爱氏的因果论与玻尔的互补论

1爱氏的因果论与玻尔的互补论高越专业：信息管理与信息系统年级：2008级班级：信管一班学号：2220081505摘要：量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。以波尔为首的哥本哈根学派认为：1.波函数精确地描述了单个体系的状态。2.波函数提供统计数据，测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制形。3.在空间，时间中发生的微观过程和经典因果律不相容。爱因斯坦对此并不认同，一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。他认为：量子力学可能出了问题。爱因斯坦对微观现象和宏观现象之间的本质区别注意不够，把经典理论中他认为是最基本的东西绝对化，而玻尔把量子力学的表述形式及其几率诠释看成最后的和不可改变的东西。两人都有偏颇之处。总的来说，玻尔的态度和作法似乎更有说服力些。关键词：爱因斯坦、波尔、因果论、互补论、量子力学论战引言：玻尔与爱因斯坦的争论，索尔维会议——量子力学论战。量子力学产生以来，正确性以被大量实验验证。然而，量子力学存在一个重大问题没有解决：量子力学是否是完备的，波函数是否精确描写了单个体系的状态。量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。（一）、量子力学的哥本哈根学派的诠释1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所)。并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的“正统”解释。1、波函数的几率诠释：在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，可以发生各种不可预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。2、测不准关系：1927年，海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中，提出了著名的“测不准原理”。为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用一个γ射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电2子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。反之亦然。海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形状和构造。通过仔细分析，海森堡得出电子坐标的不确定程度Δx和动量的不确定程度Δp遵从：Δx•Δp～h；同样，能量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系，海森堡认为“这种不确定性，正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。3、互补原理：海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；玻尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说，微观粒子具有波粒二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。哥本哈根学派的主要思想和观点大致可概括为四个方面：（1）可观察量是建立理论的基础和依据。（2）量子跃迁是量子力学的最基本概念。（3）描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率由波幅的平方所决定。（4）从实验中所观察到微观现象，满足测不准关系和互补原理。（二）、爱因斯坦的观点以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：1、因果性还是几率波？早在1920年1月27日，爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性”的信念。1924年4月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中，他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”2、量子力学仅可建立在可观察量的基础上？爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。一、波尔更具说服力爱因斯坦对微观现象和宏观现象之间的本质区别注意不够，把经典理论中他认为是最基本的东西绝对化，而玻尔把量子力学的表述形式及其几率诠释看成最后的和不可改变的东西。两人都有偏颇之处。总的来说，玻尔的态度和作法似乎更有说服力些。[5]（76）（一）、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3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’（esseetspercipi）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。”（二）、不难看出，爱因斯坦对波尔的批评，首先没有建立在对“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，显然是欠妥的。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’（esseetspercipi）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的状态吗？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’（esseetspercipi）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。[1](P79-85)[4](P99-121)二、互补性提出时的背景当量子力学的数学表达形式在1924一1926年间基本上确立以后,M.玻恩很快地提出了波函数的几率诠释(统计解释)，而W.K.海森伯也紧接着提出并按照自己的理解阐述了他的测不准原理（即不确定关系）。这两种相互关联的看法构成了哥本哈根学派的重要内容,而作为哥本哈根学派的精神领袖玻尔,也就立足于这一基础上提出了他的“互补性”观点(后来被称为“互补原理”),并逐步发展建立起他的“互补哲学”。4海森伯测不准原理的提出,引起了一系列的哲学诘疑和争议，人对事物的认识有没有最终的界限，物质微观运动的基本规律统计性是否是实质性的，是否必须放弃或推广决定论或因果原理，微观客体和测量仪器之间到底是什么样的关系，量子力学能否看成一种完备的理论的等等问题。玻尔在1927年首次提出的互补性观点就是企望回答这许多问题。按照玻尔的看法,追究既互斥又互补的两个方面中哪一个更根本，哪一个是中心是主要的方面是毫无意义的;人们当且仅当把所有的方面连同有关的条件咸皆搜索其内，方可得到事物的完备描述。三、玻尔的互补原理互补原理并无确定成文的表述，玻尔在不同的场合提出过不同的说法。按照他的讲述，物质世界中的客体，精神世界中的概念、语言文字中的单词都各自具有大相庭径的侧面，有如数学中同一个多值函数的众多不同的值。[2]（P4）我国科技史专家戈革先生作出一种概括性的叙述，我们引用如下：互补关系：设A、B代表两个概念、图象、现象、描述方式、单词的含意或两种不同的人类文化等等，如果说A、B是互补的，则蕴涵A和B满足下列条件：1）、A和B具有某些对立反对的性质或行为；2）、A和B不能按照人们以前所知的任何逻辑法则而被结合成一个唯一的统一的无矛盾的图象或体系；3）、为了得到所研究对象的完备描述，A和B都是同样不可缺少的。我们只能按照适当的条件（或自由选择条件）来分别应用A或者应用B，而不能一劳永逸地彻底抛掉A或B。我们看到，条件1）和2）表示了A、B之间的关系的互相排斥的一面，而条件3）则表示了A、B之间的关系的互相补充的一面。[2]（P7）对于同一个研究对象来说,人们一经承认了它的某些方面就必须放弃另外的一些方面,在这种意义上说二者是“互斥的”。然而,那些另外的方面却又不是可以彻底废除的,因为在另外的适当条件下人们还必须用到它们(这时就必须放弃在前面提到的条件下所应承认的那些方面)。在这种意义上二者又是“互补的”。[2]（P7）例如,玻尔认为,微观客体的“粒子性”和“波动性”,就是这样既互斥又互补的两个方面。这种想法就是所谓互补原理的基本内容。而资本家和工人虽然存在一定的利益冲突，但基本关系是互补合作关系，谁也离不开谁，可统一在一个企业中共同生存，由于条件2）不成立，因此不是互斥关系。玻尔认为他的互补原理是一条无限广阔的哲学原理。在他看来,由于以往人们的经验，必须用互补性概念这一更加宽广的思维构架来代替因果性概念。因此他说,