从现代物理学看构成论到生成论的转变，本文主要内容关键词为：物理学论文，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：N031
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1 从构成到生成
原子论的思想已经有了漫长的历史。原子的观念，一开始就是作为构成物质的基本单元而出现的。或者说，从古代的原子论者起，就把原子当做物质组分的本原或者实体。后来，又发现了从分子，原子，原子核，核子，到电子和夸克等一连串由高到低的，构成物质的不同层次的组分粒子。关于“物质可分”的性质或者“物质是否无限可分”的议论，针对着的就是没着这一思路提出来的问题。
但是，从19世纪末年放射性的发现开始，就出现了越来越多很难用构成论圆满解释的现象。例如，我们观察到一个原子核发生β衰变，放出一个电子。当时的物理学家们按照传统的构成论观点，认为观察到的电子必定就是原来那个原子核的组成部分，或者说先前的原子核里面必定含有那个电子。正是由于这种观念，在1932年发现中子之前的两个十年内，认为原子核是由质子和电子构成的、后来被证明为错误的假说，一度占据着支配的地位。
1934年，费米(E.Fermi)发表了用量子场论方法处理β衰变的工作。这是场论里的产生算符和湮灭算符的第一次成功运用。费米说，在他的理论里，“电子可以创生也可以消失”。此后，物理学家们就开始使用旧粒子吸收和新粒子产生的语言，配上适当的守恒律，去描写各种微观过程。在新的理论里，不再认为现今看到的东西是先必定已经存在。这种关于粒子生成的新观念，就这样从根本上免除了在原子核内部储存电子的必要性[1]。
又如，在外场的影响下，一个γ光子可以转化为一对电子－正电子对
这就是粒子对产生的过程。这一对电子并不是原先那个γ光子的构成成分，而是在这一过程中生成的。
这种生成或者产生的语言，已经在现代物理学里有了广泛的运用。
譬如，“光生(photoproduction)”过程，指的是在光子的打击下，产生出新粒子的过程。下面表示的是光生π介子的过程，即一个γ光子击中质子ρ，产生出核子（质子ρ或中子n）加上一个π介子的反应过程：
其实，在普通的光电效应放出的光电子(photo-electron)，也是一种“光生”电子。
又如，在高能或者超高能的强子碰撞过程中，可以产生数目很大的末态粒子。在能量较低时，主要产生的是一些π介子；能量较高时，也可以产生一部分κ介子以及重子和反重子。这种过程称为“多重产生(multiple production)”。在这种过程中产生的大量末态粒子，显然不可能是数目只有两个的初态粒子的构成部分。
由此可见，在现代物理学里，已经有越来越多的现象不利于构成论(constitutism)，而有利于生成论(generatism)的观点[2]。这一观念转变的过程，就好像是以前哲学上从存在(being)转变到变易(becoming)的再现。下面我们着重谈谈两个进一步的例子。
2 光子的生成
一般都说，光量子概念是爱因斯坦(A.Einstein)1905年在研究光电效应的时候提出来的。其实，在爱因斯坦那篇题为“关于光的产生和转化的一个启发性观点”的论文里，主要研究的是电磁辐射的熵，光电效应只是其中的一项应用[3]。
爱因斯坦在这篇论文里，首先通过统计热力学的计算，得出这样的结论：“能量密度小的单色辐射，从热学方面看来，就好像它是由一些互不相关的，大小为Rβv/N的能量子所组成”，又说：“如果现在（密度足够小的）单色辐射，就其熵对体积的相依关系来说，好像辐射是由大小为Rβv/N的能量子所组成的不连续的媒质一样，那么，接着就会使人想到去研究，是否光的产生和转化的定律也具有这样的性质，就像光是由这样一种能量子所组成的一样。”
爱因斯坦根据对黑体辐射和光电效应等问题的理论研究指出：“在我看来，关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”在这段话里，他明显采取了构成论的观点，把传播中的光束当成是一种光子流；或者说把光子看做是组成光束的实体。
