量子力学的哲学意义是认识论的还是价值论的，本文主要内容关键词为：价值论论文,量子力学论文,认识论论文,哲学论文,意义论文，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。
内容提要：本文是对微观世界量子描述的哲学反思。作者分析了量子力学的“不确定原理”和“统计定律”的物理含义，认为既然这些原理、定律是运用日常语言对亚原子客体的存在和运动状态的非常间接、带有强烈主观色彩的描述，那么微观世界“实际上”的情况到底如何，也许是人类无法真正知晓的：但是量子力学所带给人类的日新月异的福利却可以使“真”或“假”的问题显得次要。“重要的是改造世界”，这正是量子物理学所揭示的看似浅显实则深刻的哲学意义。
量子力学所引发的哲学争论由来已久。争论的始作俑者正是对这一科学理论分别做出了杰出贡献的伟大科学家阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔。在我国学术界，围绕着关于微观世界量子描述的哲学意义，也一直进行着热烈的讨论，即：人们究竟怎样对微观事件进行描述，以及在多大程度上能够进行这种描述？亚原子客体究竟具有哪些区别于我们习惯了的宏观物体的性质？为什么微观世界中没有严格的因果律？在人们对亚原子客体及其行为的认识中，是否确有不可排解的主观性以及这种主观性的程度如何？笔者对这些问题的看法，与国内相互对立的见解都不尽相同，而是立足于量子力学对于人类利用和驾驭自然界的现实价值，而其认识论意义则应当从这种价值中引伸出来。
一、现象、语言与实在
人类对微观世界的把握和研究的最大特点在于必须借助于宏观仪器，而观测的结果却总是不确定的。具体来说，微观客体的位置与动量无论如何不能同时被准确地加以测定（这在经典物理学中是根本不可能的）。这种奇异现象，在我国哲学界被通俗地叫做“月亮问题”，即微观客体的不确定性被比喻为月亮。一种最有代表性的见解认为，微观事件之所以是不确定的，完全是由于观测仪器的干扰作用所致。那意思就是说，客体本身是确定的，只不过这种确定性被宏观仪器给破坏了。因此，微观客体的性质依挑选观测仪器的观察者的主观愿望而定：选择的仪器不同，测量结果就会不同，即是说：“月亮在无人看它时是不存在的。”与此对立，另一种观点则认为，量子物理学所揭示的，是亚原子世界的真实状况和性质，因而具有完全的客观性，即是说，“月亮在无人看它时仍然存在”。笔者认为，这两种观点都曲解了量子力学的物理意义，并导致了对其哲学含义的不正确的引伸。
“波粒二象性”是物理学家们对微观事件基本属性的描述。1905年，爱因斯坦为解决光电效应实验与经典理论之间的矛盾，首次提出了光具有波粒二象性的假说。他认为也许光既不完全是粒子，也不完全是波，但它在传播过程中却表现出衍射、干涉等波的特性；而在辐射、吸收等光的产生和转化现象中，则表现出能量空间分布的不连续性，即粒子的特性。后来德布罗意又把这种“波粒二象性”扩展到一切实物粒子，称之为“物质波”。既然微观客体既不是粒子，也不是波，它是兼有两者部分特征的另一种远为复杂的东西，那么，当我们在传统的意义上去理解它，即用经典力学的语言去描述它的运动时，就会得到一些意想不到的“奇异”结果。按照牛顿力学，任何粒子都是沿着一定的轨道运动，它们在任何时刻都有确定的位置和动量。因此，如果我们已知这些初始条件，就能预测出它们未来的运动状态。但是，在微观世界中，客体的运动实际上并无轨道。德布罗意指出：微观客体的运动并不取决于力学定律，而是取决于衍射定律。让我们考察两个典型的实验情况：（一）有一粒子源和一个带有一条狭缝的阑，一个同阑平行而相隔一定距离的屏。如果不考虑由缝的宽度所产生的衍射，当粒子从源发出并穿过狭缝之后，就会平均地向一切方向上衍射。这样，我们可以观察到屏上闪烁的密度是均匀的，这说明粒子运动的动量方向是平均分布的，而单个粒子的动量方向则完全不定。（二）一个带有两条狭缝的阑（其余条件同上），狭缝间的距离非常大，以致于可以不考虑粒子穿行狭缝后由于衍射而发生的偏斜，这时，所有粒子的动量方向都垂直于阑。