為什么說萬有引力定律很偉大？

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科學(xué)，必須具有普適性，也就是說，科學(xué)中所表述的自然規(guī)律，是適合于某一類事物的共同特征，而不僅僅適合于幾個個別事物的性質(zhì)。

所謂“某一類事物”，總是有一定局限范圍的，因而任何理論都有其適用范圍，但絕不是幾個個案。范圍越大越好，科學(xué)規(guī)律標(biāo)志該范圍內(nèi)事物的共性。

何謂普適性

普適性是什么意思？普適到哪個范圍呢？

這其實是個挺復(fù)雜的問題，因為每門學(xué)科、每個理論，甚至于每個具體的實驗，研究的對象都可以不一樣，因此，所謂普適性，是相對于你所研究的對象的某種共性而言。

比如說，你是研究生命科學(xué)的，在某次試驗中，你發(fā)現(xiàn)小白鼠A 服用某種藥物 B 后，某種疾病 C 有所好轉(zhuǎn)，你也許思考了其中的道理，并從中得到一個假設(shè)：“藥物 B 能治療小白鼠疾病 C?！钡婚_始，這只是你在小白鼠 A 身上試驗成功的個案，你的理論假說必須首先“普適”推廣到同類的小白鼠，不僅是你能夠在你的實驗室中應(yīng)用于別的小白鼠，你的結(jié)論還要能夠被別的實驗室的同行們在別的小白鼠身上重復(fù)。然后，如果這個結(jié)論被許多小白鼠試驗都證實了之后，也許你能夠進(jìn)一步將它“普適”推廣到其他哺乳動物，甚至進(jìn)行人體臨床試驗進(jìn)而推廣到人類。

所以，普適性是一個相對的概念，各個領(lǐng)域有各個領(lǐng)域自己認(rèn)可的普適性。

但是，因為普適性是自然規(guī)律需要具有的基本性質(zhì)，總應(yīng)該具有一定的范圍，才有可能被稱為“規(guī)律”，否則就只能算是個別的經(jīng)驗了。比如，如果小芳某一天因為痢疾出現(xiàn)了腹瀉，后來吃了個蘋果就好了。因此，她的醫(yī)生媽媽說“小芳那天吃蘋果治好了腹瀉”。但這句話只是來自小芳一個人的個別經(jīng)驗，還不是醫(yī)學(xué)規(guī)律。也許小芳媽媽進(jìn)一步猜測：“蘋果酸能治療痢疾”，從這句話，她已經(jīng)將她的結(jié)論推廣成了具有普適性的假說，可以被證實或被證偽了。那么，這句話就有可能成為一個醫(yī)學(xué)規(guī)律了。

不過，普適性是科學(xué)規(guī)律的必要條件，不是充分條件。上面那句話，雖然看起來具有了普適性，但在沒有被大量實驗證實之前，仍然只是一個假設(shè)，不一定真正成立。

從個別案例向普適理論的提升過程是形成一個科學(xué)理論的必經(jīng)之路。這點，在物理學(xué)史中有不少典型實例。物理學(xué)的發(fā)展過程也充分體現(xiàn)了“普適”概念的相對性。

普適性是相對的，因此，科學(xué)理論也是有層次性的，即使有了更為普適的統(tǒng)一理論，每一層次的局部理論仍然有用。

例如，量子力學(xué)的普適性可能比原來化學(xué)中的規(guī)則更廣泛，化學(xué)中的許多問題，使用量子及電磁理論的確可以得到很好的解釋，但是量子電動力學(xué)方程太復(fù)雜，更適用于亞原子以下的層次。因此，化學(xué)不可能完全歸結(jié)到物理的框架中，化學(xué)家們在分子范圍內(nèi)使用的方法和洞察力依然不可或缺。

物理學(xué)中的普適性

作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科和帶頭學(xué)科，現(xiàn)代物理學(xué)特別重視普適性，這是因為物理定律（諸如能量守恒、動量守恒、熵增加等）本身就具有普適性，在其他領(lǐng)域也適用。物理學(xué)中的第一個普適性結(jié)論是500多年前伽利略發(fā)現(xiàn)的相對性原理。

