充实的真空观：量子场的实在论与生成辩证法，本文主要内容关键词为：实在论论文,辩证法论文,量子论文,真空论文，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：B017 文献标识码：A 文章编号：1007—905X（2007）02—0079—04
真空（vacuum），按其原始意义说，是指虚空（void），即空无一物的空间。从古希腊原子论的“虚空”到牛顿的“绝对空间”，这一点并无根本改变。然而，从现代物理学观点看，“真空”概念的革命首先发生在量子电动力学（这是量子场理论中最早成熟的基础部分）中，它属于量子场理论的范畴。因此对真空场的哲学研究也就属于量子场论的哲学的范畴，如果考虑到量子理论与爱因斯坦引力理论的结合，那么还会延伸出量子引力论中更加复杂的真空概念。对于那些复杂概念做细致的科学研究，那是物理学家的任务，我们的目标只在于，从科学哲学和自然辩证法的视角，从现代真空概念中提取最富有认识论意义的成分进行分析。我们把“真空”概念放在量子场与场量子相互作用的背景中来讨论。我们所关注的是，根据量子场论的观点，其实“真空”并不空，真空是物质的特殊形态——量子场的基态，而“量子场”则是物质的基本形态。换句话说，现代量子场理论已经用“充实物质”的新真空观取代了古代和近代的“空虚空间”的真空观①。
一、“场”对粒子而言将成为第一性的物理实在
曹天予教授在《表象还是建构：量子场论的一种解释》一文中，从科学哲学角度指出，所谓对量子场论的解释，也就是要澄清数学形式系统的意义，具体说，一是要说明它所描述的基本实体是什么，二是要说明“理论实体”是否物理实在的客观表征。对此，不同的科学家和科学哲学家可以持有各不相同的立场。他将最常见的立场划分为如下几种：（1）粒子本体论；（2）场的本体论（即“场的实在论”）；（3）结构实在论；（4）操作主义；（5）结构主义。
粒子本体论的观点过于传统，认为唯有“粒子”才是第一性的物理实在，“场”没有独立实在性，至多只是由粒子的实在性派生出来的“舒炜光先生关于“场不是物质”的看法，就很有代表性）。操作主义和结构主义都属于工具主义的范畴，它们仅仅把“粒子”和“场”看作场方程或者拉格朗日函数等数学结构的不同表征而已，这是我们难以接受的。笔者本人比较赞赏（2）、（3）两种观点。也就是说，首先笔者所赞成的基本本体论是“场的实在论”，即认为量子场（更加确切地说是量子场的“原物质”，简称“场物质”或“场”）是第一性的物理实在，场对于粒子具有优先性，“粒子”也是物理实在，但是它作为场量子而出现，场量子是场激发的一种表现和特征。“粒子”对于“场”而言，只是场的复杂结构特征的现象指示器而已。其次，笔者觉得曹天予的“结构实在论”也很有道理。结构实在论的基本论断是：1.关于“实在”的概念，实质上由它在不同情景下的“结构特征和关系的知识”所构成。2.尽管对于“理论实体”的单独概念很难直接判断其实在性，但它若能融入描述有关“实在事件的关系”的概念网络，则概念的“结构实在性”就可以通过经验研究来确证或否证。结构实在论者认为，结构实在性离实体实在性的认识只有一步之遥。他们断言，在量子场论中，如果人们知道数学形式体系的概念网所描述的“实体”就是场，如果通过场方程能够掌握“场的关系和结构特征”，并且在不同的经验情景下能够具有“场的表现”的准确知识，那么人们就必须承认已经掌握有关实在的场的“客观知识”，只不过，这种客观内容在表现形式上却已经带有人类活动的印记而已。因此，笔者也觉得结构实在论与场物质的实在论两者完全可以相容，甚至可以说确实是亲密盟友。笔者认为，结构实在论继承了科学实在论的基本内核，只是更加强调了实在的整体关系和结构方面的特征以及认知的能动性而已。
