Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: [转载]  我的物理哲学之路－潘根(5)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun May 11 14:53:12 2003) , 转信

                  五、关于宇宙是否有限问题

    １９６０年１０月至１９６１年５月．
    既已肯定了物质不灭原理，那么就必须认定宇宙具有无限性．一般说，从物
质世界的统一性角度看，确实应当允许利用物质不灭原理来推出“宇宙无限”的
结论．但现在不能简单地采用这种常规推理法，因为现代宇宙学是绕过了物质不
灭原理，在另一种逻辑体系里建立宇宙模型．人们可以简单地提出以下两条驳斥
物质不灭原理的理由：
    １）有限无界宇宙模型是爱因斯坦亲自以广义相对论为理论依据、用逻辑方
法导出的．纯粹的逻辑推理还能有误差吗？
    ２）大爆炸宇宙模型能用电脑仿真实验来检验，人们已经从屏幕上看到了活
龙活现的宇宙大爆炸的景象．实验结果还能不正确吗？
    单凭上面两条，行外人士还敢说半个“不”字吗？
    前面我曾说过，我曾是大爆炸宇宙论的虔诚信徒，但后来变成为该宇宙论的
叛徒．这究竟是怎么回事呢？事情是这样：
    １９５５年５月，爱因斯坦逝世后不久，报纸上有一篇悼文中提到：爱因斯
坦利用广义相对论导出了有限无界宇宙模型．当时我是南通中学高中一年级的学
生，弄不懂“有限无界”究竟是什么意思，于是到新华书店里查看了一本科普小
册子．这才注意到，悼文是说“利用广义相对论导出”，而不是说“单纯地利用
广义相对论导出”，也就是说，除了广义相对论以外，还需要有其它的论据．
    根据广义相对论的基本原理，空间的几何性质由物质决定，因而一般是弯曲
的．弯曲程度要用空间曲率ｋ来描述．存在着以下三种可能性：
    ①如果ｋ＜０，那么就得到双曲型的罗巴切夫斯基空间；
    ②如果ｋ＝０，那么就得到平直的欧几里得空间；
    ③如果ｋ＞０，那么就得到椭圆型的黎曼空间．
    上述三种可能性中，前两种空间都是开放的、无限的，后一种空间则是闭合
的、有限的．也就是说，宇宙不仅有可能是无限的，也可能是有限而无界的，都
不违背广义相对论的基本原理．至于现实的宇宙究竟属于这三种可能性中的哪一
种，这是广义相对论本身回答不了的，因为广义相对论提供的空间曲率ｋ是一个
抽象的代数符号，而不是具体的数值．所以，必须要有其它条件才能下结论．
    １８２６年，奥伯斯曾证明：如果宇宙无限，那么利用光度学平方反比定律
就能证明天空无限明亮．这个与观测不符的论断叫做光度佯谬．１８９４年，西
利格证明：如果宇宙无限，那么利用牛顿引力理论就能证明空间引力场的强度是
发散的．这个与观测不符的论断叫做引力佯谬．爱因斯坦正是以“无限宇宙会导
致佯谬”为理由，才把“宇宙无限”的可能性排除了，结论只能是“宇宙有限而
无界”．可见，宇宙有限论实际上是以两个佯谬为基本论据．
    爱因斯坦原先得到的是静态宇宙模型，不可能稳定．但其基本思路为后人沿
袭，使膨胀模型、大爆炸模型相继问世．这些模型都似乎合乎情理．
    科普小册子里未用数学式对两个佯谬进行推导，但思路是学高中一年级的学
生，弄不懂“有限无界”究竟是什么意思，于是到新华书店里查看了一本科普小
册子．这才注意到，悼文是说“利用广义相对论导出”，而不是说“单纯地利用
广义相对论导出”，也就是说，除了广义相对论以外，还需要有其它的论据．
    根据广义相对论的基本原理，空间的几何性质由物质决定，因而一般是弯曲
的．弯曲程度要用空间曲率ｋ来描述．存在着以下三种可能性：
    ①如果ｋ＜０，那么就得到双曲型的罗巴切夫斯基空间；
    ②如果ｋ＝０，那么就得到平直的欧几里得空间；
    ③如果ｋ＞０，那么就得到椭圆型的黎曼空间．
    上述三种可能性中，前两种空间都是开放的、无限的，后一种空间则是闭合
的、有限的．也就是说，宇宙不仅有可能是无限的，也可能是有限而无界的，都
不违背广义相对论的基本原理．至于现实的宇宙究竟属于这三种可能性中的哪一
种，这是广义相对论本身回答不了的，因为广义相对论提供的空间曲率ｋ是一个
抽象的代数符号，而不是具体的数值．所以，必须要有其它条件才能下结论．
    １８２６年，奥伯斯曾证明：如果宇宙无限，那么利用光度学平方反比定律
就能证明天空无限明亮．这个与观测不符的论断叫做光度佯谬．１８９４年，西
利格证明：如果宇宙无限，那么利用牛顿引力理论就能证明空间引力场的强度是
发散的．这个与观测不符的论断叫做引力佯谬．爱因斯坦正是以“无限宇宙会导
致佯谬”为理由，才把“宇宙无限”的可能性排除了，结论只能是“宇宙有限而
无界”．可见，宇宙有限论实际上是以两个佯谬为基本论据．
    爱因斯坦原先得到的是静态宇宙模型，不可能稳定．但其基本思路为后人沿
袭，使膨胀模型、大爆炸模型相继问世．这些模型都似乎合乎情理．
    科普小册子里未用数学式对两个佯谬进行推导，但思路是清楚的．１９５８

