物理學很多定律是發現的，可以證明嗎？為什麼光速不變？為什麼存在萬有引力？

今天閑著無聊突然發現一個問題——物理學總是在告訴我們許多定理，然後依託於這些定理解釋和認識現實世界，但有一點，這些定理為什麼存在，我好像從來沒學到過！

就像是，我會計算電荷之間的相互作用力，但它們為什麼相互作用？書上說，因為電荷會產生電場，電場會對其中的電荷產生力的作用。但電場具體是什麼？學來學去不明白。電場為什麼對電荷有作用力，好像也沒說過。還有萬有引力，為什麼萬有引力？為什麼光速不變？

物理學的定律不同於數學定律，數學定律是我們基於公理或我們所建立的一個體系中一步步推到建立起來的，但是支撐物理學的框架是我們發現的——我們不知道為什麼會這樣，只知道是這樣，這些東西的證明僅靠實驗證明，但實驗不會告訴我們為什麼。

這個問題有點兒牛角尖的味道了，這些都是物理中吃螃蟹的人自己定義出的概念。你要是吃了螃蟹，從數學或者非物理角度給出合適解釋，你大可以根據自己的名字定義公式定理。電場來源於數學中散度，就是用數學的方式定義出正負電荷的電場，散度是源的體現。這個人叫高斯，這個定理叫高斯定理。

1931年奧地利裔美國數學家哥德爾提出不完備性定理，用邏輯學證明了任何一個形式系統，必定存在既不能證明真也不能證偽的命題。這些不可證明的東西就是人們所認定的公理。可見很多學科的基本公理都是無法證明的。

光速不變，就是愛因斯坦提出的公理性假設。

萬有引力，廣義相對論認為是質量引起的時空彎曲。可類比蹦床上放一個鉛球，再放下去一個質量較小的圓球球，它會圍著中心的鉛球公轉。

但是這些都是一種假設，只是對事物現象的一種解釋。引力存在與不存在，其形式是怎樣的，只是在很小的範疇內才有討論的意義，即某個科學共同體認同相同的基本公理。其實這個很有意思，有點宗教的味道。

規律這個東西是人類發明的，不是自然界存在的，所以你沒法絕對證明力的存在，不過引入這個模型之後很多問題都能被解決，並且有利於人類的發展，所以我們就相信他是對的了。

物理學只問How，不問Why

首先區分定律和定理：

定律是自然科學中，（數學在狹義上不能算作自然科學）由實驗總結出的，不加證明地給出的結論。比如萬有引力定律。

定理是由定律，公理或其他定理推導出的結論。比如勾股定理（本來還想舉一個高中物理範圍內的物理定理的，發現好像沒有……，不過你可以把開普勒三定律看作是由萬有引力和牛頓三定律推導出的定理）。

顯然，數學沒有定律，只有公理和定理。廣義上講，定律也可以看成是公理，但是一般不是定理。

（除此之外，其實還有一個東西叫「原理」，比如「光速不變原理」，你可以把它理解為高大上版的定律。）

理清概念之後，現在來回答你的問題：為什麼定律成立？

其實答案是：我們不知道。

為什麼我們不知道？因為我們不是上帝。

假設存在一個造物主（上帝），那他創造這個世界時，為什麼把光速定成不變的？那這個標準答案應該只有他知道。我們人類現在的科技水平顯然不足以讀取這位上帝的思想。

讀取上帝的思想是宗教和哲學的工作，不是科學的工作。

按照波普爾對科學的定義：科學一定要滿足可證偽性。

比如我說「世界上所有的天鵝都是白的」，這句話就是「可證偽的」。因為我可以觀察世界上的天鵝，如果找到黑的，就說明我原來說的是錯的。因此「世界上所有的天鵝都是白的」就是科學。

反過來，如果我說「世界上所有的天鵝都是好的」，這就是一個「不可證偽的命題」，因為我無法設計一個實驗判斷一隻天鵝是好的還是壞的。

因此我們可以得出一個結論；科學命題一定要「與實驗掛鉤」。

再回到你的問題上來：為什麼光速不變呢？如果你要對這個問題給出一個「科學的解答」，那這個解答一定要有可證偽性，即能設計一個實驗判斷它的正誤。

顯然，這個解答中一定包含了一個新的物理定律（b），b能夠推導出萬有引力定律（a），而b比a更「基本」。

讓我們回到牛頓剛剛提出光速不變的年代。牛頓為什麼只提出a而不告訴我們為什麼有a呢？答案已經呼之欲出了：a剛剛提出的時候，怎麼可能會有比a更基本的定律b呢？

當然，牛頓當時其實對萬有引力定律作了宗教性的解釋，也就是非科學的解釋。（不過那個時候波普爾的奶奶的奶奶都還沒有出生，所以我們就原諒牛頓吧。）但是就像我說的，在那個年代不可能對萬有引力作出一個科學解釋。

回到今天，我們可以解釋萬有引力定律了嗎？可以，但是嚴格意義上說又不可以。

可以，是說我們有了比a（萬有引力）更基本的b（廣義相對論）。

不可以是說，雖然我們可以從b推出a，但是b又是為什麼成立呢？廣義相對論又為什麼成立呢？假設我們又找到了比廣義相對論更基本的定律c，那c又是為什麼成立呢？

你發現這樣無窮進行下去，這個問題是無解的，就像我之前說的那樣：我們無法了解上帝的想法。或者說，研究上帝的想法是非科學的。

既然我們不知道為什麼，那我們該怎麼辦呢？

一種方法就是尋求宗教或哲學的解釋，我在這裡沒有瞧不起宗教和哲學的意思，這是完全可行的一條路徑。

還有一種方法就是，「閉嘴計算！」（知乎上能搜到這句話），對於基本物理定律來說，如果你光是「為什麼」卻不去計算，那你的「為什麼」一定是非科學的。不如老老實實去計算，這才是科學的正路啊！

（「其實這裡有個反例是法拉第……，不過人家雖然不計算，但是人家做實驗啊。」）

物理的學習就是在模仿物理學科的建立過程，「為什麼」是一開始就要意識到的。由初始條件進行數學推導嚴謹，但到此為止並不能對世界理解更深一點。定律在得到數學形式總會分析其物理意義。

普朗克1900年第一次提出了黑體輻射公式，這是比較典型的僅由數學推導得到的方程但也就是在其分析物理意義的時候提出了量子化的概念，後一過程更具開創性往往也更困難。萬有引力定律牛頓時代就已經總結出來，說它是實驗定律更合適，而後一步此後200年也沒完成。只見過幾面還不適合接觸意義。

人教版物理3-5講動量第一節是實驗第二節是由運動定律做的推導。用意是希望學生不要產生「數學大於物理」的觀念，但我們老師還是先講的第二節，實驗推導定律尚且如此，更遑論定律的物理意義了。物理意義不適合出現在過早的教材里。兩百年並沒有使大腦進化到兩分鐘理解兩百年的程度，儘管一個繼承一個開拓。