物理定律

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萬有引力定律將「宇宙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)喺物理學上係指一句宣言,句宣言係由某啲實證事實嗰度推導出嚟、能夠描述同預測某一類特定現象嘅。物理定律正路源自物理學家對某啲自然現象嘅重複實驗觀察:科學家會跟從科學方法搵一柞佢想研究嘅現象,再用實驗同觀察睇吓啲變數之間有乜嘢關係,然後提出一條定律;條定律會運用方程式嘅方法,作出「某某變數同某某變數之間成某某關係」嘅宣言[1][2]

舉例說明,好似係萬有引力定律(Newton's law of universal gravitation)呢條古典力學定律噉[3]

,喺呢條式當中,
  • 係兩件嘢之間嘅引力嘅數值;單位喺國際單位制下係牛頓(N)。
  • 萬有引力常數;數值係 6.674×10−11 N  (m/kg)2[4]
  • 係第一件嘢嘅質量;單位係公斤(kg)。
  • 係第二件嘢嘅質量;單位係公斤(kg)。
  • 係兩件嘢之間嘅距離;單位係(m)。

等都係變數。呢條定律會由第啲物理學家嘗試驗證,如果多個驗證嘗試都係撐條定律嘅話(第啲科學家做咗多次實驗,發覺次次呢條式都準確噉計到實驗結果),條定律就會俾學界接受係一條能夠準確描述現實嘅定律;一般嚟講,一條經已俾人確立咗嘅物理定律嘅準確性唔會因為理論上嘅革新而有所變化,每當物理理論上有革新嗰陣,頂櫳都只會影響條定律嘅適用範圍。物理定律係物理學嘅根基,幫手將一大柞嘅現象用相對簡單嘅定律描述,令做起預測上嚟方便好多[5][6]

要留意嘅係,物理定律做嘅嘢只係總括實驗同觀察嘅結果(歸納),而唔係證明(prove)任何嘢:喺最嚴格嘅邏輯基準嚟講,物理定律冇得話證明嘅;就算做咗(例如)100,000 次嘅驗證都係結果撐條定律,下一次嘅驗證理論上依然有可能會推翻條定律-正如就算打前見過嗰啲天鵝冚唪唥都係白色嘅,都唔保證下一次見到嗰隻唔會係一隻黑天鵝[1][7]

形成[編輯]

牛頓嘅畫像,1689 年畫嘅;佢用方程式描述咗古典力學嘅定律。
睇埋:物理學科學方法同埋科學定律

物理定律係將自然現象抽象化(abstraction)而得出嘅: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,搵出呢啲現象之間嘅共通點,然後將個共通點用一條定律表達出嚟;喺實質嘅物理學上,定律冚唪唥都係用數學方程式表達嘅[8]

舉個例說明,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,描述一嚿物體嘅加速度(指速度嘅改變有幾快)同佢嘅質量以及所受嘅之間嘅啦掕。喺諗呢條定律出嚟嘅過程當中,牛頓觀察咗大量嘅郁動物體,發現(佢用肉眼觀察到嘅)物體都實係要俾某啲力推先至會郁,而且推嗰股力愈大,件物體郁起上嚟嘅加速度就愈快。於是乎,佢就提出咗呢條方程式[9]

呢條式包含三個變數:

  • 係指加喺嚿物體上面嘅(force),
  • 係嚿物體嘅質量(mass),而
  • 就係嚿物體嘅加速度(acceleration)。

呢條式表示,嚿物體嘅「質量同加速度埋嗰個數」同「加喺佢上面嘅力」成正比-所以股力愈大,假設嚿嘢嘅質量唔變,嚿嘢就會加速得愈快;而嚿嘢嘅質量愈大,假設股力唔變,嚿嘢就會加速得愈慢[9]。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-擺埋一齊嚟睇,將佢哋抽象化,搵出佢哋之間嘅共通點:無論嚿嘢係乜,都一樣係「股力愈大,加速得愈快」,然後佢再將呢啲共通點用一條方程式表達出嚟。打後嘅實驗同辯論令物理學界廣泛噉接受咗呢條式-噉就形成咗條物理定律[10]