                                  .7.


年，我在学过微积分之后，独立地导出了两个佯谬．次年又在参考书上看到了奥
伯斯对光度佯谬的论证，还从爱因斯坦自己的书上看到了西利格对引力佯谬的论
证，发现我自己的证法与他们的证法完全相同，从此成为大爆炸宇宙论的虔诚信
徒．但是，１９６０年９月进自然辩证法学习班后不久就突然发现：大爆炸宇宙
模型意味着整个宇宙是从虚无中创生的．这种判断与十多年后霍金提出的“宇宙
创生于无”是相同的．所不同的是，霍金是肯定此结论，而我是否定此结论．
    如果宇宙有限，那么就会违背物质不灭原理；如果宇宙无限，那么就会出现
引力佯谬和光度佯谬．由此可见，如果宇宙学是立足于广义相对论，那么宇宙无
限论就必须以物质不灭原理为基本论据；宇宙有限论必须以佯谬为基本论据．
    既然这两种宇宙论都不违背广义相对论的基本原理，那么就得看谁的基本论
据来得可靠．因此，我立即重新审查当年我对两个佯谬所作的论证，但未能查出
问题．直到我与蔡建华先生辩论之后，才敢断言：物质不灭原理肯定没错．虽说
该原理是以经验定律为依据，未能绝对排除实验的测量误差，但两个佯谬也都是
由经验定律导出的，而且在所涉及的经验定律的数量和精度方面都不如前者．
    既然已敢肯定物质不灭原理没错，那就表明两个佯谬的证法肯定有问题，只
要仔细检查，迟早会查出问题来．凭这种信念，我开始了新的核查过程．查了一
遍又一遍，查不出来就搁一两天再查．这项工作从１９６０年国庆节后开始，到
１９６１年５月，历时半年，终于发现：两个佯导，但思路是清楚的．１９５８

                                  .7.


