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《物理学和哲学》[德]W·海森伯_2
 
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本册书是免费书籍 2020-06-30

应。但这不是人们可以使用普通逻辑形式的那种准确语言;而是在我们内心引起图象的那种语言,但在引起图象的同时,还引起这样一种想法,就是图象和实在只有模糊的联系,它们只代表一种朝向实在的倾向。

在物理学家中使用的这种语言的模糊性,已因此引起规定另一种准确语言的尝试,这种准确语言遵循完全符合于量子论数学方案的确定的逻辑形式。可以把相克霍夫(Birkhoff)和诺埃曼(Neumann)以及最近威札克尔所作的这些尝试的结果作这样的陈述,就是说:能够把鼻子论的数学方案解释为经典逻辑的推广与修正。特别是经典逻辑中的一个基本原理似乎需要修正。经典逻辑假设:如果一个陈述有任何意义的话,那么,或者这个陈述是正确的,或者这个陈述的否定是正确的,二者必居其一。在“这里有一张桌子”或者“这里没有桌子”两句话中,不是第一句,就是第二句必定是正确的。“Tertium non datur”,没有第三种可能性。我们可能并不知道是陈述本身还是它的否定是正确的,但在“现实”中,二者总有一个是正确的。

在量子论中,“没有第三种可能性”这个法则必须加以修正。为反对这个原理的任何修正,人们当然立刻能够争辩说,这个原理是用普通语言假设的,而我们至少必须用自然语言谈论我们对逻辑的可能修正。这样,用自然语言来描述一个并不适用于自然语言的逻辑方案就是一种自相矛盾。然而,在这里,威札克尔指出,人们可以区别语言的各个层次。

第一个层次涉及对象——譬如涉及原子或电子。第二个层次涉及有关对象的陈述。第三个层次可以涉及关于对象的陈述的陈述,如此等等。那么,在不同的层次可能有不同的逻辑形式。确实,最终我们必须回到自然语言,从而回到经典逻辑形式。但是,威札克尔提出,经典逻辑可能类似于量子逻辑的前身,就象经典物理学是量子论的前身一样。那么,经典逻辑就可能被包含于量子逻辑之中,作为它的一种极限情形,而后者将构成更为普遍的逻辑形式。

这么一来,经典逻辑形式的可能修正,首先将涉及有关对象的那一层次。让我们考察在一个密闭箱中运动的一个原子。用一箱壁把这个箱子分为两个相等的部分,壁上有一个很小的孔,使原子能从中通过。那么,按照经典逻辑,原子如不在箱子的左半边,就必定在右半边。没有第三种可能性:“tertium non datur。。然而,在量子论中,如果我们仍用“原子”和“箱子”等词的话,我们就必须承认,还有其他的可能性,这种可能性是前面两种可能性的奇特的混合物。这对解释我们的实验结果是必需的。例如,我们能观察被原子散射的光。我们能够做三个实验:在第一个实验中,原子限制在箱子的左半边(例如,关闭壁上的孔〕,然后测量散射光的强度分布;第二个实验把原子限制在右半边,再测量散射光的强度分布;在最后一个实验中原子可以在整个箱子中自由运动,再测量散射光的强度分布。如果原子总是不在左半边就在右半边,最后一个实验中的强度分布将是前两种强度分布的混合(按照原子在两个半边度过的时间的比例)。但这在实验上一般不成立。如前所述,真实的强度分布为“几率干涉”所修正了。

为了应付这种情况,威札克尔引入了“真实度”的概念。在二者择一的任何简单陈述中,例如“原子是在箱子的左半边(或右半边)”,规定一个复数作为它的“真实度”的量度。如果数值是1,这意味着陈述为真;如果数值为零,这意味着陈述为假。但是其他的值也是可能的。复数的平方的绝对值给出陈述为真的几率;但是有关二者择一(这里是非“左脚“右”)的两个部分的两个几率之和必定为1。但是,有关二者择一的两部分的每一对复数,按照威札克尔的定义,代表一个肯定为真的“陈述”,如果这些复数恰恰取这些数值的话;例如,两个数值足以决定我们实验中散射光的强度分布。如果人们容许这样使用“陈述”一词,人们就能用下列定义引入“互补性”一词:每个不与二者择一的陈述中的任何一个陈述相同的陈述——在我们这个例子中,就是不与“原子在箱子的左半边”或“原子在箱子的右半边”的两个陈述相同的陈述——称为互补于这两个陈述的陈述。对于每一个互补的陈述,原子究竟是在左边或右边的问题是不决定的。但是“不决定”、一词决不等于“不知道”一词。“不知道”将意味着原子“实在是”在左边或右边,只是我们不知道它在哪里而已。但是“不决定”是指另一种情况,即只能用互补的陈述表示的情况。

