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爱因斯坦和波尔对量子理论解释的分歧

2008-10-01 00:15:34来自: 穆封真

爱因斯坦和波尔对量子理论的解释存在着很大分歧，双方的争论持续了几十年。总的来看，争论的焦点集中在问题 的哲学方面。这种性质的争论，虽然不能改变由精确实验所确定的量子力学的基本定律，却在观念领域给物理学家和哲学家出了个难题：现代理论物理学的基本概念 几乎与经典物理学的概念彻底决裂了，而西方传统哲学的自然科学基础依然是牛顿物理学和欧几里德几何学；面对相对论的时空观和宇宙观、量子力学的波粒二象性 和测不准原理，传统哲学已经失去了对自然科学研究所具有的方法论的意义：黑格尔辩证法（正、反、合）能够比较好地解释许多社会现象，但对自然科学问题的判 断几乎全都是错的。西方传统哲学在20世纪，所面临的来自自然科学的挑战主要在以下三个方面：

一、非欧几何的发现。19世纪末叶，德国数学家高斯在深入研究微分几何学时发现：欧几里德几何的第五公设（平行线公理）如果在曲面上是不能成立的，对广义 的“面”来说，第五公设仅仅是微分几何的一个极限情况，即空间曲率趋近于零的情况下才是正确的，也就是说欧几里德几何学是射影为平面的“小尺度”几何学。 当空间曲率不为零的时候，两条平行线的射影形式就是“双曲线”，因此第五公设可以用同样无矛盾的假设取代，即：三角形的三内角之和可以大于180度或者小 于180度，只有在空间曲率为零的情况下才等于180。高斯的发现，对康德哲学可以说是一个毁灭性的打击，因为康德哲学的“先经形式”就是建立在欧几里德 几何空间的“绝对不变”的基础上的。

二、量子理论和量子力学的创立。1900年，德国理论物理学家普朗克对“黑体辐射”问题提出了与经典物理学理论完全不同的新的解释，他依据精确实验提出： 黑体辐射的能量只与光的频率v有关，与振幅f无关系，振荡的能量与频率之间存在一个常数h，因此可以断定：光的本性并不是惠更斯所认定的仅仅以波的形式进 行传导，而是带有能量的“量子”所构成的波。通过精确的实验，普朗克常数得到了确定，经典物理学中光的“波动说”被“波-粒”二象性的新假设所取代；在此 基础上，爱因斯坦提出了“光电效应”定律。从1913年到1915年，波尔发表了三篇论述新的原子结构的论文，在普朗克量子论和爱因斯坦光量子假设的基础 上提出了角动量量子化和频率条件假设，简要说明了原子的光谱特征，并从理论上初步阐明了门捷列夫的周期律；波尔的理论不仅在当时有重大的意义，也为后来创 立量子力学铺平了道路。

三、相对论的创立。经典物理学中所遗留下的一个始终未能解决的问题是：牛顿力学的第一定律（惯性定律）始终无法得到严格的实验证明，只能通过日常经验被默 认和接受。从理论上看，牛顿第一定律和欧几里德第五公设是一致的，因此就会产生一个问题：牛顿力学的第一定律到底是物理学实验所确定的经验科学定律，还是 非经验科学的形而上学假设？牛顿第一定律的存在形式就是“绝对空间和绝对时间”的假设，在绝对空间的形式下，场的存在和光的传播所借助的就是弥漫宇宙的 “以太”。为了验证“以太”的存在，麦克尔逊-莫雷设计了十分精密的光学实验，但最终的结果却失败了。依据实验结果，爱因斯坦对洛仑茨变换提出了新的解 释：所谓的“绝对空间”是一个形而上学的假设，在物理学中并不存在；并依此提出了相对性原理和光速不变原理，创立了狭义相对论，使现代理论物理学建立在了 非欧几何的黎曼几何的基础上。

自然科学上述三个方面的革命性变化，几乎完全改变了19世纪的自然科学面貌，从根本上动摇了西方传统的理性哲学基础。因此，科学家似乎早于职业哲学家，不 能不在自己的研究过程中探索新的研究纲领和方法论。这也是爱因斯坦与波尔围绕着量子力学的哲学问题，进行长达几十年争论的原因。

在这里，我们只能十分简要地说明一些问题，并且尽量不使用过分专业的术语和复杂的数学公式，以便更多的人能多少了解些有关的问题。

1949年，为纪念爱因斯坦70岁的生日，波尔在《爱因斯坦：哲学家-科学家》论文集中发表了一篇文章，题为《就原子物理学中的认识论问题和爱因斯坦进行 的商榷》。波尔在该文中详细地叙述了他和爱因斯坦争论的全过程。作为回应，爱因斯坦发表了《对批评的回答》。最终的结果中，两人依然各执己见，只是把分歧 暴露的更彻底而已。
要了解波尔的观点（也就是量子力学的哥本哈根学派的解释），首先需要了解波尔互补原理。1927年9月，波尔在科摩召开的国际物理学会议上提出了著名的互 补原理，用来解释量子现象的主要特征——波粒二象性。所谓互补原理是指，量子现象的空间时间坐标和动量守恒定律，既然不能同时在一个实验中表现出来，而只 能在互相排斥的实验条件下表现出来，那么它们也就不可能同时直接地同时的并存，不可能统一在一个图景中，而只能用互相排斥的概念来反映（这就是量子力学中 著名的“测不准原理”）。因此，波和粒子这两个古典概念在描述量子现象时是互相排斥的；但是，这两个概念在描述量子现象时又是不可缺一的，而且它们的总体 已经穷尽了有关微观客体的一切可能的知识，或者说已经提供了量子现象的详尽无遗的描述。就是在这个意义上，波尔认为波和粒子是互补的。

