量子论与科学哲学的发展_成素梅著_9787030356635

成素梅所著的《量子论与科学哲学的发展》立足于量子力学的当前发展和科学哲学的视域，围绕关于量子实在论、非实在论甚至反实在论问题的争论展开论述。基本思路是，通过对第一代量子物理学家围绕量子力学问题争论焦点的剖析、对他们所持的各种实在观的考察、对深受量子论影响的科学哲学家阐述的各种不同的科学实在论与反实在论观点的追溯、对科学哲学的四种语境论进路的比较、对技能性知识的特征与表现形式的揭示，提出一种体知合一的认识论的观点。

更多科学出版社服务，请扫码获取。

第一章问题与挑战
到目前为止，量子力学是当代科学发展中最成功也是最神秘的理论之一。其成功之处在于，它以独特的形式体系与特有的算法规则，对原子物理学、化学、固体物理学等学科中的许多物理效应和物理现象做出说明与预言，已经成为科学家认识与描述微观现象的一种普遍有效的概念与语言工具，同时也是日新月异的信息技术革命的理论基础；其神秘之处在于，与其形式体系的这种普遍有效的应用恰好相反，量子物理学家在表述、传播和交流他们对量子理论的基本概念的意义的理解时，至今仍未达成共识。量子物理学家在理解和解释量子力学的基本概念的过程中所存在的分歧，不是关于量子理论的算法规则本身的分歧，也不是关于亚原子粒子是否存在的分歧，而是能否仍然像以牛顿力学为核心的经典物理学那样，为现行的量子力学提供一个实在论的解释之间的分歧。这是由量子力学对传统哲学观念颠覆性的挑战造成的。
第一节经典物理学的哲学基础*
经典物理学是随着实验方法与数学方法的确立而发展起来的，被广泛地称为“实验科学”。实验在经典物理学中至少发挥着“发现与检验”两种同样重要的功能，数学则是物理学家描述与理解自然界最喜欢使用的一种简洁而有效的语言符号。实验方法所具有的物质性、能动性与可感知性，以及数学方法所具有的逻辑性、推理性和系统性等特点，直接奠定了物理学研究中的实在论立场。这种立场大致包括如下基本点：承认有一个客观的、离开知觉主体而独立存在的实在世界，它现实地构成了全部自然科学研究的直接或间接的对象域；物理学家关于研究对象的知识首先来自测量、观察和实验等感性物质活动；加工感性材料而形成的概念和理论是对客观对象的间接而深刻的反映；概念与理论的正确性需要由是否与对象的内在本性相符合来加以判断；得到实验证实的真理性的概念与理论，具有指导人们做出预言从而变革现实的作用。几百年来，这种立场已经牢固地贯穿于物理学家的研究信念当中，内化为科学哲学家库恩（T.Kuhn）所说的一种“范式”。“范式”的形成极大地超越了理论的简单陈述，转化为一种较为固定的思维方式或研究直觉，成为近代经典物理学研究的哲学基础和确保物理学研究能够持续发展的最基本的价值前提。
一、机械实在论的兴衰
“机械实在论”是以经典力学的研究范式为基础的。经典力学的奠基性工作主要由英国物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家牛顿（I.Newton）完成。
牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，通过对著名的万有引力定律和运动三定律的详尽阐述，确立了经典力学的基本框架。牛顿力学是一个富有成果的理论体系，它不仅将先前零散发现的力学知识概括和统一起来，而且还为尔后发展起来的机械制造工业提供了理论工具。从当代物理学的发展趋势来看，不论“知识陈旧”的呼声多么强烈，不论经典力学的适用范围受到怎样的限制，不论经典力学的研究方法多么粗糙，经典力学始终在科学的殿堂里占有一席之地，不仅如此，经典力学所蕴涵的对“科学理论与实在”之间的关系的许多理解，在某种程度上，至今仍然是科学家所坚持的基本信念。这种理解主要建立在牛顿力学三个基本特征的基础上。
从形式上看，牛顿力学是一个由公理化方法建构起来的演绎体系。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，首先，从八个原始定义出发，对一些重要的物理量（如质量、加速度、力、动量等）性质做了明确的规定；其次，着重阐述了力学的基本公理或运动定律以及一些推论。这些定义、公理及推论内在地联系在一起，形成了物理学家海森伯（W.Heisenberg）所说的一个相对完备的“闭合系统”，在这个系统中，任何一个原始定律的改变都将会破坏整个系统的完备性。
牛顿用数学符号表示物理概念，并把不同的物理概念之间的联系用数学符号之间的关系体现出来，形成了可供具体运算的数学方程。数学方程之间的关联在逻辑上是内在自洽的。在牛顿力学中，力学定律可以说明和预言所有物体在某种力的作用下的运动行为。牛顿对运动三定律的表述分别是：
定律一：每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。
定律二：运动的改变和所加的力成正比，并且发生在所加的力的那个直线方向上。
