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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标 题: 量子物理学和哲学
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon May 5 16:49:32 2003) , 转信
量子物理学和哲学
——因果性和互补性
(1958)
物理科学对哲学的意义,不但在于稳步地增加我们关于无生
命物质的经验,而且首先在于提供一种机会,来检验我们的某些最
基本概念的基础和适用范围。尽管实验资料的积累和理论概念的
发展带来了术语的改进,但是,物理经验的所有阐述,当然归根结
底是以日常语言为基础的;这种语言适用于确定我们的环境并追
寻原因和结果之间的关系。事实上,伽利略的纲领,即把物理现象
的描述建立在可测定的量的基础上的纲领,曾经给整理越来越大
的经验领域提供了坚实的基础。
在牛顿力学中,物质体系的状态决定于各物体的瞬时位置和
瞬时速度;在这种力学中已经证明,仅仅依据关于体系在一个已知
时刻的状态以及作用于各物体上的力的知识,就能通过了解得很
清楚的简单原理,推出体系在任一其他时刻的状态。这样一种描
述,显然代表用决定论思想来表示的一种因果关系的理想形式;人
们发现,这种描述是有着更宽广的适用范围的。例如,在电磁现象
的阐明中,我们必须考虑力以有限速度而传播的过程,但是,决定
论的描述仍然可以在这种阐明中保留下来,其方法是:在状态的定
义中,不但要包括各带电体的位置和速度,而且要包括电力和磁力
在给定时刻在每一空间点上的方向和强度。
相对性思想中包含着一种关于物理现象的描述对观察者所选
参照系的依赖程度的认识,这种认识并没有从本质上改变上述这
些方面的形势。在这里,我们涉及了一种最有成果的发展,它曾经
使我们能够表述一切观察者所公有的物理定律,并将以前显得彼
此无关的现象联系起来。虽然在这一表述中用到了四维非欧几里
得度规之类的数学抽象,但是,对于每一观察者来说,物理诠释却
还是建筑在空间和时间的普通区分上的,并且是保留了描述的决
定论品格的。而且,正如爱因斯坦(Albert Einstein)所强调的,不
同观察者的时空坐标表示法,永远木会蕴涵着可以称为事件因果
顺序的那种序列的反向;因此,相对论不但扩大了决定论描述的范
围,而且也加强了它的基础;这种决定论的描述,乃是通常称为经
典物理学的那座宏伟大厦的特征。
然而,普朗克(Max Planck)的基本作用量子的发现,却在物理
科学中开辟了一个新纪元;这种发现,揭示了原子过程中所固有的
一种远远超过物质有限可分性这一古代见解的整体性特点。事实
上,问题变得很清楚:经典物理理论的形象化描述,代表着仅仅对
那样一些现象为正确的理想化,在各该现象的分析中,所涉及的一
切作用量都足够大,以致可以将作用量子略去不计。尽管这一条
件在普通规模的现象中是大大得到满足的,但是,在和原子级粒子
有关的实验资料中,我们却遇到一种和决,其方法是:在状态的定
义中,不但要包括各带电体的位置和速度,而且要包括电力和磁力
在给定时刻在每一空间点上的方向和强度。
相对性思想中包含着一种关于物理现象的描述对观察者所选
参照系的依赖程度的认识,这种认识并没有从本质上改变上述这
些方面的形势。在这里,我们涉及了一种最有成果的发展,它曾经
使我们能够表述一切观察者所公有的物理定律,并将以前显得彼
此无关的现象联系起来。虽然在这一表述中用到了四维非欧几里
得度规之类的数学抽象,但是,对于每一观察者来说,物理诠释却
还是建筑在空间和时间的普通区分上的,并且是保留了描述的决
定论品格的。而且,正如爱因斯坦(Albert Einstein)所强调的,不
同观察者的时空坐标表示法,永远木会蕴涵着可以称为事件因果
顺序的那种序列的反向;因此,相对论不但扩大了决定论描述的范
围,而且也加强了它的基础;这种决定论的描述,乃是通常称为经
典物理学的那座宏伟大厦的特征。
然而,普朗克(Max Planck)的基本作用量子的发现,却在物理
科学中开辟了一个新纪元;这种发现,揭示了原子过程中所固有的
一种远远超过物质有限可分性这一古代见解的整体性特点。事实
上,问题变得很清楚:经典物理理论的形象化描述,代表着仅仅对