这种普遍的逻辑形式(其细节不能在这里描述),准确地对应于量子论的教学形式系统。它构成那种用来描述原子结构的准确语言的基础。但是使用这样一种语言,引起了许多困难问题,我们将在这里讨论其中的两个问题:语言的各个不同“层次”间的关系,和基本的本体论的后果。

在经典逻辑中。语言的不同层次间的关系是—一对应的。“原子是在左半边”和“原子在左半边是真实的。这两个陈述,在逻辑上属于不同层次。在经典逻辑中,这两个陈述是完全等价的,就是说,它们或者都为真,或者都为假,不可能一个为真,另一个却为假。但在互补性的逻辑形式中,这种关系却更为复杂。第一个陈述的正确性或不正确性仍然包含了第二个陈述的正确性或不正确性。但是第二个陈述的不正确性并不包含第一个陈述的不正确性。如果第二个陈述是不正确的,那可能是不能确定原子是否在左边:原子不需要一定在右边。在陈述的正确性方面,语言的两个层次仍然是完全等价的,但在陈述的不正确性方面就不是如此了。从这个联系中,人们能够了解到量子论中经典定律继续存在的特性:只要在一个给定的实验中,能用经典定律推导出肯定的结果,也就能从量子论推导出这个结果,并且这个结果在实验上成立。

威札克尔的尝试的最终目的,是将修正了的逻辑形式也应用到语言的更多层次中,但这些问题不能在这里讨论了。

另一个问题涉及作为修正了的逻辑形式的基础的本体论。如果一对复数以刚才所描述的意义代表一个陈述,那么,在自然中应当存在一个“态”或者一个“状态”,在其中这个陈述是正确的。以后我们将在这种联系上使用“态”这个词。接着,威札克尔称对应于互补陈述的“态”为“共存态”。“共存”这个词正确地描述了这种状态;确实很难称它们为“不同态”,因为每种态在某种程度上还包含了那个“共存态”。于是,这种“态”的概念可能构成关于量子论的本体论的第一个定义。人们可以立刻看出,“态”这个词的这种用法,特别是“共存态”这个词的用法,同通常的唯物主义本体论是如此不同,以致人们可能会怀疑,是否人们正使用着一种便利的术语。另一方面,如果人们不把“态”这个词看作是对实在的描述,而宁可看作是对某种潜能的描述——人们甚至可以就拿“潜能”这个词来代替“态”这个词——那么,“共存潜能”的概念是完全讲得通的,因为一种潜能可以包含其他潜能,或者与其他潜能相重叠。

如果人们把语言限制于事实的描写,即实验结果的描写,所有这些困难的定义和区分就能够避免。然而,如果人们希望谈论原子粒子本身,人们就必须或者是使用数学方案作为自然语言的唯一补充,或者是将它与使用修正了的逻辑的语言相结合,或者甚至和使用没有明确规定的逻辑的语言相结合。在有关原子事件的实验中,我们必须同物与事实打交道,同象日常生活中任何现象一样真实的现象打交道。但是,原子或基本粒子本身却不象是真实的;与其说它们构成一个物与事实的世界,不如说它们构成一个潜能或可能性的世界。

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

第十一章 现代物理学在当前人类思想发展中的作用

为了指明科学的这个最现代化的部门——现代物理学——在许多点上接触到人类思想的很老的倾向,为了指明它从一个新的方向接触到某些很古老的问题,前面几章讨论了现代物理学的哲学意义。在人类思想史上,最有成果的发展常常发生在两条不同的思想路线的交叉点上,这一般讲来或许是真实的。这些思想路线可能发源于人类文化的完全不同的部分、不同的时间或不同的文化环境或不同的宗教传统,因此,如果它们在实际上相遇了,即如果它们至少已互相关联到能够发生真实的相互作用的程度,那么,人们可以期望新的和有意义的发展也将随之而来。作为现代科学的一个部门的原子物理学,在我们这个时代,确实已渗透到近然不同的文化传统中去了。不仅在自然科学传统的活动地区欧洲和西方国家中在讲授原子物理学;而且在远东,在日本、中国和印度这样具有完全不同的文化背景的国家中,也在研究它;在当代已建立了一种新的思想方法的俄国也在研究它;俄国的新思想方法既与十九世纪欧洲特殊的科学发展有关,也和出自俄国本身的其他完全不同的传统有关。当然,下面的讨论的目的肯定不可能是对现代物理学的观念和老传统遭遇后的可能结果作出预测。但要指出不同观念间可能发生冲突的某些点还是可能的。

