量子物理学的思维方法与微观自然的人化，本文主要内容关键词为：量子论文,微观论文,物理学论文,思维论文,自然论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
如果说相对论的创立为人们提供了一种崭新的时空观的话，那么量子物理学的创立则为人们提供了一种理解自然界的新方法。准确把握量子物理学的思维方法，对于我们正确理解物理学发展的新成就，以及深刻理解自然界都是大有裨益的。
1.两种不同的理论公设。经典物理学以宏观低速的世界为其研究对象，它自认为它研究的是纯粹的自然界本身。它的理想是通过科学紧紧抓住“存在”本身。它假定可以不干扰对象本身就可以获得客体自身的信息，从而认识客体的自在性质。这一经典的假设可以说是来自对日常经验的总结，是人们通过感官知觉及其直接延伸（例如，使用根据与人的视觉相同的光学原理而发明的、直接辅助目力的光学望远镜或光学显微镜，以及把所要观察的现象直接放大的其它简单仪器），而直接观测到的天然现象的总结。经典物理学的理论公设对人们传统的思维方式影响是巨大的，无论是积极的，还是消极的都是如此。
量子物理学与经典物理学的根本区别在于，它只同在人工发明的实验安排的仪器上观察到的宏观现象打交道，而不是直接同微观现象打交道，而这些仪器不同于经典物理学的仪器，它们不是人的感官的直接延伸。例如，在闪烁屏上、在照相乳胶上、在阴极射级示波仪上、在气泡室或多丝正比室上，人们看到的现象并不是人们认定的微观客体本身的行动。人们不能直接观察到原子、电子、光子的运行状况。这些微观客体并不是自然界直接呈现给我们的东西，而是从发生在宏观仪器上的多种多样的实验观测结果推断出来的。它们不是天然的物理现象，而是人工造成的人化自然现象。
由于研究微观自然的量子物理学只能寻求确定在人工安排的特殊环境条件下各个观测结果之间的关系的定律，由于原子、亚原子现象是由我们想办法施用手段强迫自然界呈现出来的，因此，离开实验参与的手段谈论微观客体的行动在逻辑上不再是可能的了。玻尔等人反复强调：“现象”这个字眼在原则上必须包括整个实验安排，因为只有在这个实验安排下人们才能够迫使自然界出现这个现象。客体和仪器之间相互作用的量子特色使人们不能把原子客体看成与实验与人的活动分开的东西。因而在实验安排上所观测到的现象既包括必须制备些什么，又包括在宏观尺度上观察到什么。总之，量子假定给原子客体行动不依赖于观察手段的可能性定下一个绝对的限度。
很显然，这是两种不同的研究方法。经典物理学家“是在自然过程表现得最确定、最少受干扰的地方考察自然过程的，或者如有可能，是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下从事实验的”[①]。因此，在经典物理学的描述中，人们总是设想可以不必触动、干扰所研究的对象，就能够观察那个现象，但在量子物理学中却不能成立了。因为“量子公设意味着，原子现象的任何观察，都将涉及一种不可忽略的[现象]和观察仪器之间的相互作用，因此，就既不能赋予现象也不能赋予观察仪器以一种通常物理意义下的独立实在性了”[②]。
2.微观客体的可观测量是对象与仪器的相互作用。在经典物理学中，可观测量被看成是客体自身固有的性质，即被测客体自身具有的不依赖于观测过程的性质。这是实际情形的理想化。事实上，所有的物理观测都包含着实验仪器与被测客体的相互作用。但是，根据经典物理学理论，原则上可使一切物理作用都无限地减小，因此在观测过程中，就可以使观测仪器和被测客体之间的相互作用与被测的量比较而言变得可忽略地小。
相反，在量子物理学中，由于被测客体（单个分子、原子和基本粒子）的质量相当小，因此我们不可能使被测客体和观测仪器之间的相互作用变得无限地小。在这里，相互作用的大小有一个确定的下限，它由普朗克常数h决定。而随着研究对象的缩小，实验装置反而变得更大了，这些实验装置大得像一座规模巨大的工厂。罗塞堡形象地指出：“人们在这条通往微观世界深层的道路上，挺进越深，用来‘扫描’研究对象的枪的能量就必须越高。”[③]现代回旋加速器的最大能量随着粒子旋转装置的半径的增大而增大。现在世界上从事这类研究工作实验设备的直径有几公里长。这些设备还拥有自己的发电站，这种发电站足够为一个中等城市提供它所需的全部电能。
