量子力学与亚原子世界

量子力学与亚原子世界

一、普遍的量子论发生了明显的内在解释科学是对实际事物的描述和预测。科学的本质是寻求真相，这是科学家认为的最古老、最基本的信仰。然而,深究起来,做到这一点并非易事。在西方思想史上,首先认识到这个问题的是英国哲学家贝克莱。他认为,如果实际上我们的知识是发端于经验并从经验中推导出来的,那么,说“某事物真实、独立存在”就是没有意义的;因为只要经验是既定的,事物的性质、状态、关系等等都与之相关,那么,说某东西存在,也就意味着某东西被经验到,或被知觉到。我们通常所说的事物,不过是一些诸如“硬软、热冷、颜色、气濂、广延、形相”等观念的“集合”而已;至于说这些感性的观念必定是由独立于人心之外的“物”所引起,则是一件无法证明的事情。贝克莱说:“各种观念所摹拟所表象的那些假设的原本和外物,本身也是可感的不是?如果它们是可感知的,则它们也是观念,这正符合我们的论断;如果你说它们不能被感知,那么我请问任何人,要说颜色和一种不可见的东西相似,软和硬可以和一种不可触的东西相似,那是否是合乎情理的呢?”我们看到贝克莱在这里给实在论者出了一道难题:倘若我们的一切知识都只能来自于经验并且都表征为经验的集合,那么我们就不能够证明经验“之外”的实在的存在,说是它引起了我们的经验。从贝克莱开始,这样一种现象主义的迷雾便一直笼罩着哲学界和科学界,直到20世纪初。伯特兰·罗素就认为,所谓事物,不过是一些性质的组合,我们认识事物也只是去把握这些性质;因此除了性质之外,我们不知道事物还剩下什么。性质不可避免地具有某种显性和可感性,因而它总与人类经验相关联,而“实体”不过是“无用的空名”、“多余的累赘”。尽管现象主义一出现就遭到了各种各样的批判与诘难,但它从来就不曾陷入过绝境。道理就在于:这种理论尽管有悖常理,却比较符合常识;在人类知识问题上,诉诸感性经验的逻辑学总比诉诸联想直觉的心理学可靠。经验陈述是用清晰准确的逻辑性语言加以表达的,感性经验具有公共性和可重复性。比如在一个房间里面放着一张书桌,只要你和我都是感官健全的人,那么,当我们走进房间,你和我都会看到这张书桌。并且,只要这张书桌不被移走,那么无论什么时候走进房间,都会看到它。而联想和直觉等心理现象则是纯粹私人性的一次性的体验:不同的人在同一境况下的心理感受是不同的,同一个人在不同的时间进入同一境况,其心理感受也未必相似;联想和直觉等心理现象往往是模糊和难以言说的。20世纪以来,作为科学哲学最早流派的逻辑实证主义在科学的发现和科学的证明之间作出了区分。它认为,在科学发现的途径上并无固定的逻辑模式可寻,因为科学家在进行科学创造活动时,势必有诸如直觉、联想、想象及其他许多心理因素参与在其中;但是,为科学辩护的方法却是严格逻辑性的,一个科学认知体系之所以获得认可或遭到否弃,就在于它得到了观察经验的证实或证伪;凡不能被经验检验的命题就是无意义的命题,必须排除在科学之外,实在论等形而上学命题就属于这种无意义的非科学命题。这就是流行于20世纪上半叶的逻辑实证主义的著名结论,它将现象主义这种哲学倾向推向了极端。作为现代物理学两大支柱之一的量子力学的问世,给科学界和哲学界造成的震荡在某种程度上甚至超过了相对论。量子力学无论在理论层面还是在应用层面都取得了巨大的成功,然而它那出人意料的正统解释——“哥本哈根解释”——却不断激起人们的哲学兴趣,欢迎、支持和质疑、反对相互撞击,呈现出一幕幕耐人寻味的论战场面。量子理论起源于对黑体幅射现象的解释。普朗克率先提出了能量只能以分立的能量子发射或吸收的观点,从而拉开了量子论发生和发展的序幕。爱因斯坦把普朗克假说加以推广,用以解释光电效应。他指出,光由穿过空间的能量子所组成,可是光还产生衍射和干涉现象,显然这又是波的性质。于是,爱因斯坦进一步大胆设想——或许光是一种兼有波和粒子的部分特性的东西?之后,法国物理学家德布罗意又发现,所有的微观客体都具有这种“波—粒二象性”。顺着这一思路,海森堡、薛定谔先后引导出矩阵力学方程和波动力学方程,并且,薛定谔证明了这两个方程在数学上是等价的。