物质的存在性和演化性

——关于搅动能守恒律意义和作用的引伸性说明和讨论


陈刚毅1 欧阳伯嶙2 Yi Lin3

1成都信息工程学院 成都 610041 中国

2成都干道建设综合开发总公司 成都 610072 中国

3Dept. of Mathematis,Math.3205

Slippery Rock University 14 Maitby Drive

Slippery Rock,PA 16057_1326,USA

 

提要:本文系对欧阳首承提出的搅动能守恒律意义和作用的引伸性说明和讨论[1,6],我们认为搅动能守恒定律是300年来科学体系中守恒律的一个重要遗漏,它既是物质存在性原理,也是物质演化的定律和分析研究方法。搅动量守恒的三环能量转换可用于生态平衡、城市规划和产品设计;也可用于演化的预测分析。

 

关键词: 搅动能 存在性与演化性  三级环流与间接环流

1 引言

300年来的科学研究体系而言,涉及不稳定能量的研究可以说是凤毛麟角,遵循牛顿以来的数量分析体系几乎所用的理论和方法,都是针对数量稳定性体系的存在性。为此,贝格森(1963)[2],柯依雷(1968) [3],普利高津(1980) [4]和欧阳首承(2001,2002) [5] [6]均指出自牛顿以来的经典力学到爱因斯坦的广义相对论,仅是物质或事物的稳定存在性,没有涉及演化,也可以说是对演化的否定[3]。乃至于爱因斯坦的晚年也指出由牛顿的经典力学,基础数理方程,量子力学到相对论,不能提供过去现在和未来的差别[7],而实质上承认了没有涉及物质的演化性。作为遗留问题,即使不谈存在性理论的是与非,也没有给出存在性的原因或由来,更谈不到演化的过程性了。

显然,物质的稳定形式的存在性,或不稳定形式的演化性,是自然科学的不可回避的问题。自牛顿的《自然哲学的数学原理》发表以后,由数量分析所建立的理论和方法,已被哲学界描述为近代“豪华”(非朴素)的高级科学理论,尔后作为哲学家的康德,基于数学物理方程的知识,将数量分析演绎为体系性的形而上学学派的集大成者,基于数量的形式通用性发展为人们思维观念的统一规范程式。

数量本身是源于人们感官经验的形式计量化,即形式符号。没有东西,不会有数量,并数量体现于欧几里得空间的数轴上概念,而必然涉及数量不稳定。因为数量中遇到了直线式的无穷的问题,遂有“其大无外,其小无内”。显然,无论是无穷大或是无穷小,不仅数学家束手无策,也使物理学家陷入茫然。为此,数量分析还必须得限制数量不稳定,遂有数学的适定性限制体系的数量稳定性条件,从而导演了数量稳定性限制下的初值自相似性。初值自相似的实质,无非是限制数量的变化,而体现了初值不变性而已。这正是近代数量分析体系的高级理论和方法“不能提供过去、现在和未来的差别”的没有演化性的原因,但为什么有存在性也没有得到回答。

人们无法想像出无穷大是什么,也对无穷小感到不可思议。但根据欧阳首承,麦克内尔的工作[6],指出无穷的概念无非是基于数量所体现的欧几里得空间的想像的观念,并不是物理实在。实际的物理空间是非欧的凸曲率或凹曲率空间,数量的无穷应是物理的转折[6],并欧阳首承又指出人类的思维可以“类比式联想”的方式,“以小喻大”或“以大喻小”而求得实证性[8]

作为“以小喻大”,人们可以分解存在物质的方式,分析物质的基本构成。因为无论宏观的宇宙,或微观的原子系级的物质均涉及物质的构成。也许会有人认为现在所分解到的物质原子系级,还没有达到物质构成的基本级,然而人们不能否定的是目前宇宙物质所有的探测信息,均是来自物质的原子级效应。

应指出的是,可能是基于数量的“其小无内”的思维逻辑,学术界近百年来投入很大的精力、物力去探索小于原子级的物质结构。由原子级的质子、中子和电子,引出“电子级”的“基本粒子”。除了目前已发现的93种天然元素外,还有人造的“元素”,或电子级的人造“粒子”,包括可自由单独活动的费米子类的中微子、 子、 子、夸克子等,和人们推测或理论需要的电子卫星级的玻色子(光子、胶子)。值得说明的是人造“元素”或人造“粒子”都是不稳定的,而光子、胶子又没有静质量。光子只能作为“光子说”而出现的,并光速是源于原子级的波动效应的波速,不是光子的速度。即使“光子说”的“光子”是客观存在,则也有个光子的寿命问题,并充其量光子也只能作为电子的“月亮”级。