特徵[編輯]

一般認為最理想嚟講,一條物理定律會有以下呢啲特徵[11][12]

  • 一條定律喺佢涵括嘅範圍之內實係真確(always true)嘅;不過一條定律「喺乜情況下適用乜情況下會唔適用」係一條可以爭議嘅問題。
  • 普世性(universal):一條物理定律理應要喺全宇宙都通行。
  • 簡單(simple):一條物理定律要可以用數學方程式嚟表達,呢點令條定律做起預測上嚟更加精確。
  • 絕對(absolute):無論宇宙入面發生啲乜,都唔會影響一條定律嘅真確性。
  • 穩定(stable):條定律自從發現咗之後就唔變,頂櫳都只係有得詏條定律嘅適用範圍。
  • 全能(omnipotent):宇宙入面嘅一切事物都要受制於物理定律。
  • 本質上守恆(conservative):可以睇吓能量守恆定律等嘅定律。
  • 好多物理定律都係理論上可逆(theoretically reversible)嘅,噉講意思即係話如果有個系統按呢條定律所描述嘅現象改變咗狀態,理論上會有可能將個系統嘅狀態變返做改變之前噉嘅樣,例如運動第二定律噉,向一嚿物體施咗力,令佢加速同得到一個非 0 嘅速度,理論上只要向反方向施返一股啱大細嘅力,就有可能令嚿物體嘅速度變返做 0 同埋移返去之前個位置[13]

限制[編輯]

冇得證明[編輯]

呢個世界上查實有黑天鵝。
睇埋:歸納同埋肯定後項

科學哲學(philosophy of science;科學家對「科學係乜同應該點搞」嘅一套諗法)上,科學定律-包括物理定律在內-理應會能夠準確噉描述由大自然觀察到嘅現象;不過就最嚴格嘅邏輯基準嚟講,物理定律係屬於實證(empirical)範疇嘅物體,即係話物理定律嘅諗法係建基於對現實嘅觀察,而唔係好似「數學性」嘅定律噉能夠證明-相比之下,數學上嘅定理係齋靠邏輯推理嚟推導同證明嘅,唔使對自然現象做任何嘅觀察都得[14]

呢個差異表示,同數學上嘅定理唔同,物理定律等嘅科學定律係冇得「證明」嘅,淨係可以用歸納(inductive reasoning)嘅方式「支撐」。喺歸納性質嘅論證入面,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[15]

前提:我打前見過嘅天鵝冚唪唥都係白色嘅:
結論:呢個世界上嘅天鵝全部都係白色嘅。

呢個係一個典型嘅歸納式論證:想像一個世界,個世界有兩塊大陸,大陸 A 啲天鵝全部都係白色嘅,大陸 B 啲天鵝全部都係黑色嘅;有一個人,佢從來未去過大陸 B,對大陸 B 完全一無所知;喺佢眼中,天鵝全部都係白色嘅,但佢未見過黑天鵝唔等如黑天鵝唔存在;喺一個歸納論證入面,個前提就算係真確,都保證唔到個結論實係真確-前提入面嗰個「我」並冇見過嗮宇宙間古往今來所有嘅天鵝,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。物理學家都係跟住呢種諗嘢方式搞物理:喺驗證「萬有引力定律係真確嘅」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,但佢始終冇辦法去真係「證明」呢個宇宙裏面真係所有物體都受萬有引力定律主宰-可能喺宇宙嘅某啲黑暗角落度會有啲唔受制於條定律嘅嘢,只不過係人類仲未搵到呢啲嘢[14][15]

因為噉,喺正式嘅物理學論文入面,物理學家正路唔會講自己「證明」咗邊條邊條定律,頂嗮櫳都只係會講「觀察同實驗嘅結果支持呢條定律」,而且佢哋仲會好積極噉去搵新數據,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,或者睇吓點樣可以令成個理論框架同新數據夾得埋[14]