在考察现代物理学的这个扩展过程时,当然不能将它与自然科学、工业和工程技术、医学等等的一般扩展分割开来,更普遍地说,即不可能和世界各地的现代文化的发展分割开来。现代物理学正是从培根(Bason)、伽利略和开普勒(Kepler)的工作和从十七、十八世纪自然科学的实际应用开始的无数事件组成的长链中的一个环节。自然科学与技术科学的联系从一开始就是互相支援的:技术科学的进展、工具的改进、以及新技术装置的发明,提供了日益准确的自然经验知识的基础Z而对自然的理解的进展和自然律的教学形式系统的最终建立,又开辟了在技术科学中应用这些新知识的道路。例如,望远镜的发明使天文学家能比以往更准确地测量星体的运动,从而使天文学和力学有可能作出可观的进展。另一方面,力学定律的准确知识,对于机械工具的改进和引擎的设计等等具有最大的价值。自然科学与技术科学的这种结合的巨大扩展,是在人们把某些自然力成功地置于人类的控制之下的时候开始的。例如,蕴藏在煤中的能量能够完成过去由人来做的某些工作。从这些新可能性产生的工业部门在开始时可看作是较老行业的自然继承和扩展;机器的工作在许多点上仍类似于老的手工艺,而化工厂的工作可看作是古代染坊和制药业工作的继承。但是后来,全新的工业部门发展起来了,这些部门在古老的行业中没有相当的行业;譬如电机工程就是这样。科学对自然的更为微小的部分的深入探索使得工程师能够利用过去几乎不知道的自然力;而 用支配这些力的定律的教学形式系统表示的有关这些力的准确知识构成了设计各种机械的坚实基础。

自然科学与技术科学的这种结合的巨大成果使得这种人类活动盛行的那些民族、国家或社会处于卓越的优势,并且作为这种情况的一个自然的结果,就连那些在传统上不倾向于自然科学和技术科学的国家也不得不从事这些活动。通讯和交通的现代化方法最终完成了技术的这种扩展过程。无可怀疑,这个过程已经根本改变了我们地球上的生活条件;并且不管人们是否赞许它,不管人们称它是进步或是危险,人们都必须认识到,它已远远超出人类力量所能控制的范围。人们可以更恰当地把它看作是一个最大规模的生物学过程,在这个过程中,人类社会中能动的组织侵入了更大部分的物质,并把它转变为适合于人口增长的状态。

现代物理学属于这种发展的最新部分,并且它的不幸的、最触目的结果——核武器的发明——已再清楚不过地显示了这种发展的真髓。一方面,它已最清楚地指出,不能只以乐观的观点来看待自然科学与技术科学的结合所带来的变化它至少已经部分地证实了那些抱反对态度的人的观点,他们曾一再警告我们生活的自然条件的这种根本性变化会带来危险。另一方面,它甚至已迫使那些企图远离这些危险的国家和个人也对新的发展给予最强烈的注意,因为以军事力量为基础的政治力量显然要依靠原子武器的占有。充分讨论原子核物理学的政治意义当然不是本书的任务。但是关于这些问题,至少也应当说几句话,因为当谈到原子物理学时,它们总是最先引起人们的注意。