现在的问题是,基本粒子是否可以按数量的“其小无内”而无限大分割下去的逻辑推理的证伪性。为此,人们不妨以反向思维而“以大喻小”。由现在可以较稳定地观测到宏观宇宙中星相的星系级、恒星级和行星级的三环稳定的存在性,宏观的最小级为行星级环流。其中恒星级为第二环流,并聚集了宇宙的主要物质和能量;相对应的微观物质级为分子系级、原子系级和电子系级,并有趣的是作为微观第二环流的原子系级也是能量的聚集级,遂有核能之说,并已被证实。这至少说明了作为天然物质的准稳定存在形式,需要至少三级环流;其次为第二环流蕴含了巨大的能量,并宏观的恒星级与微观的原子级环流,均为同一的核能量。

由此,衍伸到人体活动的尺度级,或称中观尺度,人们可见到的气象上的寒带、温带和热带三环流,或台风(或飓风)也是由台风眼、暴雨急风区和外围副热带高压区构成的三环流,并也是第二环流区聚集了巨大的能量。

对此,欧阳首承受到中国北魏时代(公元386-534)发明的三环能量转换稳定性和天然河流伴有湖泊蓄洪(存储洪水)的启发,而意识到能量转换的三级环流的转换制约性,和非三级环流的不稳定性的破坏性,及“没有涡动就没有动能转换,这种能量消长决定涡旋内部的热——动力平衡” [9]。然而300年来,由牛顿到爱因斯坦没有真正意识到旋转的意义和作用,作为他们的遗产,乃至于爱因斯坦已提出“时空”是弯曲的,但仍以线速度表述物质的动量(mv)和动能(v2,c2),甚至角动量已经引入了角速度,但角动量依然仿照线速度的方式(mωr,其实ωr实质上还是v形式。因ωr的量纲[m/s]就是线速度v的量纲。为此,也可以说牛顿、爱因斯坦及其继承者们,在认识观念上还没有真正懂得动能是如何转换和传递的,而构成了300年来的重大疏漏和遗憾。实际上,真正实际的动量或动能,是非欧空间物质旋转搅动引起的角速度构成的动量(mω)和动能(ω2)。

直至20世纪中叶,Fjörtoft(1953)在数值稳定性分析中发现传统的动能(v2/2)守恒不能限制能量的传递,致使能量守恒格式不能保证计算稳定性,而涉及了旋转的涡量[10]。但Fjörtoft可能受到传统观念的束缚,没有意识到旋转的涡量,隐含了近代科学体系遗漏的重大问题。

2 搅动能守恒定律理论

客观存在的物质三环准稳定能量转换的事实与规律,实际上是物理的三环准稳定的搅动转换与传递,可以通过三环涡动或称为旋转完成每一系统尺度级的热——动能转换。搅动能的三环转换与传递的理论证明很简单,下面我们列出欧阳首承修改的证明方式。

可以说,能量守恒是近代三大并列成就之一,并与流体的连续性(即将流体也视为抵抗固体的连续体,使流体运动也可以作为波动来讨论),和微积分的创立一起,构成了近代科学的奠基性理论体系,其中动能以速度(包括爱因斯坦质能守恒的光速)的平方表示之。如果说300年的奠基性理论体系,牛顿成就于力的第一推动,而爱因斯坦成就于能量的相互作用,但实质上能量也无非是力的做功而已。由此,也导致了300年来的动能似乎已经解决,即所谓的动能仅仅表现为速度的平方而已。而重要的是,无论动能守恒或总能量守恒,都没有告诉人们能量是如何变化的,和以什么方式转换或传递,以及转换或传递的过程。这正如牛顿的第三定律,没有给出相互作用的运动方式和作用过程是类似的,仅仅表现了作用或运动的结果。按亚里士多德的提法,物理学的任务就是研究物体的运动过程和变化。何况人的一生,乃至于人类历史,或宇宙史都是属于物理过程和变化的问题。所以,物理的过程和变化定律不仅是具有实际意义的重要定律,也是真正的物理学定律。

即使按形式逻辑,速度的平方是能量中的动能,旋转的角速度的平方也应是能量中的动能。或者说,在动能的认识上现行体系中遗漏了角速度的平方,并速度的平方与角速度平方不仅含义不同,其作用也有别。由于速度的量纲是[m/s],而角速度的量纲为[1/s],即使作为数量,角速度是源于物质旋转的量度,而速度是物质单位时间内移动距离的量度。由于旋转的涡量的量纲也是[1/s],即

