阿拉伯、中國和印度等地科學成果的積累。物理學思想的发展在很大程度上跟古希臘哲學有著非常密切的關系,古希臘哲學的自然觀主張人與自然分離。

在古希腊文化傳統中,從公元1世紀基督教创立開始,就出現了理性和信仰、哲學和神學的紛爭,科學思想的發展亦被打上深深的烙印。基督教成為國教之後,“知識服從信仰”成為教會的基本準則之一,於是就有人提出“學問來源於經驗”與之抗衡。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com

基督教創立不太久,某些護教派發現那些愚昧貧乏的教義抵抗不住古希臘、羅馬文化,特別是哲學,就開始从古希臘、羅馬哲學中寻找為教義辯護的依據,从而發展出貌似科學的神學,進而宣布真正的哲学和真正的宗教是同一的和信仰先於理性的原則。中世纪的歐洲幾乎一切學术都在宗教神學的桎梏之下,自然科學也不例外,布鲁諾被活活燒死,伽利略遭受終生監禁,都因為他们的理論對神學不利。

唯物主義宇宙觀針對信仰先於理性提出物質第一性、意識第二性,自然科學總算找到了哲學基礎。由於近代科學確定只研究属於第一性的質量和重量,而不研究與感覺有關的第二性,即把意識範疇留給宗教,總算争得了一席之地。當我們立足於现代科學的成果和困惑,去反思物理學發展的歷史時发現,把物質和意識的關系視為全部、特別是近代哲學重大基本問題的唯物主義哲學,根本就不能作為物理學的理論基础。為了從神學桎梏下掙脫出来,選擇第一性、第二性之分的哲學雖說必要,終歸總逃不掉為臨時應付而“舉債”付出更高的代價。

物質和意識對立,對立的雙方是自然和人,這是古希臘自然與人分離自然觀的延續。這種哲学適用的範圍應該是人天系統,即探討的中心課题是人與自然的關系;而物理學则屬於純客觀地探討自然界的秩序和原理的學問,亦即是说它只研究物質和物質之間的聯系、相互作用和運動变化規律等問題,絲毫不涉及物質與意識關系的內容。故而我們认為,唯物主義宇宙觀雖說使物理学擺脫了宗教神學的束縛,而成為一门獨立的學科,卻不能做為物理學的哲學基礎。

自然界是一個有機整體,要探討其運動變化的規律,就不應該將所有的物理客體用“物質”一個概念概括。因為變化只能發生在至少兩種客體之间,如M→N和N→M;而M→M則是永遠无法觀測的。

“科學史界越來越多的學者认識到,站在現代科學的立場尋找歷史來龍去脈的做法有誤入歧途的危險,轉而采取從原來的境况中重新闡釋科學思想”〔7-2〕,不少人發現了《周易》中保留著自然学的原初形式,可以為科學發展提供有益的哲學啟迪。本人沿着這條進路摸索多年,學習探尋的心得是,物理學只有依据兩系統結構論的自然觀,才可以討論變與不變。

易以道陰陽;萬物負阴而抱陽,沖氣以為和;陰變陽,陽變陰,其變無窮;陽變陰合,乘机而為動靜;二氣之动,交感而生,凝滯而成物我之萬象——僅依據上述五句富涵哲理的格言,對物质、時間、空間、運動和因果關系等重要概念做一些簡要的剖析,就可以理出一條新的思路。如果依据兩系統結構論,對物理學的概念和理論進行一次新的整合與梳理,極有可能會將物理學帶出當前的困境。不當之處,敬請各位師長、同仁指正。

參考書目:

1、朱伯昆主编《國際易學研究》第三輯,華夏出版社1997年版

2、董光璧等著《世界物理學史》吉林教育出版社1994年版

3、《馬克思恩格斯選集》第三卷人民出版社1972年版

4、(英)霍金著《霍金講演錄》湖南科技出版社1995年版

5、倪光炯等著《近代物理》上海科技出版社1979年版

6、(英)霍金著《時間簡史續編》湖南科技出版社1995年版

7、董光璧著《易學科學史綱》武漢出版社1992年版

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