为了解决波动图象和粒子图象间的佯谬,玻恩采取了几率波的解释。他认为,电磁波不是像弹性波或无线电波那样“真实”的三维波,而是在多维位形空间中的波,这是一个颇为抽象的数学量。再后来,海森堡提出了著名的“测不准原理”。他发现,由于作用量子的存在,规定了测量仪器和微观客体的相互作用,这使得人们不能以任意高的准确度同时测定微观客体的位置和动量。换句话说,人们要想观测微观客体的运动状态就必须借助测量仪器,而仪器在观测活动中必然与被测对象发生不可避免且不容忽视的相互作用,这样,测量的结果就不可能是微观客体自身的状态,而是测量仪器干预下的状态;并且,这种干预作用无法像对宏观物体的测量那样,可以从结果中被过滤掉。海森堡得出结论说,在我们没有观察微观客体时,客体的行为只表现出某种潜能或倾向;只有当观测活动真正进行的时候,即当对象与测量仪器已经产生相互作用的时候,客体的运动状态才会由“可能”变为“现实”。因此,“发生”一词仅限于观测。“观测在事件中起着决定性作用,并且实在因为我们是否观测它而有所不同。”19玻尔也指出,我们没有权利谈论光子从入射点至记录点的整个运行期间在干什么,归根到底,任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象。所以,“物理学不告诉我们世界是什么,而是告诉我们关于世界能够谈论什么”。量子力学决不能确切地向我们表明量子物体在不受仪器干扰时将处于何种状态,如果必须谈论它,就只能说它处于多种可能性(也许是无限多的可能性)的叠加状态中,这种叠加状态直到宏观测量仪器对它进行实际的观测那一瞬间为止,才能消失而变成为一种确定的现实。量子理论导出的物理意义是十分奇特的。首先,由于微观客体不可能直接被人们观察到,我们只能通过它投射在宏观仪器上的度量表现去猜测它,所以至今我们无法使用既是经典的和一般人理解的,又是非常准确明晰的语言对之加以描述。为了说明黑体辐射现象,人们只能采用两种相互排斥的图象即粒子和波动来描述同一实在,然而谁都知道,一个东西不可能同时是一个粒子(即限制于很小体积内的实体)而又是一个波(即扩展到大空间的场)。因此,微观客体必定是某种既不同于粒子也不同于波的第三种东西,但它究竟是什么呢?我们说不清楚。玻尔想出了一个好主意,用互补的办法,同时摆弄这两种图象,通过从一种图象转到另一种图象,然后又从另一种图象转回到原来的图象,我们就可以得到与实验相符合的关于亚原子实在的整体印象。显而易见,对于这种“互补性”概念,我们只能说它与实验所得出的观察结果即经验现象符合一致,而不能说(或无权说)它是对亚原子实在的真实刻画。其次,最让人难以接受的是,按照海森堡的看法,在两次观测之间被测对象所发生的事情,一般是完全无法描述的,它只显现出种种可能的迹象;只有在观测行为作用于它的那一刻,它才会由潜能变为现实。这就是说,微观客体的行为特征在很大程度上是由实验及实验装置赋予的。爱因斯坦曾经把这样一种见解批评为宣称“月亮在无人看它时不存在”。海森堡自己也明确地讲:“我们必须记得,我们所观测的不是自然的本身,而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。”24“所有哥本哈根解释的反对者在一个论点上是一致的。在他们看来,回到经典物理学的实在概念,或者用一个更普遍的哲学术语来讲,回到唯物主义的本体论,那是值得想望的。他们宁愿回到一个客观的实在的世界的观念,这个世界的最小部分,就像石头和树木一样,是客观地存在着的,与我们是否观测它们无关。”81量子力学的哥本哈根解释遭到了笃信“实在的理性本质”的爱因斯坦的强烈反对。爱因斯坦并不否认量子理论伟大而成功的理论成果和应用成果,甚至他也并不要求拒斥对量子论作统计解释。爱因斯坦所反对的只是,把量子力学的哥本哈根派的那套概念框架当作微观科学理论唯一可能的解释方式;他尤其不能容忍把量子力学的哥本哈根结论确定为人类探幽入微之路的极限。在爱因斯坦看来,量子力学及其解释并不完备,因为它没有描述在体系不受干扰的情况下微观客体自身的运动特性和状态。