从玻尔与爱因斯坦的争论看量子力学中互补性原理的基础地位

2001年10月

第20卷　第5期绵阳师范高等专科学校学报Journal of Mianyang T eachers ’C ollege Oct.2001V ol.20　N o.5收稿日期:2000209206

从玻尔与爱因斯坦的争论看量子力学中

互补性原理的基础地位

刘国跃

(绵阳师范高等专科学校物理系,四川绵阳　621000)

摘　要:从量子力学的基本问题出发,围绕爱因斯坦和玻尔争论的要点,阐述了互补性

原理在量子力学中的核心基础地位,并以此核心线索上升到哲学高度,来讨论爱因斯坦和玻

尔争论的认识论差异。

关键词:爱因斯坦;玻尔;互补性原理;认识论

中图法分类号　O42O9　O413 文献标识码:A 文章编号:100823901(2001)052

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0　引　言

量子力学是描述微观粒子运动规律的理论,其概念系统和理论体系与研究宏观现象及其规律的经典物理学有很大的不同。量子力学的出现,是人类对物质结构认识日益深化的结果,为将自然规律应用与科技生产开辟了广阔的前景。当今的超导技术、激光技术、纳米技术和量子生物技术等都以量子理论为重要基础,成为现代科技的重要基础之一。

然而与量子力学取得重大成就形成鲜明对比的是,关于量子力学旷日持久的争论至今没有一个结果。从现象上看,以爱因斯坦和玻尔为代表的两个学派对量子物理的根本问题有不同见解,而背后则表现了两个学派在世界观山上的差异。在如何看待科学内容的实在性、认识客体和认识主体之间的物理规律所表现出来的因果关系等方面都表现出非常不同的观点。深刻认识世界观对科学研究的影响,有利于从更深层次把握量子力学理论的实质;有利于开展科研工作。所以,把这些争议上升到哲学高度进行分析理解有重要意义。

1　爱因斯坦和玻尔有关量子力学争论的核心

根据现有资料和笔者自己的思考,认为派争论主要集中在四个方面:

(1)　玻尔的互补性原理;

(2)　对微观粒子波粒二像性的理解;

(3)　测不准关系;

(4)　量子力学的完备性问题。

首先,我们要找出哥本哈根学派和维也那学派争论的核心,透过核心来分析各派世界观的特点,那

么就自然容易认识不同世界观带来的认识论差异。我们认为,玻尔的互补性原理是四个问题的核心。有了这个核心,不难对玻璃波粒二像性,测不准关系和完备性问题给出合理解释。

尽管玻尔很不愿意将互补性冠以原理,但互补性确有原理的地位。当物理学发展到量子力学阶段时,物理学家们面对着一个前所未有的问题,即应该怎样对同一个物理作用,本体应用像物质粒子和波动力场这样两种极端对立的描述方式而又不陷入矛盾呢?波尔认为,必须承认物理实体在的两种“互补”面貌之间的逻辑关系。互补性代表一些概念之间的一种新的逻辑关系,这些概念是互斥的,从而不能同时加以考虑,否则就会导致逻辑上的矛盾,但是为了对现象和过程做出一种完备性的描述,这些概念又都是必要的。将对立的互斥的两种概念或描述综合起来,构成一种更为完备的认识,从而实现一种更高意义的和谐,这就是互补性原理。在玻尔自己看来,互补性原理的确重大,1913年他所作的关于巴尔麦公式解释的一篇演讲的最后,用一种代有惊人先知性的说法作为结束:“正是通过强调这种对立,或许就有可能在时间进程中在新的概念中达成某种一致性。”互补性概念还可以引申到其他知识领域中,比如,有人将起引入生物学中解决生物领域的问题。互补性观点的形式结构已被逻辑学家精确地分析过,证明互补性的确有普适性的一面,所以,有人认为这是玻尔发明的一种新的逻辑。当然,玻尔自己认为,在物理学的演化中,互补性原理只是众多中间环节之一。

玻尔的互补性原理和认为是对认识论的一个贡献,这是辩证唯物主义对立统一观点杂微观层次上的深刻表现。爱因斯坦早在1905年提出的光量子假说被认为有互补性概念的萌芽,但后来他自己将这种萌芽放弃了。正是这种转折,造成了与玻尔对有关量子力学基本问题在认识论上的巨大差异,这就是重要的世界观根源。所以下面将对互补性原理认识上的差异展开讨论。

2　互补性原理与辩证唯物主义

互补性概念成功地将自然现象的描述的客观性与观察条件的必要性调和统一起来。自然界能不能认识是一回事,怎样认识又是另一回事。互补性原理中互斥的一对概念,表明了物理存在是客观的综合的,而对起观察研究却受到了因相互作用方式不同产生的限制,从而不能同时进行,这既有定性的一面,又有精致的一面。在经典物理看来,玻和粒子的概念截然不同,一个物理客观存在对这两个性质不能兼而有之。但按互补性原理看来,却将这一对互斥的概念在更高的层次上融合起来,构成一个和谐综合超越以前的概念。的确如此,已经知道:

E=hv P=

h

λ=h

σ(1)

等式左边代表粒子性,右边的频率v和波数σ则是波动性的表现,但他们确实融合在一起了。不仅如此,由于观察手段的介入,认识主客体有了相互作用,波粒二像性的表现不是同等显要的,从而有了一种侧面反映,并且若要想精致地讨论两方面的问题,必然会受到来自于量子理论秉性的限制。可见,仅对波粒二像性的认识就涉及到对立统一,客观实在与主客体的统一和测不准关系反映出来的相互制约的关系。当然,一些互补概念在适用的范围上并不是硬性排斥的,在某种程度上可以有重叠,在这些区域内互斥的概念都可以不太严格的加以应用,这正是互补性原理的精妙之处。例如,不可能存在严格的单色波,一个实在的波总是被限制在一个空间例如Δx和一段时间Δt内,根据傅里叶分析的数学理论,这个波列总可以分解为一些单色分量,其频率和波数分布在相应的区间Δv和Δσx内,那么用关系式(1)可得:

ΔE=hΔv ΔP

x

=hΔσx(2) 这就是确立能量和动量精确度的表达式,这的确也看到了测不准关系,于是在两种图像互补的那些范围内为

ΔE?Δt≈h ΔP

x

?Δx≈h(3) 测不准关系说明,互补性概念的可能性方面并不存在任何绝对的限制。而在将某一概念趋于理想化是,与之互补的概念就会变得越来越不确定,最后将被排除;在测量和记录所讨论的没一个量时都必须用到实验装置,这恰恰就对和它互补的那个量加上了一个用(3)式表示的定义上的缺陷。这和辩证唯绵阳师范高等专科学校学报2001　Vol.20　No15

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物主义的认识论是一致的,事物以矛盾的双方相互依存相互制约而存在,矛盾的双方可以相互转化,水居于矛盾的主要方面,要视环境条件而定,但对立的矛盾必须统一于事物之中,矛盾虽然对立却不是严格的对立。这样一来,量子力学的概念的确不能再纳入狭窄的经典物理的逻辑轨道,必须用互相矛盾的图像来形成完备的说明。正因为爱因斯坦的光量子说没有升华出互补性原理,所以爱因斯坦的转向,是否可以认为表明他仍没能走出经典物理的逻辑,从而不能正确理解测不准关系,当然也就不能接受量子理论的统计特性及完备性。但仅作这样不够深入的分析是不够的,爱因斯坦和玻尔的争论还有更加具体深刻的根源。

3　互补性和决定性

关于自然规律的一种观念,决定论是与宏观规模的现象描述相适应的,这是以经验和传统为主的范畴,如果一旦推广其适用性就会被实在所超越,它们的哲学意义也随之改变。试图重新赋予物质这样或那样势不两立或排斥概念以绝对的意义都只会失败,最后只能回到互补性原理所表达的那种综和上升的立场中来。薛定谔和各国的物理学家们各自按照自己的方式徒劳无功地尝试从量子理论中消去粒子概念,而玻尔等人则过分偏爱粒子观念,这两种极端都只回造成逻辑上的混乱和不能自圆其说,且都由于依据于决定论,就必然造成对量子理论物理意义诠释上的混乱。人们过去容易把决定论看成是科学的“确定性”的一种像征,新而上学地将这种“确定性”与随机性对立起来。但是,概率并不表示没有规律的机会,恰好相反,几率性的东西是有规律的。概率观点的适用范围比经典力学的适用范围更宽,更加符合自然界的复杂性和多样性,这就增大了科学预见手段的威力。当然功率规律也要以某种决定论为起点,互补性原理的核心思想也在于此。

经典物理中,因果性的表达是一些方程的数学性质的结果,透过诸如牛顿力学方程表现出了决定性的因果关系,只要知道了初始条件和边界条件,方程的解就会完全确定。但是在互补性原理看来,我们不能在无限精度下谈论一切物理量,尤其对互斥的概念更是如此。这样一来情况就发生了变化。例如,关于光谱线的发射,处于高激发态的原子可以向任何一个符合选择定则的低激发态跃迁,但是现象中没有任何东西可以告诉我们在一个确定的事物中到底哪一种可能能成为现实,从而我们只能预计各种可能跃迁出现的几率。这只不过是众多处于互补局势的现象中的一个缩影,着表明互补性的概念之间的因果性只能是统计的,而决定性的因果关系只不过是它最为简单的极端。所以,关联着的两个现象只能通过统计规律联系起来,这是互补性原理的直接推论之一。爱因斯坦曾说过一段幽默的话:“上帝居然玩骰子,可以。但是说他居然按照确定的规律进行赌博,着就是我难以想像的了。”这反映了爱因斯坦至始至终认为量子力学描述不具有完备性的根源。还有人认为着是一种情感,使得爱因斯坦无法全部接受量子力学的观点。事实上,统计规律在物理学中所起的重要作用表明,上帝的确是以爱因斯坦没有想到的方式在玩骰子。无独有偶,几率概念在热力学中占据着在量子力学中同等重要的地位,两种情况有相同的认识论意义。理论物理的研究清楚地表明,热力学第二定律反映的系统演化方向的不可逆性,使得支持体系行为的那些基本规律的可逆性调和起来了。不可逆源于基本定律上的若干统计要素,即有关初始条件知识的不完备性,而这些初始条件有在那些基本规律的规定下影响着系统的演化,着的确是一种互补的关系,虽然与量子力学汇总的互补性有不同的内涵,但有着共同的逻辑色彩。

