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思维的层次

胡昌伟 张操

上海市老科协双创委

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内容提要:科学理论的发展需要思维层次的逐步提升。通过对两种不同性质的时空观等的分析,表明它们对应着不同的思维层次;并进一步指出,颠覆性创新需要新的思维层次。惯性思维是对原有思维层次的固守,会阻碍科学理论的发展。举例描述了惯性思维的不同表现形式及其作用。对思维层次的发展提出了若干看法。

关键词:思维,思维层次,颠覆性创新,惯性思维

1、引言

思维是大脑的功能,它是在表象、概念的基础上,进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程;它涵盖了人类所有的认知或智力活动。由于看问题的视角不同,研究的对象不同等等,思维过程中的表象和概念的性质会有所不相同,这就是思维层次的不同。人类的知识相当丰富,门类繁多,这显示了我们的思维是多层次的。即使是同一门学科,由于研究范围的延伸,条件状态的变更,也要求人们的思维层次作相应的调整。科学理论是思维的系统性的结论,科学理论的发展需要思维层次的逐步提升。我们将通过物理学的事例来进一步阐明思维层次的意义。惯性思维是固守一种思维层次的表现,是孳生“偏见”或“先入之见”的温床。

霍金对“现实”的看法,涉及到了思维的层次问题。他在一篇与他人合写的文章里说:

“金鱼看见的世界与我们所谓的‘现实’不同,但我们怎么能肯定它看到的就不如我们真实?据我们所知,就连我们自己说不定终其一生,也在透过一块扭曲的镜片打量周遭的世界。 在物理学中,这个问题并非纯理论空想。实际上,物理学家和宇宙学家发现他们自己眼下的处境和金鱼差不多……每个理论对于‘现实’ 都有一套自己的描述,就像透过它自己的圆形鱼缸观察世界一样。”[1]这段话含有这样的意思:金鱼眼中的事物表象和概念同我们感觉到的不一样,因此,如果它们能思维的话,其层次不同于我们的思维层次。那么,根据智慧金鱼的思维层次,能得到怎么样的理论呢?霍金没有进一步研究。这是个很有趣,也有一定意义的问题,我们就此入手,来进行有关思维层次的探讨。

2、智慧金鱼的时空观

时间和空间是物理学的最基本的物理量,我们就来描述一下智慧金鱼的时空观。它可分为两部分,一是金鱼描述鱼缸外世界的时空观;二是金鱼描述鱼缸内世界的时空观。

 

图1 金鱼的缸外时空观

 

以光来观察世界,金鱼看到的鱼缸外的景象显然与我们看到的不一样,因为,玻璃和水会折射光线。为简单起见,我们假设鱼缸是折射率与水一样的透明的平板塑料构成。如图1所示,EF是鱼缸的平板塑料;A、B是两条金鱼;C是鱼缸外的一个物体的位置。金鱼A眼中的这个物体位于C;而金鱼B眼中的这个物体位于D。如果鱼B向鱼A游去,那么,它眼中的这个物体也会随着从D点向C点运动。这就是说,鱼缸外不动的物体在游动的鱼儿看来是运动着的,而且如果金鱼B进行的是匀速运动,D点进行的却是变速运动,因为D点的位置与折射角有关,而折射角会随着鱼B的运动而不断地变化。这显示鱼缸外的物体,在不同视角的鱼儿看来,它的位置、形状和运动状态是各不相同的。这表明金鱼的时空标准会随着它所处位置的不同而变化,即金鱼的时空观是局域的。

现在来考虑智慧金鱼描述鱼缸内世界的时空观。如果鱼缸内水的密度是均匀的,且始终不变,那么,它们的时空观与我们日常的,低速、宏观环境中的绝对时空观基本一样。然而,一般流体的密度或多或少是会变的。非均匀介质是变折射率介质,其中的光线会向密度较大的方向弯曲。如果鱼缸内水的密度分布是不均匀的,那么,鱼儿的时空观也将是局域的。如图2所示,水密度的大小用颜色的深浅来表示,鱼B发出的传入鱼A眼睛的光线所走的路线是弯曲的(当然,实际上这样的弯曲非常微小),因此,鱼A会误以为鱼B是在C点;如果鱼A游起来,C点会随着变动。另外,鱼在可压缩性流体中移动时,会改变它周围流体密度的分布,这也会影响它的时空观。

