6.4 世界的普遍规律
前文已述,所谓规律就是事件和事件之间的普遍必然联系。那么,为何这个世界上存在规律呢?难道我们看到一万只天鹅是白色的就能证明第一万零一只也是白色的吗?难道我们昨天看到太阳从东边升起,今天的太阳就一定会从东边升起吗?休谟之问提醒我们,规律是否只是人类主观臆想的产物呢?
从某种意义上说,规律的确离不开我们的主观想象。无论整个世界的运动变化多么奇妙莫测,我们总是能够从中发现某些规律。现在,假设有成千上万个小球摆放在我们的面前,我们是否可以让这些小球做出一些完全无规律的运动呢?恐怕很难做到!
首先,我们不可能让所有小球都向同一个方向运动,那样一来,运动的规律性实在是太明显了。为了实现完全无规律的运动,我们就必须让所有小球的运动方向都各不相同。但如果只是这样,我们又可以说这些小球的运动规律是各向均等,或者说在任何一个方向上,小球运动的概率都是相等的。那么,如果小球向某个方向运动的概率大呢?我们又可以说,小球整体的质心在朝那个方向运动。最后,无论这些小球的运动方式如何变化,我们总可以找出一个规律来描述它们。
通过上述分析不难发现,只要我们心中有了归纳总结和逻辑推理能力,努力去分析所有运动的相同点和不同点,一定会发现整个世界在某种规律中运行。同时,承认这个世界的运动是有规律的,似乎并不会给人类带来什么坏处。它只会让我们更好的了解过去,认识现在,掌控未来。在人类征服自然的过程中,我们已经在不同的领域中发现了大量的自然规律,然而,我们还是要进一步追问,所有自然规律的基础是什么?整个世界的普遍规律又是什么?
我们知道:事件是指定的时间和空间内物体之间的相互影响,而规律是事件和事件之间的普遍必然联系;所以规律也就是描述物体运动变化的理论模型。既然要描述物体运动变化的过程,就一定离不开时间和空间的作用。如果我们把一切物体运动变化的普遍特征抽象出来,也就形成了一切运动变化的三个普遍规律:
首先,相同的物体从相同的起点出发,经过相同的过程,一定会达到相同的结果。反之,如果两个事件的结果不同,则要么是因为它们的起点不同,要么是因为它们的过程不同。其中,起点、过程、结果既是时间点的表述,又是空间位置的表述,它指明了时空在运动变化中的基本作用;同时,它表明一切运动规律和具体的时间点和空间点无关,只与起点和过程中的某些环境因素有关。与具体的时间点无关,就意味着运动规律是永恒不变的;与具体地点无关,也就意味着运动规律是放之四海而皆准的。看起来,这似乎就是柏拉图一直追求的理念世界中的完美和永恒的存在,因此科学定律才被世人视之为“真理”。
其次,一切不同事物都是由某些更基本的相同的部分组成的。一切不同的物体都是由某些相同的更微小的物体按照不同的空间结构组合而成的;一切复杂的现象都是由某些简单现象按照不同的运动方式组成的;一切复杂的规律由某些简单的规律相互交织组合而成的。反之,如果某两个微粒的性质存在差异,则证明它们还可以被分离为更小的组成部分。同样,如果某种运动不能表现出确切的规律性,则证明这种运动可以被进一步拆分成多个运动的组合,而每种运动下面都必然隐藏着一个普遍性的规律。这意味着,不同是由相同组合而成的,复杂是由简单组合而成的,而大部分运动规律都只能在某些层面下描述物体的运动。所以只要我们不断的从复杂的现象中抽丝剥茧,就可以发现那些最简单最基本的具体科学规律。
最后,当部分事物组合成一个整体时,组成整体的每一部分的性质保持不变;当简单的规律组合成一个复杂规律后,每个简单的规律保持不变。因此,不同层面的科学规律之间并不冲突,规律之间具备可组合的特性。当一个复杂现象出现时,我们只需要用不同层面的定律解释不同层面的现象,再把这些规律组合起来,从而就可以通过模型真实的再现复杂事件的现场。这种思维方式叫做还原论,它是一切科学分析的基本思想。
以上三个规律是我们对这个世界所有运动变化归纳总结的结果,因此它们涵盖了所有物体的所有形式的运动变化,是一切具体的科学规律的逻辑起点。
当然,我们必须清楚的认识到,这些基本规律中所强调的“相同”,首先是哲学意义上的“相同”,其次才是物理意义上的“相同”。从物理意义上来讲,只要两个物体通过测量工具发现不了区别就可以称之为相同。比如:经过测量发现,两个硬币的颜色、形状、体积、质量、温度都相等,那么我们就可以在物理意义上认为:这两个硬币是相同的。如果我们把这两枚相同的硬币放在相同的桌面上,从相同的高度抛落到相同的地面上就会发现:两枚硬币落地的位置并不相同。然而,这个实验并不能表明硬币的抛落运动不符合规律,只能证明在硬币抛落的起点或过程中存在细微的差异。尽管这种差异不能通过物理检测发现,但是从哲学意义上来讲,世界上没有任何两片相同的树叶,人不能两次踏入同一条河流,因此两个硬币一定会有所差别,二者抛落的过程也不可能完全相同,所以才会产生不同的结果。
