用熱力學基本定律來解釋物理現象是否等於沒有解釋？

01-06

至今沒有發現哪個時間和空間尺度的物理定律是違反熱力學基本定律的。用熱力學基本定律可以解釋
一切物理過程嗎？這是否等於沒有解釋？
課堂上和教科書中有哪些例子，是某物理現象除了被解釋為熱力學基本定律外，從未給過其本身的「機理」（mechanism）上的解釋的？

在知乎上，也許有兩個例子能比較接近我的問題，但我找不回原題鏈接
一是問，光照為什麼有使物體溫度增加。回答吸收了能量什麼的，是否等於沒解釋？
二是問，為什麼某物質的溶點是某溫度。用T=H/S來回答的，是否等於沒解釋？
很顯然，不違反熱力學定律，也不是就能夠發生任何事。所以你說一件事情符合了熱力學定律，還是沒解釋它為什麼發生。
對回答本問題的朋友一律表示感謝！

答案總結：

@Samuel Yi

這實際上取決於你怎麼理解"解釋"這個詞。能量守恆確實沒有"解釋"物理現象,我們在研究、做題的時候使用能量守恆等抽象歸納型的物理定律是將其作為一種"限制條件"用於從數量眾多甚至無限的可能解中遴選符合實際的解,它並不承擔解釋具體機理的任務。

@韓冬的這個例子跟我的疑問很接近，但用「能量守恆」解釋一些物理現象並不至於顯得這麼無聊：

為什麼地球是固態行星而不是氣態行星？
答：因為人則原理，如果地球是氣態行星，那麼根本就沒有你的存在，更不會提出這個問題了。
你討厭這種解釋。

@邵慶賢的回復：

@孫尉翔的確，守恆不能解釋現象發生的原因，守恆是必要的基礎，守恆只是意味這是「良構的」，只是解釋了「可能發生」，並不一定是「定理」。但是，守恆是必須遵守的。

@Ivony的結論：

1、是否所有物理現象都只存在唯一一個合理的解釋？不是。
2、若一個定律可以得出多個可能的結論時，其中一個可能與觀測吻合，是否此定律解釋了觀測現象？不是，這等於沒解釋。

想了很久，拖到現在。謝邀。

現象與理論之間，P 現象可以用 T 理論來解釋這句話

其本意應該是：P 現象與 T 理論的預言吻合。
但常被誤用為：P 現象可以用 T 理論的語言／在 T 理論的框架內得到描述。
也常被誤解為：T 理論是 P 現象發生的原因／機理。

題目中的兩個例子就是誤用的典型，的確是什麼都沒有解釋。

其他答案已經非常深入地討論了誤解的情況，我就不展開了。

另外，理論與理論之間，根據 T 理論可以得出 C 結論這句話

其本意應當是：C 結論是 T 理論體系內的一個命題。

需大修，勿贊同。

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我想了會兒，有點懂題主的意思了。這大概是物理學中唯像理論和理論架構之間區別的一種體現。

所謂唯像理論是指這樣一類理論:它們精確的描述了物理現象，藉助它們我們也可做出理論預測，但並沒有說明現象背後的機理。換句話說只描述了現象是怎樣以及將會怎樣而沒說為什麼。而理論架構則是建立模型，力圖解決為什麼的問題，也就是題主所說的揭示機理。

典型的例子是開普勒三定律和萬有引力定律。前者是唯像的，描述了行星如何運動，後者是理論架構，解釋了為什麼如此(因為有與質量成正比與距離平方反比的引力)，後者可以解釋前者，成為其理論支撐。

題主的意思看來是追求理論架構而不滿足於唯像層面。具體到熱力學上來，熱力學不是純唯像的，雖然其基礎部分比如物態方程啥的唯像味兒很濃，但背後是有理論架構的，比如宏觀熱現象都會有微觀層面的解釋，想把這個弄透還需要學統計物理，統計物理就是給熱力學提供微觀解釋的。你看人家可是四大力學之一呢。

