物理理论的结构

物理科学探疑-网友天空-物质原理-物理理论的结构
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物理理论的结构

马英卓

提要：科学哲学是科学理论的免疫系统。没有物理理论结构三层次的认识，我们的思维与科学研究就处于混乱状态。物理理论也有它的"癌症"，怎样去诊断？在物理理论的进化过程中，怎样避免物理理论的癌症？

前言

科学哲学是研究怎样证实科学的角度开始的，后来又转入到科学理论的合理性的问题。科学哲学从罗素与维特根斯坦开始，又经过了波普尔、奎因、库恩、拉卡托斯、夏佩尔、劳丹等人到现在，渐渐地认识到科学理论作为"精神客体"，也像生物世界一样，是不断进化的有内部结构的"有机整体"，科学理论也有其"基因"，也有其进化过程的"继承"与"变异"情况等。不从科学大系统角度，仅从某一个理论（相当于细胞个体）角度来说，其"基因"就是核心（类似细胞核）基本概念及基本命题，其外壳就是理论的经验命题（包括经验公式），其所需要的"归类养料"就是大量的"现象事实"。一个理论之所以区别于另一个理论，就是其基本概念及基本命题的根本不同（不能用某一个理论的基本概念来定义另一个理论的基本概念）。理论核心部分的基本概念的内涵的变化或多一个基本概念及基本命题，就意味着"变异"，此"变异"的结果不是意味着进化，就意味着出现了"怪胎"或患了"癌症"。科学哲学主要是以物理理论为其案例来研究的。下面我就主要以物理理论角度来论述我的"科学哲学"观点。看一看物理理论中哪些是进化因素，哪些是怪胎及"癌症"。如果没有理论结构的核心部分、经验部分、现象部分的三层次的认识及理论的背景--哲学观念的认识，而笼统地说理论思考、理论论述、证明理论等,则其思维是混沌的。也就是说，当你在思考理论时，你要明确是在这三层次中的哪个层次上思考的。理论的三层次的区分，是与下面的三个方面相对应的（当然不是绝对的）：a.人的认识有感性认识、知性认识、理性认识三层次；b.是什么、都是什么、为什么三层次的问题；c.个别性、普遍性、本性的认识三层次。科学发现的性质也有这三个方面。

一、理论的核心部分

基础物理学主要是涉及"力热声光电磁"（现在的通常说法是力磁光）方面的内容，现代物理学是广义相对论与量子力学。因为力学是物理学发育得较完整的理论，所以，也就基本上是以力学作为案例来说明之。力学的"基因"概念主要是物体、惯性、力、质量、运动（速度、加速度、直线运动、曲线运动、参考系等）、还有动量、能量（势能与动能）。其"基因"的命题是牛顿三定律、动量定律、机械能守恒定律。热声光电磁的"基因"略。

核心的基本概念及命题的抽象性，已经就意味着其本质（不是虚假的）上的认识。作为理论核心的基本概念及核心命题，具有公设性质，不具有实证性。基本概念是不能用种加属差来定义的概念，所以有一定的"模糊性"，恰恰就是因为如此，就引起了某些人的"没有意义的思考"。如今天仍有人在思考"质量"是什么？等等。如果从关系定义角度来说，质量是惯性力的量度；从本体角度来说，质量是"物质的多少"，此定义就有一定的"模糊性"，也只能如此定义了。这物质又是什么？谁也说不清楚。但是，有人还要"较真"，用"原子分子的多少"来定义质量，基本概念就是具有"抽象"性，这是理论的需要，如此具体化，就复杂了。如果用此具体化的定义，就会犯"逻辑循环"的错误了，也就是说，"原子分子的质量"又是"怎么来的"？你又怎么回答？是基本粒子？那基本粒子的质量又是怎么来的？那你又怎么回答？如此改变定义，理论的"癌症"可就发生了。当我们进入"微观领域"的时候，由于原子核具有巨大的能量，同时原子的质量基本上集中在原子核上，就导出了"质量具有能量"的"抽象理论"。本来是微观的事情，也不分宏观微观就把经典力学（宏观的力学）的质量也当成了能量，又是思维的"癌症"。爱因斯坦的"质能关系式"如果有意义的话，也仅适合微观世界。如果微观理论与宏观理论没有区别，为什么还有"测不准关系式"？

