论理论的作用层次、作用范围和演进

[摘 要]理论是有层次和范围的，没有任何理论永远正确、永远有效。科学发展的历史充分说明了这一点。

[关键词]理论层次 作用范围 演进

中图分类号：F061.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0372-01

理论是有层次和范围的，没有任何理论永远正确、永远有效。借鉴科学发展史上一些主要理论的发展情况可以说明：

一、从牛顿力学到爱因斯坦力学的发展，说明力学理论的层次性和演进性

十七世纪后半叶，天文仪器的使用日益普遍，仪器的精度日益提高，“观察的发现”极大地增加，“试探性理论”相继出现。这些构成了牛顿伟大综合的科学背景。观察天文学的进展，刺激了关于天体运动物理原因的讨论。最早是开普勒的工作，他猜想太阳发出一种“力”，反比于行星与太阳的距离。对于“力”的本质，他似乎很费了一番心思，但未得要领：开始时他以力为一种“灵魂”，稍后说到“趋势”，然而正是开普勒最先提到了一种“万有的”引力。

在开普勒的基础上，有三个人力图回答天体运动的原因。先是鲍瑞里，再是胡克，再是牛顿。鲍瑞里提出了行星椭圆轨道，胡克提出了引力的“万有”性质，他还正确地提出行星运行的轨道应该是椭圆，而且指出，这些命题已足以建立描述行星运动的理论。胡克的物理直觉是出类拔萃的，而问题的证明需要数学的分析，胡克不是一个数学家，他在物理原因的探求上还没有摆脱尽哲学思辩的特色。物理学要得到是一种能够被证明的普适理论而不是仅仅提供能够思考的一般假设，胡克要完成这一步还有所不足。这一问题是由牛顿解决的。

牛顿总结了上述几家的成果，融以自己的研究，建立了经典力学体系。他以布里阿德的平方反比律，并利用了惠更斯关于向心加速度的研究，加之他已经逐渐完善了流数与反流数的方法，牛顿成功地用数学方法证明了椭圆轨道和平方反比律的关系，并以地球表面的重力加速度值验证了这一理论。

万有引力规律把“天上”和“地上”的事联系在一起考虑，并企图追寻一个同时在“天上”和“地上”普遍有效的规律。这样，牛顿首次创立了一个地面力学和天体力学统一的完整体系，成为整个经典力学的基础，实现了物理学发展史上的第一次大综合和大发展。

由牛顿完善化的经典力学体系在其后二百年未被投以任何怀疑，直到19世纪末叶才由奥地利物理学家马赫发难，提出“牛顿关于力和质量的定义是不完善的”。马赫对牛顿的批判涉及牛顿力学的基本概念、基本假定以及基本定律的表述。在基本概念上，马赫认为牛顿关于“质量”的定义不妥。首先，牛顿的这种定义是一种伪定义，因为用以定义质量的“密度”概念本身只能用单位容积中的质量来定义，这样势必在逻辑上陷于循环定义。其次，人们事实上找不到一种适合解释和说明质量概念的“所含物质的量”的表述，因为这种表述本身不具备必要的清晰性，它是一种基于原子论的假定。与牛顿的做法不同，马赫主张从物体运动的惯性来度量物体的质量。牛顿力学的一个特征，是它不得不把时间和空间都看作同物质一样“独立的”客观实在。“绝对时间”、“绝对空间”以及“绝对运动”的观念是牛顿力学中基本的先验的假定。马赫认为，在牛顿关于绝对时间的表述中，时间是某种独立的东西，这实际是人们对时间的一种“错觉”的表述。而且认为绝对时间在本体论上先于物体运动，这也超出了我们的能力。“绝对空间”与“绝对运动”一样都是纯粹思维的产物。马赫主张，一切科学都要建立在观察和实验的基础上，理论不能离开人的经验。