 

 

图2 金鱼的缸内时空观

 

总之,鱼缸时空观的一个基本特征是局域性,它与我们日常的牛顿时空观迥异,两者是不同构的。我们不能用通常的思维层次去理解智慧鱼儿的时空观。造成智慧鱼儿时空特殊性的,是一个它们自身难以意识到的“水对视觉的影响”这个因素。

3、对应不同思维层次的两种时空观

大家知道,绝对时空观可以用伽利略变换(1)来表达:

(1)

在伽利略变换中,时间间隔和空间间隔是不变量,即时、空标准绝对不变,这是绝对时空观的最基本的性质。由于时、空标准的不变性,我们可以在任何地方建立一个刚性的三维坐标系和一维的时间轴,它们就是绝对时空观中的一个可计量的时、空的数学表达。

相对论性时空观突破了时空标准的不变性。狭义相对论的时空仍然是欧几里得平直空间,但它的坐标轴和时间轴不是刚性的,它们会随着运动速度而伸缩;而且,坐标轴和时间轴不再相互独立,时空已混为一体,成为四维几何连续体。洛伦兹变换(2)就是对这种时空观的数学表达:

(2)

广义相对论还进一步指出:时空标准会随着引力势而变化。

那么,我们是否可以导出智慧鱼儿时空观的数学表达呢?对于鱼缸外世界的时空观,因为这涉及鱼缸的材质、形状等等不确定因素,难以作出统一的数学表达;对于鱼缸内世界的时空观,则是有可能的。

众所周知,空间的均匀性是一条在绝对时空观和相对论性时空观中都成立的宇宙学原理,它在鱼儿的时空观里也应该成立。水是鱼的生存空间,我们可以假设:在鱼的时空观里,水的分布是处处均匀,各向一致的。这意味着水的密度不会变化,或者说水是不可压缩的。而在我们日常的绝对时空观里,水或多或少是可压缩的。因此,我们推导鱼儿缸内时空观的步骤是:求出将可压缩性流体转换成不可压缩性流体的变换式,把它代入表达绝对时空观的伽利略变换(1),导出的就是表达鱼儿时空观的表达式了。这个推导过程很简单,但结果却出人意料:表达鱼儿时空观的表达式竟是洛伦兹变换式(2),只是其中的C不是光速,而是水中的声速!(具体推导请参看[2])

这里印证了霍金的猜想:“我们自己说不定终其一生,也在透过一块扭曲的镜片打量周遭的世界。”是的,正如鱼儿在透过水看世界一样,人类也在透过某种特殊的流体看世界。这种特殊流体是什么呢?相对论的普适性要求它是无限分布的超流体,而且它的声速就是光速,因此,它只能是物理真空!现代物理学已充分显示:真空不空,物理真空是一种特殊的介质。我们称物理真空为“以太”,并在洛伦兹变换的流体力学导出的基础上提出了“可压缩性以太论”[2]。

一般认为,时空是唯一的,牛顿的时空观是相对论性时空观的一种近似表达。由上可知,这种看法是错误的,绝对时空观和相对论性时空观是两种不同性质的时空观,前者是与任何介质无关的纯粹的真正的时空观;而后者是充满了真空态介质以太的时空观。在宏观、低速、弱引力场的情况下,以太的作用微不足道,绝对时空观可以成立;在微观、高速、强引力场的情况下,以太的作用明显了,相对论性效应就显现出来了。实际上,相对论性效应都可归结为宏观以太的密度变化效应。另外,我们认为,量子性理论是由微观以太造成的,这方面的情况比较复杂,在此不作详述。

实际上,牛顿物理学和相对论之间不只是时空观的差异,在物质观上也有差异。在牛顿物理学里,一个物体的质量不会随着运动速度和位置的变化而变化;而相对论告诉我们,物体的质量会随着速度和引力势而变化。时空观、物质观等的差异,充分表明:绝对时空观和相对论性时空观是两种不同性质的时空观,它们对应着两种不同的思维层次。

