查有梁：落下闳系统的科学意义

一、落下闳系统引起钱学森关注

1982年，“中国物理学会第三届全国代表大会”在北京召开，我撰写的论文《中国古代物理中的系统观测与逻辑体系及对现代物理的启发》被选为大会报告（1982年12月23日）。这篇论文是我研究落下闳（公元前140—87）制定的《太初历》的数学物理结构中，得到的启示。那时，我在中国科学院成都分院自然辩证法研究室做研究工作，研究物理学方法论与科学史。

我在论文中具体地论证了中国古代物理中有自己独特的“系统观测与逻辑体系”，并且对现代物理很富有启发性，从而实证地说明了在中国传统科学的框架内是可以通向近代科学的。我以一种独特的方式回答了“李约瑟问题”。论文发表在《大自然探索》1985年1期上。

这篇论文的第三部分，我论述了中国古代物理的思想方法，是应用观测天体运动的“周期”建立系统的理论，不强调天体运动的“轨道”，应用代数的近似方法，这包容了不确定性，类似于量子力学的一些观点，对现代物理有许多新的启发。我也提出了一些新的观点和看法。我认为，玻尔应用经典力学的轨道概念来建立他的原子理论，但是，人们观察不到电子的运行轨道。今后，在物理学教学之中，给学生讲量子力学可能要绕过玻尔理论的“轨道概念”，当然，在物理学史里还是要提到玻尔的“半经典、半量子”的原子理论。

我将这篇论文的大部分内容自己译成英语，题目改为：落下闳系统与托勒密系统的比较，1985年，我应邀参加在美国加州大学伯克利分校召开的“第17届国际科学史大会”，并在会上宣读了这篇论文。这篇论文引起了欧美、印度、日本等国学者的较大关注。因为，我第一次提出：早在托勒密发表他的太阳系的“日心系统”之前200年，中国古代的天文学家落下闳就建构了一个非几何轨道的、以观测周期建立起来、有浑天物理模型的太阳系的“日心系统”，我称之为“落下闳系统”或“落下闳体系”。

伽利略（GalileoGalilei，1564—1642）1632年发表他的重要著作：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，中文的翻译本曾经简化译为：《关于两大世界体系的对话》。可惜伽利略不知道还有“落下闳体系”。我于2001、2009、2011年出版的《世界杰出天文学家落下闳》一书，实际是：《关于落下闳、托勒密和哥白尼三大世界体系对话》。为了让更多的外国学者能够知道“落下闳体系”，这本书前面是中文，后面是英文。

在论文《中国古代物理中的系统观测与逻辑体系及对现代物理的启发》中，有一段话是：“实际上应用欧拉方程、连续性方程、泊松方程去研究大行星的起源，在一定条件下就得到与量子力学的薛定谔方程相同的形式。”我列出了一个参考文献。钱学森先生对这一项基础研究很有兴趣，希望我将这篇论文的原文复印给他。

我在论文中提出一个新观点：“决定论总是一定条件下的决定论，几率论也总是一定条件下的几率论。即没有绝对的决定论，也没有绝对的几率论。决定论和几率论在一定条件下是可以相互变换的。这些条件主要取决于时间空间和物质层次。这也许有助于解决爱因斯坦与玻尔关于量子力学的争论。”我还以一个理想实验，具体论述了相互变换的条件。钱学森先生同意我的这一看法。

我在论文最后写道：“牛顿力学虽然解释了太阳系相对短时间的稳定性，却并没有很好解释相对长时间的变化性。这也许需要‘宇宙量子力学’来完成；量子力学虽然解释了原子系统相对长时间的稳定性，却未能解决相对短时间的变化性。例如，能级跃迁。这也许需要另找新法，其中，隐变数解释就是一种尝试。”对于我的这一看法，钱学森先生很有兴趣。他来信，要我讲一讲我对玻姆的理论有什么看法。

钱学森先生非常认真地看了我的长篇论文，于1985年3月17日给我写了第一封来信。整体地看钱学森的来信，表明钱学森非常关心“落下闳系统”，关注科学哲学的问题。全信如下：

四川省成都市四川省社会科学院

查有梁同志：

拜读您在《大自然探索》1985年1期上的《中国古代物理中的系统观测与逻辑体系及对现代物理的启发》一文后，深受教益。但您[引用的]在前几年“黄山天体物理学术会议”上的论文未能找到学习，是个遗憾；不知您手头可有复印本?如有请赐寄一份，我将十分感谢!

