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萬有引力定律將「宇宙間所有嘢之間都有引力」呢個諗法用一條方程式嚟表達出嚟,係一條典型嘅物理定律。

物理定律粵拼mat6 lei5 ding6 leot6英文physical law / law of physics)喺物理學(physics)上係指一個由某啲事實推導出嚟、能夠準確噉形容某一類特定嘅現象嘅宣言,一條物理定律會話到俾睇嗰個人知「當某啲條件達到嗰陣,就會發生某某現象」[1]。喺多數情況之下,物理定律都係源自科學家對某啲自然現象嘅重複實驗同觀察嘅:個科學家會揾一柞佢想研究嘅相關現象,再用實驗同觀察睇吓啲變數(variable)之間有乜嘢關係,再提出一條定律,條定律會作出「某某變數同某某變數之間成某某關係」噉嘅宣言,而呢條定律會由第啲科學家嘗試驗證,如果多個驗證嘅嘗試都係撐嗰條定律嘅話,佢就會俾學界接受係一條能夠準確噉描述現實嘅定律。物理定律係物理學嘅基礎,幫手將一大柞嘅現象用相對簡單嘅定律描述,令到做起對未來嘅預測上嚟簡單好多[1][2]

喺英文入面,「法律」同科學上嘅「定律」傳統都係用同一個字嘅(「law」),兩者當然係好唔同嘅嘢,但係兩個字都係嚟自希臘文嘅字「φύσις」,呢個字用羅馬字母寫係「physis」,意思係指「自然」或者「本性」噉解[3]

目錄

形成

物理定律係將自然現象抽象化(abstraction)而嚟嘅:一條物理定律嘅形成首先係要由個研究者將一柞相關嘅自然現象擺埋一齊睇,揾出佢哋之間嘅共通點,然後將嗰個共通點用一條定律表達出嚟(喺實質嘅物理學上,定律幾乎冚唪唥都係用數學方程式表達嘅)。

例子

舉個例子說明,牛頓提出嘅嗰條運動第二定律(Newton's second law of motion)係一條經典嘅物理定律,描述咗一舊物體嘅加速度(acceleration;指速度嘅改變有幾快)同佢嘅質量(mass)同所受嘅(force)之間嘅啦掕。喺諗呢條定律出嚟嘅過程當中,牛頓觀察咗大量嘅郁動嘅物體,發現到(佢用肉眼觀察到嘅)物體實係要俾某啲力推先至會郁,而且推個力愈大,郁起上嚟嘅加速度就愈快。於是乎,佢就提出咗呢條方程式:

 

呢條式包含咗三個變數:  係指加喺件物體上面嘅力,  係件物體嘅質量,而   就係件物體嘅加速度。呢條式表示,件物體嘅「質量同加速度乘埋嗰個數」同「加喺佢上面嘅力」成正比-所以個力愈大,假設舊嘢嘅質量唔變,舊嘢就會加速得愈快;而舊嘢嘅質量愈大,假設個力唔變,舊嘢就會加速得愈慢。

喺發現呢條定律嘅過程入面,牛頓佢將一柞相關嘅自然現象(人曉郁、蘋果曉郁-世界上好多嘢都曉郁)擺埋一齊睇,將佢哋抽象化-揾出佢哋之間嘅共通點(無論舊嘢係乜,都一樣係「個力愈大,加速得愈快」),再將呢啲共通點用數學方程式表達出嚟。打後嘅實驗同辯論令到當時嘅物理學界廣泛噉接受咗呢條式-噉就形成咗一條物理定律。

特徵

物理定律嘅特徵包括咗[4][5][6]

  • 喺佢哋所涵括嘅範圍之內實啱(always true);
  • 宇宙性(universal)-喺全宇宙都通行;
  • 簡單(simple)-可以用數學方程式嚟表達;
  • 絕對(absolute)-宇宙入面發生啲乜唔會影響佢哋嘅真確性;
  • 穩定(stable)-自從發現咗之後就唔變;
  • 全能(omnipotent)-宇宙入面所有嘢都要受制於佢哋;
  • 本質上守恆(conservative;好似係能量守恆定律);
  • 好多都係理論上可以逆轉(theoretically reversible)嘅。

科學哲學觀點

睇埋:科學哲學

冇得證明

科學上嘅定律-包括物理定律-好多時都會用數學方程式表達嘅(好似係正話提咗嘅牛頓第二定律噉)。雖然呢啲定律能夠準確噉描述由大自然觀察到嘅現象,佢哋係屬於實證範疇物體,係建基於對現實嘅觀察嘅,唔似係「數學性」嘅定律噉-數學上嘅定理係用純邏輯推理嘅形式推導同證明嘅,唔使對自然現象做任何嘅觀察。

