Phi: 物理学是自然科学之母。整个物理学理论系统就像一座我们人类正在建设的宏伟大厦,这座大厦能盖多高,很大程度上取决于这座大厦的地基是否足够深且足够坚固。庞大的物理学理论系统也是一个严密的逻辑体系,分为上层理论和逻辑基础此两大部分。上层理论即是物理学诸分支学科理论,诸如牛顿力学、热力学和统计物理学、电磁学、光学、粒子物理学、凝聚态物理学、相对论、量子力学等,这些物理学上层理论具有向下兼容的逻辑特征。物理学逻辑基础则是物理单位制,因物理单位制是物理学基础概念的定义系统,它是所有物理学上层理论的共同基础。物理单位制有多种,如厘米-克-秒单位制(CGS制)、米-千克-秒单位制(MKS制)、自然单位制(如普朗克单位制)、国际单位制(SI)等。其中SI是目前全球科学界普遍采用的物理单位制,也是全世界广泛使用的统一度量衡。与物理学上层理论相反,物理单位制具有向上兼容的逻辑特征。
物理学逻辑基础和上层理论之间的基本逻辑关系是:物理学逻辑基础越深,物理学上层理论的发展空间就越大。换言之,由物理单位制定义的基础物理概念越是贴近所对应的物理实在,则建筑于其上的物理学上层理论对宇宙认识的深度和广度就越大。
Phy: 这些哲学道理我们物理学家都懂也认同,你是在向我们强调物理学逻辑基础的重要性。实际上,物理学家们也一直在对物理学基础概念定义系统进行完善。如,2019年对SI七个基本量的定义做出了重大改进,基于普朗克常数、基本电荷、玻尔兹曼常数对质量单位、电流强度单位、热力学温度单位这三个基本量给出了更加精准的测量性定义。长度单位可基于光速常数定义,物质的量可根据阿伏伽德罗常数定义,余下时间单位和发光强度单位则沿用原有定义。SI所有导出量均可基于这七个基本量并根据物理学理论和实验总结出来的物理量之间的关系(由SI物理单位符号关系式表达)而得到严格和准确的,定义。至此,SI这个物理学基础概念定义系统已是相当牢固和完善,已没有太大的文章可做。
Phi: 牢固性尚可以,但逻辑深度不够,而且基本量数量七个,这太多。我要求你们物理学家把SI基本量从七个减少至两个。
Phy: 哈哈哈…,你要求?哈哈哈…,我亲爱的哲学家,你脑子肿么了?居然能提出这种要求,你真是太可爱了。如果有人能做到,我立刻致信瑞典皇家科学院诺贝尔委员会,提名此人为诺贝尔物理学奖候选人。不可能啊,天方夜谭哪,这个世界上还没有哪一位物理学家可以满足你的这个要求。
Phi: 中国各大学的理论物理专业开设逻辑学课程吗?
Phy: 通常不会设置,个别大学会有,但不是必修,是选修课。怎么?你有意客座理工类大学讲授逻辑学?
Phi: 对任何一类事物可给出很多种抽象性认识,如哲学抽象、数学抽象、物理学抽象、化学抽象、生物学抽象、文学抽象、艺术抽象等,其中哲学抽象是最高抽象。哲学告诉我们,对所有各类存在(事物)的认识均遵循一般与特殊、共性与个性的基本原则。这个哲学认识原则的客观依据是所有存在(事物)均同时具有个性属性和共性属性。例如,所有生物均具有各自生物特征,植物的生物特征与动物的生物特征不同,动物的生物特征与人的不同,人的生物特征与细菌的不同,诸生物种均具有其独特的个性生物属性。而所有生物种具有的共性生物属性则是携带遗传信息的DNA片段---基因。又如,化学元素周期表罗列的百余种物质,它们的个性物理化学属性迥异。而所有这些化学元素具有的共性物理属性是原子---它们都是由不同原子组成的。再如,所有单位物理量由物理单位符号指称表达。物理学已经发现且具有物理实在性的物理量约60余个(据不完全统计),如质量、能量、动量、角动量、加速度、电流强度、电场强度、磁场强度。电荷量、磁通量、热力学温度等。物理学对所有这些物理量各自具有的物理特性(物理量的个性物理属性)已经获得很好或较好认识。现在我问你一个问题:所有这些物理量的共性物理属性是什么?