而且這中間涉及一個解釋層面的問題。科學尤其是物理學總有一種還原論的傾向，試圖找出最基本最簡單的對象和規律來解釋世界。但實際中我們總要面對一個研究對象尺度的問題。在不同尺度上運用不同的理論工具。一個建築力學的問題，就在彈性力、機械強度這個層面上研究吧，而不必去到微觀層面，非要把彈性力還原為分子間電磁力再研究。這樣既無必要也無可操作性。而宏觀熱力學問題，有些做微觀解釋方便就做，不方便，給個宏觀唯像的解釋也可。畢竟不同層面間的相容，自洽是物理學內在的要求和追求。雖然駭人聽聞的量子力學與相對論不相容慘案還沒破，物理學家哭哭哦T_T......

最後，拿聖經做比恐怕不恰當吧。就算唯像理論沒有解決為什麼的問題，但畢竟是經過實證檢驗的，解決是什麼、怎麼樣的問題還是夠格的，不比聖經純靠信仰。

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update 1:

理論架構其身份也不是終身的，如果我們把力作為基本概念，那萬有引力定律是理論架構。但如果繼續問「引力是什麼?它的來源如何?」那萬有引力定律就成了關於引力的唯像理論了，背後的理論架構是啥?M理論?弦論?暫時不知道~

update 2:

題主在幾個答案的評論里補充了一些說法，我感覺題主實際上問了兩個問題，一個是我答案里唯像與否的問題,另一個是能量守恆這類歸納型定律的解釋效力問題。關於前者我的觀點在上面寫了，現在說下後一個問題。

這實際上取決於你怎麼理解"解釋"這個詞。能量守恆確實沒有"解釋"物理現象,我們在研究、做題的時候使用能量守恆等抽象歸納型的物理定律是將其作為一種"限制條件"用於從數量眾多甚至無限的可能解中遴選符合實際的解,它並不承擔解釋具體機理的任務。

而你說的充斥於考試中的"根據能量守恆定律,xxxxx"這種答題思路之所以可行,是因為用這種思路解答的題大多是一個簡單系統,且還有很多其他的限制條件(比如小球必須在軌道上,重物用一根細繩連接起來了細繩始終繃緊,之類的),我們引用能量守恆定律是為了快速求出符合要求的解,比如系統的終態。而解題過程並沒有涉及系統具體的演化過程,因為這是考試,我們要的是答案,而不是細究具體機理。

簡單系統因其簡單,故而只需要包括能量守恆在內的幾個限制條件就只剩下有限幾個甚至唯一一個解。而那些複雜系統,比如你舉的流體,就需要深入機理而不能只用能量守恆之類的抽象歸納型定律做完全解釋了。

不知道你學過偏微分方程沒有,如果把解釋機理比作解方程的話,能量守恆就相當於邊界條件。要知道有些方程比較特殊,又遇上個很奇葩的邊界條件的話,可能都不需要實際去解,只要掌握其通解的形式再用邊界條件去篩選,就可以得出正確的解,比如一維無限深勢阱內波函數。

在旁邊看了半天，我來嘗試湊一下熱鬧。

每一個現象是否只存在一個合理的解釋？或者存在多個但事實上是等價的合理的解釋？

儘管科學家看起來為每一種現象找到了一個最合理的解釋，但事實並非這樣。尤其是物理學。

幾乎所有的物理理論，物理學家只是找到了一個最簡潔的解釋而已。

事實上，我們永遠無法知道何種解釋是對的，因為物理學的一切都是從規律中發現的。假設宇宙是Matrix，我們所找到的規律只是Matrix的運行結果而已。通過運行結果我們無法反推Matrix的程序，因為無數程序可能導致同一結果，我們只能假定，Matrix的程序是最簡潔的那一種可能。

