量子物理学和哲学：因果性和互补性—玻尔

量子物理学和哲学：因果性和互补性

玻尔 <<尼耳斯.玻尔哲学文选>>

物理科学对哲学的意义，不但在于稳步地增加我们关于无生命物质的经验，而且首先在于提供一种机会，来检验我们的某些最基本概念的基础和适用范围。尽管实验资料的积累和理论概念的发展带来了术语的改进，但是，物理经验的所有阐述，当然归根结底是以日常语言为基础的；这种语言适用于确定我们的环境并追寻原因和结果之间的关系。事实上，伽利略的纲领，即把物理现象的描述建立在可测定的量的基础上的纲领，曾经给整理越来越大的经验领域提供了坚实的基础。

在牛顿力学中，物质体系的状态决定于各物体的瞬时位置和瞬时速度；在这种力学中已经证明，仅仅依据关于体系在一个已知时刻的状态以及作用于各物体上的力的知识，就能通过了解得很清楚的简单原理，推出体系在任一其他时刻的状态。这样一种描述，显然代表用决定论思想来表示的一种因果关系的理想形式；人们发现，这种描述是有着更宽广的适用范围的。例如，在电磁现象的阐明中，我们必须考虑力以有限速度而传播的过程，但是，决定论的描述仍然可以在这种阐明中保留下来，其方法是：在状态的定义中，不但要包括各带电体的位置和速度，而且要包括电力和磁力在给定时刻在每一空间点上的方向和强度。

相对性思想中包含着一种关于物理现象的描述对观察者所选参照系的依赖程度的认识，这种认识并没有从本质上改变上述这些方面的形势。在这里，我们涉及了一种最有成果的发展，它曾经使我们能够表述一切观察者所公有的物理定律，并将以前显得彼此无关的现象联系起来。虽然在这一表述中用到了四维非欧几里得度规之类的数学抽象，但是，对于每一观察者来说，物理诠释却还是建筑在空间和时间的普通区分上的，并且是保留了描述的决定论品格的。而且，正如爱因斯坦（Albert Einstein）所强调的，不同观察者的时空坐标表示法，永远不会蕴涵着可以称为事件因果顺序的那种序列的反向；因此，相对论不但扩大了决定论描述的范围，而且也加强了它的基础；这种决定论的描述，乃是通常称为经典物理学的那座宏伟大厦的特征。

然而，普朗克（Max Planck）的基本作用量子的发现，却在物理科学中开辟

了一个新纪元；这种发现，揭示了原子过程中所固有的一种远远超过物质有限可分性这一古代见解的整体性特点。事实上，问题变得很清楚：经典物理理论的形象化描述，代表着仅仅对那样一些现象为正确的理想化，在各该现象的分析中，所涉及的一切作用量都足够大，以致可以将作用量子略去不计。尽管这一条件在普通规模的现象中是大大得到满足的，但是，在和原子级粒子有关的实验资料中，我们却遇到一种和决定论的分析不相容的新型规律性。这些量子定律规定着原子体系的奇特稳定性以及各体系之间的反应，因而它们归根结底也应该能够说明我们的观察手段所依据的那些物质属性。

因此，物理学家们当时面临的问题，就是要发展古典物理学的一种合理的推广，这种推广应该可以将作用量子很谐调地包括在内。在用比较原始的方法对实验资料进行了预备性的考察之后，通过引入适当的数学抽象，这一困难任务终于完成了。例如，在量子力学表述形式中，通常用来定义物理体系的状态的那些物理量，被换成了一些符号性的算符，这些算符服从着和普朗克恒量有关的非对易算法。这种程序阻止我们，使我们不能将这些量确定到古典物理学之决定论描述所要求的那种程度，但是，它却允许我们确定出这些量的值谱分布，这也就是和原子过程有关的资料所揭示的那种值谱分布。适应着这种表述形式的非形象化品格，它的物理诠释被表示成了和在给定实验条件下所得观察结果有关的、本质上属于统计类型的一些定律。

尽管量子力学作为整理有关原子现象的大量资料的手段是很有力的，但是，它离开了因果解释的习惯要求，从而也就很自然地引起了一个问题：我们在这儿所涉及的，是不是经验的完备无遗的描述呢？这一问题的解答，显然要求人们比较仔细地检查检查在分析原子现象时无歧义地应用经典物理学概念的条件。决定性的一点在于认识到这一事实：实验装置的描述和观察结果的纪录，必须通过用通常物理术语适当改进过的日常语言来给出。这是一种简单的逻辑要求，因为对于“实验”一词，我们只能理解为这样的程序：关于该程序，我们能够告诉别人我们作了什么和学到了什么。

