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物理学和哲学-第11部分
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现在回到对量子论的哥本哈根解释的反建议。我们必须讨论第二派的建议了，这一派的建议试图改变量子论，以便作出不同的哲学解释。在这个方向上，雅诺西（Janossy）作出了最谨慎的尝试，他认识到了量子力学的严格有效性迫使我们背离经典物理学的实在概念。他因此企图把量子力学作这样的改变，使得许多结果仍然保持正确，但它的结构却接近经典物理学。他的着手点是所谓“波包的收缩”，即当观察者去认识测量结果时，波函数，或者更一般地讲，几率函数发生不连续的变化。雅诺西注意到这种收缩不能从数学形式系统的微分方程推导出来，他相信他能从这里作出结论说，在通常的解释中有自相矛盾的地方。如所周知，当从可能到现实的转变完成时，“波包的收缩”总是在哥本哈根解释中出现。由于实验得出一个确定的结果，由于实际上发生了一个确定的事件，其可能性的范围扩展得很广的几率函数就立即收缩到很窄的范围。在数学形式系统中，这种收缩要求所谓几率的干涉（这是量子论的最有特征性的现象）会被系统同测量仪器以及世界其余部分之间的部分不确定的和不可逆的相互作用所破坏。雅诺西现在试图在方程中引入所谓阻尼项以改变量子力学，这样，在有限时间以后，干涉项自行消失了。即令这符合于实在——从已完成的实验没有理由可设想这一点——这样一种解释，正如雅诺西本人所指出的，仍然有若干惊人的后果（例如，会有比光速传播得更快的波，原因和结果的时间次序颠倒过来，等等〕。因此，我们很难为了这种观点而甘愿牺牲量子论的简明性，除非实验迫使我们不得不这样做。
在有时被称为量子论的“正统”解释的其余反对者中，薛定谔采取了一种特殊立场，他把“客观实在性”归属于波而不归属于粒子，并且不准备把波仅仅解释为“几率波”。在他的题为《有量子跳变吗？》一文中，他还试图完全否定量子跳变的存在（人们可能会怀疑“量子跳变”一词在这儿是否适用，并且或许能用比较不刺激人的“不连续性”一词来代替它）。现在，薛定谔的工作首先包含了对通常解释的某种误解。他忽略了这样一个事实，就是只有位形空间中的波（或者说“变换矩阵”）是通常解释中的几率波，而三维物质波或辐射波却不是几率波。后者具有和粒子一模一样、不多不少的“实在性”；它们与几率波没有直接的联系，但却有连续的能量和动量密度，就象麦克斯韦理论中的电磁场一样。薛定谔因此正确地强调指出，在这一点上，可以设想这些过程是比它们通常的情况更为连续。但这种解释不能消除原子物理学中到处可以发现的不连续因素；任何闪烁屏或盖革计数器都会立刻显示出这种因素。在通常的量子论解释中，它包含在从可能到现实的转变中。薛定谔本人对于他究竟打算怎样以不同于通常解释的方式引入这种到处可以观察到的不连续因素，没有作出任何反建议。
最后，发表于几篇论文中的爱因斯坦、劳埃和其他人的批评，集中于哥本哈根解释是否允许对物理事实作出唯一的、客观的描述的问题。他们的主要论据可以叙述如下：量子论的数学方案好象是对原子现象的统计法的一种完全适当的描述。但即使这种解释关于原子事件的几率的陈述是完全正确的，它也没有描述那些独立于观测之外的、或者在两次观测之间实际发生的事情。但必定发生了某种事情，对此我们不能有所怀疑；这种事情不一定需要用电子或波或光量子等术语来描述，但必须以某种方式描述它，否则物理学的任务就没有完成。不能承认物理学只和观测的动作有关。物理学家在他的科学中必须假设，他正在研究的是一个不是由他自己创造的世界，要是他不在，这个世界还是存在着，本质上也没有改变。因此，哥本哈根解释对原子现象没有提供出真实的理解。
很易看出，这种批评所要求的还是老的唯物主义本体论。但是，从哥本哈根解释的观点看来，能够作出什么样的答复呢？
