理论研究中的概念和定律

爱因斯坦有句名言:“所有科学的目的都是调整我们的经验并置之于一个逻辑体系中。”在这个过程中,物理概念,即反映事物的普遍和本质特征的思想,起了极其重要的作用,而物理概念与符号体系紧密相关。

首先,我们要强调客观规律的存在及其可知性。这是每一个从事科学研究的人员必须具有的唯物主义观点。爱因斯坦说:“要是不相信我们世界的内在和谐,那就不可能有科学。”相信世界上在本质上是有秩序和可认识这一信念,是一切科学工作者的基础。

理论研究中概念的选择,应遵循以下原则:

(1)每一主导概念都应该是明白的,没有混淆的。通过大量应用于经验事实之后,能为同行们接受。

(2)由一些基本概念,人们可进行组合。如果组合能反映物理过程的量,就是成功的。

(3)概念应与符号体系相联系。如波义耳定律PV=C。式中C是常数,而P代表压强。它与V(气体的体积)一起描述气体的行为。压强P是客观存在的。它又代表各种各样测量方法测得的结果。

(4)对于那些能超越其原来形成的学科而渗透到别的领域的那些概念,更应予以重视。

物理定律是客观世界的规律描述。准确地说,它是有限的实验结果的描述,或者它只是有限范围现象的一种符号的描述。

得出物理定律需要洞察力和想象力,还需要假说,甚至机遇。另外,还要注意物理定律适用性的严格界限(如波义耳定律PV=C,只有在温度一定时才成立),在推广时要多加小心。

下面以牛顿力学为例来说明。

牛顿是把伽利略定律和开普勒定律总结、提升到牛顿力学的理论。牛顿当时进一步考察了开普勒第三定律,即

这表明,行星的公转周期T的平方等于离太阳距离D的立方。那么,是什么驱使行星不知疲倦地绕太阳做椭圆运动呢?牛顿的观点是:

引力是物体本身的性质。宇宙间一切物体都应该有引力。这就是引力的万有性[引力不需要介质(如以太)的帮助]。

这就是牛顿的概念和假说,但在当时仅限于猜测。关键在于找出它的定量表示,验之于实践,才能令人信服。牛顿总结了前人的结果,提出了万有引力的数学形式:

式中F是万有引力,k是比例常数,m 1和m 2分别代表两物体的质量,而r是它们之间的距离。

对月球运动的大量研究证明,月球运动的向心加速度以及地球表面物体(如苹果)落地加速度都与上述的公式吻合。

这一公式以后又转变为库仑定律。两个粒子之间的力也符合此规律,更进一步说明了物理定律表示符号体系的预测功能。