一个理论之所以区别于另一个理论，就是因为其基本概念（基因）不同。然而有人就不注意此道理，不加区别的乱运用。如果对某一个"现象层次"的认识时，可以同时用不同的理论基本概念。但是，把不同理论的基本概念混在一起，不加区别的在理论核心层次上运用，就容易产生新理论了，然而这个新理论往往是"怪胎"。这样的"怪胎理论"还少吗。比如，有人把经典力学的"质点"概念与量子力学的"量子"概念混在一起，就要建立经典力学与量子力学合在一起的新理论，这理论不是怪胎吗，（当然，此理论没有人理会，当然也就"流产"了。）"质点"概念本来为了"描述"的需要而建立起来的"抽象"概念。量子力学之所以区别于其它理论，就是有一个最基本的概念--量子及经验命题--波粒二像性。？不能随便把两个理论混在一起建立新的理论，一个理论在其进化过程中有一定的"稳定性"（继承性）。

当一个新的基本概念或基本命题进入原来理论的核心层次后，会带来对原来理论结构的破坏,需要重新调整其结构。而且还需要对经验层次及现象层次的重新认识，从而要增加一些新内容,也要淘汰不相适应的旧内容。这时的理论已进入"新"的科学哲学的历史主义学派的"范式"阶段。我的惯性力学三定律在核心层次上对牛顿力学的变革的完成，也导致了对原来某些已成定论的东西的改变。一个进化性质的理论的产生，也会淘汰与其同课题的其它许多理论，当初牛顿发现了地面上的重力与天体的公转运动原因是同一原因后，就淘汰了当时为了解释天体公转运动的许多理论，如"自然圆形运动"、"水晶球天层"、"磁力旋转轮辐"以及"以太旋涡等理论（摘自钱风仪的著作《相互作用原理》）。然而，我们的科学教材是报喜不报忧，不"报道"科学理论的每个重大的进步，都要淘汰许多当时的其它不适应的理论的情况。当每一个进步的理论胜利时，就像每次的战役的胜利时那样，人们只对举着胜利旗帜的那个人而欢呼，而没有注意到在胜利的旗帜下有多少的牺牲者（包括敌人）躺在山脚下，正是这些牺牲者为此胜利奠定了基础。胜利了，我们不能忘记那些牺牲者。在重力场这里，除了用牛顿引力势的角度来描述及计算具体宇宙中的行星、卫星及彗星等天体的"自由"运动有其适合性一面外，其他以"力"的角度而运用引力定律的结果，几乎都要成问题，将要淘汰有关的许多其它的概念及理论。当有人想改变引力定律的"常数"时，没有想到这是"牵一发而动全身"的非同小可的科学大事，因为正是由于此"常数"才有了许多天体的"质量"数据。改变了常数，所有的天文学的数据都要改变，因为，"物理天文学"就是建立在"引力定律"的基础上的。有人会担忧了，天文学的大厦不是就要倾倒了吗，是的，该倾倒了，最好是用"定向爆破技术"炸掉它，我们就可以在此废墟上在建立一个更宏伟的天文学大厦来。如果有人想要当大天文学家，历史的机会可来了。"质量"因素在天文领域及微观领域，已经没有太大的意义了，因为我们不能把太阳"质量"当"炮弹"来使用，微观的粒子也"测不准关系"。我的观点是："引力定律"本来就是经验定律，不仅是其常数要依具体情况可改变，就是"中心质量"也是要依具体情况可改变，因为"中心质量"仅代表"引力势"的初始量的物理意义。但不要以为改变了"常数"就以为是理论的重大突破，其意义仅类似依具体情况确定"胡克定律"的弹性系数一样的意义。胡克弹性定律也仅是经验定律而已。