但無論如何，事實上我們也不知道簡潔是不是對的。或者說既然我們無法知道哪個是唯一正確的，那還不如選一個好記的。

以上，我認為就是韓冬的答案所探討的。

另一個角度。是否一個理論，依據它我們只能得出一個可能的結論，而其恰好與觀測的現象吻合，我們才能稱之為其解釋了這個現象。

就比如說能量守恆：

光照為什麼有使物體溫度增加。回答吸收了能量什麼的，是否等於沒解釋？

依據能量守恆，我們可以得出光照使其升溫（熱能）的結論，但同樣我們也能得出光照使其加速（動能）的結論。而我們不能依據能量守恆唯一確定光照是升溫還是加速。所以能量守恆等於沒解釋這個現象。

是的，我認為這個等於沒解釋。

結論：

1、是否所有物理現象都只存在唯一一個合理的解釋？不是。

2、若一個定律可以得出多個可能的結論時，其中一個可能與觀測吻合，是否此定律解釋了觀測現象？不是，這等於沒解釋。

歡迎討論。

我覺得這就是個程度的問題。

就比如你講牛頓力學解釋東西覺得不違和，但其實很多牛頓力學可解的問題都可以用能量守恆解，比如一個鐵塊從某個高度掉下來，求落地末速度。你可以用初始速度，加速度，和高度來算。你也可以用初始勢能等於末動能，然後求解。我覺得這裡用能量守恆解釋完全沒有你說的什麼也沒解釋的感覺。

你說的什麼也沒解釋的感覺也許就像你說的有人問今天為什麼下雨？結果有人解釋因為能量守恆，這裡就像你說的能量守恆解釋的是規律的規律，他解釋下雨背後氣象原因的本質是因為能量守恆。因為原因離結果太遠，所以你覺得違和。

XXX解釋等於沒有解釋，這個意思其實是說，某解釋是沒有意義的。

例如為啥1+2=3？如果這樣解釋說：因為3-1=2，所以1+2=1+（3-1）=1+3-1=3 那麼該解釋涉嫌同義反覆，沒有帶來新的知識。

不知道提問者是否是這個意思，我舉例來說：

為什麼光線經過凹透鏡會到達B點？

張三答：因為光折射定律（斯涅爾定律），光經過不同介質時，入射角和折射角之比由光在該介質的光速決定。

李四答：因為費馬原理。光線傳播的路徑是需時最少的路徑。

這兩個回答哪個是有意義的？

這兩個回答都可以說是有意義的，關鍵是，哪個解釋需要最少的參數，最少的基本信息。

歐幾里德說，他的歐式幾何學，最少需要五條公設（後來證明並不完備）。這五條公設未必非得是他書上寫的那五條，可以把一個定理當做公設，然後替換掉其中一條（前提是這【新五條】是「線性無關」的）。

你可以說，費馬原理比折射定律「更基礎」，其實你的意思是，用費馬原理建立完整的光學理論，比用反射定律，折射定律…等架構光學理論需要的參數更少。但是，折射定律也可以從惠更斯原理、平移對稱性或麥克斯韋方程組推導出來，這意味著，構建的【最簡潔光學理論】未必是唯一的。

如果不限定參數數量，這個世界可以由【外星人理論】完全解釋。【外星人理論】是我小時候發明的理論，該理論是萬能的，如果出現我不能解釋的現象，我都可以回答說：這都是外星人搞的，外星人比我們先進一萬倍。