在实际的实验装置中，这种要求的满足，是通过用一些刚体当作测量仪器来加以保证的；各刚体应该足够重，以致可以对它们的相对位置和相对速度进行完全经典的说明。与此有关，也很重要的是记住下述情况：一切有关原子客体的无

歧义的知识，都是依据遗留在确定着实验条件的那些物体上的永久性记号——例如由电子的撞击而在照相底片上造成的一个斑点——来推得的。纪录原子客体的出现所依据的那些不可逆的放大效应，并不会引起任何特殊的麻烦，它们仅仅提醒我们注意观察概念本身所固有的本质不可逆性而已。在这方面，原子现象的描述具有完全客观的品格，其意义是：这里没有明白地涉及任何个别的观察者，因此，只要适当照顾相对论的要求，就不会在知识的传达中引入任何歧义了。

在所有这些方面，量子物理学中的观察问题，是和经典的物理学处理方式毫无不同的。然而，在量子现象的分析中，本质上新的特色却在于引入了测量仪器和被研究客体之间的根本区别。这是下述必要性的直接后果：在说明测量仪器的功能时，必须应用纯经典的术语，而在原理上排除关于作用量子的任何考虑。在它们那一方面，现象的那些量子特色是由依据观察结果而推得的关于原子客体的知识来显露的。在经典物理学的范围内，客体和仪器之间的相互作用可以略去不计，或者，如果必要的话，可以设法将它补偿掉，但是，在量子物理学中，这种相互作用却形成现象的一个木可分割的部分。因此，在原理上，真正量子现象的无歧义的说明，必须包括对于实验装置之一切有关特色的描述。

重复进行按上述方式定义的同一实验，一般会得出关于客体的不同纪录；这一事实本身就直接暗示着：这一领域中的经验的概括说明，必然是由统计规律表示出来的。几乎用不着强调，我们在这儿所涉及的，并不是统计学的习惯应用的一种类似事例；在习惯应用中，是用统计学来描述一些物理体系，它们的结构过于复杂，以致实际上无法将它们的状态定义得像决定论的说明所要求的那样完备。在量子现象的情况，决定论的说明所蕴涵的各事件的无限可分性，在原理上是被指定实验条件的要求所排除了的。事实上，真正量子现象所特有的整体性特点，是在下述情况中得到逻辑表示的：任何明确规定的再分划的尝试，都会要求对实验装置进行一种和所研究现象的定义不相容的改变。

在经典物理学的范围内，某一给定客体的一切特征属性，在原理上可以用单独一个实验装置来确定，尽管在实际上用不同的装置来研究现象的不同方面往往是方便的。事实上，用这种方法得到的数据仅仅互相补充，并且可能结合成关于所研究客体之性能的首尾一致的图景。然而，在量子物理学中，用不同实验装置得到的关于原子客体的资料，却显示着一种很新颖的互补关系。事实上，必须认

识到，这样的资料就详尽无遗地概括了关于客体的一切可设想的知识，尽管当企图把它们结合成单独一种图景时这些资料显得是相互矛盾的。互补性这一思想绝不会限制我们以实验的形式向大自然提出问题的那些努力，它仅仅在测量仪器和客体之间的相互作用形成现象的一个不可分割的部分时，表征着我们通过这种询问所能接收到的答案而已。

当然，实验装置的经典描述以及关于原子客体的纪录的不可逆性，保证着和因果性的基本要求相容的一种因果顺序，但是，决定论理想的无可挽回的放弃，却在支配着一些基本概念之无歧义应用的互补关系中得到了突出的表示，而经典的物理描述却以这些基本概念的无限制结合为基础。事实上，要确定一个原子级粒子在一个有限时空域中的出现，就要用到这样一种实验装置：它涉及对固定标尺及校准时钟之类物体的动量传递和能量传递，而这种传递是不能包括在各该物体之功能的描述中的，如果这些物体应该起到定义参照系的作用的话。反之，动量守恒定律和能量守恒定律对原子过程的任何严格应用，在原理上就暗示着放弃粒子的详细时空标示（coordination ）