科学实在论者断言，理论名词在现实世界是有指称的。对于量子场论而言，情况正是这样。粒子、场、真空等概念或理论名词，在物理世界都有真实对应物。“场”概念的实在性，就在于它是物理实在的客观表征；“粒子”概念的实在性，则在于它虽然由量子场所衍生却仍然是客观的，因为这是可以通过实验来检验的。关于“真空”，在现代物理学教科书中存在两种说法。一种说法是，真空是物质的一种特殊状态，量子场的基态；另一种说法是，真空是物质的一种特殊形式，基态的量子场。后面一种说法是薛晓舟教授在《现代物理学的哲学问题》[1] 这本专著中所强调的。从表面上看，两种说法只有一两个字之差，或者只是把词的次序颠倒一下而已。实际上，两者在含义上却有本质的区别。前面一种说法，最后把“真空”概念落实到状态上，恰恰忽视了真空的物质性；而后面一种说法则把它落实到“量子场”这种物质上，突出了“物质第一性”，强调了唯物主义的本体论，同时也非常符合科学哲学中的“科学实在论”。
二、粒子论与场论——历史上的竞争纲领
所谓研究纲领，是指科学家们探索自然的总的理论观点和方法论模型。事实上，在“真空”问题上确实也存在着两种相互对立的研究纲领。与不同的科学研究纲领相对应就有不同的“真空”概念。第一种纲领是原子论（或粒子论）的研究纲领，在古希腊，这是由哲学家留基波与德谟克利特所创导的。第二种纲领是我们现在称之为“场论”的研究纲领，是由亚里士多德所提出的。原子论纲领认为，世界万物的本原就是“原子”（不可分割的粒子）加“虚空”（空无一物的空间），原子在虚空中进行永恒的漩涡运动。各种不同类型的原子的组合与分解，生成了万事万物。相反，亚里士多德的纲领则认为，虚空是根本不可能存在的，“空虚空间”按其本质属性而言，本身就是一个自相矛盾的概念，因为它意味着“什么东西也没有的位置”，这是想要断定一种不存在的东西的存在性。于是，亚里士多德只是根据“不矛盾律”就排除了绝对空的空间存在的可能性。他认为，宇宙充满着物质的连续体，连续的介质——“以太”无所不在，“以太”是不动的、被动的、永远静止的。
在17世纪近代科学革命中，在伽利略与亚里士多德派的较量中，粒子论纲领暂时胜利了，场论纲领暂时失败了。伽利略在1638年对于“真空”问题产生了兴趣。后来他的学生托里拆利，就用著名的水银槽实验，在倒置的一端封闭的玻璃细管中人工制造出物理真空——所谓“托里拆利真空”来。这是应用技术手段第一次创造出一个持久的物理真空。“事实胜于雄辩”，这个实验看来像是决定性地驳斥了亚里士多德关于“虚空不可能”的场论研究纲领。
然而，科学思想实际发展的历史和科学哲学、科学逻辑的理论原理告诉我们，对于任何一个研究纲领的确认或者反驳都不是一次性地完成的，不是一锤定音的。在对立研究纲领之间一下子绝对地做出生死判决的那种“即时的判决性实验”几乎是不存在的，实际上总是在很久以后才见分晓。对立研究纲领之间的竞争是一个相当复杂的、反复较量的历史长过程。还有一种情况值得一提，那就是，甚至同一个科学家或哲学家也可以“一身两任”，在不同程度上同时接受两种不同纲领。例如，笛卡儿就是这样。