显而易见，微观客体穿行狭缝时初始条件完全不同于牛顿力学中运动粒子的初始条件，即：当客体有准确的位置时，动量则完全不定；当客体有准确的方向时，位置则有很大程度的不确定。如果我们考察的不是这两种极端情况，而取一种适中状态，即一个有双狭缝的阑，狭缝间的距离是a，那么根据德布罗意理论，我们就得知粒子穿行狭缝时的位置（或x坐标）具有不确定性a；同时，根据衍射理论，多数粒子穿过阑后要么继续作同屏相垂直的运动，要么偏向了一个角，这样，我们又得到了与之相对应的动量：x分量的不定性h／a。如把x坐标的不定性记为Δx，把动量的x分量的不定性记为Δpx，而Δx=a，Δpx=h／d；那么，Δx·Δpx=h（普朗克常数）。这就是维内尔·海森堡提出的著名的“不确定原理”(Uncertainty Principle)。
此后，丹麦物理学家玻尔提出“互补原理”，从哲学角度概括了亚原子客体的这种“奇异”现象，他认为，自从相对论，尤其是量子力学问世之后，日常语言越来越变得不能准确恰当地表述这些成就；然而，除了日常语言外，人类又确实不具备向普通人谈论这个问题的精确的科学语言。在这种情况下，物理学家们宁可使用一种比较模糊的语言，即交替地使用那些在同时使用时会导致矛盾的经典概念。的确，从经典理论的角度看，一个物体的位置和动量不能同时确定以及它具有所谓的“波粒二象性”，是十分荒谬而不可理解的事情。但从量子理论的角度看，这两类概念都是“互补”的：其中任何一个单独的经典概念或图景，都不能对同一微观客体所引起的各种量子现象作出全面的解释。只有把彼此结合起来，才能从整体上描述亚原子客体的运动过程。
由此看来，那种认为亚原子客体本身具有确定性的观点，完全是由于把经典意义上的粒子概念赋予了亚原子客体所造成的。事实上，从理论上讲，微观客体的不确定性是“波粒二象性”的必然结果。客体在其传播过程中主要显现的是波的特性，这已表明它不可能具有象宏观物体在运动时所具有的那种准确的“位置”和“动量”。不存在的东西如何谈得上被“破坏”呢？并且，从实践上看，无论人们采用什么样的理想实验，都始终不能排除微观客体的不确定性。尽管物理学家们在探测微观客体的运动方式过程中，观察者、观察仪器和客体组成了一个不可分割的整作而发生相互作用，任何观测结果都这种相互作用的结果，但是，首先，观察者、观察仪器和客体都是物质性，它们之间的相互作用也具有客观性。其次，实验结果并不依仪器不同而不同。只要人们为测量亚原子客体的位置和动量而设置一定的实验条件，则结果必定是不确定的。因此，无论在谁的眼中，月亮都存在。
但是，这并不意味着“不确定原理”以及其它量子力学的定律揭示了亚原子客体的真实性质。恰好相反，笔者以为，量子理论之所以在哲学界产生了空前深远的影响，正在于它从多方面突破了传统观念的樊篱，它昭示我们：
第一，科学认识的对象不是纯粹外在的世界，而是与人类实践活动密切关联的现象世界（即“人化的自然”）。长期以来，人们深信不疑地认为，以感官为基础，借助于思维的加工制作，人就可以全面把握外部事物；感官与事物之间没有任何不可逾越的中介和屏障，因而认识或反映从本质上讲就是一种摄影，区别只在于被动摄影和能动摄影。当然，对于经典物理学所研究的宏观对象来说，虽然人们仅凭直观也并不能将所有事物及其每个表观层面纳入自己的视野，更不可能深入到其不可见的实在本质之中，但是，在这里人们面对的毕竟是一个看得见、摸得着的东西；尤其重要的是，人们对之进行的观测活动与事物的性质可以截然分开。这样一来，就产生了一种假象，似乎人们完全能够认识和把握与已无关的外部世界，从宇宙天体到“自然之砖”（原子）。量子理论的问世，使人们从这一迷梦中惊醒。微观世界是一个根本无法用感官加以洞察的领域，人类只有从宏观仪器与微观客体的相互作用这唯一的渠道来摄取其信息（如果我们试图排除仪器对客体的作用，那么就会马上失去获取信息的源泉，从而变得对客体的行为一无所知）。因而我们无法断定，在无主体介入即仪器作用的情况下，微观世界是否仍然具有这样一些特性。海森堡指出，量子理论对“两次相继观测之间所发生的事情，一般是完全无法描绘的”。①所以，月亮在无人看它时究竟是否存在，这是人们无法回答的问题。在笔者看来，认为“月亮在无人看它时不存在”或者“月亮在无人看它时仍然存在”，这两种观点都有失独断。因为这里谈论的是一种特殊的月亮，我们除了借助于各种有色眼镜去看它外，没有直接的手段；因此离开这些眼镜去断言它的真象究竟如何，是没有意义的。就象达尔文进化论从根本上推翻了有关人类出身高贵的神话一样，量子力学也决定性地打破了关于人类能够把握那个无人干预的自在之物世界的奢望。