伽利略在他的名著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中，描述了相對性原理，大意如下：

你被關(guān)在一條大船主艙里，看不見船外。當(dāng)大船靜止時或者作勻速行駛時，你可以做各種類似的物理實驗和觀測。比如，觀察蒼蠅、蝴蝶、魚和其他小飛蟲的運動，觀測水瓶的水一滴一滴地滴下，或者是，你自己在船艙甲板上朝各個方向跳來跳去……只要船的行駛是均勻的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，你無法從任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是在靜止。

也就是說，相對性原理描述的是物理定律在所有互作勻速直線運動，被稱為“慣性坐標(biāo)系”中的普適性。

這個故事中又關(guān)聯(lián)到一個令我們中國人遺憾之事：據(jù)說早于伽利略一千多年前，我國東漢時期的《尚書緯·考靈曜》上就曾經(jīng)記載說：“地恒動不止，而人不知，譬如人在大舟中，閉牖而坐，舟行而人不覺也?！边@與伽利略的描述看起來頗為類似，但大大的不同在于，伽利略將此類現(xiàn)象“普適”推廣到了“所有”的慣性坐標(biāo)系，而得到了普適的物理原理，我們的祖先卻只是早早地記錄了此類觀測個案，從未經(jīng)過普適的方法將觀察經(jīng)驗上升為科學(xué)規(guī)律。

萬有引力的建立是物理學(xué)中另一個“普適”的例子。牛頓力學(xué)體系的建立是科學(xué)史上一個重要的里程碑，這個里程碑的重要性也是在于其普適性。在人類歷史上，牛頓第一次用普適性的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理，來描述宇宙間所有物體的運動。

為什么說牛頓的萬有引力定律很偉大？

在牛頓之前，有伽利略和笛卡爾研究的“地上”力學(xué)，有以開普勒三大定律為代表的“天上”力學(xué)。是天才的牛頓統(tǒng)一了它們，統(tǒng)一了“蘋果落地”和“月繞地轉(zhuǎn)”這兩類貌似不同的觀測現(xiàn)象，建立了天上和地上皆適用的普適性力學(xué)。天上的月亮和地上的蘋果看起來沒聯(lián)系，但牛頓第一次告訴我們，它們有共同的方面，遵循著同一個運動法則。

萬有引力存在于一切事物之間，無論是月亮、太陽、星星，還是蘋果、石頭、人，都以同樣的數(shù)學(xué)規(guī)律互相吸引：“引力的強(qiáng)度與兩者的質(zhì)量成正比，與它們質(zhì)心距離的平方成反比”，無論過去還是現(xiàn)在，無論它們是在天上還是地下！

從相對性原理和萬有引力定律，可以看出普適化對發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的重大意義。

物理學(xué)中還有很多普適的守恒定律，特別是，現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展中有一個非常有意義的成果：德國女?dāng)?shù)學(xué)家艾米·諾特發(fā)現(xiàn)的“對稱性與守恒律”的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(yīng)性深化了我們對物理規(guī)律普適性的理解。

現(xiàn)代物理學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，物理規(guī)律的普適性也不斷地隨之而被否定、更新和發(fā)展。以上所述的伽利略的相對性原理，之后被愛因斯坦進(jìn)一步普適推廣到非慣性系統(tǒng)，牛頓的萬有引力之普適性被廣義相對論所代替，成為愛因斯坦引力理論在引力場較弱情形下的特例。

又如，牛頓的經(jīng)典物理學(xué)中，認(rèn)為能量守恒和質(zhì)量守恒是兩個不同的普適定理，能量和質(zhì)量是兩個不同的概念。狹義相對論提出的質(zhì)能關(guān)系E=mc?卻意味著在某種情形下，能量與質(zhì)量可以互相轉(zhuǎn)化。因此，能量與質(zhì)量不再單獨守恒，質(zhì)能總體守恒，成為一個新的普適定律。

