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量子力學(xué)對經(jīng)典科學(xué)世界圖景的變革
摘 要：20世紀三次物理學(xué)革命之一的量子力學(xué)在諸多方面對經(jīng)典科學(xué)世界圖景進(jìn)行了變革。量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機械決定論，使之轉化為非機械決定論；使得科學(xué)認識方法由還原論轉化為整體論；使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性到探索復雜性；確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。?
關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動(dòng)?
Abstract: As one of three revolutions of physics in 20th century, quantum mechanics has greatly transformed the world view of classical science in many aspects. Quantum mechanics breaks though the mechanical ?determinism? in classical science, transforming it into non?mechanical determinism; it changes scientific ?cognitive? process from the theory of reductionism to the theory of wholism; it shifts the way of thinking from pursuing simplicity to exploring the complexity; it also establishes the interaction between subject and object in scientific researches.?
Key words: quantum mechanics; world view of classical science; non?mechanical determinism; wholism; ?complexity;? interaction between subject and object
經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開(kāi)創(chuàng )的，近三百年內發(fā)展起來(lái)的一整套觀(guān)點(diǎn)、方法、學(xué)說(shuō)。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀(guān)點(diǎn)是：微觀(guān)粒子的各種力學(xué)量（位置、動(dòng)量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學(xué)對微觀(guān)粒子運動(dòng)的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋?zhuān)粵Q定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀(guān)察對象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界
圖景。
一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論
經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機械運動(dòng)的科學(xué)，機械運動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運動(dòng)。說(shuō)它最簡(jiǎn)單，因為機械運動(dòng)比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說(shuō)它最普遍，因為機械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀(guān)之上，解釋原因和結果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無(wú)論從因到果的軌跡多么復雜，沿著(zhù)軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來(lái)狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準確預測。[3]其實(shí)，機械決定論僅僅適用于宏觀(guān)物體，而對于微觀(guān)領(lǐng)域以及客觀(guān)世界中大量存在的偶然現象的研究就產(chǎn)生了統計決定論。[4]?
量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀(guān)領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀(guān)世界的運動(dòng)規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀(guān)粒子運動(dòng)遵守統計規律，我們不能說(shuō)某個(gè)電子一定在什么地方出現，而只能說(shuō)它在某處出現的幾率有多大。?
玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀(guān)念，而機遇則恰恰相反地意味著(zhù)完全不確定性，自然界同時(shí)受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。?
經(jīng)典統計力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動(dòng)搖嚴格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對微觀(guān)世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀(guān)事件的測定都要受到測不準關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，只能描述和預言微觀(guān)對象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統計的。而且，隨著(zhù)認識的發(fā)展，人們發(fā)現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀(guān)世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。
二、量子力學(xué)使得科學(xué)認識方法由還原論轉化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動(dòng)形式歸結為低級運動(dòng)形式，用研究低級運動(dòng)形式所得出的結論代替對高級運動(dòng)形式的本質(zhì)認識的觀(guān)點(diǎn)。它用已分析得出的客觀(guān)世界中的主要的、穩定的觀(guān)點(diǎn)和規律去解釋、說(shuō)明要研究的對象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類(lèi)認識處于初級水平上無(wú)疑是有效的。如牛頓將開(kāi)普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。?
量子力學(xué)認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著(zhù)整體。部分作為一個(gè)單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周?chē)h(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時(shí)還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺(jué)因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]?
波粒二象性是微觀(guān)世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無(wú)共同之處，二者難以形成直觀(guān)的統一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過(guò)部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”�？墒俏⒂^(guān)粒子在某些實(shí)驗條件下，只表現波動(dòng)性；而在另一些實(shí)驗條件下，只表現粒子性。這兩種實(shí)驗結果不能同時(shí)在一次實(shí)驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀(guān)上揭示了微觀(guān)世界的矛盾和我們關(guān)于微觀(guān)世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀(guān)粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即波粒二象性。這就是整體論觀(guān)點(diǎn)強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說(shuō)明不能同時(shí)測量微觀(guān)粒子的動(dòng)量和位置，這也說(shuō)明絕不能把宏觀(guān)物體的可觀(guān)測量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀(guān)。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀(guān)與現代科學(xué)觀(guān)認識論和方法論不同的根本在于思考和觀(guān)察問(wèn)題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強調外在聯(lián)系觀(guān)，而量子力學(xué)則更強調關(guān)注事物內部的有機聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀(guān)點(diǎn)。
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三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復雜性從經(jīng)典科學(xué)思維方式來(lái)看，世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說(shuō)過(guò)，自然界喜歡簡(jiǎn)單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標，也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開(kāi)普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復雜的太陽(yáng)系行星運動(dòng)，牛頓更是用單一的萬(wàn)有引力說(shuō)明了千變萬(wàn)化的天體行為。因而現代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。?
量子力學(xué)初步揭示了客觀(guān)世界的復雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來(lái)描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀(guān)世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀(guān)領(lǐng)域，微觀(guān)粒子運動(dòng)的幾率性、隨機性；觀(guān)測對象和觀(guān)測主體不可分割性等都足以說(shuō)明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。?
在現代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對論的低速現象的特例，成為非線(xiàn)性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測不準關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性，而是為了打破簡(jiǎn)單性獨占的一統地位。復雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中，正如莫蘭所說(shuō)的，復雜性是簡(jiǎn)單性和復雜性的統一。復雜性比簡(jiǎn)單性更基本，可能性比現實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現實(shí)來(lái)限制可能，而是從可能中選擇現實(shí)；不是以既存的實(shí)體來(lái)確定演化，而是在演化中認識和把握實(shí)體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類(lèi)別上的區分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協(xié)同。
四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)
經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導觀(guān)念就是，認為科學(xué)應該客觀(guān)地、不附加任何主觀(guān)成分地獲取“照本來(lái)樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦](méi)有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問(wèn)題，在面對量子世界如此微小的測量對象時(shí)，成為一個(gè)難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿(mǎn)了不確定性。在海森伯看來(lái)，在我們的研究工作由宏觀(guān)領(lǐng)域進(jìn)入微觀(guān)領(lǐng)域時(shí)，我們就會(huì )遇到一個(gè)矛盾：我們的觀(guān)測儀器是宏觀(guān)的，可是研究對象卻是微觀(guān)的；宏觀(guān)儀器必然要對微觀(guān)粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀(guān)世界的經(jīng)典概念來(lái)描述宏觀(guān)儀器所觀(guān)測到的結果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀(guān)客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀(guān)測的假定，從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。?
例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀(guān)察它。一種實(shí)驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實(shí)驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個(gè)整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說(shuō)，我們觀(guān)測的不是自然本身，而是由我們用來(lái)探索問(wèn)題的方法所揭示的自然。[8]?
量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個(gè)客觀(guān)的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀(guān)測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說(shuō)什么”。?
參考文獻：
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