作用量子和自然描述

作用量子和自然的描述(1929)在科学史上，很少有什么事件曾经像普朗克基本作用量子的发现那样在短短的一个世代中得到了一些如此不寻常的后果。这一发现，不但在越来越大的程度上形成整理我们关于原子现象的经验的背景，而关于原子现象的知识在最近三十年中已经如此'惊人地得到了扩展，而且，与此同时，这一发现也给我们描述自然现象所依据的那些基础带来了全盘的修正。在这儿，我们处理的是观点和思维工具的不间断的发展；从普朗克关于黑体辐射的基本工作开始，近年以来这一发展在符号化量子力学的表述过程中达到了暂时的高潮。符号化量子力学这种理论，可以认为是经典力学的自然推广，在优美性和无矛盾性方面，它都可以和经典力学相媲美。但是，不放弃作为经典物理理论之特征的因果时空描述方式，这一目的是不曾达到的；通过相对论，经典物理理论曾经经历了一次如此深刻的澄清。在这方面，量子理论可以说是使人失望的，因为原子理论正是起源于这样一种企图：在那些在我们直接感官印象中并不表现为物质客体运动的现象事例中，也要完成这样一种(因果时空〕描述。然而，从一开始，对于在这一领域中遇到和我们普通感官印象相适应的那些知觉形式的一种失败，人们就不是没有准备的。我们现在知道，诚然，人们对于原子的实在性所常常表示的那种怀疑主义是被夸大了的，因为，确实，实验技术的奇妙发展已经使我们能够研究个体原子的效应了。但是，关于用作用量子来代表的物理过程有限可分性的那种认识本身，却支持了关于我们普通知觉形式对原子现象的应用范围的古老怀疑。既然在这些现象的观察中我们不能忽略客体和观察仪器之间的相互作用，那么，观察的可能性问题也就再一次地突现了出来。于是，在一种新面貌下，我们在这儿遇到了现象的客观性问题；这种问题在哲学讨论中曾是经常吸引着如此多的注意力的。事态既然如此，在量子理论的一切合理应用中我们都曾经涉及本质的统计问题，这也就是不足为怪的了。确实，在普朗克的原始研究中，导致了作用量子的引用的首先就是修改经典统计力学的必要性。这种作为量子理论特征的（统计〕特色，突出地表现在最近关于光的本性和物质基本粒子的本性的重新讨论中。虽然这些问题已经在经典理论的范围内表面地得到了最后解决，但是我们现在知道，对于物质粒子同样也对于光来说，必须运用不同的观念图景来完备他说明现象并给支配着观察数据的那些统计定律提供一种单值的表述。利用经典术语来一致地表述量子理论是不可能的；这一事实显现得越清楚，我们对于普朗克在制订“作用量子”这一名词时的那种恰当的直觉就越是赞赏；这一名词直接地指示着对于作用量原理的放弃，而作用量原理在自然的经典描述中所占的中心地位，是普朗克本人不止在一个地方强调了的。事实上，这一原理表示了时空描述和能量守恒定律及动量守恒定律之间的独特的反比对称关系；这些定律的巨大有效性，在经典物理学中已经是依赖于下述事实的了：人们可以广泛地运用这些定律而不追究现象在空间和时间中的进程。在量子力学的表述形式中以一种最有成果的方式被应用了的，正是这种反比性。事实上，作用量子在这里只出现于一些关系式中：在哈密顿意义上是正则共轭量的时空坐标和能量一动量分量，是以一种对称的和反比的方式被包含在各该关系式中的。此外，光学和力学之间的类比，也密切地依赖于这一反比性；对于量于理论的近日发展，光学和力学之间的类比曾被证实为非常富有成果。但是，一切经验最后必须忽略了作用量子而通过经典概念表达出来，这却是物理观察的本性。因此，通过原子物理量的任何测量所能得到的结果都会受到一种固有的限制，这就是经典概念有限适用性的一种必然后果了。这一问题的深入澄清，近来曾经借助于海森伯所表述的普遍量子力学定律而得以完成；按照这一定律，同时测量两个正则共轭力学量时所得的平均误差的乘积，永远不会小于作用量子。