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阴阳质能基本公理与牛顿惯性定律的扩展—-关于运用传统阴阳思想解决物理公理化问题的尝试

摘 要:本文围绕物理公理化问题,运用阴阳思想方法,将质量、能量做为物质运动的阴、阳因素,得出阴阳质能基本公理,不仅可导出随机性、质能守恒、波粒二象、量子性等特点和规律,而且实现惯性与守恒的统一,扩展了牛顿惯性定律。

关键词: 阴阳  质量  能量  运动  惯性 守恒

易理源于自然,核心在阴阳八卦,其社会部分因《易传》哲理化为易学,自然部分却一直无法系统化。

古老思想只有融入新知识、新内容才能有新生命。

20世纪以来,西方科学影响下,部分学者用科学治易学,用现代数学、物理等阐释易学的科学性,部分人坚持易理解科学,试图回归易理本质。杨庆中指出,易学遭到科学裂解后,并没有建构出现代形态的新易学,认为科学解易是前提,易解科学是目的,只有认识到易理科学性,才可能将易理用于科学研究。

近现代以来,有些科学家认识到易理的科学性。玻尔指出太极图反映互补原理,普里高津认为“中国文明对人类、社会和自然之间的关系有着深刻的理解”,卡普拉指出东方神秘主义(包含阴阳)和物理学具有相似性,认为“东方智慧的精神与西方科学本质上是协调的”。

到目前为止,还没有建立起与物理学的直接联系。

值得关注的是,自牛顿将苹果落地和天体运行统一开始,机械能和热、电和磁、光等得到不断统一,直到1900年希尔伯特提出 “物理学公理化”命题。但在20世纪,相对论、量子论和耗散结构论深化了对自然本质的认识,也裂解了经典物理所构建的统一世界。

相对论颠覆绝对时空观,实现质量、能量统一,量子论打碎确定性,确立波、粒二象性的运动统一,原子论打破经典物质不变思想,实现物理运动与化学变化的统一,耗散结构论粉碎经典存在世界,引入复杂系统自组织,实现物理运动与生命演化的统一。

1933年苏联柯尔莫哥洛夫完成概率公理化,是物理公理化的唯一突破,但却源于复杂随机过程研究!或许这意味着统一性不在于简单、理想化的还原,而在于包含随机的复杂性。另外,其中可能被大大忽视的是特斯拉的另类物理思想:质量中没有能量。

易理和物理只是认识自然的两种不同方法,二者殊途同归。从易理角度来看,物理公理化就是用传统阴阳思想表达对物理运动变化的认识,就是一个系统赋与其物理意义的过程。本文在将能量、质量做为特、、物质运动内在阴、阳因素,尝试构建物理公化的基本公理,并将惯性定律做进一步推广。

一、易理、物理与阴阳、质能

易理认为,万物变化均为“气”的阴阳互动,遵循阴阳八卦变化规律,由阴阳关系所规定:和则生、离则灭、错则变,“一阴一阳谓之道”,是事物变化的根本规律。

物理认为,事物由质量、能量构成的粒子组成,在时空中不断运动变化,其统一性表现于多样性,多样性反映着统一性。

物理和易理,都是从纷繁变化自然现象中找出的不变规律。

易理重在表述事物变化的宏观性、共同性和普遍性,以变易、不易、简易为三原则,用理、象、数表达内在本质统一和外在变化的多样。“理”指规律或道理,象是指卦象、事物现象或抽象意象,即变化表现出来可观察的东西,数是“定数”,指规律支配下“象”间存在的数量关系。