我们可以说，物理学是科学的一部分，并且以描述和理解自然为目的。无论哪一种理解，无论是科学的还是非科学的理解，都依赖于我们的语言，依赖于思想的交流。对于现象、实验及其结果的任何描述，都靠语言作为唯一的传达信息的工具。这种语言的词代表了日常生活的概念，在物理学的科学语言中，可把它们提炼为经典物理学的概念。这些概念是无歧义地报道事件、实验部署及其结果的唯一工具。因此，如果要求原子物理学家对他的实验中真实地发生的事情作出描述，那么，“描述”、“真实地”和“发生”等词只能和日常生活或经典物理学的概念有关。一旦物理学家放弃了这个基地，他就会丧失无歧义的传达信息的方法，并且不能继续他的科学工作。因此，关于“实际发生”的事情的任何陈述都是使用经典概念来表达的陈述，并且，由于热力学和测不准关系，在涉及原子事件的细节方面，这样的陈述在本质上是不完备的。要求对两次相继观测之间的量子论过程中“所发生的事情”进行“描述”，那是自相矛盾的，因为“描述一词涉及经典概念的使用，而这些概念不能应用在两次观测之间的间隙，而只能应用于观测的那个时刻。
应当注意，在这一点上，量子论的哥本哈根解释决不是实证论的。因为实证论所根据的是观察者的感官知觉，以此作为实在的要素，而哥本哈根解释却把可以用经典概念描述的（即实际的）事物和过程看作是任何物理解释的基础。
同时，我们看到，微观物理学定律的统计本质是不能避免的，因为关于“实际事物”的任何知识——根据量子论的定律——在其真正的本质上都是不完备的知识。
唯物主义的本体论所根据的是这样一种幻想，即以为我们周围世界的直接的“现实”这种存在，也能够外推到原子领域中去。然而，这种外推是不可能的。
关于上述反对量子论的哥本哈根解释的所有反建议的形式结构，还可以再评论几句。所有这些建议都已发现它们自己不得不牺牲量子论的必不可少的对称性（例如，波和粒子之间的对称性，位置和速度之间的对称性）。因此，如果这些对称性——就象相对论中的洛伦兹不变性一样——仍要被认为是自然的真正特征，那么，我们完全可以设想，哥本哈根解释是无法回避的。每一个已作出的实验都支持这种观点。
第九章 量子论和物质结构
物质这个概念在人类思想史上已经经历了许多变化。在不同的哲学体系中曾给予不同的解释。“物质”这个词的所有不同意义，至今仍然或多或少地存在于我们对这个词的理解中。
从泰勒斯到原子论者的早期希腊哲学，在对宇宙万物变化的统一本原的寻求中，已经形成了宇宙物质的概念，这是一种世界实体，它经历着所有这些变化，万物都由它形成，而万物又转变成它。这种物质部分地和某种具体物质，如水或空气或火相等同；说只是部分地相等同，因为它除了是构成万物的质料之外，再没有别的属性了。
后来，在亚里士多德的哲学中，物质被设想为处在形式与物质的关系之中。我们在我们周围的现象的世界中所知觉到的一切是成形的物质。物质本身并不是实在，而只是一种可能性，一种“潜能”；它只是靠形式而存在。在自然过程中，亚里士多德所谓的“本质”，从仅仅是可能性开始，通过形式，而转化为现实。亚里士多德的物质当然不是象水和空气一样的具体物质，也不仅仅是空虚的空间；它是体现通过形式转变为现实的可能性的一种不确定的、有形体的基质。亚里士多德哲学中物质与形式的这种关系的典型例子，是物质形成为生命机体的生物学过程和人类的建筑和造型活动。雕像在被雕刻家刻出以前，是潜在干大理石之中的。
然后，在很久以后，从笛卡儿的哲学开始，第一次把物质看作是精神的对立面。世界有两个互补的方面，“物质”和“精神”，或者如笛卡儿所说的，“广延实体”和“思维实体”。因为自然科学的新的方法论原理，特别是力学的方法论原理，排斥了将有形体的现象追踪到精神力的一切企图，物质只能看作是与精神和任何超自然力无关的实在本身。这个时期的“物质”是“成形的物质”，成形的过程被解释成为力学相互作用的因果链条；这就丧失了它和亚里士多德哲学中有生长力的灵魂之间的联系，从而，物质与形式之间的二重性不再是适合的了。正是这种物质概念，在我们现今使用“物质”一词时，构成了最最牢固的成分。
最后，在十九世纪的自然科学中，另一个二重性起了某种作用，这就是物质和力之间的二重性。物质是能够承受力的东西；或者说，物质能够产生力。譬如，物质产生引力，而这种力又作用在物质上。物质和力是有形体世界两个显然不同的方面。就力可能是造形力来说，这个区别更接近于亚里士多德的物质与形式的区别。另一方面，在现代物理学的最近发展中，物质与力之间的这种区别完全丧失了，因为每个力场包含了能量，因而也就构成了物质。对于每一种力场，都有一种特殊的基本粒子隶属于它，这种基本粒子在本质上和物质的一切其他原子单位具有相同的性质。
当自然科学研究物质伪问题时，它只有通过对物质的形式的研究才能进行。物质形式的无穷多样性和易变性必定是研究的直接对象，而努力必定是朝向寻求若干自然律、某些能作为通过这个广大领域的向导的统一原理。因此，长时期以来，自然科学——特别是物理学——的兴趣就集中在关于物质结构的分析和关于促使形成这些结构的力的分析。