海森伯曾经很正确地就两种意义进行了比较，一种是这一反比式的测不准定律在估计量子力学的无矛盾性方面的意义，另一种是超光速地传递信号的不可能性在检验相对论的无矛盾方面的意义。在这方面，当考虑在量子理论对原子结构的应用中所遇到的那些众所周知的佯谬时，记住下述事实就是非常重要的：原子的属性永远是通过观察它们在碰撞下或在辐射影响下的那些反应而得到的，而且，上述那种关于量度可能性的局限性，是和在关于光的本性及物质粒子的本性的讨论中所揭示出来的那些表观矛盾性直接有关的。为了强调我们在这儿所遇到的并不是实在的矛盾性，作者在一篇较早的文章中曾经建议使用“互补性”这一名词。考虑到在经典力学中已经出现的上述那种反比对称性，“反比性”一词或许是更加适于表示我们所涉及的事态的。在上述文章的结尾处曾经指出，在我们知觉形式的失败和人类建立概念的能力的普遍限制之间，存在着一种密切的联系；上述失败是以严格区分现象及观察手段的不可能性为基础的，而上述限制则是以我们对主体和客体的划分为根源的。确实，这儿所出现的认识论问题和心理学问题，或许是超出确切的物理学范围之外的。但是，借这一特殊机会，我仍然希望能够稍许深入地谈谈这些见解。所要讨论的认识论问题可以简单地叙述如下：为了描述我们的心理活动，一方面，我们要有一种客观给定的内容来和一个知觉主体相对立；而另一方面，正如在这样一个断语中所暗示的，在主体和客体之间不可能保持任何明确分界线，因为知觉主体也属于我们的心理内容。从这些情况中，不但可以引出每一概念或者说每一字眼的相对意义，这种意义以我们观点的随意选择而为转移，而且，我们一般还必须有准备地接受下述事实，同一客体的完备阐述，可能需要用到一些无法加以单值描述的分歧观点。确实，严格说来，任一概念的自觉分析是和该概念的直率应用处于互斥关系中的。运用一种互补的或者说是反比式的描述方式的必要性，或许是我们在心理学问题中最为熟悉的，与此相反，作为所谓严密科学的特点的，一般就是通过避免谈到任何知觉主体来达到单值性的那种企图。也许，在数学表述形式中可以最自觉地看到这种努力；这种表述形式为我们的思索建立起一种关于客观性的理想；只要我们停留在实用逻辑的自足领域中，这种理想的达到就几乎是不受任何限制的。然而，在真正的自然科学中不可能存在什么逻辑原理的严格自足的适用领域问题，因为我们必须不断地期待新事实的出现，而要将这些新事实概括到我们较早的经验范围之内就可能需要修正我们的基本概念。我们近来曾经在相对论的兴起中体验到这样一种修正；通过对于观察问题的深入分析，相对论注定要揭露一切经典物理学概念的主观性质。尽管相对论对我们的抽象能力提出了巨大的要求，但是，它却在一种特殊的高度上接近了自然描述中的统一性和因果性这一经典理想。最重要的是，可观察现象的客观实在性这一观念，仍然是毫不动摇地得到保持的。正如爱因斯坦曾经强调的，对于整个相对论都确实带有根本性的是这样一个假设：任何观察最终都将依赖于客体和观察工具在空间和时间中的重合，从而任何观察都是可以独立于观察者的参照系来加以定义的。然而，自从发现了作用量子，我们就知道在原子现象的描述中是不能达到经典理想的。特别说来，在空间和时间中排列次序的任何企图，都会导致因果链条的一次中断，因为这样的企图是和一种本质性的动量交换及能量交换联系着的，这种交换发生于个体和用来进行观察的测量尺杆及时钟之间；而恰好这种交换就是不能被考虑在内的，如果测量仪器要完成它们的使命的话。反之，关于个体单位的动力学行为，以一种单义的方式依据动量和能量的严格守恒而得出的任何结论，显然要求我们完全放弃追踪各该个体单位在空间和时间中的进程。