现在大家都感兴趣讨论什么是科学,依老朽之见,直接回答这个问题应该是:科学是对自然规律及其遵循和运用自然规律的探求。因此,科学既有一个认识理解物质世界的问题,还有一个如何描述物理规律的问题。从认识理解物质世界的角度看,周易阴阳说具有丰富的自然辨证法思想,他要比古希腊的哲学思想更胜一束;从描述手段的角度来看,我们的祖先却遥不可及。既然今天我们已经清楚地认识到了这个问题,按照周易阴阳说做一下尝试又未尝不可。
物理学的概念,比如作用力、时间、能量、动量、温度、熵等,它们都是物理的“过程量”,并不像物质或物体一样是一种客观实体,所以对这些概念的描述才是科学的最基本、最本质的内容。周易阴阳说思考的就是这样一类问题,然而却没有进入运用数学手段来量化描述的层次。现在我们当然可以让他进入这个层次。比如说,原子的微观几何到底是一个什么样的东西,我们并不知道。各种原子模型其实也是唯相的,如果我们认为阴阳八卦图就是一个原子模型,用那些“过程量”概念来研究八卦图,或许是可行的,甚至是更恰当的。但是,科学的本质是概念到底是怎么一回事问题,既然有了原子论、有了元素周期表,再提出阴阳八卦图就只有历史意义了,或者是希望从中找到新感觉,因为科学理论的“改朝换代”只能靠科学上的新发现。
把群论看成是现代科学的代表,用群论判定“元素周期表的物理本质已成定论,未来的科学不可能改变它”,这是一种错觉。显然,先进的科学技术才谈得上是现代科学的代表。群论只能说为科学理论研究增加了一种描述工具,并且它不同于“速度×时间=距离”这样的数学,有无群论几乎不对科技进步产生任何影响,就好比如前所述的,有了元素周期表,提不提出阴阳八卦图已经无关紧要。群论中的一阶群,二阶群,n阶群是形式逻辑,在物理上对应的是唯相理论,在客观上对应的是选择性,自然界有无群论所对应的自然规律也许只有天知道,谈何群论是现代科学的代表?
事实上,这些化学家没有看到对称性在其中的决定性作用:
1. 现在所理解的元素周期表的物理本质是在量子论发展的过程中顺带完成的,早在1950年代之前就完全搞清了周期表的物理本质:一是原子核电荷Z的因素;二是自由原子外形的球对称决定了原子内电子状态的角分布。这两个物理根源——核电荷与球对称,在化学界对前者人人都知道,而后者知道的人却不多。
2. 元素周期表表达的是自由原子的化学行为,自由原子的球对称是电子状态的第二位决定因素。单凭李群(
Lie group)就可以从球对称求得电子云的角分布。所以,元素周期表的物理本质已成定论,未来的科学不可能改变它。
微观世界中自由原子的电子云服从球对称,而宏观世界鼓膜的振动也服从二维的“球对称”,两者有共性。对称性是自然界中一种有时是显而易见的性质。研究对称性的学问是群论。群论运用于物理学、化学的基本思想在于:对于自然界的许多规律,哪怕我们对其物理具体内容还不知道、实验证据还不足,但是可以单凭问题中明显可见的对称性质,就可以从理论上演绎出一些重要结论,尽管这些结果不是体系性质的全部行为,但却是体系必须严格服从的约束。
1925到1930年,在旧量子论的基础之上建立了量子力学,其中解释原子、分子光谱是关键的课题之一。德国数学家Hermann Weyl(赫尔曼.韦尔)、美籍匈牙利数学家John von Neumann(约翰冯诺伊曼)、美籍匈牙利理论物理学家Eugene Wigner(尤金维格纳)和荷兰理论物理学家Hendrik Casimir(亨德里克卡西米尔)运用群论成功地对原子光谱作出量子力学的正确解释。开启了对称性研究物理学根本规律的重要途径。也随带把元素周期表的(除了核电荷之外的)物理本质问题彻底搞清了。1963年Wigner因群论运用于量子力学、原子光谱而荣获诺贝尔物理学奖。
图:Lie群的创立者挪威数学家S. Lie(左),德国数学家Hermann Weyl(中),
美籍匈牙利理论物理学家Eugene Wigner(右)
群论是现代数学中概括性最强、影响最大的分支。S. Lie说:“群能解决一切问题。”F. Klein说:“群把整个数学统一起来了”。H. Poincaré说:“群论就是那抛弃其内容而化为纯粹形式的整个数学。” I. Gelfand说:“全部数学就是某种类型的表示理论。”正是群论中的表示理论将抽象的群元变换成可以具体操作的对象。表示理论将数学中貌视不同的各个分支贯通起来,所以说群把整个数学统一起来了。