显然,新武器的发明,特别是热核武器的发明,已经根本改变了世界的政治结构。不仅独立民族和国家的概念发生了决定性的变化,因为不拥有这些武器的任何国家必定在某种程度上依赖于少数大量生产这种武器的国家;而且使用这种武器的大规模战争的尝试实际上已成为一种荒唐的自杀。因此,人们常常听到乐观的论调,说战争已因此而变为过时的了,它将不再发生。不幸,这种观点是将问题过分乐观地简化了。相反的,使用热核武器的荒唐性,在第一级近似的意义上,可能起着鼓励常规战争的作用。任何相信自己有历史上和道义上的权利去强行改变现状的国家和政治集团,将感到为这个目的而使用常规武器不致冒任何巨大的风险;他们会假设对方当然不会求助于核武器,因为对方在这次争端中在历史上和道义上是有错的,不致于发动大规模战争。这种状况将依次地引起其他国家发表声明,当侵略者把小型战争强加于它们时,它们实际上可以求助于核武器,因而显然仍存在危险。十分可能,在今后二、三十年内世界将经历如此巨大的变化,以致大规模战争的危险、应用各种技术手段来消灭敌人的危险将大大减少或消失。但是通往那种新形势的道路将充满最大的危险。我们必须如以往任何时期一样,认识到从一方看来在历史上和道义上是正确的,从对方看来则可能是错的。继续维持现状不可能总是正确的解决办法。相反,去寻找一些适应新形势的和平方法可能是最重要的,并且在许多情况下,要最终找到任何正确的决定是极端困难的。由此可见,鉴于是非问题从对方看来可能根本不同,只有当所有不同的政治集团准备放弃某些它们似乎最明显的权利,才可能不太悲观地说世界大战是可以避免的。这当然不是一种新的观点;事实上,这只是许多世纪以来某些大宗教所倡导的人类风度的应用而已。

核武器的发明也对科学与科学家提出了一些全新的问题。科学的政治影响比第二次世界大战以前强烈得多了,而这一事实赋予科学家特别是原子科学家以双重的责任。或者,他能够由于科学对社会的重要性的关系而积极参加国家行政管理;那么,他实际上不得不担当起作出有巨大份量的决策的责任,这将远远跨越他过去所习惯的研究工作与大学工作的小圈圈。或者,他可以自愿地拒绝参与任何政治上的决策;那么,他仍要对错误的决策负责,因为如果他甘愿放弃科学家的平静生活,他或许能够阻止这种错误的决策。向政府报告热核战争可能带来的空前毁灭的详细情况,显然是科学家的责任。除此之外,科学家常常被请求去参加维护和平的庄严决议;但是,谈到这后一要求,我必须承认我从未能看完这类宣言的任何要点。这类决议可能是好心的很好的证明;但是任何人,如果他口头上讲维护和平,却不想准确地讲这种和平的条件,他必定会立即被人怀疑为只是高唱对他和他的集团最为有利的那种和平——这当然是毫无价值的。任何诚实的和平宣言必须是对人们准备为维护和平而作出的牺牲的估算。但是通常科学家无权作这类声明。

同时,科学家能在他自己的领域中尽全力促进国际合作。许多国家对今天原子核物理研究的重视和不同国家的科学工作水平仍然十分悬殊的事实,有利于这种工作的国际合作。许多不同国家的年轻科学家可以聚集在从事着现代物理学领域中的紧张活动的研究所中,而对于困难的科学问题的协同研究将促进相互的了解。在日内瓦欧洲核子研究中心这一个例子中,在许多不同国家之间甚至能达成协议,建立一个公共的研究所,并共同努力建造昂贵的原子核物理研究用的实验设备。这种合作当然有助于在年轻一代的科学家中建立对于科学问题的一个共同态度——甚至对纯科学问题之外的问题也抱共同态度。当然,人们无法预料,这样播下的种子在这些科学家回到他们的老环境中并且重新参与他们自己的老文化传统时,将结出什么样的果子。但人们很少怀疑,不同国家的年轻科学家之间和每个国家不同代的科学家之间的思想交流,将有助于使许多问题不太紧张地接近新的状态,即较老的传统力量和现代生活的必然需要之间达到了平衡的状态。这特别是科学的一个特征,由于这种特征,没有任何东西比科学更适合于建立不同文化传统间的头等巩固的联系。事实是,关于专门科学研究工作的价值的最终判定,关于研究工作中什么是正确、什么是错误的问题,并不依赖于任何个人的权威。同时,在人们知道一个问题的答案之前,在人们能构区分真理与谬误之前,需要花费许多年时间;但最后问题将被判定,而判定不是由任何科学家的集团作出,而是由自然本身作出。由此可见,科学思想在科学爱好者中传播的方式与政治思想的传播方式是完全不同的。

一些政治思想可以得到大量人民群众的信服,正是因为它们将合于、或者好像符合于人民的主要利益,而科学思想的传播却只是因为它们是真理。它们是保证科学陈述的正确性的客观的和最终的标准。