微观系统在两次观测之间必定发生了某种事情,当然,这种事情不一定要用电子或波等术语来描述,但是,人们必须以某种方式描述它,否则物理学的任务就没有完成;物理学家在他的科学研究中必须假设,他正在研究的是一个不由他自己创造的世界,要是他不在,这个世界还存在,并且本质没有改变。爱因斯坦宣称:“相信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。”213哥本哈根学派所表现出来的现象主义和实证主义倾向,是爱因斯坦绝对不能接受的,他至死不渝地坚持认为量子理论的正统解释不是最终的,它至多只是科学发展过程中的一个暂时性和过渡性的环节。爱因斯坦与玻尔等人的争论从深层次上看,已经超越了物理学本身,而演变成为一种哲学信念之争。玻尔主张,既然微观客体在实验中所显现出来的现象就是宏观仪器同微观客体相互作用的结果,而这是无法排除和不可避免的,那么,只要构建起来的量子理论能够描述,哪怕是几率性地描述这些现象,就已经足够了。深究现象背后的微观实在本身究竟是怎样的,这是不可能做到因而也是没有意义的。哥本哈根学派的另一代表人物泡利则把这一思想表露得更为明确。他认为,爱因斯坦所提出的那类不受干扰而存在的实在问题,就像“我们不该为针尖上能够坐多少个天使这个古代问题去绞脑汁一样,我们也不该为我们不能知道一点情况的某种东西是否仍然存在的问题去绞脑汁。在我看来,爱因斯坦的那些问题说到底就是这类问题”。614可见,哥本哈根学派的观点与贝克莱、休谟的主张一脉相承,他们都认为存在的与被感知的是同一个东西,人类大可不必为现象后面的那个不可知的实在去劳神。而爱因斯坦则表示绝不相信“月亮在无人看它时不存在”,既然它确实存在,微观客体在两次观测间确实处于某种状态中,那么物理学就必须对之加以描述和说明;即便是我们现在还暂时寻找不到这样一种描述方式,也必须向后继者和世人指出这个悬而未决的问题,而绝不能把仪器的干扰作用看成是我们探测微观领域的一个不可超越的极限,把科学认知活动仅仅局限在纯现象领域,把它当作说明现象和“拯救现象”的工具。必须承认,爱因斯坦在自己的有生之年花了近40年的时间来论证量子力学的不完备性,他在这条艰难的路途中孤独地、艰苦地追索,始终未获成功。但是,我们绝不能因此宣告这场伟人之争业已以爱因斯坦的失败而告终。40年的时间对于一个科学家的研究生涯来说无疑是漫长的,可是对于无限发展着的科学历程来说,这一时间却不过是短暂的一瞬。从历史上看,化学家普劳特关于“一切纯化学元素的原子量都是整数”的断言,等待了将近一个世纪才获得确证和认可,黎曼几何也是在近50年之后才在实际空间中寻找到了自己的位置。既然如此,我们有什么理由说那场围绕着量子理论的争辩已经结束,事情已经有了最后的仲裁呢?历史上被公认为“不可救药”的科学理论突然或逐渐起死回生的例子不是很多吗?谁能保证爱因斯坦的观点在科学的未来发展中不会卷土重来呢?二、休谟的怀疑观在古代和近代的大部分哲学家那里,尽管他们的基本哲学立场各不相同,却至少有一个共同点:坚持无原因的事物或事件是不可想象的,偶然性只是人类无知的表现;既然整个自然过程都无一例外地服从严格的因果律,那么科学的任务就在于揭示这个规律,人类也完全有能力做到这一点。休谟怀疑论的出现,是对这种自信心的一个沉重打击。休谟在其代表作《人类理解研究》中专门分析了因果观念的基础和依据。他指出,“凡发生的事物必有原因”这句话并不像逻辑陈述那样具有“直观的确定性或解证的确定性”。在休谟看来,事物间的“因”与“果”之所以被发现,完全是人们看到甲后面总是立即跟着乙,或者很快就跟着乙,而甲后面不跟着乙这样的事例一回也没有出现过。于是,人们便产生了一种心理习惯,认为在将来的任何时候、任何情况下甲后面都会有乙跟随着。休谟说,其实这是没有充分理由的,因为这类相同经验重复得再多,终归还是有限的,我们无权断言与此相反的经验今后一定不会发生。我以前吃过的面包给了我美味与营养,但我却不能根据我以前的这类经验(不管有多少次)就断言以后的面包也一定会给我带来同样的滋味与营养。