关于量子力学完备性和测不准关系的争论,实际上反映了不同哲学思想的争论。著名的EPR实验辩论,反映了爱因斯坦坚持机械决定论和定域性观点,强调物理存在的客体性,这些问题还没有完全跳出经典物理的图景。玻尔承认存在非机械的决定论的因果关系,承认非定域和关联,承认微观客体,认识主体和观测手段构成了由相互作用联系起来的有机整体,也就承认了世界的多样性、联系性和主客体的相互作用等观点。因此,爱因斯坦更强调唯物,玻尔更强调辩证。然而两种观点的争论也是两种观点的融合,不但有利于量子理论形成更加坚实的认识论基础,也有利于人们更加深刻地认识微观世界。

4　互补性和客观性

观察一个微观系统所处的条件用以描述这个系统,通过条件的改变而发现认识开体系的不同方面,

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这只能在互补性原理的框架之内来结合成一种完备的描述。这会不会对科学事实的客观性产生破坏呢?当然不会。物理量代之以算符,它们又可居于不同的表像之中。每一种表像又涉及不同的观察条件,但是联系着算符的那些方程对一些正则变换保持不变,而正则变换反映了不同观察方式之间的过渡,而方程则代表着理论的客观内容,代表着量子规律的客观性,,这于广义相对论的情况极为相似。正如玻尔所认为的那样,观察者可以有不同的介入方式,定义不同的现象,而这些不同的想像都对应着各自明确定义和完全客观的可能发现。那么观察者所选择的介入方式使他不可能在同一体系上研究互补的现象,但的确能通过某一另外的等同的系统进行实验,并将其置于互补条件下得以实现。

由互补性导致的测不准关系,决定了量子力学是统计想的。从机械决定论的因果律到统计性的因果律这是人类认识自然从宏观向微观深入的自然表现,这在改变经典物理图景,认识自然的多样性和复杂性有着划时代的意义。但真理向前多跨出一不就会成为谬误。将互补性原理的内涵和外延无限延伸也会产生认识论上的错误。海森伯认为,量子力学现象完全依赖于我们观察它的方法还依赖于我们观察带的事实,玻尔也认为根本不可能获得与观察无关的原子客体“本身”的知识。这种错误在于将认识主体和知识主体的相互作用,与知识主体和认识主体的相互作用绝对不可分离,而爱因斯坦又认为两者应当截然分开,这就形成了尖锐的对立。这里将客观和主观,客体与主体的认识绝对了,容易滑向不可知论。这里所论及的认识主客体之间的相互作用,主要指物质手段的参与,并不侧重意识和精神方面,从而这种相互作用是一种实践活动而不是精神作用。量子力学的发展历史表明,无论人们主观上给予什么解释,都一如既往地向前发展。从理论上说,测不准关系同样是微观规律的实在反映,与是否使用仪器测量无关,只是说明了认识手段与认识客体之间存在着不可避免的相互作用的原因,从而揭示了微观客体的认识论特征,揭示了用宏观方法认识微观现象的局限。就这个意义上说,我们既应当承认爱因斯坦“强”的科学实在论形式,又应当承认玻尔的“弱”的科学实在论形式,从而承认科学实在论发展的不同层次和多样性,而不是走向教条化的极端。

有关量子力学争论的世界观问题还不止这些。但从上面可见,世界观对量子理论的解释有重大影响,而相应的争论又会促进物理学和哲学的发展。

参考文献:

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The B asic Position of R eciprocal Principle in Q uantum Theory From the Argument Betw een Einstein and Bohr

LI U G uo2yue

(Department of Physics,Mianyang T eacherπs C ollege,Mianyang　621000)

Abstract:From basic prombles in quantum,the central and basic position of reciprocal principle is put forward from the argument between Einstein and Bohr,defferences are discussed at the central of reciprocalism and the height of natural philos ophy.

K ey w ords:Einstein;Bohr;reciprocal principle;epistem ology

(责任编辑:李华隆)