这里关于国际合作和思想交流所谈到的一切,对于现代科学的任何部门当然都是同样真实的;它决不应当仅限于原子物理学。在这方面,原子物理学只是许多科学部门中的一个,而且即令它的技术应用——武器和原子能的和平利用——给这个部门以特殊的份量,也没有理由认为在这个领域中的国际合作比在任何其他领域要重要得多。但我们现在还必须讨论一下本质上不同于以往自然科学的发展的现代物理学的那些特征,为了这个目的,我们必须再一次回顾欧洲的这种发展的历史,而这种发展是由于自然科学和技术科学的结合而实现的。

在历史学家中曾经常常讨论这样一个问题,是否在十六世纪以后自然科学的兴起就是人类思想的早期倾向的自然结果。可以这样说,基督教哲学的某种倾向会导致非常抽象的上帝的概念,他们把上帝抬到如此高高在上、超越世界的地位,以致人们开始考察世界的时候用不到同时在世界上还看到上帝。笛卡儿分类可以说是这种发展的最后一步。或者,人们可以指出,所有十六世纪的神学争论引起了对这类问题的普遍不满,这类问题并不能真正合理地解决,而是纠缠在当时的政治斗争之中;这种不满有利于对同神学争论完全无关的那些问题发生兴趣。或者人们可以只谈到通过文艺复兴进入欧洲社会的新精神的巨大活动。总之,在这个时期,出现了一个新的权威,它与基督教或者基督教哲学无关,也与教会无关,这是经验的权威,经验事实的权威。人们能从这种权威追溯到老的哲学倾向,例如追溯到奥卡姆(coccam)和邓斯·司各脱(Duns Scotus)的哲学,但只有到十六世纪以后,它才成为人类活动的生气勃勃的力量。伽利略不仅想到机械运动、单摆和落石;他还定性地试验了这些运动是如何发生的。这种新的活动在开始时当然并不意味着对传统的基督教的背离。相反,人们谈到了上帝的两类启示。一类写在圣经中,另一类将在自然的书中被发现。圣经是过去的人类写出的,因而容易有错误,而自然是上帝意志的直接表示。

然而,注重经验是和实在面貌的缓慢和逐渐的变化相联系的。在中世纪,我们今天称为一个物的象征意义的东西在某种程度上是它的原始实在,现在,实在的面貌改变为我们能够用我们的感官感知的东西。我们能够看到的和接触到的东西成为原始他真实的东西。而实在的这种新概念能够同新的活动相联系:我们能够实验并看看物真正是怎样的东西。很容易看出,这种新态度意味着人类精神开始进入了新可能性的广大领域,并且很容易理解,教会在新运动中与其说是看到了希望,不如说是看到了危险。对伽利略的与他对哥白尼系统(Copernican system)的观点有关的著名审判,标志了进行一个世纪以上的斗争的开始。在这次争论中,自然科学的代表人物主张经验提供不可辩驳的真理,不能委托任何人类权威来判定自然中真正发生了什么事情,这个判定是由自然作出的,或者在这个意义上是由上帝作出的。另一方面,传统宗教的代表人物则主张由于对物质世界的过分注意,对我们用感官感知的东西过分注意,我们丧失了同人类生活的主要意义的联系,丧失了同在物质世界之外的那部分实在的联系。这两类主张不能共存,因此任何协议和决议都不能解决问题。

同时,自然科学开始作出了物质世界的一种更清晰和广阔的图景。在物理学中,这种图景是用我们今天称之为经典物理学概念的那些概念来描绘的。世界由空间和时间中的物体组成,物体由物质组成,物质能产生力并受到力的作用。事件由于物质和力之间的相互作用而发生;每个事件都是其他事件的结果和原因。同时,人类对自然的态度从瞑想的转变为实用的。人们不再大关心自然是怎么样的;而更愿意向人们能够利用自然做些什么。因此,自然科学转向了技术科学;知识的每一步进展都和从它能引导出什么实际应用的问题相联系。这不仅在物理学中是真实的;在化学和生物学中,情况也基本相同,而医学或农业中新方法的成功对这种新倾向的传播作出了主要的贡献。

这样,直到十九世纪发展了自然科学的一个极端僵硬的框架,它不仅构成了科学,而且还构成了广大人民群众的普遍见解。这个框架得到时间、空间、物质和因果性等经典物理学的基本概念的支持;得到适用于我们用感官所感知的或用技术科学所提供的精密工具所观察到的事物的实在概念的支持。物质是初始的实在。科学的进展被描绘为征服物质世界的十字军。实用成了时代的口号。