作为现代物理学的量子力学与广义相对论两大理论，正是由于二十世纪初人类认识向宇观与微观扩展的体现。当我在我的惯性三定律里描述"广义惯性"的时候，物体的广义惯性仍是"宏观"的事情，但当我们说"重力场"的时候，已经是"宇观"的事情了（微观的物体与宇观的物体已经不是经典物体的概念了，见我的《惯性力学与整体科学体系》文章）。当我把"ρ梯度（P内与P外，此详细的内容我会在适当的时候再详细地说明。）"抽象概念引进牛顿物理学的核心部分时，就意味着牛顿力学已经进化了。当我总结出了"惯性力学三定律"时，已经意味着"广义相对论"的时代结束了。剩下的任务就是该清除理论的"垃圾"了。在清除"垃圾"的同时，该建立完整的"惯性力学逻辑体系"了。如果谁还在"弯曲时空"里打转转，那是你的事，转不出来，那你怪谁。当初爱因斯坦受了马赫哲学的误导，把"广义惯性"问题转化为参考系的变换方面去了，物体变成了小"度规"，（实际上，小度规就是物体内部的ρ梯度为零的状态，是"失重"状态，是小"平直空间"。）用小度规（物体）的短程线运动（广义惯性运动）来定义他的两个"处境"（实际上就是非重力场与重力场这两个"处境"。）。同时，爱因斯坦把"光"因素也引进了牛顿力学里，于是，理论的"癌症"就出现了。由"小度规"的短程线运动定义出来的"弯曲时空"代替"重力场"，是爱因斯坦的无奈，因为没有最后否定"万有引力"。当我们看见"广义相对论"的时候，实际上看到的是充满"癌瘤"的病态理论。而量子力学还不算上是个真正的理论，还基本上是经验层次的"理论"（统计角度）。

"场"作为基本概念引进到物理学里，是物理学史上的重大事件，是物理学进化的"催化剂"，它兼顾了物理性质及空间特征。然而，把物理性质仅用"空间"特征来代替，思维可就混乱了。就像原来对解释不了的现象都用莫名其妙的"力"（包括"引力"）来解释一样，现在又都用莫名其妙的"空间"来解释了，成了某些人思维困难的最后"避难所"，简直可以代替"上帝"了。

二、.理论的经验层次

说某人证明了某理论，一定是指证明了其理论的经验命题部分，因为经验命题有实证性，而理论核心部分则没有实证性，比如：我们无法证明欧氏几何的平行公理或牛顿三定律及我的"惯性力学三定律"，因为它们是理论的核心命题。但可以说引力定律、等效原理与"整体天体产生重力场"这一命题可以证明，因为是经验命题。当说到理论的基础时，应该具体有所指，理论核心部分的基础是经验部分，经验部分的基础是现象部分。在同层次的不同理论之间不能说某理论是另一个理论的基础。

我在我的名为〈引力与广义力学、整体天体〉文章中说经验部分是理论的硬壳，而不是说理论核心部分是理论的硬核，其理由是经验部分的内容还具有客观性、永恒性、积累性。理论的核心涵义可变，但经验命题的客观事实性质不可变（如自由落体是失重的客观性永远不可改变。）。科学哲学的可"证伪性"仅能运用于理论的经验部分，这是由于经验部分的归纳性的语言特征所决定的，也是理论的经验命题的具有"实证性"所决定的。