年，我在学过微积分之后，独立地导出了两个佯谬．次年又在参考书上看到了奥
伯斯对光度佯谬的论证，还从爱因斯坦自己的书上看到了西利格对引力佯谬的论
证，发现我自己的证法与他们的证法完全相同，从此成为大爆炸宇宙论的虔诚信
徒．但是，１９６０年９月进自然辩证法学习班后不久就突然发现：大爆炸宇宙
模型意味着整个宇宙是从虚无中创生的．这种判断与十多年后霍金提出的“宇宙
创生于无”是相同的．所不同的是，霍金是肯定此结论，而我是否定此结论．
    如果宇宙有限，那么就会违背物质不灭原理；如果宇宙无限，那么就会出现
引力佯谬和光度佯谬．由此可见，如果宇宙学是立足于广义相对论，那么宇宙无
限论就必须以物质不灭原理为基本论据；宇宙有限论必须以佯谬为基本论据．
    既然这两种宇宙论都不违背广义相对论的基本原理，那么就得看谁的基本论
据来得可靠．因此，我立即重新审查当年我对两个佯谬所作的论证，但未能查出
问题．直到我与蔡建华先生辩论之后，才敢断言：物质不灭原理肯定没错．虽说
该原理是以经验定律为依据，未能绝对排除实验的测量误差，但两个佯谬也都是
由经验定律导出的，而且在所涉及的经验定律的数量和精度方面都不如前者．
    既然已敢肯定物质不灭原理没错，那就表明两个佯谬的证法肯定有问题，只
要仔细检查，迟早会查出问题来．凭这种信念，我开始了新的核查过程．查了一
遍又一遍，查不出来就搁一两天再查．这项工作从１９６０年国庆节后开始，到
１９６１年５月，历时半年，终于发现：两个佯谬本身的逻辑前提，都存在着非
常隐蔽的错误．
    奥伯斯在论证光度佯谬时，悄悄地使用了这样的一条假设：“星球是只能发
光、不能吸光的几何点式光源，宇宙空间是绝对透明的，没有任何尘埃．”西利
格在论证引力佯谬时，悄悄地使用了这样的一条假设：“引力是超距作用．”这
两条基本假设分明是与事实不符的．奥伯斯和西利格论证佯谬时所列出的前提条
件中，都没有明确地把上述假设写出来，演绎过程中也都是悄悄地使用．爱因斯
坦也是如此．我在１９５８年独立地导出这两个佯谬时也犯了同样的错误．这些
错误一旦纠正过来，两个佯谬就都消失了(见《述评》 p.823)．
    对于一个理论体系来说，基本论据是最重要的．基本论据错了，其他问题就
根本无必要讨论了．就大爆炸宇宙论而言，即使不看它的基本论据，也还是不能
轻率地相信的．例如该论关于“宇宙的温度与宇宙半径成反比”的论断，分明是
与普朗克辐射定律对不上号的理论性错误；又如该论认为，由宇宙在４０万岁时
光子脱耦温度４０００Ｋ可以导出１５０亿岁时的现代宇宙背景温度３Ｋ，但这
两个数据与理论公式根本对不上号，甚至是数量级上的错误．理论公式方面和具
体数据方面都有错误，又怎能宣布“理论与观测相符”呢？
    在广义相对论证明了“宇宙有限”和“宇宙无限”这两种可能性都与广义相
对论的基本原理不矛盾的情况下，既然宇宙有限论的基本论据(两个佯谬)已被证
明是属于虚构，而宇宙无限论的基本论据(物质不灭原理)经过概率论的考验之后
变得更为坚固有力，那么就应当完全可以肯定：大爆炸宇宙论一开始就是属于无
稽之谈，宇宙无限论在广义相对论框架内实属逻辑的必然新的核查过程．查了一
遍又一遍，查不出来就搁一两天再查．这项工作从１９６０年国庆节后开始，到
１９６１年５月，历时半年，终于发现：两个佯谬本身的逻辑前提，都存在着非
常隐蔽的错误．
    奥伯斯在论证光度佯谬时，悄悄地使用了这样的一条假设：“星球是只能发
光、不能吸光的几何点式光源，宇宙空间是绝对透明的，没有任何尘埃．”西利
格在论证引力佯谬时，悄悄地使用了这样的一条假设：“引力是超距作用．”这
两条基本假设分明是与事实不符的．奥伯斯和西利格论证佯谬时所列出的前提条
件中，都没有明确地把上述假设写出来，演绎过程中也都是悄悄地使用．爱因斯
坦也是如此．我在１９５８年独立地导出这两个佯谬时也犯了同样的错误．这些
错误一旦纠正过来，两个佯谬就都消失了(见《述评》 p.823)．
    对于一个理论体系来说，基本论据是最重要的．基本论据错了，其他问题就
根本无必要讨论了．就大爆炸宇宙论而言，即使不看它的基本论据，也还是不能
轻率地相信的．例如该论关于“宇宙的温度与宇宙半径成反比”的论断，分明是
与普朗克辐射定律对不上号的理论性错误；又如该论认为，由宇宙在４０万岁时
光子脱耦温度４０００Ｋ可以导出１５０亿岁时的现代宇宙背景温度３Ｋ，但这
两个数据与理论公式根本对不上号，甚至是数量级上的错误．理论公式方面和具
体数据方面都有错误，又怎能宣布“理论与观测相符”呢？
    在广义相对论证明了“宇宙有限”和“宇宙无限”这两种可能性都与广义相
对论的基本原理不矛盾的情况下，既然宇宙有限论的基本论据(两个佯谬)已被证
明是属于虚构，而宇宙无限论的基本论据(物质不灭原理)经过概率论的考验之后
变得更为坚固有力，那么就应当完全可以肯定：大爆炸宇宙论一开始就是属于无
稽之谈，宇宙无限论在广义相对论框架内实属逻辑的必然性．
    至于“大爆炸宇宙模型已被电脑仿真实验证实”之说，实属骗人．诚然，电
脑原则上能模仿任何自然现象，但唯独不能模仿宇宙大爆炸，这是因为大爆炸宇
宙模型的最大特色不是在“宇宙演化”方面，而是在“宇宙起源”方面以“无中
生有”的方式创生出宇宙．宇宙诞生之后的演化过程无疑可以用电脑来仿真，唯
同直观的运动联系起来，它的实在性就不容怀疑了．
    如果采用爱因斯坦的时空观，那么就会发现莱布尼兹的提法仍有历史的局限
性．各种事物之间可能有因果关系，也可能没有因果关系，莱布尼兹未能像爱因
斯坦那样把这两种不同的情况区分开来．如果没有因果关系，那么事物的序列就
不能具有确定性．因此，我把莱布尼兹的提法修改成：时间是由有因果联系的事
物构成的序列．这种提法中未说所涉及的序列是否均匀，因而仍然是定性的．但
这种提法已经明确地把时间同因果律联系起来，这就意味着肯定了时间的流逝具
有绝对的单向性．