研究如此微小的对象（空间尺度在10[－5]厘米以下的世界）所使用的装置既然如此之大，问题也就变得更加复杂。这个相互作用与被测的量比较，就变得举足轻重了。总之，在量子物理学中，每次测量都会对被测量的微观客体状态产生干扰。当用一个仪器系统M去测量一个微观体系S时，S和M总要发生相互作用，产生一定的“干涉项”。由于干涉项的影响，就无法准确地测定S的状态。要想准确地测定出S的状态，就必须消除这一干涉项。这就需要再引入新的仪器系统M[，1]。然而新的仪器系统引入后，虽然可以消除这一干涉项，但势必带来新的干涉项。冯·诺意曼用严密的数学推理证明，这种干涉项会无休止地延续下去。这一事实表明，任何附加的观测条件都同样包含着不可减少的相互作用，因此它们不能提高关于对象自身的信息的精确度。
那么，我们如何解释量子的可观测量呢？如果被测客体与测量仪器真地卷入了不可减少和不可分割的相互作用之中，如果观测结果来自这种相互作用，那么就应该把它们视为一个整体，看成相互作用的性质，而不是被测客体的自在性质。因此，量子可观测量是被测客体与测量仪器之间的相互作用的性质。量子位置、动量和能量均为客体与测量仪器之间的相互作用的不同模式。
3.微观客体的生成有一个从可能到现实的转化过程。代表微观客体状态的数学函数被称为“状态矢量”，我们可由它计算出所有可以观测到的各种结果的几率分布。观测结果的几率分布描述了客体与观测仪器之间的所有可能的相互作用，它给每一种可能性都赋予一定的几率，这就是说它描述了客体对某一特定类型的观测作用的潜在可能性。几率分布是由状态矢量计算出来的，故状态矢量描述了客体对各种可能类型的潜在可能性。因此量子态不是量子可观测量的实测值之总和，而是它们的可能值之总和。福克、海森堡和玻姆一直很强调区分现实和潜在可能性对于理解量子理论所具有的重要意义。在量子物理学中，客体和状态是它在给定时刻与仪器相互作用从而产生某一特定观测结果的可能性。这种潜在可能性包括两个方面，即可能相互作用的范围和与每一种可能性相联系的几率分布。因此，量子论所谓的“状态”表示客体与仪器的可能的相互作用，而不是客体自身的实际性质。状态在观测时的“收缩”表示其中的一种可能的相互作用之实际发生。状态矢量是观测前从过去单个客体所做制备操作得到的信息或知识的总和，可用来作出关于它的哪个数量可以确定的预言。
微观自然之从可能到现实的跃迁只有在人的科学实验的实践活动中才能发生。海森堡指出，几率函数含有关于各种可能的陈述实验观察不连续改变几率函数，它从一切可能的事件中挑选出实际发生的那个事件。而“从‘可能的’跃迁到‘现实的’是在观察活动中发生的。……并且我们可以说，一旦客体和测量工具因而也和世界的其余部分发生了相互作用，从‘可能的’到‘现实的’这个跃迁马上就发生”[④]。
4.量子物理学对自然科学研究对象和自然图景的反思。在人工安排的实验中，微观自然由可能到现实的生成过程进一步揭示了微观物理学不再也不可能把它的研究对象设想成纯粹自在的自然界本身了，而必须转到现实的人与自然的关系上来，即研究人化自然。用海森堡的话来说就是：“原子物理学家不得不听任他的科学只是人和自然界辩论的无限长链条中的一环，并且这种科学不能简单地谈论‘自在的’自然界。”[⑤]
对于自然科学的这一深刻变化，海森堡作为一个优秀的物理学家，有着较强的自觉意识和深刻的洞察力。他敏锐地看到：“在我们这个时代里，人们是生活在一个经人改造了的世界里，这个改变是如此完全，以致于人们总是碰到人造的创造物，……这个新局面在现代科学本身中暴露得最明显，在这里我们不再能够认为那些构成物质的块块就是自在之物，象我们原始认定最后的客观实在那样。……这样一来，研究的目的就不再是对于原子及其自在的行动的一个不依赖于实验问题表述的理解。从一开始我们就被卷入到自然界和人的辩论之中，……因此，即使是科学，研究的目的也不再是自然界本身，而是人对自然界的考察。”[⑥]随着自然科学对象观的变化，人们对科学所描绘的自然图景的根本性质的看法也有了根本的变化。过去人们把世界分成空间、时间上的客观过程和反映这些过程的意识，两者之间的区分——换句话说就是思想物和广延物之间的笛卡尔差别——不再是我们理解现代科学的一个合适的出发点了。恩格斯早就对近代科学和哲学把世界划分为自然和思想两个对立面的做法提出过批评。我们发现，科学现在集中到人和自然界之间的关系网上了。科学不再是作为一个绝对超然的观察者面对自然界，而是看出它本身是人与自然关系上的一个参与者，换句话说，方法和目标不再能够区分开了。因此，海森堡意味深长地指出：“当我们在谈论我们这一代的严谨的科学的自然界图景时，我们的意思是指我们和自然界的关系的图景，而不是自然界（本身）的图景。”[⑦]