Phy: 所有物理量具有的共性物理属性?这是物理学问题吗?哲学味道这么浓重。这等同于要物理学家回答所有物理量的“物理基因序列”是什么? 好深奥的问题啊,倒是挺有趣!
Phi: 你说得对,这个世界上还没有哪一位物理学家可以做到。但超出你想象,这个世界上的确有人做到了。此人不是物理学家,一位物理学爱好者,一个中国人。他于2005年始建完备时空理论(简称UPHY)并发展至今。该理论由米秒单位制(MS制)和CST模型组成。前者属于UPHY对物理学逻辑基础的完备化建设,后者则是一个与大爆炸宇宙论迥然不同的宇宙模型。他首先认识到所有物理量普遍具有的一种共性物理属性---多维时空结构,并在此基础之上建立了米秒单位制。MS制仅有两个基本量:米(m)和秒(s),SI所属其余五个基本量和所有导出量均可基于这两个基本量进行统一的理论定义。此人还创建了一种新的物理学理论分析方法---多维时空结构分析法,并提出物理元素周期表。
Phy: 完备时空理论?米秒单位制?CST模型?多维时空结构?多维时空结构分析法?物理元素周期表?这些都是第一次听说,我很感兴趣,你详细介绍一下。
Phi: 先介绍MS制的多维时空结构分析法,再介绍MS制物理单位定义系统和物理元素周期表。多维时空结构分析法的逻辑构成是一个公理、两个法则、四个定理,也即恒量物理量定义、时空组态法则、时空数值法则、倒模定理、完备物理常数定理、物理单位当量定理、缺损定理。先看MS制的这个公理:
Phy: 这是一个假设,假定存在一大类恒量物理量且与所有物理单位一一对应,此类恒量物理量的时空数值均相等且恒等于1,万有引力常数、普朗克常数、光速常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数均属于恒量物理量。该定义表述中的“总存在”是在认为恒量物理量恒等于1的这种数值属性具有客观性。既然恒量物理量定义在MS制中具有公理的逻辑地位,那么其真理性也只能通过源于它的所有推论的正确性给出证明,而不能依赖对其自身证明,因为公理是一个理论体系的逻辑原点。
另外,恒量物理量定义与普朗克约定既有相似之处也有不同之处。在普朗克单位制中将万有引力常数、约化普朗克常数、光速常数、玻尔兹曼常数、库仑常数统统约定为1。但是,这仅仅是为简化物理方程运算而人为引入的一个理论约定,并非认为这五个物理常数在客观上具有1的数值属性。普朗克单位制给出了大量普朗克物理量,它们在普朗克约定下也都等于1。普朗克物理量在现代物理学尤其在量子力学和宇宙学中具有很大的理论作用和价值。
Phi: MS制指出,根据完备物理常数定理可判定,普朗克约定在普朗克单位制中成立,而其中的约化普朗克常数等于1 和库仑常数等于1此两约定不具有客观性,在客观上并不成立。
Phy: 噢?你继续。
Phi: 所有物理量均具有多维时空结构这种物理属性,时空组态法则反映了物理量多维时空结构之时空组分构成之规律。
hy: 这个法则的物理学依据是什么?