朗道（一說是W. 伊賽）說，給我足夠的參數，我能擬合出一頭大象。用來諷刺某些用了太多參數的物理理論。

不知道是否理解對你的意思。

這個問題已經被幾位回答者分析的很透徹了。承蒙錯愛，我再多說幾句。

熱力學基本定理解釋物理問題是從宏觀的角度使用大系統的客觀測量的基本關係來解釋問題，比如ENTROPY必須增加，ENERGY減少有利於系統穩定，以及其他特別約束條件下的自由能（例如，離子數不變，等壓，等體積或者外加磁場條件下）的變化情況判斷穩定性和系統從一個平衡態轉移到另外一個平衡態的趨勢等等。熱力學的這些參數是分析問題極有力的工具，而且無所不含，從黑洞，等離子體，到電磁場（沒錯，電磁場也有熱力學，而且可以得到正確的場能關係），磁鐵，和橡皮筋。選取正確的系統參數，描述系統的能量，分析平衡態下系統能量隨參數的變化關係，進而回答系統的穩定性和變化趨勢，是一門藝術。這是有別於還原論分析問題的獨到的視角，和還原論的工具是互相促進，互相補充的。因為我們分析的系統往往是宏觀物體，具有幾乎無限個粒子，這時候微觀還原論的工具就失效（或者極端困難）了。因此我們有了統計物理這一門皇冠上的學科。

實際上，在朗道的教材里，凝聚態物理就歸納在熱力學和統計物理中。朗道是相變理論的奠基人，該理論至今還是凝聚態物理的基礎。由此可見熱力學與統計物理在分析多粒子體系問題下的重要性和不可替代性。

首先要明確，熱力學定律實際上都是宏觀統計性質的定律，是用來說明巨量的粒子系統的性質。如果學過熱力學都會知道，熱力學的物理量都是宏觀量，比如壓強、溫度、體積等等，在微觀層次都有對應的微觀量，比如「溫度」對應的微觀量是分子平均動能，數學計算表明宏觀意義上的溫度是跟分子平均動能成正比的，壓強對應的微觀量是分子平均動量，等等。所以熱力學定律是統計學定律，不是像牛頓力學定律、電磁學定律那樣的動力學定律，所以它只能說明問題，不能解釋問題。解釋問題必然要涉及微觀機制，所以熱力學的理論基礎是統計力學。統計力學就是把所有熱力學定律從最底層嚴格證明一遍，方法就是把每一個分子的微觀性質一個不拉的加一遍（方法是多重積分），算出總的結果，最後一看確實符合熱力學定律的形式，比如熱力學定律是P=A*B/C，統計力學的公式也是類似的樣子，於是就可以對號入座的說，找到熱力學量P、A、B、C的微觀意義，它們實際上代表了微觀粒子某些物理性質的平均量。所以，熱力學定律已經是解釋的結果了，真正的解釋是在統計力學那裡。不過統計力學只是給你嚴格計算一遍，計算結果是什麼樣就是什麼樣，有的時候還真不好解釋清楚，就好像科學可以把人從裡到外都研究個透，但是把海量的人組成一個社會的話，科學就玩不轉了，往往集體效應是難以預料和估計的

A theory is the more impressive the greater the simplicity of its premises, the more different kinds of things it relates, and the more extended its area of applicability. Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content which I am convinced will never be overthrown, within the framework of applicability of its basic concepts. - Albert Einstein

想起上個星期上《海洋動力學》的課，老師問我們四大守恆定律（海洋里還有個角動量守恆）能不能被證明。當時沒有一個人能回答，最後我說這個有點像數學中的公理假設，是無法被證明的，但是也沒有被證偽，所以又想起之前有人說數學不是科學，因為有的定理無法被證明。其實物理也是一樣的，守恆定律是經典物理的基礎，但是它們是無法被證明。但是最後老師說這個可以用宇宙的對稱性來「解釋」，當然解釋不等於證明，只是讓我跟只管的來理解為什麼這個定律成立。

量子力學之前的解釋大多可以回到力；熱力學是統計力學的一個部分。力是對時間的微分，因而self-embed 因果律。不確定原理給出時間與能量的不確定關係，時間無法繼續作為無辜的自變數。在量子尺度下，我們已經無法說A的發生是因為B。量子力學之後的物理學是現象學。

