國中理化－概念、定律、原理、模型、及理論

科學的定義

「科學」是什麼？

「Science」這一英文字是從拉丁文的“Scio ”這一個字來的，它原文的意義是”I know”，就是「知識」。

「科學」就是對自然界的一種認知。

科學是利用有系統的方法去不斷地探求。它建基於觀察、檢驗、假設、量測、實驗和理論的建議，由此導出對自然現象更為滿意的解釋。


奧地利學者Carl Popper認為科學的定義是：

1.受自然律引導而來
2.用來解釋自然律
3.可以用經驗來證實
4.能被否定；

Francis Bacon認為科學研究的方法應該有下列這三個特點：

1.憑經驗的(empirical)
2.客觀的(objective)
3.合理的(reasonal)

這是培根（Bacon)所提出的三個觀念，現今的科學是由這個理念發展出來的。目前的科學界承認對憑經驗的、客觀的、合理的，無法準確的下定義，但仍然相信，它們是有意義的概念：

「經驗的數據來自於一外在的自然世界」。
「客觀／主觀」是一種程度的問題。
「合理」是無法定義的。


科學的過程

科學家觀察自然界的現象，　是想要去了解大自然怎麼會有這樣的現象？因此在我們認識大自然之前，科學家對於理論的塑造，可能塑成不同的胚型，這些胚型就是假說(Hypothesis)。假說，經過實驗證實，與已知事實相符合，才可被視為理論（Theory）。理論經過了時間的考驗，與以後所發現的事實亦不衝突，便可視為定律（Law）。牛頓發現的萬有引力，可以解釋日動和地動等這些說法，因此，有廣泛範圍可應用的定律，便可視為原理（Principle）。所以，科學的最終極的理想，是要找出一個最基本的原則。科學上、解釋一些現象，都是利
用『因果原則Principle of Causality』，有相同的原因，產生相同的結果。

科學證據

科學上的證據可以分成五種：

1.有完全可知的證據，比如說：地球是圓的，你若是不相信地球是圓的，那你坐個太空船到外面去看看，看到是圓的，拍照看也是圓的。

2.證據足夠，但不易觀察，例如：板塊運動，這些都是有證據，但不容易觀察，板塊移動速率，舉個最簡單的例子，台灣的東邊的海岸山脈每年由南往北移動的速度是二到七公分，我們用GPS很精準去量是二到七公分。你不會發現它由南往北，你會發現它由西南往東北這個方向，這種速度是我們經過長期的、間接的方法算出來的。

3.證據少，但能被接受。一九六五年，Robert Wilson發現空中有微波，這個微波怎麼出現的呢﹖是地球自身的，不是外太空輻射的，找不出原因來，他們認為是大爆炸留下來的餘波；所有星球都是往外走，宇宙正在膨脹，那麼既然是膨脹，一定是濃縮在一點，然後爆炸膨脹。只有這樣的證據，就認為宇宙是大爆炸而來的。

4.證據很少，被質疑。像是進化論，證據不足，但大家以為是科學就相信。

5.證據多，但不知原因。比如說癌症，有些人晒太陽，美國人晒太陽容易生癌症，為什麼黃種人晒太陽不易生癌症呢﹖不曉得原因是什麼。


概念、定律、原理、模型、及理論的介紹

概念（Concept）：一、是一種可以普及及運用的思考架構，用來理解及分析自然界的現象。二、人們對事物本質的認識，邏輯思維的最基本單元和形式。
Ex: 空間、時間、質量。

概念是抽象的、普遍的想法、觀念或充當指明實體、事件或關係的範疇或類的實體。在它們的外延中忽略事物的差異，如同它們是同一的去處理它們，所以概念是抽象的。它們等同的適用於在它們外延中的所有事物，所以它們是普遍的。概念也是命題的基本元素，如同詞是句子的基本語義元素一樣。

概念是意義的載體，而不是意義的主動者。一個單一的概念可以用任何數目的語言來表達；術語則是概念的表達形式。狗的概念可以表達為德語的 Hund，法語的 chien 和西班牙語的 perro。概念在一定意義上獨立於語言的事實使得翻譯成為可能 - 在各種語言中詞有同一的意義，因為它們表達了相同的概念。

概念是人類對一個複雜的過程或事物的理解。從哲學的觀念來說概念是思維的基本單位。在日常用語中人們往往將概念與一個詞或一個名詞（術語）同等對待。


定律（Law）：指相關物理量之間存在的數學架構（關係），已通過實驗的驗證，有其適用的對象、條件、和範圍。

Ex: 波以耳定律只適用於定溫定量的理想氣體。

定律是為實踐和事實所證明，反映事物在一定條件下發展變化的客觀規律的論斷。例如牛頓運動定律、能量守恆定律、歐姆定律等。

定律是一種理論模型，它用以描述特定情況、特定尺度下的現實世界，在其它尺度下可能會失效或者不準確。目前沒有任何一種理論可以描述宇宙當中的所有情況，也沒有任何一種理論可能完全正確。（百度百科）


原理（Principle）：指相關物理量之間所遵循的普遍性規則，有廣泛的適用對象和範圍。

Ex: 槓桿原理、測不準原理（Uncertainty Principle ）、重疊原理（水和聲波的合成；電場和磁場的相加）。

原理為一抽象的客體，反映出某個（或某些）現象或機制的運作中，其普遍存在的基本規律。原則是一種一般化，人類使用這些普遍存在的預測或解釋，從而增進生存的能力。

海森堡測不準原理或不確定性說：在一個量子力學系統中，一個粒子的位置和它的動量不可被同時確定。位置的不確定性 Δx 和動量的不確定性 Δp 是不可避免的。


模型（Model）：是一種能顯現物質特性的具體架構。模型不一定需要完整，也不見得必然正確。但它提供一個具體的形象，方便進行研究。

Ex: 利用分子模型用於解釋物體的三態變化。

Ex: 　　
牛頓－光的粒子模型。　
海更士－光的波動模型。　
愛因斯坦－光的光子模型。　


理論（theory）：是一套完整對的某特定物理現象的解釋。從基礎的假設出發，建立模型，用於解釋已發現的事實，推論可能的結果，或建立新的物理定律。（理論為演繹法的具體表現。）

Ex: 相對論、量子力學。

相對論是關於時空和重力的理論，主要由愛因斯坦創立，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了近代物理學的基礎。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念，提出了「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新的概念。

量子力學是描寫微觀物質的一個物理學理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。