第二，科学必定是主体的发明创造。科学是一个结构系统，其中来自客观源泉的质料为科学的可能性奠定了基础，但这却不能使科学获得其现实性（即科学之所以为科学）。没有人会否认主体在科学形成中的巨大作用，但如果这种作用仅仅被理解为抽象、概括、加工、制作，科学也难以成其为科学。近代以来的科学史已表明，不论从怎样丰富的经验事实出发，也不论选用何种概括程序，都不可能合法地导出一条自然定律；相反，总是人先提出理论假说，向自然界发出质询，强迫自然界作出回答。这才是主体能动性的含义，也是科学从可能变为现实的内在机制。这一点在量子力学中得到了最充分的体现。对于微观客体，人们只能凭借其宏观表象，即它的运动特性在宏观仪器上留下的“痕迹”来观察和把握它，而这些“痕迹”又不过是有关亚原子客体的间接和很不完全的信息，量子力学正是以此为基础来猜测微观世界的本质及规律以构造一种理论假说的。很显然，这种猜测和假说不可能完全符合客体的真实性质，即与实在事物形成一一对应的关系。当然，量子力学的许多原理，已被一系列实验事实所确证；但是实验所表现的，仅仅是量子理论对微观事件的描述很好地符合于它在宏观时空背景上的“投影”（客体在与仪器相互作用时所造成的现象），而并不表明与微观世界实际本质的一致性。尽管爱因斯坦与玻尔及整个哥本哈根学派围绕量子力学进行了激烈的哲学争论。但都同意量子力学只是关于现象而非实在的理论。爱因斯坦承认量子力学所揭示的原理确实与人们的直接经验相符合，但这一理论却不是对微观实在客体的完备性描述，因而需要作进一步的探索；玻尔则认为，探索现象背后的微观客体究竟如何已经没有意义，因为我们不具备谈论这个问题的手段和语言。如果说亚原子事件在宏观仪器上的度量表现并不等于它本身的存在方式及运动特性，那么，用来描述这一现象的不精确的语言离实在事物就更加遥远了。比如，在量子力学中人们可以用“波粒二象性”来描述微观客体的行为特性，但却永远不能把粒子和波与可观察事实联系起来，认为它们具有物理实在性。再如，亚原子客体的所谓“位置”和“动量”也无操作意义。因为只有当人们用某些实验装置把客体局限在一定区域时，才能赋予其这样的性质。即是说，“位置”和“动量”并不表示亚原子客体的真实性质，而只表示整个实验安排的性质。因此，如果我们对科学不抱偏见和苛求态度，因执已见地要求它必须而且仅仅如实反映实在客体，要求它的内容具有纯而又纯的客观性，那么，我们就一定得承认，科学中既包含客观材料，更包含着科学家的主动创造。
二、因果、概率与实在
根据经典物理学，如果知道一个物体的初始条件（某一时刻的位置和速度），我们就可以通过力学公式推算出它在未来任何时刻的确切位置和速度，即物体过去或现在的运动状态决定着它未来的状态。这便是牛顿力学中的因果性定律。拉普拉斯曾据此作出过一个非常著名的陈述：我们应当把宇宙的现状看作它先前状态的结果以及它的后继状态的原因。假定存在着一个能把握自然界所有的力以及一切事物的特定状况的全知精灵的话，那么他就能根据牛顿运动定律推测出宇宙中的一切物体未来的准确状态。
然而，无论量子理论还是关于亚原子客体的实验都表明，微观世界中却不存在这种严格的因果决定性。让我们考察一个实验：有一粒子源和一个带有双狭缝的阑，一个同阑平行而相隔一定距离的屏。当一束粒子（即一群德布罗意波）从源出发穿过两条狭缝之后相互干涉，其结果就会形成合成波的最大和最小振幅。从屏上可以观察到一幅衍射花样（一些亮暗相间的条纹），这样，根据波的操作意义，我们就能推算出屏上闪烁点的统计分布，即每单位时间在屏上一定区域内出现的闪烁点的平均数。但是，这并不意味着人们可以推知单个粒子的运动定律。无论我们采纳何种实验安排，我们都无法预测单个粒子将打击在屏上的哪个特定地方；而且反过来，如果我们选定屏上的一个命中点，也没有办法能查明这种粒子在经过阑时，究竟穿过的是哪一条狭缝。再从理论上看：1925年，埃尔温·薛定谔通过引入波粒二象性假设和哈密顿动力学中光和粒子的类比方法，建立了描述微观客体运动的基本方程：