另一方面,这个框架是过于狭窄和僵硬了,以致干在其中难以找到一个地方来安排我们语言的许多概念——那些永远属于它的真正实质的概念,例如精神的概念、人类灵魂或生命的概念。精神只能作为物质世界的一面镜子被纳入总的图景;并且当人们在心理科学中研究这面镜子时,科学家常常倾向于—一如果我可以作进一步类比的话——更注意它的机械性质,而不太注意它的光学性质。甚至有人还试图在那里应用经典物理学的概念,首先是因果性的概念。同样,生命被解释为由自然律支配的、完全由因果律决定的物理学和化学过程。达尔文的进化概念为这种解释提供了充分证明。在这个框架中,特别难以找到曾经是传统宗教的对象而现在看来似乎只是一种假象的那部分实在的位置。因此,在那些欧洲国家中,由于人们惯于追随这种观点直到最终的结果,科学对宗教的一种公开的敌意发展起来了,甚至在其他国家中,对于这些问题的分歧也有日益增长的趋势;只有基督教的伦理标准与这种趋势无关,至少在目前是如此。对科学方法和理性思维的信仰代替了人类精神的一切其他保护物。

现在回过来谈谈现代物理学的贡献,人们可以说,由它的成果带来的最重要变化是十九世纪概念的这种僵硬框架的解体。当然,以前也曾作了多次尝试去摆脱这个僵硬的框架,这个框架对于理解实在的主要部分,显然是太狭窄了。但是过去未能发现,像物质、时间、空间和因果性等在科学史上曾经是如此极端成功的基本概念中,有什么可能是错了。只有用技术科学所能提供的全部精密仪器所作出的实验研究本身及其数学解释,才提供了批判分析(或者可以说,是被迫批判分析)这些概念的基础,并最后地导致了僵硬框架的解体。

这种解体是明确地分两个阶段发生的。第一阶段是通过相对论,发现了甚至像时间和空间这样的基本概念也能够改变,并且事实上根据新的经验也必须改变。这种改变并不涉及自然语言中时间空间的多少有点模糊的概念;但确实涉及到牛顿力学的科学语言中它们的准确的形式系统,尽管牛顿力学过去曾被错误地当作是最终的力学。第二阶段是关于原子结构的实验结果迫使人们进行的关于物质概念的讨论。物质的实在的观念或许是十九世纪中概念的僵硬结构中最坚固的部分,而且这个观念至少已结合着新的经验加以修正。这些概念在属于自然语言的范围内,仍然未受到触动。当人们必须描述原子实验和它们的结果时,可以毫无困难地谈论物质,或谈论事实,或谈论实在。但是要将这些概念科学地外推到物质的最小部分,那就不是用经典物理学所建议的那种简单方式所能办到的,虽然它已错误地决定了关于物质问题的一般见解。

首先必须把这些新结果看作是对多少有点勉强地把科学概念应用干它们并不隶属的那些领域的严重警告。例如,把经典物理学的概念应用于化学中,已经是一个错误。因此,人们现在不大会倾向于假设物理学的概念(甚至量子论的那些概念〕能够肯定地应用于生物学或其他科学的任何方面。尽管如此,我们还是想尝试让新概念进人那些秤学部门,即使在这些部门中旧概念对理解现象曾经是十分有用的。特别是,在应用旧概念似乎有点勉强或显得不十分适合干问题的那些方面,我们将尝试避免作任何轻率的结论。

不仅如此,现代物理学的分析和发展的最重要特征之一是这样一个经验,就是:自然语言的概念既然是模糊地定义的,似乎在知识的扩展中,比起科学语言的准确术语更为稳定,因为这些科学语言只是从有限的一组现象中推导出来的一种理想化情形。事实上这不值得奇怪,因为自然语言概念是从与实在的直接联系中形成的;它们代表实在。确实,它们没有很好地定义,因此可以随着世纪的消逝而发生变化,就像实在本身那样,但它们决不丧失与实在的直接联系。另一方面,科学概念是理想化情形;它们是从用精密的实验工具所获得的经验推导出来,并通过公理和定义准确地定义下来的。只有通过这些准确定义,它才能将概念和数学方案联系起来,并从数学上推导出这个领域内可能现象的无限多样性。但通过这种理想化和准确定义的过程,与实在的直接联系丧失了。在曾作为研究对象的自然的那一部分中,概念仍然很密切地符合于实在。但在包含另一些类别的现象的自然的其他部分中,这种符合就可能丧失了。