回到本題，經典理論下，我們刨根問底，會找到一個或者幾個公理群，他們無法被證明或者證偽，由他們可以建立起一套完整的系統，跟我們所有的觀測相容。

但癥結在於，在刨根問底的過程中，我們的問題還正確嗎？

科學定理之上還有神的存在

人只能摸清楚規則，僅此而已。

人不不可能試圖去解釋為什麼規則是這樣的，而不是那樣的！(人本身生存在這種規則下，不可能超越這個界限）

費恩曼物理講義開篇一個比喻很好供參考：人認識世界就如懵懂的人類在看兩個神在那裡下棋，看久了就會慢慢知道下棋的規則（馬是怎麼走的，象是怎麼走的，什麼條件下兵可以變身，諸如此類走棋規則..），但是僅此而已。你永遠不可能知道為什麼規則是這麼制定的。以人類的智慧和極限也不可能知道為什麼神這一步是走馬而不是走兵。

熱力學定律本身就只是一個不斷被驗證正確的論斷，但它並未告訴我們這個論斷為什麼會是正確的，所以我們只能不斷的驗證。

類似於牛頓三定律，牛頓也未在三定律里告訴我們為什麼物體會有慣性，為什麼F=MA，也未在萬有引力定律里告訴我們為什麼R上面剛好就是個平方，而不是一個小數點的冪

這些所謂的定律都是一些天才的論斷，只不過不斷地通過了事實的檢驗罷了，到目前為止，仍然有一些科學家還在持續做著驗證萬有引力定律的實驗，他們害怕萬一R上面那個平方變成小數點的冪，整個物理學大廈該怎麼辦？

所以對於你問的問題，我只能說，用「解釋」這個詞不大適合。應該換一種說法，即「某某物理現象再一次驗證了熱力學基本定律的正確性」

樓主學會形而上的思考了

即使物理規則是正確的,你也會問為什麼會這樣設計呢?問題終歸去問造物主

也是後來學「統計熱力學」和波爾茲曼方程是才覺得熱力學整體是在觀察和統計上一種建模。像「能量守恆」是基於一種對世界本源和秩序的信仰。就像是「我思故我在」是一個邏輯上的起點一樣。

可以說經典熱力學四大定理是經驗公式，或者乾脆是一個設定。但是科學發展到現在，能量守恆很明顯已經找到了反例：

1）大爆炸理論的奇點

2）廣義相對論中質量與能量的關係，也是後來的核裂變和核聚變現象

但現在能量守恆依然是熱力學的定理。也就是說在熱力學的範圍內，它依然是正確的。從這件事情本身就可以看出熱力學本身的局限，學科都是有範疇的。覺得解釋不好的時候，是可以換一下學科來解釋的。像光照吸收能量，如果經典熱力學解釋不滿意的話，可以切換到光壓做功，或是可以深入到材料學科來解釋。

解釋一件事情符合經典熱力學原理是顯而易見的，不能解釋機理也很正常，因為一開始是用來驗證某些不是那麼顯而易見的推測的錯誤的，比如「永動機」的製造。在那經典熱力學的年代默認所有世界上能被觀察的現象都是遵守熱力學定理的。

感覺很親切，我曾經想過這個問題。

總結下來，根本的原因是「為什麼」是沒有窮盡的，永遠可以針對答案問下去：

為什麼A？因為B；

為什麼B？因為C；

為什麼C？

........

這就像問為什麼這個世界要這樣一樣，這不是人的思考能力範疇之內的，人只是這個世界的一部分而已。

「思考」是什麼？

我們用「思考」思考什麼是「思考」。

可是以上這句話也來源於「思考」。

以上這句也是。

....

求解將是個無窮的死循環。

又如：

黃金分割為何是0.618，不是0.816？為何人眼看它覺得美？「人」就是被大自然設計成這樣的，我們覺得美，只因上天把我們設計成「認為這是美」。