◇◇新语丝(www.xys.org)(xys3.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇   与时代脱节的经典无法指导科学创新   ——我对”<自然辩证法>能指导科学研究吗”的看法(之二)   作者:常春藤   本文简要回顾爱因斯坦冲破牛顿绝对时空观念,建立新的引力理论,说明当旧 的理论碰到不可逾越的障碍时,只有不为经典所困的勇气才能引领重大创新的到来.   * * * * *   杨树森网友“<自然辩证法>能指导自然科学研究吗”(XYS20081130)一文,对 我国半个多世纪以来,恩格斯<自然辩证法>(手稿)进入大学讲台,特别是改革开放 三十年来把它列为理工科大学研究生必修课的实际效果提出质疑,这是时代进步 的表现.这个质疑不是凭空而来,连续五十九年诺贝尔自然科学奖零记录是提出质 疑的一个起因.由此质疑引出的讨论,不论是支持的或是反对的,都有利于问题的 深入.   笔者在<空泛的哲学概念不能指导科学研究>(XYS20081105)一文中对杨网友 的质疑摆出自己的观点:<自然辩证法>所总结的三大规律过于空泛,无法主导或指 导自然科学研究.文中并以非欧几何的发现为例,说明只有敏锐的洞察力,敢于冲 破传统的勇气,加以坚持不懈的探索,才能出现革命性的进展.但非欧几何那样的 纯粹依赖逻辑推理获得突破的例子,不是科学发展的主流.历史上重大的科学创新 大多是因为经典理论碰到了不可逾越的矛盾,那情况又会是怎样?其实当经典理论 碰到了不可逾越的矛盾时,情况也不例外,若没有勇气同传统决裂,只求助于”背 颂经典,勤读愿著”,创新的成就永无出头之日!上个世纪初爱因斯坦否定牛顿的 绝对空间概念,建立时-空因质量存在而弯曲的引力理论(广义相对论)过程表现得 非常典型.对它即使作非常简要的回顾,也会对企图用时代相去甚远的经典指导自 然科学发展的愿望有所提醒.在此愿写一点体会,作为对敝作<空泛的哲学概念不 能指导科学研究>一文的补充.   一个学科当它已有的理论出现了新的矛盾而无法解决时,就会催生重大的创新, 但它必须表现在(1). 它能解释(处理)原有理论能解释(处理)所有的问题;(2). 它能解决(处理)已经出现的原有理论无法解决的若干问题; (3). 它能预测人们 根据原有理论所无法预测的问题.这些不可能是从现成经典中找到的.上个世纪初, 牛顿万有引力理论出现巨大困难,爱因斯坦创建新引力理论(广义相对论)过程就 是一个典型.   17世纪中叶牛顿从万有引力假设出发,用他发明的微积分算法证明开普勒发 现的行星绕日运动三定律,是人类有史以来最伟大的成功,它让人类驱逐了来自任 何方面的迷信,真正成为宇宙间的主人,但引力究竟为何物的拷问也形影相随:” 引力从何而来”?”任何两个物体间的吸引力为何同它们的质量乘积成正比,同质 心间距离平方成反比”?牛顿理论始终无法回答.到20世纪初,天文家发现离太阳 最近的水星的绕日轨道,却不是如开普勒-牛顿的第一定律所说的椭园,甚至根本 不是封闭曲线,这使完美的万有引力理论受到致命的一击,除了它的应用价值外, 理论上的严密,表述上的完美一夜间全部崩溃. 一个要求产生更新的宇宙学说的 时代来临.   对此,德国年轻的爱因斯坦对引力的现象作完全不同的考虑.他抛弃从古希腊 欧几里德到17世纪的牛顿把宇宙空间看成一无所有的空间,只是有质量的物体,彼 此在引力吸引下运动着的观点,认为空间,时间,物质互相关联,组成一维的时间t 同三维空间x-y-z,构成的四维时-空,它的曲率(四维度量空间的黎曼曲率)不再为 零(非欧空间),而任何质点在这度量空间中依照”最小作用量原则”沿一条由初 始条件(位置,方向)决定下的最短路径(空间的测地线--Geodesic Line)行走.于 是行星在太阳质量影响下的绕日的轨道,就应该是四维时-空的一条测地线,如此, 万有引力的假定是”纯属多余”的了.   爱因斯坦的时-空观念,无法从任何哲学家,思想家得到支持,是空前大胆的. 然而再好的新观念,必须首先能解开牛顿理论碰到的矛盾,这需要特殊的数学技巧 加以验证,否则依然只是高度前卫的哲学探讨.   爱因斯坦的信念是:任何物理定律的成立同观察者处于何种运动状态无关(广 义相对论名称的由来).写成几何语言,即在含有质量的四维时-空中,物理定律(方 程的成立)叙述的内容都应该是几何物(Geometric Object),同坐标选取无关.