范文一:波尔_互补原理_哲学评述
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第21卷 第3期 沈阳师范学院学报?社会科学版 1997年
波尔“互补原理”哲学评述
楚文章
【内容提要】 波尔的“互补原理”具有重要的哲学方法论意义, 但也有其局限性。波动性与粒子性、实在性与潜在性、因果性定律与统计性定律、量子力学与经典力
学等存在着互补关系。“互补原理”揭示了相互矛盾的原理同时存在、相互补充, 它是正确理解自然界的一条重要途径。
【关键词】 互补原理 波动性 粒子性 量子力学 经典力学 谁也没有预料到, 本世纪初在经典物理学晴朗的天空中的两朵小小的乌云最后形成20世纪初震撼经典物理学的狂飙。正是在这场风暴中诞生的量子论和相对论, 对人们的世界观产生了深远影响; 在微观世界中, 以量子力
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学为奠基理论成为科学世界的一角, 从而使经典力学的适用范围受到了限制。当我们郑重地对待量子力学的合法地位时, 也应郑重地评价由量子力学带来的哲学思考。量子力学的全部理论大厦建立在海森堡的测不准关系原理上, 有人称颂它是“新时代的曙光”, 象征着“量子理论时代已经破晓”。对测不准关系进行哲学思考的波尔提出“互补原理”, 它成了人们对微观世界思考的世界观。应当如何估计由“互补原理”带来的人们思想观念的变化? 以及它给哲学带来的影响? 这正是本文思考的中心。
一、“互补原理”的形成
作为量子力学最高哲学概括的“互补原理”, 最先起源于自然现象的不连续性即量子性。从电磁振子能量取值的不连续性到光的不连续性再到原子中电子状态的不连续性, 这是一个伟大的创举, 它打破了经典物理学
的一统天下, 初步揭示了微观世界的基本特征, 为建立描述微观世界运动规律的量子力学理论体系开启了先河, 奠定了基础。
在经典物理学中, 粒子性是物质具有间断性的表现, 波动性的物质具有连续性的反映, 所以波与粒子是两种绝对不同的物质形态。按波动性原理, 物质的能量是连续传播的, 但是, 黑体辐射和光电效应现象已经不能用经典物理学的能量连续性原理来解释。在空间传播的光不是连续的, 而是一份
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一份的, 这每一份光叫光量子(光子) , 是粒子和波的综合, 这就是量子力学的波粒二象性。波与粒子在量子力学和经典力学里有不同的理解。在量子力学中, 粒子并没有固定的位置和轨道, 波不是实在的波动, 而是一种几率波。
波粒二象性是量子力学进一步发展的结果。当人们再对波粒二象性深入考察时便发现它所固有的特征:我们测量微观粒子的位置与速度或坐标与动量时发现, 当粒子有准确的位置时, 动量则是完全不定的; 相反, 当粒子有准确的方向时, 位置有很大程度的不定性, 即一个状态变数(坐标或动量) 已定时, 另一个状态变数可以有任何值。这就是海森
收稿日期:1997年1月30日
堡的著名的测不准原理。测不准原理反映的是波涵数描述的微观客体的本质特性, 而绝对不是由于测量仪器的精度不够所引起的一种现象。
测不准原理对波尔有巨大的启发。微观粒子的运动, 不能用一个在每一时刻都具有一特殊位置和特殊速度的粒子的轨道来描述; 我们要么用粒子的位置来描述, 要么用动量来描述。但是这两种现象都是粒子运动所具有的属性, 用每种现象都不能对同一粒子所引起的各种量子现象作出全面的理解, 因此, 理解粒子必须把两者结合起来。两个方面既相互排斥, 又相互补充, 这就是波尔的著名的“互补原理”。这个“互补”一词的意义是, 一些经典概念的任何确定应用, 将
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排除另一些经典概念的同时应用, 而这另一些经典概念在另一种条件下都是阐明现象所同样不可缺
少的。
海森堡在进一步解释波尔这个思想时说:“波尔把两种图象——粒子图象和波动
图象——看作是同一个实在的两个互补的描述, 这两个描述中的任何一个都只能是部分正确的, 使用粒子概念以及波动概念都必须
有所限制, 否则就不能避免矛盾”。
二、“互补原理”的哲学意义
“互补原理”揭示了两个相互矛盾的原理同时存在, 只有两者相互补充, 才能正确解释一些现象。这样, “互补原理”就具有着重要的哲学方法论意义。
(一) 波动性与粒子性的互补
在微观领域, 波动性和粒子性是物质的两种不同的属性, 物质是波动性和粒子性的统一体。不仅光波具有粒子性, 电子以及分子、原子、中子等微观实物粒子, 确实同时具有波动性, 量子力学就是在微观粒子具有波粒二象性的基础上建立起来的。承认波粒二象性是微观粒子的客观属性, 这就为量子力学找到了哲学依据。爱因斯坦曾说:坚信“有一个离开知觉主体而独立的外在世界, 是一
切自然科学的基础。”
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(二) 实在性与潜在性的互补
在测不准关系中, 我们不能同时找到坐标与动量的精确数值; 其一确定, 另一肯定是
不确定的; 但是确定与不确定又是客体本身所具有的属性, 不是由于仪器精密度不够和实验者的操作或科学家的认识能力的限制的原因。我们把确定的看成是实在的, 不确定的是潜在的, 因此确定与不确定的统一就变成了实在性与潜在性的统一。微观粒子的坐标和动量具有的确定性与不确定性, 它的哲学依据就是物质是实在性与潜在性的统一。一方是显性的、实在的, 另一方是隐性的、潜在的。如在光的干涉、衍射和偏振实验中, 波动性是显现的、实在的; 粒子性是隐性的、潜在的。反过来, 在光电效应和光子的散射效应中, 粒子性(量子性) 是显性的、实在的; 波动性(频率) 是隐性的、潜在的。实际上, 任何时刻两种特性都是客观存在的, 只是它们不能同时显现出来成为取得支配地位的方面。这种潜在与实在的互补原理逼真地反映了微观世界不可调和的矛盾, 而在逻辑上又不相互矛盾。
(三) 因果性定律和统计性定律的互补量子力学的建立, 打破了牛顿力学一统天下的局面。科学的因果性定律和统计性定律在哲学上是并行不悖的, 只有两者的相互补充才能完整地解释客体性质。因果性定律和统计性定律的互补, 为了解必然性和偶然性、决定性与随机性之间的关系找到了理论依
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据。
在经典力学中, 根据牛顿运动方程, 知道了相互作用力和系统在某一时刻的状态, 在原则上就可以算出它以后任何时候的状态; 未来发展状态如何, 都是由现在状态所决定的, 遵循着严格的因果律和决定论; 偶然性是规律的反面; 规律即必然性、因果性、决定论。在经典统计力学, 偶然性通过概率进入到规律, 规律的含义因此扩大。从经典力学到经典统计力学, 偶然性也就从规律之外进入到规律之中, 其原因就在于人们从总体上认识多体系统的必要性、必然性, 而不是人们有没有
能力从系统各元素之间的作用进行描述的问题; 就是经典力学一旦扩大到描述宏观客体的多体系统如太阳系, 也不得不用几率密度分布, 不得不让偶然性进入到规律。在量子力学中, 统计性是规律的本质, 它不遵守古典的决定论或严格因果性, 而遵守自己的“几率性”规律, 这个“几率性”规律的数学严密性和预言力比古典力学是过之无不及。因此它仍然合乎严格规律性, 然而它并不符合古典的严格决定论或严格因果论, 因为“几率性”规律不是针对单个粒子的行为, 而是针对粒子系统的统计集合的(称作量子系综) , 尽管单个粒子的行为具有随机性、或然性, 然而整个“量子系综”的行为都是必然的。
量子规律给古典的严格决定论以极大的冲击。如何估计量
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子规律的完备性? 如何看待古典的严格决定论的地位? 波恩的一句话可以给我们以启发:“量子规律的发展, 结束了古典物理学所固有的严格的决定论, 认识到这一点本身就具有重大的哲学意义”。严格决定论的失效决不意味着决定论和自然界的因果描述方案的根本破产, 而只意味着已经发现有适应于微观自然特殊性的决定论和因果性认识的新形式。爱因斯坦认为, 上帝不投骰子, 竭力维护自然界的严格因果性决定论, 以自然规律的终极(完备) 形式反微观粒子运动的几率性。波尔反驳爱因斯坦说, 上帝投骰子并不赋以统计含义, 强调古典决定论的失效; 与此同时, 却以为必须取消一切决定论。我们认为两者各有偏颇, 因为严格的因果律决定论和统计规律各有自己的适用范围和领域, 所以严格的决定论的危机, 是指古典因果律决定论陈述模式的危机, 而不是让我们放弃因果律决定论。实际上, 因果律和统计律是互补的, 二者结合起来才能完备地解决自然界即微观和宏观物质运动的规律。
(四) 量子力学与经典力学互补
量子力学是描述微观粒子的理论, 经典力学是描述宏观物体的理论, 而自然界是由微观和宏观两部分组成的, 所以只有量子力学与经典力学相互补充, 我们才能在理论上解释自然界。微观粒子和宏观物体各具有自己的特性, 因此用描述宏观物体的经典语言所得出的概念不能完善地描述微观世
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界的过程; 反之亦然。经典力学描述方法所依据的是连续性原理, 而量子力学描述方法所依据的是不连续性的量子论; 所以在描述宏观物体运动规律时, 只要给出指定时间, 便可以直接决定客体的准确位置; 量子力学描述的粒子状态的变化服从薛定谔方程, 观察结果具有不确定性。波尔的对应理论把经典力学和量子力学联系起来。无论是经典力学还是量子力学都是对力学领域的反映, 它们标志着认识的不同阶段。那些认为经典力学已达到了绝对真理的认识是绝对错误的, 量子力学也是如此。指望以经典力学或者量子力学成为完备科学的大厦, 后辈物理学家只做一些零碎的修补工作, 这是做不到的。
(五) “互补原理”的认识论局限和意义波尔的“互补原理”解决了量子力学一系列难题, 指出了理解自然界除波粒二象性以外的其它二重性的道路。如果我们把“互补原理”看作是对量子力学基础的一种解释, 这是完全正确的; 但是, 如果把这一原理发展成一个普遍的哲学原理推广到一切领域, 则是一种错误的结论。波尔的错误正在这里, 他认为, “互补原理”作为一条普遍的认识论原理, 它不仅能解决量子力学问题, 而且它也适用于解决生物学、生理学、医学、心理学、语言学以及人类文化、艺术和社会关系中去。例如, 他认为生物学规律与说明无生命物质的自然规律是互补关系; 心理学中的思想与感觉, 在不同生活条件下发展起来的民族文化作为
