物理学家|引力理论“三段式”的哲学图景爱因斯坦|广义相对论

文章图片
牛顿的万有引力表达式在量子世界失效了，这不是指物体或粒子之间的引力消失了，而是指万有引力的表达式转化为量子引力的样式，从经典引力到量子引力的表现形式符合科学哲学突变论的转换原理或转换论的突变原理。万有引力定律遵循距离平方的反比定理，两个物体的距离指的是两个“质点”的间距，根据科学哲学的近似性原理，可以把诸如地球和太阳看成是两个质量均匀分布的球体，两个质点分别位于地球和太阳球体的中心，地球对太阳的引力和太阳对地球的引力、地球对太阳的作用力和太阳对地球的反作用力或太阳对地球的作用力和地球对太阳的反作用力符合科学哲学悖论性的等效原理或等效性的悖论原理。
可以把万有引力定律看成是牛顿第三定理或作用力与反作用力定理的特殊表现形式，好像可以把“万有磁力定理”看成是牛顿第三定理或作用力与反作用力定理的特殊表现形式，经典的引力定律或万有引力定律和经典的电磁力定理或万有电磁力定理符合科学哲学作用与反作用论的等效原理或等效论的作用与反作用原理。万有引力表达式是牛顿根据天文学家的观测成果和经验总结的基础上归纳的数学物理公式，万有引力与两个质点距离的平方成反比，这意味着当两个质点的距离趋近于零时，它们的引力在数学概念上将变得无穷大。
无穷大的引力只有数学的意义，在物理世界是不可能的，如果存在无穷大的引力，那么物质结构就不可能形成，宇宙的诞生和加速膨胀不可能发生，而物质结构的存在和宇宙膨胀的发生排除了质点引力无穷大的可能。因此，当两个质点的距离缩小到量子时空的尺度时，牛顿的万有引力表达式就会失效。量子物理学家认为，万有引力定律在原子核的强相互作用范围失去了效力，主要的原因是量子时空或时空量子的密度与经典时空的密度相比发生了性质的变化或突变，均匀而连续的经典时空突变为杂乱而间断的量子时空，在2.913x10的负14次方厘米的空间尺度，物体的万有引力转化为粒子的强相互作用。
从物体间在宏观尺度表现的万有引力束缚到粒子间在原子核尺度表现的强相互作用幽闭，万有引力和强力符合科学哲学相互转换性的突变原理或突变性的相互转换原理。怎样认识和解读物理哲学的等效原理？举例说来，物体的万有引力和粒子的强相互作用符合物理哲学属性论的等效原理，也就是说，万有引力在原子核尺度以内的量子时空表现为强力或强相互作用力；强力或强相互作用力在原子核尺度以外，甚至在更大的分子尺度上表现为万有引力。万有引力作用于宏观尺度的宏观物体，作为一种“量子引力”形态的强力或强相互作用作用于微观尺度的微观粒子。
可以把科学哲学的等效原理分为性质型和数量型的两种，万有引力和强力在性质上表现为“一体两面”的等效关系，在数量上表现为倍数或乘数量级的等效关系。实验物理学家在非常小的尺度检测了万有引力定律的有效性，他们发现经典引力的平方反比定理至少在59微米的尺度依然适用，这一长度仅相当于人的一根头发丝的直径。现代物理的检测精确性达到了令人吃惊的程度，没有物理检测技术的精确性，就没有量子力学的产生和发展，科学史家不能简单地认为，量子力学仅仅产生于普朗克和爱因斯坦、波尔和海森堡的科学想象力和数学工具的计算方式。
1970年，英国数学物理和天体物理学家罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金在合作研究中证明了奇点定理， “奇点”是一个能量密度、时空曲率无限大或时空无限弯曲的极值点。宇宙大爆炸起始于“迷失的奇点” ，奇点的存在反证了宇宙的开端，超大质量的恒星通过超新星爆炸的方式最终坍塌为被黑洞包裹的奇点。 “奇点定理”包含了悖论性，一方面来说，彭罗斯和霍金以广义相对论为基础，通过物理模型的计算推导了奇点的存在，另一方面来说，奇点的存在“推翻”了广义相对论，准确说来，广义引力的场方程和几乎所有的物理定理在“奇点时空”或量子时空失去了效力。
奇点是一个有物理意义的极值点，奇点也是一个没有物理意义的极值点，奇点相反的两重属性符合科学哲学的悖论原理。奇点悖论也就是物理学著名的“奇点疑难”问题，霍金为此说到， “广义相对论预言了自身的失效，它预言了自身不能作出的预言” 。后爱因斯坦时代的包括彭罗斯和霍金在内的物理学家为了消除广义相对论的奇异性，以二十世纪初期兴起的量子理论为背景引入了量子引力概念，他们一直在尝试创建各种版本的量子引力理论，以弥补广义相对论在奇点的失效或不完备性。爱因斯坦的宇宙学缺失了奇点理论和黑洞理论， “爱因斯坦错了”恰好成为物理学家的预见性和创造性之源。