在记住自然语言概念在科学发展过程中的内在稳定性的同时,人们看到——根据现代物理学的经验——我们对精神、人类灵魂、生命或上帝意志等概念的态度将不同于十九世纪,因为这些概念属于自然语言,因此与实在有直接联系。确实,我们还将认识到,这些概念都不是在科学意义上很好地定义了的,并且它们的应用可能导致各种矛盾,暂时我们还必须使用这些概念,虽然对它们未作分析;但是我们仍然知道它们接触了实在。在这方面,回想一下甚至在秤学的最准确部门——数学——中,我们也不能避免使用包含矛盾的概念,可能是有用的。例如,大家都知道,无限的概念导致前面分析过的那些矛盾,但是如果没有这个概念,实际上就不可能创立数学的主要部门。

十九世纪的人类思想主要倾向于对科学方法和准确理性的术语的日益加强的信仰,并且这种倾向也促使人们对不适合于科学思想的闭合框架内的那些自然语言概念——譬如,宗教的那些概念——表示普遍的怀疑。现代物理学已在许多方面加强了这种怀疑;但同时它又转而反对过高估计准确的科学概念,反对这种怀疑本身。对准确的科学概念的怀疑并不意味着对理性思维的应用范围应有明确的限制。相反的,人们可以说,人类的理解能力在某种意义上可以是无限制的。但是,现有的科学概念总是只能涉及实在的有限部分,而其余尚未理解的部分却是无限的。当我们从已知向未如推进时,我们可以希望去理解,但是同时我们可能必须学习“理解”一词的新意义。我们知道,任何理解最终必须根据自然语言,因为只有在那里我们才能确实地接触到实在,因此,我们必须对有关这种自然语言及其主要概念的任何怀疑表示怀疑。由此可见,我们可以使用这些概念,就象在过去任何时候使用它们一样。这样,现代物理学或许已为对人类精神和实在的关系的更广阔的见地打开了大门。

在我们这个时代,这门现代科学正向在文化传统上完全不同于欧洲文化的世界其他部分渗入。在那些地区必定比欧洲更强烈地感觉到自然科学和技术科学的这种新活动的冲击,因为欧洲在两三个世纪内发生的生活条件的变化,在那里将在几十年内发生。人们可以预料,在许多地方,这种新活动必定以旧文化衰退的状态出现,以推翻全部人类的幸福所依靠的敏感的平衡这样一种残忍和野蛮的姿态出现。这样的后果是不能避免的;必须把它们看作是我们时代的一种面貌。但即令在那里,现代物理学的开放也可能在某种程度上有助于调和老传统和新的思想倾向。举例说吧,第二次世界大战以来日本对理论物理学的巨大贡献,可能就是远东传统的哲学思想和量子论的哲学基础之间的某种结合的标志。如果人们没有接受过本世纪头十年尚流行于欧洲的朴素的唯物主义思想方法,或许会更容易接受量子理论的实在概念。

当然,这样的提示不应当误解为低估技术进展的冲击对老的文化传统所能给予或已经给予的破坏。但因为这整个发展长时期以来远远超出了人类力量的任何控制,我们必须接受它作为我们时代的最主要特征,并且必须尝试尽可能将它和人生的意义联系起来,这种人生的意义曾经是老的文化和宗教传统的目的。这里可以从哈什教(Hasidic religion)引述一个故事:从前有一个老的智者,一个以他的聪明闻名的长老。所有人都向他求教。有一个人去拜望他,那人对他周围所发生的一切变化都感到失望,向长老申诉所谓技术进步带来的全部灾难。他大声斥责道:“如果人们考虑一下人生的真正意义,所有这些技术的骚扰不是毫无价值吗?”“可能是这样,”智者回答说:“但是,如果一个人有正确的态度,他就能在每一件事物中学习。”“不,”来访者抗辩说:“从铁路、电话或电报这样的蠢物中人们什么也不能学到。”但是智者回答说:“你错了。你能够从铁路学到:如果你退到一霎那,就会失去一切。你能从电报学到对每个字都加以计算。而从电话你能够学到,我们在这里说的话能在那里被听到。”来访者领会了智者的意思后就离开了。

