量子力學(xué)對經(jīng)典科學(xué)世界圖景的變革
科學(xué)理論的神圣使命是揭示客觀(guān)世界的規律性,描繪科學(xué)的世界圖景。每一種新的科學(xué)理論對此都有所貢獻,重大理論的進(jìn)展將從某些根本點(diǎn)上改變原有圖景。下面小編為大家整理了關(guān)于量子力學(xué)對經(jīng)典科學(xué)世界圖景的變革的論文!
摘 要：20世紀三次物理學(xué)革命之一的量子力學(xué)在諸多方面對經(jīng)典科學(xué)世界圖景進(jìn)行了變革。量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機械決定論，使之轉化為非機械決定論;使得科學(xué)認識方法由還原論轉化為整體論;使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性到探索復雜性;確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。?
關(guān)鍵詞：量子力學(xué);經(jīng)典科學(xué)世界圖景;非機械決定論;整體論;復雜性;主客體互動(dòng)?
經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開(kāi)創(chuàng )的，近三百年內發(fā)展起來(lái)的一整套觀(guān)點(diǎn)、方法、學(xué)說(shuō)。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀(guān)點(diǎn)是：微觀(guān)粒子的各種力學(xué)量(位置、動(dòng)量、能量等)的出現都是幾率性的;量子力學(xué)對微觀(guān)粒子運動(dòng)的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋;決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域;儀器的作用同觀(guān)察對象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界圖景。
一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論
經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機械運動(dòng)的科學(xué)，機械運動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運動(dòng)。說(shuō)它最簡(jiǎn)單，因為機械運動(dòng)比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功;說(shuō)它最普遍，因為機械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀(guān)之上，解釋原因和結果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無(wú)論從因到果的軌跡多么復雜，沿著(zhù)軌跡尋找總能確定出原因或結果;機械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來(lái)狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準確預測。[3]其實(shí)，機械決定論僅僅適用于宏觀(guān)物體，而對于微觀(guān)領(lǐng)域以及客觀(guān)世界中大量存在的偶然現象的研究就產(chǎn)生了統計決定論。[4]?
量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀(guān)領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀(guān)世界的運動(dòng)規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀(guān)粒子運動(dòng)遵守統計規律，我們不能說(shuō)某個(gè)電子一定在什么地方出現，而只能說(shuō)它在某處出現的幾率有多大。?
玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀(guān)念，而機遇則恰恰相反地意味著(zhù)完全不確定性，自然界同時(shí)受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。?
經(jīng)典統計力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動(dòng)搖嚴格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對微觀(guān)世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀(guān)事件的測定都要受到測不準關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，只能描述和預言微觀(guān)對象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統計的。而且，隨著(zhù)認識的發(fā)展，人們發(fā)現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀(guān)世界本身的必然性(主客體相互作用)所注定。
二、量子力學(xué)使得科學(xué)認識方法由還原論轉化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動(dòng)形式歸結為低級運動(dòng)形式，用研究低級運動(dòng)形式所得出的結論代替對高級運動(dòng)形式的本質(zhì)認識的觀(guān)點(diǎn)。它用已分析得出的客觀(guān)世界中的主要的、穩定的觀(guān)點(diǎn)和規律去解釋、說(shuō)明要研究的對象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類(lèi)認識處于初級水平上無(wú)疑是有效的。如牛頓將開(kāi)普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。?
量子力學(xué)認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著(zhù)整體。部分作為一個(gè)單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周?chē)h(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時(shí)還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺(jué)因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]?
波粒二象性是微觀(guān)世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無(wú)共同之處，二者難以形成直觀(guān)的統一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過(guò)部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”�？墒俏⒂^(guān)粒子在某些實(shí)驗條件下，只表現波動(dòng)性;而在另一些實(shí)驗條件下，只表現粒子性。這兩種實(shí)驗結果不能同時(shí)在一次實(shí)驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀(guān)上揭示了微觀(guān)世界的矛盾和我們關(guān)于微觀(guān)世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀(guān)粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即波粒二象性。這就是整體論觀(guān)點(diǎn)強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說(shuō)明不能同時(shí)測量微觀(guān)粒子的動(dòng)量和位置，這也說(shuō)明絕不能把宏觀(guān)物體的可觀(guān)測量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀(guān)。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀(guān)與現代科學(xué)觀(guān)認識論和方法論不同的根本在于思考和觀(guān)察問(wèn)題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強調外在聯(lián)系觀(guān)，而量子力學(xué)則更強調關(guān)注事物內部的有機聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀(guān)點(diǎn)。
三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復雜性
從經(jīng)典科學(xué)思維方式來(lái)看，世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說(shuō)過(guò)，自然界喜歡簡(jiǎn)單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標，也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開(kāi)普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復雜的太陽(yáng)系行星運動(dòng)，牛頓更是用單一的萬(wàn)有引力說(shuō)明了千變萬(wàn)化的天體行為。因而現代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。?
量子力學(xué)初步揭示了客觀(guān)世界的復雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來(lái)描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀(guān)世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀(guān)領(lǐng)域，微觀(guān)粒子運動(dòng)的幾率性、隨機性;觀(guān)測對象和觀(guān)測主體不可分割性等都足以說(shuō)明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。?
在現代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對論的低速現象的特例，成為非線(xiàn)性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測不準關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性，而是為了打破簡(jiǎn)單性獨占的一統地位。復雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中，正如莫蘭所說(shuō)的，復雜性是簡(jiǎn)單性和復雜性的統一。復雜性比簡(jiǎn)單性更基本，可能性比現實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現實(shí)來(lái)限制可能，而是從可能中選擇現實(shí);不是以既存的實(shí)體來(lái)確定演化，而是在演化中認識和把握實(shí)體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類(lèi)別上的區分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協(xié)同。
四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)
經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導觀(guān)念就是，認為科學(xué)應該客觀(guān)地、不附加任何主觀(guān)成分地獲取“照本來(lái)樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦](méi)有意義的!測量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問(wèn)題，在面對量子世界如此微小的測量對象時(shí)，成為一個(gè)難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿(mǎn)了不確定性。在海森伯看來(lái)，在我們的研究工作由宏觀(guān)領(lǐng)域進(jìn)入微觀(guān)領(lǐng)域時(shí)，我們就會(huì )遇到一個(gè)矛盾：我們的觀(guān)測儀器是宏觀(guān)的，可是研究對象卻是微觀(guān)的;宏觀(guān)儀器必然要對微觀(guān)粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產(chǎn)生了干擾;人只能用反映宏觀(guān)世界的經(jīng)典概念來(lái)描述宏觀(guān)儀器所觀(guān)測到的結果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀(guān)客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀(guān)測的假定，從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。?
例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀(guān)察它。一種實(shí)驗安排，人們可以看到光的波現象;另一種實(shí)驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個(gè)整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說(shuō)，我們觀(guān)測的不是自然本身，而是由我們用來(lái)探索問(wèn)題的方法所揭示的自然。[8]?
量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個(gè)客觀(guān)的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀(guān)測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說(shuō)什么”。?
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