在笛卡儿的思想中，既有场论纲领的要素，又有粒子论纲领的要素，其中场论纲领是终极的、取得支配地位的“统摄纲领”，粒子论则是从属于统摄纲领的潜在纲领。对此，我在《科学思想的源流》一书中曾经做过一定分析[2]。在笛卡儿的场论思想中，“以太论”是根本性的，他否认虚空的存在，认为整个空间充满着连续的同一物质即“以太”；他强烈地反对把原子看作不可分的终极物质，强烈地反对“超距作用”的可能性，因此极力避免使用“力”的概念，认为物质之间只有通过接触才能发生相互作用。在后来牛顿的万有引力理论中所出现的那种超越空虚空间的长程引力，被笛卡儿及其门徒们设想为充满空间的不可见的“以太”物质中传播的脉冲。天体包括太阳和行星都被周围的介质即“以太”的漩涡运动所推动。十分可贵的是，笛卡儿用“以太漩涡”模型第一次尝试依靠力学科学本身而不是依靠神学去解释天体、太阳和行星等的形成过程。
然而，这绝不意味着笛卡儿全盘否定粒子论。实际上，粒子论纲领在笛卡儿的思想中处于潜在纲领的地位。虽然，笛卡儿否认原子的不可分割性，否认原子是宇宙的终极的实在，但是他仍然肯定了古代原子论的某些方法论含义，他赞成根据亚宏观相互作用来解释宏观过程。笛卡儿宣称，只根据物质粒子的运动、大小、形状和分布的概念，就可以解释物理世界物体的一切性质和全部形式。根据库恩在《科学革命的结构》中所做的再分析，这就要求，根本的物理学定律必须阐明粒子的运动及其相互作用，可接受的科学解释必须把已经知道的物理现象都归结为这些定律支配下的粒子的作用。因此，笛卡儿对在他以后的经典物理学、化学原子论甚至现代粒子物理学都产生了积极而深刻的影响。
19世纪，在电磁学的研究领域，也存在两种对立的研究纲领。以韦伯和亥姆霍兹为代表的大陆派电动力学相信粒子论和超距作用，以麦克斯韦为代表的英国派经典电磁学理论则相信“以太”场论和接触相互作用。大陆派以荷电粒子为基本实体，英国派在实质上则以经典连续场为基本实体，因为被赋予种种神秘性质的“以太”只不过是连续场的不恰当的代名词而已。作为电子论创始者的荷兰物理学家洛伦兹，则是在方法论上同情多元主义，对不同观点的纲领采取不寻常的开放和宽容的态度，他极力在经典物理学水平上把粒子论和经典场论纲领整合起来。亥姆霍兹后来也接受了洛伦兹的观点。在洛伦兹那里，如果撇开一切次要的因素不说，那么他的经典“以太”概念的实质性内涵主要只有两个：电磁波的荷载物和绝对参照系。这就为“以太”概念埋下了自我否定的种子。
三、爱因斯坦的“以太”、空间、真空、场＝同一个物理实在
爱因斯坦对于“以太”的看法在科学界产生了深远的影响。1905年，狭义相对论的提出，取消了“绝对时空”和“光的传播媒介”的概念，这是因为电磁场本身已经被解释为物质的一种形态，电磁场的振动在真空中的传播不需要媒介，这样一来，“以太”就成为多余的概念。于是，爱因斯坦果断地抛弃了经典的“以太”概念。有趣的是，尽管爱因斯坦在狭义相对论中取消了“以太”，但是后来他却在广义相对论中按照新的意义又重新肯定了“以太”。因为他后来意识到，“以太”的深刻含义实际上是与“场物质”以及“充实空间”的概念联系在一起的。直接否定“以太”的做法确实是过分简单化了，真正应该否定的只是“以太”的完全不必要的那些神秘性质。
爱因斯坦在《相对论和以太》一文中，在对于“洛伦兹以太”作出批判性分析之后说：“更加精确的考察表明，狭义相对论并不一定要求否定以太。可以假定有以太存在；只是必须……抽掉洛伦兹给它留下的那个最后的力学特征（指：绝对静止的参照系）。”[3] 爱因斯坦在扬弃了“洛伦兹以太”的表层非本质特性之后，剩余（结晶）下来的则是“电磁场的独立实在性”（即场的物质性）。他的结论是：“电磁场不是一种媒质的状态，而是一种独立的实在，正像有重物质的原子那样，不能归结为任何别的东西，也不依附在任何载体之上。”[3] 爱因斯坦总结说：“依照广义相对论，空间已经被赋予物理性质；因此，在这种意义上说，存在着一种以太。”[3] 这位哲人科学家认定，空间、场、“以太”其实都是同一个物理实在，只是我们从不同的角度去看，给它起了三个不同名称而已。
