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科學理論的正確性范圍
2020-11-18
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    對物質運動的認識也隨著量子理論的深入而發展。從嚴格的意義上來說,物質運動的規律是永遠在變化著的。也就是說“沒有規律,就是規律”。在傳統物理學中為了能夠比較準確地描述物質的特性,通常是通過測量得到合理的數據,然后進行分析歸納,從而得到物質的運動規律。這個是目前科學研究的基本方法。如果測量數據采集而得到的規律,他人無法重復,就被認為不是科學的數據。實際上這個重復應該是在一個大家可以接受的誤差范圍(一般是技術科學的精度要求)內的結果,因為任何的規律都只能在一定的誤差范圍內表現出可重復性。所以誤差范圍的確定應該是科學規律存在的前提條件之一,因為絕對的規律在自然運動中是不存在的。

    經典物理學是以直接觀察測量結果為基礎的,所以經典物理學規律的適用范圍應該是在當時的技術條件下的誤差范圍內的。比如在經典物理學的所有運動定律中,物體的慣性質量在運動過程中是不變的。而實際上根據相對論理論,物體的慣性質量是隨著物質運動速度的增加而增加的,只不過這個增加的比例是與光速的比有關。所以當運動速度大大小于光速時,其慣性質量的增加是非常微小的,在一般的測量技術下大大小于測量誤差。所以經典物理學的理論規律在通常的運動速度下都是適用的,而當物體的運動速度非常高的時候才可能檢測出不適應性。在這種情況下測量偏差,會大于誤差范圍很多。于是科學家就可以認定經典物理規律在這種情況下失效了。

    同樣的,根據相對論的質量能量互換關系,在經典物理學中被科學家認定的質量守恒和能量守恒定律同樣也是在一定的誤差范圍內適用。實驗結果證明1000克硝化甘油爆炸之后,放出的能量為8.0×106 焦耳。根據質能關系公式計算,產生這些能量的質量是8.9×10-8克,與原來1000克相比,差別小到不能用現有的實驗技術所能測定。如果測量誤差范圍大于這個比值的條件下,那么科學家就可以認定質量守恒定律是完全正確的。而當1000克?鈾235裂變的情況下,放出的能量為8.23×1016焦耳,與產生這些輻射能相等的質量為0.914克,和原來1000克相比,質量變化已達到約千分之一。這時質量守恒和能量守恒規則就不是互相獨立的了,于是人們對質量守恒定律就有了新的認識。科學家則將這兩個定律合而為一,稱它為質能守恒定律。更加極端的例子是,當正物質和反物質發生湮滅時,可能所有的質量全部變成能量形式消失在時空中,但是此時是否會出現其它情況,現在的物理理論都還不能完全描述。

    相對論不適用于微觀世界,其基本原因是相對論的光速恒定的尺子在微觀的誤差范圍內可能不成立了。而量子力學不能夠適應于宏觀宇宙的描述是因為人們不能夠接受那些巨大的星星用不確定的概率規律來描述它們。實際上如果要求精確到如10^-33米級別的測量可能那些星星的運動參數也只能以概率分布來描述了。所以任何科學理論都會有一個正確性范圍,超出這個范圍就會出現錯誤的結論。這個,也可以理解成為科學理論的可證偽性。

    如果一個科學理論的建立不能正確地指明它的正確性范圍,那么這個理論對規律性的描述就不夠完整。可惜的是目前很多科學家在提出自己的理論時總是希望它是一個普遍適用的理論,通常都沒有對它的正確性范圍做出明確的說明。甚至有些科學家為了確信理論的正確性,根本不承認這個正確性范圍的客觀存在。

    科學家相信自己的理論有最大的正確性范圍的例子比比皆是。其中著名的例子如“撬動地球的故事”,古希臘著名的科學家阿基米德發現杠桿的平衡原理后,懷著一顆激動的心情寫了一封給敘拉古國王希倫的信。他在信中說:“如果給我一個支點,一根足夠長的硬棒,我就能撬動整個地球”。但是,誰能夠給出這個支點和撬杠呢?

