【搬磚心得】物理學理論是怎麼演進的

看過不少科普把物理學理論的演進描述成了科學家個人能力高低的比拼——愛因斯坦比牛頓更聰明悟性更高，所以相對論取代了牛頓力學。舊理論的不足之處被歸結於原來的科學家個人的疏忽，舊理論能長久被接受的原因則被解釋為主流學術界缺乏創新精神與頭腦，而新的理論的提出則被描述為某個科學家的天才表現或者被某個巧合引發的悟性。

這導致很多非科學工作者把科研看做了武俠小說，比誰悟性高，更可怕的是比誰運氣好。在加上對「創新精神」之類的吹捧，導致一些自認為有創新精神的人相信自己能憑此將主流科學界踩在腳下。由於將主流支持舊理論簡單地解釋為主流缺乏創造力，所以這些人受到主流拒絕時首先想到的不是反思自己而是自己被主流排斥甚至迫害了。

所以，勉強能算作科研工作者的我，這裡要說一下物理學理論是怎樣提出，「正確」的新理論是怎樣取代「錯誤」的舊理論的。

首先要指出一點，注意到我上一段的兩個引號了嗎？這是因為嚴格來說，沒有「正確」的物理理論，只有「在一定條件下一定誤差範圍內和實驗事實符合得最好」的物理理論。

1，理論的最初誕生

例如，有兩個物理量x和y，我們想知道它們之間的關係。我們要先做實驗，測幾個x和y的值。

這時候科學家A出場了，假如A生活的時代儀器解析度不高，只能測到小數點後一位。他測得的結果是：

x y

0.000 1.0

0.001 1.0

0.002 1.0

0.003 1.0

0.004 1.0

0.005 1.0

0.006 1.0

他從這些結果得到，無論x是多少，y都等於1.0，是個常數。這是第一個理論。這個理論與實驗事實相符。後來人們又測了x的等於0.007到0.010的情況，得到：

x y

0.007 1.0

0.008 1.0

0.009 1.0

0.010 1.0

實驗和這個理論相符合。於是這個理論就被官方接受，成為了當時的主流理論。而且由於y不變，這個理論成為「不變論」，受不變論影響，哲學界認為有些事物是萬世不變的。

這時候的神棍會說，不變論說明神的存在，因為神就是永恆不變的。

有良心的媒體人和作家則會寫科學家A是看到海邊的石頭在波濤下一動不動而悟出不變論的。

民科會說，不變論就是大道至簡，真理不變。然後就覺得自己超過科學家A 了。但你若問他y等於多少是怎麼測出來的，他就不說話了。

2，精度增加，現有理論被修正

過了幾十年或一百年，人類的科級進步了，有了更精確的測量儀器，能把y測量到小數點後第三位了，於是科學家B再次做了這個實驗，他得到的結果是：

x y

0.000 1.000

0.001 1.001

0.002 1.002

0.003 1.003

0.004 1.004

0.005 1.005

0.006 1.006

0.007 1.007

0.008 1.008

0.009 1.009

0.010 1.010

於是他得到結論，y不是不變的，y會隨x的改變而改變，y=1+x。這個理論里x增加多少y就增加多少，一起變化，被稱為共變論。

由於在千分之一的精度下共變論比不變論與實驗事實相符得更好，所以共變論取代不變論被官方接納稱為了主流理論。

請問共變論取代不變論是因為科學家B比科學家A更聰明嗎？不是的，因為科學家A的時代儀器只能把y測到小數點後第一位，他再聰明也難以想到小數點後第三位的情況。

請問科學家B之前的那些科學家沒有懷疑不變論是因為他們讀書讀傻了沒有創新精神了嗎？不是的，是因為他們無法測到小數點後第三位，再創新也不能無中生有把做不了的實驗結果給創新出來。

請問科學家B推翻了科學家A了嗎？不是的，雖然在新時代科學家A的理論已經不夠精確了，但他是第一個做這個實驗並且給出理論的人，他照樣收到科學界的尊重。

這時候神棍會說，共變就是有什麼因就有什麼果，因果報應，共變論說明了神的存在。

有良知的媒體人和作家則會寫，科學界B有一天看到風吹樹搖，風越大樹搖得越厲害，共同變化，於是悟出了共變論。

民科會說，共變論就是事物普遍聯繫一起改變，科學家B也沒什麼了不起。但你如果問他x等於0.0024的時候y等於多少，他就不說話了。

3，條件改善，修正現有理論

然後又過了很多年，以前因為設備的功率不夠或者材料強度不夠等原因，只能做x很小的實驗。後來科學進步了，可以做x比較大的實驗了。科學家C做了x比較大的時候的實驗，得到的結果:

x y

1 2.718

2 7.389

3 20.086

這時候y比1+x要大得多了，共變論失效了。科學家C提出，應該是y=e^x，這裡e是自然對數底數。這個理論叫自然指數論。

要驗證自然指數論對不對，首先要看在x很小的情況下自然指數論能否和共變論相符：

x y=e^x y=1+x

0.000 1.000 1.000

0.001 1.001 1.001

0.002 1.002 1.002

0.003 1.003 1.003

0.004 1.004 1.004

0.005 1.005 1.005

0.006 1.006 1.006

0.007 1.007 1.007

0.008 1.008 1.008

0.009 1.009 1.009

0.010 1.010 1.010

可以看出，在x很小的情況下，自然指數論和共變論在千分之一的精度下給出的結果是一樣的。

然後要再看，這個理論能不能預言新的現象。科學家C又測了x等於4,5,6的情況，得：

x y

4 54.598

5 148.413

6 403.429

在千分之一精度下和自然指數論相符，所以自然指數論成為了現在的主流理論。

請問科學家C提出自然指數論是因為他比A和B更聰明嗎？不是的，是因為在過去人類無法做x比較大的實驗，現在可以做了，發現了新的現象，所以理論要發展了。

我們還要注意到，理論的發展不僅僅是科學家ABC的功勞，如果不是其他科學家和技術人員改進了儀器，B不可能有更精確的儀器測量y，如果不是其他科學家和工程人員改進條件，C不可能有機會在x比較大的時候做實驗並發現新現象。

然後呢，自然指數論是正確的嗎？

未必，原因有2：

1，自然指數論只精確到小數點後第3位，我們不知道在小數點後第六位時這個理論和實驗是否會有偏差。這個問題只有將來有了能測到小數點後第六位的儀器的時候才能確定。

2，自然指數論中x最大不超過10，我們不知道x等於100或1000的時候自然指數論還能否和實驗相符。這個問題也只有等將來能做x等於100或1000 的實驗的時候才能最終確定。

科學家從不諱言現有理論的局限性與缺陷。

科研之路就是這樣不斷前進，永無止境。

當然，神棍這時候會說自然指數論就是道法自然，說明神的存在。

有良心的媒體人和作家會寫科學家C小時候生長在農村，經常與大自然接觸，所以悟到了自然指數論。

民科聽到科學家承認自然指數論有缺陷和局限性，大喜若狂，聲稱自己超越了官科，自己提出了太極陰陽自然時空指數幾何論，超越了科學家C。但如果你問他按他的理論x等於1000時y等於多少，他不說話；哪怕你問他x等於0.001時y等於多少，也沒幾個民科能答得上來。

所以，物理學理論的演進不僅在於天才的創意，更在於整個社會技術水平和認識水平的進步。一個理論的命運啊，不僅要看科學家的個人能力，也要考慮歷史的行程啊。
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