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一切艺术成就特点的严肃性与幽默性, 人类社会中的公正与仁慈, 个人在社会中的地位的描述等等都是互补关系。波恩进一步把波尔的互补哲学推广到了政治和经济发展中的社会主义制度与资本主义制度之间的关系上, 认为如果这两种是互补的, 那么就能解决当前国际政治问题。对这两种制度的关系问题,
是一个既要从历史也要从现状作出具体分析的复杂问题, 需要我们运用历史唯物主义的观点进行研究, 至少从现在看来, 两种制度既不是在任何历史阶段都水火不相容, 但也不是在任何情况下都会无条件地互补。所以, 把波尔的“互补原理”无限加以推广和扩大的做法未免过于片面。
波尔的“互补原理”对我们深入探讨物理学中的一些认识论问题, 尤其是对微观客体认识论问题具有很大的启发性。而对于微观客体来说, 这不同的侧面可能正是统一体的相互矛盾着的部分, 而矛盾着的双方不仅相互斗争, 而且相互依存, 相辅相成。因此, 对它们的描述可能是矛盾的, 但要全面地认识微观客体的本质, 它们又是缺一不可的。波尔认为, 在这种互斥条件下得到的经验显示着量子现象的不同方面, 这些方面绝不是不相容的, 必须认为它们是以一种新颖的方式而互补的。所以有人比喻:“波尔的‘互补原理’简直是搭起了一座以现代物理学通向辩证法的桥梁”。
(六) “互补原理”的唯物主义论证20世纪的物理学革命, 诞
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生了相对论和量子论, 有些人宣称物理世界引进了“精神元素”, 唯物主义被否定了。相对论被解释为一种对先定论信仰的支持, 而量子论却被认为是对“自由意志”学说的支持。在量子力学中, 单个粒子我们无法测定它的位置与动量, 有些人以此认为, 微观粒子如同上帝和灵魂一样自由运动, 我们没有能力对它进行测量。微观粒子是精神的、自由意志, 不具有客观实在性。薛定谔波动方程被解释为几率, 而几率是精神现象, 粒子是精神力的一种产物。海森堡说了一句公道话, 驳斥了上述观点。他说:“量子论并不包含真正的主观特征, 它并不引进物理学家的精神作为原子事件的
一部分”。
! 海森堡的测不准原理的确是说微观客体的波动性与粒子性则是它的两种基本
属性, 是客观的, 是不以我们的意志为转移的。波尔的“互补原理”告诉我们, 对微观客体的描述, 必须把这两个方面结合起来, 这样我们才能准确地反映微观客体。微观客体虽然不遵循经典力学中的严格因果论、决定论, 但也不是没有规律的自由运动; 量子系综是遵循统计规律运动。由于微观客观的两种属性即波动性与粒子性是客观存在的, 所以它的运动规律也是客观存在的, 遵循着微观的决定论、因果论。连美国的天主教哲学家兼神学家富耳顿?邢主教都说, 说量子论和测不准原理表现任何物理事件都是无原因的, 那是绝
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对的假话, 因此, 物理学中不存在意志自由的基础。……意志自由问题并不是一个物理学问题, 而是一个哲学问题。
发现经典力学的决定论不能解释自然界一切客体, 但也不能把自由意志看作是经典力学的突破口。以经典的因果决定论和统计论相互补充是我们唯一正确的道路, 但统计论和自由意志并不能相互取代。所以, 用统计规律限制经典力学, 对于自由意志问题一点也帮不上忙, 统计规律同自由意志问题是风马牛不相及的。认为意志力可以通过渗进统计性定律所留下的缺口来对统计性定律起作用, 这样的假说完全是“胡说”。
波尔的“互补原理”, 论证了量子力学遵循着统计规律, 而统计规律决不是什么自由意志、精神现象, 它是力学领域中的一个客观规律, 是在我们之外而且被我们反映的客观规律。这就驳斥了自由意志的唯心主义, 为唯物主义找到了理论根据。
〔注释〕
波尔:《原子论与自然的描述》, 商务印书馆1964年版, 第9页。 ! 海林堡:《物理学与哲学》, 科学出版社1974年版, 第13、22页。
《爱因斯坦文集》第一卷, 商务印书馆1977年版, 第292页。
(作者系中国刑警学院讲师, 哲学硕士, 邮编:110035)
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【责任编辑 李素贤】
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范文二:波尔_互补原理_哲学评述
第 21卷 第 3期 沈阳师范学院学报?社会科学版 1997年 波尔“ 互补原理” 哲学评述
楚 文 章
【 内容提要】 波尔的“ 互补原理” 具有重要的哲学方法论意义 , 但也有其局限 性。 波动性与粒子性、 实在性与潜在性、 因果性定律与统计性定律、 量子力学与经典力 学等存在着互补关系。“ 互补原理” 揭示了相互矛盾的原理同时存在、 相互补充 , 它是 正确理解自然界的一条重要途径。
【 关键词】 互补原理 波动性 粒子性 量子力学 经典力学
谁也没有预料到 , 本世纪初在经典物理 学晴朗的天空中的两朵小小的乌云最后形成 20世纪初震撼经典物理学的狂飙。 正是在这 场风暴中诞生的量子论和相对论 , 对人们的 世界观产生了深远影响 ; 在微观世界中 , 以量 子力学为奠基理论成为科学世界的一角 , 从 而使经典力学的适用范围受到了限制。当我 们郑重地对待量子力学的合法地位时 , 也应 郑重地评价由量子力学带来的哲学思考。 量子力学的全部理论大厦建立在海森堡 的测不准关系原理上 , 有人称颂它是“ 新时代 的曙光” , 象征着“ 量子理论时代已经破晓” 。 对测不准关系进行哲学思考的波尔提出“ 互 补原理” , 它成了人们对微观世界思考的世界 观。应当如何估计由“ 互补原理” 带来的人们 思想观 念的变化 ? 以 及它给哲 学带来的 影 响 ? 这正是本文思考的中心。
一、 “ 互补原理” 的形成
作为量子力学最高哲学概括的“ 互补原 理” , 最先起源于自然现象的不连续性即量子 性。从电磁振子能量取值的不连续性到光的 不连续性再到原子中电子状态的不连续性 , 这是一个伟大的创举 , 它打破了经典物理学 的一统天下 , 初步揭示了微观世界的基本特 征 , 为建立描述微观世界运动规律的量子力 学理论体系开启了先河 , 奠定了基础。 在经典物理学中 , 粒子性是物质具有间 断性的表现 , 波动性的物质具有连续性的反 映 , 所以波与粒子是两种绝对不同的物质形 态。按波动性原理 , 物质的能量是连续传播 的 , 但是 , 黑体辐射和光电效应现象已经不能 用经典物理学的能量连续性原理来解释。在 空间传播的光不是连续的 , 而是一份一份的 , 这每一份光叫光量子 (光子 ) , 是粒子和波的 综合 , 这就是量子力学的波粒二象性。 波与粒 子在量子力学和经典力学里有不同的理解。 在量子力学中 , 粒子并没有固定的位置和轨 道 , 波不是实在的波动 , 而是一种几率波。 波粒二象性是量子力学进一步发展的结 果。当人们再对波粒二象性深入考察时便发 现它所固有的特征 :我们测量微观粒子的位 置与速度或坐标与动量时发现 , 当粒子有准 确的位置时 , 动量则是完全不定的 ; 相反 , 当 粒子有准确的方向时 , 位置有很大程度的不 定性 , 即一个状态变数 (坐标或动量 ) 已定时 , 另一个状态变数可以有任何值。这就是海森
收稿日期 :1997年 1月 30日
堡的著名的测不准原理。测不准原理反映的 是波涵数描述的微观客体的本质特性 , 而绝 对不是由于测量仪器的精度不够所引起的一 种现象。
测不准原理对波尔有巨大的启发。微观 粒子的运动 , 不能用一个在每一时刻都具有 一特殊位置和特 殊速度的粒子的轨道 来描 述 ; 我们要么用粒子的位置来描述 , 要么用动 量来描述。但是这两种现象都是粒子运动所 具有的属性 , 用每种现象都不能对同一粒子 所引起的各种量子现象作出全面的理解 , 因 此 , 理解粒子必须把两者结合起来。 两个方面 既相互排斥 , 又相互补充 , 这就是波尔的著名 的“ 互补原理” 。 这个“ 互补” 一词的意义是 , 一 些经典概念的任何确定应用 , 将排除另一些 经典概念的同时应用 , 而这另一些经典概念 在另一种条件下都是阐明现象所同样不可缺 少的。 海森堡在进一步解释波尔这个思想 时说 :“ 波尔把两种图象——粒子图象和波动 图象— —看作是同一个实在的两个互补的描 述 , 这两个描述中的任何一个都只能是部分 正确的 , 使用粒子概念以及波动概念都必须 有所限制 , 否则就不能避免矛盾” 。
二、 “ 互补原理” 的哲学意义
“ 互补原理” 揭示了两个相互矛盾的原理 同时存在 , 只有两者相互补充 , 才能正确解释 一些现象。 这样 , “ 互补原理” 就具有着重要的 哲学方法论意义。
(一 ) 波动性与粒子性的互补
在微观领域 , 波动性和粒子性是物质的 两种不同的属性 , 物质是波动性和粒子性的 统一体。不仅光波具有粒子性 , 电子以及分 子、 原子、 中子等微观实物粒子 , 确实同时具 有波动性 , 量子力学就是在微观粒子具有波 粒二象性的基础上建立起来的。承认波粒二 象性是微观粒子的客观属性 , 这就为量子力 学找到了哲学依据。爱因斯坦曾说 :坚信“ 有 一个离开知觉主体而独立的外在世界 , 是一 切自然科学的基础。 ”
(二 ) 实在性与潜在性的互补
在测不准关系中 , 我们不能同时找到坐 标与动量的精确数值 ; 其一确定 , 另一肯定是 不确定的 ; 但是确定与不确定又是客体本身 所具有的属性 , 不是由于仪器精密度不够和 实验者的操作或科学家的认识能力的限制的 原因。 我们把确定的看成是实在的 , 不确定的 是潜在的 , 因此确定与不确定的统一就变成 了实在性与潜在性的统一。微观粒子的坐标 和动量具有的确定性与不确定性 , 它的哲学 依据就是物质是实在性与潜在性的统一。一 方是显性的、 实在的 , 另一方是隐性的、 潜在 的。如在光的干涉、 衍射和偏振实验中 , 波动 性是显现的、 实在的 ; 粒子性是隐性的、 潜在 的。反过来 , 在光电效应和光子的散射效应 中 , 粒子性 (量子性 ) 是显性的、 实在的 ; 波动 性 (频率 ) 是隐性的、 潜在的。实际上 , 任何时 刻两种特性都是客观存在的 , 只是它们不能 同时显现出来成为取得支配地位的方面。这 种潜在与实在的互补原理逼真地反映了微观 世界不可调和的矛盾 , 而在逻辑上又不相互 矛盾。
