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科学理论的正确性范围和适用范围
2020-11-13
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    对物质运动的认识也随着量子理论的深入而发展。从严格的意义上来说,物质运动的规律是永远在变化着的。也就是说“没有规律,就是规律”。在传统物理学中为了能够比较准确地描述物质的特性,通常是通过测量得到合理的数据,然后进行分析归纳,从而得到物质的运动规律。这个是目前科学研究的基本方法。如果测量数据采集而得到的规律,他人无法重复,就被认为不是科学的数据。实际上这个重复应该是在一个大家可以接受的误差范围(一般是技术科学的精度要求)内的结果,因为任何的规律都只能在一定的误差范围内表现出可重复性。所以误差范围的确定应该是科学规律存在的前提条件之一,因为绝对的规律在自然运动中是不存在的。

    经典物理学是以直接观察测量结果为基础的,所以经典物理学规律的适应范围应该是在当时的技术条件下的误差范围内的。比如在经典物理学的所有运动定律中,物体的惯性质量在运动过程中是不变的。而实际上根据相对论理论,物体的惯性质量是随着物质运动速度的增加而增加的,只不过这个增加的比例是与光速的比有关。所以当运动速度大大小于光速时,其惯性质量的增加是非常微小的,在一般的测量技术下大大小于测量误差。所以经典物理学的理论规律在通常的运动速度下都是适用的,而当物体的运动速度非常高的时候才可能检测出不适应性。在这种情况下测量偏差,会大于误差范围很多。于是科学家就可以认定经典物理规律在这种情况下失效了。

    同样的,根据相对论的质量能量互换关系,在经典物理学中被科学家认定的质量守恒和能量守恒定律同样也是在一定的误差范围内适用。实验结果证明1000克硝化甘油爆炸之后,放出的能量为8.0×106 焦耳。根据质能关系公式计算,产生这些能量的质量是8.9×10-8克,与原来1000克相比,差别小到不能用现有的实验技术所能测定。如果测量误差范围大于这个比值的条件下,那么科学家就可以认定质量守恒定律是完全正确的。而当1000克?铀235裂变的情况下,放出的能量为8.23×1016焦耳,与产生这些辐射能相等的质量为0.914克,和原来1000克相比,质量变化已达到约千分之一。这时质量守恒和能量守恒规则就不是互相独立的了,于是人们对质量守恒定律就有了新的认识。科学家则将这两个定律合而为一,称它为质能守恒定律。更加极端的例子是,当正物质和反物质发生湮灭时,可能所有的质量全部变成能量形式消失在时空中,但是此时是否会出现其它情况,现在的物理理论都还不能完全描述。

    相对论不适用于微观世界,其基本原因是相对论的光速恒定的尺子在微观的误差范围内可能不成立了。而量子力学不能够适应于宏观宇宙的描述是因为人们不能够接受那些巨大的星星用不确定的概率规律来描述它们。实际上如果要求精确到如10-33级别的测量可能那些星星的运动参数也只能以概率分布来描述了。所以任何科学理论都会有一个正确性范围,超出这个范围就会出现错误的结论。这个,也可以理解成为科学理论的可证伪性。

    如果一个科学理论的建立不能正确地指明它的正确性范围,那么这个理论对规律性的描述就不够完整。可惜的是目前很多科学家在提出自己的理论时总是希望它是一个普遍适用的理论,通常都没有对它的正确性范围做出明确的说明。甚至有些科学家为了确信理论的正确性,根本不承认这个正确性范围的客观存在。

    科学家相信自己的理论有最大的正确性范围的例子比比皆是。其中著名的例子如“撬动地球的故事”,古希腊著名的科学家阿基米德发现杠杆的平衡原理后,怀着一颗激动的心情写了一封给叙拉古国王希伦的信。他在信中说:“如果给我一个支点,一根足够长的硬棒,我就能撬动整个地球”。但是,谁能够给出这个支点和撬杠呢?

    类似的例子还有很多。虽然从科学的发展历史来看,无论什么规律都仅仅在一定的误差范围内适用。但是在科学理论建立的初期,人们往往没有认识到这个正确性范围的重大意义,甚至包括建立理论的伟大的科学家自己。直到新的理论指出旧理论的错误和不足,人们才认识到原来看来非常正确,非常完美的理论也有不适用的情况,甚至是完全错误的。从亚里士多德、托勒密建立和完善起来地心学说;到哥白尼提出的“日心说”;到牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出经典物理学的基础理论;到爱因斯坦建立的相对论理论;描述微观世界的量子力学理论等等这些理论的发展过程,人们可以认识到科学理论正确性范围对科学理论的重要性和必然性。

    当以科学理论为基础发展起来的技术科学在实际应用中,规律的可被重复地实现是科学理论能够被用于解决技术问题的基本要求。由于科学理论建立的时候,收集观测数据的实验精度一般都是在当时技术条件下所能够实现的最好的,同时科学理论的建立还要经过严格的逻辑推理和不断地修正实验数据。所以一般科学理论的正确性范围都会大于技术科学需要的适用范围。即使是经典物理学体系,都具有很大的正确性范围。这样就保证了经典物理学体系可以在具体的技术应用时有广泛的适用性。即使是一些比较极端的情况下,仅仅需要从现代物理学的艰深体系中加以修正,就可以比较好的满足应用技术的要求了。

    从物理学发展的历史我们可以认为一个完整的科学理论的构成除了对规律本身的描述以外,还应该说明规律的归纳过程中的实验数据的测量精度。最好能够给出正确性范围,以保证理论对规律性描述的完整性。当然,这个正确性范围可能在理论建立的初期还无法确定,但是可以肯定的是对于任何科学理论来说这个正确性范围是必然存在的,否则这个理论也无法成为科学理论。这个特性也是科学和宗教迷信的根本区别点。然而在科学理论的发展过程中,这个科学理论的正确性范围常常会被忽略。

    因为人类自然语言是为了帮助人们交流思想而产生的。一种自然语言能够发展成熟,并且经过长期的历史时期而被保持活力,那么这种语言描述力的丰富性是必需的。一般越是具有丰富的描述力的语言,它的语义的多义性和不精确性可能会出现。为了适应科学描述的精确性和确定性,人类在科学理论的描述中广泛采用的是经过严格的逻辑定义的数学语言。这些数学语言对于没有经过训练的人可能就比较难以理解和使用。这样就使得那些能够比较好地描述复杂世界的科学理论往往让一般人(包括一些非本专业的知识人士)难以接受。所以现代社会都希望通过科普活动来让更多的人了解这些已经被在比较规范的正确性范围中确定,并且可能已经为社会带来巨大利益的的科学理论。

    科普活动中人们通常都会以比较浅显的、公众易于理解的自然语言向普通大众介绍科学知识、推广科学技术的应用、传播科学思想、弘扬科学精神。科学普及的任务中传播科学的思想,弘扬科学精神比传播科学知识更加重要。任何一种科学理论都必然存在正确性范围,在人类的知识中没有一种绝对的可以适用于任何范围的科学理论。这个思想不仅仅是科学家在进行科学活动,创立科学理论时应该具有的科学意识,也应该是在科普活动中应该广泛宣扬的一个基本的科学思想。


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草根简介


1968年本科毕业于华中工学院(现华中科技大学),1981年研究生毕业于武汉水利电力大学(现武汉大学电气学院)。长期从事高校教学工作。2007年退休。个人邮箱:nyu46@126.com
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