爱因斯坦在《论以太》和《物理学中的空间、以太和场的问题》这两篇论文中，阐明了空间、真空、“以太”和场的统一性的问题。爱因斯坦把洛伦兹的发现应用今天的语言重新表述如下：“物理空间和以太不过是同一事物的两种名称；场是空间的物理状态。”[3] 薛晓舟教授在《量子真空物理导引》一书中精心提炼了爱因斯坦的有关思想，作出了精辟的概括[4]。
四、狄拉克真空：场量子的生成辩证法
狄拉克所创建的“量子真空”概念，是量子场论（特别是它的基础部分量子电动力学）的奠基性概念。“狄拉克真空”经历了从特设性假说到可检验假说的转变过程。证伪主义者波普尔在科学哲学中曾经提出的一条著名原理就是禁止使用特设性假说。特设性假说的要害就在于它是不可检验的，因为它只是特定地设计出来的，除了避免核心假说被反驳之外，再没有其他功能。可是，实际的科学思想史告诉我们，在理论创新过程中，特设性假说却是难以避免的，而且“特设性假说”在一定条件下可以转化为可检验假说，两者之间的界限并不是绝对的。例如，在粒子物理学中，“中微子”在最初只是为了避免破坏能量守恒定律而特设的，然而后来却在实验中真的找到了它，从而由特设性假说转变为可检验假说，由虚构的“理论实体”转变为真实客体（前后间隔竟有20余年之久）。同样，在真空问题上也存在类似情况，狄拉克的假说是为了避免电子的无休止跃迁而提出来的。
谁都知道，量子物理学中的“真空”概念起源于狄拉克，这并没有错。一般人都对狄拉克方程式（电子的相对论波动方程式）和“负能态电子”留下了深刻印象，通俗的说法是“负能量的电子海洋”。如果用科学术语来表达，就称作“电子真空”。但是，假如以为这就是狄拉克第一次提出的真空概念，那就错了。实际上，正如薛晓舟先生所注意到的，在1927年，即比提出“电子真空”更早，狄拉克在探讨辐射电磁场的量子化问题时先就已经提出了“光子真空”概念。狄拉克的论文《辐射的发射和吸收的量子理论》（1927年），标志着量子电动力学的诞生，同时也为量子场论提供了必要的基础概念。狄拉克在研究原子和辐射电磁场的相互作用时，考虑了把一群光量子看作粒子集合，而“光子气”则满足爱因斯坦—玻色统计法。同时，他首次提出和应用了真空概念（请注意，那是“光子真空”，而不是“电子真空”）。
笔者觉得，对于科学哲学、科学逻辑特别有意义的，正是狄拉克所提出的富有哲理性的“虚光子”的概念。与此相关的是虚光子与实光子之间的相互转化、不可观察量向可观察量的转化、潜在状态向实在状态的转化、基态和激发态之间的相互转化、光子从辐射场中产生和湮没。更加一般的，是场的激发与退激发、粒子从场中的生成和湮没，即场与粒子的相互转化，这是量子场论的最基本图像。其中也包含意义极其丰富的、活生生的生成辩证法思想，并且可以引出许多值得深思的问题。为什么要这样说呢？为了叙述方便起见，笔者想可以从潜在概念说起。笔者记得，1991年笔者与张掌然合著并出版了一本书，叫做《人与自然的对话——观察与实验》[5]，笔者把它送给王福山先生。笔者在书上使用了海森伯的“潜在”概念，并且提到光子在电子壳层中或者在穿过“双缝”时只是潜在地存在着的。王先生看过以后问笔者，你那个“潜在”概念只是一个哲学上的说法，它的物理意义究竟是什么，并不是很明确的，这是很难解释清楚的。当时笔者确实不知道如何回答是好，现在笔者想，借助于狄拉克的“虚光子”的实例，光子的“潜在性”概念就变得更加清清楚楚、明明白白，就变得更加容易理解了。