(三 ) 因果性定律和统计性定律的互补 量子力学的建立 , 打破了牛顿力学一统 天下的局面。科学的因果性定律和统计性定 律在哲学上是并行不悖的 , 只有两者的相互 补充才能完整地解释客体性质。因果性定律 和统计性定律的互补 , 为了解必然性和偶然 性、 决定性与随机性之间的关系找到了理论 依据。
在经典力学中 , 根据牛顿运动方程 , 知道 了相互作用力和系统在某一时刻的状态 , 在 原则上就可以算出它以后任何时候的状态 ; 未来发展状态如何 , 都是由现在状态所决定 的 , 遵循着严格的因果律和决定论 ; 偶然性是 规律的反面 ; 规律即必然性、 因果性、 决定论。 在经典统计力学 , 偶然性通过概率进入到规 律 , 规律的含义因此扩大。 从经典力学到经典 统计力学 , 偶然性也就从规律之外进入到规 律之中 , 其原因就在于人们从总体上认识多 体系统的必要性、 必然性 , 而不是人们有没有
能力从系统各元素之间的作用进行描述的问 题 ; 就是经典力学一旦扩大到描述宏观客体 的多体系统如太阳系 , 也不得不用几率密度 分布 , 不得不让偶然性进入到规律。
在量子力学中 , 统计性是规律的本质 , 它 不遵守古典的决定论或严格因果性 , 而遵守 自己的“ 几率性” 规律 , 这个“ 几率性” 规律的 数学严密性和预言力比古典力学是过之无不 及。 因此它仍然合乎严格规律性 , 然而它并不 符合古典的严格决定论或严格因果论 , 因为 “ 几率性” 规律不是针对单个粒子的行为 , 而 是针对粒子系统的统计集合的 (称作量子系 综 ) , 尽管单个粒子的行为具有随机性、 或然 性 , 然而整个“ 量子系综” 的行为都是必然的。 量子规律给古典的严格决定论以极大的 冲击。如何估计量子规律的完备性 ? 如何看 待古典的严格决定论的地位 ? 波恩的一句话 可以给我们以启发 :“ 量子规律的发展 , 结束 了古典物理学所固有的严格的决定论 , 认识 到这一点本身就具有重大的哲学意义” 。 严格 决定论的失效决不意味着决定论和自然界的 因果描述方案的根本破产 , 而只意味着已经 发现有适应于微观自然特殊性的决定论和因 果性认识的新形式。 爱因斯坦认为 , 上帝不投 骰子 , 竭力维护自然界的严格因果性决定论 , 以自然规律的终极 (完备 ) 形式反微观粒子运 动的几率性。 波尔反驳爱因斯坦说 , 上帝投骰 子并不赋以统计含义 , 强调古典决定论的失 效 ; 与此同时 , 却以为必须取消一切决定论。 我们认为两者各有偏颇 , 因为严格的因果律 决定论和统计规律各有自己的适用范围和领 域 , 所以严格的决定论的危机 , 是指古典因果 律决定论陈述模式的危机 , 而不是让我们放 弃因果律决定论。 实际上 , 因果律和统计律是 互补的 , 二者结合起来才能完备地解决自然 界即微观和宏观物质运动的规律。
(四 ) 量子力学与经典力学互补
量子力学是描述微观粒子的理论 , 经典 力学是描述宏观物体的理论 , 而自然界是由 微观和宏观两部分组成的 , 所以只有量子力 学与经典力学相互补充 , 我们才能在理论上 解释自然界。微观粒子和宏观物体各具有自 己的特性 , 因此用描述宏观物体的经典语言 所得出的概念不能完善地描述微观世界的过 程 ; 反之亦然。 经典力学描述方法所依据的是 连续性原理 , 而量子力学描述方法所依据的 是不连续性的量子论 ; 所以在描述宏观物体 运动规律时 , 只要给出指定时间 , 便可以直接 决定客体的准确位置 ; 量子力学描述的粒子 状态的变化服从薛定谔方程 , 观察结果具有 不确定性。波尔的对应理论把经典力学和量 子力学联系起来。无论是经典力学还是量子 力学都是对力学领域的反映 , 它们标志着认 识的不同阶段。那些认为经典力学已达到了 绝对真理的认识是绝对错误的 , 量子力学也 是如此。指望以经典力学或者量子力学成为 完备科学的大厦 , 后辈物理学家只做一些零 碎的修补工作 , 这是做不到的。
(五 ) “ 互补原理” 的认识论局限和意义 波尔的“ 互补原理” 解决了量子力学一系 列难题 , 指出了理解自然界除波粒二象性以 外的其它二重性的道路。 如果我们把“ 互补原 理” 看作是对量子力学基础的一种解释 , 这是 完全正确的 ; 但是 , 如果把这一原理发展成一 个普遍的哲学原理推广到一切领域 , 则是一 种错误的结论。波尔的错误正在这里 , 他认 为 , “ 互补原理” 作为一条普遍的认识论原理 , 它不仅能解决量子力学问题 , 而且它也适用 于解决生物学、 生理学、 医学、 心理学、 语言学 以及人类文化、 艺术和社会关系中去。例如 , 他认为生物学规律与说明无生命物质的自然 规律是互补关系 ; 心理学中的思想与感觉 , 在 不同生活条件下发展起来的民族文化作为一 切艺术成就特点的严肃性与幽默性 , 人类社 会中的公正与仁慈 , 个人在社会中的地位的 描述等等都是互补关系。波恩进一步把波尔 的互补哲学推广到了政治和经济发展中的社 会主义制度与资本主义制度之间的关系上 , 认为如果这两种是互补的 , 那么就能解决当 前国际政治问题。 对这两种制度的关系问题 ,
是一个既要从历史也要从现状作出具体分析 的复杂问题 , 需要我们运用历史唯物主义的 观点进行研究 , 至少从现在看来 , 两种制度既 不是在任何历史阶段都水火不相容 , 但也不 是在任何情况下都会无条件地互补。 所以 , 把 波尔的“ 互补原理” 无限加以推广和扩大的做 法未免过于片面。
波尔的“ 互补原理” 对我们深入探讨物理 学中的一些认识论问题 , 尤其是对微观客体 认识论问题具有很大的启发性。而对于微观 客体来说 , 这不同的侧面可能正是统一体的 相互矛盾着的部分 , 而矛盾着的双方不仅相 互斗争 , 而且相互依存 , 相辅相成。 因此 , 对它 们的描述可能是矛盾的 , 但要全面地认识微 观客体的本质 , 它们又是缺一不可的。 波尔认 为 , 在这种互斥条件下得到的经验显示着量 子现象的不同方面 , 这些方面绝不是不相容 的 , 必须认为它们是以一种新颖的方式而互 补的。所以有人比喻 :“ 波尔的‘ 互补原理’ 简 直是搭起了一座以现代物理学通向辩证法的 桥梁” 。
(六 ) “ 互补原理” 的唯物主义论证 20世纪的物理学革命 , 诞生了相对论和 量子论 , 有些人宣称物理世界引进了“ 精神元 素” , 唯物主义被否定了。相对论被解释为一 种对先定论信仰的支持 , 而量子论却被认为 是对“ 自由意志” 学说的支持。 在量子力学中 , 单个粒子我们无法测定它的位置与动量 , 有 些人以此认为 , 微观粒子如同上帝和灵魂一 样自由运动 , 我们没有能力对它进行测量。 微 观粒子是精神的、 自由意志 , 不具有客观实在 性。 薛定谔波动方程被解释为几率 , 而几率是 精神现象 , 粒子是精神力的一种产物。 海森堡说了一句公道话 , 驳斥了上述观 点。 他说 :“ 量子论并不包含真正的主观特征 , 它并不引进物理学家的精神作为原子事件的 一部分” 。 ! 海森堡的测不准原理的确是说微 观客体的波动性与粒子性则是它的两种基本 属性 , 是客观的 , 是不 以我们的意志为 转移 的。 波尔的“ 互补原理” 告诉我们 , 对微观客体 的描述 , 必须把这两个方面结合起来 , 这样我 们才能准确地反映微观客体。微观客体虽然 不遵循经典力学中的严格因果论、 决定论 , 但 也不是没有规律的自由运动 ; 量子系综是遵 循统计规律运动。由于微观客观的两种属性 即波动性与粒子性是客观存在的 , 所以它的 运动规律也是客观存在的 , 遵循着微观的决 定论、 因果论。 连美国的天主教哲学家兼神学 家富耳顿?邢主教都说 , 说量子论和测不准 原理表现任何物理事件都是无原因的 , 那是 绝对的假话 , 因此 , 物理学中不存在意志自由 的基础。……意志自由问题并不是一个物理 学问题 , 而是一个哲学问题。
发现经典力学的决定论不能解释自然界 一切客体 , 但也不能把自由意志看作是经典 力学的突破口。以经典的因果决定论和统计 论相互补充是我们唯一正确的道路 , 但统计 论和自由意志并不能相互取代。 所以 , 用统计 规律限制经典力学 , 对于自由意志问题一点 也帮不上忙 , 统计规律同自由意志问题是风 马牛不相及的。认为意志力可以通过渗进统 计性定律所留下的缺口来对统计性定律起作 用 , 这样的假说完全是“ 胡说” 。
波尔的“ 互补原理” , 论证了量子力学遵 循着统计规律 , 而统计规律决不是什么自由 意志、 精神现象 , 它是力学领域中的一个客观 规律 , 是在我们之外而且被我们反映的客观 规律。 这就驳斥了自由意志的唯心主义 , 为唯 物主义找到了理论根据。
〔 注释〕
波尔 :《 原子论与自然的描述》 , 商务印书馆 1964年版 , 第 9页。
! 海林堡 :《 物理学与哲学》 , 科学出版社 1974年版 , 第 13、 22页。
《 爱因斯坦文集》 第一卷 , 商务印书馆 1977年版 , 第 292页。
(作者系中国刑警学院讲师 , 哲学硕士 , 邮编 :110035) 【 责任编辑 李素贤】
范文三:怎样科学地认识玻尔的互补原理*
作者:陈建中
山西师大学报:社科版 1998年06期
19世纪末20世纪初,物理学曾经历了一场翻天覆地的革命。在这场革命中,出现了四位科学巨人,这就是发明量子理论的马克斯·普朗克,创立相对论的阿尔伯特·爱因斯坦,发现原子核的欧内斯特·卢瑟福和被誉为“原子物理学之父”的尼尔斯·玻尔。有人称他们是“左右了本世纪和下一世纪命运的人”。而在这四个人当中,“玻尔比任何人,甚至爱因斯坦在内,都更多地改变了这个世纪”。玻尔之所以受到人们如此的高度评价,自然是得益于他提出的互补原理。狄拉克认为,互补原理急剧地改变了物理学家的世界观,其改变程度是空前的;奥本海默认为,这是人类思维进入新的进化阶段的开始;惠勒认为,这是本世纪中最革命的思想;奥米里扬诺夫斯基认为,这是辩证矛盾的一种形式。从这些评价中,我们可以看到人们对这一思想的推崇与重视。然而,对于玻尔的这一思想,却也存在着大量的分歧与争论,它首先受到爱因斯坦、薛定谔、劳埃、德布罗意、波姆、布洛欣采夫等物理学家和哲学家的批评。因此,怎样科学地认识玻尔的这一思想,就成为原子物理学和哲学研究的一项重要内容。