    Ⅱ．对时间的定量认识

    时间的定性的定义未能使我满足．我向自己提出了“能否用逻辑方法给时间
以一种严格的定量化的定义”的问题．在探讨此问题的过程中，首先是受到热力
学中的“温度定理”的启发，认为有可能存在“时间定理”．接着是受到统计力
学中的“相空间”概念的启发，提出了“广义相空间”的概念．结果发现，利用
广义相空间的概念可以导出“时间定理”(见《述评》p.30)．
    时间定理表明：各种运动都能用来标定时间．但是，一旦选定了其中的某一
种序列，那么其它的序列就不能被视为时间了．该定理中所涉及的任何一种序列
都是限于由有因果关系的事件组成的，因而时间的单向性是属于逻辑必然性．
    时间定理不仅揭示了“时间是物质运动的表现”这个本质，而且一开始就能
明确地否定牛顿的绝对时间．
    时间定理为时间的标定提供了理论依据．该定理允许时标具有任意性，因而
同直观的运动联系起来，它的实在性就不容怀疑了．
    如果采用爱因斯坦的时空观，那么就会发现莱布尼兹的提法仍有历史的局限
性．各种事物之间可能有因果关系，也可能没有因果关系，莱布尼兹未能像爱因
斯坦那样把这两种不同的情况区分开来．如果没有因果关系，那么事物的序列就
不能具有确定性．因此，我把莱布尼兹的提法修改成：时间是由有因果联系的事
物构成的序列．这种提法中未说所涉及的序列是否均匀，因而仍然是定性的．但
这种提法已经明确地把时间同因果律联系起来，这就意味着肯定了时间的流逝具
有绝对的单向性．