而科学哲学的"证伪性"，则是由经验命题的归纳性的语言的无法精确性所决定的。在此，不能认为"证伪性就意味着"全盘否定，而是进一步精确性。经验命题具有不断地精确性的追求性（可证伪性）。经验命题有归纳性词句，归纳性语言（也是认识）本身就不容易精确，不是把范围扩大了，就是把范围缩小了。如"力是物体运动的原因"的经验命题，就把范围扩大了；"力是物体加速运动的原因"的经验命题就把范围缩小了；而"力是改变物体广义惯性运动的原因"的经验命题（又扩大一些），就进一步地精确了。再比如：如果归纳为"太阳系内所有的天体都做圆周运动"，其范围就缩小了，就需要证伪；如果"太阳系内所有的天体都做运动"，其范围又扩大了，又需要证伪。如果归纳为"太阳系内所有的天体都做圆锥曲线运动"，才有了精确的认识（由于牛顿的地面上的重力与天体的公转运动的性质的同一性的属性认识）。又再比如："引力场产生于中心质量"这一经验命题可证伪（缩小为）为我的"重力场产生于'整体天体'"这一经验命题，但又有证伪性，因为星系也是整体天体，于是，我就在我的以前的文章中又证伪为"恒星及大行星及部分整体性卫星可以产生重力场"（又缩小了），于是，此结果可能"缩小大劲了"，还有证伪性。每一次的证伪，人的认识就前进了一步。一般地来说，只要达到了"属性"的真正的认识（不是绝对的），此证伪性才算结束。我之所以说"重力场的产生机制需要解决"（属性认识）就是如此原因。但如果没有此"经验命题"，就没有此"属性"认识的经验基础前提。当经验命题被理论的核心部分解释后，就完成了它的使命。许多人在表述等效原理时，其不同"处境"的现象是泛指，说什么"所有的物理定律都适用"（外延无限大了），实际上只有"压强梯度"现象的有否，才唯一能体现其等效性。所以，以前的等效原理还是一个内涵不明确又外延无限大的不成熟的命题。这个压强梯度现象代替泛指现象，等效原理就会成为成熟的经验命题了。当从等效原理抽象出广义惯性定律后，等效原理也就完成了它的使命。

当我们说证明了某理论时，一定是指证明了其对应的经验命题，从而才间接证明了其核心命题。通常说实验证明必须有可重复性，近似指经验的归纳性。经验命题既是理论核心的基础又是对现象的归纳。经验命题是加工化了的现象。

核心概念及命题可有"思维的随意性"（思维实验）（公设性及公理性）；对某些现象（包括实验现象）可有许多种不同理论的不同解释性。但绝不能随便改变与解释经验命题的内容。
理论核心的基本概念及命题，都必有相对应的经验事实为基础。要改变理论核心部分而发展为新理论，必须有新的经验事实与之对应。广义相对论有等效原理和量子力学有波粒二像性这两个经验命题与之分别对应。仅把不同理论的核心部分直接结合在一起，而没有新的"结合"的经验事实为基础，往往不会形成新理论，形成了，也容易出"怪胎"而这种直接结合的所谓是新理论或假说，还不少见。广义惯性的经验基础是等效原理，等效原理的现象事实基础是"自由落体运动是'失重'"。然而，爱因斯坦用"光的等效原理思维实验"，就不是真正的经验基础了。所以，就产生了广义相对论错误的方面内容。如果说"太阳的引力场造成了光线的弯曲"是对的，那也应该是"由于太阳的重力场造成了大气层（密度非均匀分布，其分布规律与引力势相同。），通过其大气层又造成（经典光学原理）了光线的弯曲"的理解才是对的。而不是"引力（或什么弯曲时空）直接造成了光线的弯曲"的理解。

而把同一层次的某一学科作为另一学科的基础；把经验数学公式与核心数学公式不加区别的混在一起运用；以为靠数学公式的推导就可以发现新东西（原则上，演绎推理不能发现新东西。经验的归纳才可能产生重大的科学发现。），这都是错误的认识。

重力场产生于整体天体这一经验命题的现象来源，则是由两个重力事实（见文献[1]）及明显显示重力场的球状天体；ρ空间概念的经验基础来源于物体内的"胁强"（压强梯度）现象及具有重力场的有质量部分的整体天体，一般都具有密度及压强（也有温度因素）与中心距离近似反比分布（中聚度）的现象。

理论核心部分是理性抽象思维的自由驰骋的天地，由于没有实证性，科学界盛行的所谓的思维实验的说法。思维实验是理论核心层次的抽象思维的范围。以牛顿核心命题的惯性为例：其物体总保持其静止与匀速直线运动状态的表述，仅指其属性。而把其属性加上了"永远"的时间性，就以为客观世界没有这个永远，那只有"思维永远"（实验）了。但是，没有经验为基础的思维实验是不可靠的，爱因斯坦的光速的等效原理的思维实验就是例子。推崇"思维实验"的后果是科学研究的两极分化：一方面从抽象到抽象；另一方面停留在经验认识上。