关于玻尔的互补原理,历来存在着不同的理解、争论与看法。究其原因,主要有二:一是“玻尔那种非公理化的、力求含蓄的隐晦的表达方式,给人们造成了很大的理解上的困难和不确定性”。〔1 〕因此连狄拉克(P.A.M.Dirac)也表示:“我非常佩服玻尔, 他似乎是我所遇到过的最深沉的思想家。他的思想,属于那种我愿意称之为哲学性思想的范畴。我没有弄懂那些思想,尽管我曾经尽了最大的努力来企图弄懂它们”。〔2〕二是“这样重要的一个原理或观点, 玻尔却从来不曾对它作过定义式的说明”。“他很少用‘黑体字’来给出定义或结论。于是就造成了一些有趣的情况。有时候人们掌握不住玻尔思想的‘重点’,不知道这种思想的精髓到底是什么。另外,既然互补原理没有什么权威性的表述,人们就按照自己的理解提出了各种不同的表述,但是谁也不敢说这些‘私家’表述到底在多大程度上符合玻尔的原意”。〔3 〕重要的不在于是否存在分歧,而是如何看待和解决这些分歧。我个人认为,研究玻尔的思想应该以其哲学为基础,这就是以玻尔的互补方法来认识其互补原理。
当然,掌握玻尔互补原理的精神实质,是正确理解互补原理的基础。我们应该给互补原理一个正确的科学的理解与认识,这是应该充分肯定的。因为任何科学性的认识,其含义都是明确的、确定的。但是反过来,我们也不必要强求必须有一个统一的解释与认识,因为任何科学性的认识,其含义又都存在着模糊的、不确定的一面。从特定事物或现象来看,任何真理性的认识,都只是对该对象一定方面、一定程度、一定层次的正确反映,其反映的深度与广度总是有限的,具有近似的性质。所以,承认我们的认识有待于深化,承认真理的相对性,就必然要承认科学认识的不确定的一面。这就是说,任何科学性的认识,都是绝对与相对、确定与不确定的辩证统一。正如列宁指出的,这种区分正是这样地“不确定”,以便防止把科学变为僵死的教条;但同时又是这样的“确定”,以便最坚决果断地同信仰主义和不可知论划清界限。〔4 〕我们可以看到这样一种倾向,人们在研究互补原理时,总是试图要给它作出一个确定的规定、定义或概念,以期望形成一个统一的认识和理解。实际上,这是很难做到的,也是不科学的,因为它恰恰从根本上违背了玻尔的互补原理。事实上,如果我们只是一味地恪守所谓的“‘正统’观点”和“权威性的表述”,追求一种“不太走样的了解”甚至必须“符合玻尔的原意”,〔5 〕而对科学探索中其他的一些不同意见和不同的理解与认识则看作是对玻尔思想的“严重的歪曲和误解”,甚而认为“这些探索的收获,看来却十分可怜”,有许多人是“望文生义、哗众取宠”。〔6〕这种态度是不科学的,因而也是不可取的。 科学的伟大发现,往往正是认识互补的结果。玻尔一生的治学态度和作风,是以他的互补哲学为基础的。有人问玻尔,“为什么总有大批优秀的青年科学家聚集在你的周围?”玻尔回答说:“因为我不怕在年轻人面前显露自己的愚蠢”。1921年,19岁的海森堡指出了玻尔的一个错误,玻尔相当高兴,立即邀请他到哥本哈根工作。泡利也是在同玻尔发生学术上的分歧后,才经过研究,提出了不相容原理的,这一点也很得玻尔的赏识。这些人后来都成为哥本哈根学派的顶梁柱。对于反对自己学派的人,玻尔也能正确对待,决不采取排斥异己的做法。众所周知,薛定谔对于被哥本哈根学派推崇备至的互补原理,就曾经颇不以为然。玻尔并不因为他对自己提出的原理持否定态度就大动肝火,相反,他热情邀请薛定谔来哥本哈根讲学,切磋交流。这种良好的学风,使哥本哈根学派的矩阵力学理论和薛定谔、德布罗意的波动力学理论都得到了充分发展,最后殊途同归,由狄拉克合而为一,成为统一的量子力学。因此,研究玻尔的互补原理,我们不必要强求一个统一的解释与认识,而应该以玻尔的互补方法来认识玻尔的互补原理。
对于这样一个“改变了这个世纪”的重要原理,玻尔却从来不曾对它作出定义式的说明,这是值得我们深思的,是这位科学巨人的疏忽吗?绝不是。玻尔这样做,自然是与他的互补哲学分不开的。从他对互补一词的解释来看,玻尔指出:“互补一词的意义是:一些经典概念的任何确定应用,将排除另一些经典概念的同时应用,而这另一些经典概念在另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的”。〔7 〕对于微观粒子的波粒二象性,玻尔认为波动和粒子作为两个理想的经典概念,它们在应用上是互相排斥的,其中每一个概念都只是部分地正确并都有一个有限的适用范围,但却不能被同一实验同时表现出来。任何一个单独的概念或图景,都不能对同一原子客体所引起的各种量子现象作出全面的解释。要想得到微观粒子的完整图象,只有把两类仪器的实验结果即波动性和粒子性相互补充,才能得到对粒子的完全认识,它们之间是一种互斥而又互补的关系。玻尔的解释,使我们明确了微观粒子现象的任何观察,都将涉及一种不可忽略的和观察仪器之间的相互作用。它至少给了我们这样一个哲学启示:不同的观测仪器,对同一对象可以得出不同的观测结果;不同的感觉器官与对象所构成的特殊关系,决定了感官功能的差别,因此向主体提供的表象也呈现为一种互补结构;同理,不同的主体对于同一客体的感觉会因主观背景的不同获得不同的结果,从而呈现为一种多元互补结构。反过来,任何一个经典概念的确定与应用,都是对观察对象即客体的某一个层次、某一个侧面的部分正确的反映与概括,因而都存在一个有限的适用范围。这就是说,任何经典概念的抽象与规定都是不完备的,有缺陷的,它们只有通过互补才能达到完美无缺。对于互补原理的认识与表述来说,也同样存在着这一问题。作为这一思想的提出者和创始人,玻尔对此当然是十分明确的,我想这正是玻尔为什么没有对互补原理作出定义式的说明的根本原因。按照互补原理所揭示的哲学思想来看,玻尔则更喜欢让人们自己得出互补性的结论,而不是由自己做出定义式的说明去强加给人们。这正是玻尔那种论辩式的、非公理化的风格的体现,他一般常常是提出一个问题就一路说下去,向你展示各种局势,进行正面和反面的分析,指出最值得注意的地方,从而力图引导人们自己得出结论。如果作出一种定义式的说明与规定,无异于限定了一定的框框,从而限定了人们的思维方式,影响了人们从不同的角度、层次、侧面对互补原理形成一种互补性质的全面理解与认识。同时从科学的发展来看,任何科学认识只是对绝对真理的无限逼近,因而任何理论都必然具有某种程度的相对性。这种相对性的存在已为哥德尔的“不完备性定理”所证明;一个无矛盾(一致性)的理论体系不可能是完备的。如果系统内部是完备的,其一致性在本系统内不可证,即包含着不可判定的命题。哥德尔理论虽然讲的是数学,但这一发现有着重要的方法论意义。它告诉我们,作为对统一的、运动的物质世界某一层次、侧面或阶段反映的科学认识,无一不存在这种“不完备性”。互补原理作为一种科学认识,同样存在着“不完备性”,它有待于在科学的发展中不断地加以丰富与补充,这正是玻尔为什么对互补原理没有作出定义式说明的高明之处。
在关于互补原理的研究与理解上,还存在着一种倾向,这就是为了追求一种“正统”的、毫不走样的理解,从而要求一切的解释都必须完全符合“玻尔的原意”和“严格意义下的互补性”,从而把它限定在一个狭小的范围内。这些同志认为,“玻尔所理解的严格意义下的互补性,包含着不能结合成一体这样一个条件。例如两个互补的图象(例如微观客体的波动图象和粒子图象)根本不可能结合成为一种统一的图象:它们之间除了严格意义下的‘互补’(即不可偏废)这一很松散的关系以外再也不存在任何稍微紧密一些的关系”。〔8 〕“两种互补的事物也和辩证法中两个矛盾着的方面并不相同,因为互补的事物是不能同时出现的(‘尹邢避面’),而矛盾着的方面则是不断‘斗争’着或相互作用着的”。〔9〕还有的同志甚至认为, “具有互补关系的两部分之间互相排斥,既不是互相矛盾也不会统一起来,否则就不是互补关系”。〔10〕这种解释,对于微观粒子的波粒二象性来说,无疑是正确的。然而客观世界是纷繁复杂、多种多样的,由此决定了事物的互补方式和方法也是多种多样的。实际上,互补原理的哲学意义已经远远超过了波粒二象性的解释,它所揭示的方法论原则也绝不止一种形式,它所涉及的范围是极其广大的,具有广泛的普遍性,因而适用于不同领域,也必然存在着多种多样的互补形式和方法。如果把特指量子现象的相互排斥不能统一的互补现象和方式作为唯一的方式当作教条来到处套用,或者机械地搬来用以裁剪客观世界中多种多样的互补形式和方法,稍不符合就加以否认,这决不是一种科学的态度。现代科学的发展,涌现了一大批的科学方法,如系统方法、控制方法、信息方法等,对于这些科学方法,我们必须给以哲学的论证与升华,使之上升到唯物辩证法的高度,而不是简单地移植和机械地照搬,互补原理及其方法也不例外。事实上,玻尔本人对互补原理既没有作任何标准化的规定和定义式的说明,也没有给它划定一定的范围。相反,在互补原理提出后的几十年里,他并没有把它仅仅限制在物理学领域或者仅仅满足于物理学上的解释,而是试图把它运用于人类知识的所有领域。玻尔说:“包括在原子物理学发展中的认识论教益,使我们想到在远远超出物理科学的那些经验的描述及概括方面也有一些类似的情况,而且,这种教益,也使我们可以找出一些共同特点来推动有关知识统一性的寻求”。〔11〕正是基于这一思想,玻尔运用互补原理去解决生物学、心理学、数学、化学、人类学、语言学、民族文化等科学问题,并试图揭示其他形式的互补关系以及与量子物理学有点类似的形式。他并没有划出一定的范围与界限,规定在其他学科的运用中必须符合量子现象中互补关系的两个部分互相排斥不能统一。在他自己设计的族徽中,采用了中国阴阳学说中的“太极图”案,而“太极图”本身就是一个互相补充和统一的图案,如果按照“严格意义下的互补性”去理解,恐怕这也是不能容许的。
在物理学上,常常有许多学派,它们有时完全是互不相容的,但它们都在一定范围内真实地反映了自然。光的波动说和微粒说争论了几百年,难以判定谁正确谁错误,结果只要把它们互补起来,则我们对光的认识就更加正确了。近年来,爱因斯坦的广义相对论也受到挑战,加拿大多伦多大学的John.W.Moffot 提出一种新的引力理论与爱因斯坦的广义相对论相对抗。他的理论能解释一些爱因斯坦理论所不能解释的现象,我们同样不能简单地下结论两种理论到底谁对。对于互补原理的理解与认识也是这样,我们既不要强求一个统一的解释与认识,也不要企图给它作出任何标准化的规定与说明,从而把它限定在一定的范围内。以玻尔的互补方法来认识玻尔的互补原理,这才是我们应该采取的科学态度和遵循的方法论原则。
* 本文系作者《怎样科学地认识玻尔的互补原理》、 《互补原理及其认识论的新形势》、《互补方式的复杂多样性》、《互补原理的方法论意义》等系列论文之一。
注释:
〔1〕〔3〕戈革:《尼耳斯·玻尔和他的互补原理》,《自然辩证法通讯》1987年第5期,第1页,第4—5页。
〔2〕C.Weiner编,History of Twentieth Century Physics,Academic Press,1977,P·134.