一般我们可以说，因果时空描述方式在整理我们普通经验时的适用性，仅仅依赖于这样一件事实：相对于我们在通常现象中所涉及的作用量来说，作用量子是很小的。普朗克的发现已经给我们带来了一种形势，和有限光速的发现所带来的形势相似。确实，我们的感官所要求的空间和时间的截然划分，其适用性完全依赖于下述事实：和光速相比，我们在日常生活中所遇到的那些速度是很小的。事实上，在原子现象的因果性问题中，测量结果的反比性并不比在同时性问题中各该结果的相对性更加可以忽略。对于形象化的要求，确定了我们全部语言的性质；上述的形势强迫我们放弃这种要求；当考虑这种放弃时，很有教育意义的是这样一件事实：在简单的心理经验中，我们不但已经会遇到相对论观点的基本特点，而且也会遇到反比性观点的基本特点了。当我们在童年时代坐船或坐车旅行时，我们就熟悉了我们的运动感的相对性；这种相对性和有关触觉之反比性的日常经验相对应。在这儿，我们只要回忆一下心理学家们所时常引证的一种感觉也就够了；当在一个黑暗房间中用一根手杖来摸索方向时，每一个人都曾体验到这种感受。当手杖松松地被握住时，它就对我们的触觉表现为一个客体。但是，当手杖紧紧地被握住时，我们就不再感觉到它是一个外界物体，而触觉印象则变成直接地位于手杖和所探察的物体相接触的那一点了。纯粹从心理经验看来，有一种说法几乎不能算是夸张：由于本性如此，空间概念和时间概念之所以有意义，不过是因为可以忽略和测量工具的相互作用而已。整个说来，一方面是空间概念和时间概念，另一方面是以力的作用为依据的能量观念和动量观念，分析我们的感官印象揭示了这二者的心理学基础的显著独立性。然而，最重要的是，如上所述，这一领域是用反比关系来判别的；这种反比关系依赖于我们的意识统一性，并且和作用量子的物理后果显示着一种显著的相似性。在这儿，我们是在想到情绪和意志的一些众所周知的特征；这些特征完全不能用形象化的图景来表示。特别说来，联想的不断进行和人格统一性的保持之间的明显对立，和另一关系显示着耐人寻味的类似；这就是粒子运动服从叠加原理的波动描述和各粒子的不可消灭的个体性之间的关系。在这儿，原子现象的观察对该现象所发生的不可避免的影响，就和心理经验的一种众所周知的色调变化相对应；这种变化是由于对心理经验的各种要素之一加以注意而引起的。在这儿，或许还可以简单地谈到存在于心理学领域中的规律性和物理现象的因果性问题之间的那种关系。一方面是支配着精神生活的关于自由意志的感觉，另一方面是和生理过程相伴随的表观上未受扰乱的因果链条，当考虑二者之间的对立时哲学家们确实曾经想到，我们在这儿所涉及的可能是一种无法形象化的互补关系。因此，人们常常有这样一种意见：详细研究人脑的种种过程就会揭露出形成情绪心理经验之单值表象的因果链条，这种研究虽然是办不到的，但却是可以设想的。然而，这样一种理想化的实验，现在却以一种新的面貌出现了，因为我们通过作用量子的发现已经知道，对原子过程进行细致的、因果性的追踪是不可能的、而且知道，求得关于这些过程的知识的任何尝试都会对各该过程的进展发生一种基本上不可控制的干扰。因此，按照上述那种对于脑中过程和心理经验之间的关系的看法，我们必须有准备地接受一件事实：观察前者的尝试，将在意志的感知中带来本质的改变。虽然在现有情况下我们只能涉及适切程度不等的若干类比，但是，我们难免有这样一种信念：在量子理论对我们揭示的位于我们普通知觉形式范围以外的那些事实中，我们已经得到了阐明一般哲学问题的一种手段。我希望，今天这一特殊机会将使人们能够谅解一个物理学家在一个非本分领域中的探险。首要的是，我的目的是要表示我们对于一些前景所抱的热诚；这些前景已经为整个的科学而打开了。此外，我也切望尽可能有力地强调，新的知识已