呢個差異表示咗,同數學上嘅定理唔同,物理定律等嘅科學定律嚴格嚟講係冇得「證明」嘅[7],淨係可以用歸納嘅方式「支撐」。喺歸納性質嘅論證(argument)入面,前提嘅真確性冇辦法保證到結論嘅真確性,只係可以靠住大量嘅事例嚟提升個論證嘅強度,好似係以下呢個論證噉:

前提:我之前見過嘅天鵝都係白色嘅:
結論:呢個世界上所有天鵝都係白色嘅。

呢個係一個典型嘅歸納論證:佢個前提就算係啱都保證唔到個結論係啱-前提入面嗰個「我」並冇見過嗮世界上所有嘅天鵝,而事實係南半球黑天鵝,個觀察者會噉諗只不過係因為佢未見過黑天鵝。而物理學家都係跟住呢種諗嘢方式去搞物理:喺驗證「萬有引力係真嘅」呢句說話嗰陣,牛頓觀察到一個蘋果由樹上面跌落嚟,佢亦都觀察到好多嘢都係跟呢條規則,但係佢始終冇辦法去真係「證明」呢個宇宙入面真係所有嘢都有萬有引力-因為可能喺宇宙嘅某啲黑暗角落度會有啲冇引力嘅嘢,只係人類仲未揾到。

就係因為噉,喺正式嘅物理論文入面,物理學家好少可會話自己「證明」咗乜嘢乜嘢定律,只係會話「觀察同實驗結果撐嗰個定律」,而且佢哋仲會好積極噉去揾新數據,睇吓呢啲佢哋之前未見過嘅數據會唔會推翻舊嘅定律。如果會嘅話,佢哋就會開始諗新定律,或者睇吓點樣將舊嗰個定律改吓等佢可以同新數據夾得埋。

對現實嘅大致化

嚴格嚟講,物理定律係對現實世界現象嘅大致化(approxmiation)[8]。有啲定律經已證實咗衹不過係更加普遍嘅定律嘅特殊情況,例如喺古典力學嗰度,一粒粒子嘅動量(momentum) 

 

其中   係粒粒子嘅質量,而   係佢嘅速度。而喺愛因斯坦狹義相對論(special theory of relativity)入面,一粒粒子嘅動量係

 

其中   係粒粒子嘅靜止質量(rest mass)。由呢條式入面睇得到,當粒粒子嘅速度低過光速   好多( )嗰陣,  會差唔多等如零,所以  開方會大約等如一,所以個動量會大致上等如  -當粒粒子嘅速度低過光速好多嘅時候,用古典力學計到嘅結果會同用狹義相對論計到嘅近乎一樣,但係當粒粒子嘅速度愈嚟愈接近光速,用古典力學計到嘅結果同用狹義相對論計到嘅之間嘅差異會愈嚟愈大。而實驗結果顯示,狹義相對論能夠更加準確噉描述現實-尤其係當粒粒子嘅速度接近光速嗰陣時[9]。因為噉,廿一世紀嘅物理學界經已知道,古典力學嗰條定律衹不過係狹義相對論嗰條嘅「大致化」-係狹義相對論嗰條定律嘅一個特殊個案。

同一道理,狹義相對論嗰條定律都有可能衹不過係某條未知定律嘅大致化。

睇埋

  1. 1.0 1.1 Stanford Encyclopedia of Philosophy: "Laws of Nature" by John W. Carroll.
  2. Francis Bacon (1620). Novum Organum.
  3. Some modern philosophers, e.g. Norman Swartz, use "physical law" to mean the laws of nature as they truly are and not as they are inferred by scientists. See Norman Swartz, The Concept of Physical Law (New York: Cambridge University Press), 1985.
  4. Feynman, Richard (1994). The character of physical law (Modern Library ed.). New York: Modern Library. ISBN 0-679-60127-9.
  5. Davies, Paul (2005). The mind of God : the scientific basis for a rational world (1st Simon & Schuster pbk. ed.). New York: Simon & Schuster.
  6. Sedley, "When Nature Got Its Laws", Times Literary Supplement (12 October 2012).
  7. Deductive and Inductive Arguments
  8. Davies, Paul (2007-11-24). "Taking Science on Faith". The New York Times.
  9. Wolfgang Rindler (1991). Introduction to Special Relativity (2nd ed.), Oxford University Press.

參考

  • Davies, Paul (2005). The mind of God : the scientific basis for a rational world (1st Simon & Schuster pbk. ed.). New York: Simon & Schuster.
  • John Barrow (1991). Theories of Everything: The Quest for Ultimate Explanations.
  • Daryn Lehoux (2012). What Did the Romans Know? An Inquiry into Science and Worldmaking. University of Chicago Press.