Phi: 是SI物理单位符号关系式。你知道的,SI物理单位符号关系式以特定符号逻辑反映诸物理量之间的物理关系,并源自物理学理论和大量实验结果,其真理性已得到反复验证。SI物理单位符号关系式即是物理学的逻辑基础,也是物理学的实验基础。在恒量物理量定义下且根据SI 物理单位符号关系式,可以获得所有已知物理单位的时空组态,进而总结出时空组态法则。Over,就这么简洁干净,无需引入额外假设。我提醒你们物理学家注意,物理单位时空组态是在恒量物理量定义下并根据SI物理单位符号关系式而演绎得出的一种自然而然结果,而不是数学设计。物理单位的时空组态表述对于你们物理学家属于新的认识,我现在出示部分物理单位的时空组态如下:
Phy: UPHY作者如何诠释这个法则?
Phi: 他是这样认为的:
Phy: 维空间?维时间?都具有5维。物理单位时空组态依赖于SI物理单位符号关系式这个物理学实验基础,使之具有可靠的物理学依据,不像弦理论那样是一套纯数学设计和构思,对SI进行逻辑挖掘,产出的第一个结果是就向我们物理学家发出一个强烈信号:宇宙的时空架构是5维空间和5维时间的10维时空。虽然我们还不知道高维空间和高维时间本身的物理含义,但我们再熟悉不过的所有物理量的时空组态在共同且一致表明了它们的客观性。如果时空组态法则被物理学进一步确认为真,人类的时空观必将再次发生变革。时空数值法则的内容是什么?
Phi: 根据时空组态法则和时间单位和长度单位的时空数值,很容易计算出所有物理单位的时空数值,并由时空数值法则给出统一表述:
例如,
Phy: 所有物理量均具有数值属性,并由各自的唯一纯数值表达。这也是一个开创性认识,物理学从未有过此种阐述。根据长度单位和时间单位的时空数值,并基于时空组态法则的确可以很容易计算出所有物理单位的时空数值。那么,UPHY作者是如何获取单位时间和单位长度的时空数值?
Phi: 他参照普朗克时间和普朗克长度表达式,并作出了一处修改,将这两个表达式中的约化普朗克常数由普朗克常数进行替换。
Phy: 这两个所谓的观测值与时空数值法则中时间单位和长度单位的时空数值存在微小差异。何故?
Phi: UPHY作者是这样说的:
Phy: 嗯,这样更严谨。UPHY作者对物理单位时空数值的物理含义是如何理解的?
Phi: 他这样认为:“由物理单位指称的所有实在物理量均具有数值属性,该属性源自多维时空结构的时空数值,并由物理单位时空数值表达。物理单位时空数值是对恒量物理量模值的规定(倒模定理),也是对物理量之间数值关系的规定。物理单位时空数值具有唯一性。”
Phy: 由恒量物理量定义和物理单位时空数值概念可直接得到倒模定理,这是一个简单推论,一个自然结果。那么,完备物理常数定理的内容又是什么?
Phi: 这个定理给出了第一类基本物理常数的计算公式。文中写道:
Phy: 使用这样一个简单公式便可以统一计算出所有恒量物理量,这比计算普朗克物理量要简单很多。更重要的是我们可以根据这个公式理论预测第一类基本物理常数。
Phi: 是的。根据该定理不仅能够统一计算物理学已知的一些基本物理常数,而且还能计算目前物理学未知的。例如,可统一计算万有引力常数、普朗克常数、真空光速常数、玻尔兹曼常数、阿伏加德罗常数、摩尔气体常数。
又如,可统一计算一些常用的恒量物理量:
再如,可统一计算并预测新的基本物理常数:
Phy: 一枝报春花引来百花齐放春满园。上面的最后六个字“数值当量关系”是什么意思?
