从牛顿的经典到爱因斯坦的现代物理
  就像开普勒找到了对天体的运动学表述一样，牛顿找到了对天体的动力学表述，从开普勒行星运动的“三大定律”中不一定推出牛顿力学的“三大定律”和万有引力定律，但是，从牛顿的运动力学和万有引力定律中一定能够推出开普勒的“三大定律”。“开普勒定律”和“牛顿定律”符合某种有内涵关联的“等效原理”。如果开普勒掌握了微积分的数学工具，那么他有可能找到对天体运行的动力学描述，甚至可能发现万有引力。德国天文学家开普勒1630年去世，1666年，年仅23岁的牛顿便发现了万有引力，1676年至1677年，牛顿创立了万有引力定律，他在之后发表的《论物体的运动》论文和《自然哲学的数学原理》著作中正式给出了万有引力定律的表达式。

  严格来，牛顿是天体物理学的缔造者，他将天体运动建立在力学的基础上，揭示了天体运动规律的内在原因。牛顿建立的物理学“大统一理论”与爱因斯坦建立的在形式上有几分相似，在内同上则完全不同，牛顿用万有引力统一了对地面物体和天体“吸引力”的解释，引力是所有物体拥有的属性，苹果落地、人体感受的重力，月球围绕地球的转动等现象都是由同一种引力引起的，爱因斯坦试图用统一的数学公式来描述引力和其它基本力在形式上的一致性，却没有获得成功。我们可以将牛顿发现的万有引力定义为引力的“大统一理论”，显然，牛顿狭义的“大统一理论”不同于爱因斯坦然广义的“大统一理论”，不能仅仅用“等效原理”进行一致性的解释。尽管牛顿和爱因斯坦的引力论都对引力现象进行了物理和数学的描述，当我们仅仅考虑引力对天体和物体的作用效果时，两种力学体系符合“等效原理”的要义，但是，两种理论体系截然不同，绝大多数物理学家认为爱因斯坦的引力理论更为深刻和全面、更为精确和合理。爱因斯坦从牛顿经典力学和麦克斯韦经典电磁学出发，最终超越了牛顿的经典力学体系，我们可以将这种超越理解为科学哲学“突变原理”的经典案例。

  牛顿是经典力学的奠基者，而爱因斯坦是现代力学的开创者，经典力学适用于低速、中观尺度和弱引力场的物理条件，而现代力学适用于高速、宏观和强引力场的条件，由于在低速、中观和弱引力场的条件下，爱因斯坦现代力学的表达式可以转换为牛顿的经典力学，我们因此可以在两种力学体系的“对话”中找到“等效原理”的解释，由于牛顿的经典力学在高速、宏观和强引力场的条件下失去了作用，只能用爱因斯坦的相对论来描述，我们因此可以推断，在牛顿经典力学向爱因斯坦现代力学的转换过程中发生了“突变”，符合“突变原理”的解释。牛顿认为引力属于物质的一种天然属性，就像物质在光的照射下展现自身的颜色一样，物质之间的相互作用产生引力，引力的传递不需要时间，天文学家用万有引力定律成功地解释了行星运动的轨迹，根据对行星运动轨迹的预测成功地发现了诸如海王星一类的行星，但是，牛顿的引力理论不能解释水星的进动现象，不能明物质形成引力的内在原因。爱因斯坦认为引力不是物质的固有属性，而是一种时空场的作用力，物质的质量造成时空场的弯曲，平直的时空场在发生弯曲之后会形成“引力”，它的传播需要时间，“引力”的传播形成引力波，引力波的传播速度等于光速。