那样一些现象为正确的理想化,在各该现象的分析中,所涉及的一
切作用量都足够大,以致可以将作用量子略去不计。尽管这一条
件在普通规模的现象中是大大得到满足的,但是,在和原子级粒子
有关的实验资料中,我们却遇到一种和决定论的分析不相容的新
型规律性。这些量子定律规定着原子体系的奇特稳定性以及各体
系之间的反应,因而它们归根结底也应该能够说明我们的观察手
段所依据的那些物质属性。
因此,物理学家们当时面临的问题,就是要发展古典物理学的
一种合理的推广,这种推广应该可以将作用量子很谐调地包括在
内。在用比较原始的方法对实验资料进行了预备性的考察之后,
通过引入适当的数学抽象,这一困难任务终于完成了。例如,在量
子力学表述形式中,通常用来定义物理体系的状态的那些物理量,
被换成了一些符号性的算符,这些算符服从着和普朗克恒量有关
的非对易算法。这种程序阻止我们,使我们不能将这些量确定到
古典物理学之决定论描述所要求的那种程度,但是,它却允许我们
确定出这些量的值谱分布,这也就是和原子过程有关的资料所揭
示的那种值谱分布。适应着这种表述形式的非形象化品格,它的
物理诠释被表示成了和在给定实验条件下所得观察结果有关的。
本质上属于统计类型的一些定律。
尽管量子力学作为整理有关原子现象的大量资料的手段是很
有力的,但是,它离开了因果解释的习惯要求,从而也就很自然地
引起了一个问题:我们在这儿所涉及的,是不是经验的完备无遗的
描述呢?这一问题的解答,显然要求人们比较仔细地检查检查在
分析原子现象时无歧义地应用经典物理学概念的条件。决定性的
一点在于认识到这一事实:实验装置的描述和观察结果的纪录,必
须通过用通常物理术语适当改进过的日常语言来给出。这是一种
型规律性。这些量子定律规定着原子体系的奇特稳定性以及各体
系之间的反应,因而它们归根结底也应该能够说明我们的观察手
段所依据的那些物质属性。
因此,物理学家们当时面临的问题,就是要发展古典物理学的
一种合理的推广,这种推广应该可以将作用量子很谐调地包括在
内。在用比较原始的方法对实验资料进行了预备性的考察之后,
通过引入适当的数学抽象,这一困难任务终于完成了。例如,在量
子力学表述形式中,通常用来定义物理体系的状态的那些物理量,
被换成了一些符号性的算符,这些算符服从着和普朗克恒量有关
的非对易算法。这种程序阻止我们,使我们不能将这些量确定到
古典物理学之决定论描述所要求的那种程度,但是,它却允许我们
确定出这些量的值谱分布,这也就是和原子过程有关的资料所揭
示的那种值谱分布。适应着这种表述形式的非形象化品格,它的
物理诠释被表示成了和在给定实验条件下所得观察结果有关的。
本质上属于统计类型的一些定律。
尽管量子力学作为整理有关原子现象的大量资料的手段是很
有力的,但是,它离开了因果解释的习惯要求,从而也就很自然地
引起了一个问题:我们在这儿所涉及的,是不是经验的完备无遗的
描述呢?这一问题的解答,显然要求人们比较仔细地检查检查在
分析原子现象时无歧义地应用经典物理学概念的条件。决定性的
一点在于认识到这一事实:实验装置的描述和观察结果的纪录,必
须通过用通常物理术语适当改进过的日常语言来给出。这是一种
简单的逻辑要求,因为对于“实验”一词,我们只能理解为这样的程
序:关于该程序,我们能够告诉别人我们作了什么和学到了什么。
在实际的实验装置中,这种要求的满足,是通过用一些刚体当
作测量仪器来加以保证的;各刚体应该足够重,以致可以对它们的
相对位置和相对速度进行完全经典的说咱。与此有关,也很重要
的是记住下述情况:一切有关原子客体的无歧义的知识,都是依据
遗留在确定着实验条件的那些物体上的永久性记号——例如由电
子的撞击而在照相底片上造成的一个斑点——来推得的。纪录原
子客体的出现所依据的那些不可逆的放大效应,并不会引起任何
特殊的麻烦,它们仅仅提醒我们注意观察概念本身所固有的本质
不可逆性而已。在这方面,原子现象的描述具有完全客观的品格,
其意义是:这里没有明白地涉及任何个别的观察者,因此,只要适
当照顾相对论的要求,就不会在知识的传达中引入任何歧义了。
在所有这些方面,量子物理学中的观察问题,是和经典的物理
学处理方式毫无不同的。然而,在量子现象的分析中,本质上新的
特色却在于引入了测量仪器和被研究客体之间的根本区别。这是
下述必要性的直接后果:在说明测量仪器的功能时,必须应用纯经
典的术语,而在原理上排除关于作用量子的任何考虑。在它们那