Phi: 这属于物理单位当量定理的内容,该定理陈述为:
计算举例:
更多计算结果:
Phy: 噢,原来藏在这儿啊!物理学已经发现的“能量转换因子”给出了部分单位物理量之间的等价关系,如kg=9×10^16J,m=0.3333×10^-8s, K=1.3804×10^-23J等等。能量转换因子是根据物理学一些基本物理常数、公式或方程计算而得,每一个能量转换因子需要对应一个特定的物理常数或公式,而且无法实现对所有物理量之间等价关系的确定。如何统一实现对所有物理量等价关系的确定?这也是物理学基础研究的一个重要课题。真没想到,物理单位当量定理竟然一言以蔽之,仅用一个简单公式就可以计算出任意两个物理量之间的当量数值,进而确定出所有物理量之间的等价关系。这个理论物理学操作可谓神来之笔。物理单位当量定理较能量转换因子在最大范围内确定了物理量之间的等价关系,揭示出所有已知物理量之间固有的数值关系,这也是对时空组态法则、时空数值法则、完备物理常数定理正确性的一个物理学证明。
Phi: 缺损定理也很有意思。这个定理的物理学思想是:一个具体物理过程具有多维时空结构的属性,并由参与该过程诸物理量的多维时空结构复合形成。反映该物理过程的特征物理量量值则由此复合多维时空结构的时空数值与特征物理量的恒量物理量给出唯一性规定。
缺损定理显然提供了一种计算物理方程的新方法。这个计算方法的思想很独特,但实际计算起来未必较传统计算方法简单,因为需要把物理方程中含有的所有物理单位的时空数值也要计算在内。那么,这种计算方法的优越性在于…?
Phy: 必有不寻常之处。一个非常复杂的物理过程,参与其中的物理量很多,究竟多少无法知道。这些物理量之间的物理关系也非常复杂,无法一一给出描述。但是,一旦我们知道了这个物理过程具有的总时空数值,那么就可以不用考虑究竟有多少物理量参与其中,也无需关心这些物理量之间的物理关系,使用缺损定理和这个总时空数值就可以立刻获得该物理过程之特征物理量的解。
Phi: 你说的正是CST模型在处理宇宙总体物理量问题上所采用的方法。宇宙之大,其中具体物理过程不计其数,参与其中的物理量无法估量,这些海量物理量之间的物理关系错综复杂。然而,宇宙究竟多大(宇宙半径),包含多少物质(宇宙总质量),已经演化了多长时间(宇宙年龄)等这些宇宙总体物理特性与宇宙内部细节却没有关系,只要我们知道宇宙的总时空数值,根据缺损定理就立刻马上可以计算出宇宙具有的诸总体物理量。至于宇宙内部的那些具体玩意,它们爱怎么折腾就怎么折腾,与该计算结果无关。我给你看一下UPHY的宇宙基本方程(UPHY第二定律)
Phy: 宇宙总体方程显然采用了缺损定理形式,其中的宇宙量子数就是宇宙的总时空数值。镜像宇宙方程也同样采用缺损定理形式,只是增加了一个镜像宇宙的时空数值。这个宇宙基本方程的另外一个要点是,宇宙诸总体物理量与相应单位物理量的时空组态相关,与此时空组态的维空间维数和维时间维数之差值相关。这个宇宙方程的有效性如何?
Phi: 使用宇宙基本方程可统一计算宇宙诸总体物理量,计算过程简单,计算结果准确。例如,
Phy: 这太让我震撼。现代宇宙学根本做不到!除了对宇宙背景辐射这种全宇宙普遍存在的这种现象给出物理学描述之外,现代宇宙学完全不能根据宇宙方程统一计算出全宇宙具有的诸总体物理量量值,甚至连宇宙总质量和宇宙半径都不能统一求解,其所有计算结果和分析结论全部局限于可观测宇宙之内。
Phi: UPHY作者还使用物理学的一些基本定律和方程对缺损定理进行了计算验证,结果与传统计算方法给出的结果完全一致。这说明缺损定理是正确的。
Phy: 我怎么忽然有那种上高中物理课的感觉。老师站在讲台不停地讲,我双手放在书桌全神贯注听,一切都是那么新奇和有趣。再熟悉不过的物理学基础竟然藏着这么多的大秘密,就在身边,拈手即来,我们物理学家却全然不知!天哪!这究竟发生了什么?