何况,在经验观察中,我们除了看到先行事件与后继事件的“连结”或“继起”关系而外,再没有别的关系。那么,即使是这种连续或继起关系具有必然性,就像春天的后面一定是夏天、白天的后面一定是夜晚那样,我们又有什么理由断定春天是夏天的原因、夜晚是白天的结果呢?休谟这种钻牛角尖式的诘难,肯定是令人不快的,人们可以根据感情和常理来驳斥它,但它的逻辑力度却是不可忽视的,也并不是用一个“不可知论”的标签就可以打发得掉的。正如罗素所说:“休谟得出了一些怀疑主义的结论,这些结论既难反驳,同样也难接受。结果成了给哲学家们下的一道战表,依我看来,到现在一直还没有够得上对手的应战。”事实上,休谟对决定论的反驳可以归结为这样一个逻辑问题:我们怎么能够在今天就预先知道只有明天才会知道的事情呢?这的的确确是一个只能作出否定性回答的问题,尽管没有人会情愿作出这种否定性回答。令人惊异的是,休谟的怀疑主义竟然在两个世纪之后得到了量子力学哥本哈根派解释的印证,哲学结论与科学结论在不同时间、不同学科间遥相呼应起来。然而,摒弃因果观念,这是要付出巨大而沉重代价的事情。试想,如果“凡事皆有原因”这句话不可靠,那么未来就会变得不可捉摸和变幻莫测;一切都可能发生,也可能不发生。人类连同地球就像是宇宙中的一颗到处乱闯的流星,随时会被巨大的黑洞所吞噬,被另外的星体撞得粉碎,而这一切却既无法预测,更不能阻止,这实在是太可怕了。因此,拒斥因果决定论,对于任何一个信念执著且具高度责任感的科学家和哲学家来说,都是难以接受的。何况,牛顿物理学以其令人信服的解释力和预见性取得了辉煌的成果,这一事实本身就说明了人类追寻因果律并不是盲目的。所以,休谟诘难的意义只在于揭示了依靠纯逻辑手段不能解释科学和决定论是如何产生的,而并不表明因果决定论是错误的。继休谟之后,大多数科学家和哲学家仍然顽强地坚持和固守着决定论信念,就是基于这个理由。科学和哲学从来就是一种相互影响和相互渗透的关系。与大多数哲学家一样,在大多数科学家心目中如下信条也是根深蒂固的:因果决定论既是关于宇宙自身本性的普遍性和必然性的学说,同时又是一种指导他们进行卓有成效的考察与研究工作的实际准则,因而发现因果律是科学的最起码的目的。要是某个领域没有因果律,那么这个领域就注定没有科学。反过来说,“科学家应当寻求因果律这条格言,如同采集蘑菇的人应当寻找蘑菇这条格言一样明白清楚”。17、18世纪,作为当时整个自然科学最高典范和整体构架的牛顿力学,已经为人类构筑起了一座“动人心弦的美丽庙堂”。它的精确的可预言性、可重复性以及前因后果的严格确定性,都更加坚定了人们的这个信念:自然事物之间的因果性是客观的、普遍的;严格的单链因果联系足以代表自然界一切事物之间的联系。早在决定论出现的同时,作为其对立物的非决定论或偶因论就已经相伴而生了。但是在相当长的时间里,这类对决定论的否定的或弱化的修正一直被说成是由于人们面对的现象过于纷繁复杂,因而实际上无法确知(当然也不必确知)造成单个事件的难计其数的原因。所以,这种情况并未使传统的决定论受到实质性的伤害,换言之,问题并不是对象世界已不再服从严格的因果律,而是人们尚不能了解和把握那个掩藏在“大数现象”之中的“客观的”规律。19世纪下半叶形成的经典统计力学,就是通过统计即概率的方法对大量同类事件的“系综”进行描述,进而对单个偶然事件实现的可能性作出某种倾向性预言,比如气体分子的速度分布、花粉粒子在空间出现的几率分布随时间的连续变化等,统计力学的问世,的确表明人们在描述自然时不必拘泥于十分严格的决定论;但是,由于统计力学所描述的气体分子与花粉粒子等等,在性质上与沿一定轨道运动的任何可以加以精确测量的宏观物体并无不同,因此,这些以“系综”表现出来的大量分子或粒子等,就其单个形态而言,在原则上仍然可以用严格的因果律来加以描述。在这里,概率或统计规律不过是因果规律的一种近似。换言之,因果律本身归根结底仍然是颠扑不破的。然而,作为本世纪最重大的科学成就之一的量子力学,在对单个微观客体的状态进行描述时却采用了一种不同于经典统计理论的“概率论”。