波尔在论述互补原理时，十分强调微观客体和测量仪器之间的“原则上不可控制的相互作用”。他认为，这种“原则上的不可控制作用”是“量子现象的一个不可分 割的部分”，它“在量子现象的描述中所占有的地位特别重要”。正是由于这种“原则上不可控制的相互作用”，使得在不同实验条件下得到的证据，不可能用一个 图景来概括，而必须认为是互补的。波尔认为，在量子力学中，我们必须抛弃因果性和决定论（也就是19世纪所确立起来的自然科学中的“拉普拉斯决定论”）， 而代之以互补性，互补性原理应该被认为是因果性观念或决定论力学的一种合理推广。波尔反复强调，由于这种“原则上不可控制的相互作用”，使我们在分析量子 效应时，不可能明确地区分原子客体的独立行动及其与测量仪器间的相互作用，这些测量仪器是用来确定现象发生的条件的。波尔还认为，客体和测量仪器间的不可 避免的相互作用，为谈论不依赖于观察工具的原子客体的行动的可能性，加上了一种绝对限制。

爱因斯坦对波尔的不满和持续的批评，主要针对的就是波尔对量子理论解释的“互补原理”。争论的焦点在于：物理学所遵循的发展规律究竟是传统的因果律和决定 论还是波尔所说的互补性。爱因斯坦依据广义相对论的引力场方程，认为方程的边界条件和各种极限条件，能够合理、完满的解释包括牛顿万有引力定律在内的“光 时间”所确定的宇宙半径内的物理现象，证明因果律和决定论所确立的场微分方程是符合科学发展规律的。但是，量子力学的“测不准原理”无法用因果律和决定论 来解释，也是不争的事实，对此，爱因斯坦在《对批评的回答》中说：“从原则的观点上看，这种理论不能使我满意的东西，便是它对于那在我看来是全部物理学纲 领性目的的态度，这个态度就是：对于任何（单个的）实在状况（它是不依赖于任何观察或证明行动而存在着的）的完备的描述。”爱因斯坦还说：“在这种论证 中，我所不喜欢的东西，是那基本的实证主义态度，这种态度，从我的观点来看，是不能赞同的。我以为，它会变成贝克莱的原则‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一样的东西。‘存在’常常被当作某种由我们在精神上构成的东西，也就是说，某种我们自由假设的东西（在逻辑的意义上）。”爱因斯坦认为： “在宏观领域中，人们必须坚持空间和时间中实在的描述这个纲领。”

不难看出，爱因斯坦对波尔的批评，并没有建立在对“测不准原理”进行合理的解释的基础上，而是建立在他所谓的“在宏观领域中，人们必须坚持空间和时间中实 在的描述这个纲领”的基础上。客观地说，波尔的互补原理如果限制在量子理论的范围内，并没有背弃爱因斯坦所说的“纲领”，因为互补原理所强调的是：波和粒 子不可能同时在一个实验中存在，因此不可能由一个单一的图景来反映，只有通过两个实验的互补才能反映量子现象的完整实在。应该说，波尔对量子理论的这个解 释，所依据的是经过实验证明的“测不准原理”；爱因斯坦在没有对“测不准原理”进行任何理论解释的情况下，就批评波尔，显然是不够公正的。

其次，波尔所强调的微观客体和测量仪器之间的“原则上不可控制的相互作用”，真象爱因斯坦认为的那样“变成贝克莱的原则‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一样的东西”吗？量子的存在，如果按照爱因斯坦所坚持的因果论和决定论那样，是无法在一个图景中加以描述的，那么量子的存在，到底是空间 时间坐标的形式还是动量守恒定律的形式呢？到底什么形式符合爱因斯坦所执意认定的“纲领”？

测量仪器所反映的微观客体状态，就是微观客体的真实存状态吗？测量仪器的精密程度对测量者的判断难道真的没有任何影响吗？如果真是这样，爱因斯坦该怎么解 释普通天文望远镜和射电天文望远镜所观测的宇宙为什么会存在差异？到底哪种形式的观测符合他的十分主观的“纲领”呢？如果爱因斯坦的主观意志就是物理学应 该遵循的纲领的话，那他才真正属于自己所说的“变成贝克莱的原则‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一样的东西”。爱因斯坦不会不知道，微观客体和测量仪器之间的关系，比射电天文望远镜与天体之间的关系更加复杂，在某种程度上讲确实是 “原则上不可控制的相互作用”；当今所能做的也只能是：尽可能地提高观测仪器的精密程度，使观测和仪器之间的“不可控制作用”尽可能减小，但只要人对客体 的观测是间接的而不是直接的，那么“不可控制作用”就会存在，不可能百分之百地消除。

爱因斯坦所坚持的其实是科学上的“拉普拉斯决定论”，这和他的广义相对论的理论有着一致性。但在进入到“统一场论”时，他也终于发现：不可能有一种能够包 容一切物理现象的“大一统”的物理理论，他在完成广义相对论后，在理论上就没有什么建树了。而他所否定的概率论，在科学的诸多部门却越来越重要，1948 年控制论（完全以概率统计为基础）的诞生，可以说从根本上改变了科学研究的纲领。爱因斯坦的“纲领”在20世纪的科学发展中，被证明是错的。