Phi: 米秒单位制(MS制)足以让全世界的物理学家们坐下来安静听讲。我再给你讲一件有趣的事:独立于或不依赖相对论也同样可以获取质能方程。
Phy: 不使用洛伦兹变换,不依赖狭义相对论便可如此简单获取质能方程,太棒了!这个证明也在表明质能方程不受局域性限制!这一点非常重要,对于我们理解非局域性现象一定会有帮助。
Phi: 以上是对MS制所属一个公理、两个法则和四个定理的简要介绍。接下介绍MS制物理单位定义系统。
MS制物理单位定义系统是基于SI、恒量物理量定义、多维时空结构而发展的一种物理单位制。该物理单位制采用两个基本量,即长度单位(m)和时间单位(s)实现对其它所有物理单位的统一理论定义。MS制物理单位定义系统分为半理论式定义系统和全理论式定义系统 。
Phy: 真的实现了!仅使用米(m)和秒(s)这两个基本量,MS制竟然实现了对所有物理量的理论定义。尤其是在MS制全理论式定义系统中,UPHY使用“完备时空”这个“宇宙原器”定义时间单位和长度单位。这虽然没有技术应用价值,其理论意义却非常之大,没有任何物理原器的精度可以与之相比。
Phi: 这么说,MS制可以取代SI喽。
Phy: 在物理实验和所有技术领域,MS制并不能取代SI。因为MS制是对物理单位的理论定义,而SI是对它们的测量性定义。物理实验、工程技术、百姓生活仍需要使用SI,而MS制则为人类提供了一套新的逻辑工具,使得物理学家探索宇宙更深层和更本质的物理层面成为可能。
Phi: 明白了,MS制与百姓目前生活无关,建立在MS制之上的物理学基础理论产生的新技术将与百姓未来生活相关。接下来呢,我再给你一个surprise---物理元素周期表。
Phy: 不会是化学元素周期表吧?
Phi: 怎么可能呢。物理元素周期表不是化学元素周期表,物理元素也不是化学元素。化学元素本身是物质,物理元素则是组成物质的物理组分并由物理量表征。根据物理量多维时空结构并以维空间维数和维时间维数作为变化周期,对所有已知和未知物理元素进行统计汇编构成物理元素周期表,共计编入460余个物理元素。物理元素周期表由十三个子周期表组成,其中十二个子周期表是规则系数周期表,第十三周期表是不规则系数周期表且分为A、B两个部分。物理元素周期表直观显示出所有已知物理元素之间、已知物理元素与未知物理元素之间的物理关系,即物理元素比邻关系。根据物理元素比邻关系可预测新的物理元素,也有助于发现已知物理元素之间的未知物理关系。物质是由各种物理元素共同凝聚生成的一种实体化存在,因而物理元素周期表揭示出物质具有的更丰富物理内涵。我现在出示物理元素第一周期表和第五周期表:
Phy: 这玩意好啊!既能让我们对诸物理量之间的物理关系一目了然,还有助于我们在未知元素中发现新的物理量。怎么这么多未知元素?是作者统计遗漏吧。
Phi: 这只是一种可能,更大可能是这些未知物理元素已经存在,只是尚未被物理学发现。再者,有大量未知物理元素尚未在宇宙演化过程中形成,什么时候会形成,不知道。
Phy: 一个物理元素与其相邻物理元素区别于维时间或维空间的维数不同,这导致物理元素的物理性质不同。物理量的多维时空结构不同导致物理量的物理性质不同,这说得通。
Phi: UPHY作者把物理量之间的这种基本关系称为物理元素比邻关系。
基于物理元素比邻关系,我现在问你几个专业性问题。
动量(第23号物理元素)与单位长度发生作用可以生成角动量物理量(第24号物理元素),质量(第16号物理元素)与单位长度发生作用应该生成第17号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
动量(第23号物理元素)的时间变化率可以生成力物理量(第29号物理元素),未知元素(第10号物理元素)的时间变化率应该生成质量物理量(第16号物理元素),那么第10号未知物理元素对应的物理量是什么?
