因果性、直观性、个体性与量子力学——试析保罗#183;福曼关于魏玛文化与量子力学发展之关系，本文主要内容关键词为：量子力学论文,保罗论文,魏玛论文,体性论文,因果论文，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。
中图分类号：B025
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量子力学是20世纪理论物理学的最重大理论突破之一，又是现代各门物理学分支的基础，其地位与影响是可想而知的。可是，从理论诞生之日起，对其基本概念的含义及理论表述的特征一直存在争议和讨论，难以形成统一的认识。许多讨论甚至远远超出物理学的范围，上升到哲学认识论的高度，对人们的哲学世界观产生了深远的影响。量子力学有别于经典力学之处在一定程度上在于其三个重要特征：非因果性、非直观性、非个体性。然而，在理论创建之初，人们对这些基本特征的认识并不十分清楚；而且，在很大程度上囿于时代的文化背景，人们常常倾向于主观地赋予它一些时代的特征。对这一认识过程作历史的分析可使我们对科学与文化的关系有更深入的了解。美国当代著名科学史家及科学社会学家、现代物理学评论家三人帮之一保罗·福曼对魏玛文化与量子力学发展之关系的研究正是基于此深入地分析了量子力学所诞生的德国魏玛文化背景，探讨量子理论各主要特征的历史文化渊源，得出一些很有启发性的结论。
1 非因果性特征
在有关量子力学特征的讨论中，对其“非因果性”（或“非决定论”）特征的讨论是最为激烈、也是争议最多的了，并由此形成不同学派，争论持续了多年。从本质上来说，量子力学是原子过程的统计理论，由海森伯所设想，沿“格廷根－汉堡－哥本哈根”轴心发展的矩阵力学其本质特征是统计性的。“量子力学变易”是描述原子跃迁的几率，或更确切地说是几率振幅。虽然薛定谔所构建的波动力学起初试图提供单个粒子行为的连续时空描述，但波函数不允许这样的解释，它与原子物理的事实不符。薛定谔本人所证明的矩阵力学与波动力学在形式上的等效为玻恩对波函数的统计诠释开辟了道路，从而波动力学也是统计性的。这后一种表述使实体论在量子理论中变得是多余的了，因为波函数描述的是给定系综合各相同个体的整体性质，而不是单个粒子。
玻恩1926年夏在处理电子及原子的碰撞问题时，得出的结果是：“从现在量子力学观点看，单体的碰撞情况没有因果数量关系来确定其结果”[1]，随后他宣布：“我个人倾向于放弃原子世界的决定论”。于是，随后几个月里，德国物理学家纷纷宣布量子力学显示了因果性原理的失败，以海森伯发表其不确定性原理而达到高潮。海森伯宣称：“能这样来概括：由于所有的经验都服从于量子力学的规律，……量子力学确定了这样的事实：即因果性关系已失效。”[2]海森伯的声明不仅放弃了玻恩的限制（只在原子世界），而且是概括一切的普遍结论，甚至可以用于人类的自由意志与行动。索末菲与玻恩等更是在这一方向上不断发展，在随后的一段时期从量子力学引伸出自由意志的讨论更为普遍和武断。玻尔更是从活力论的感觉出发试图排除生命过程可用物理描述。
福曼认为，量子力学本身与随后赋予它的世界观含义有很大不同。量子力学仅仅是统计性的理论，如爱因斯坦所反复却徒然强调的，它不能当作客观存在着的微观世界的完备描述，也不能当作描述宏观世界恰当的概念基础。在宏观领域里，我们显然是以个体的方式来处理客体和事件的，而不是统计集合。因此，甚至在断言因果性规律在物理世界无效并作过分延伸时，他们至少忽视了量子力学是概率决定论理论这一事实。至于说更进一步赋予它世界观含义——确保人类的自由意志，或不能用物理、化学等来解释生命现象——那就更无法保证[3]。
为什么物理学家会滥用量子力学作为放弃因果性的认识论基础呢？福曼认为，立即对量子力学作非因果性诠释并将其意义扩展到认识范畴的只限于讲德语的中欧物理学家[4]。在英国，即使那些很快卷入原子物理和新生的量子力学的物理学家中，在中欧同行唤起他们的意识之前仍不在意这种认识论意义的延伸。美国同行与英国大体相同，法国物理学家则对量子理论的非决定论不满意，极少从中寻求含义。因此，讲德语的中欧物理学家是很独特的，简单来说，关键是他们特有的文化背景——魏玛文化中的浪漫主义的非理性主义思想，具体表现为：①颂扬“生命”及其相关的不可解析的经验，认为理性逻辑只是某种知识的基础而不是普遍知识的基础，生命现象超出理性的科学知识之外；②厌恶因果规律：广泛弥漫于德国知识界而又十分混乱的“生命哲学”（注：生命哲学：19世纪下半叶到20世纪初德国的一个哲学流派，由狄尔泰、柏格森等所创立。