〔4〕参见《列宁选集》第2卷,第135页。
〔5〕〔6〕戈革:《尼耳斯·玻尔和他的互补原理》,《自然辩证法通讯》1987年第5期,第1、4、5、6页。
〔7〕N.玻尔:《原子论和自然的描述》,商务印务馆1964年版, 第9页。
〔8〕〔9〕戈革:《尼耳斯·玻尔和他的互补原理》,《自然辩证法通讯》1987年第5期,第7—8页。
〔10〕李莉、王为高:《测不准原理、互补原理及其认识论意义》,《争鸣》1989年第2期,第68页。
〔11〕N.玻尔:《原子物理学和人类知识》,商务印书馆1964年版,第83页。
作者介绍:陈建中,《山西师大学报》主编,教授。山西省临汾市 041004
范文四:3.爱因斯坦对于互补原理的批判
3.爱因斯坦对于互补原理的批判
根据量子力学 Copenhagen 解释,动量和坐标测不准关系是引起 Quantum decohernce 的一个重要原因,但最近德国 Rampe 小组的冷却原子布拉格散射实验表明,测 不准关系不是 Quantum decohernce的唯一起因,而测量仪器和被测系统通过相互作用,形 成的量子 Entangled state 是问题的核心。在他们的实验中,原子质心的动量扰动,可以被 降低到忽略不计的程度, 只须用原子的内态标记原子的空间路径, 原子的干涉条纹便消失了。 Rampe 小组的冷却原子布拉格散射实验从一个侧面表明, 测不准关系只是物质固有属性—— 波粒二象性的一个方面的体现, 而不是由“主观介入”引起的。 Rampe 小组的冷却原子布拉 格散射实验进一步说明 Copenhagen 量子力学解释的局限性, Mach 的实证哲学导致量子力学 理论必须引入“主观介入”, 微观概念不再具有“客观性”, 从而量子微观世界不会独立于 主体之外。有人甚至由此得出“月亮在无人看它时确实不存在”的荒谬结论。
量子力学几率解释的本质缺陷 Einstein是看准了的,实验表明电子波是物理波, 它有明显的衍射和干涉效应。 只承认电子波是数学波, 加上不可名状的“潜能”和“趋势”, 对粒子的控制, 这就很令人费解。 “不确定性”原理是那样的深奥莫测, 不确定性或是上帝 赋予的天生本性,或是测量仪器的测量误差,或是测量仪器在宏微观的“翻译”中走了样, 如此等等, 反正人们对它的理解莫衷一是。 原子内部电子的运动不可知, 人们知道的只是系 统的某种数学知识。 玻尔的互补原理也无法解脱这一困境。 承认电子身上波粒互补, 对追究 电子为何携波粒于一身的物理机制 , 实在难说说出了什么。承认互补原理,可以说是对深究 电子波粒二重性的解脱。 由于量子力学的 Copenhagen 解释已被人们广泛认可为量子力学 的正统解释,它必有其诸多合理性的一面,因此研究量子运动与 Copenhagen 解释之间的关 系将有助于人们理解和接受量子运动,同时也将使人们对 Copenhagen 解释有一个更加清晰 的认识。
Einstein 反对这样一种观点:如果一些测量仪器的目的是要规定现象的 space-time 参 照系,那么对于客体和测量仪器间的动量交换及能量交换的控制就要被排除。 Einstein 提 出了一种论证:当把相对论的要求考虑在内的话, 这样的控制是可能的。 爱因斯坦在文章中 写道 :“物理学是从概念上掌握实在的一种努力 , 至于实在是否被观察 , 则被认为是无关的。 ” “像物理体系的实在状态这样的事实是存在的它不依赖观察或度量而存在着。 ” 1爱因斯坦的 1李醒民 科学家的哲学家 求索 1990年第 5期
实在观由于和经典物理学的理论、实验以及我们日常生活的经验部分的一致 , 因此有人称之 为经典物理实在观 . 爱因斯坦的物理实在观概括如下 : ①爱因斯坦的物理实在观是关于一 个观察者独立于客观世界图景的理论 , 也就是说一种实在不受观察者行为和观察者影响的观 点 ; ②物理实在具有决定论的特点 , 这种决定论是因果性的决定论。 认为实在本身与因果 性是不可分离的 , 因果性是实在的必要条件。爱因斯坦反对量子力学的主要原因就包括量子 理论的统计方面。因果性是爱因斯坦物理实在观的绝对必要条件 , 爱因斯坦认为几率解释是 一种主观的解释 , 从而几率说被爱因斯坦认为是无知的反映 ; ③爱因斯坦认为物理实在提供 空时描述也就是说物理实在是定域的。 2总而言之 , 爱因斯坦关于物理实在的观点是 :物理实 在是一个观察者独立的概念 , 它包含着因果决定论和定域性的特点 , 这是爱因斯坦物理实在 观的核心所在 , 任何在这个方面和爱因斯坦看法对立的观点都是爱因斯坦所不能容忍的。 互补原理的提出只是概括了物理实验现象, 却没有对现象的本质进行说明。 正如爱因 斯坦所指出的, 互补原理不过是一种绥靖哲学。 它只是根据实验现象的提示把两种互相排斥 的概念无原则地硬拉在一起, 却没有说明其统一起来的根据。 它只能向它的信徒 (哥本哈根 学派) 暂时提供了一个舒适的软枕, 却并不能解除深思的人们内心深刻的不安。 对于波粒二 象性, 许多人总是试图将其中的一个性质归结为另一个性质, 如薛定谔就认为粒子性可以归 结为波动性。 这样粒子的实体应归结为是媒质的波动产生的, 粒子的运动并不是粒子实体的 移动过程, 而仅仅是媒质波动的传播过程。 因而也就会得到这样一个结论:我们所感觉到的 物体的移动不过是一个假象, 一切都是某个绝对的本体的显现过程。 但是物理学还没发展到 敢于正视这个结论的地步。
爱因斯坦认为:“互补原理不过是一种绥靖哲学, 它只是根据实验现象的提示把两种互 相排斥的概念无原则地硬拉在一起, 却没有说明其统一起来的根据。 它只能向它的信徒 (哥 本哈根学派)暂时提供了一个舒适的软枕,却并不能解除深思的人们内心深刻的不安。” Einstein 讲:“有一个独立于知觉之外的客观世界是一切自然科学的基础【 1】。当 有人试图把理论的量子描述看成单个物理系统或事件的完备描述时,他会陷入矛盾之中 【 2】”
在物理研究中 , 玻尔明确区分了主体和客体。但是在主客体分界线的划分上 , 玻尔和爱 因斯以及经典物理学家们是有区别的。 玻尔把主客体的分界线放在独立的观察者和量子现象 之间。 经典物理学家的物理实在观和爱因斯坦的物理实在观将主客体的分界线放在观察主体 和量子客体之间 , 是因为他们没有看到量子客体在被观察的时候对观测仪器的依赖作用。究 2黄继 爱因斯坦物理实在观与爱因斯坦玻尔争论 南京航空航天大学学报 2005
其更深层次的原因是在经典物理学中 , 作为独立观察主体的宏观的人与观察客体宏观的被观 察物之间是平权的 , 观察主体可以自由的无歧义的获得关于客体的信息 ; 而在量子物理学中 , 玻尔的物理实在观概括为 : ①承认有一个独立的外在世界 ; ②微观客体的诸如动量、能 量、质量等物理量在给定的时间和位置不可能具有确切的数值 ; ③微观客体具有非定域 性和不可分性 ; ④物理世界是统计决定的。
笔者认为, Einstein 的这一观点是错误的, 相对 space-time 总会影响绝对 space-time 的结构,但是仪器也是客观实在,仪器和微观粒子间的相互作用 也不过是客观世界中的相 互作用, 简单地把仪器说成是观察者, 并推断说观察者对微观粒子的影响大到不可控制, 会 带来一些看上去不可逾越的困难。 Schr?dinger方程具有时间反演的“可逆性”,但在测量 过程中 Wave packet collapse的“跳跃”却是时间反演不可逆的。因此,从原则上讲,就 不可能“推导”出时间反演不可逆的结果。 Stephen Hawking 曾经提出过量子相干性丧失的 可能性,因为电磁空间具有分立结构。要想从 Schr?dinger方程推导出 Wave packet collapse ,就必须对仪器的宏观和经典性质加以强调,不可单纯由 Schr?dinger方程得到。 可以证明,在宏观极限下,如果仅关心较短的时间演化,恢复 Quantum decohernce的量子 跳跃来不及发生, Schr?dinger 方程为量子态提供了完全决定性的时间演化,Schr?dinger方程加上量子力学的系综解释,的确可以说明 Wave packet collapse这一 Quantum decohernce 现象,“主观介入”可以排除。对量子描述赋予客观的物理实在:量子态。
参考文献 :
【 1】 Einstein 和英费尔德著 周肇威 译 . 《物理学的进化》上海科学技术出版社 1962年
【 2】 Einstein 著方在庆韩文博 何维国 译 . 《 Einstein 晚年文集》海南出版社 2000年 3月第 1版
范文五:互补原理对于理解量子力学是必需的吗
第20卷, 第6期 科学技术与辩证法Vol. 20 No. 62003年12月 Science , Technology and Dialectics Dec. ,2003
互补原理对于理解量子力学是必需的吗?