零散的知识不算科学,知识被系统化继而形成统一、自洽的理论之后才是科学。群论就是一门不但将数学各分支系统化、贯通成整个数学理论框架的学问;它后来又在物理学和化学科学达到极高的地位,起到纲举目张的作用。
对称性是体系的一种全局性质。化学家熟悉的对称性有晶体外形的对称性、分子结构的对称性和原子、分子轨道的对称性。不用先求分子轨道的具体解,人们就可以单凭分子结构的对称性,从群论得出可能存在的几种分子轨道及其能级分布。不符合对称性的轨道一定是不存在的。不过,化学家熟悉的以上对称性都属于离散群,群中的对称操作(即群元)总数为某个有限大的整数。但是,对于自由原子那样属于球对称的物体,在指定通过球心的旋转轴后,绕轴旋转的角度是可以连续变化的、总数无穷大的实数值。另外,旋转轴在空间中的取向又是可以连续变化的,所以它属于连续群,群元总数无穷大,需要用群论中的一支Lie群来分析。
Lie群的基本概念只需考虑恒等变换附近的无穷小变换,就可以把研究无穷多个群元的Lie群的表示问题化为研究有限个无穷小生成元的表示问题,即Lie代数的表示问题。找到了Lie代数的不可约表示也就找到了Lie群的不可约表示。可以用群论严格证明,符合某种对称性在本质上就是描述该体系(无论是宏观还是微观)整体行为的任意函数一定要受到该对称性的严格约束,不符合对称性的函数一定不是问题的解。Lie群理论证明了三维旋转球对称所属的SO(3)群或SU(2)群的第II类可对易的完备算符集,其共同的本征函数集就是球谐函数
其中
所以对于自由原子,不用求薛定谔方程,单凭Lie群就可以得到其中电子轨道的部分信息。因为这里讨论的三维空间只有(θ,φ)两个方位角,可见Lie群给出的解其实是电子状态的角分布,其结果与解薛定谔方程得到的类氢原子中的电子状态的角分布是完全相同的。
因此,撇开元素周期表外表形式的多样性或艺术性不谈,元素周期表的物理本质已成定论,未来的科学不可能改变它。
当然,无论如何上述误解还属于科学之内的认识。令人匪夷所思的是,居然还有人走得更远,企图用周易阴阳说来解释元素周期表。
这些科班学者声称可以运用《周易》的阴阳八卦理论探讨元素周期表问题。其实,只要看任意一本群论入门书的前10页,反复思索一番就很容易看出:即便用现代数学的概念把《周易》阴阳论的含义抬高,充其量也只是个二阶群C2。所谓黑白、阴阳、男女等等之间的“由此及彼”的关系就是C2群中的两种群元:恒等元I和C2元。C2群是最简单的一种群,只代表自然界中最简单的的一种事物间的关系(即对称性)。自然界万物间存在的关系实际上远不止二阶群一种,还有好多种群,代表更复杂的事物间的关系。人们误以为阴阳八卦可以“由此及彼”覆盖自然界中任意事物之间的联系,其实在这一点上《周易》远远无法与群论相比。群论是现代科学的代表。
群之间可能存在从属关系,一个群可以是另一个群的子群。例如二阶群C2是三维旋转群R3的子群。R3又是代表球对称的SO(3)群或SU(2)群的子群。上述自由原子的球对称性就属于SO(3)群,不属于二阶群,或二阶群只是SO(3)群的一个子群。既然子群的完备集不可能也是“母”群的完备集,所以二阶群C2的《周易》是绝对无法理解元素周期表球对称的本质的。
周易论者遇到s, p电子有2+6 = 8,就非要与《周易》八卦中的“八”硬凑在一起。即使凑上几个元素,此后d,f电子的10与14怎么凑呀?将来g,h电子的18与22又怎么凑呀?凭群论就可以断言这样的硬凑毫无价值。
两千年之后,人们还陶醉在《周易》阴阳论这二阶群中,误以为万物之间只有这一种事物间的关系。他们没看到自然界中万物之间还有很多种其他关系(很多种群),那是明摆的现实。宇称也属于一种对称性,难怪,以破除宇称守恒定律著名的杨振宁先生一眼就看出问题,振聋发聩地指出:《易经》影响了中华文化中的思维方式,是近代科学没有在中国萌芽的重要原因之一。
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