科学经典图景变革

2019-06-02 版权声明 举报文章

科学经典图景变革

摘要:20世纪三次物理学革命之一的量子力学在诸多方面对经典科学世界图景进行了变革。量子力学突破了经典科学的机械决定论,使之转化为非机械决定论;使得科学认识方法由还原论转化为整体论;使得科学思维方式由追求简单性到探索复杂性;确立了科学活动中主客体互动关系。

关键词:量子力学;经典科学世界图景;非机械决定论;整体论;复杂性;主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的,近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论,片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲:统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是:微观粒子的各种力学量(位置、动量、能量等)的出现都是几率性的;量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的,对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释;决定论不适用于量子力学领域;仪器的作用同观察对象具有不可分割性,确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界

图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论,遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学,机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单,因为机械运动比较容易认识,牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学,获得了空前成功;说它最普遍,因为机械力学有广泛的用途,容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上,解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性,无论从因到果的轨迹多么复杂,沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果;机械决定论的核心在于只要初始状态一定,则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实,机械决定论仅仅适用于宏观物体,而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解,同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论,微观粒子运动遵守统计规律,我们不能说某个电子一定在什么地方出现,而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出,因果性是表示事件关系之中一种必然性观念,而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性,自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中,几率性是基本概念,统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变:统计描述代替了严格的因果描述,非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念,但未能从根本上动摇严格决定论,量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性,它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定,不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量,只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此,量子力学必须是几率的、统计的。而且,随着认识的发展,人们发现量子统计的随机性,不是由于我们知识和手段的不完备性造成的,而是由微观世界本身的必然性(主客体相互作用)所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法,是指把高级运动形式归结为低级运动形式,用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质,以及完全还原是不可能的,决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义,整体的特征绝非部分的叠加,而是部分包含着整体。部分作为一个单元,具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系,同时还要表现出“主体性”,可将自身的内在联系传递到周边,并直接参与整体的变化。因而,部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态,部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征,也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看,也就是按照还原论的思想,粒子与波毫无共同之处,二者难以形成直观的统一图案,这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法,是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下,只表现波动性;而在另一些实验条件下,只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是,玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾,并试图寻找一种解决矛盾的方法,这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性,即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”,即从整体到部分。同样,海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置,这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出,造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观,而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以,量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看,世界在本质上是简单的。牛顿就说过,自然界喜欢简单化,而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标,也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动,牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性,这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体,而且把研究对象的条件理想化,使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此,特别是进入微观领域,微观粒子运动的几率性、随机性;观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中,牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例,成为非线性科学中交互作用近似为零的情况,在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性,而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中,正如莫兰所说的,复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本,可能性比现实性更基本,演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式,不是以现实来限制可能,而是从可能中选择现实;不是以既存的实体来确定演化,而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性,在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通,而不是仅仅限于孤立和分离,它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是,认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们,根本不存在所谓的“真实”,除非你首先描述测量物理量的方式,否则谈论任何物理量都是没有意义的!测量,这一不被经典物理学考虑的问题,在面对量子世界如此微小的测量对象时,成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰,使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来,在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时,我们就会遇到一个矛盾:我们的观测仪器是宏观的,可是研究对象却是微观的;宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰,这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰;人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果,可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定,从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如,关于光到底是粒子还是波,辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排,人们可以看到光的波现象;另一种实验安排,人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言,它却表现出波粒二象性。因此,海森伯就说,我们观测的不是自然本身,而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明,不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够描述出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能够“说什么”。

参考文献:

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京:江苏科学技术出版社,2004:270-271.

[2]郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].第2版.北京:清华大学出版社,1993:1-2.

[3]刘敏,董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究,2006,24(2):44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究,1995,11(9):25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理,2006,25(8):1-2.

[6]疏礼兵,姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究,2004,22(5):56-58.

[7]陈克晶.论20世纪科学观念的变革[J].武汉大学学报:哲学社会科学版,1996(3):3-11.

[8]武素霞.谈量子力学中主体性介入[J].山东农业管理干部学院学报,2005,21(3):126-127.

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