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