 

rot   =                           (2.1.1)

 

式中矢量符号字母表示矢量,uvw分别为 矢量的xyz坐标轴的分量。对于水平的二维,有垂直方向的涡量为

           ζ =                                   2.1.2

引入函数,有

            v = ,     u = -                          (2.1. 3)

按现有的传统数量分析方式,假定ψ是连续的,且具有二阶导数,引入不同尺度的合成,

           ψ =

ψn为如下方程的特解,即

          2 = -                                 (2.1.4)

(2.1.3)(2.1.4)式,考虑 的正交性及引入平面散度定理,有

        

          =                                      2.1.5      

=                                       (2.1.6)

 

其中“¯符号表示闭合面积上的平均,并(2.1.6)式是引入(2.15)式。显然,作为物理含义速度与涡量的角速度是不同的,并仿照数量化按数量方式处理,但即使如此也揭示了传统的动能也与搅动能有本质性差别。非常有趣的,也可以说令牛顿、爱因斯坦未料到的是(2.1.5)(2.1.6)式,揭示了搅动能中包含了传统的动能。尽管上述的演绎是遵循牛顿体系的处理方式得出的,但揭示了传统的动能守恒或能量守恒定律的一个重大遗漏,即搅动能守恒,不仅包括了动能守恒,而且体现了动能的转换或传递方式和过程。

应指出的是,此问题的数量数学形式,为气象界的R.Fjörtoft1953)以无辐散流的方式提到,而意识到无辐散流能,并以ζ2v2在形式上相似,而将ζ2/2笼统的称为涡度拟能(此名词是中国人的译法,原文为:Kinetic energy for nondivergent flow),并未指出ζ2/2v2/2的明确差别性。欧阳首承是以角速度ω得出此问题的,并将ω2称为搅动能,并在下面讨论能量转换方式的过程中见到R.Fjörtoft的工作,并指出ζ2ω2的一致性,故将“涡度拟能”改为搅动能,特别强调的是搅动能包含了传统的动能。由于理解和认识的差别性,R.Fjörtoft是出于计算稳定性,以涡度拟能的形式限制能量的转换或传递去设计稳定性的计算格式;而欧阳首承则是研究能量的转换和传递方式,意在揭示物质能量转换的过程,并在分析物质的能量传递过程时发现了动能转换的三环准封闭式的自完善体系。简言之,搅动能可通过第二或间接环流完成转换或传递,并由此可蓄能或减缓、消除非规则扰动。这不仅为1600多年前中国北魏时代发明的物体运动的三环稳定性[8],给出数量分析方式的说明,也证实了物质能量变化和转换的过程定律,而称为搅动能守恒的物质三环转换的准稳定性定律。其重要意义是,由三级环流完成的动能转换或传递,揭示了宇宙物质之所以被人们感知的存在性,则在于物质的运动变化遵循搅动能守恒的三级环流转换的准稳定性,既说明了宇宙物质表现为存在的较普遍性的由来,也体现了“三生万物”或“事不过三”的自然哲学原理。

3 搅动能守恒与物质存在和演变过程

若仅考虑为二级环流,由搅动能守恒的(2.1.6)式,有

                                     (3.1.1)

(2.1.5),

                                          (3.1.2)

考虑动能的变化(即对时间的微商),

                                         (3.1.3)

(3.1.3)式消去 ,则有

            ;                (3.1.4)

,(3.1.4),只能有 , 为零,即二级环流之间不能完成能量转换或传递,可导致能量的堵截而引起不稳定的演化,并已被流体的转盘实验所证实。

引入三级环流,则由(2.1.5),(2.1.6)式可得出,

                             (3.1.5)

(3.1.5)式消去 , , ,则分别有

          (3.1.6)

(若依次反排序,也可得同样的结果),(3.1.6)式中第一式、第三式左端系数为正,而第二式左端系数为负,故有

1  , 减少时, 增长;反之, , 增长时, 减少,即三环可实现能量的转换和传递。

2  注意到 ,故当 增加时,相应的 也增加;反之,当 减少时, 也减少。这表明动能转换或传递必须通过第二环流,它不能直接转换或传递给第三环流。

我们可以得到如下的搅动能守恒与物质存在性和演化性过程特征:

二级环流不能实现能量转换或传递,必然导致能量堵塞或能量积累引起不稳定,并以产生出第三环流而达到稳定性。此种情况可见于流体的转盘实验,或天然河流的河道演变。

三级环流可以完成动能的转换或传递,并以稳定形式体现物质的存在,并构成了人们可广泛而又常见的物质状态的普遍性,即有宏观和微观元素稳定的三环态。

能量转换是通过间接(第二环流)完成的,从而对传统的直接阻尼(或截留),摩擦,耗散或衰减(包括衰变)的观念和作法提出了置疑。或可说成近代物理学没有意识到间接环流的作用,不仅不能描述物理的过程变化,也遗漏了更为重要的能量转换定律——搅动能守恒。由此也揭示了近代物理学定律仅仅是事件的结果定律的重要原因。

由于间接环流的容纳性,第一环流不能直接将能量传递给第三环流,其必然结果是第一环流“动”,而第三环流“未动”,当第二环流容纳第一环流的能量再传递时,是同时传递给第一,第三的两环流,而完成了能量的分散式传递,必然是削弱了第一环流的原始能量。

由于三级环流已经是准自封闭式完成了能量转换和传递,四级或五级以上环流至多是接收或传递三级环流能量的余量,而不能构成稳定性,也必成为不稳定的次级环流,并很快调整为三级环流,也正因为能量的三级环流的转换中含有的余量,固将能量的三环转换,称为搅动能守恒的物质三环转换的准稳定性定律,并可以说明行星级中可有卫星,或没有卫星的行星。由此必然可推知:不遵循三环能量转换的次级环流是不稳定的,并四级以上环流的不稳定性,已在宏观流体或流体转盘实验中可普遍观测到。至于目前已经发现的微观物质构成的天然元素的稳定,与人造元素的不稳定,未见到实验或理论物理学家给出原因的说明。这也许涉及了物质三环能量转换或物质可分性的程度问题。因为这不仅涉及分解或粉碎物质的工具问题,并按旋流的观点,物质的能量聚集于物质的“夹缝”中[11],如不遵循三环能量转换的稳定性,则“夹缝”中的不稳定性能量将以迅速衰变的方式释放。其中可因释放能量的巨大导致灾难性,也可因释放物的有害性构成毁灭性。这也许是上古《归藏易》(中国)丢失的原因。

应当注意的是,目前已经发现宏观星相的星系级(含银河系),恒星级(包括太阳系)和行星(包括地球)的三环稳定性;大气流体的三环流(寒带、温带、热带)或台风流场的三环性等;和微观物质构造的稳定性元素的分子系级,原子系级和电子系级的三系级,乃至于动物,人体活动结构成或可自由运动的最优机械设备设计,均体现了搅动能守恒的三环动能转换,似乎应不是偶然。

必须指出的是,具体的稳定性是相对的,并按演化的观点没有绝对的稳定性。稳定性可因非三环流的不稳定而破坏,但因搅动能守恒又必然向三级环流调整,并调整后的三级环流可以不是原三环流。为此,不稳定和搅动能守恒,是宇宙物质形态,结构或性质演化或存在的原因,也揭示了物质的生成、成长和消亡的演化过程,并且非三环流可以旋转方向的变化先于调整过程,为演化的预测既提供了理论,也给出了方法。

应当说,三环流可以完成动能转换,并体现于旋转方式。其实质已经不限于物理学某种现象,而是物理学定律的问题。只是由于300年来受到欧几里得几何观念的束缚忽略了宇宙物质的旋转性,而遗漏了物质的实际动能是搅动能,并已经包括了速度平方的动能。引伸为自然哲学原理:三环动能转换的含义已经不限于静力学的三足立的稳定性,已经涉及了物质存在性和演化性的“三生万物”。这也正是近代物理学和自然哲学遗漏的重大问题,并以搅动能守恒和不稳定开创了过程物理学和演化科学。

遗憾的也可以说是有趣的是,R.Fjörtoft (1953)意识到了涡量可以转换或传递能量或动能守恒不能限制能量传递,但没有明确意识到旋转的搅动能是传统的动能,也就谈不到理解搅动能守恒的作用和意义了。也正因为如此,R.Fjörtoft和他的同行们走向了如何限制或堵截能量转换或传递的道路,去追求数量计算的稳定性了。尽管这里利用类似数学方法,但由于认识观念的不同,而发现了旋转作用的搅动能包括了传统的动能,并证实了能量转换是以间接环流的容纳和传递方式实现搅动能守恒,而得出了能量转换的结果性的过程性。即物质的存在性体现于三环能量转换的准稳定性;物质的演化性体现于非三环能量转换的不稳定性。这表明搅动能守恒既是物质存在的结果定律,也是物质演化的过程定律。