    Ⅱ．对时间的定量认识

    时间的定性的定义未能使我满足．我向自己提出了“能否用逻辑方法给时间
以一种严格的定量化的定义”的问题．在探讨此问题的过程中，首先是受到热力
学中的“温度定理”的启发，认为有可能存在“时间定理”．接着是受到统计力
学中的“相空间”概念的启发，提出了“广义相空间”的概念．结果发现，利用
广义相空间的概念可以导出“时间定理”(见《述评》p.30)．
    时间定理表明：各种运动都能用来标定时间．但是，一旦选定了其中的某一
种序列，那么其它的序列就不能被视为时间了．该定理中所涉及的任何一种序列
都是限于由有因果关系的事件组成的，因而时间的单向性是属于逻辑必然性．
    时间定理不仅揭示了“时间是物质运动的表现”这个本质，而且一开始就能
明确地否定牛顿的绝对时间．
    时间定理为时间的标定提供了理论依据．该定理允许时标具有任意性，因而
允许根据牛顿第一定律的要求来选取适当的时标(见《述评》p.34)．这样就使运
动学中的时间的概念同动力学中的惯性的概念一开始就结合在一起了，不仅选定
了时标，而且使牛顿第一定律成为纯理性的、绝对没有测量误差的基本原理．
    我把这种对时间的认识同前面谈到的对物质基本成分、运动的基本形式结合
起来，作出的判断是：从感性认识的过程看，物理学中的最基本的三个概念是物
质、空间和运动；从定量测量的角度看，与这三个最基本的概念对应的基本量是
质量(包括电荷量)、长度和时间；从更深层次上看，质量是引力场和电磁场的自
相干和互相干的表现．对于建立整个物理学理论体系来说，三个最基本的原理是
惯性原理、相对性原理和等效原理．甚至可以把相对性原理理解为惯性原理的逻
辑推论．这就是我的引－电统一场论的基本指导思想．

    Ⅲ．与时间有关的鸡毛令箭

    １）牛顿时空观被否定之后，教科书里在时间问题上自然不宜再采用牛顿的
提法．二十世纪六十年代以后，许多书上把恩格斯的关于“空间和时间是物质的
存在形式”的提法拿来当做定义使用，这是不恰当的，因为恩格斯只是说空间和
时间都与物质有联系，而不是给空间和时间下定义．
    如今有人说：“恩格斯是革命家而不是科学家．过去的书上实际上是拿着鸡
毛当令箭．”此话有点道理，但带有情绪和偏见．
    革命家就不能有科学知识吗？革命家讲的话就一定是谬论吗？在空间和时间
问题上，与恩格斯的判断相反的判断是“空间和时间不是
    时间定理为时间的标定提供了理论依据．该定理允许时标具有任意性，因而
允许根据牛顿第一定律的要求来选取适当的时标(见《述评》p.34)．这样就使运
动学中的时间的概念同动力学中的惯性的概念一开始就结合在一起了，不仅选定
了时标，而且使牛顿第一定律成为纯理性的、绝对没有测量误差的基本原理．
    我把这种对时间的认识同前面谈到的对物质基本成分、运动的基本形式结合
起来，作出的判断是：从感性认识的过程看，物理学中的最基本的三个概念是物
质、空间和运动；从定量测量的角度看，与这三个最基本的概念对应的基本量是
质量(包括电荷量)、长度和时间；从更深层次上看，质量是引力场和电磁场的自
相干和互相干的表现．对于建立整个物理学理论体系来说，三个最基本的原理是
惯性原理、相对性原理和等效原理．甚至可以把相对性原理理解为惯性原理的逻
辑推论．这就是我的引－电统一场论的基本指导思想．

    Ⅲ．与时间有关的鸡毛令箭

    １）牛顿时空观被否定之后，教科书里在时间问题上自然不宜再采用牛顿的
提法．二十世纪六十年代以后，许多书上把恩格斯的关于“空间和时间是物质的
存在形式”的提法拿来当做定义使用，这是不恰当的，因为恩格斯只是说空间和
时间都与物质有联系，而不是给空间和时间下定义．
    如今有人说：“恩格斯是革命家而不是科学家．过去的书上实际上是拿着鸡
毛当令箭．”此话有点道理，但带有情绪和偏见．
    革命家就不能有科学知识吗？革命家讲的话就一定是谬论吗？在空间和时间
问题上，与恩格斯的判断相反的判断是“空间和时间不是物质的存在形式”，能

                                  .10.