物理重在研究运动变化的统一性,可抽象为不变与变、现象与本质等,其中不变的是本质,是数学表达出的规律、公理、定律,变化的是各类自然现象的运动。

从物理来看,“理”就是运动的客观规律,“象”就是从一类运动中抽象出模型或图形,“数”就是影响运动因素间存在着的数量关系,故易理也是一种研究运动变化的理论。

玻尔认为阴阳太极图完整表达了互补原理,波粒二象性与阴阳对立统一的惊人一致,绝非巧合。

易理中,阴、阳因素是基础和根本,是一切自然变化的起点。

阴阳对立统一。阴非阳、阳非阴,但又可转化。阴阳互动,或负阴抱阳、或阴中有阳、阳中有阴。

物理中,质量、能量是描述物质存在运动的最基本概念,是运动变化的根本。

质量、能量对立统一。能量非质量,质量非能量,质量具有不变性、能量具有易变性,可在不同质量间转移或不同形式间转化。彼此又是对方,一定条件下可互相转化。物质是两者的统一体,如质点、粒子、气体等,即使是光子,只是静止质量为零。

事实上,质量、能量做为描述物质运动的物理量,是一种抽象出来物质特性,和从事物变化中抽象出阴、阳特性,用以描述变化过程和特点,并没有什么本质性的区别。笛卡尔曾深刻地指出自然中只有物质和运动,牛顿从物质中抽象出质量,将运动理解为一种状态变化,抽象质量间的相互作用–力,建立起力与质量、运动的规律。百余年后物理学们又从运动中抽象出能量,认识到能量变化和守恒,直到二十世纪初爱因斯坦才认识到质量、能量的统一性,但认为能量是质量的一种运动属性。

从易理来看,质量、能量就是物质运动的“象”,二者呈现出阴阳对立统一特点,故可以阳代表无形、发散、多变的能量(E),以阴代表实在、聚集、不变的质量(m),可做为描述物理运动变化的起点。

二、阴阳质能基本公理

以质能为阴阳,则物质运动变化具有“负阴抱阳”“阴中有阳”等基本特点:

  • 任何质量都和一定能量相联系,不存在没有质量的能量或没有能量的质量。
  • 内在包含着对方,能量变化通过有形质量运动来表现,而质量运动反映能量变化。
  • 可适当分离,但不可完全分离。能量可在质量间转移,或不同形式间转化。
  • 内在相互作用具有周期性,物体运动会形成一种动态平衡(稳态)。

根据运动变化的这些基本特点,可进一步可导出更多的特点或规律。

状态可变性:质、能可适度分离,内在相互作用中质量不变,能量变化导致运动状态的变化。

质能守恒性:质、能对立则总量保持不变(守恒),其中质量形式不变,能量形式多变。一定条件下可互相转化,但质、能总量不变。

波粒二象性:质、能一体和不可完全分离。质量运动的“象”是粒子,能量运动的“象”是波动,由于能量易变性(转化转移)而表现为波的运动,是物质运动的两个方面,且质量越小,波动越充分,如光子。

运动随机性:能量的易变性,导致内在作用非线性,表现出运动的随机性,质量越小表现越明显。

量子性:质能不可完全分离。一定能量总和一定质量相联系,故辐射表现出非连续变化的量子态。

显然,这些物理现象和规律,不再是一种理论假设,而是本体的自然存在状态。

综上,可概括出一个阴阳质能基本公理:

物质是质量、能量的阴阳对立统一的存在,其中质量具有不变性、能量具有易变性,二者可分离却不能完全分开,在相互作用的运动中形成动态平衡。

在此基本公理中,质量、能量的存在特点,直接决定了运动变化的本质特征。

从质量角度来看,质量不随外界作用力、温度、磁场等改变,运动形式为粒子运动。能量角度来看,能量会不断转化、时刻转移,运动形式为波动,故波动、粒子运动反映着能量易变性、质量不变性。或可以说,质量不变表现出运动不变性,即惯性;能量易变表现为运动变化性,即状态可变。

千变万化的物质运动中,质量不变是为不易,如守恒,能量易变是变易,如状态变化,其本质都是质能阴阳互动,是为简易。电磁学中有“动电变磁”、“动磁生电”现象,其中导线、线圈的质量没有变化,即为不易,变化的是机械能转化为电能,是为变易,而现象实质是质、能阴阳互动,是为简易。显然,没有质量运动,不能实现能量转换,而质量的运动变化,正反映了能量的转移和转化。