一方面,现象的那些量子特色是由依据观察结果而推得的关于原
子客体的知识来显露的。在经典物理学的范围内,客体和仪器之
间的相互作用可以略去不计,或者,如果必要的话,可以设法将素
须通过用通常物理术语适当改进过的日常语言来给出。这是一种
不可分割的部分。因此,在原理上,真正量子现象的无歧义的说
明,必须包括对于实验装置之一切有关特色的描述。
重复进行按上述方式定义的同一实验,一般会得出关于客体
的不同纪录;这一事实本身就直接暗示着:这一领域中的经验的概
括说明,必然是由统计规律表示出来的。几乎用不着强调,我们在
这儿所涉及的,并不是统计学的习惯应用的一种类似事例;在习惯
应用中,是用统计学来描述一些物理体系,它们的结构过于复杂,
以致实际上无法将它们的状态定义得像决定论的说明所要求的那
样完备。在量子现象的情况,决定论的说明所蕴涵的各事件的无
限可分性,在原理上是被指定实验条件的要求所排除了的。事实
上,真正量子现象所特有的整体性特点,是在下述情况中得到逻辑
表示的:任何明确规定的再分划的尝试,都会要求对实验装置进行
一种和所研究现象的定义不相容的改变。
在经典物理学的范围内,某一给定客体的一切特征属性,在原
理上可以用单独一个实验装置来确定,尽管在实际上用不同的装
置来研究现象的不同方面往往是方便的。事实上,用这种方法得
到的数据仅仅互相补充,并且可能结合成关于所研究客体之性能
的首尾一致的图景。然而,在量子物理学中,用不同实验装置得到
的关于原子客体的资料,却显示着一种很新颖的互补姑的关于原
子客体的知识来显露的。在经典物理学的范围内,客体和仪器之
间的相互作用可以略去不计,或者,如果必要的话,可以设法将它
补偿掉,但是,在量子物理学中,这种相互作用却形成现象的一个
不可分割的部分。因此,在原理上,真正量子现象的无歧义的说
明,必须包括对于实验装置之一切有关特色的描述。
重复进行按上述方式定义的同一实验,一般会得出关于客体
的不同纪录;这一事实本身就直接暗示着:这一领域中的经验的概
括说明,必然是由统计规律表示出来的。几乎用不着强调,我们在
这儿所涉及的,并不是统计学的习惯应用的一种类似事例;在习惯
应用中,是用统计学来描述一些物理体系,它们的结构过于复杂,
以致实际上无法将它们的状态定义得像决定论的说明所要求的那
样完备。在量子现象的情况,决定论的说明所蕴涵的各事件的无
限可分性,在原理上是被指定实验条件的要求所排除了的。事实
上,真正量子现象所特有的整体性特点,是在下述情况中得到逻辑
表示的:任何明确规定的再分划的尝试,都会要求对实验装置进行
一种和所研究现象的定义不相容的改变。
在经典物理学的范围内,某一给定客体的一切特征属性,在原
理上可以用单独一个实验装置来确定,尽管在实际上用不同的装
置来研究现象的不同方面往往是方便的。事实上,用这种方法得
到的数据仅仅互相补充,并且可能结合成关于所研究客体之性能
的首尾一致的图景。然而,在量子物理学中,用不同实验装置得到
的关于原子客体的资料,却显示着一种很新颖的互补关系。事实
上,必须认识到,这样的资料就详尽无遗地概括了关于客体的一切
可设想的知识,尽管当企图把它们结合成单独一种图景时这些资
料显得是相互矛盾的。互补性这一思想绝不会限制我们以实验的
仪器和原子客体之间的必要区分所带来的。
当处理原子问题时,借助于薛丁谔(Erwin Schrodinger)的态
函数来进行具体的计算是最为方便的;由这种态函数,可以通过确
定的数学运算推演出支配着在特定条件下所能得到的观测结果的
那些统计规律。然而,必须认识到,我们在这里所处理的是一种纯
符号性的手续,它的无歧义的物理诠释归根结底要涉及完备的实
验装置。忽视这一点有时引起过混乱;特别说位诸如“观察对现
象的扰乱”或“测量对客体物理属性的创造”这一类语句的应用,就
几乎是和日常语言及实际定义不相容的。
与此有关,甚至提出了这样的问题:为了更恰当地表示有关的
形势,是否必须采用多值逻辑学呢?然而,由以上的论证就可看
队对于日常语言和普通逻辑学的一切违背都可以得到避免,只要
将“现象”一词仅仅用来指示可以无歧义地传达的知识就行了,在
这种知识的说明中,“测量”一词是在标准化的比较这一简单意义
下被应用的。术语选择方面的这种慎重性,在探索新的经验领域
时是特别重要的;在那种领域中,知识不能被概括于那种在经典物
理学中得到如此不受局限的应用的习见构架之中。