4、颠覆性创新需要新的思维层次

从量变到质变是事物发展的一条规律。在科学的发展过程里,量变是人类的思维在同一层次里的推进过程;而质变则需要人类的思维进入新的层次。

在物理学的发展过程里,相对论和量子力学的诞生都是颠覆性创新的结果,是种质变。它们的基本方程,不可能在牛顿力学的基础上,通过纯粹的形式逻辑演绎出来。爱因斯坦的颠覆性创新在于提出了2个前提性的原理——相对性原理和光速不变性原理,在这基础上导出了洛伦兹变换;量子力学则是在量子假设、二像性假设等等的颠覆性创新的基础上发展起来的。这些前提性的原理和假设,就是思维突破原有的层次,跃居新层次的表现。

在各种现象的基础上,人类有着广阔的想象空间,或者说,人们的思维具有丰富的层次,但只有能够与现实相耦合的思维层次,才有实际意义。通过提出前提性的原理或假设来建立颠覆性的新理论都是尝试性的,其正确与否,关键在于新的理论数据是否能够与实验数据相吻合。相对论和量子力学成功的背后有着许多的失败尝试。

俗话说:条条大路通罗马。我们的洛伦兹变换的流体力学导出过程,与爱因斯坦的方法显著不同。我们的推导不需要前提性的原理或假设,在这里,导致时空观发生“质变”的是基于一种物理变换,即将可压缩性流体转换成不可压缩性流体的变换。显然,引入物理变换的逻辑不是纯粹的形式逻辑,它包含了事物之间的一种物理关系,可称之为“物的逻辑”。

爱因斯坦提出的原理,相当于欧几里得几何的公理,相对论是一种公理体系。公理是无法证明的最基本的道理,因此,在相对论中有许多问题难以追根问底。于是有人认为:相对论不需要物理机制,正确的,即理论数据能与实验数据相吻合的数学模型就代表了现实。显然,这种看法值得商榷。众所周知,数学公式有一定的抽象性,比如,等式1+1=2,它可以表示一个人加一个人等于二个人;也可以表示一个苹果加一个苹果等于二个苹果;如此等等。所以,缺失物理机制,不是相对论的高明之处,而是其不足的表现。我们的包含“物的逻辑”的洛伦兹变换的流体力学导出,指出相对论不是没有物质基础的空中楼阁,它的物质基础就是以太。我们可以在绝对时空观的基础上揭示相对论的物理机制。这里显示:思维的层次与思维的形式之间也是相辅相成的;同一思维层次的思维也会有一定的“维度”差异(独立参数的不同)。

5、惯性思维阻碍科学的发展

在物理学中,任何有质量的东西都具有惯性。思维当然无所谓质量,但它也有一定的习惯于原有套路的惰性。所谓惯性思维,就是固守原有思维层次的表现。新生事物的成长往往会遇到自身或他人的惯性思维所造成的阻力。马克斯.普朗克提出了量子假设,这被视为是诞生的标志,但普朗克本人却一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下。相对论从诞生之日起,对它的质疑始终不断,其中有对它适用范围和欠缺的合理质疑,但更多的是源自牛顿力学的惯性思维。

惯性思维阻碍新生事物的道理,大家都很明白。不过,新生事物成为了主流理论后,也会形成新的惯性思维,对于这一点,人们的认识是欠缺的。而实际上,对流行的主流理论的盲从,是一种很有害的惯性思维。

有一个简单的问题:电能的传播速度是多少?许多人的回答是:真空光速。对此,我们进行了不同电路参数的上百次实验,发现:电能传播速度会随着电路参数而变化;在大多数情况下,该速度小于光速,但在特定的电路参数下,电能传播速度可以远超光速[3][4][5]!我们的实验简单可重复,但许多人囿于相对论的光速极限的说法,而不予理会。实际上,我们认为电的速度可以超光速,这并不是对相对论的否定,而只是认为:相对论与其他物理学理论一样会有一定的局限性,超光速超出了相对论的适用范围。正如超声速不会让我们听到过去的声音一样;超光速也不会让我们回到过去而颠覆因果关系。