三、牛顿惯性定律的扩展

三百多年前,英国牛顿通过分解还原法和实验法,以力的概念和绝对时空为基础,以质量、时间、空间三个量为基本量纲,构建起描述运动变化的牛顿定律,创立以质量质点为中心,通过数学描述运动的牛顿范式,后来又形成用解析法描述声、光、电等与“能量”相关的运动现象的非牛顿范式,最后二者融合,力学中有了能量,热、电中有了质量,其差别只是分别从质量、能量描述了运动变化。经典物理中,将此视为物质运动的二元性,形成两种互补的研究思路:从力或质量角度研究过程变化;从能的角度研究状态变化,作为同一运动两个同等的不同方面,才更完整反映了运动变化。

事实上,早十八世纪,法国泊松和哈密顿曾发展了拉格朗日原理,以能量取代力,可惜没有进一步意识到“根本不存在纯粹的力学现象,实际上运动总是结合着热和电磁的变化,它们也规定运动”。

现在从阴阳质能基本公理出发,可重新认识力和守恒,还可扩展牛顿定律,消除其先天不足。

运动中质量不变、能量变化。从质量来看,是物体间相互作用结果,是力改变了粒子(质量)运动状态,但从能来看,只是能量转移和转化,是能的变化导致了运动改变,故力的作用本质是能量改变。

运动源于内在质、能作用,其中质、能都保持不变,或质能总量不变,这种不变即守恒。力学中,一方面表达为惯性即牛顿第一定律,做为物质基本属性,描述运动绝对性和不变性,一方面表达为机械能守恒:只有重力或弹力对物体做功条件下(不受外力作用),动能和势能(重力势力、弹性势能)发生相互转化,机械能总量保持不变。

事实上,能量守恒、质能守恒、动量守恒、角动量守恒等,这些守恒与牛顿惯性律是统一的,是从质、能两方面的不同层次,共同描述了质、量和运动状态的不变性,共同反映了运动的根本规律。

由此,将守恒思想和能量融入牛顿惯性定律,则可将其扩展为更普遍的运动第一定理:

物质运动源于质量、能量间内在相互作用,具有惯性(不变性),或孤立系统中无论发生何种变化,质量或动量、能量的总量都保持守恒(状态不变)。

由此可以看出,牛顿惯性定律描述了机械动运的特殊情况,实际上也包含着质、能的守恒,只是限于科学认识水平,没有意识到能量的存在,而把特殊情况当做了一般!但特殊运动中也包含着一般规律,故力学能被成功推广到热学、电磁、量子论,构建起热力学、电动力学、量子力学等,显然,热、电、磁也是一种特殊运动,虽各有差异但本质相同,都是质、能内在相互用的不同表现。

四、结 论

易理与物理是认识自然的两种不同方法,易理能表达物理所描述的运动变化。

以质量为阴、能量为阳,构建起阴阳质能公理,能直接导出运动随机性、量子性等基本特点,实现惯性与守恒的统一、牛顿惯性定律的扩展,故可为物理公理化的出发点。

作者:刘江华

主要参考文献

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4、【美】卡普拉 朱润生译:《物理学之“道”–近代物理学与东方神秘主义》【M】北京:中央编译出版社, 2012年版

5、郭奕玲 沈慧君:《物理学史》【M】北京:清华大学出版社  1993年版

6、吴国盛:《什么是科学》【M】广州:广东人民出版社  2016年版

7、王治功  《周易》是最早的系统科学著作 [J]. 汕头大学学报:人文社会科学版, 2006, 22(4):1-7

8、周吉善 易学自然观与现代物理学的哲学基础 [J].山西大学师范学院学报, 2002(2):6-10

9、申斌 《周易》与现代数学、物理学中的“三论”[J].安阳工学院学报, 2002(3)

10、李曙华 两种思维方式下的中西文化与科学 [J].杭州师范大学学报(社会科学版),2008(3):10-17.

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