摘要:从生命科学到物理学,从宏观世界到微观世界,科学的普适性贯穿其中,帮助我们揭示自然界的奥秘。在生命科学的研究中,一个关于小白鼠的实验发现可能只是个别的现象。比如,小白鼠 A 在服用药物 B 后,疾病 C 有所好转。
科学是人类探索自然、认识世界的重要手段,其普适性是科学规律的重要特征之一。
在各个科学领域中,这种普适性都有着广泛的体现。
从生命科学到物理学,从宏观世界到微观世界,科学的普适性贯穿其中,帮助我们揭示自然界的奥秘。在生命科学的研究中,一个关于小白鼠的实验发现可能只是个别的现象。比如,小白鼠 A 在服用药物 B 后,疾病 C 有所好转。
为了使这一发现具有更广泛的意义,研究者需要进行大量的重复实验。他们会在其他小白鼠身上重复同样的实验,并且要在不同的实验室中得到相同的结果。
只有经过这样多次的验证,这个结论才有可能被推广到其他哺乳动物身上,甚至进行人体临床试验。这个过程是从个别案例向普适理论发展的重要步骤,通过不断的实验和验证,逐步揭示出具有更广泛适用性的科学规律。物理学作为自然科学的重要分支,其中的普适性具有深远的意义。相对性原理就是一个典型的例子。
伽利略有一个著名的相对性原理,他在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中提到,当人在一艘大船的主舱中,且无法看到外界时,无论船是静止还是匀速行驶,人都无法通过观察船内的现象来判断船的运动状态。这一原理揭示了物理定律在不同惯性坐标系中的普遍适用性。
它表明,物理规律在所有惯性坐标系中都是相同的,不存在一个特殊的惯性坐标系。这一观点打破了人们对绝对运动和绝对静止的传统观念,让人们对自然界的认识更加深入和全面。我们可以通过一个在匀速行驶的火车上进行的实验来更好地理解相对性原理。在火车上,一个人向上抛起一个小球,对于火车上的观察者来说,小球会竖直上抛并竖直下落,就好像火车是静止的一样。
而对于地面上的观察者来说,小球的运动轨迹则是一个抛物线。然而,无论是火车上的观察者还是地面上的观察者,他们所遵循的物理规律都是相同的,这就是相对性原理的具体体现。
相对性原理的普适性不仅在宏观物体的运动中得到了体现,在微观世界中也同样适用。尽管微观世界的物理现象与宏观世界有所不同,但相对性原理仍然是描述微观世界物理规律的重要基础之一。牛顿的万有引力定律是物理学中另一个具有重要意义的普适性理论。牛顿以其非凡的智慧,将看似不同的现象联系起来,揭示了“苹果落地”和“月亮绕地”遵循同一法则。
无论是月亮、太阳、星星,还是苹果、石头、人,万有引力都以相同的数学规律相互吸引:引力的大小与两者的质量成正比,与它们质心距离的平方成反比。这一定律的发现,为人类理解天体运动和物体之间的相互作用提供了坚实的理论基础。
我们可以想象地球对月球的引力,使得月球围绕地球做圆周运动;而地球对苹果的引力,则导致苹果从树上落下。这些看似截然不同的现象,都可以用万有引力定律来解释,充分展示了该定律的普适性。
守恒定律在物理学中也具有举足轻重的地位。能量守恒定律指出,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体。
动量守恒定律表明,在一个孤立系统中,系统的总动量保持不变。熵增加定律则反映了一个系统的无序程度会随着时间的推移而增加。
这些守恒定律在各种各样的物理现象和过程中都得到了广泛的应用。
例如,在一个封闭的系统中,机械能可以在动能和势能之间相互转化,但总能量始终保持不变。再如,在一个碰撞过程中,系统的总动量在碰撞前后是保持不变的。
普适常数在物理理论中具有关键的意义。一个新的普适理论的诞生往往伴随着某普适常数的出现。
例如,牛顿万有引力定律中的万有引力常数 G,它决定了物体之间引力的大小。量子力学中的普朗克常量 h,与微观世界中能量的“一份一份”的特性有关。
相对论中的光速 c,在狭义相对论中被视为信息传递的最大速度。这些普适常数的发现,为相应的物理理论开辟了新的道路。
以光速 c 为例,在狭义相对论中,它的存在避免了超距作用的出现。而在牛顿力学中,信息传递不需要时间,相当于传递速度为无穷。这也体现了不同理论在不同条件下的适用范围。
宇宙普适性是一个相对的概念,在不同的历史时期和学科领域中,“普适”的概念有所不同。然而,宇宙普适性也有一些基本的、共同的特征。
其中,空间普适性是指在理想情况下,如果能创造完全相同的实验,那么在空间的任何一点进行实验,结果都应相同。
以研究物体的自由落体运动为例。在地球上的一个实验室中,让一个小球从一定高度自由下落,通过测量其下落的时间和距离,可以得出重力加速度的值。
如果空间具有普适性,那么在地球上的任何一个地方,只要实验条件完全相同,得到的重力加速度的值应该是一致的。不仅如此,即使在宇宙中的其他星球上,只要该星球的引力场特征相似,这个实验的结果也应该具有一定的相似性。
当然,在实际情况中,要在宇宙范围内完全复制地球上的实验条件是极其困难的,但科学家们可以通过理论分析和近似计算,来推测实验结果的普遍性。
时间普适性在科学研究中同样具有重要意义。无论是今天、明天还是未来的任何一天,在类似的条件下进行类似的实验,结果应该是相似的
比如,进行一个化学反应实验,研究某种物质在特定条件下的反应速率。如果时间具有普适性,那么无论在哪个时间点进行这个实验,只要实验条件保持一致,反应速率应该是相同的。
可以想象,在一个实验室中,每天都在相同的温度、压力和反应物浓度下进行这个化学反应,那么每天得到的反应结果应该是相近的。这表明,时间因素并不会对实验结果产生本质的影响,只要其他条件不变,科学规律在时间上是具有普遍性的。
自然规律的客观性是大自然客观存在的,不会因人们是否研究和测量而改变。这是科学研究的一个基本前提例如,光的传播速度是一个固定的值,不会因为我们的观测或者测量而发生变化。在真空中,光总是以恒定的速度传播,这是一个客观的事实。
再比如,热力学第二定律指出,热量总是从高温物体流向低温物体,这个规律也是客观存在的,不会因为我们的主观意愿而改变。在实际生活中,我们可以观察到很多这样的现象,比如热的物体总会逐渐冷却,而不会自动变得更热,这就是自然规律客观性的体现。
然而,在量子理论中,一些实验结果似乎让物理学家感到困惑,观测者的选择似乎会影响实验对象的状态。但这并不意味着自然规律的客观性被否定,而是需要我们进一步深入研究和理解量子物理中的现象,以更好地把握自然规律的客观性。
来源:探界16