科學是什么4普適

《科學是什么-4-普適》

·普適性

科學，必須具有普適性，也就是說，科學中所表述的自然規律，是適合于某一類事物的共同特征，而不是僅僅適合于幾個個別事物的性質。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，科學規律標志該范圍內事物的共性。

1. 何謂普適性

普適性是什么意思？普適到哪個范圍去呢？這其實是個挺復雜的問題，因為每門學科、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，你是研究生命科學的，在某次試驗中，你發現某“小白鼠”A服用某種藥物B后，某種疾病C有所好轉，你也許思考了其中的道理，并從中得到一個假設：“藥物B能治療小白鼠疾病C”。但一開始，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，不僅僅是你能夠在你的實驗室中應用于別的小白鼠，你的結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。然后，如果這個結論被許多小白鼠試驗都證實了之后，也許你能夠進一步將它“普適”推廣到其它的哺乳動物，甚至進行人體臨床試驗推廣到人類。

所以，普適性是一個相對的概念，各個領域有各個領域自己認可的普適性。但是，因為普適性是自然規律需要具有的基本性質，總應該具有一定的范圍，才有可能被稱之為“規律”，否則就只能算是個別的經驗了。比如，如果小芳某一天染上痢疾拉肚子，后來吃了個蘋果就不拉了。因此，她的醫生媽媽說“小芳那天吃蘋果治好了拉肚子”。但這句話只是來自于小芳一個人的個別經驗，還不是醫學規律。也許小芳媽媽進一步猜測：“蘋果酸能治療痢疾”，從這句話，她已經將她的結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學規律了。不過，普適性是科學規律的必要條件，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，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理論的必經之路。這點，在物理學史中有不少典型實例。物理學的發展過程也充分體現了“普適”概念的相對性。

2. 物理學中的普適性

作為自然科學的基礎學科和帶頭學科，現代物理學特別重視普適性，這是因為物理定律（諸如能量守恒、動量守恒、熵增加等）本身就具普適性，在其他領域也適用。物理學中的第一個普適性結論是500多年前伽利略發現的相對性原理。

伽利略在他的名著《對話》中，描述了相對性原理，大意如下^【1】：

你被關在一條大船主艙里，看不見船外。當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，你將發現，你無法從任何一個現象來確定，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“慣性坐標系”中的普適性。這個故事中又關聯到一個令我們中國人遺憾之事：據說早于伽利略一千多年前，我國東漢時期的《尚書緯 考靈曜》上就曾經記載說“地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。”，這與伽利略的描述看起來頗為類似，但大大的不同是在于，伽利略將此類現象“普適”推廣到了“所有”的慣性坐標系，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，從未經過普適的方法將觀察經驗上升為科學規律。

萬有引力的建立是物理學中另一個“普適”的例子。牛頓力學體系的建立是科學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數學原理，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，有以開普勒三大定律為代表的“天上”力學。是天才的牛頓統一了它們，統一了“蘋果落地”和“月繞地轉”這兩類貌似不同的觀測現象，建立了天上地上皆適用的普適性力學。天上的月亮和地下的蘋果看起來沒聯系，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，都以同樣的數學規律互相吸引：“引力的強度和兩者的質量成正比，和它們質心距離的平方成反比”，無論過去還是現在，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”化對發現自然規律的重大意義。

物理學中還有很多普適的守恒定律，特別是，現代物理發展中有一個非常有意義的成果：德國女數學家艾米·諾特（Emmy Noether ，1882-1935）發現的“對稱性與守恒律”的對應關系。例如，時間對稱性對應能量守恒，空間對稱性對應動量守恒等等，見下圖。這種對應性深化了我們對物理規律普適性的理解^【2】。

現代物理學是一門不斷發展的科學，物理規律的普適性也不斷地隨之而被否定、更新和發展。以上所述的伽利略的相對性原理，之后被愛因斯坦進一步普適推廣到非慣性系統，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，愛因斯坦之前的物理學，認為能量守恒和質量守恒是兩個不同的普適定理，能量和質量是兩個不同的概念。狹義相對論提出的質能關系E=mc²卻意味著在某種情形下，能量質量可以互相轉化。因此，能量與質量不再單獨守恒，質能總體守恒，成為一個新的普適定律。