有人说经验命题有"约定性"，错了，经验命题有双重性，一方面，是用核心命题作为描述的工具，并且还有现象语言的参与。

只有经验命题的硬壳功能才能保护和稳定其理论核心的"软体"部分，才能把许多现象化为自己的"势力范围"，成为硬壳外的肉质层，其整个理论才有其完整性。经验命题具有发现性，理论核心命题则具有一定的"发明性"。值得特别指出的是整个理论还有哲学观念与人类实践水平大背景（环境）与之对应。

经验命题既有核心基本概念的参与，又同时包含了对大量实际现象的归纳。而没有此认识，抽象与现象不分彼此（没有经验认识的过渡阶段），如抽象的宇宙与实际的宇宙不分彼此。这样的理论由于没有经验硬壳的保护，极易被破坏（不稳定性极无基础性）。

一个理论核心的重新调整及改变，那一定要淘汰掉一些原来属于核心的"势力范围"的现象，保留一些原来仍属于核心的现象及吸收一些新的现象，成为核心果实的外围"肉质"部分。

说一句题外话，人们在轻松叙述一个经验命题或一个核心命题时，往往忘记了一个经验命题的建立的过程是一个相当艰难的历程，而由经验命题为基础，再建立一个相应的抽象核心命题又是一个相当艰难的历程。

三、现象层次

在这里所说的现象层次中的现象，不是泛指所有的现象，是某经验命题的"势力范围"之下的现象。
有人分不开抽象的宇宙与客观的宇宙，就是没有理论结构的三层次的认识。在认识中，一定要分开哪些"东西"是抽象的东西，哪些"东西"是现象层次的东西。

我们在科学理论研究上，也犯文艺上常犯的"概念化人物"的错误。当我们说"水果"的时候，就已经具有"抽象"的性质了。而不是具体的"苹果、荔枝等"。当我们说是"一块磁铁钢板"的时候，这是现象层次的东西。它可以具有磁性、弹性与惯性的综合属性。物理科学就是把此现象层次的东西的不同属性分开来认识。（整体科学体系就不是这样认识角度，而其抽象是结构。）当我们把现象层次的东西的不同属性来研究时，往往就用一个仅代表某一属性的抽象"东西"来代替。这是理论的"权宜之计"。但是，有人把仅代表某一属性的抽象的"东西"，拿出来就解释现象层次的现象，就犯了文艺上的"概念化"的错误，如有人虚构什么仅代表某一属性的"引力子、斥力子等"，（如果真的有"引力子"，那它一定是具体的某基本粒子，此基本粒子同时还有其他的属性。）就把它强加于现象世界，就是如此错误。

四、科学大系统

科学是有系统的知识。科学理论大系统也与自然整体系统一样，是由不同层次的与同层次的不同学科而构成的。同层次的不同学科的本质区别就在于其基本概念与公设命题的不同（也没有逻辑关系）。没有这些认识，则其理论思维是混乱的，比如：把同层次的不同学科的基本概念与公设命题不加区别的混在一起运用。

有的基本命题属于某科学系统，不仅仅属于某学科，如牛顿的第三定律，就不仅仅属于"惯性力学"，在弹性力学与磁性力学也可以运用。

狭义的科学理论一般指广义的科学理论的核心部分，完整的核心部分的众多概念与众多命题（包括数学公式）是一个逻辑系统，基本概念与公设性（公理化）的命题是狭义科学理论的大前提。本文的惯性力学三定律就是其公设性命题。通常说科学具有严密性精确性，应该是指狭义科学理论的内部逻辑性，而把核心命题运用到现象层次的过程，需要经过经验命题的加入，并且需要现象层次的许多具体因素的调整，才能达到相对的精确性，而一个比较完整的狭义科学理论的例题及习题计算的精确性仍是其内部的逻辑性问题，不是现象层次的问题。

