试论物理学的理论框架

试论物理学的理论框架

孙明帅沈阳师范大学

【摘要】物理学理论框架具有严格的层次性，其逻辑结构为：原理—定律—定理．通过分析每一层次的称谓、含义、属性，强调了作为高层观念的原理是随着物理学的发展而不断衍变的，因而认为，物理学的“第性原理”具有灵活性和阶段性。

【关键词】物理学高层观念理论框架层次性

科学理论是由基本概念、基本原理和逻辑结论等要素有机构成的。

经过实践检验的系统化了的科学知识体系。任何科学都有自己专门的概念群，其中最为重要的科学概念是构成科学理论的基石，它是新理论的标志，甚至成为新理论的代名词。牛顿力学中的“引力”概念，揭示了物体相互作用的本质，成为引力理论的代名词。量子力学中的“量子”、相对论中的“相对性”等等，都以指代新理论的标志成为新理论建立的先导。基本原理或定律是对研究对象最本质、最普遍关系的反映，是科学理论的基本内涵和赖以建立的基础。它在语言和逻辑结构关系上一般表现为判断的思维形式，用肯定判断的方式而陈述，如牛顿力学中的三个基本定律、爱因斯坦狭义相对论的相对性原理和光速不变原理等。

都是如此。

一、物理学的高层观念在科学理论框架中，构建基本原理的支柱是科学创造中有影响的高层观念。高层观念是指在知识层次上高于具

体科学创造的、作为主体背景知识中最稳固成分的、先入为主地引导和支持科学创造的一切观念形态的东西。高层观念的内涵极为丰富，结构颇为复杂，它包括本体论、认识论、方法论、价值观以及一般科学思想、科学中最基本的概念和理论原理等层次形式多样的观念、信念和准则。

在科学创造中，由于常规思维遵循从个别到一般的思维路线遇到阻碍，逻辑链条中断，经验向理论升华的通道被阻塞，研究者单凭逻辑的手段和经验素材已显得束手无策，这时唯一的出路便是指望高层观念和信念的引导。

二、高层观念的灵活性和柔性物理学理论构建中的高层观念，我们称为“原始问题”纵观物理学的发展史，恐怕再没有比对称性、守恒定律和最小作用更原始更基本的问题了。作为物理学最原始、最基本的观念，对称、守恒与最小作用各自有着深刻的思想渊源，经历了从分立走向综合的漫长历史。到了２０世纪初，人们才知道，原来守恒的观点与对称性有密切关系。从２０世纪初到１９３０年，通过一系列的发展，大家才知道原来对称性与能量守恒可以说是同一回事。比如说动量守恒原来与物理现象在位移以后不变这个对称性有关系。

高层观念还具有方法论功能。在构建物理理论方面，常常带有根本性。就物理学最原始、最基本问题而言，我们可以把物理学中的高层观念称为“第一性原理”。所谓“第一性原理”是指介于哲学原理和物理学理论之间、对物理学探索和物理学理论的建立和发展起指导作用的普遍原理。物理学中的第一性原理有一套比较完整的体系，具

体说来就是：物理学的认识首先从确认观察和实验事实开始，但决不是限于对现象的描述和对事实的记录，而是从理论上去解释它们（解释原理）；随着物理学的发展，出现了不同的理论可以解释同一组现象的情况，于是就需要在这些理论之间进行选择，于是简单性（简单性原理）便作为选择原则出现了；不仅如此，物理学理论力图对物理世界提供统一的解释，这种要求在方法上具体化为两条原理：世界的物理图景的统一（物理学世界图景的统一原理）和物理学知识的数学化（数学化原理），这两条原理体现了对物理学知识的整体性要求；对称性（对称原理）则把这种要求进一步具体化了；随着物理学认识由宏观向微观的过渡，又出现了对应性（对应原理）和互补性（互补原理）的方法论要求，对应性涉及相对真理同绝对真理的辩证关系问题，互补性深化了对物理实在的认识；最后，基元性原理及与之相联系的基本概念对各门自然科学知识体系结构提出了统一的逻辑要求。

三、物理学理论框架的层次性物理学理论发展至今，已经形成了完整的逻辑结构、描述物质、能量及相互作用规律的体系，具有严格的层次性，每一层次的观念有明确含义、属性、层次间的称谓也不能愈越和混淆不清，上一层次的观念是下一层次的纲这些层次分别是：第一层次，即高层观念．从本体论的视角去理解就是物理学中最原始、最基本的问题。从方法论的视角去理解，这些最原始、最基本问题升华为物理学的基本准则就称为“第一性原理”；物理学中的“第一性原理”是各子学科理论系统共同遵循的准则，我们习惯称之为“原理”。在物理学理论构建中作为最原始、最基本问题的“第一性原理”随着

物理学的发展，是不断衍变的。目前，简单性原理、对称性原理、最小作用原理、互补原理等是被公认的物理学中的“第一性原理”。

第二层次，是物理学子学科的“基本观念”，亦是各子学科构建理论体系的基础。物理学中，习惯把第二层次的“基本观念”称为：定律。定律从属于原理。有的定律是由原理决定的；有的定律是从经验、实践中升华而建立的，但不能违背原理的准则。物理学各子学科通常用公理化方法构建科学理论体系，这种方法是从尽可能少（必须服从简单性原理）的基本概念、公理、公设出发，运用演绎推出规则，导出一系列的命题和定理，并依次排列建立整个理论体系的方法．这里的公理就是物理学中的定律，即第二层次的基本观念。

第三层次，则是在公理化体系中，运用演绎推理导出的一系列命题和定理．在物理学中，定理应该由定律导出．在该层次之后还有由定理导出公式或者由实验而建立的经验公式。这样，物理学理论体系就形成了如下严密的逻辑链：原理→定律→定理→公式（含经验公式）。其中，定律作为一种假设或公理是物理学各子学科（如顿力学、热力学、电动力学、量子力学等）理论的基础。

最后，我们要强调的是，物理学的“第一性原理”是随着物理学的发展而不断衍变的。作为物理学理论框架的预设性前提，常常受制于时代的哲学背景，依赖于时代的科学背景。杨振宁在《对称与物理》一文中指出：“今天还未能解决的问题，很可能是出于我们还未把对称这个概念推广到头．最近这２０多年来，推广与再推广对称的概念已变成一个热门课题，１９７３年，有人提出来一个非常巧妙的数学

结构，叫做超对称，１９７６年，有人提出一个新的对称观念，叫做超引力。它与超对称虽然不一样，可是有密切关系，__________１９８４年又有人提出了超弦……”由此，我们可以认为，作为物理学理论框架基石的第一性原理不仅具有灵活性，而且具有鲜明的历史阶段性。在物理学发展的不同历史阶段占主导地位的“第一性原理”是不断衍变、更新和深化的。

参考文献：

顾民，汪向阳，肖子健。自然辩证法概论教程［Ｍ］．西安：电子科技大学出版社，１９９９：１９０。

杨耀坤。试析爱因斯坦的科学创造模式［Ｊ］．自然辩证法研究。

１９９３（１０）：３４。

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