m是粒子质量。薛定谔在方程式中采纳了德布罗意的物质波概念，用波函数ψ来加以描述。ψ(x,y,z)随时间t的变化而刻画了物质波（即粒子）运动的时空变化规律。当薛定谔的这一成果发表后，玻恩非常敏锐地“马上感到它要求非决定论的解释”②。玻恩根据电子散射的理想实验，确定了波的统计性解释。他认为波函数表示了微观粒子的运动状态，而它代表的波则是一个抽象的几率波，它的振幅平方值│ψ│[2]表示粒子在空间出现的几率。
我们可以从两层意义上来理解微观事件的统计性特点：第一，亚原子客体整体系统的统计性。如前所述，量子理论并不描述单个粒子的运动规律，而只是说明系统的整体状态；并且对整体状态的说明也只是通过多次实践观测之后而取得的平均值，因此是统计性的。也就是说，量子理论用来表征量子系统状态的波函数ψ并不能被实际地观察到，观测到的只是ψ的线性选加式(ψ=Σ[,λnψn])中的某个特征值λn，并且事先不能预测哪个λn将被观察到；能够确定的只是观测到λn的概率为ㄧψn│[2]。第二，单个粒子运动的统计性。单个粒子运动的初始条件有很大程度的不确定性，我们甚至不能说一个粒子如不通过S[,1]狭缝就必定通过S[,2]狭缝（因为它的行为并不是只穿过S[,1]狭缝和只穿过S[,2]狭缝所产生结果的总和），并且，我们也根本无法预测这个粒子将出现在屏上的哪个特定地点，而只能预测它可能会出现在某个区域内。在弱光子衍射实验中，即使弱到一次衍射只有一个光子参加，也会在屏上出现衍射花纹。因此可以说，单个粒子在同时穿过两条狭缝后，它未来的空间位置也表现为一种几率分布。
在我国学术界，流行着这样的看法：量子力学不过是否定了拉普拉斯意义上的那种严格的机械决定论，而代之以统计决定论罢了；统计规律是因果规律的一种特例，两者并不冲突等等。实际上，按照量子力学的哥本哈根解释，事情并非如此简单。一，统计性定律并不是量子力学的独创，在经典力学中，同样存在几率概念。但是，在牛顿和哥本哈根学派那里，这个几率概念具有十分不同的含义。经典力学的几率概念只是在人们对大量单个粒子的力学性质及其相互作用情况（即所谓“大数现象”）了解得不全面时才得到使用。比如，在抛掷硬币的实验中，如果抛掷的次数很多，就会发现每面朝上的概率为1／2。在这里我们之所以使用几率概念，是由于不能把握掷币的初始条件：手力，风向，硬币的质量和它落地后遇到的各种情况。再如，热是大量分子相互作用产生物理现象。对此我们只要了解分子行为的总体特征就足够了，完全不必根据严格的因果律写出无数条方程来对单个分子的运动进行描述。这就是说，几率概念或统计性定律只存在于我们关于宏观对象的不完备的知识系统中，而并不存在于对象本身之中；对象的确是服从严格的因果律的，尽管我们实际上做不到（也不必做），但原则上却可以对之进行描述。然而，量子力学的统计性定律却是一种从根本上排除了无知可能性的理论。在量子理论中，几率概念进入了物理系统的态的定义，即这个概念进入了它的对象之中。因为要想在对微观事件的量子描述中排除几率概念，就必须用经典意义上的粒子概念来定义微观事件，只有这样，亚原子客体的位置和动量才会“真正”明确地处于空间和时间之中。但众所周知，这样一种理论假设已为黑体辐射实验所证伪。相反，如果大胆突破传统理论的樊篱，以普朗克常数与有关位置和动量的几率概念为基本前提来说明微观客体的行为，则会得到实验数据的有力支持。这表明几率或统计性特点是属于亚原子客体即对象本身的。二，尽管经典物理学在描述粒子无规则运动的整体行为时，采取了统计性说明这条权宜之计，但这种对大量粒子行为的统计假定仍然是以承认每个个别粒子严格服从因果律为前提的。在这里，整体运动的统计性描述同个别粒子运动的动力学特征不但不发生冲突，而且前者牢固地建立在后者的基础之上。但是，在量子领域中，“这一形势与统计学在处理复杂体系时的应用绝不相类”③。单个粒子的运动是无规则的，同样需要统计性说明。