  1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，用统一的时空观、或相对的时空观代替了牛顿的绝对时空观，牛顿的同时性概念是绝对的，不随参考系的变化而变化，比如：人们在列车上看到的一个物体的运动轨迹和在站台上看到的一个物体的运动轨迹没有任何差别，时间的流逝是相同的，而爱因斯坦的同时性概念是相对的，会随参考系的变化而变化，比如：人们在列车上看到的一个物体的运动轨迹和在站台上看到的一个物体的运动轨迹有差别，该物体在列车参考系和在站台参考系中所经历的时间不同。对同时性概念的不同理解形成了牛顿力学和狭义相对论的“分水岭”，就像对几项公理的不同理解形成了欧几里得几何和非欧几里得几何的“分道叉”一样。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，进一步突破牛顿静止不变的绝对时空观，否定了牛顿万有引力的超距作用，将狭义相对论推广到对引力属性的描述中，创立了一门崭新的引力理论，天体物理学的理论基础自然而然地由牛顿的万有引力理论转换到爱因斯坦广义相对论的引力理论。在机械力学、建筑力学、材料力学等工程力学领域，我们应用牛顿经典力学足以解决技术难题，而在引力波物理学、致密天体和黑洞物理学领域，我们则需要更好的物理工具——广义相对论。

  爱因斯坦的狭义相对论之所以比牛顿运动定律，广义相对论之所以比牛顿的万有引力定律更为更为深刻和全面，是因为狭义和广义相对论在更高的理论层次统一了牛顿的经典物理，既包括了经典物理能够解释的内容，也包括经典物理不能够解释的现象，使得物理学在新的大综合基础上形成一个更加完美的科学体系。狭义相对论建立在光速不变和狭义相对性原理的基础上，统一了牛顿的经典力学和麦克斯韦经典电动力学的两大体系，当物体在低速运动的条件下，狭义相对论可以转换为牛顿运动定律的形式。广义相对论建立在等效原理和广义相对性原理的基础上，物理学的“等效原理”指的是引力场的惯性系和加速运动的非惯性系之间存在等效性，物理学规律在引力场的惯性系和在加速运动的非惯性系中发挥同样的作用，比如：我们在地球引力场中做一个球的落体实验和我们在远离地球的、作加速运动的火箭实验舱中做一个球的落体实验将会得到同样的结果。狭义相对论和广义相对的一个区别在于，前者分析的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）后者推广到具有加速度的参照系（非惯性参考系）。通过等效原理，狭义相对论原理从加速运动的非惯性系推广到引力场的惯性系，我们因此对引力场惯性系的“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”的概念有了全新的理解，就像物体在接近光速运动的条件下发生“时间变慢”、“尺度变短”一样，在强引力场条的件下也将发生明显的“时间变慢”、“空间弯曲”效应。

  爱因斯坦的狭义相对论之所以比牛顿运动定律，广义相对论之所以比牛顿的万有引力定律更为精确和合理，是因为狭义相对论发现了物体在高速运动下的运动规律，推出了质能关系式。狭义相对论对宏观、低速运动的物体作用并不明显，而对微观粒的作用却极为显著，微观粒的运动速度一般接近、甚至达到光速，因此，对粒运动属性的描述离不开相对论。应用爱因斯坦的时空弯曲理论，天文学家在水星近日点的偏移中发现了43秒的进动。爱因斯坦曾经预言遥远的星光在经过太阳的附近时将会产生1、7秒的偏差，1919年，英国科学家爱丁顿组成了两支天文探测队伍，分别到达南美洲巴西的索贝瑞尔和非洲西岸的普林西比岛，对发生在那里的日全食进行观测，通过这种观测方法和观测的数据明，星光在太阳附近的确发生了1、7秒的偏折。光线在引力场的偏折形成了引力透镜现象，天文学家能够在同一个遥远的天体上观测到多个成像。天文学家利用引力透镜原理发现了宇宙中的“暗物质”。我们从以上的叙述和分析中可以发现，不仅从牛顿运动学向爱因斯坦狭义相对论、从牛顿万有引力定律向爱因斯坦广义相对论的转换中发生了“突变”，符合“突变原理”的描述，而且从狭义到广义相对论的转换中同样发生了“突变”，同样符合“突变原理”的释义。

  （邓如山2017-4-1yywgs@163.）

  (Fromphilosophical“principleofmutation"”toexpintransformationfromcssicalphysiodernphysics)

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