5.自然哲学的重心从本体论转向认识论。本体论与认识论的区别不只是对象上的差异，从根本上说，它们是两种截然不同的思想方法。如果说经典物理学提出的哲学问题的核心是本体论问题即何物存在的问题，那么量子物理学提出的哲学问题的核心则是认识论，即对象物（客体）存在与主体的关系问题。从而直接了当地提出了如何对待认识过程中无法剔除的主体因素问题。这一问题引起了一场旷日持久的哲学争论，至今未息。了解量子物理学的哲学思维方法与经典物理学的根本不同，对于正确理解和评价量子物理学的成果及其影响有着十分重要的意义。然而，事实上很多以反传统为名的解释是主观主义的。例如，美国物理学家维格纳就认为，放弃实在的确定是量子力学的最自然的认识论。他甚至提议要探索意识直接作用于物质所引起的各种不同寻常的效应。他说，正是一个印象进入我们的意识才使波函数改变。他的意思是，对客体的改变是在我们的意识中发生的。
实际上，量子物理学并没有否定客观性，它否定的是对客观性只属于客体自身的片面性理解。玻尔曾举例说明新的客观性是包括主体因素在内的，它否定的是纯粹自在的客观性。他说，今天我们知道“同时性”包含着一个主体要素，因为对一个静止的观察者是同时发生的两件事，对一个运动着的观察者就不一定同时发生了。可是相对论的描述也是客观的，因为每个观察者都能通过计算推出另一观察者会觉察到什么或已经觉察到什么。尽管如此，我们已经离开客观描写的经典理想很远了。在量子物理学里离开这个理想的差距就更根本了。海森堡也说：“量子论并不包含真正的主观特征，它不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分。”[⑧]
主观认识论的解释忽视了以下事实：微观自然的人化是在实践中即在量子物理学的实验中发生的，不是在人的意识中发生的现象，因而是一个客观过程。量子理论的公理把物理相互作用区分为两种不同类型，即普通的物理相互作用和观测相互作用。所谓观测相互作用指的是客体与观测仪器相互作用从而产生某一种特定的观测结果。发生普通的物理相互作用时，例如电子与电场相互作用，微观客体的状态根据薛定谔方程连续地和确定地变化。相反，在观测相互作用发生的时候，它们则依据概率论规律非连续地和不确定地改变其状态。实验仪器并未因此而使客体成为主观的东西。所有的实验仪器都具有一些特殊的物理性质，借助于这些性质就能够使微观物理的观测相互作用效果放大，从而产生与特定的量子可观测量对应的宏观观测结果。这类性质随仪器的不同而变化，但在相互作用发生之前它们处于亚稳态。举例来说，照相乳胶、云室中的过饱和蒸汽、气泡室中过热液体等都是测量仪器中的亚稳态部分。在观测相互作用发生时出现的那种连续性状态变化就在仪器的这些部分上激起一种不可逆的雪崩式过程，这些过程使得观测相互作用得到放大，从而产生一种宏观效果。
由此可见，微观认识对象实际上是复合的，它是由微观世界和测量仪器对它的变革作用这样两部分合成的。对这个“复合”对象应用量子论定律，所得到的结果并不改变原有的实验预测，这表明将主体因素“对象化”，进而客观化，在实际上是可能的。将认识的客体和认识方式都归入认识对象的新划分，不仅对量子论的解释有实际的意义，而且对认识论的深化亦有重大的启发。
注释：
[①] 马克思：《资本论》第1卷，人民出版社1972年版，第8页。
[②] 转引自戈革：《尼尔斯·玻尔——他的生平、学术和思想》，上海人民出版社1985年版，第308页。
[③] 乌·罗塞堡：《哲学与物理学》，求实出版社1987年版，第2页。
[④][⑤][⑥] 转引自：卢鹤绂：《哥本哈根学派量子论考释》，复旦大学出版社1984年版，第96、149、29页。
[⑦] 恩格斯：《自然辩证法》，人民出版社1984年版，第28页。
[⑧] 海森堡：《物理学与哲学》，科学出版社1974年版，第22页。