物理规律是发现的还是发明的？
2016-07-31 15:43阅读：
这个问题还需要回答吗？
物理规律是客观规律，当然是发现的。你可以创造出一台新机器，设计出一款新游戏，你还能发明出一个新规律吗？
我们不要急于下结论，先来看一看什么是物理规律，想一想什么是发现和发明。我们的思考即使不能改变什么，也会让你意识到这个问题是有意义的！
这里所谓的物理规律，是指物理理论（theory）、原理（principle）、定律（law）、定理（theorem）、定则（rule）、方程（equation）的总称。我们注意到，物理的理论、原理、定律和定理之间虽有不同，但物理学有时并不把它们做严格区分，在一些物理文献中这些名称是混用的。这样做的道理又在那里呢？
一般来说，物理理论是在理解物理现象的基础上，运用逻辑和数学方法得出的一组假设或命题，用来解释物理现象，是对物理定律和定理的推论性总结，如麦克斯韦电磁场理论。从人们自觉地研究电现象和磁现象，到建立统一的电磁场理论，前后历经约300年时间。在整个十八世纪，电学缓慢地发展着，直到1785年法国物理学家库仑发现静电荷之间相互作用的库仑定律，建立起“电静力学”的基本定律。十九世纪二、三十年代，是电磁学发展的黄金时代。深信电和磁之间一定有某种关系的丹麦物理学家奥斯特于1820年4月发现了电流的磁效应。天才的法国物理学家安培得知奥斯特的发现后，以一周一篇论文的速度来宣告他的研究成果，到1820年年底，提出了电动
力学的基本定律安培定律。
1826年，德国物理学家欧姆发现了欧姆定律。从发现电流的磁效应开始，许多科学家就投身到电磁感应的研究中。直到1831年8月29日法拉第在实验中观察到感应电流，不仅发现了电磁感应，也开启了电场和磁场研究的大幕。由于法拉第不懂数学，在他的总结性著作《电学实验研究》一书中，几乎没有一个数学公式，但他革命性地提出了场和力线等新概念。那时，电与磁之间紧密联系的电磁学恢弘大厦若隐若现，历史期待着一个伟大的综合出现。麦克斯韦决定用自己的数学天赋来弥补法拉第的缺憾，用严密精确的数学公式把法拉第的理论数学化。他从1855年开始用数学方法阐述法拉第的观点，到1864年用一套完整的方程组来描绘电磁场，提出了电动力学理论。这套方程组经后人的简并，得到了四个高度对称和简洁的方程组，由此演绎出电场、磁场、电磁感应、电磁场的所有性质。麦克斯韦认为电磁场以横波形式在空间传播，形成电磁波。他推算出电磁波的传播速度，发现与光速十分接近，提出光是一种电磁波。至此，电磁场假说已经万事俱备，只欠检验。1887年，年轻的德国物理学家赫兹在实验室中发现电磁波的确是存在的，麦克斯韦电磁场理论终于被证实而被接受。电磁场理论的建立过程清晰地反映出物理理论的由来。
麦克斯韦方程组是麦克斯韦电磁场理论的核心内容，被德国物理学家波尔兹曼赞为“出自上帝之手”！我们不妨来欣赏一下这组方程：
物理定律通常是对实验进行归纳而得出的规律，如能量转化与守恒定律。最早提出这条定律的是德国医生迈尔。1840年迈尔作为随船医生去过爪哇，发现那里的病人静脉血比他预计的要红得多，因此开始思考动物热的问题，萌发了能量的所有形式可以相互转换的想法。1842年迈尔在论文中用比较抽象的推理方法提出能量守恒与转化的原理：“力（能量）是原因，因此我们可以在有关力（能量）的方面，充分应用因等于果的原则。……我们可以说，因是数量上不可毁的和质量上可变换的存在物。……所以，力（能量）是不可毁的、可变换的、不可称量的存在物。”迈尔还设计了一个简单实验，粗略测量的热功相互转化的当量关系。但迈尔的论文没有得到学术界的理解和接受，直到他晚年人们才发现论文的价值。英国物理学家焦耳几乎与迈尔同时提出能量转化与守恒定律。1840年，焦耳测量电流通过电阻所放出的热量，得出焦耳定律。1843年，焦耳用手摇发电机发电，将电流通入线圈，线圈又放入水中以测量产生的热量。实验显示了机械做功如何转变为电能，最后转变为热的全过程，第一次测出了热功当量。此后焦耳又多次实验测量了热功当量。特别是1847年，焦耳设计了在一个绝热容器中用叶轮搅动水的实验，更精确地测量了热功当量。同年，德国物理学家亥姆霍兹发表了《论力的守恒》一文，系统严密地阐述了能量守恒原理。他用数学形式表述了孤立系统中机械能的守恒，还把能量概念推及热学、电磁学、生理学等领域，提出各种形式的能量相互转化和守恒的思想。亥姆霍兹将能量守恒原理与永动机是不可能制成的相提并论，使定律更具说服力。到了大约1850年，能量的转化和守恒定律开始得到广泛的认同。这条伟大的定律历经多位物理学家的艰苦探索，揭示出自然界各种运动之间的普遍联系，预示着自然科学具有内在统一性。从能量转化和守恒定律的建立过程可以看出，物理定律要经历不断实验、不断总结、不断设想、不断检验的过程。