定律三：每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。这三个定律就是我们早已熟知的惯性定律、加速度定律和作用力与反作用力定律。牛顿通过这三个定律预设了宏观力学运动的时空结构，给出了原始概念间的定量数学表述，并且明确了力的含义，规定了力的性质。在这三个运动定律中，第三定律是关于两体相互作用的。从表面看，第一定律在物理内容上完全可以作为第二定律的特殊情况（即合力为零）来处理。可是，牛顿却将第一定律与第二定律以并列的形式作为不可通约的两个定律呈现出来，其中的原因显然不是出于物理内容上的考虑，而是在于第一定律预设了理解牛顿力学的基本前提。
这恰好是第二定律所没有的。所以，惯性定律作为第一定律的地位是非常重要的。它所包含的一些概念，如“静止”、“匀速直线运动”，是与参照系的选择有关的。物体之所以能在无外力作用时保持原来的运动状态不变，是因为隐含了参照系是以笛卡儿坐标为标准的惯性系的假定。可是，直接从经验上选择任何参照系都不是不动的参照系，并且，任何一个具体的物体运动都是非匀速的。这说明，与实物相联系的任何参照系都不可能成为惯性定律成立的基础。于是，牛顿假设了与任何具体物体都不相联系的绝对时空观。
牛顿对时间和空间概念的界定是为了消除一般人从时间、空间、位置及运动这些基本概念与可感知的物质之间的联系中产生的理解上的偏见。他指出：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名为‘延续性’；相对的、表观的和通常的时间是延续性的一种可感知的、外部的（无论是精确的还是不相等的）通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、日、月、年等这种量度来代替真正的时间。”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关的永远是相同的和不动的。相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对于地球而言的地下、大气或天体等空间就都是这样来确定的。绝对空间和相对空间，在形状上和大小上都相同，但在数字上并不总是保持一样。因为，例如当地球运动时，一个相对于地球总是保持不变的大气空间，将在一个时间是大气所流入的绝对空间的一个部分，而在另一时间将是绝对空间的另一个部分，所以，从绝对的意义来了解，它总是在不断变化的。”
牛顿在对绝对时间和相对时间，绝对空间与相对空间进行了区分之后，接着，对绝对时间和绝对空间进行了进一步的表述，他写道：“所有的运动可能都是加速的或减速的，但绝对时间的流逝却不会有所改变。不管其运动是快是慢，或者根本不运动，一切存在的事物的延续性或持久性总是一样的。”“与时间各个部分的次序不可改变一样，空间各个部分的次序也是不可改变的。……所有事物时间上都处于一定的连续次序之中，空间上都处于一定的位置次序之中。”“……整体的和绝对的运动，只能从不动的处所来予以确定。也正由于这个原因，所以我在前面总是把这种绝对运动认为是对于不动的处所的运动，而把相对运动看作总是对于运动处所而言的运动。然而只有那些从无限到无限，确实彼此间处处都保持相同位置的处所，才是不动的处所，因此，它必然永远停止不动，从而形成一个不动的空间。”
爱因斯坦认为，在牛顿力学中，时间与空间具有双重作用：
首先，它们起着物理学中所出现的事件的载体或者构架的作用，事件是参照这种载体或构架用空间坐标和时间来描述的。……空间和时间的第二个作用是作为一种“惯性系”。惯性系之所以被认为比一切可想像的参照系都优越，就是因为对它们来说，惯性定律必定是成立的。
可见，绝对时空的这种特殊作用，使得时空与物质彼此独立，时间仅作为一种描述相对运动的数学参量出现在动力学方程之中，在这个方程中，时间具有反演对称性。或者说，经典力学中某些量的变化被认为在数学上是等价的。时间的这种特殊地位，再加上经典力学定律中并不存在限制该定律应用的任何普适常数，即定律的定义没有涉及现象发生的尺度限制与范围：小到分子、原子，大到行星等天体，力学定律被认为都是普遍适用的，体现了力学定律在宇宙间的普适性和完备性。换言之，在经典力学系统中，用数学方程表示的定义和公理体系，完全可以被看做是描述自然的永恒结构的“永真”系统，既与特殊的空间无关，也与特殊的时间无关。这构成了经典力学的超时空性特征。
牛顿力学的第二个值得关注的特征是，严格的因果决定性，这是由运动方程确定的。在牛顿力学中涉及两个重要的要素，“一个要素是每一点在某一瞬间的位置和速度，这一瞬间通常叫做‘初始瞬间’。另一个要素是把动力学的力和加速度关联起来的运动方程。运动方程的积分将从这个‘初始状态’出发伸展到相继的状态，即组成系统的各物体的轨迹的集合。”在这里，不仅“一切都是给定的”，而且“动力学把所有的状态都定义成是等价的：每一个状态都允许沿着轨道计算出所有其他状态，这轨道连接着所有的状态，无论是过去的状态还是未来的状态。”更明确地说，牛顿力学所描述的世界完全是镶嵌在一个数学-力学的世界之中。在真实的世界与数学-力学的世界之间存在着某种等当性，这种无歧义的等当性通过下列方式体现出来：由动力学方程计算所得到的每一个物理量的数值，总是与一个实际测量结果相对应。在一定条件下，理论描述与实际测量成为互相检验、相互印证的两个相对独立的环节。我们既可以通过理论计算求出物理量的数值，也可以通过测量手段来测得其具体状态。在这里，初始条件的确定成为推知系统其他任何时刻状态的一把钥匙。