爱因斯坦是在马赫和彭加勒的基础上做出对牛顿力学的修正的。而且他认为，相对论的基本思想是由法拉第、麦克斯韦、赫兹开路的，他指出；“狭义相对论的起源要归功于麦克斯韦的电磁场方程。”

他对牛顿力学的修正实质上是对整个经典物理学基础的修正，这个基础是绝对空间和绝对时间的假定和观念。依据光速不变原理和光速是一切信号速度的极限速度，他正确地得出了在两个不同地点发生两事件是不同时的（即“同时性”的相对性）这一结论。他指出，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。这表明空间和时间不是互不相干，而是有着本质的联系，而且还都和物质的运动有关。

爱因斯坦的狭义相对论，作为时空观上的革命性理论，不仅解决了以太之谜，而且还得出—系列重要结论，诸如高速运动物体在沿其运动方向上的长度要缩短、高速运动物体的时间过程要延缓、高速运动物体的质量要增加、质量和能量相当等等。其中特别是质量和能量相当的论断，不仅在物理学上使人们对质量和能量的关系有了崭新的认识，而且作为找寻新能源的理论武器，给20世纪人类的文明带来了极为深远的影响。狭义相对论的一些主要结论，都已经过实验验证，并和实验结果很好地符合。

狭义相对论建立后不久，“大多数物理学家”尚在对其持怀疑态度时，爱因斯坦却已经在考虑如何对狭义相对论作进一步的发展了。爱因斯坦认为，至少有两个重要问题，在狭义相对论中并未得到解决。一是狭义相对论虽然否定了绝对时空（即特殊惯性系）的存在，但是对于马赫提出的“为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊？”这一问题，狭义相对论无法回答；二是在狭义相对论的理论框架中，所有物理学方程都能进行狭义相对论协变，惟独引力方程不能？

1916年发表的“广义相对论的基础”一文标志着广义相对论的诞生。在这篇论文中爱因斯坦正式提出了广义相对论协变原理：自然规律的普遍性必然是由对一切坐标系都有效的方程来表示的，也就是说，它们无论对于哪种变换都是协变的、普适的。（这是对加利略引力普遍性原理的推广）广义协变原理告诉我们：如果一个自然规律在没有引力时是正确的，那么，它在有引力时也是正确的。这是由于在广义协变情况下（即在一般坐标变换下），它保持自己的形式不变，它有拓扑性质。这样，我们只要事先把一个自然规律（在任意一个认为方便的坐标系中）用方程的形式写下来，根据广义协变原理就可求出它在一般坐标系中的形式了。广义协变原理是等效原理（引力和重力等效）的补充，这两者是广义相对论的基本出发点。

广义相对论除了在物理科学领域内具有理论的指导作用外，还把人类对时空的认识推向了新的高度。时间与空间不仅作为一个统一体不能分割，而且时间、空间和物质也不能分割。从广义相对论的引力场方程可以看到，物质（重力引力）决定了时空的性质，反过来时空的性质又表现着物质（重力引力）的分布。所以根据广义相对论，那种脱离物质而存在或仅仅作为物质存在形式的空虚空间是没有的。真实的物理空间究竟是欧几里德（平面几何、一维几何）的还是非欧几里德（立体多维）的，不能先验地决定，必须由实验来回答。

广义相对论作为“物理学中的一个引力理论”，在理论形式的优美、内容的深邃、逻辑的合理性上都是“其他引力理论”所无法比拟的。但正如牛顿力学理论是绝对真理与相对真 理的统一一样，从广义相对论的伟大与正确中并不可以推论出爱因斯坦的相对论是绝对全 面、绝对正确的认识。广义相对论的适用对象是以光速（或接近光速）运动的物体，但“超光速”的对象显然不在其适用范围之内。因此，它的正确性仍然具有范围性和阶段性，今后还会产生超越爱因斯坦理论的、更加普适性的理论（如霍金理论、炫和超炫理论等）。

作者简介

魏新龙（1964—），男，浙江传媒学院社科部博士、副教授，研究方向为哲学现代化、文化与知识现代化。