这些情况，在海森伯（Werner Heisenberg）的测不准关系式中得到了定量的表示；这种关系式指示着在量子力学中确定一些运动学变量和动力学变量时的反比式的活动范围，而这些变量则是在经典力学中定义体系状态所必须用到的。事实上，在量子力学表述形式中表示着这些变量的那些符号的有限对易性，就对应于无歧义地定义各该变量时所要求的那些实验装置的互斥性。在这方面，我们所涉及的当然不是精确测量方面的限制，而是时空概念和动力学守恒定律的明确应用方面的限制；后一种限制是由测量仪器和原子客体之间的必要区分所带来的。

当处理原子问题时，借助于薛丁愕（Erwin Schrodinger）的态函数来进行具体的计算是最为方便的；由这种态函数，可以通过确定的数学运算推演出支配着在特定条件下所能得到的观测结果的那些统计规律。然而，必须认识到，我们在这里所处理的是一种纯符号性的手续，它的无歧义的物理诠释归根结底要涉及完备的实验装置。忽视这一点有时引起过混乱；特别说来，诸如“观察对现象的扰乱”或“测量对客体物理属性的创造”这一类语句的应用，就几乎是和日常语言及实际定义不相容的。

与此有关，甚至提出了这样的问题：为了更恰当地表示有关的形势，是否必须采用多值逻辑学呢？然而，由以上的论证就可看出，对于日常语言和普通逻辑学的一切违背都可以得到避免，只要将“现象”一词仅仅用来指示可以无歧义地传达的知识就行了，在这种知识的说明中，“测量”一词是在标准化的比较这一简单意义下被应用的。术语选择方面的这种慎重性，在探索新的经验领域时是特别重要的；在那种领域中，知识不能被概括于那种在经典物理学中得到如此不受局限的应用的习见构架之中。

正是在这一背景上，可以看到量子力学在一致性和完备性方面是满足有关合理解释的一切条件的。例如，强调在明确规定的实验条件下得到的永久性纪录乃是量子力学表述形式之合理诠释的基础，这种强调就对应于经典的物理解释中所蕴涵的一个前提：事件之因果顺序的每一步，在原理上都是可以得到验证的。而且，可以将每一种可没想的实验装置全都考虑到，这种可能性就提供着描述上的完备性，和经典物理学中所追求的完备性相仿佛。

这样的论证当然并不意味着，在原子物理学中，我们在实验资料以及便于概括该种资料的数学工具方面就没有更多的东西好学习了。事实上，事情似乎是这样：为了说明在探索很高能量的原子过程时揭露出来的那些新颖特点，人们必须在表述形式中引入更进一步的抽象。然而，决定性的问题在于，在这方面也根本不存在回到那种描述方式的问题，该种描述方式在较高的程度上满足关于因果关系之形象化表示的习见要求。

我们已经看到，量子规律性不能按经典路线来加以分析，这一事实本身就要求，在经验的说明中，在测量仪器和原子客体之间要有一种逻辑的区分，这种区分在原理上就阻碍着概括性的决定论描述。总之，可以强调指出，互补性这一较宽广的构架，绝不会导致任何对于因果性这一理想的随意放弃，它直接表示着我们在说明物质基本属性方面所处的地位，这些属性是经典物理描述的前题，而它们又超出经典物理描述范围之外。

不管适用相对性思想和互补性思想的典型形势是何等地不相同，这两种形势在认识论方面却表现着深远的相似之点。事实上，在两种情况下我们都涉及对于谐调性的寻求，这种谐调性不能概括在说明范围更窄的物理经验领域时所采用的那种形象化概念之中。但是，有决定意义的一点是：不论在哪一种情况下，我们

的观念构架的适当扩展，都并不蕴涵对于观察主体的任何引用，这种引用是会阻止经验的无歧义传达的。在相对论性的论证中，这种客观性是通过适当照顾现象对观察者参照系的依赖性来加以保证的；而在互补描述中，则通过适当注意基本物理概念之明确应用所要求的条件来避免全部的主观性。

从一般性的哲学观点来看，重要的是：在其他知识领域中的分析和综合方面，我们都面临着一些形势，它们是会使我们想起量子物理学中的形势的。例如，生命机体的不可分割性和有意识的个人以及人类文化的特征，都显示出一些整体性特色，这些特色的说明，蕴涵着一种典型的互补描述方式。由于在这些较宽广领域中传达经验时可供应用的丰富辞汇有着很不相同的用法，最重要的是由于在哲学文献中对于因果性概念有着各色各样的诠释，所以上述比较的目的有时是被误解了的。然而，用于描述物理科学中较简单形势的适当术语的逐渐发展却表明，我们所处理的并不是一些或多或少模糊的类比，而是在较宽广领域中的不同方面之间遇到的一些逻辑关系的清楚的实例。