我很同意您的看法：决定论总是一定条件下的决定论，几率论也总是一定条件下的几率论。您对D.Bohm的理论有什么看法?请教!

此致

敬礼!

钱学森

1985.3.17

读了钱老的这封信后，受到很大的鼓舞与促进。在回信中我向钱老深入请教和讨论了一些问题，包括力学中出现的内在随机性等，特别是决定论与几率论相互转化的问题，以及戴维·玻姆的理论。不久，我的朋友，哲学家张桂权看到戴维·玻姆的著作：Wholeness and the Implicate Order，他想译为中文，并希望我作译文的校者，我欣然同意合作。从玻姆的著作中可看到解决问题的一线曙光，但问题仍未得到解决。这本学术著作的中文译本，2004年，才由上海科技教育出版社出版。2013年，上海世纪出版集团又再次出版了这本书。

经过一周的思考，我给钱学森先生的回信如下：

尊敬的钱学森老师：

您3月17日的来信收到。谢谢您的鼓励。

来信提到的《黄山天体物理学术会议论文集》中的一篇文章，已复印一份，用印刷挂号寄给您。关于从流体力学的方程出发，在一定条件下就得到薛定谔方程，林家翘教授在他的密度波理论中已提出过（可能在如下文献中：J.SIAM，Appl.Math，14，876，1966）。此外，三体问题中出现随机性已有几例（见《物理学进展》3卷3期，1983，pp340—341）。V.Szebehely提出：天体力学不再是决定论的科学了。

我曾设想过关于“宇观人”的理想实验，这有可能找到决定论与几率论的联系。请看以下三个图：图一是开普勒的椭圆轨道图像，图二是爱因斯坦的行星近日点进动的图像，图三是“宇观人”观察到天体运动的图像，类似“电子云”。在“宇观人”看来，只能用几率论的语言来描述天体的运行，“他”会说在近日点附近找到行星的几率最大。在宏观—宇观的层次上有可能建立几率论的描述。密度波理论，牛顿力学的内在随机性已为这一观点做出了某种证明。

图一                        图二                      图三

从玻姆的著作可以看出，他深受爱因斯坦的影响。他提出隐变量理论，试图要回到决定论上去。当然要使量子理论回到经典力学意义下的决定论是不可能的。如果玻姆要在微观层次上建立一个相对的“决定论”，这是有成功希望的。一篇介绍DavidJosephBohm的文章提出“玻尔的时代”可能在将来变成“玻姆的时代”（MewScientist11No.1982，Vo1.96No1331，pp361—365）。

我以为，新的理论应当是：在一定条件下既能回到决定论，在一定条件下又能回到几率论。正如量子理论和相对论在极限情况下都能回到经典物理一样。这样的理论才满足完备性的要求。首要的前提是，必须把量子力学和相对论统一起来。量子理论中的时空不连续、量子跃迁等观点与相对论中的时空连续、因果性等观点很难协调起来，还需要作很大努力才能真正统一。非平衡态物理学的新进展表明了您所一再强调的系统科学，在解决这些问题中，会起到重要作用。

我拜读过您的大部分著作，深受教益，甚为感激。在杨超同志的关心下，我调到中国科学院成都分院从事自然辩证法的研究。我的专业是物理学。前几年研究课题主要是科学史和科学方法论。近年来在您的几篇论文的启发下，从事思维定量规律的研究，顺寄几篇有关思维科学的文章。请多加指正。我准备把自己精力旺盛的年华贡献于思维科学。

