为什么说牛顿的万有引力定律很伟大?

作者: 张天蓉

来源: 原点阅读

发布日期: 2023-12-09 11:49:15

本文讨论了科学理论的普适性概念,特别是物理学中的普适性原理和万有引力定律的伟大之处。文章阐述了普适性的相对性及其在科学发展中的重要性,并举例说明了物理常数如万有引力常数的宇宙普适性。

科学,必须具有普适性,也就是说,科学中所表述的自然规律,是适合于某一类事物的共同特征,而不仅仅适合于几个个别事物的性质。所谓“某一类事物”,总是有一定局限范围的,因而任何理论都有其适用范围,但绝不是几个个案。范围越大越好,科学规律标志该范围内事物的共性。

普适性是什么意思?普适到哪个范围呢?这其实是个挺复杂的问题,因为每门学科、每个理论,甚至于每个具体的实验,研究的对象都可以不一样,因此,所谓普适性,是相对于你所研究的对象的某种共性而言。

普适性是科学规律的必要条件,不是充分条件,上面那句话,虽然看起来具有了普适性,但在没有被大量实验证实之前,仍然只是一个假设,不一定真正成立。从个别案例向普适理论的提升过程是形成一个科学理论的必经之路。这点,在物理学史中有不少典型实例。物理学的发展过程也充分体现了“普适”概念的相对性。

科学理论也是有层次性的,即使有了更为普适的统一理论,每一层次的局部理论仍然有用。例如,量子力学的普适性可能比原来化学中的规则更广泛,化学中的许多问题,使用量子及电磁理论的确可以得到很好的解释,但是量子电动力学方程太复杂,更适用于亚原子以下的层次。因此,化学不可能完全归结到物理的框架中,化学家们在分子范围内使用的方法和洞察力依然不可或缺。

物理学中的普适性作为自然科学的基础学科和带头学科,现代物理学特别重视普适性,这是因为物理定律(诸如能量守恒、动量守恒、熵增加等)本身就具有普适性,在其他领域也适用。物理学中的第一个普适性结论是500多年前伽利略发现的相对性原理。

伽利略在他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中,描述了相对性原理,大意如下:你被关在一条大船主舱里,看不见船外。

当大船静止时或者作匀速行驶时,你可以做各种类似的物理实验和观测。比如,观察苍蝇、蝴蝶、鱼和其他小飞虫的运动,观测水瓶的水一滴一滴地滴下,或者是,你自己在船舱甲板上朝各个方向跳来跳去……只要船的行驶是均匀的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,你无法从任何一个现象来确定,船是在运动还是在静止。

万有引力的建立是物理学中另一个“普适”的例子。

牛顿力学体系的建立是科学史上一个重要的里程碑,这个里程碑的重要性也是在于其“普适性”。在人类历史上,牛顿第一次用普适性的基础数学原理,来描述宇宙间所有物体的运动。牛顿为什么说牛顿的万有引力定律很伟大?在牛顿之前,有伽利略和笛卡儿研究的“地上”力学,有以开普勒三大定律为代表的“天上”力学。

是天才的牛顿统一了它们,统一了“苹果落地”和“月绕地转”这两类貌似不同的观测现象,建立了天上和地上皆适用的普适性力学。天上的月亮和地下的苹果看起来没联系,但牛顿第一次告诉我们,它们有共同的方面,遵循着同一个运动法则。

物理学中还有很多普适的守恒定律,特别是,现代物理学发展中有一个非常有意义的成果:德国女数学家艾米·诺特发现的“对称性与守恒律”的对应关系。这种对应性深化了我们对物理规律普适性的理解。现代物理学是一门不断发展的科学,物理规律的普适性也不断地随之而被否定、更新和发展。

宇宙普适性如前所述,普适性是相对的,不同时期的不同领域,都有其不同的“普适”概念。但普适性也有一些基本的、共同的、大多数人都承认的、具有直观物理意义的方面。例如,其中有3个较重要的、范围最大的“宇宙”普适特征:空间普适性、时间普适性、自然规律的客观性。

科学家们也研究基本物理常数是否具有宇宙普适性。例如,万有引力常数G在不同时间和不同空间的数值会相同吗?

据说天文学家们对遥远星系中某些绕着白矮星运转的脉冲星进行了长期观测,发现它们的自转速度稳定地保持不变,因而使其发出射电信号的周期也十分稳定,稳定的精确度超过地球上最好的原子钟。因此,通过这些观测结果,科学家认为,迄今为止,基本上可以证实,万有引力常数G在整个宇宙中都长期保持不变。也就是说,万有引力常数具有真正的宇宙普适性。

上述所谓“宇宙普适”的第三点:自然规律的客观性,指的是自然规律是大自然中的客观存在,不以人们是否在研究和测量这个自然规律而改变。也就是说,自然规律应该是独立于测量者的主观意识的客观存在,实验结果不会因为观测者的意识而改变。

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