能量(第30号物理元素)的一维空间变化率可以生成力物理量(第29号物理元素),质量(第16号物理元素)的一维空间变化率应该生成第15号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
电场强度(第158号物理元素)与单位长度发生作用可以生成电压物理量(第159号物理元素),电流强度(第166号物理元素)与单位长度发生作用应该生成第167号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
电荷量(第160号物理元素)的时间变化率可以生成电流强度物理量(第166号物理元素),磁场强度(第165号物理元素)的时间变化率应该生成第171号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
电流强度(第166号物理元素)与时间发生作用可以生成电荷量物理量(第160号物理元素),磁矩(第168号物理元素)与时间发生作用应该生成第162号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
电流强度(第166号物理元素)的一维空间变化率可以生成磁场强度物理量(第165号物理元素),磁通量(第153号物理元素)的一维空间变化率应该生成第152号未知元素,那么这个未知物理元素对应的物理量是什么?
Phy: 这…,在我印象中电磁学好像没有这些物理量的描述。也可能有,我不知道?再说,能做这样的类比吗?难道不能吗?或许,客观中存在这些物理量之间物理关系,只是物理学尚未发现?我现在确定不了,后头再研究。总体上我感觉物理元素周期表泄露的信息量非常大,可探索和开发的物理学理论空间也很大,这的确很诱人。凭我的直觉,物理元素周期表也许会成为物理学今后发现新物理量和新物理规律的参考性指南。
Phi: 以上简要介绍了米秒单位制(MS制)的主要内容。也是我的一些学习体会。MS制是对宇宙基础性自然法则的正确反映,这些自然法则被设计的如此巧妙和精致,你认为这是谁干的?
Phy: 这100%属于哲学问题,而不是有效的物理学问题。
Phi: 你100%确定?
Phy: 什么意思?你不会告诉我UPHY认为这也是一个物理学问题吧?。
Phi: 还真是。这事咱们下一次讨论。对于米秒单位制(MS制)给出的物理学新认识,作为理论物理学家,你有何感想?
Phy: 感想多、感触深、收获大。米秒单位制(MS制)对物理学基础进行了逻辑深化和拓展,实现了物理学基础概念统一定义和物理学逻辑基础完备化,开创性提出物理元素周期表,多维时空结构分析法则为物理学提供了一种全新和有效的理论分析方法,这是对物理学的一项开创性研究成果,中国科学界有责任和义务将其推向全球科学共同体。在此,我向这位作者深表敬意和感谢!米秒单位制(MS制)也是当代中国人对人类基础科学事业做出的非凡贡献,身为中国人,我倍感自豪和荣耀!
Phi: 中华民族伟大复兴也一定表现在科学和文化方面,米秒单位制(MS制)就是一个鲜明例证。自1795年法国大革命立法米制、1874年英国人提出CGS制、1875年17国《米制公约》制定MKS制、1899年德国人提出普朗克单位制、1954年国际计量大会正式命名国际单位制(SI)、2019年国际计量大会以普朗克常数、玻尔兹曼常数、基本电荷为测量基准重新定义质量单位、热力学温度单位和电流强度单位并以此对SI实施重大改进,物理单位制在西方人引领下历经两百多年发展逐步趋向完善,最终由中国人提出的米秒单位制(MS制)盖棺定论!MS制神奇般重塑物理学逻辑基础,把物理单位制这一基础科学事业发展推至顶点。时空组态法则、时空数值法则、完备物理常数定理、物理单位当量定理、缺损定理、MS制物理单位定义系统、物理元素周期表。七色宝莲!这简直就是封神演义之物理学版。
西海龙王撕裂空间,
开启哪吒救赎之旅。
七天闯昆仑夺琼浆,
刮骨还魂重塑肉身。
参考阅读:
注:米秒单位制(MS制)由完备时空理论(UPHY)创建者 张志强先生(国籍:中国)于2005年建立。