物理定理是依据物理原理、定律运用数学而证明是正确的结论，如中学物理常见的动量定理和动能定理。根据牛顿第二定律和动量、冲量的概念，我们应用数学能够推出动量定理，而动能定理也可以根据牛顿第二定律和功、动能的概念导出。定理按照由普遍到特殊的思路，运用演绎推理得出。定理来自于数学证明，它的正确性源于所依据的物理原理和数学推理。这和物理定律有很大不同。定律按照由特殊到一般的思路，运用归纳推理得出。定律来自于物理观察实验，它的正确性源于能否透过现象把握本质、能否精确地实验。通常情况下，我们可以回答物理定理为什么是这样的，它的推导过程就在回答这个问题。但是我们通常不去回答物理定律为什么是这样的，因为我们发现它就是那样的。比如我们不去回答加速度为什么与作用力成正比，万有引力为什么与距离的二次方成反比。物理定律和定理也有相同之处，它们的成立条件、适用范围都需要通过物理实验来检验。无论是物理理论、原理、定律、定理，都要接受实验的检验，每一个相关物理现象都是检验它们正确与否的证据。
物理规律的其他方面，像物理原理，它类似于数学中的公理，是在大量物理实践中归纳出来的基本规律，本质上仍然是物理定律。由于内容很基本，因此称为原理，如两列机械波在传播过程中相遇，遵循波的叠加原理。物理定则是为了帮助理解和便于记忆，用来反映事物间联系的一种公认的方法，如右手螺旋定则。物理方程是反映物理量在一定条件下等量联系的等式，如理想气体状态方程。定则和方程一般是物理理论、原理、定律和定理的产物。
由以上分析可以看出，物理的原理、定律都是通过实验找出物理概念之间的联系，无疑是发现的。所谓发现，就是经过探索研究找到前人没有看到的事物或规律。物理现象背后隐含的客观规律，无论你找到还是没有找到，它都在那里，无论你发现还是没有发现，都不影响它的存在。
但是物理定理和理论就有所不同。比如动量定理和动能定理，二者分别反映了力在时间和空间上的累积效果。机械运动的物体在力的作用下，时空发生变化，体现出力在时间空间上的累积效果。所以虽然牛顿定律反映了力的瞬时作用效果，但是运用牛顿定律分析机械运动就蕴含着力在时间空间上的累积，这两个定理不过是把这部分独立出来罢了。也就是说，物理学家们在牛顿定律的基础上运用数学创造出了一种新的观察事物的视角和处理问题的方法。你用什么样的数学，就得到什么样的形式，你不用这种数学推理，就得不到这条定理。看来，物理定理是发明出来的。
所谓发明，就是创造出新的事物或方法，创造性地发挥物理原理得到解决问题的新技术。按照这个意义，物理理论也应该是发明的。电磁场理论是麦克斯韦发明的那组方程演绎出来的，如果没有那样的麦克斯韦方程组，就不会有那样的电磁场理论。
但是，如果物理的理论、原理、定律和定理之间不严格区分，怎么能说它们到底是发现的还是发明的呢？
我们说，物理规律是物理概念之间的本质联系，物理概念来自于物理学家的自由创造。由于物理概念的发明属性，就决定了物理规律在形式上是一种发明，是人对物理运动的主观认识。爱因斯坦说：“凡是要用实验来加以证明或推翻的结论实际上都是一些猜测罢了。”也就是说，不同名称的物理规律在逻辑上是相同的，差别只是认识历史上的差别。即使是物理定理和理论，也都建立在物理发现的基础上，也要接受物理发现的检验。所以，叫什么名称不必太在意，它们都是物理学家尝试认识物理实在的手段。就如恩格斯说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立来科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”所以，称物理规律是发明的，又有什么问题呢？
爱因斯坦说：“科学不是一本定律汇编，也不是一本把互不相关的论据集合在一起的总目录。它是用来自由地发明观念和概念的人类智力的创造物。物理学理论试图作出一个实在的图景并建立起它和广阔的感觉印象世界的联系。判定我们的心理结构是否正当的唯一方法只在于看看我们的理论是否已构成了并用什么方法构成了这样一座桥梁。”他还总结道，“物理学形成来一套不断进化的逻辑的思维体系，其基础不能由任何归纳法从经验中提取，而只能通过自由创造获得。这个体系的正当性（真理内容）在于其在感觉经验基础上导出的定理的有用性，而后者与前者的关系只能被直觉地理解。进化的方向是朝不断增加逻辑基础的简单性的方向迈进的。”——按照爱因斯坦的观点，物理规律是发现的还是发明的，答案不是很清楚吗？
