物理学原理浅谈

崔思珑

物理学中有许多定理、定律、原理和假说等，我们比较熟悉的有牛顿三大定律，欧姆定律，高斯定理，光速不变原理及宇宙大爆炸假说等；这些定理、定律、原理和假说是每个物理学分支的核心内容，构成了物理学庞大的家族。从本质上讲这些定理、定律、原理和假说都是猜想，或假说，都是带附加条件才能成立，只不过名称不同罢了。举例来说：牛顿定律在超高速情况下就不成立，这是因为物理学是应用科学，与自然条件诸如重力，温度，气压，磁场等环境条件不能分开的，我们所有试验都是在地球环境下取得的，并没有在地球以外做试验，更不要说在太阳系之外做试验了，因此就不可能确定这些所谓的定理、定律、原理一定在各种条件下都成立；因此，它们只能是猜想、假想或假说；人们根据这些假想的规律推论或推测未知的现象并对已有的现象进行解释。那么这些定律，原理是如何被发现，被建立；它们具有哪些特性，是否需要被理论证明，如何证伪？等等疑问我们需要从历史和科学哲学角度分析判断。

对物理学原理的认识可以借鉴数学中的公理来理解；数学中的公理是不言自明的基本事实，是不需要再加证明的基本命题。即公理是简单到不能再简单的事实，例如平面几何中的两点之间直线最短，这是不需要理论证明的，而且也无法找到一个比它更简单的原理来证明它。在数学中，所有的定理都必须给予严格的证明，但公理却例外，它是不需证明。而所有定理的证明都来自这些基本的公理（或公设）。从数学的公理上我们得知：一、最简单。 二、无需证明。三、是独立存在的。物理学中的原理与数学中的公理有相似之处，也是简单的常识性的道理，如作用力和反作用力相等原理，无法从理论上证明它。但可以从大量的实验数据证明它是正确的，包括一些自然现象，通过反复核查其数据，从中找出规律性的东西，用数学方法确定物理量之间的关系，并猜想它是正确的，把其当做原理，最后上升为一种理论。‘光速不变’也是通过反复的测量结果而得出的一种假设，即光速与光源的运动状态无关。爱因斯坦用它当做原理创建了狭义相对论。诚然，物理学中的原理，定律等看似金科玉律的正确，其实不然，这是因为物理学原理的建立是有附加条件的，与我们所处的环境有关。重力场，温度，磁场，速度等都会其产生影响，它们不可能是绝对真理，只是在某种条件下成立的相对真理，这些原理都有适用范围。当然，原理越简单明了，其适用范围越广，越容易被普通民众理解和接受。物理学原理来源于对客观物理现象背后的本质的重大发现。

由于历史或其它条件所限，人们对自然的认识不一定深刻，所以在某一阶段的所建立起来的原理不一定尽善尽美，都有它的局限性，但当新的原理出现后，则原有的原理只是新原理的导出结果或局部原理，这个新原理替代旧的原理，应该是更简单，更基本和涉及更广泛的物理概念。

通过以上分析我们对物理学原理有了初步认识，可以做一下归纳：

一、物理学原理应该是简单自明的，必须是包含物理概念，（长度，时间，温度，质量等）是对自然规律的高度概括和总结。这种简单性是基于我们人类头脑思维认知理解世界的基本要求。（本文开始就对量子力学的原理薛定谔方程产生疑问，作为原理它并不简单，看上去像个结论，推测在薛定谔方程背后一定有个更深层次的东西来支配它。这个东西是什么，一百年来没人知晓，人们已经习惯了它作为原理的存在。）

二、物理学的基本原理产生于自然现象，且需要试验数据支持，否则毫无意义，这些数据归纳总结后需要用数学关系式来表达。在物理学核心原理建立后，仍然有这样那样的疑问，人们通常用其它一些原理对其进行说明，是可以的（如测不准原理和等效原理）。也说明那个核心原理的数学表达不是完全简单自明。如光速不变的数学表达式是什么，一般教课书并未做详尽说明。
 
三、物理学原理从它建立的那天起，就必须接受人们的质疑，它必须要能够证伪，否则就成为说教或玄学。判断一个原理的对错无法从理论上否定，但可以从它的推论，和主要结论等用实验数据否定它，或限定它的适用范围。
 
从以上三点我们可以知道物理学的原理如何建立，它的性质，特点是什么，与数学中的公理有何不同，等等。
 
人们对世界的理解和解释分为形而上（metaphysics）和形而下（physics），我们可以把哲学、人文和宗教学说看成形而上，把物理学或应用科学看成形而下。我们在解释各种事物时，所谓世界观、价值观、逻辑、科学实证等等，都可分为形而上和形而下。在科学发展的每一个层次上，我们都把一些东西当成表象，而把另一些东西当作本质来解释它们，但当我们进入到更深一个层次中时，原来的本质变成了表象，我们用更普遍的原理当作本质。无论如何，众多的科学解释最后总会收敛于越来越简单的原理。我们把物理学看成大树，那么树根就是基本原理。大树是从根部一点点成长起来的。无论认识发展到何种地步总有无法用物理解答的基本问题，这就涉及到了形而上---哲学 （metaphysics）与形而下-物理学（physics）的边界问题，以上所谓的现象本质或基本原理就是形而上与形而下的边界，即物理学的基本原理。物理学在其基本原理层次上无法脱离形而上或哲学。因为，物理学基本原理无法用物理方法导出，也就根本不存在用更广泛的、更深层次的物理原理来解释。我们可以把物理学的基本原理看成物理学的边界，边界那边就是形而上学。科学家总是希望对我们世界的所有现象给出纯粹的物理解释，而不是形而上学的含义，唯一做不到的地方就是物理学的基本原理。换句话说，如果可以用纯物理方式解释物理学的“基本原理”，那么它就一定不是“基本的”。任何东西，一旦成了 “基本”，就一定不能在自我系统内被解释。

结论：
1. 形而上与形而下的边界是由物理学的原理决定的，物理学原理的深入或发展会改变这个边界位置。
2. 物理学的基本原理无法摆脱形而上学或哲学。
 
《解析时空理论》的两个基本原理就是基于以上思路去找寻，去探索，去发现的一次实践，使我们深切感悟到科学哲学的思想方法对科学探索的指导作用是非常重要的；同样，对于其它领域的规律的探索思维方式也颇感受益良多。

作者： 崔思珑