大致化[編輯]

睇埋:近似值同埋逼近理論

原則上,物理定律只係對現實現象嘅大致化(approxmiation)[16]:物理學界經已有試過發現,一條之前認為係普遍性嘅定律只不過係一條更加普遍嘅定律嘅一個特殊情況,例如喺古典力學嘅理論框架嗰度,一粒粒子動量(momentum;)係

其中 係粒粒子嘅質量,而 係粒粒子嘅速度。而喺愛因斯坦狹義相對論入面,一粒粒子嘅動量查實比較似

其中 係粒粒子嘅靜止質量(rest mass),而 光速(一個常數)。由呢條式入面睇得到,當粒粒子嘅速度低過 好多()嗰陣,

,所以
,於是

-即係話,當粒粒子嘅速度低過光速一大截嘅時候,用古典力學條式計到嘅結果會同用狹義相對論嗰條計到嘅一樣咁滯,但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差異會愈嚟愈大。而實驗結果顯示,狹義相對論喺呢啲情況下能夠更加準確噉描述現實[17]

因為噉,廿一世紀嘅物理學界經已知道,古典力學嗰條定律只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只不過係某條未知定律嘅大致化-廣義噉睇,是但搵條現時已知嘅物理定律,條定律可能只係某條未知定律嘅大致化[17]

出名定律[編輯]

... 等等。

睇埋[編輯]

文獻[編輯]

  • Davies, Paul (2005). The mind of God: the scientific basis for a rational world (1st Simon & Schuster pbk. ed.). New York: Simon & Schuster.
  • Barrow, J. D., Barrow, J. D., Kosmologe, A., Barrow, J. D., Cosmologist, A., Mathematician, G. B., ... & Mathématicien, G. B. (1991). Theories of everything: The quest for ultimate explanation. Oxford: Clarendon Press.
  • Daryn Lehoux (2012). What Did the Romans Know? An Inquiry into Science and Worldmaking. University of Chicago Press.

[編輯]

  1. 1.0 1.1 Stanford Encyclopedia of Philosophy: "Laws of Nature" by John W. Carroll.
  2. William F. McComas (30 December 2013). The Language of Science Education: An Expanded Glossary of Key Terms and Concepts in Science Teaching and Learning. Springer Science & Business Media. p. 58.
  3. Robert A. Millikan and E. S. Bishop (1917). Elements of Electricity. American Technical Society. p. 54.
  4. Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006". Reviews of Modern Physics. 80 (2): 633–730.
  5. Francis Bacon (1620). Novum Organum.
  6. 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.
  7. Copi, I.M.; Cohen, C.; Flage, D.E. (2006). Essentials of Logic (Second ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Education.
  8. Rosenberg, A. (2011). Philosophy of science: A contemporary introduction. Routledge.
  9. 9.0 9.1 Reif, F. Understanding Basic Mechanics 2, illustrated. Wiley: pp. 95, 1995.
  10. Bridgman, P. W., Bridgman, P. W., Bridgman, P. W., Bridgman, P. W., & Physicien, E. U. (1927). The logic of modern physics (Vol. 3). New York: Macmillan.
  11. Feynman, Richard (1994). The character of physical law (Modern Library ed.). New York: Modern Library. ISBN 0-679-60127-9.
  12. Davies, Paul (2005). The mind of God : the scientific basis for a rational world (1st Simon & Schuster pbk. ed.). New York: Simon & Schuster.
  13. Sedley, "When Nature Got Its Laws", Times Literary Supplement (12 October 2012).
  14. 14.0 14.1 14.2 Neyman, J. (1957). " Inductive Behavior" as a Basic Concept of Philosophy of Science. Revue de l'Institut International de Statistique, 7-22.
  15. 15.0 15.1 Deductive and Inductive Arguments.
  16. Davies, Paul (2007-11-24). "Taking Science on Faith". The New York Times.
  17. 17.0 17.1 Wolfgang Rindler (1991). Introduction to Special Relativity (2nd ed.), Oxford University Press.

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