狄拉克在1927年的论文中，合乎情理地假定光量子也像电子一样存在最低能量状态——基态，在这里称作零态。有无数个光子都处在这种能量的最低状态，但是它们却是不可观察的，因此称作“虚光子”。当它们从零态跃迁到激发态，不可观察的虚光子就变成可以观察的实光子。从虚光子转变为实光子的过程，叫做创生或生成；从实光子转变为虚光子的过程，叫做湮没。这种关于量子世界的“粒子的生成和湮没”的生动的生成辩证法图像是由狄拉克首次提出的，我相信，自然辩证法研究者（无论是爱好“生成哲学”的还是爱好古代“元气自然观”的研究者）和辩证逻辑研究者，必定对此都会十分感兴趣。说起元气自然观，笔者想起早在青年时代就能背诵出的王船山《张子〈正蒙〉注》中的一段话：“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散于太虚。”不过，当时根本没有想到它可以与粒子物理学联系起来。几年前，笔者注意到元气学说与量子场论的比较研究方面的论著，才明白过来。现在我们知道，“太虚”即虚空，而那无形无状、弥散而混沌之“气”或者“元气”，则相当于“场的原物质”。即使虚空也充满着场物质。聚—散过程则相当于虚转化为实、实又转化为虚，或者相当于生成—湮没的过程。当然，王夫之只是用思辨语言表达了一种尽管朴素但非常深刻的辩证法的思想而已，不过那仍然是相当不简单的。笔者非常赞赏万小龙的这一主张，即“元气”哲学与“生成哲学”两派学者应当握手言和，实现辩证的综合。至于说到粒子物理学的辩证逻辑，武谷三男在其《物理学方法论论文集》中早就说过：“我们了解到作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件事完全变革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”[6]
在科学哲学中，关于理论实体有没有实在性的问题，是实在论者和反实在论者长期争论不休的问题。我们可以假想一个案例，比如讨论“虚光子”的实在性。像范·弗拉森那样的建构经验论者，只是愿意承认经验上可以把握的性质，而决不愿意承认不可观察物的实在性。相反，科学实在论者不仅愿意承认可观察量的物理实在性，而且认为，不可观察性也不是绝对的，不可观察性可以在一定条件下转变为可观察性。他们相信，“理论名词”（例如电子、虚电子、虚光子）在真实的物理世界都是有指称的。
接着，我们来讨论“电子真空”，那是关于虚电子或者负能量电子的空间。1928年，狄拉克方程式曾经取得很大的成功，它所给出的氢原子能级结构与实验符合得相当好，方程的解又自然地导出了电子自旋。可是，最终还是出现了反常情况。这就是，这个方程式同时存在两个对称解：正能量解和负能量解。现在麻烦大了：假如有一个电子处在某个正能态上，那么小小扰动就能够使得它跃迁到负能态，并且释放能量，这个过程一直要进行下去，因为负能态分布能够延伸到负无穷大。如果真是这样，哪里还有什么稳定的电子可言！怎样才能制止这种无止境的跃迁呢？换句话说，如何使得狄拉克方程式所要求的“整个空间充满负能电子的图景”，与现实世界实际上的稳定性很好协调起来，就成为一个伤脑筋的难题。面对反常情况的压力，既要解释稳定性，又要维护狄拉克方程式的正确性（理论的核心原理是不可丢的，但是外围的辅助假说却是随时可以调整变形的），狄拉克绞尽脑汁，万般无奈，他迫不得已才提出了“真空＝电子的负能态全部被填满，而正能态倒还空着”的图像。在这里，拉卡托斯的纲领方法论要发挥作用了。既然系统的负能态已经完全填满，没有空缺可言，也就阻止了电子向着负能态的任何可能的“跃迁”，于是系统也就得到了稳定的最低能量状态。因为负能态的电子是不可观察的，所以称作“虚电子”。又因为在整个系统中实电子一个都不存在，所以有资格称作“真空”。这就是所谓的“电子真空”。电子真空图像这个辅助假说确实十分有用，它既保护了核心假说，又消解了反常情况。虽然这个假说在一开始带有特别设计的意味，它在直观上确实显得有点古怪，但是它很快就摆脱了特设性的嫌疑，因为它紧接着正确预言了正电子的存在，也就是通过了实验检验。