3. 普適常數

物理常數對物理理論非常重要，一個新的普適理論的誕生往往伴隨著某個普適常數的出現。牛頓萬有引力定律中的萬有引力常數G，量子力學中的普朗克常數h，相對論中的光速c，宇宙學中的宇宙常數等等。新常數的發現往往能為新的革命性的物理理論打開新的窗口，而在一定的程度上，驗證這些常數的普適性也就驗證了理論的普適性。

常數本來是不會改變的，但可以認為它們在相對的意義上變化，從而描述各種不同物理理論的“普適”范圍。比如說，在狹義相對論中，將光速c作為信息傳遞的最大速度，因而避免了超距作用。而牛頓力學中則隱含著“超距”，即信息傳遞不需要時間，相當于傳遞速度等于無窮。因而，經典力學可以被看成是光速c趨于無窮時狹義相對論的極限。類似地，普朗克常數h是建立量子力學時被引入的，與微觀世界中能量是“一份一份”的規律有關，對于經典時能量連續的情況，相當于普朗克常數h趨于0的極限。此外，在任何理論中，如果暫時不考慮引力效應，就意味著將引力常數G取值為0，或趨于0時的極限。

根據上述說法，近代物理學中的各種理論，可以畫到一個三維的立方塊上，如下圖所示。各個理論模型的相對普適范圍從圖中一目了然。

圖中兩個紅點處：所謂大一統的“萬有理論”和量子引力，都是現有物理理論尚未解決的問題。即使解決了，又會有新的矛盾產生。再則，上面圖中所示的也僅僅是物理學沿著上述的3個基本常數的發展過程，將來還可能發現別的普適常數，反映新的自然規律，從普適性的意義上來說，科學發展也將永無止境。

4. 宇宙普適性

如前所述，普適性是相對的，不同時期的不同領域，都有其不同的“普適”概念。但普適性也有一些基本的、共同的、大多數人都承認的、具有直觀物理意義的一些方面。例如，其中有3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、自然規律的客觀性。

就拿本文最開始所舉的那個生命科學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3維空間中，理想而言，如果能創造完全相同的試驗條件，這個試驗在空間任何一個點進行，結果都應該是一樣的，這被稱之為具有空間普適性。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境。不過，研究者們總是可以將一些復雜因素化簡，形成一個近似等效的環境來驗證某些規律。

時間的普適性對上述小白鼠試驗的例子應該比較容易驗證。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，應該得到類似的結果。

科學家們也研究基本物理常數是否具有宇宙普適性。例如，萬有引力常數G在不同時間和不同空間的數值會相同嗎？據說天文學家們對遙遠星系中某些繞著白矮星運轉的脈沖星進行了長期觀測，發現它們的自轉速度穩定地保持不變，因而使其發出射電信號的周期也十分穩定，穩定的精確度超過地球上最好的原子鐘。因此，通過這些觀測結果，科學家認為，迄今為止，基本上可以證實，萬有引力常數G在整個宇宙中都長期保持不變。也就是說，萬有引力常數具有真正的宇宙普適性。

上述所謂“宇宙普適”的第三點：自然規律的客觀性，指的是自然規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律而改變。也就是說，自然規律應該是獨立于測量者的主觀意識的客觀存在，實驗結果不會因為觀測者的意識而改變。

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

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，還有待理論的進一步突破和實驗的更多驗證，不在此贅述。

盡管如今的科學，看起來已經非常“先進”，但實際上卻很難說。現代科學不過幾百年的歷史，和宇宙的年齡（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，未來的科學是怎樣的？會如何發展？誰也無法預料。宗教、哲學、科學、藝術等等，最初誕生時曾經在一起，幾百年之后是會越離越遠，各奔東西？還是會逐漸統一在一個大框架下？我們也不知道。

參考文獻：

【1】伽利略. 《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》. 上海人民出版社. 1974.

【2】Kosmann-Schwarzbach, Yvette (2010). The Noether theorems:Invariance and conservation laws in the twentieth century. Sources and Studiesin the History of Mathematics and Physical Sciences. Springer-Verlag.