吴新忠
(上海交通大学科学史系, 上海200030)
摘 要:量子力学的哥本哈根解释显然是以尼尔斯?玻尔提出的互补原理作为解释体系的基本方法论原理的, 其他解释多数受到互补原理的思维方式的影响, 或者以某种方式包含着互补原理。我们根据量子力学发展的前沿成果和量子力学解释体系的新发展, 试图论证互补原理尽管包含了辩证思维的合理立场, 但本质上是以经典世界观和量子世界观的深层分裂为前提的, 只要这种二元论的根子没有被量子论的新发展所超越, 物理学的基础就不可能达到真正辩证的、整体论的“广义热力学和生态学范式”的统一。互补原理的真正哲学动机是现象主义和实证主义, 掩盖了从微观量子动力学向宏观经典力学过渡的动力学机制问题。
关键词:互补原理; 量子论; 辩证法
中图分类号:N031 文献标识码:A 文章编号:1003-5680(2003) 06-0029-05
一 互补原理的起源和物理意义
在1927年的国际物理学会议讲演中, 玻尔首先提出了互补原理的第一层意义:对立的描述方式的互补。他指出:“量子论的本性就是我们不得不承认时空表示和因果要求是依次代表着观察的理想化和定义(指:无歧义地界定客体的状态) 的理想化的一些互补又互斥的描述特点, 而时空表示和因果要求的结合是经典理论的特征……量子公设给我们提出了这样一个任务:要发展一种‘互补性’的理论, 该理论的无矛盾性只能通过权衡(客体的无歧义) 定义和(主体的无
[1]干扰) 观察的可能性来加以判断。”
的新概念来理解经典概念的局限性; 玻尔显然没有依据这样的说明程序, 他的理由无非是量子对象无法直接观察。但是, 我们要知道, 经典客体也是无法直接观察的, 对于不透明的物体, 我们总是假设它有一个内部结构, 具有某种几何结构和理化属性, 而不是求助于莫名其妙的互补原理之类的东西来推测未知的结构。爱因斯坦在修正牛顿物理学时, 不是用过时的绝对同时性来理解依据光速不变原理引入的新的同时性概念(洛伦兹就是这样做的, 用理想的假设的绝对同时性来定义相对的“地方时”, 就像玻尔用理想化的经典概念经过互补的方式来理解量子概念) , 而是用新的同时性的理想概念分析牛顿的经典时空观的局限性。相对论的非经典概念在逻辑上是独立于牛顿物理学的, 而量子论的非经典概念在逻辑上是依赖于经典力学的, 这就是爱因斯坦对量子论的正统解释不满的真正原因。相对论中的物理客体在涉及无法直接观察的内容方面决不低于量子论, 同样也存在观察对客体的影响不可消除的难题———假设的观察理想化, 还有过度几何化的定义理想化。物体的静能是在一定的约定条件下推论出来的; 引力场本身的能量就是无法直接观察的, 在不同参照系或者以不同的试验客体测量引力场就会有不同的效应, 试验客体本身的引力场对被测引力场的作用在一定范围内是无法消除的, 引力自能(即使忽视未知的量子引
这段话就是有关互补性含义的最早的经典性表述。玻尔在这里强调的是时空描述方式与因果性描述方式之间既互斥(不可两全, 不能像经典力学那样结合成统一的时空因果性描述) 又互补(要形成关于原子客体的完整观念两者缺一不可) , 与此相关的是两种过度的理想化。我们认为, 量子水平的时空描述和因果描述很可能是以某种我们未知的方式结合在一起的, 用经典力学的概念描述量子论本来就不一定合适, 即使以互补的方式描述也不会是合适的。如果量子论比经典力学有更多的真理性, 那么我们不应用过时的经典概念来理解量子论(不管是否用互补原理) , 而应该用量子论
【基金项目】 社会科学基金资助项目, 教育部:当代物理学前沿的哲学问题研究。【收稿日期】 2002-12-05
【作者简介】 吴新忠(1968-) , 男, 哲学博士, 上海交通大学科学史系任教, 研究方向为科学哲学和马克思主义哲学的教学研
究。
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力效应) 带来的不确定性未必会低于量子不确定性; 而广义相对论的很多计算是忽略试验客体的引力效应的, 物体在所谓黑洞附近的运动行为以及在假想的虫洞中穿越时空回归过去的奇特行为, 都是因为忽视物体本身的引力效应和其他效应而达到过度的几何理想化, 显得非常可疑; 广义相对论在真正的多体问题上很难处理。既然相对论不因为类似的理论困难求助于互补原理之类的方法论, 量子论也没有理由求助于互补原理。
互补原理的第二层含义是两类经典概念的互补性。
1929年玻尔对互补性作了新的概括“:互补一词的意义是:一
些经典概念的任何确定应用, 将排除另一些经典概念的同时使用, 而这另一些经典概念在另一些条件下却是阐明现象所
不可缺少的。”[2]
但是, 这样的互补原理决不是量子论特有的
和必需的, 比如, 对液态水的流动性的描述当然不同于对固态冰的硬度的描述, 但对于水的全面描述二者都是不可缺的。量子论的经典描述的问题在于:经典因果描述的信息不可能在经典时空图象中完全显现, 反之也然。这不过是同义反复证明了经典概念不能完全合适的描述量子论, 真正合理的新量子概念需要创造性地建构, 就像一个有未知内部结构的三维物体不可能用任何角度的二维光学图来揭示一样, 除非采用类似X 射线透视力的二维图。对于透视量子过程内在结构的合理概念是什么, 恰好是科学研究的问题。互补原理以方法论的模糊性掩盖了真正的科学问题。
互补原理的第三层含义是不同实验安排之间的互补性。相互补充的两大类现象的出现要求存在相互排斥的两大类实验安排。为了测量两个共轭的物理量(如位置与动量, 或时间与能量) , 就必须有两类不同的实验装置和实验安排。它们互斥又互补, 即不能同时兼得, 彼此结合才能把原子客体的一切可能得到的有关信息揭示无疑。马克斯?玻恩对此作了清楚的说明:
“测量空间坐标和时间时刻需要刚性的量杠和时钟。另一方面, 测量动量和能量则需要带有可动部分的工具, 以吸收受测试客体的动量, 并指示其动量的大小。可以看出, 不可能有这两个要求同时都被满足的实验安排。因此就存在着互相排斥又互相补充的实验, 仅在彼此结合时才揭示出关
于一客体的可能得到的一切知识。”
[3]对于这个问题, 我们可以这样来理解。宏观物体的动量和位置可以同时精确确定, 相当于一个透明容器中的小物体, 既可以看到, 又可以听到摇晃容器时发出的叮当声; 微观物体的位置和动量不能同时测量, 相当于不透明容器中的小物体, 你要么倒出来看到它, 要么通过摇晃容器听到叮当声, 两种效应不会同时出现, 是互斥又互补的。互补原理在一些宏观现象中也有效, 暗示着量子现象可能是类似于不透明容器的灰箱体系, 一旦有更好的理论理解量子现象的相互作用机理, 量子灰箱就可以变为白箱。互补原理不像哥本哈根学派理解的那样, 是理解量子现象的基本或终极的原理。爱因斯坦说得好:“海森伯———玻尔的镇静哲学[Beruhigungs 2
philosophie]———或镇静宗教———设计得很巧妙, 从而目前它
还给信徒们提供着一个柔软的休息枕头, 从那个枕头上把他
30
们赶走是不容易的。因此, 咱们就让他们安息吧。”[4]
也就是
说, 爱因斯坦指责哥本哈根学派利用互补原理对量子现象作一知半解的灰箱式理解, 而且把这种一知半解的方法论提升为理解量子现象的根本原理。我们认为, 爱因斯坦虽然没有对量子现象提出更好的解释, 但有一种恩格斯所说的德国学者特有的彻底思维或思维彻底的可贵精神。
互补原理的第四层含义是两种对立图像的互补性。玻尔把波粒二象性看作是互补性观点的重要支撑点。海森伯从自己的角度出发作了这样的说明:
“不加批判地同时运用波动和粒子图像, 势必会导致直接的矛盾。由这两个图像同时并存这一点出发, 我们就可以立即推出, 在这两个图像中, 我们不论运用哪一种图像, 自然界都给它设下了限制。例如, 根据波动图像, 可以求出对于
运用粒子图像的限制。”
[5]由此不难理解, 为什么海森伯的测不准关系常被看作是体现互斥又互补的关系的数量界限。但是, 在诸如超弦理论之类的各种弦论中, 基本粒子被视为类似弦和膜之类的微观客体的振动, 波粒二象性的二元论图景已经开始走向统一。各种非正统的量子力学解释也对波粒二象性和测不准关系提出了不同的理解。作为互补原理的本体论基础的二元论已经受到挑战。
如果从以上诸方面内容中抽取共性, 则还可以作更高的概括。按这一思路, 雅默将互补性诠释定义如下:
“一个给定的理论T 可以有一种互补性诠释, 若是它满足以下的条件:(1) T 包含有(至少) 两种关于其实体[例如光]的描述D1和D2; (2) D1和D2是属于同一论域U 的(在玻尔的情况下U 即微观物理学) ; (3) 单取D1或D2都不能穷尽地说明U 中的一切现象; (4) D1和D2在这种意义上是互斥的, 即如果把它们组合成一种单一的描述就将导致逻辑
上的矛盾。”
[6]
对此, 戈革先生根据玻尔的原意作了一点补充:(5) “分别使用D1和D2, 就能包罗罄尽的阐明U 中的所有现
象。”
[7]从这里可以看出, 互补原理虽然是从量子力学的正统解释中引申出来, 但是原则上适用于其它现象, 带有逻辑和哲学方法论的意味。而问题在于, 如果互补性不是量子力学所特有的, 它对理解量子力学是否是必需的。
二 有关互补原理的争论
1955年, 马里奥?本格针对1953年玻尔的老战友罗森菲
尔德发表的题为《关于互补性的争论》的论文, 发表同名论文, 后来收入《元科学质疑》一书中。本格对罗森菲尔德的观点进行了尖锐的批评, 无条件地把罗森菲尔德的观点列为量子理论中正统哲学保守观点的最新表现, 他认为这一观点本质上带有实证主义和现象主义的特点。本格指出“:互补性不是一个物理的, 而是一个哲学的教条, 因为它并不涉及运动着的物