认为这种判断是真理吗？在我看来，在相对论问世之前，在牛顿的“时间与任何
外部事物无关”的观点占统治地位的历史背景下，能把空间和时间同物质联系起
来思考，已属很不容易．恩格斯确实不是自然科学方面的专家，但无疑是通晓自
然科学的革命家和哲学家．他的知识面以及对当时最新科学成果的理解深度，至
今仍非一般人所能相比．他的著作无疑应当算是十九世纪的思想家们留给后人的
精神财富的重要组成部分．对他作出评论，应当是在读过他的著作之后．
    ２）如今有些书上改用爱因斯坦“时间是幻觉”的提法．此提法是出自爱因
斯坦的一封吊唁贝索的书信，原话是：“过去、现在和未来之间的区别，只不过
是一种顽固地坚持着的幻觉而已．”这是为了安慰贝索的亲人而写下的话．搞科
学哪能随便把名人的吊唁信当做正式发表的学术论文来引用？科学家的话就能保
证句句是真理吗？在我看来，乱贴“时间是幻觉”的现象，实际上也有“拿着鸡
毛当令箭”之嫌，会在物理学界和哲学界引起思想混乱．
    爱因斯坦从未专门对时间下过什么定义，但他的时空观在他的正式发表的相
对论中已经表述得很清楚．他在讨论“同时性”问题时，是把“有因果联系的事
件”与“无因果联系的事件”严格地加以区分的．因果律是他的基本信条．母子
之间的关系是因果关系，在任何参考系中，总是先有母后有子．这种先后次序是
绝对的．正是因为承认因果律，他才导出了“机械速度不可能超过光速”的著名
论断．如果两件事之间本来就无因果联系，那么谁先谁后就与选用的参拷”，能

                                  .10.


认为这种判断是真理吗？在我看来，在相对论问世之前，在牛顿的“时间与任何
外部事物无关”的观点占统治地位的历史背景下，能把空间和时间同物质联系起
来思考，已属很不容易．恩格斯确实不是自然科学方面的专家，但无疑是通晓自
然科学的革命家和哲学家．他的知识面以及对当时最新科学成果的理解深度，至
今仍非一般人所能相比．他的著作无疑应当算是十九世纪的思想家们留给后人的
精神财富的重要组成部分．对他作出评论，应当是在读过他的著作之后．
    ２）如今有些书上改用爱因斯坦“时间是幻觉”的提法．此提法是出自爱因
斯坦的一封吊唁贝索的书信，原话是：“过去、现在和未来之间的区别，只不过
是一种顽固地坚持着的幻觉而已．”这是为了安慰贝索的亲人而写下的话．搞科
学哪能随便把名人的吊唁信当做正式发表的学术论文来引用？科学家的话就能保
证句句是真理吗？在我看来，乱贴“时间是幻觉”的现象，实际上也有“拿着鸡
毛当令箭”之嫌，会在物理学界和哲学界引起思想混乱．
    爱因斯坦从未专门对时间下过什么定义，但他的时空观在他的正式发表的相
对论中已经表述得很清楚．他在讨论“同时性”问题时，是把“有因果联系的事
件”与“无因果联系的事件”严格地加以区分的．因果律是他的基本信条．母子
之间的关系是因果关系，在任何参考系中，总是先有母后有子．这种先后次序是
绝对的．正是因为承认因果律，他才导出了“机械速度不可能超过光速”的著名
论断．如果两件事之间本来就无因果联系，那么谁先谁后就与选用的参考系有关
了，先后次序就可以通过参考系的适当的变换颠倒过来．只是在这种情况下，



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