不能认为宏观物体是由微观粒子组成的，就认为微观的量子力学理论是宏观的经典力学理论的基础，这是两码事。一个狭义科学理论的基础仅是与其对应的经验命题（包括经验事实及经验公式）。微观是宏观的下一个层次，也不能说宏观的经典力学理论是微观的量子力学理论的上一层次的理论。而把同一层次的某一学科作为另一学科的基础；把经验数学公式与核心数学公式不加区别的混在一起运用；以为靠数学公式的推导就可以发现新东西（原则上，演绎推理不能发现新东西。经验的归纳才可能产生重要的理论发现）等等，这都是混乱的理论思维。

五、结尾的话

（1）有人给我发了E-mail向我发难："既然你认为万有引力不存在，那'重力现象'又怎么解释？"也许有人会认为把我问住。我可以把他的问题转化一下："既然你认为月亮上的'兔子'不存在，那月亮上的像兔子的'阴影'又怎么解释？"。我想只要智商正常的人都会知道他所提出的问题毛病出在哪。(实际上我可以回答。只要谁仔细地把我所有的文章读过，并有了一定的理解，此问题好回答。)

（2）教科书中报喜不报忧的另一个方面：把不利于所讲的理论的现象事实过滤了，如把不利于"万有引力"的大山的吸引力为零的测量事实过滤掉了，就是一例。这容易给人们一个误导：现在的科学理论是绝对完整的、永恒不变的。这是不利于科学进步的。

（3）我们今天"理论物理学"教科书教育出来的学生，形成了一个"癖好"，不管是什么"东西"都要用数学方程式证明一下。就像卓别林在其电影中的"癖好"那样，不管见到什么，都要用"扳手"拧一下。比如有人就用数学方程式"证明"等效原理。等效原理是经验命题（经验命题可以用数学方程式来表达，但不是证明。），是需要用实践来证实的。

（4）当说到"黑洞"时，可以说"根据爱因斯坦的理论"；而当我们探讨"爱因斯坦的理论时"，就应该说"爱因斯坦的理论根据什么"（经验命题）了。

（5）当我说用我的"广义惯性三定律"解力学习题可以变得简单明了时，有人会问：不用你的"定律"，为什么许多学生照样学得很好？这是因为我们的教育可以把习题"模板化"（机械强化接受）。我可以举一例，有一天爱因斯坦有事，不能到会讲演他的理论，结果是他的司机替他讲演了，而且讲得很好。因为他的司机总是听他的讲演，背熟了。

（6）有人说：哲学是胡说八道。那我说：这句话本身就是"你在遵循着胡说八道的哲学"。

（7）"参考系"问题仅是"纯运动学"问题，然而说什么"惯性参考系"本身，就把它赋予了物理性质。这最容易造成思维的混乱。

（8）科学发现与假说也有与科学理论结构三层次对应的方面。每当你以为有了新的发现及假说，你就应该确定是属于理论核心层次的发现与假说；还是经验层次的发现与假说；还是现象层次的发现与假说。比如：广义惯性是核心层次的发现；"整体天体产生重力场"是经验层次的发现；潮汐原因的假说是现象层次的假说。

（9）今天的科学哲学作为科学理论的免疫系统,有责任区别哪些是属于正常的理论，哪些是理论的癌症,并努力要保护好正常的基因，割除可恶的癌瘤，让科学健康地发展。

（10）如果人类认识世界（包括对人类思维本身的认识）就像看一部电影的话，那么我们现在的知识所认识的世界，可以说仅是这部电影的一张胶片，也许仅是开头情节的某一张胶片。这部"影片"是悬念层出不穷的章回侦探故事，后面的故事还长着呢。在这部"影片"里，虚假的和真实的东西都混在一起。这部"影片"没有导演，至多有人能猜测出下一步情节的大概情况。如果仅拿这张胶片洗印放大出来的照片挂在教室的黑板上，带着满足的心情去欣赏他，那这部电影可就剧终了。

2001年7月4日完稿

参考文献

[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。
[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。
[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。
[4]马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界-物理论文集》网站。
[5]马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界-物理论文集》网站。
[6]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界-物理论文集》网站。
[7]马英卓：潮汐成因另探。《当代物理世界-物理论文集》网站。
[8]马英卓：研究物理的终极目的是属性。《当代物理世界-物理论文集》网站。

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