当 然包括”空间是弯曲的”(即空间曲率不会零),”质量沿最短线运动”等,都同坐 标的选取无关(即同观察者所处状态无关).爱因斯坦需要能在一般坐标系上展开 的数学手段,微积分运算变得十分冗繁,也没有现成的数学可供使用,他碰到了牛 顿当年必须创造新的计算方法(微积分)的问题.   幸运的是:爱因斯坦竟无需如牛顿那样从头创造类似微积分的新算法,其实在 他形成含有质量的非欧时-空概念前,计算三维(和三维以上)的度量空间的曲率-- 黎曼曲率问题,德国数学家黎曼已在一般度量的情况下完成(后称之为黎曼几何), 它是现实世界中两维曲面的高斯曲率的推广,而且意大利数学家里契(Ricci)和列 维-奇微塔(Levi-Civita)用张量分析方法处理曲率计算,建立了一套名为绝对微 分计算(Absolute Differential Calculus)的法则,诠释黎曼曲率的含义,这正是 爱因斯坦所需要的.爱因斯坦在他的朋友(格罗斯曼)的帮助下,熟悉了这套计算程 式(他也有改进),写出了在弯曲空间的运动方程(世称广义相对论的场方程).而在 行星绕日运动情况,方程的解的无穷级数展开后的最初两级近似就是牛顿的中心 引力场方程,至此爱因斯坦四维弯曲时-空观念把牛顿得到的行星绕日的轨道定律 成为他的近似结果,揭开了万有引力理论无法解释的水星绕日轨道并不封闭的秘密, 万有引力成为多余,没有它,宇宙规律更完美.   在特殊的质量密度分布情况,爱因斯坦场方程的解有奇点现象,即某些区域的 测地线通过某一个点,其物理意义是:星际运行轨道在某种质量分布情况下,会出 现奔向一个点的现象,连光线也不例外,爱因斯坦由此预言宇宙间”黑洞”的存在, 这是牛顿理论所没想到的,已有天文观察获得证实.至此,爱因斯坦广义相对论的 时空因质量存在而弯曲的理论,能够解释(处理)牛顿理论所能解释(处理)的问题; 能解决(处理)牛顿理论无法解决的问题;能预测牛顿理论无法预测的问题,达到了 完全的成功.   有意思的是:爱因斯坦的时-空理论说明我们生活的空间实实在在的是被人咒 骂的,连大数学家高斯虽然发现了它,也不敢承认的非欧空间.谁能想到这大逆不 道的怪物竟是我们周围无处不在的真实.   爱因斯坦空间弯曲理论的成功,再一次说明,冲破旧矛盾建立新的理论,不能 指望在原有理论的框架中实现.事实上爱因斯坦出世的年代,牛顿的<自然哲学的 数学原理>一书已经引领世界科学进步三百多年,贡献之巨,无与伦比,但爱因斯坦 明白他的计划不可能从该书找到支持,他必须另辟蹊径,如此,他终于完成罕世伟业.   我不是在评述爱因斯坦,只是在努力体会科学巨人的品格:锲而不舍的思索, 无畏的创新,这些都不可能从”熟读经典原著”,”背颂普适法则”所能做到的. 爱因斯坦若在传统面前有半点依赖,半点犹豫,现在的科学就不是这种样子了.   爱因斯坦的成功,更是我们科学发展的一面镜子:科学创新不能困于原有经典 哲学框架,更不能规定某种定势思维.   中共中央号召:”创新是一个民族进步的灵魂。中华民族是有这种灵魂的。 创新也是国家兴旺发达的不竭动力”(江泽民在<八六三>计划实施十周年大会上 讲话). 这个讲话帮助人们清醒地盘点我们发展科学思维走过的路.   中国从改革开放起,即成立了全国性的”中国自然辩证法研究会”,全国31个 省区有30个省区也相应成立”自然辩证法研究会”,任务很明确--”以马克思主 义哲学为指导,探索自然界和科技发展的普遍规律”(“中国自然辩证法研究会” 网站所作的简介),更通过对理工科大学生讲授恩格斯的读书笔记<自然辩证 法>(手稿)来指导科学创新.毫不夸张地说,中国早已拥有全世界公认的”规模最大, 水平最高,经验最丰富”的自然辩证法研究和教学队伍.但现在建国已五十九年了, 为一代一代的大学生引入<自然辩证法>教育也五十九年了,却连续五十九年诺贝 尔奖为零.在这样不愉快的记录面前,作为科学思维的指导,恩格斯写于一百多年 前的那部读书笔记--<自然辩证法>,同当前时代是否有点脱节?能否指导我们占世 界人口近四分之一的大国的科学创新发展?这样的问题在已经付出的学费面前,应 该认真的思考了. (XYS20081217) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys3.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