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高伯龙院士:对中国科技发展的思考和建议

时间:2012-01-14 19:27:48  来源:  作者:

高伯龙

为使我国科学更健康地发展,在世界上作出真正的贡献,必须密切结合我国实际情况,创造性地进行科学研究。只有利用辩证唯物主义来指导总体方向与具体工作才能形成中国特色。

以辩证唯物主义为指导

辩证唯物主义是马克思主义的思想核心,其中,唯物论比辩证法更重要。笔者长期从事工程科研工作,在实践中深深感到用辩证唯物主义指导的重要性。不过,由于所从事的工程面专而窄,因此想改选一个更为大家所熟悉的题目——广义相对论和宇宙论,用它来阐明这方面的观点也许更为适合。

著名的宇宙大爆炸理论是天文学家和宇宙学家经过数十年艰苦工作和长期争论才形成并得到证实的。主要实验根据分为三个阶段:哈勃定理;伽莫夫核爆炸理论得到的氢氦比;宇宙背景辐射的发现。

这三个阶段跨越了几十年,证据充足,是近代天文学和宇宙论的重大成就。其中,最美妙的地方莫过于把宇宙论和现代基本粒子理论密切联系起来,构成了一个统一图像。

不过,令人费解的是,大爆炸的创始人之一,比利时宇宙学家勒梅特神父从哈勃定理倒推,认为大爆炸起源于一个点,时间、空间和全部物质从该点产生。为解释激化状态如何从一个点扩展开来,后来又诞生了各种理论,包括远大于光速的暴胀论,就更不可思议了。

从辩证唯物主义的观点来看,它们显然都是错误的,因为能量守恒和质量守恒定律是宇宙中的最基本定律,大爆炸只能使能量和质量改变形态,其数量在爆炸前后应相等,绝不可能从某个时刻开始无中生有。

因此,必然是宇宙的大量质量先由于引力等原因,向某个中心聚拢,待聚拢到一定程度,密度变得很大,相互碰撞剧烈,产生爆炸和核反应,但由于聚拢的趋势大于发散的趋势,爆炸后的物质并不能发散出去,源源而来的物质将它们压住,因而尽管该相对小的体积内爆炸愈来愈激烈,但仍然是一个收缩状态。最终,量变导致质变,待爆炸非常之剧烈,发散趋势胜过了聚拢趋势,这批物质从聚拢状态转为发散状态,于是我们的宇宙诞生了。

如此看来,大爆炸不是开始于一个点,而是开始于一个相对目前整个宇宙很小但实际仍然很大的体积。这个模型并不违反大爆炸理论的三大主要实验证据:首先,它显然符合哈勃定理;其次,它具有大爆炸后留存的宇宙背景辐射;至于伽莫夫理论预言并在天文上得到证实的氢氦比(它说服了大家承认仅有一次大的核爆炸),在本文提出的模型中也应成立,因为最后发生质变的强烈核爆炸只有一次。

现有的宇宙学还有一个为大家所忽视的缺陷。数据显示,我们宇宙的年龄(从大爆炸开始到现在)为140亿~150亿年,宇宙空间(有人称之为比我们宇宙更大的宇宙,即大宇宙Universe)的大小约为871亿光年。大爆炸所产生的我们的宇宙,大小约为150亿光年,现在太空望远镜所能探测到的距离也约为150亿光年,所以认为正好能够看到我们宇宙的边缘,还认为在边缘区所看到的就是大爆炸后最早形成的星系。

但是,细推之下,这些知识在逻辑上存在严重问题:第一,假如大爆炸是从一点或者相对小的体积开始,假设走得最快的星系向外膨胀的最快速度是光速的四分之一,则我们宇宙的半径不过是40亿光年左右,而不是150亿光年,那么太空望远镜在40亿光年之外所看到的是我们宇宙之外的星系,很可能是和我们宇宙类似,在大爆炸之时产生的其他宇宙(universes)。第二,假如认为向外膨胀的最快速度等于光速(只有静止质量等于零的粒子才有可能),这样我们宇宙的边缘才能在150亿光年,但150亿光年处边缘星系的光信号不能立即传到地球上来,要等到150亿光年之后才能传到,所以太空望远镜所看见的我们宇宙的星系最远不过75亿光年处,超出75亿光年的星系都不是我们宇宙中的星系。若认为膨胀速度可以远大于光速,就另当别论了。

所以,现在的宇宙学在逻辑上矛盾重重,应该破除对它的迷信,用辩证唯物主义重新考察宇宙学。

宇宙学的理论基础是广义相对论。对于广义相对论,不同的看法一直存在。爱因斯坦1955年去世后,长期跟随他的亲密学生及同事因菲尔德,坚持认为广义相对论是包含时间、空间及物质运动规律在内的宽广理论。而另一位权威人士,苏联的福克院士,则认为广义相对论只是广义引力场理论。现在的广义相对论学者大多追随和发展了因菲尔德的观点。

奇点理论是爱因斯坦以后的相对论(本文称之为后相对论)中重要的组成部分。辩证唯物论应该对后相对论重点考查,因为它的问题很多。后相对论中的奇点理论可能是过度迷恋数学化的结果,对它需要从奇点的定义开始进行考查。奇点本来是高密度、大尺寸的物质团所产生,非常鲜明而具体,若一定要给它下一个严格的数学定义也并非不可,但是后相对论对奇点的定义是否完全符合科学的抽象这一准则?恐怕未必。因为此定义以及据此证明的奇点理论,用于实践出现了许多难以理解的现象和结论,例如,大爆炸起源的点,被认为是相对论的诸多奇点之一,是时间的奇点等。

科学民主 百家争鸣

2011年诺贝尔物理学奖颁给了三位天文物理学家,奖励他们从超新星爆炸的特大红移效应中得出我们的宇宙在加速膨胀这一结论,并认为引起加速膨胀的机制是暗能量。

颁奖结果引起许多议论。首先,令人难以理解的是颁奖公告中把宇宙的膨胀和暗能量完全联系起来,似乎两者是一回事。不论从物理还是逻辑来看,都应该将加速膨胀和引起加速膨胀的机制分开。更难理解的是,占宇宙70%以上的、产生斥力的暗能量到底是什么?为什么在地球以及整个太阳系都没有它的踪迹,甚至整个宇宙空间至今也没有找到?

2011年诺贝尔物理学奖颁布后,物理学者梅晓春写了《2011年诺贝尔物理奖又授错了!》一文。列出五点反对宇宙加速膨胀的理由,其中最值得注意的一点是:宇宙学理论从超新星爆炸大红移推得宇宙加速膨胀这一结论,使用的弗里德曼方程中用了罗伯逊-沃克度规。

已有人证明,该度规得出的是牛顿-伽利略速度相加规则,而不是狭义相对论的速度相加规则。英国物理学家米恩1943年甚至从牛顿力学理论导出弗里德曼方程。可见,弗里德曼方程并不适用于光速量级的高能超新星爆炸。因而,宇宙加速膨胀的结论存在疑问。

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