质, 而是涉及到概念的应用和语词的表达。”[8]这当然是指量
子过程必须用经典术语表达这个教条; 按照我们的理解, 这不过是表明了量子力学在涉及经典概念时不如相对论的革新来
得彻底。相对论的概念革新意味着经典概念在其适用范围内逻辑地由相对论概念推出; 量子论的概念虽然不同于经典概念, 而且在经典近似中对应于经典概念, 但是量子概念不是重新定义的, 它的操作含义必须在逻辑上依赖于经典概念。哥本哈根学派企图用不确定关系和EPR 关联等物理内容来论证互补原理在物理上的必要性是自我支持的论证, 因为其他学派一旦拒斥互补原理, 自然就得对上述物理现象重新理解, 有关不确定关系和量子关联等现象的不同解释几乎与不同类型的量子力学解释体系一样多, 甚至更多。
本格认为, 波动图像和粒子图像的互补性是一个假问题“, 既然量子力学是真理, 那么在自然界中就没有任何微粒
-波动二象性。”[9]与经典层次的波动和粒子不同, 在量子层
次上存在着独特的量子客体, 由于量子具有另一种本性, 不可以用经典概念加以描述。特别是它们既不是粒子, 又不是波。所以“二象性不是正确的回答, 因为在量子层次上存在的不是微粒和波动的性质, 而首先是类粒子和类波动的性质。简言之, 量子力学的‘粒子’和‘波动’应加以比喻地理解, 而不应该从字面上来理解。”与对于量子实在的这种理解相适应, 本格把基于互补性观念的解释评价为“与其说是物
理学的解释, 不如说是心理学的解释”。
[10]
本格认为在量子力学的正统解释中, 认识论的二元论在不同的水平中出现“:主观唯心主义的论断涉及微观事件, 而
某种实在论立场保持在宏观水平上。”[11]罗森菲尔德的以下
论述就是这种认识论二元论的例子“:在经典物理学中, 能够确立被考察体系和观察手段之间的明确区分, 从而在构造我们关于现象的观念时可以不考虑后者。作用量子的存在使这样一种区分成为不可能的了, 因为它对分析体系和仪器之间的相互作用加上了一种限制, 该仪器是确定着我们在观察体系时所处的条件的。因此, 现在定义现象的就是由体系和
观察仪器所组成的那个整体了。”
[12]玻尔偶尔也声称一种相容的唯心主义观点, 将它延伸到宏观水平。他争辩道, 既然每一个观察涉及一个与仪器有关的有限的相互作用“, 就既不能赋予现象又不能赋予观察器
械以一种通常物理意义下的独立实在性了”。[13]他至今还称
赞海森伯的断言“:普通(即宏观) 现象在某种意义上是由可
重复的观察造成的。”[14]但是玻尔通常将唯心论的可靠性只
是限制在原子水平上, 他在分析量子效应的著名断言中指出, 我们“不能明确地区分原子客体的独立行为及其和测量仪器之间的相互作用, 该仪器是用来确定现象发生时的条件
的。”[15]其中心论点是否定原子现象的自主存在。既然原子
论, 传统唯物论的有力支撑, 不再被拒斥(犹如在马赫和奥斯特瓦尔德的时代那样) , 那就明智地将它非自然化:最后原子被归为科学王国中的公民, 但只是在理想层面上, 作为服务于结合经验数据的辅助概念。这就使得原子论变成意识形态上体面的东西。
本格鲜明地指出了在与原子王国相联系的场合坚持主观唯心主义和涉及宏观水平时的唯物主义立场之间的不相容性“:唯心主义者坚持宣称原子脱离仪器不存在。现在, 仪器被公认为具有原子结构———至今没有在理论上得到细致
的说明。所以如果人们断定‘只有仪器是存在的’, 那么人们必然隐含着宣称‘原子也以同样的方式存在’———与前面的句子矛盾, 这就是为什么玻尔总是坚持所有现象和仪器最后必定以经典的(即宏观的) 方式对待, 仅仅是为了避免对著名的相互作用的深入分析, 这个分析将显示每一对象和仪器应
当被归为什么样的现象。”[16“]
因此, 对于量子力学通常解释
的支持者来说, 原子现象和它们的观察是不能进一步穿透的。取代物质的原子, 运动的原子, 我们现在有了知识的原
子。”[17]哥本哈根学派的认识论的二元论迷雾, 以现象主义
和实证主义的面孔出现, 最终把我们引向否定原子客观存在的唯心主义。这种认识论的二元论迷雾, 甚至以辩证法的伪装出现。让我们来看一下哥本哈根学派的表演。
罗森菲尔德对互补性与对立统一的关系作了这样的论述“:我们看到普朗克和爱因斯坦徒劳无益地力图在经典概念的构架之内解决(粒子和波的二难) 这个问题。玻尔却相反地从一开始就认为‘, 恰恰是通过强调这一对立’就有可能重建一种新的和谐。……当描述原子现象时, 再也不可能按经典的方式把这两套(对立) 概念结合起来了:它们关系到现象的两个同样必要的而又互相排斥的方面。这是概念之间的全新类型的关系, 如果你愿意也可以说是一种新的逻辑范
畴; 我们追随着玻尔把这种关系叫做‘互补关系’。”
[18]罗森菲尔德把互补关系看成是一种特异的对立统一关系。这种特异性表现在粒子图像与波动图像无法折衷成半波, 半粒子的统一的直观图像; 测量动量的实验安排与测量位置的实验安排无法调和成一个单一的同时测量两者的实验安排, 等等。互补性思维的微妙之处在于, 通过互相限制来超越对立克服矛盾, 这就是所谓互补性作为对立统一的特异性。
1947年玻尔在设计家族族徽时, 对互补原理的本质特征
作了高度的提炼和概括。它被归结为一句话和一个图。玻尔所采用的话是拉丁文格言:Contraria sunt Complementa , 相反者相成也”。“互斥又互补”同样是准确的译文。玻尔所采用的中心图案是中国广为流传的“太极图”, 这是中国古代以阴阳为格式的辩证法的特殊标记。周易中的“一阴一阳之谓道”, 正好体现了互补原理的核心思想“互斥又互补”。心有灵犀一点通, 无怪乎玻尔在1937年访问中国时一下子被太极图吸引住了。
太极图的图案不仅为互补原理, 而且也为波粒二象性提供了一种形象化表示。1949年前有个既研究周易又研究量子力学的学者薛学潜最早注意到这一点, 他在《易(周易) 与物质波量子力学》一书中曾断言“太极图者, 量子图也”。美国的康灵顿博士也认为量子力学中的波粒二象性和测不准原理有力地支持了中国古代的阴阳二元论哲学。
在周易, 辩证法与量子力学概念之间存在着深刻的联系。我们认为, 太极图不仅体现了量子现象的互补性特征, 更是真空正反粒子对涨落的量子波函数几何特征的形象表达。按照托姆和赵国求提出的量子曲率解释, 波函数的拓扑形态(包括总曲率与局部曲率) 与波动频率有关。这意味着对互补性需要作几何动力学的理解, 它本身不是什么不可还
31
“
原的基本物理事实。
在量子论的非正统解释中, 存在着克服或重新理解波粒二象性和互补原理的各种尝试。德布罗意把粒子和波看成是实在的互补方面, 早在1927年他就提出了“双重解理论”的提纲, 其中粒子和波拥有独立的, 不是互相排斥的同时的实在性。德布罗意的这种互补性已经不同于玻尔的关于量子实在的两个经典图景的互斥又互补的论述。在一系列困难暴露后, 德布罗意被迫附和了“正统”解释, 而在内心并不赞同这种解释。用他自己的话来说, 他“在量子物理学领域内长期采用互补性思想, 同时却意识到, 它不完全是适合
的。”[19]后来, 他“开始对互补性观念抱着愈来愈多的怀疑。”
[20]在50年代初, 由于受重新宣布了“导波”理论的玻姆的著作的促进, 德布罗意重新回到自己过去的观点, 认为, 基于互补性思想的量子力学的标准解释“, 不能保证真正令人信
服地解释内原子层次上的物理实在性, ”[21]
因为它“把光和
实物的基本因素看作相反的形式, 这些形式有时在我们面前
呈现为波动, 而有时呈现为粒子。”
[22]
实际上, 德布罗意的双重解理论是企图让量子现象的波动性和粒子性在非线性波动力学中以无矛盾的方式结合在一起, 粒子性代表着一个自组织奇点区的核心, 波动性代表着组织核心内在振荡在空间中的弥散, 这种波粒二象性的统一已经与人为选择的观察方式无关, 正统解释中的量子互补性被自组织微观体系呈现的波粒二象性的辩证统一所扬弃, 困难的只是我们如何构造和求解非线性波动力学。
另外一些学者企图将量子论统一到波动一元论或粒子一元论的基础上。波动一元论的较著名人物薛定谔早在
1926年就认为“, 质点是由波的系统所组成的, 或者甚至就等
同于波的系统。”[23]1952年他再次重复, 物理学世界中唯一
的实在是波, 事实上粒子和能量子是没有的———根据他的看法, 他们是基于对干涉波的共振现象的不正确理解的错觉。玻恩对这种观点作了有根据的批评。
朗德对微粒一元论作了积极宣传, 他像德布罗意一样, 对自己过去对互补性观念的信赖作了修正, 而且责备互补性观念“, 由于断定有两个对立的, 即使是互补的‘图景’, 而回
避了关于物质的实在结构的问题。”[24]在朗德看来, 互补原
理“立足毫无根据地从字面上把波动特性赋予粒子, 它与其
说是合理的物理学, 不如说是文字游戏。”[25]朗德认为, 量子
理论应该“从对立图景的辩证实证论返回到本体论唯物主义的明确性, 本体论唯物主义从伽利略那时一直到爱因斯坦是自然科学的思想基础。”[26]
与这个哲学观点相适应, 朗德认为必须“抛弃把物质波看成象物质粒子一样实在的观
念”[27], 因为“假若玻恩借助于粒子认真地对待统计解释, 那
么对二象性再不会留下任何位置:波动现象将是实在粒子的
简单表现。”