此致

敬礼

查有梁

1985年3月26日

二、落下闳系统启发下的物理学研究

在研究“落下闳系统”的启发下，在钱学森先生来信的鼓舞和促进下，我完成了两部专著：《牛顿力学的横向研究》（四川教育出版社1987年出版）、《世界杰出天文学家落下闳》（四川辞书出版社2001年出版），发表了与上述观点相关的物理学论文：《信息测不准关系》（《科学通报》1988年第6期）、《信息测不准关系的意义》（《大自然探索》1990年第4期）、《一般测不准关系与质量—信息关系》（《大自然探索》1995年第2期）、《引力定律的新研究》（《大学物理》1996年第2、3期）。这些研究都试图协调和缩小经典物理学、相对论物理学、量子物理学之间的巨大差异。这些研究深受“落下闳系统”的启发，这也表明中国古代的科学成就仍然有现代的意义。

其中，具有原创性的研究是发表在《科学通报》的成果，我独立得到“广义不确定原理的关系式”表为：

广义不确定原理表明：能量E与时间t的不确定关系，或动量p与位置x的不确定关系，不仅与普朗克常数h有关（∆E=∆ωη，η=h/2π），而且与信息量（S）、信噪比（M/N）有关。传递的信息量愈大，不确定性的积累愈大；信噪比愈大，不确定性的积累愈小。对于信息的传播和储存，系统愈复杂（S大），不确定性愈大；“噪声”愈大（N大），不确定性愈大。广义不确定原理能较好地解释上述现象。同时，广义不确定原理，从理论上说明“牛顿—拉普拉斯决定论”是不可能的。因为要获得宇宙的初始条件的极大数量的信息量，必然有很大的不确定性，因而，力学在原则上就是不能绝对确定的。

当“信噪比”（M/N）等于1，当信息量S为1比特时，“广义不确定原理的关系式”就变为“海森伯不确定原理的关系式”。即根据“广义不确定原理的关系式”，可以直接推导出“海森伯不确定原理的关系式”：

《中国科学》已有论文直接应用和验证“广义不确定原理的关系式”。

在《一般测不准关系与质量—信息关系》一文中，我得到如下的“质量—信息关系”和“能量—信息关系”。详细的推导，见我的《牛顿力学的横向研究》第二版（2014）的附录。

图4质量、能量、信息三者的关系   

“海森伯不确定原理的关系式”与“广义不确定原理的关系式”有4点不同：

第一，“海森伯不确定原理的关系式”由理想实验或物理实验推导得之，也可以从量子理论推导出来；“广义不确定原理的关系式”根据有坚实实验基础的最大信息量公式推导出来。“海森伯不确定原理的关系式”适合于微观物理世界；“广义不确定原理的关系式”既适用于微观物理世界，也适用于宏观物理世界。

第二，“海森伯不确定原理的关系式”的数学表达式是线性的，包含了质量、能量、动量、时空的概念；而“广义不确定原理的关系式”的数学表达式是非线性的，不仅包含了质量、能量、动量、时空的概念，而且还包含有“信息量”（S）和“信噪比”（M/N）的概念。信息即负熵，即包含有“熵”的概念。

第三，“海森伯不确定原理的关系式”，指出了微观物理世界的不确定性，海森伯试图否认客观世界的因果性，但由于普朗克常数h的数量级太小，“海森伯不确定原理的关系式”并没有从根本上否定拉普拉斯的决定论；“广义不确定原理的关系式”，指出了微观和宏观物理世界都既有确定性，又有不确定性，因果形式是多样的。“广义不确定原理的关系式”从根本上否定了拉普拉斯的决定论。

第四，“海森伯不确定原理的关系式”不可能推导出“广义不确定原理的关系式”，也很难为“暗物质”“暗能量”提供物理解释；“广义不确定原理的关系式”可以包容，可以推导出“海森伯不确定原理的关系式”，而且应用“广义不确定原理的关系式”，有可能为宇宙中的“暗物质”“暗能量”提供物理解释。因为宇宙中的极大数量的“信息”，是具有相应的“质量”和“能量”的。“暗物质”“暗能量”必然对应有“暗信息”。这是一个新的研究课题。