如果把事物的发展称为从低级到高级的递进,一般的惯性思维的阻碍表现为低级的惯性思维对高级思维层次的阻碍。那么,高级的惯性思维有可能会妨碍低级的思维层次吗?这个问题看起来有点不合逻辑,其实是可能的。这方面有一个实际例子:

直流电路的电能传输,本来的描述很简单:电能在电路里传输。但在大学教科书里,有人认为原来的描述太低级了,就改成用玻印廷能流来解释:电池向周围空间输出玻印廷能流,该能流再从电路外进入电阻等用电器。对于这个问题,我们专门撰文指出:在稳定的直流电路外,不存在玻印廷能流[6],因此原来的描述才是合理的。

6、思维层次的发展

随着人类认识的提高,思维层次也会相应提高。以物理学为例,纵观其发展的历史,结合上述的有关分析,我们可以对物理学思维层次的发展进行一种概括性的描述。

古代的自然哲学是物理学的前身,它是在可见现象基础上的联想,其思维层次就是“眼见为实”,即它的基本概念都是可以直接看到的东西;牛顿站在伽利略、开普勒等等巨人的肩膀上,建立了牛顿物理学,描述了时间、空间、质量等等物理要素之间的定量关系,其思维层次是“绝对时空观”,即这些物理要素都与任何介质无关;以相对论和量子力学为基础的现代物理学,它的思维层次则是“以太效应”,因为现代物理学的基本物理量都与真空态的以太有关联。

当然,对思维层次的划分不是唯一的,上面对物理学思维层次的分类是一种“粗分”。对事物不同的侧面,不同的视角,不同的标准地进行层次的区分,会有不同的结果,但随着事物的发展,人类的思维层次必然会不断地发生变化。

我们要克服惯性思维,促进思维层次的发展。这说起来容易,做起来难。记得有人说过:看人家的论文,要先“钻进去”,搞清楚作者的基本思想脉络,然后钻出来进行评论。这种态度应该提倡。每个人,或多或少难免会有一定的偏见,但许多人没有认识到这一点,因此,他们往往以批判的目光去审视别人的论文。这实际上是带着有色眼镜看问题,容易出偏差。

包容是促进思维层次发展的一个正确态度。创新,尤其是颠覆性的创新,难以用一般的逻辑推理进行解释,开始往往被视为是错误的。因此,对于看来是错误的东西,我们可以批评,但不要一棍子打死。有包容才会凝聚百家;有包容才能绽放新芽!

现在,学术交流的形式多种多样,许多学术群热闹非凡。然而,学术不能追求热闹。有不少人热衷于碎片化的讨论,他们往往围绕片言只字即兴发挥,泛泛而谈。在这样的场合中,创新思想会出现,但也会中伤、淹没。学术上应该多一些严谨和深思熟虑,多作论文交流。历史上著名的爱因斯坦和玻尔的论战,主要是通过论文进行的,提出了EPR佯谬等等问题,促进了量子力学思维层次的巩固和完善。这种真诚、严谨的论文交流形式,值得提倡和发扬。

 

参考文献

  • 斯蒂芬霍金,莱昂纳德·蒙洛迪诺,真实世界的“真实”,环球科学,2010/11.

[2]胡昌伟,可压缩性以太论,现代物理, 2017, 7(4): 112-133.

[3] 张操,廖康佳,樊京,导线中交流电场时间延迟的测定,Modern Physics 现代物理, Vol.5, 29-36,2015。

[4] 张操, 廖康佳, 交变电场速度测量的物理原理,《现代物理》,Vol. 5 No. 2 ,35-39 (March 2015).

[5] 张操,廖康佳,申红磊,胡昌伟,交流电超光速的实验研究,《前沿科学》,Vol. 11,(Mar. 2017) 67-72.