然而,如果仅仅停留在哲学层面上,那么我们的第一定律岂不成了一句废话?既然世界上没有任何两个物体是相同的,也没有任何两个过程是完全相同的,那么,哪里还有什么相同的结果?如果没有相同的结果,这个基本定律又有何用处?因此,科学家费曼从不承认这一基本定律的存在。很多科学家也因此而认为哲学已经被当代科学远远抛在了身后,无法对现代科学给予有效指导。但我依然要说,这个看似空洞无物的定律,却是一切科学定律的基础,原因有以下四点。
第一、从哲学角度来讲,虽然世界上不会有绝对相同的物体,但是世界上也不会存在绝对不同的物体。只要我们善于发现,任何两个物体都可以找出一些相同点。同时第二定律又告诉我们,任何一个科学定律都只能在某个层面上对运动变化做出描述。也就是说,科学定律本就不需要绝对相同的两个物体,不需要绝对相同的过程,只需要在本定律描述的层面内达到一致即可。而且,即使是在定律所限定的层面上,也不需要绝对的相同,只要运动的起点和过程在测量误差允许的范围内达到相同,也就可以在同样的误差范围内达到一致的结果,只不过有些运动定律对初始条件的精度要求比较高,而另一些运动定律对初始条件的精度要求比较低而已。
第二、在我们探索未知世界的过程中,一旦遇到现有理论无法解释的现象时,这些基本规律仍然是一切科学理论和科学实践的根本原则。假设科学家们在实验室内见到一个无法解释的偶发现象,尽管已经经历了很多次的重复,但是仍然难以复现同样的现象。此时,几乎所有的科学家都会相信,这个现象绝不会毫无规律的出现和消失。现象不能复现,一定是我们没有注意到实验环节中的某些细节导致的,要么是实验的起点不同,要么是实验的过程不同,只要不断的调整起点和过程中的环境参数,该现象一定可以复现。在这样的信念下,科学家继续开展大量的重复实验,一定可以使现象复现出来。当这一现象多次复现以后,科学家们就可以根据起点、过程、结果中的环境参数和物理量,找到这一现象的发生的规律,如果这一规律能够用精确的数学语言来表述,一个全新的科学规律就诞生了。因此,这些基本规律永远指导着我们去在未知世界中发现未知的规律。如果没有这样的信念作为基础,科学发现将会寸步难行。
第三、所谓实践是检验真理的唯一标准,在自然科学层面是指:这些基本规律是检验其他具体科学定律的唯一标准。无论是物理、化学还是生物学定律,任何一条新的科学定律被发现以后,都必须以这样的范式来描述:怎样的事物在怎样的条件下,经过怎样的过程,必然导致怎样的结果。仔细观察不难发现:这一范式不过就是第一定律的一种具体表述。同时,任何科学理论都只能描述理想条件下所能呈现的结果。我们在实验室中验证这一理论时,只需要在测量的误差范围内找到相同的事物,复现实验所需的相同过程,就可以通过是否出现相同的结果对该理论做出判定。也就是说,一个理论要想得到大家的认可,必须与具体的时间和空间无关,必须与具体的事物无关,必须在普遍性的层面上成立,并经受大量实验的检验。
第四、理论物理学家在进行理论推导的过程中,常常不需要借助于实验的帮助,那么他们所秉持的信念是什么?他们推导未知理论的准则又是什么?除了现有的具体科学规律以外,最最重要的准则也是上述这些基本规律。因为理论推导的过程本就是在理想条件下展开的,所以科学家们当然可以假设某两个物体是相同的,假设过程中的某些条件是相同的,同时,无论这些物体的运动在遵循什么样的未知定律,它们都必须达到完全相同的结果,否则就会在逻辑上自相矛盾,理论推导也就无法进行下去。
综上所述,这个世界的运动变化之所以表现出某些规律性,原因不仅在于这些规律客观真实的存在着,更在于我们有一双善于发现规律的眼睛,我们敏锐捕捉到物体运动的相同点和不同点,我们坚定的相信:相同的物体在相同的起点下,经过相同的过程必然达到相同的结果。在这一普遍规律的支撑下,我们可以进行理论推导,可以探索未知世界,也可以对全新的科学理论做出检验。
现在的问题在于:规律自身具备怎样的特性?如果有两种自相矛盾的规律都可以解释同一个现象,那么,两个规律孰是孰非?我们又该何去何从呢?
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