只是在这种情况下,才造成了科学界和哲学界的真正震荡,使人们——至少是相当一部分杰出的科学家和卓越的哲学家——对决定论产生了根本性的怀疑。卢瑟福在他著名的原子模型的假说中,把原子描绘为由一个原子核和一些电子所组成,电子环绕原子核旋转,就像行星环绕太阳旋转一样。然而起初,这个原子模型不能解释原子的巨大稳定性,因为按照麦克斯韦电磁理论,沿弯曲路径运动的粒子定会辐射电磁能,如果这种辐射是连续的,那么原子的轨道电子就会迅速损失能量而螺旋式地落进核内。为了解决这一难题,尼尔斯·玻尔提出:原子的电子也是“量子化”的,即量子化的电子可以处于某些固定的能级上而不损失能量。当电子在能级间跳跃时,电磁能以分离的量被释放或吸收。即便如此,玻尔的理论仍然充满着矛盾,一个最明显的矛盾就是,人们根据玻尔的理论算出原子所发射的光的频率,但它和电子环绕原子核的轨道频率以及它们的谐频都不相同。原子内电子的轨道运动的频率怎么能够不在发射出的辐射的频率中显示出来?难道这意味着没有轨道运动?1924年,法国物理学家德布罗意试图将光的波动描述方法和粒子描述方法间的二象性推广到物质的基本粒子,首先是推广到电子上去。他指出,有某种物质波云“对应”于一个运动电子,就像一个光波对应于一个运动光量子一样。于是他建议,应当把玻尔理论中的量子条件解释为关于物质波的陈述;原子能级对应于围绕着核转动的驻波。不久,人们就明白了,不仅电子而且所有的亚原子粒子都具有类似的似波性。波动性与粒子性的共存,很快就导致了关于自然界的一些令人吃惊的结论:在微观世界中存在一种内在的模糊性,这个模糊性的后果之一就是摒弃了微观客体在空间沿特定路径或轨道运动的直观概念。这就是说,量子力学不能描述和预测单个粒子的运动状态,因为单个粒子的运动似乎是毫无规则和完全自由的;量子力学只能描述和预测大量粒子的“系综”的行为,并且这一描述和预测只能是几率性的,因为根据海森堡的测不准原理,为使各粒子的位置测量精确到足以识别它的程度,粒子的运动就会受到极大的扰动,致使干涉图完全消失。可见,在微观领域,严格的因果决定论奇迹般地失效了。现在的问题是:如果量子力学及其正统解释是正确的,那么,一些最古老最神圣的哲学信念就会发生革命性的变化。这些信念自从科学诞生之日起就深深地植根于其中;甚至可以这样说,没有因果论就没有科学。至少从亚里士多德时代以来,科学家们一直就把因果观念作为他们从事探索和研究工作的指导原则和基本出发点,把追寻因果律当成自己的天职。然而,在量子或亚原子领域,这种严格的因果律却消失了,亚原子粒子可以自由地同时在无限多的路径中运动,我们根本无法对它们的未来作出精确的预测,只能无奈地谈论其一些可能性。可以想象,对于任何严谨、正统、执着的科学家来说,要接受这个革命性的变化是多么地不易!正因为如此,爱因斯坦到死都不相信量子力学的哥本哈根解释具有终极性。因为这不仅冲击了他的世界观,而且冲击了他的价值观。爱因斯坦激烈地指出:“上帝不可能掷骰子!否则,我宁愿做一个补鞋匠,或者甚至做一个赌场里的雇员,而不愿意做一个物理学家。”193“我一如既往地坚信,把自然规律加以几率化,从更深邃的观点看来,是个歧途,尽管统计法获得了实际上的成功。”爱因斯坦把后半生的精力都投放在证明量子力学的不完备性上。他力图建构种种思想实验,以检验他的想法,著名的EPR实验就是其中最精细的一例。不幸的是,他的尝试屡屡受挫。然而公平地说,爱因斯坦的失利并不表明他对量子力学哥本哈根解释的质疑毫无价值和意义,更不能证明量子论的统计方法是唯一的和最终的。正如一些科学家所指出的那样,量子理论存在着一个明显的缺陷,即它只满足于把各种可观察现象成功地串联起来,却并未对此作出充分的说明和合理的解释,因此它具有一种十分浓重的实证主义倾向。它明白无误地向我们承认,微观客体在两次观测之间究竟发生了什么事情,这是人们无权问津的,因为这里涉及到了人类认识能力的极限,倘若我们硬要不自量力地跨越此界限,直接去探测那个无观察者和观察仪器干扰的所谓“自在世界”,这就如同是痴人说梦。以笔者之见,如果科学的涵义或“科学”这个词的定义仍然是探求自然——不管是宏观的自然还