值得指出的是，“电子场真空”相对于“电磁场真空”有其特异性，因此在电子场中场与粒子的相互转化过程、粒子的生成—湮没过程也就有与电磁场十分不同的特点。我们知道，麦克斯韦的经典电磁场理论只是一种连续的波动性理论。然而，电磁场理论应当是量子化的，光子就是场量子。借助于狄拉克的量子真空图像，使用基态／激发态、激发／退激发、虚光子／实光子等概念，量子化的电磁场理论可以合理地解释光子的存在、生成和消失。
现在，转向电子场的讨论。电子场的量子化要比电磁场更加复杂些，尤其是我们所关注的电子的产生和消失的过程和光子的情况大不一样。初看起来，把电子看作电子场所激发的量子，与把光子看作电磁场所激发的量子，没有太大的区别。问题在于，光子是中性的，电荷守恒定律对于它并没有直接影响。然而，电子是带电的，电荷守恒定律对于它的限制可大了。因此，单个电子是不可以凭空产生和消失的，除非有相应的反粒子的配对的同时出现，否则就会违反守恒定律。换句话说，只有正反粒子的同时参与，电子的产生和消失的相关过程才是可能的。
前文已经提到，狄拉克方程式既有正能量解又有负能量解，对此做进一步的分析的结果，导致正电子的发现。在这开创性工作的基础上，量子电动力学干脆从一开始就认定，狄拉克方程式就是描述电子—正电子场的波动方程，正反两个粒子一起引进。电子场只是电子—正电子场的缩写或者简称而已。电子场量子化之后，自然得到电子和正电子，这两个粒子同时都是电子场的量子。电子场是兼有波动—粒子二象性的物质客体。不仅电子场是物理实在，而且电子场的基态也是客观存在的。“真空不空”，电子真空就是基态的电子场。于是，狄拉克在初创阶段只是当作特设性假说提出来的“真空＝负能级填满了电子、正能级都空着的空间”概念，即电子真空图像，现在作为电子场的基态，就成为自然而然的事情[6]。有了正负电子场和电磁场量子化的概念，基本粒子相互作用的过程，如电子与光子、电子与电子、电子与正电子的碰撞过程，都可以归结为这些粒子的生成（场的激发）、消失（场的退激发）和相互转化（一种场的激发转化为另外一种场的激发）的过程。在这里，武谷三男所说的关于“基本粒子流动地相互转化”的自然界的辩证法和理性思维的辩证逻辑又都在发挥作用了。笔者曾经在《2005：辩证逻辑正在向深度和广度拓进》[7] 一文中说到辩证逻辑研究在方方面面的进展，当时由于篇幅限制，唯独省略了物理学哲学方面，今天算是做了一个补充。
总之，狄拉克的量子真空理论首次在量子物理学范围内提出了一个真空模型，它为物理学家的科学共同体提供了一个范例，建立了一个范式，从此以后人们可以一步一步地推广到粒子物理学的其他方面去。在这种量子模型中，真空仍然是一种“没有实粒子存在的空间”，在这一点上它继承了经典真空的性质。然而，在另一方面它却又断然否定了“真空＝空无一物的空间”的经典概念，因为在电子真空中充满着负能量电子，即虚电子。于是，亚里士多德的“虚空不可能”和笛卡儿的“充实空间”的思想再次复活。
收稿日期：2007—01—19
注释：
① 参见曹天予所著《表象还是建构：一种量子场论的解释》（英文），宋伟译。
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