論理論的作用層次、作用范圍和演進(jìn)

[摘 要]理論是有層次和范圍的，沒有任何理論永遠(yuǎn)正確、永遠(yuǎn)有效。科學(xué)發(fā)展的歷史充分說明了這一點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]理論層次 作用范圍 演進(jìn)

中圖分類號：F061.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0372-01

理論是有層次和范圍的，沒有任何理論永遠(yuǎn)正確、永遠(yuǎn)有效。借鑒科學(xué)發(fā)展史上一些主要理論的發(fā)展情況可以說明：

一、從牛頓力學(xué)到愛因斯坦力學(xué)的發(fā)展，說明力學(xué)理論的層次性和演進(jìn)性

十七世紀(jì)后半葉，天文儀器的使用日益普遍，儀器的精度日益提高，“觀察的發(fā)現(xiàn)”極大地增加，“試探性理論”相繼出現(xiàn)。這些構(gòu)成了牛頓偉大綜合的科學(xué)背景。觀察天文學(xué)的進(jìn)展，刺激了關(guān)于天體運(yùn)動物理原因的討論。最早是開普勒的工作，他猜想太陽發(fā)出一種“力”，反比于行星與太陽的距離。對于“力”的本質(zhì)，他似乎很費(fèi)了一番心思，但未得要領(lǐng)：開始時他以力為一種“靈魂”，稍后說到“趨勢”，然而正是開普勒最先提到了一種“萬有的”引力。

在開普勒的基礎(chǔ)上，有三個人力圖回答天體運(yùn)動的原因。先是鮑瑞里，再是胡克，再是牛頓。鮑瑞里提出了行星橢圓軌道，胡克提出了引力的“萬有”性質(zhì)，他還正確地提出行星運(yùn)行的軌道應(yīng)該是橢圓，而且指出，這些命題已足以建立描述行星運(yùn)動的理論。胡克的物理直覺是出類拔萃的，而問題的證明需要數(shù)學(xué)的分析，胡克不是一個數(shù)學(xué)家，他在物理原因的探求上還沒有擺脫盡哲學(xué)思辯的特色。物理學(xué)要得到是一種能夠被證明的普適理論而不是僅僅提供能夠思考的一般假設(shè)，胡克要完成這一步還有所不足。這一問題是由牛頓解決的。

牛頓總結(jié)了上述幾家的成果，融以自己的研究，建立了經(jīng)典力學(xué)體系。他以布里阿德的平方反比律，并利用了惠更斯關(guān)于向心加速度的研究，加之他已經(jīng)逐漸完善了流數(shù)與反流數(shù)的方法，牛頓成功地用數(shù)學(xué)方法證明了橢圓軌道和平方反比律的關(guān)系，并以地球表面的重力加速度值驗(yàn)證了這一理論。

萬有引力規(guī)律把“天上”和“地上”的事聯(lián)系在一起考慮，并企圖追尋一個同時在“天上”和“地上”普遍有效的規(guī)律。這樣，牛頓首次創(chuàng)立了一個地面力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一的完整體系，成為整個經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)發(fā)展史上的第一次大綜合和大發(fā)展。

由牛頓完善化的經(jīng)典力學(xué)體系在其后二百年未被投以任何懷疑，直到19世紀(jì)末葉才由奧地利物理學(xué)家馬赫發(fā)難，提出“牛頓關(guān)于力和質(zhì)量的定義是不完善的”。馬赫對牛頓的批判涉及牛頓力學(xué)的基本概念、基本假定以及基本定律的表述。在基本概念上，馬赫認(rèn)為牛頓關(guān)于“質(zhì)量”的定義不妥。首先，牛頓的這種定義是一種偽定義，因?yàn)橛靡远x質(zhì)量的“密度”概念本身只能用單位容積中的質(zhì)量來定義，這樣勢必在邏輯上陷于循環(huán)定義。其次，人們事實(shí)上找不到一種適合解釋和說明質(zhì)量概念的“所含物質(zhì)的量”的表述，因?yàn)檫@種表述本身不具備必要的清晰性，它是一種基于原子論的假定。與牛頓的做法不同，馬赫主張從物體運(yùn)動的慣性來度量物體的質(zhì)量。牛頓力學(xué)的一個特征，是它不得不把時間和空間都看作同物質(zhì)一樣“獨(dú)立的”客觀實(shí)在。“絕對時間”、“絕對空間”以及“絕對運(yùn)動”的觀念是牛頓力學(xué)中基本的先驗(yàn)的假定。馬赫認(rèn)為，在牛頓關(guān)于絕對時間的表述中，時間是某種獨(dú)立的東西，這實(shí)際是人們對時間的一種“錯覺”的表述。而且認(rèn)為絕對時間在本體論上先于物體運(yùn)動，這也超出了我們的能力?！敖^對空間”與“絕對運(yùn)動”一樣都是純粹思維的產(chǎn)物。馬赫主張，一切科學(xué)都要建立在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，理論不能離開人的經(jīng)驗(yàn)。

愛因斯坦是在馬赫和彭加勒的基礎(chǔ)上做出對牛頓力學(xué)的修正的。而且他認(rèn)為，相對論的基本思想是由法拉第、麥克斯韋、赫茲開路的，他指出；“狹義相對論的起源要?dú)w功于麥克斯韋的電磁場方程?！?/p>