自从伽利略的时代以来，自然科学的基本方法就一直是实验。这种方法使它能从一般经验推移到特殊的经验，从自然中挑选出有特征性的事件，从这些事件中能够比从一般经验中更直接地研究自然“定律”。如果人们要研究物质结构，人们必须拿物质做实验。人们必须让物质处于极端条件下，以便研究它在那种条件下的嬗变，期望发现在一切明显的变化中都保持着的物质的基本特征。
在现代自然科学的早期，这是化学的对象，而这方面的努力颇早就导致化学元素的概念。一种物后，不能由化学家处置的任何方法——沸腾、燃烧、溶解、和其他物质混合等等——进一步离解或分化的，称为一种元素。引入这个概念是走向了解物质结构的第一步，也是最重要的一步。至少，物质的巨大多样性归结为比较少量的更基本的物质——“元素”了，从而在化学的各种现象中能够建立某种秩序了。“原子”一词用来表示属于一个化学元素的物质的最小单位，而化合物的最小颗粒能用一小团不同的原子来描绘。例如，铁元素的最小颗粒是铁原子，而水的最小颗粒是水分子，由一个氧原子和两个氢原子组成。
第二步并且是同样重要的步骤是化学过程中质量守恒的发现。例如，当碳元素烧成二氧化碳时，二氧化碳的质量等于化合过程发生前碳和氧的质量之和。正是这个发现给予物质概念以定量的意义；物质能用它的质量来度量，而与它的化学性质无关。
在后一个时期，主要是十九世纪，发现了许多新的化学元素；在今天，这个数量已到达一百个。这种发展十分清楚地表明，化学元素的概念尚未到达人们能够理解物质统一性的地步。要人相信世界上有许多种类的物质，它们在性质上互不相同，并且相互之间没有任何联系，这是不能令人满意的。
在十九世纪的开始，从不同元素的原子量常常似乎是一个最小单位（接近氢的原子量）的整数倍这样一个事实中，发现了不同元素间的联系的某种迹象。某些元素的化学行为的类似性是引向同一个目标的另一个暗示。但只有通过比化学过程中的作用力强得多的力的发现，才能真正建立起不同元素间的联系，从而引导到物质的更严密的统一。
这些力在1896年贝克勒耳发现的放射性过程中确实发现了。由居里、卢瑟福和其他人继续进行的研究，揭示了放射过程中元素的婚变。在这些过程中发射出α粒子，它们是原子的碎片，带有差不多比化学过程中单个原子粒子的能量大一百万倍以上的能量。因此，这些粒子可以用作研究原子内部结构的新工具。卢瑟福从α射线散射实验的结果得出了1911年有核的原子模型。这个著名的模型的最重要特征是原子分成两个截然不同的部分：原子核和周围的电子居。在原子中心的原子核只占有原子所占空间的非常小的一部分（它的半径小于原子半径的十万分之一），但却几乎包含了原子的全部质量。它的正电荷是所谓基元电荷的整数倍，它决定了周围电子的数目——整个原子在电的性质上是中性的——和它们的轨道形状。
原子核和电子展之间的这种区分，立即给下面的事实作出了适当的解释，这事实就是：对于化学来说，化学元素是物质的最终单位，要使化学元素相互转化，就需要强得多的力。相邻原子间的化学键是由于电子壳层的相互作用，而这种相互作用的能量是比较小的。在一个放电管中，用只有几伏特的电势加速了的一个电子，就有足够的能量将电子壳层激发到发射辐射，或破坏分子中的化学键。但是，原子的化学行为虽然是由原子的电子壳层的行为所构成的，但却取决于原子核的电荷。如果人们要改变原子的化学性质，就必须改变原子核，而这需要差不多一百万倍以上的能量。
然而，如果把有核的原子模型设想为一种服从牛顿力学的系统，那就不能解释原子的稳定性。如前一章所指出，只有通过玻尔的工作，将量子论应用到这个模型上，才能解释如下的事实：例如，一个碳原子在与其他原子作用以后，或者在发出辐射以后，最后总仍然保持为一个带有以前一样的电子壳层的碳原子。这种稳定性只能由量子论的这样一些特征来解释，这些特征不容许以空间和时间对原子结构进行简单的客观描述。
这样，人们终于有了理解物质的第一个基础。原子的化学性质和其他性质，可以通过把量子论的数学方案应用到电子壳层上而加以说明。从这个基础出发，人们可以尝试从两个相反方向扩展物质结构的分析。人们或者可以研究原子间的相互作用、它们与分子或晶体或生物学对象等更大单位的关系；或者可以尝试通过原子核与其组成部分的研究，深入到物质的最终单位中去。过去十年中，研究工作在这两条路线上都有了进展，下面我们将讨论量子论在这两个领域中的作�
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