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物理定律

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萬有引力定律將「宇宙間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)喺物理學上係指一個由某啲觀察到嘅事實嗰度推導出嚟、能夠描述同預測某一類特定現象嘅宣言,一般源自科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(scientific method)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;條定律會運用數學方程式嘅方法,作出「某某變數同某某變數之間成某某關係」嘅宣言[1][2];例如係萬有引力定律(Newton's law of universal gravitation)呢條常用嘅物理定律噉[3]

  • 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。呢條定律會由第啲科學家嘗試驗證,如果多個驗證嘅嘗試都係撐嗰條定律嘅話(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,頂櫳都只會影響一條定律嘅適用範圍。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]

物理定律做嘅嘢只係總括實驗同觀察結果,而唔係證明(prove)任何嘢:喺最嚴格嘅邏輯基準嚟講,物理定律係冇得話證明嘅;就算做咗(例如)100,000 次嘅驗證都係結果支撐個定律,理論上下一次嘅驗證依然有可能會推翻條定律-正如就算之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(可以睇吓歸納[1][7]

概論

牛頓嘅畫像,1689 年畫嘅;佢用數學方程式描述咗古典力學嘅定律。

形成

睇埋:科學方法

物理定律係將自然現象抽象化(abstraction)而嚟嘅: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,搵出佢哋之間嘅共通點,然後將嗰個共通點用一條定律表達出嚟;喺實質嘅物理學上,定律幾乎冚唪唥都係用數學方程式表達嘅[8]

舉個例子說明,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,描述咗一嚿物體嘅加速度(acceleration;指速度嘅改變有幾快)同佢嘅質量(mass)同所受嘅(force)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)物體實係要俾某啲力推先至會郁,而且推個力愈大,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: 係指加喺件物體上面嘅力, 係件物體嘅質量,而 就係件物體嘅加速度。呢條式表示,件物體嘅「質量同加速度乘埋嗰個數」同「加喺佢上面嘅力」成正比-所以個力愈大,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,假設個力唔變,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「個力愈大,加速得愈快」。然後佢再將呢啲共通點用一條數學方程式表達出嚟。打後嘅實驗同辯論令物理學界廣泛噉接受咗呢條式-噉就形成咗一條物理定律[10]

特徵

物理定律嘅特徵包括咗[11][12]

  • 喺佢哋所涵括嘅範圍之內實係真確(always true)嘅;不過一條定律係乜情況下適用乜情況下會唔適用係一條可以爭議嘅問題。
  • 宇宙性(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唔會影響佢哋嘅真確性。
  • 穩定(stable);自從發現咗之後就唔變,頂櫳都只係會有得爭議條定律嘅適用範圍。
  • 全能(omnipotent);宇宙入面所有嘅嘢都要受制於物理定律。
  • 本質上守恆(conservative;好似係能量守恆定律)。
  • 好多物理定律都係理論上可逆(theoretically reversible)嘅,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嘅狀態,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一股啱大細嘅力,就有可能令嚿物體嘅速度變返做 0 同移返去之前個位置[13]

限制

睇埋:科學哲學

冇得證明

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-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,數學上嘅定理係用純邏輯推理嘅形式推導同證明嘅,唔使對自然現象做任何嘅觀察[14]

呢個差異表示咗,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(argument)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:我之前見過嘅天鵝冚唪唥都係白色嘅:
結論:呢個世界上所有天鵝都係白色嘅。

呢個係一個典型嘅歸納論證:想像一個世界,個世界有兩塊大陸,大陸 A 嘅天鵝全部都係白色嘅,大陸 B 嘅天鵝全部都係黑色嘅,一個人從來未去過大陸 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」並冇見過嗮世界上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去搞物理: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,不過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,物理學家好少可會話自己「證明」咗乜嘢乜嘢定律,通常都只係會話「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

原則上,物理定律只係對現實世界現象嘅大致化(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,一粒粒子嘅動量(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(special theory of relativity)入面,一粒粒子嘅動量係

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