围绕着这些问题，爱因斯坦与哥本哈根学派之间发生了一场旷日持久的争论。爱因斯坦说：“量子力学固然是堂皇的。可是有一种内在的声音告诉我，它远不是真实的东西。……我无论如何相信上帝不是在掷骰子。”④在他看来，科学的目标就在于完全客观地把握独立于我们的外部世界；外部实在客体的运动不可能不遵循严格的因果规则，因为实在物体绝不会有“自由意志”来对其运动方向和运动时刻进行随意选择。所以，他坚信几率性的量子力学“只是一个过渡阶段”，将来一定“能够建立一个真正令人满意的物质理论”⑤。然而，直到目前为止，大量的实验与争论的结果都不幸不利于爱因斯坦，量子力学的哥本哈根解释越来越得到科学界的认可。
由于微观客体本身的不可观察性，使得人们只能运用某种实验安排和经典语言对其表观进行描述，因此，我们甚至无权断言亚原子客体的行为究竟是服从严格的因果律，还是具有多种可能性即几率性。这也许确实是我们人类认识能力无法超越的一个极限。但是，我们完全不必为此感到烦恼，因为这并没有阻碍量子理论本身的迅速发展及其对本世纪科学技术和社会物质生产的积极影响。因此，月亮在无人看它时是否存在，这并不重要，重要的是我们眼中的这个月亮能够给我们带来赏心悦目的感受。这一事实似乎从根本上动摇了一个古老的哲学信念：科学研究的对象是实在世界，科学的目的在于发现这个世界的存在方式及运动规律。现代科学的发展日益显示出它是一种发明而不是发现的活动，这就是说，科学并不象我们通常所理解的那样，从大量的观察事实中去归纳与发现其中的自然规律，而是恰好反过来，首先由人能动地创造出概念体系，并建构理论假说，然后付诸事实的批判性检验；只要这个假说所推导出来的逻辑结论能够得到实验的确证，或者说经受住了实验的反驳，同时，整个理论不仅可涵盖旧有理论的所有经验内容，而且有助于人们预测和解释新现象，那么，这个理论假说就是有效的、适用的。至于这个理论是否如实地反映了实在事物本身及其规律，那的确有时是科学无法回答也不必回答的问题。马克思早就指出：问题在于改变世界。认识本身不是目的，科学的建立、发展与进步，并不是为了认真勤奋地描述一个本质上与我们不相干的外部世界，而是为了实实在在地造福于人类本身。一个再好的理论，如果把它束之高阁，不运用于改造世界的有效的实践活动，也是毫无价值的；一种科学理论之所以能够得到认可，与其说它具有客观真理性，还不如说它是一种人们用以解释或应付实在世界的较好方式。量子力学已经明确地向我们证明了：任何人都无权说量子理论肯定是或肯定不是对微观实在世界的描述；既然我们说明微观客体在某时某地的状态时，不得不运用经典物理学的概念，而这些概念又不能十分确切地适合于客体，那么，这一矛盾的复杂情况在理论上必然合乎逻辑地导致用统计分布函数来大致描述亚原子客体的整体状态及其规律，就不足为奇了。由于量子理论所推演出来的结论可以成功地解释黑体辐射实验，并且它在其自身的发展中接二连三地推动了大量卓有成效的新学科的出现，这就说明它对于人类理解和改造微观自然界来说，是迄今为止最好的一种理论。爱因斯坦的失误就在于他不是从科学中引出哲学结论，而是因执地想望着让科学服从某一特定的哲学信念。所以海森堡指出：在哥本哈根解释的反对者们看来，“回到经典物理学的实在概念，或者用一个更普通的哲学术语来讲，回到唯物主义的本体论，那是值得想望的。然而，由于原子现象的本质是不可能的，至少是不完全可能的，那么，我们的任务就不应该是去阐明关于原子现象应当是怎样的那些愿望；我们的任务只能是去理解和运用它们”⑥。
注释：
①⑥海森堡：《物理学和哲学》，商务印书馆1981年版，第17,81页。
②玻恩：《我这一代的物理学》，商务印书馆1964年版，第156页。
③玻尔：《原子物理学和人类知识》，商务印书馆1964年版，第47页。
④《爱因斯坦文集》第一卷，第221页。
⑤《爱因斯坦文集》第三卷，第463页。
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