亥姆霍兹于1847年在他的《论力的守恒》一文中把近代自然科学的这种研究方式概括为：
自然科学的问题首先在于寻找一些规律，以便把种种特定的自然过程归因于某些一般规则，并从这些一般的规则中推演出来。……我们相信这种研究是对的，因为我们确信自然界中的各种变化都一定有某个充分的原因。我们从现象推得的近似原因，它本身可能是可变的也可能是不变的。如果是前者，上述的信念会促使我们去追寻能够解释这种变化的原因。直到最后找到不可变的最终原因，而这个不可变的最终原因在外界条件相同的各种情形下一定能产生同样的不变的效果。因此，理论自然科学的最终目标就是去发现自然现象的终极的、不变的原因。
海森伯在谈到近代物理学中的语言和实在的关系时，对经典物理学的概念系统与哲学基础做出的评论是，19世纪末“所引入的全部概念构成了适用于广阔经验领域的完全首尾一贯的概念集，并且，与以往的概念一起，构成了不仅是科学家，也是技术人员和工程师在他们的工作中可以成功地应用的语言。属于这种语言的基本观念是这样一些假设：事件在时间中的次序与它们在空间中的次序无关，欧几里得几何在真实空间中是正确的，在空间和时间中发生的事件与它们是否被观测完全无关。不可否认，每次观测对被观测的现象都有某种影响，但是一般假设，通过小心谨慎地做实验，可使这种影响任意地缩小。这实际上是被当做全部自然科学的基础的客观性理想的必要条件”。
牛顿力学的第三个特征是纯客观性。这是由牛顿阐述的研究问题的下列四条法则加以保证的：
法则一：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必寻求自然界事物的其他原因。
法则二：所有对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。
法则三：物体的属性，凡是不能增强也不能减少者，又为我们实验所能及的范围内的一切物体所具有者，就应视为所有物体的普遍属性。
法则四：在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的，或者是非常接近于正确的；虽然可以想象出任何与之相反的假说，但是，没有出现其他现象足以使之更正确或者出现例外以前，仍然应当给与如此的对待。
牛顿把这四条法则称为“哲学中的推理法则”，同时，也是他研究问题的基本方法。法则一实际上描述的是简单性原则，用牛顿的话来说，就是“自然界喜欢简单化，不爱用什么多余的原因夸耀自己”；法则二给出了在相似性、统一性的基础上寻找因果关系的原则，表达了同样的原因必然导致同样的结果，即如果由于原因A产生了结果B，那么，结果B，必须是由原因A引起的。在这里，原因是结果的充分必要条件；法则三中牛顿继承了英国哲学家培根（F.Bacon）的经验主义传统，并把通过实验所揭示的物体的属性看成是纯客观的，例如，牛顿在对法则三的说明中指出，物体的属性只有通过实验才能为我们所了解，所以，凡是与实验完全符合而又既不会减少更不会消失的那些属性，我们就把它们看做是物体的普遍属性。或者说，在牛顿看来，实验结果作为观察事实既与人无关，也与理论无关，是对物体内在属性的一种完全客观的揭示；法则四规定了归纳论证的有效性。
显然，牛顿的这四条法则明确地突出了观察结果与归纳论证在理论形成过程中的重要的作用。牛顿把那些不是从现象中推论出来的任何说法都称为假说，并进一步指出：
这样一种假说，无论是形而上学的或者是物理学的，无论是属于隐蔽性质的或者是力学性质的，在实验哲学中都没有它们的地位。在实验哲学中，命题都是从现象推出，然后通过归纳而使之成为一般。
或者，我们可以把牛顿的方法论总结为三步：其一，实验，即通过实验把相关现象分离出来并对其进行测量；其二，归纳，即从现象中归纳出一般的规律；其三，整合与预言，即通过一般规律对观察现象进行演绎说明，并预言有可能出现的新的实验现象。在这里，实验、测量、观察、语言表达、符号赋义都是无歧义的，观察陈述与实验事实是中性的，是价值无涉的，是对自然界内在性质的揭示，是形成理论的基础或是证实理论的判别标准。显然，牛顿力学的这种结构最理想地落实了逻辑经验主义的哲学纲领。
牛顿力学的这三个基本特征不是孤立外在的，超时空性表明了经典力学的无条件性；严格的因果决定性表明了经典力学的无歧义性；无条件性与无歧义性共同决定了经典力学的纯客观性。经典力学的这些特征是由它的公理性质的前提所
……

你还可能感兴趣

我要评论