[28]尽管朗德本人的粒子一元论能否取代量子力学的正统解释, 是非常可疑的, 但是他对互补原理的批判有合理之处, 承认它的辩证性, 指出实证主义, 现象主义才是互补原理的本质, 并和本格一样期望回到本体论唯物主义的立场, 寻求
32
对物质结构的深入理解。
如果取消互补原理对波粒二象性的理解, 那么如何理解量子实在的问题就会以新的形式出现。也许弦论会宣称量子实在的本质是弦的振动, 费曼和彭罗斯等会宣称量子实在的本质是具有复数幅度和概率特征的概率幅, 玻姆会认为不同于经典势的量子势才是量子实在的基本特征, 等等。结合量子测量问题的逻辑分析, 我们会发现互补原理包含着这样一个逻辑循环:量子态必须通过测量用互补的经典概念表述, 测量仪器的经典特征又必须用量子论概念来说明。测量仪器究竟是经典的, 还是量子的, 还是同时具有两个特征, 一直是争议很大的问题。海森伯在讨论玻尔阐述过的量子理论与经典概念的作用相联系的悖论时, 发挥了魏扎克的话的含义:“自然界出现在人之前, 而人出现在自然科学之
前。”[29]
海森伯认为, 前一句话证明经典物理学及其完全客
观性的标准是正确的; 后半句话则说明, 为什么我们不能摆脱量子理论的悖论和使用经典概念的必然性。
在1968年题为“量子理论及其前景”的剑桥讨论会上, 魏扎克继续捍卫玻尔的互补原理, 并且认为互补原理中包含的逻辑循环只是表面的。但是, 尽管他作了努力, 讨论会的大多数参加者倾向于下面的意见“:虽然经典思维方式在量子理论形式体系的每一点中事实上都是必要的, 然而对量子理论的完备理解应该能够引导我们达到某种更加充分的和实际上更加确切的概念集, 以描述物理世界。从这个观点看, 经典语言不是不变的, 而是经历着变化, 准确化和发
展。”
[30]
在这次讨论会上, 玻姆认为, 按照玻尔的立场, 我们不能像冯?诺伊曼测量理论那样谈论量子体系和实验仪器的相互作用。量子论的前后文关系要求新的描述方式, 这种描述方式不应该对“被观察客体”和“观察仪器”进行潜在的或现实的区分。反之, 实验条件的形式和实验结果的内容应该是统一的整体, 对这个整体而言, 分裂为相互隔绝的组成部分是不适用的。玻姆一方面强化了玻尔的整体论立场, 另一方面, 反对玻尔关于借助经典物理学概念精确化了的日常语言是唯一可能的单值地沟通关于实验结果的思想的语言的立场。按照玻姆的意见, 实验的结果(和条件) 应该用新的语言形式来表述, 它们既不是经典的, 又不是量子的(在玻尔的意义上) 。玻姆把量子势这种隐变量看成是建立量子论新表述的尝试, 而不少人认为玻姆回到了比哥本哈根学派更经典的立场上去。
总的来说, 取消互补原理的尝试在量子力学的其他解释中, 还没有取得决定性的成功; 而且互补原理的合理成分在其他解释中得到了辩证的扬弃, 但是宣布互补原理对于理解量子论是完全必需的断言还为时太早。由于尚未找到经典世界和量子世界通用的逻辑上一致的理论, 量子实在和经典实在在目前看来是异质的, 利用过于理想化的经典概念互补地表示量子现象, 仍然是必要的权宜之计。我们认为, 系统自组织演化理论的发展, 以及在量子论领域的推广, 可能会帮助我们找到统一理解量子实在和经典实在的通用模式。玻姆等人后来对量子整体性, 非定域性和信息序(显序和隐
序, 量子势) 等的研究, 在物理思想上与自组织理论是相同的, 但在具体物理模型上有可疑之处; 德布罗意学派把粒子理解为非线性波动力学中的奇异区, 类似于自组织的细胞, 标志着量子论开始采纳自组织的广义生态学模型。由于玻尔主张将互补原理推广到热力学与统计力学, 生命科学的机械论和活力论等领域的辩证关系中, 我们相信自组织理论辩证地扬弃了互补原理的合理思想, 自组织模式在未来量子论的新解释体系中发挥作用的潜力很大。
三 互补原理的经典根源和哲学动机
表面上看来, 互补原理似乎是哥本哈根学派理解量子现象的独特的逻辑方法论原理, 而且其他非正统解释也以不同的方式包含互补性的合理构想; 玻尔本人还把互补性思想推广到生物学中机械论和活力论, 社会学中文化的互补性等领域, 这些推广是否合理恰好取决于对互补原理的哲学反思。但是, 即使互补现象普遍存在, 这个原理的深层本质还是有待于研究。我们认为, 波普尔把互补原理视为哥本哈根学派的意识形态, 而不是作为科学的量子理论的必要特征的论断, 是有一定根据的。
从量子论的起源来看, 量子论是因为采用热力学与统计力学来沟通力学图景和电磁图景失败的产物, 力学图景的本体论模型是质点动力学, 电磁图景的本体论模型是场论; 量子论的革命意味着采用具有波粒二象性特征的量子来扬弃质点动力学与场论的对立。但是, 量子革命并没有完全扬弃热力学与统计力学之间的对立, 热力学是唯象的不可逆理论, 研究对象是大量微观实体构成的宏观体系———系综, 但不涉及复杂系统的微观结构; 统计力学引入质点动力学的力学模式处理系综, 考虑系综演化过程中各种碰撞和相互作用造成的宏观总效应。我们发现, 正是热力学与统计力学的互补性构成了量子论中互补原理的经典根源。热力学是唯象的不可逆理论, 在量子论中对应于彭罗斯所说的R 过程(波包塌缩) 中的量子运动状态向经典概念框架的信息投影; 正像分子平均运动状态对应于宏观热力学量一样, 微观体系量子波动的统计系综效应或几率效应对应着宏观仪器显示的经典物理量; 这个过程普遍认为与热力学不可逆过程有关。统计力学是可逆力学规律与系统的质点统计系综模型结合的产物, 在量子论中对应于具有电磁波的超前/滞后双重解特征的量子驻波的统计系综波动力学, 体现了彭罗斯所说的
U 演化; 也就是说, 经典统计力学中的质点模型被量子波包
模型取代了, 同时力学规律被量子规律取代, 经典统计被量子统计取代。具有电磁波的超前/滞后解特征的量子驻波模型正是由普朗克首先提出的边吸收边发射辐射的量子谐振子模型, 量子谐振子取代了原来的原子分子质点; 这一点被爱丁顿注意到, 而且在后来的惠勒—费曼的吸收体模型中得到发展, 目前被克雷默等人发展成为量子力学交易解释。另外, 统计力学中独立性与关联性的关系以令人关注的量子论中定域性与非定域性的关系的新问题形式出现。我们相信, 各种量子力学解释问题几乎都有热力学与统计力学冲突的经典根源。
量子论哲学解释问题的怪异性在于量子论是根据体现波粒二象性的爱因斯坦—德布罗意关系从哈密顿正则力学引申出波动力学或矩阵力学表象的, 或者是从拉格朗日力学引申出费曼路径积分表象。也就是说, 流行的多数量子力学形式体系及其解释是从对力学体系作直接整体描述的分析力学构建起来的, 缺少一种对应于牛顿质点力学的从要素, 相互作用和组织结构开始的通向系统整体的量子力学表象, 于是微观体系的个体量子行为就与整个系综涌现的经典行为在同一个层面上被不恰当地放在一起讨论了, 求助于某种形式的互补性成了理所当然的事情, 因为整体系统是可以通过各种相互作用机制涌现出所组成的要素缺少的新属性的。互补性在现象层面的存在, 恰好需要一种涉及微观量子体系和宏观经典行为相互过渡的动力学机制的解释, 而不是像哥本哈根学派那样简单地把互补性宣布为逻辑方法论原理; 互补原理还严重夸大量子现象相对于经典现象的特异性, 忽视建立量子现象和经典现象的通用理论模型。哥本哈根学派对量子现象内在动力学机制的忽视是现象主义和实证主义哲学掩盖物理学问题, 阻碍科学研究深入的一种表现。利用现象主义和实证主义来掩盖对量子现象的一知半解, 是提出互补原理的真正哲学动机, 这一点是独立于对互补原理的所作的唯物论、唯心论、二元论或辩证法等不同哲学立场的理解的。
【参 考 文 献】
[1][2][18]玻尔. 原子论和自然的描述[M ].郁韬译. 北京:
商务印书馆,1964. 41、9、115.
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出版社,1984. 118.
[4]转引自[美]阿布拉罕?派斯. 尼尔斯?玻尔传[M ].戈革
译. 北京:商务印书馆,2001(第1版) . 446.
[5]海森伯. 量子论的物理原理[M ].北京:科学出版社,
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[6]雅默. 量子力学的哲学[M ].秦克诚译. 北京:商务印书
馆,1989. 121-122.
[7]戈革. 尼尔斯?玻尔[M ].上海:上海人民出版社,1985. 322.
[8][9][10][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28]
[29][30]转引自[苏]凯德洛夫?奥夫钦尼科夫物理学的
方法论原理[M ].柳树滋等译. 北京:知识出版社,1990
(第1版) . 178、416、416、413、413、414、414、414、414、414、415、415、415、417.
[11][14][16][17]Mario Bunge , Metascientific queries , 1959
by Charles C Thomas . Publisher. 179、180、183-184、191.
[12][15][比]雷昂?罗森菲尔德. 量子革命[M ].戈革译. 北
京:商务印书馆,1991. 126-127、146.
[13]玻尔. 尼尔斯?玻尔哲学文选[M ].戈革译. 北京:商务印
书馆,1999. 45.
(责任编辑 成素梅)
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