宇宙普適性

普適性是相對的，不同時期的不同領(lǐng)域，都有其不同的“普適”概念。但普適性也有一些基本的、共同的、大多數(shù)人都承認(rèn)的、具有直觀物理意義的方面。例如，其中有三個較重要的、范圍最大的宇宙普適特征：空間普適性、時間普適性、自然規(guī)律的客觀性。

就拿最開始所舉的那個生命科學(xué)家所做的小白鼠試驗來說吧，人們可以檢驗它是否具有上述幾個基本的普適性（需要檢驗，并非一定要具有）。因為人類是生活在一個三維空間中，理想而言，如果能創(chuàng)造完全相同的試驗條件，這個試驗在空間任何一個點進(jìn)行，結(jié)果都應(yīng)該是一樣的，這被稱為具有空間普適性。就剛才的小白鼠試驗而言，在地球上可以驗證其空間普適性，宇宙范圍內(nèi)恐怕就難以驗證了，在火星上就很難做到與地球上完全一樣的環(huán)境。不過，研究者們總是可以將一些復(fù)雜因素化簡，形成一個近似等效的環(huán)境來驗證某些規(guī)律。

時間的普適性對上述小白鼠試驗的例子應(yīng)該比較容易驗證。就是說，今天、明天、將來任何一天，任何時間，在類似條件下做類似的實驗，應(yīng)該得到類似的結(jié)果。

科學(xué)家們也研究基本物理常數(shù)是否具有宇宙普適性。例如，萬有引力常數(shù)G在不同時間和不同空間的數(shù)值會相同嗎？

據(jù)說天文學(xué)家們對遙遠(yuǎn)星系中某些繞著白矮星運轉(zhuǎn)的脈沖星進(jìn)行了長期觀測，發(fā)現(xiàn)它們的自轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定地保持不變，因而使其發(fā)出射電信號的周期也十分穩(wěn)定，穩(wěn)定的精確度超過地球上最好的原子鐘。因此，通過這些觀測結(jié)果，科學(xué)家認(rèn)為，迄今為止，基本上可以證實，萬有引力常數(shù)G在整個宇宙中都長期保持不變。

也就是說，萬有引力常數(shù)具有真正的宇宙普適性。

上述所謂“宇宙普適”的第三點：自然規(guī)律的客觀性，指的是自然規(guī)律是大自然中的客觀存在，不以人們是否在研究和測量這個自然規(guī)律而改變。也就是說，自然規(guī)律應(yīng)該是獨立于測量者的主觀意識的客觀存在，實驗結(jié)果不會因為觀測者的意識而改變。

這點對經(jīng)典物理是毋庸置疑的，但在量子理論提出后的許多實驗結(jié)果，引起了物理學(xué)家們的某些困惑，似乎觀測者的選擇可以改變實驗對象的狀態(tài)。

觀測者本身，也是客觀世界的一部分，觀測者及其觀測手段與周圍環(huán)境如何相互作用？是否觀測者的主觀意識真能影響量子物理中的實驗結(jié)果？如果能夠，是如何影響的？這些問題，以及量子理論及其詮釋帶來的種種困惑，還有待理論的進(jìn)一步突破和實驗的更多驗證，不在此贅述。盡管如今的科學(xué)，看起來已經(jīng)非常“先進(jìn)”，但實際上卻很難說。現(xiàn)代科學(xué)不過幾百年的歷史，與宇宙的年齡（138.2 億年）、地球的年齡（45.4億年）、人類的年齡（1500 萬年）比起來，還只能算是一個幼稚的孩子。

再過幾百上千年，未來的科學(xué)是怎樣的？會如何發(fā)展？宗教、哲學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)等，最初誕生時曾經(jīng)在一起，幾百年之后是會越離越遠(yuǎn)，各奔東西，還是會逐漸統(tǒng)一在一個大框架下？結(jié)果是我們難以預(yù)料的。

（摘自清華大學(xué)出版社《科學(xué)是什么》）