他對牛頓力學(xué)的修正實(shí)質(zhì)上是對整個經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的修正，這個基礎(chǔ)是絕對空間和絕對時間的假定和觀念。依據(jù)光速不變原理和光速是一切信號速度的極限速度，他正確地得出了在兩個不同地點(diǎn)發(fā)生兩事件是不同時的（即“同時性”的相對性）這一結(jié)論。他指出，在靜止的觀察者看來是同時的兩個事件，在運(yùn)動的觀察者看來就不可能是同時的。這表明空間和時間不是互不相干，而是有著本質(zhì)的聯(lián)系，而且還都和物質(zhì)的運(yùn)動有關(guān)。

愛因斯坦的狹義相對論，作為時空觀上的革命性理論，不僅解決了以太之謎，而且還得出—系列重要結(jié)論，諸如高速運(yùn)動物體在沿其運(yùn)動方向上的長度要縮短、高速運(yùn)動物體的時間過程要延緩、高速運(yùn)動物體的質(zhì)量要增加、質(zhì)量和能量相當(dāng)?shù)鹊?。其中特別是質(zhì)量和能量相當(dāng)?shù)恼摂?，不僅在物理學(xué)上使人們對質(zhì)量和能量的關(guān)系有了嶄新的認(rèn)識，而且作為找尋新能源的理論武器，給20世紀(jì)人類的文明帶來了極為深遠(yuǎn)的影響。狹義相對論的一些主要結(jié)論，都已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合。

狹義相對論建立后不久，“大多數(shù)物理學(xué)家”尚在對其持懷疑態(tài)度時，愛因斯坦卻已經(jīng)在考慮如何對狹義相對論作進(jìn)一步的發(fā)展了。愛因斯坦認(rèn)為，至少有兩個重要問題，在狹義相對論中并未得到解決。一是狹義相對論雖然否定了絕對時空（即特殊慣性系）的存在，但是對于馬赫提出的“為什么慣性系在物理上比其他坐標(biāo)系都特殊？”這一問題，狹義相對論無法回答；二是在狹義相對論的理論框架中，所有物理學(xué)方程都能進(jìn)行狹義相對論協(xié)變，惟獨(dú)引力方程不能？

1916年發(fā)表的“廣義相對論的基礎(chǔ)”一文標(biāo)志著廣義相對論的誕生。在這篇論文中愛因斯坦正式提出了廣義相對論協(xié)變原理：自然規(guī)律的普遍性必然是由對一切坐標(biāo)系都有效的方程來表示的，也就是說，它們無論對于哪種變換都是協(xié)變的、普適的。（這是對加利略引力普遍性原理的推廣）廣義協(xié)變原理告訴我們：如果一個自然規(guī)律在沒有引力時是正確的，那么，它在有引力時也是正確的。這是由于在廣義協(xié)變情況下（即在一般坐標(biāo)變換下），它保持自己的形式不變，它有拓?fù)湫再|(zhì)。這樣，我們只要事先把一個自然規(guī)律（在任意一個認(rèn)為方便的坐標(biāo)系中）用方程的形式寫下來，根據(jù)廣義協(xié)變原理就可求出它在一般坐標(biāo)系中的形式了。廣義協(xié)變原理是等效原理（引力和重力等效）的補(bǔ)充，這兩者是廣義相對論的基本出發(fā)點(diǎn)。

廣義相對論除了在物理科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具有理論的指導(dǎo)作用外，還把人類對時空的認(rèn)識推向了新的高度。時間與空間不僅作為一個統(tǒng)一體不能分割，而且時間、空間和物質(zhì)也不能分割。從廣義相對論的引力場方程可以看到，物質(zhì)（重力引力）決定了時空的性質(zhì)，反過來時空的性質(zhì)又表現(xiàn)著物質(zhì)（重力引力）的分布。所以根據(jù)廣義相對論，那種脫離物質(zhì)而存在或僅僅作為物質(zhì)存在形式的空虛空間是沒有的。真實(shí)的物理空間究竟是歐幾里德（平面幾何、一維幾何）的還是非歐幾里德（立體多維）的，不能先驗(yàn)地決定，必須由實(shí)驗(yàn)來回答。

廣義相對論作為“物理學(xué)中的一個引力理論”，在理論形式的優(yōu)美、內(nèi)容的深邃、邏輯的合理性上都是“其他引力理論”所無法比擬的。但正如牛頓力學(xué)理論是絕對真理與相對真 理的統(tǒng)一一樣，從廣義相對論的偉大與正確中并不可以推論出愛因斯坦的相對論是絕對全 面、絕對正確的認(rèn)識。廣義相對論的適用對象是以光速（或接近光速）運(yùn)動的物體，但“超光速”的對象顯然不在其適用范圍之內(nèi)。因此，它的正確性仍然具有范圍性和階段性，今后還會產(chǎn)生超越愛因斯坦理論的、更加普適性的理論（如霍金理論、炫和超炫理論等）。

作者簡介

魏新龍（1964—），男，浙江傳媒學(xué)院社科部博士、副教授，研究方向?yàn)檎軐W(xué)現(xiàn)代化、文化與知識現(xiàn)代化。