正是在这一背景上,可以看到量子力学在一致性和完备性方
面是满足有关合理解释的一切条件的。例如,强调在明确规定的
实验条件下得到的永久性纪录乃是量子力学表述形式之合理诠释
的基础,这种强调就对应于经典的物理解释中所蕴涵的一个前提:
事件之因果顺序的每一步,在原理上都是可以得到验们以实验的
可以将每一种可设想的实验装置全都考虑到,这种可能性就提供
着描述上的完备性,和经典物理学中所追求的完备性相仿佛。
这样的论证当然并不意味着,在原子物理学中,我们在实验资
料以及便于概括该种资料的数学工具方面就没有更多的东西好学
习了。事实上,事情似乎是这样:为了说明在探索很高能量的原子
过程时揭露出来的那些新颖特点,人们必须在表述形式中引入更
进一步的抽象。然而,决定性的问题在于,在这方面也根本不存在
回到那种描述方式的问题,该种描述方式在较高的程度上满足关
于因果关系之形象化表示的习见要求。
我们已经看到,量子规律性不能按经典路线来加以分析,这一
事实本身就要求,在经验的说明中,在测量仪器和原子客体之间要
有一种逻辑的区分,这种区分在原理上就阻碍着概括性的决定论
描述。总之,可以强调指出,互补性这一较宽广的构架,绝不会导
致任何对于因果性这一理想的随意放弃,它直接表示着我们在说
明物质基本属性方面所处的地位,这些属性是经典物理描述的前
题,而它们又超出经典物理描述范围之外。
不管适用相对性思想和互补性思想的典型形势是何等地不相
同,这两种形势在认识论方面却表现着深远的相似之点。事实上,
在两种情况下我们都涉及对于谐调性的寻求,这种谐调性不能概
括在说明范围更窄的物理经验领域时所采用的那种形象化疙诠释
的基础,这种强调就对应于经典的物理解释中所蕴涵的一个前提:
事件之因果顺序的每一步,在原理上都是可以得到验证的。而且,
可以将每一种可设想的实验装置全都考虑到,这种可能性就提供
着描述上的完备性,和经典物理学中所追求的完备性相仿佛。
这样的论证当然并不意味着,在原子物理学中,我们在实验资
料以及便于概括该种资料的数学工具方面就没有更多的东西好学
习了。事实上,事情似乎是这样:为了说明在探索很高能量的原子
过程时揭露出来的那些新颖特点,人们必须在表述形式中引入更
进一步的抽象。然而,决定性的问题在于,在这方面也根本不存在
回到那种描述方式的问题,该种描述方式在较高的程度上满足关
于因果关系之形象化表示的习见要求。
我们已经看到,量子规律性不能按经典路线来加以分析,这一
事实本身就要求,在经验的说明中,在测量仪器和原子客体之间要
有一种逻辑的区分,这种区分在原理上就阻碍着概括性的决定论
描述。总之,可以强调指出,互补性这一较宽广的构架,绝不会导
致任何对于因果性这一理想的随意放弃,它直接表示着我们在说
明物质基本属性方面所处的地位,这些属性是经典物理描述的前
题,而它们又超出经典物理描述范围之外。
不管适用相对性思想和互补性思想的典型形势是何等地不相
同,这两种形势在认识论方面却表现着深远的相似之点。事实上,
在两种情况下我们都涉及对于谐调性的寻求,这种谐调性不能概
括在说明范围更窄的物理经验领域时所采用的那种形象化概念之
中。但是,有决定意义的一点是:不论在哪一种情况下,我们的观
念构架的适当扩展,都并不蕴涵对于观察主体的任何引用,这种引
用是会阻止经验的无歧义传达的。在相对论性的论证中,这种客
观性是通过适当照顾现象对观察者参照系的依赖性来加以保证
的;而在互补描述中,则通过适当注意基本物理概念之明确应用所
要求的条件来避免全部的主观性。
从一般性的哲学观点来看,重要的是:在其他知识领域中的分
析和综合方面,我们都面临着一些形势,它们是会使我们想起量子
物理学中的形势的。例如,生命机体的不可分割性和有意识的个
人以及人类文化的特征;都显示出一些整体性特色,这些特色的说
明,蕴涵着一种典型的互补描述方式。由于在这些较宽广领域
中传达经验时可供应用的丰富辞汇有着很不相同的用法,最重要
的是由于在哲学文献中对于因果性概念有着各色各样的诠释,所
以上述比较的目的有时是被误解了的。然而,用于描述物理科学
中较简单形势的适当术语的逐渐发展却表明,我们所处理的并不
是一些或多或少模糊的类比,而是在较宽广领域中的不同方面之
间遇到的一些逻辑关系的清楚的实例。
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