    類似的例子還有很多。雖然從科學的發展歷史來看,無論什么規律都僅僅在一定的誤差范圍內適用。但是在科學理論建立的初期,人們往往沒有認識到這個正確性范圍的重大意義,甚至包括建立理論的偉大的科學家自己。直到新的理論指出舊理論的錯誤和不足,人們才認識到原來看來非常正確,非常完美的理論也有不適用的情況,甚至是完全錯誤的。從亞里士多德、托勒密建立和完善起來地心學說;到哥白尼提出的“日心說”;到牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出經典物理學的基礎理論;到愛因斯坦建立的相對論理論;描述微觀世界的量子力學理論等等這些理論的發展過程,人們可以認識到科學理論正確性范圍對科學理論的重要性和必然性。

    當以科學理論為基礎發展起來的技術科學在實際應用中,規律的可被重復地實現是科學理論能夠被用于解決技術問題的基本要求。由于科學理論建立的時候,收集觀測數據的實驗精度一般都是在當時技術條件下所能夠實現的最好的,同時科學理論的建立還要經過嚴格的邏輯推理和不斷地修正實驗數據。所以一般科學理論的正確性范圍都會大于技術科學需要的適用范圍。即使是經典物理學體系,都具有很大的正確性范圍。這樣就保證了經典物理學體系可以在具體的技術應用時有廣泛的適用性。即使是一些比較極端的情況下,僅僅需要從現代物理學的艱深體系中加以修正,就可以比較好的滿足應用技術的要求了。

    從物理學發展的歷史我們可以認為一個完整的科學理論的構成除了對規律本身的描述以外,還應該說明規律的歸納過程中的實驗數據的測量精度。最好能夠給出正確性范圍,以保證理論對規律性描述的完整性。當然,這個正確性范圍可能在理論建立的初期還無法確定,但是可以肯定的是對于任何科學理論來說這個正確性范圍是必然存在的,否則這個理論也無法成為科學理論。這個特性也是科學和宗教迷信的根本區別點。然而在科學理論的發展過程中,這個科學理論的正確性范圍常常會被忽略。

    因為人類自然語言是為了幫助人們交流思想而產生的。一種自然語言能夠發展成熟,并且經過長期的歷史時期而被保持活力,那么這種語言描述力的豐富性是必需的。一般越是具有豐富的描述力的語言,它的語義的多義性和不精確性可能會出現。為了適應科學描述的精確性和確定性,人類在科學理論的描述中廣泛采用的是經過嚴格的邏輯定義的數學語言。這些數學語言對于沒有經過訓練的人可能就比較難以理解和使用。這樣就使得那些能夠比較好地描述復雜世界的科學理論往往讓一般人(包括一些非本專業的知識人士)難以接受。所以現代社會都希望通過科普活動來讓更多的人了解這些已經被在比較規范的正確性范圍中確定,并且可能已經為社會帶來巨大利益的的科學理論。

    科普活動中人們通常都會以比較淺顯的、公眾易于理解的自然語言向普通大眾介紹科學知識、推廣科學技術的應用、傳播科學思想、弘揚科學精神。科學普及的任務中傳播科學的思想,弘揚科學精神比傳播科學知識更加重要。任何一種科學理論都必然存在正確性范圍,在人類的知識中沒有一種絕對的可以適用于任何范圍的科學理論。這個思想不僅僅是科學家在進行科學活動,創立科學理論時應該具有的科學意識,也應該是在科普活動中應該廣泛宣揚的一個基本的科學思想。


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草根簡介


1968年本科畢業于華中工學院(現華中科技大學),1981年研究生畢業于武漢水利電力大學(現武漢大學電氣學院)。長期從事高校教學工作。2007年退休。個人郵箱:nyu46@126.com
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