4讨论

本文虽是对欧阳首承的搅动能守恒定律意义和作用的引伸性讨论,但实质上也涉及当代科学的数量分析的体系的系列性问题。

1 数量分析有其通用性,和逻辑严密性是其优点,但由此也掩盖了物质和其运动方式的结构性性质,而不能深入到物质的性质性。例如,物质的旋转是有方向的,并可因方向的不同可使运动性质有的变化。即使以涡量、角速度使旋转数量化,但由此也失去了因方向的不同的性质差别性。尤其是物质的演化问题,就是源于旋转方向的不一致性所致[6]

2 速度之所以不能代替角速度或涡量,或者说搅动能为什么包含了动能,则是因为涡量或角速度描述了速度的分布不均,而有速度的变化,已表明涡量或角速度隐含了加速度。显然,若涡量或角速度是变量则为变加速度问题。变加速度是非惯性系问题,这就遇到了惯性方法不能解决非惯性系问题。所以即使作为数量形式,涡量或角速度的数理方程也构成了观念的谬误,而成为300年来科学体系的最大的遗漏和错误。速度不能包括角速度,也可以由速度是流场的一阶导数,而涡量或角速度是流场的二阶导数.

     v = ,     u = - ;    ζ(=ω) =  =

也必然有搅动能ζ2包含了动能v2。即速度是流场斜率为线性问题.而涡量或角速度为流场的曲率而体现了弯曲性。为此,爱因斯坦取光速为常数,讨论曲率方程,已经违背了他的“时空”弯曲性。或者说以速度为动量(m v)、动能(v2)的讨论方式,实质上已将问题限定为欧几`里得空间了,而非黎曼几何。至于欧几里得空间的由来及其适应性,本文不涉及了。作为物质,能量转换或传递问题,至少其动量或动能,应涉及搅动量和搅动能,这也是为什么欧阳首承采用“搅(Stir”,而不沿用“角”字的原因。

3 搅动能守恒的准三环稳定性可以用于工程,产品的设计(并已经有了这方面的产品或应用)或城市生态环境建设规划。作为具体化,自然灾害的预测尽管是必要的,但灾害预测的准确性不等于因此而作到了实际有效的减灾、防灾。实际有效的减灾、防灾可以通过能量转换或传递的第二环流(间接环流)的容纳性来实现,即可仿造天然河流的湖泊储洪量来实现,并又可充分利用洪水资源而变害为利。现行的高堤式防洪的措施既有下次洪水的危险性,又浪费了洪水资源,即使作为经费投资,前者大大小于后者。作为城市规划的生态平衡,运用第二环流能量转换原理,至少大都市可以适当地设置人工湖泊,这样既可以解决城市的防洪减灾问题,又可以减少城市的热岛效应而节省能源等一系列环境问题。

4)非准三环的不稳定性可以用于物质、事物演化的预测。实际上预测的问题就是物质、事物的演化问题。牛顿以来的自然科学体系实际上是物质的存在性问题,由于没有认识到物质旋转的意义和作用,也没有回答物质为什么会有存在性。

物质的演化分析在于非规则的特殊性,而涉及了非三环的不稳定能量转换,即由此体现了物质演化的过程性,也必然不限于或者可以说突破了牛顿的初值自相似的限定。欧阳首承教授正是利用了这一原理大幅度地提高了灾害性预测的准确率[6]

 

致谢:欧阳首承教授对上述研究给予大力帮助和指导,我们表示衷心的感谢!

 

5 参考文献

 

  [1] 欧阳首承,魏绍远,《形势数值天气预报及其应用》,气象出版社,1993。

  [2] Bergson,H.(1963), L´evolution créatrice.In Oeuvres,Edtions du Centenaire.Paris:PUF.

  [3] Koyré,I.(1968),Etudes Newtoniennes. Paris: Gauimard.

  [4] Prigogine,I.(1980),From being to becoming: time and complexity in the physical science, by W.H.Freeman

and Company.

  [5] OuYang,S.C.et al.(2001),Evolution Science and Infrastructural Analysis of the Second Stir.

  [6] 欧阳首承等,《走进非规则》,气象出版社,2002。

[7] 爱因斯坦,《爱因斯坦文集》,第三卷,商务印书馆,1976.

  [8] 林益等,《走向自然的思索》,待发表.

  [9] 欧阳首承,《天气演化与结构预测》,气象出版社,1988.

 [10] Fjörtoft,R.(1953),On the changes in the spectral distribution of Kinetic energy for two dimensional nondivergent flow,TelLus,5,225-230.

[11] 欧阳首承等,旋流、旋流转换和非连续空间与旋场和“真空”,待发表。