具体说来，爱因斯坦假定频率为v的光在同物质相互作用时，只能够在很小的空间区域内，吸收或者发射Rβv/N(=hv)那么大的一份能量子。他从这一个假设出发所提出的光电效应定律，后来被实验所证实。可是，爱因斯坦关于“好像辐射是由大小为Rβv/N的能量子所组成的不连续的媒质一样”的说法，却从来没有得到过任何实验的支持。然而，由于爱因斯坦在光电效应解释上的巨大成功，使得大多数物理学家在没有任何根据的情况下，接受了他关于光束是由光子构成的观念[4]。
不过，也存在着反对的声音。例如，玻尔(N.Bohr)在1924年发表的著名的BKS文章里就说过：“虽然由爱因斯坦关于光电现象的预言的证实而显示出的这一假设的巨大的启发性价值，光量子的理论仍然明显不能满意地解决光传播的问题”。事实上，爱因斯坦把在光电效应等“光的产生和转化”过程中，即光同物质相互作用时所表现的微粒性，缺乏根据地外推到光的传播过程当中去，在逻辑上显然是有漏洞的[5]。
这是因为，在微观物理现象里，一种物质能够有多种不同的存在形式或者状态，不能认为现在观察到的物质的一种形式，在观察之前就已经存在了。上面讲到的β衰变，就是一个很好的例子。在20世纪后三分之一这段时期内，量子光学的发展又使我们了解到，电磁场有多种不同的量子状态。其中，光子数确定的状态，其相位是非常不确定的；反之，相位确定的状态，光子的数目是非常不确定的。用来做干涉实验的，通常是一种接近于相位确定的“相干态”，其中光子的数目是很不确定的。因此，一般说来不能够用光子语言来描写光的传播，亦不能够说因为在衍射实验装置的检测仪器里接收到的是一个个光子，就认为在装置里相互干涉的光束，必定是由一些确定数目的光子组成的一束束光子流[6]。
由此可见，玻尔对光子概念运用于光的传播过程的有所保留的态度，其实是很有道理的。不过，那个时候大家都不清楚这一点，误认为爱因斯坦的那种推理是不成问题的。例如，狄拉克(P.A.M.Dirac)在他的《量子力学原理》一书里，遵照着光束就是光子流的观念，声称：“只有光子部分地在一支光束，部分地在另一支光束时，才能在两束光叠加起来时出现干涉”和“每一个光子都部分地进入两支分束中的每一支……”，根据这种说法，在讨论双缝衍射时，就不可避免地得出每一个光子都同时穿过两条狭缝那样的结论，使得无数教师和学生困惑不已[7]。
我们曾经在一篇哲学讨论的文章里提出，必须用相干态来描述光的干涉，光子的语言不适用于描写这种过程[6]。这篇文章发表之后，又有国外的两位物理学家在一份物理学期刊上发表了相同的看法，并且做了具体的物理分析[8]。在这两篇文章里，都指出了上面引述的狄拉克那些话是不适当的。
现代物理学所支持的看法应当是：一般说来，光子并不是组成光的实体，传播中的光束并不是光子流。光子只是在光同物质相互作用的时候产生出来或者被吸收的。光的产生和吸收是用相应的算符来描写的。一句话，光子是在光同物质相互作用时生成的。由此可见，对于光子概念认识的历史，就是一部从构成论转变到生成论的历史。
3 粒子的生成
我们知道，量子力学里的单粒子波函数ψ，描写的是对粒子的某种测量结果的概率幅度。所以，在量子力学里，首先要有粒子的概念，然后才可以谈论测量它的某种观察量的概率幅。另一方面，在量子场论里，首先要有场算符ψ，由它的激发才得出粒子。在传统的量子力学和量子场论的基本描写里，的确存在着这样的重大分歧。人们常说的“波动－微粒二象性”，似乎从来没有过一种两方面平等的统一描述。
如果我们说，在量子场论的描写里场是基本的实体，而粒子是由场生成的机制有利于生成论的话，那么在量子力学的描写里粒子是基本实体的机制，岂不是又有利于构成论了吗？这两种描写方式的对立，确实是一个长期困扰着物理学家们的问题。
另一个问题是量子力学概念和经典力学概念的关系。1927年玻尔在《科莫演讲》里讲过：“我们对于实验资料的解释在本质上是以经典概念为基础的。”他后来在回顾《科莫演讲》时又说：“相信最终用一些新的观点来代替经典物理概念就可以避开原子理论的困难，那也许是一种误解。”显然，在玻尔看来，以量子力学为主体的原子理论，必须依靠经典物理学概念，才能得到正确的理解。