[6] 张操, 胡昌伟. 坡印廷定理的再思考[J]. 现代物理, 2018, 8(2): 42-49. ?DOI: 10.12677/mp.2018.82006

 

 


中微子的结构与性质——探索微观世界

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中微子的结构与性质—探索微观世界之谜

北京快三网站站长 ??吴东敏

1956年,美国物理学家莱茵斯(Reines)和柯万(Cowan)等人第一次通过实验直接探测到中微子的存在。之后60多年的继续探索中,科学家们分别从来自超新星爆发,太阳,核反应堆及其它地表大气实验中检测到中微子的存在,发现了较大的缪(μ)中微子和更大的陶(τ)中微子。

中微子是携带微小质量,不携带电荷的中性粒子,由于其质量极其微小,几乎不与其它粒子发生作用,因此不容易被科学仪器直接探测到,被科学家称为“鬼粒子”。

本人最近十多年的科学研究和总结中,从设计电子的内部结构模型时开始,创立了“二粒三构”理论学说,于2011年初版《宇宙的真谛》一书。对中微子的结构与性质及其在空间中的存在状态和微观世界的空间结构,简述如下,希望能给从事前沿科学实验研究的科学家提供参考,并与广大科学爱好者共同分享:

在二粒三构理论中,携带负电的光粒子表面吸附了大量携带正电的以太粒子,使整体呈电中性,成为中微子,其中质量引力和库仑引力使中微子成为较为稳定的粒子。中微子尺度约为10-22-10-23米(0.1-0.01仄米数量级),密度约为2.898亿吨/立方厘米。中微子的尺度与原子(尺度10-10m)相比,相当于芝麻(尺度3×10-3m)与太阳(尺度1.392×109m)之比相差万亿倍;中微子比质子小1亿倍,比电子小1千万倍。

在二粒三构理论中,粒子自旋角速度由它的荷质比的大小来决定,因为中微子的荷质比等于零,所以它是不自旋的粒子。关于粒子自旋与天体自转的力学原因,在我的《宇宙的真谛》讲座中,已经作了说明。

中微子的速度,通常人们总认为与光速相同,其实不然。太阳内部的核聚变在光球层底部聚集了大量的光粒子,由于色球层以太物质的阻挡,光粒子间距特小,形成巨大的库仑斥力,它们被迫排列成光子链开始从光球层向色球层,日冕层,外太空辐射,辐射全波段各种波长的光。核反应生成数量很大的以太粒子团粒结构也向光球层,色球层,日冕层推进,从冕洞里逃逸出来形成以太泡沫结构向太空扩散。同时,在厚度2000多公里的色球层和300多万公里的日冕层里有大量的正微子(光粒子吸附了数量较多的以太粒子后携带正电的微子)和中微子形成,它们也与以太粒子一起,都能从冕洞中高速逃逸出来。少量电子,质子,α粒子(氦核)以致于形成氢原子氦原子也能从冕洞中出来,它们共同构成“持续太阳风”,太阳风的速度只有800-1000公里/秒(或0.8-1毫米/纳秒),藏在太阳风里的大量中微子由于动量太小,与探测器的传感探头的作用太微弱,科学家很难用现有的仪器探测到它们,这曾经成为“太阳中微子失踪案”。一部分中微子被地球大气或地表物质中的原子核和电子的牛顿引力吸收;另一部分中微子与电子或核子中的电子发生较为激烈的碰撞,表面失去部分以太粒子后成为负微子,它们在库仑斥力的作用下被散射或多次散射,速度降至很低,极小的动能传递给以太泡沫,失去动能以后滞留在以太泡沫之中处于振动状态,与以太泡沫结构相对静止的中微子立即吸收了周围的以太粒子后,重新变成稳定的中微子。空间以太泡沫结构中的正微子,中微子与少数负微子,不存在辐射机制,它们通常处于相对静止的热振动状态,与地球大气一起跟随地球自转。

中微子是构成磁场的物质,但没有磁性,任何单独的微观粒子均不具有磁性,宇宙中不存在“磁单极子”。在二粒三构理论中,揭示了光电磁热的本质,中微子正微子负微子的混合物称为电磁以太物质。一群微观粒子(电磁以太)的无序运动(无规则振动)形成“热”;有序运动(转动或者平动)形成“磁”;磁力的本质是大批粒子之间的牛顿引力。磁现象与热现象是电磁以太物质群体运动形成的物质现象,其强度与粒子总质量,速度或振幅的大小有关。太阳风沿太阳自转的切线方向飞出构成旋涡状磁结构向太空扩散直接到达地球,形成地球磁层。尺度为数百公里到上万公里的太阳“黑子”是核反应的废料以太团块形成的旋涡状结构,其内部包含有大量的光粒子,电子,核子团块,爆发时形成耀斑和磁暴,强烈的光电磁物质辐射形成“扰动太阳风”,磁暴产生大量的与光速相同的中微子辐射,在辐射过程中发生振荡,形成质量较大的中微子,才有可能于1998年被日本超级神冈探测器探测到。