反对自然科学及技术所造成的机械主义，认为不能用理性和概念来表达生命。主张以内在的体验来理解和解释生命，或把生物学所理解的生命延伸到整个实在世界和人生观。是存在主义的主要来源之一。），其倡导者们将因果性原理当作攻击的主要目标，认为机械论和决定论的因果解释对任何事件作预先推测，把任何事物看成可比较可分解为元素，对事物的支离解体使其失去意义；③敌视物理学，尤其敌视物理学家。这首先是物理学家从事的认识目标在认识论上正好是生命哲学所反对的。其次，物理学家对现代技术和工业化负有责任，它使人与自然异化、与人类的本原、与简朴的生活异化等等，这也是当代文化思潮所不可容忍的。
福曼认为，物理学在德国工业化和“技术时代”曾做出重要贡献，物理学家在第一次世界大战前及一战期间享有很高的声望。而在魏玛时期，在“当代思潮”的冲击下忽然发现被鄙视，确保他们在社会和其大学中享有荣耀地位的价值观和思想态度已一去不返，取而代之的是明显敌视理论物理学家的事业。为力图调整他们的训练以适应新的文化价值观，德物理学家即使在发现量子力学之前已宣布反对因果性关系。典型的是，他们声称在同原子物理问题搏击的过程中将能找到摆脱这一可恶原理的途径。因此，毫不奇怪，现在有了这一套非决定论的原子理论，他们便急于将之公诸于众，以表明他们早已期望从因果关系中解脱出来[5]。
2 非直观性特征
海森伯1925年春着手他的矩阵力学时就断然决定放弃直观形象的原子模型[6]。他设法给玻尔和泡利的争论一个具体的描述，即解决原子物理学面临的困难在于放弃原子过程的因果性时空描述（因果性和时空描述于1927年被玻尔发现是互补的，但在1924-1925年玻尔及其他物理学家把它们看成几乎是相等的）。的确，由海森伯、玻恩、约尔丹和狄拉克所创建的矩阵力学被人们赋予高度抽象的特征。
与之相反，由薛定谔建立的波动力学试图直观地描述原子及亚原子过程。然而，看起来直观的波动力学后来被证明只是一种幻觉。首先，“波”或“云”并不是薛定谔所形象描绘的那样是质量或电量的密度分布，而是密度几率。其次，此“波”并非是实际空间中的波动，而是构造空间中的波，其空间维度与原子系统的维度一样多。最后，波函数并不描述单个粒子的行为（更不用说粒子本身），而是全同粒子或系统的统计集合。
然而，人们仍然试图赋予量子力学以直观性。在发现这一套非直观性算法的几个月内，海森伯曾向他的朋友泡利抱怨说，“每当听到这一理论仅仅被归之为矩阵物理时我常常感到愤慨”[7]。海森伯从同事中听到的常常是对非直观性理论的反感语调。玻恩则不那么绝对，他把薛定谔波函数的几率诠释看成是一种折中，在赞赏放弃“单个事件的因果决定”的同时仍允许保留熟悉的时间、空间概念，在其中事件仍完全以正常方式发生。海森伯对玻恩背叛量子力学的信条，承诺波动力学有“普遍的直观性”很不高兴。最初，海森伯试图以“原子结构的量子假设从一开始就是非直观性的”来消除问题的争议，但他立即意识到一个不可忽视的问题：此举必会遭到同行的反对，必须立即清除这一理论的非直观性污名。在1926年秋为范围更广的科学公众所写的“量子力学”一文显然是在致力于解决这一问题，其中他反复使用“直观”、“形象”等形容词并对其意义作重新定义[8]。1926-1927年海森伯在这一问题上不断探索的结果即得出其不确定性原理，并以“关于量子理论的运动学和动力学的直观性的争论”为题发表。
为什么人们对量子力学的非直观性特征佯做不知呢？福曼认为，物理学家想赋予量子力学直观性特征就如同赋予它非因果性特征一样，是魏玛德国的时代精神的需要，它为物理学家提供了畅游于时代思潮的机会。当“因果性”成为反理性的生命哲学所贬抑的代名词时，“直观”、“直觉”等词却成为它的主要口头禅之一。它不仅仅是要跟浪漫主义的反理性主义、反因果主义者、数学家布劳威尔所醉心的数学直觉主义运动相一致，对量子力学的非直观性特征佯做不知或对“直观性”作重新定义使其意义可用于非直观的理论，这是德国物理学家在一战后社会意识形态上地位衰弱的结果，他们无力违抗时代精神[9]。
3 非个体性特征
薛定谔在1949年回顾对“互补性”这一“复杂的行话”的攻击时说道：“在这20年的空谈中，也因为这种空谈，新力学最重要的结果在人们的心目中变得不重要了，而自然的和哲学的意义被发现。每一个物理学家都知道这一点，但没有人说清楚它，而把它当成次要的，用方便但晦涩的行话来掩饰它。粒子不是一个个可以辨认的个体，从完全的意义上来说不再有独立的个体。”[10]