后来，按照费曼(R.R.Feynman)等人的意见或者根据量子力学的统计解释，量子力学的基本概念是完全独立于经典物理学的。试想一想，量子力学里关于系统的状态用作为概率幅的态函数描写的规定，关于用希耳伯特空间里的算符描写动力学变量，和关于态的演化遵循薛定谔方程等基本假设，有哪一条是“以经典概念为基础”的呢？
在20世纪最后的十多年里，由格里费斯(R.B.Griffiths)，盖尔曼(M.Gell-Mann)和哈尔特(J.Hartle)，以及欧姆尼(R.Omnes)等互相独立地提出了量子力学的一种新解释“消干历史解释”，使我们的认识又达到了一个新阶段。量子力学的这种新解释反过来告诉我们，经典物理学是可以从量子力学推导出来的，只有量子力学才是物理学惟一的理论基础。这样一来，（玻尔）的那种观点，就变得完全过时了[9]。
这种新解释是以“消干(decoherence)效应”为基础的。按照费曼的观点，量子力学与经典物理学之间最重要的区别在于，量子力学遵从的是用态函数或者跃迁振幅表示的概率幅度的叠加规则，而经典物理学则服从概率叠加的规则。换句话说，在量子力学里存在着概率幅之间的干涉，而经典物理学里则不存在这样的干涉项。
简单地说，消干效应指的是一个量子物理学系统，由于与其环境不可避免的相互作用，使得系统所处的、由某个观察量的多个本征态相干叠加而成的状态，不可逆地消去了各个干涉项，使系统的行为表现得就像经典物理学系统一样。
要指出的是，上面所说的量子系统，实际上就是任意的物理系统，不仅包括微观对象，而且还包括宏观对象，甚至整个宇宙那样的系统。这里采取的是冯·诺意曼(J.von Neumann)的观点，认为宏观系统亦能够用量子力学描写，都可以用薛定谔方程求解它的演化过程。
我们在测量中看到的结果，例如微观对象的粒子性，测量结果的经典性质等等，都是由消干过程产生出来的，没有根据说在此之前就存在着那样的性质。
按照这种新的解释，普天之下只有一部物理学，它就是统一地描述了宏观世界和微观世界的量子力学。量子力学的概念和定律是全部物理学的基础，由此可以导出经典物理学的概念和定律。在这里完全不需要使用什么普朗克常数h→0或者能级量子数n→∞的“极限”近似，起到关键作用的就是消干效应。
在关于消干效应的一个专门网站www.decoherence.de的主页上，赫然写着这样的命题：
decoherence explains why certain microscopic objects("particles")seem to be localized in space.There are no particles.翻译过来就是“消干效应说明了为什么某些微观对象（粒子）看起来要在空间中局限在一个微小的区域内－没有粒子”。当然，这里的意思不是说世界上根本不存在粒子这种东西，而是说在这种量子力学的新解释里，粒子不是物质的本原或者实体。
总而言之，量子力学一开始就用波函数ψ或者说ψ场，去描写任何宏观或者微观的系统。量子力学里的波函数ψ是一种概率幅度，它具有干涉的性质。由于受到环境不可避免的影响，使系统发生消干效应，失去了波函数的相干性，它就表现为一个经典物理学系统。一般说来，宏观系统的这种“消干时间”是非常短的，所以我们常常看到的宏观系统能够用经典力学恰当地描写。而微观系统的消干时间比较长，在发生消干效应之前它们是以场的形式存在着，直到发生消干效应之后才表现出粒子的性质。
这种消干机制，使量子力学同量子场论的描写方式趋于一致，它们同样以ψ场为基本的存在形式，“粒子”只是分别通过ψ场的激发或者消干效应而生成的。于是，我们得到的结论就是：现代物理学已经大踏步地从构成论转向生成论。基于构成论的观念而提出来的“物质是否无限可分”的问题，已经不再是一个适当的问题。
（作者感谢金吾伦和董光璧两位朋友的有益讨论。）
收稿日期：2002-07-08