三、落下闳系统对春节文化的影响

在《世界杰出天文学家落下闳》一书中，我具体论证了：落下闳是中国春节文化的先祖，阆中是春节文化之乡。2013年2月，中央电视台放映的电视片《我们的节日春节——中华长歌行》，选择在落下闳的出生地四川省的阆中市拍摄，并在电视节目里采访了我。他们在电视拍摄之前，我写了一份《答中央电视台节目主持人石琼璘问》供编导和主持人参考，一问一答如下：

（1）石琼璘：为什么人们称落下闳是“春节老人”呢?

查有梁：春节的来历与汉武帝和天文学家落下闳直接有关。所以，人们称落下闳是“春节老人”。

秦始皇于公元前221年统一中国之后，统一了全国的历法。秦朝采用的历法规定：农历十月为新年的第一个月。公元前206年，汉高祖元年之后，也沿用秦朝的历法。秦始皇统一天下和汉高祖打下江山，都在农历十月。两位皇帝都乐于将农历十月初一定为岁首。到了汉武帝时代，秦朝的历法已经一百多年，人们发现历法与天象明显不合，必须改历。

中国农历的特点是：既要包括太阳的运行，又要包括月亮和五大行星的运行，必须使历法与“天象”相吻合。白天观测日影长度，晚上观测星象位置，就可以判断历法是否与“天象”相吻合。历法要合于天象，这个原则是第一重要的。

汉武帝在全中国招募20多位天文学家，到京城长安。在天文学家们制定的18种历法之中，巴郡阆中（今四川阆中）的天文学家落下闳制定的历法最好，最合符天象，被汉武帝采纳，取名为《太初历》。公元前104年，即汉武帝“太初元年”，颁布了《太初历》，规定“春季的第一天就是新年的第一天”。从此，中国人迎接春天与迎接新年统一起来，过春节就是过新年。于是，春节这个民间的节日，成为“法定”的节日，一直沿用到现代，已经两千多年了。这是有正式文字记载的“春节的来历”。所以，人们尊称落下闳是“春节老人”“春节先祖”，称四川阆中为“中国春节文化之乡”。

（2）石琼璘：春节有什么重要意义?为什么人们非常重视春节?

查有梁：我们的春节，不仅是“人文的春节”，而且是“科学的春节”，意义深远。春节是中华文化代表性的节日，所以人们非常重视。

中国古代以农业立国，很重视二十四节气。“立春”这个节气的前后，正是农闲的时候，选择这个时候过春节迎新年，体现出中国人顺应天时地利，促进人和家和，预祝来年吉祥如意。这是中国人最基本的自然观：天人合一，道法自然。

《太初历》在时间上，包含二十四节气，将天文、历法、气象、农业、生产、生活，紧密联系在一起，有丰富的科学内容。《太初历》在空间上，包含二十八星座。落下闳应用他创制的浑天仪，测定了这二十八星座的位置。落下闳是“浑天说”这一宇宙图像的创始人之一。中国古代杰出科学家张衡，是在落下闳的基础之上，改进了“浑天仪”，发展了“浑天说”。

中国人过春节，迎新年，既热闹，又庄重，成为最隆重的传统节日。中国的春节象征团结、兴旺、吉祥、喜庆、和谐、安定、和平，是对未来寄托新希望的佳节。辞冬天迎春天，辞旧年迎新年，上拜天地，下拜祖先，孝敬长辈，慈爱子女，有多种意义。充分体现中国人珍惜生命，重视家庭，讲究礼仪，爱护亲情。

上亿的中国人在春节之前，常常奔波千里万里与家人团聚。全世界华人的春节，是世界一道亮丽的文化风景线。许多其他国家的领导人和人民也非常尊重中国人的春节，在春节期间，纷纷向华人表示祝贺。春节充分展示了中国人的思维方式、交往方式和生活方式。春节是中华文化代表性的节日。

（3）石琼璘：《太初历》记载在于我国的史书上吗?落下闳在世界科学史上的地位如何?