许多中微子聚合成较大的稳定型的中微子现象,科学家美其名曰:中微子振荡现象。1985年,美国的史沫莱(Smalley)与英国的克罗脱(Kroto)首次制得由60个碳原子构成的足球烯(C60),又叫富勒烯。同理,人们想到由许多个中微子构成的结构,它们由于极高密度极小间距而具有超强引力,形成更大的稳定结构,其物理性质与基本的中微子相同,但具有更大的质量。与富勒烯类似,性质相同质量不同的中微子具有多种“味”,而不仅仅是缪中微子和陶中微子。中微子振荡的力学原因,是因为两束中微子接触时,由于万有引力而聚合成质量更大的中微子;这种接触只能是沿同一方向运动,慢慢靠拢,轻轻地接触。如果快速接触,如此高密度粒子的碰撞力是很大的,会使中微子表面失去一些以太粒子成为负微子,两个负微子由于库仑斥力不但不会聚合,而且会迅速飞开。中微子振荡实验采用的中微子束流应具备四个条件,否则效果不好。1,束流的强度要大,即每立方米所含有的中微子数要足够多。2,束流速度要大,接近光速为好,速度大的中微子其横向振幅小,才能与其它中微子聚合。3,两束中微子的混合角度要小,达到慢慢靠拢,轻轻接触,避免碰撞。4,束流的基线要足够长。如果短了,就没有足够的时间聚合成较大的中微子。核裂变反应堆,大型强子对撞机周边的中微子能流密度高,速度快,只要基线足够长,适合做中微子振荡实验。基线尺度有数公里以下,也有数十数百公里以上,欧洲核子中心(CERN)地下实验室到意大利格兰萨索实验室的基线长732公里,太阳中微子实验基线长15000万公里。2001年,加拿大萨德伯里天文台发现三种中微子振荡现象,它们应该是扰动太阳风与持续太阳风长基线混合产生的振荡现象。

空间中的中微子,正微子,负微子之间在不同的环境里会发生互相变换,它们之间的存在比例处于不同的动态平衡之中。中微子正微子失去表面的部分以太粒子会变成负微子,负微子中微子在以太粒子丰富的环境中会变成正微子。光辐射被浓密的云层或物质吸收以后,光粒子吸收周边的以太粒子后变成负微子。在地球大气层内通常的空间中,存在浓密的以太泡沫,所以负微子存在的比例较小。一部分中微子正微子作为电子电场磁场的旋涡物质被携带,电子束发生激烈振荡的时候,多数中微子正微子表面失去以太粒子后变成裸光子而发出强烈激光。地球自转,在两极附近及上空,自转的中微子正微子束流存在的浓度较大,形成磁极;扰动太阳风中的重粒子洒过极区上空,与中微子正微子发生碰撞和相互散射,中微子正微子表面失去以太粒子后产生美丽的极光。宇宙中所有的发光现象分为两类:1,电子与正电子解体发光,包括恒星发光,裂变聚变发光。2,电磁以太发光,包括中微子正微子负微子表面失去以太粒子而发光。

中微子能随意无阻挡的穿过金属导线,同时也大量的存在于金属导线之中,成为电阻物质。导线中金属原子间的自由电子吸附了空间中大量的正微子成为电流物质,大批正微子在导线中快速流动来输送电能,在用电器中产生光热磁等各种效应。无数中微子在导线中无规则的热运动阻挡正微子流的通过成为电阻,科学家通常采用降低导线温度到-2730C附近,使中微子成为静止状态,让正微子流无阻挡通过;同时,静止状态的中微子能吸附以太粒子转变为正微子,使导线成为“超导体”。

(2018,11于浙江)