这样，新量子力学对我们的世界观来说，最直接和最少争议的基础性意义是：第一，在量子力学本身，即不确定性原理；按通常的说法，即对我们跟踪粒子迹径的能力给一个限制，不让我们知道是否已将一个粒子与其余可辨粒子混淆。但这种说法明显是用未经证明的假定来辩论。因为从量子力学的观点看，如果粒子具有任何个体特征的话，那就不存在混淆的危险。相反，人们只能说量子理论没有任何地方、任何意义上描述一个给定体系的亚原子粒子的个体特征，实验也完全证实了这种逻辑上的要求。第二，宣称自然图景的基元缺乏任何个体特征，其理论基础即量子统计力学，即所谓的玻色－爱因斯坦统计和费米－狄拉克统计。两个新统计理论相互独立地推导出却与量子力学相一致，它们是从一个复杂系统的各种可能状态的相对几率的新规则中产生的。新统计规则与经典统计力学的基础性规则不同的地方是：旧统计规则假定粒子可分辨，从而具有个体特征。新规则与之相反，强调粒子不可分辨，从而缺乏个体特征。
然而，魏玛物理学家们还是宣称量子力学展示了个体特征。海森伯1926年秋在“量子力学”一文中曾把“粒子失掉了个体特征”作为新量子统计的重要结果，但这一简单不过的真理再没有从海森伯的笔下重新出现过。玻尔是否一度看到过这一点还不清楚，但当1927年夏他首次阐述这一问题时，他刚愎自用地指出，量子理论不仅展示了原子过程的个体特征，而且“的确不能毁掉”物质粒子的个体特征[11]。之后，玻尔还进一步将它与生命有机体的个体性和人类的个性相比较——没有哪一位物理学家，甚至海森伯和罗森菲尔德——玻尔在哲学上的忠实信徒，像玻尔一样如此颂扬原子物理中的个体特征，但确实没有人公开反驳玻尔的声明。
福曼认为，个体特征是西方受过教育的精英分子中一个十分强烈的传统文化价值观念，尤其在德国，独立的个性特征是德国人在社会和政治上集权主义传统的一种理想补偿。由于这种理想的核心是浪漫主义的，它因为语言和文化领域里是强烈的浪漫主义传统从而再一次对德国有很大的吸引力。在对世纪之交的德国学术思想发展作敏锐的洞察研究中，史学家F.林格尔注意到“某些主题和影像在现代德国学术作品中十分惊讶地一再出现”[12]。林格尔发现“个性原则是其中一个主题”，并强调“在显贵阶层的信条中没有个性观念是不可想像的。”在魏玛德国，呼唤个性随处可见，以“个性”为名的书如“因果性”为名的一样多。它也是此时期非理性主义“生命哲学”完美的口头禅。杜宾根大学哲学教授赫林(Theodor Haering)在此类书的一本书的开头直率地说：“根源于中世纪的‘个性’无法用语言来表达，它不能用词语和概念来理解。我们这一非理性主义的快乐时代也许最好说‘个体性’就是某种‘非理性’”[13]。
“个体性”等同于“非理性”在玻尔1927年夏初次阐述其原子的个体特征的信条中得到充分地说明：“量子假设一方面暗示了原子过程的个体特征，另一方面表明了一种固有的非理性。”[14]由此，我们不必奇怪非理性、个体性与因果性原理失败的联系。
4 结语
福曼对魏玛文化与量子力学发展之关系的研究是很有启发意义的，它给我们展示了魏玛共和国这一特殊的历史时期德国的社会文化思潮对自然科学发展的影响。虽然人们对魏玛文化从不同的侧面会有不同的理解，但总体上文化悲观主义及非理性主义思想是公认的主流文化思潮。虽然悲观主义及非理性主义思想在叔本华及尼采的哲学体系中早有体现，但19世纪末德国工业化的快速推进及“技术时代”带来的物质文明使德国人民感到德意志民族正在迅速崛起，理性与科学乃是时代的主流思想。即使到了一战初期，许多德国青年仍在相信“技术时代”带来的强大物质力量必会给德国赢得战争的最后胜利，悲观主义远未成为时代的主流思想。
只是战败之后，人们才犹如一阵猛然的唤醒。由于强加的和平方式、由于苛刻的凡尔赛条约，使魏玛德国知识分子感受到了巨大的生存压力、感受到了德意志民族的软弱无能，从而对一战前曾给德国人民带来自信和乐观精神的工业化和现代技术文明产生了怀疑。对现实的不堪承受，人们纷纷转向非理性主义寻求精神慰籍。作为生命哲学后期代表的斯宾格勒在《西方的没落》中所宣扬的文化悲观主义和非理性主义思想猛然间得到知识分子的青睐。物理学家感受到了这股突然逆转的文化思潮，感觉到了一贯享有很高声望的物理学训练忽然间被鄙视，公众对自然科学的价值观已发生了变化。为寻求生存空间，为恢复物理学应有的声誉地位，必须做出调整、必须适应新的文化环境，于是物理学家宁愿赋予新理论以时代特征。
收稿日期：2002-07-07
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