查有梁：《太初历》完整的记载于《史记》和《汉书》之中。天文学家落下闳与古希腊天文学家托勒密有同样重要的地位。

历史学家司马迁在《史记》中，记载了“巴落下闳运算转历”，制定《太初历》。《太初历》的全部观察数据和推算数据，完整地记载于班固撰写的《汉书》之中，一直成为中国历法的楷模，影响至今，保存至今。

《汉书》中记载落下闳“观新星度、日月行，更以算推。”即是说：落下闳研制浑天仪，测定二十八个恒星星座的位置，观测日月的运行，以及“木星、火星、土星、金星、水星”的周期。在观测的基础上，做了大量的推算，得到一系列数据。这些数据要使天上日、月、五大行星的运行到达的位置与历法上确定的“春夏秋冬”四季，以及农业上的“二十四节气”的时间协调一致。落下闳在创制《太初历》之后预测说：经过八百年，此历就要差一天。（“后八百岁，此历差一日”）。他能够计算出《太初历》的“误差”。落下闳的科学思想方法，在今天看来也是相当具有先进性。

落下闳创制的《太初历》，早于古希腊天文学家托勒密的《天文学大成》约200多年。落下闳的天文系统与托勒密的天文系统相比较，各有特色，旗鼓相当。2004年9月，经国际天文学联合会小天体提名委员会批准，国际永久编号为16757号的小行星命名为“落下闳星”。

国际小行星联合会的文件写道：“落下闳（140—87BC）是中国西汉著名民间天文学家。他利用自制的天文仪器长期观测星象，并借此创制出中国历史上有文字可考的第一部优良历法——《太初历》；他还是‘浑天说’的创始人之一，经他改进的赤道式浑仪，在中国用了2000年。”

落下闳的科学创新是多方面的，他是世界杰出的天文学家之一。

（4）石琼璘：为什么巴蜀大地会出现落下闳这样的天文学家?

查有梁：李冰治水，文翁兴学是巴蜀出现落下闳这样的科学家的社会原因。

公元前256年，李冰主持修建都江堰水利工程。司马迁在《史记》中，称赞都江堰水利工程使得“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府也”。“李冰治水”，使巴蜀大地的农业文明得以又好又快的发展，为“文翁兴学”创造了物质条件。都江堰水利工程成为“可持续发展”的经典系统工程，造福人类已经两千多年，现在能够自流灌溉一千万亩土地，列入“世界遗产名录”。

公元前143年，蜀郡太守文翁在成都首创中国地方政府兴办的第一所公立学校“石室精舍”，一直延续到如今的“成都石室中学”，持续办学两千多年。汉景帝和汉武帝要求全国地方官员向文翁学习，从巴蜀大地到全国各地都兴办起公立学校。巴蜀大地教育发达，科学兴旺，人才辈出，于是才会出现落下闳这样的杰出天文学家。班固在《汉书》中写道：“至今巴蜀好文雅，文翁之化也。”

公元前104年，《太初历》颁发之后，汉武帝要聘落下闳担任侍中，即顾问。落下闳“辞而未受”，回到老家阆中。回故乡之后，落下闳为阆中影响和培养了不少天文学家。阆中和成都齐名，成为巴、蜀的两大文化中心。历代不少文学家都来到阆中观光，如杜甫、司马光、陆游、苏轼等等。唐代杰出的天文学家和数学家李淳风，晚年也慕名来到阆中定居。阆中的春节文化，两千多年以来一直令世人瞩目，影响深远。

李冰治水，文翁兴学，落下闳创历，三者一脉相承。

作者简介： 查有梁，四川省社会科学院研究员。

文//来自于《中华文化论坛》2017年11期。

说明

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