最后,现代科学渗入了我们现代世界的大片地区,在那里,新的学说只建立了几十年,而这些新学说是新的有力量的社会的基础。在那里,现代科学院面对着起源于十九世纪欧洲哲学思想(黑格尔和马克思)的那些学说的内容,又面对着固执坚持信仰的现象。因为现代物理学由于它的实用价值在这些国家必定起巨大的作用,所以,那些真正理解现代物理学及其哲学意义的人,很难不感觉到这些学说的狭隘性。因此,在这一点上,科学和一般思想倾 向的相互作用就会发生。当然,不应当把科学的影响估计过高;但现代科学的开放或许甚至能够使大部分人民更容易发现学说对于社会并不如过去所假设的那么重要。这样,现代科学的影响可能支持容忍的态度,从而可以证明是有价值的。

另一方面,固执坚持信仰的现象比十九世纪的某些专门哲学观念带有更大的份量。我们不能闭着眼睛不看这样一个事实,这就是大多数人很难对某个重要的普遍思想与学说的正确性作出很有根据的判断。因此,“信仰一词对于这大多数人并不意味着“感知某些事物的真理”,而只能理解为“以此作为生活的基础”。人们很容易理解,这第二种信仰比第一种信仰更为顽固,更坚定得多,因为它甚至能够面对直接矛盾的经验而固执己见,因而不能为新增加的科学知识所动摇。过去二十年的历史已以许多例子表明,这第二种信仰有时可以被摔到看来是完全荒唐的地步,并且这些信仰者至死也是执迷不悟的。科学和历史能够教导我们,对手抱这种信仰的那些人,这种信仰可能成为巨大的危险。但是这样的认识是没有用处的,因为人们不知道如何去避免它,因而这样的信仰总是属于人类历史的巨大力量。从十九世纪的科学传统出发,人们当然倾向于希望一切信仰都应当以对每一个论证的理性分析,以小心的审议为基础;而另一种信仰,即把某种真实的或表现的真理简单地当作生活的基础的信仰则不应当存在。确实,根据纯粹理性的论证作出的小心的审议能够使我们消除许多错误与危险,因为它允许重新调整以适应新的形势,而这可能是生活的必要条件。但是想到我们在现代物理学中的经验,就很容易看出,在审议与决定之间总是必定有一个基本的互补关系。在实际的生活的决定中,不大可能把偏袒一个决定或反对一个决定的全部论证都加以考察,因此,人们总是不得不在不充足的证明的基础上行动。只有掀开全部论证——包括那些已经理解的论证和另一些只有通过进一步审议才能作出的论证——并摆脱一切犹豫不决,才能最终作出决定。决定可以是审议的结果,但它同时又互补于审议;并且,它是排斥审议的。甚至生活中最重要的决定,也总是一定包含这种不可避免的非理性因素。决定本身是必需的,因为必须有某种可以依靠的东西,必须有指导我们行动的某种原理。没有这样一种稳固的立足点,我们自己的行动就会丧失全部力量。因此,用某种真实的或者表现的真理构成生活的基础是不可避免的;而且在认识这个事实时,应当考虑到那些人的集团的基础和我们自己的基础是不同的。

现在,在从所谈到的现代科学的一切来作结论时,人们或许会说,现代物理学正是朝向统一并扩大我们的现代世界的一般历史过程的一个部分,而且是一个很有特征性的部分。这个过程本身将导致缓和造成我们时代的巨大危险的那些文化和政治的紧张形势。但它又为向相反方向行动的另一过程所伴随。广大人民群众意识到这种统一过程的事实,鼓励了现在文明社会中一切力量去力图在最终的统一状态中保证它们的传统的准则发挥最大可能的作用。从而紧张形势加强了,这两种竞争过程是如此密切地相互交织着,以致统一过程的每一次强化——例如由于新的技术进步——也强化了对最终状态的影响的斗争,从而给瞬变状态增加了不稳定性。现代物理学在这危险的统一过程中或许只起微小的作用。但它至少在两个决定点上将引导发展过程成为一种平静的演化过程。首先,它表明在这过程中使用武器是灾难性的;第二,通过它对各类概念的开放,它提出了在最终的状态中许多不同文化传统可以共存的希望,提出了可以将不同的人类的努力结合到思想与事业之间、活动与沉思之间的一种新的平衡之中的希望。

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

附录 英文本序言

如所周知,当代物理学已经引起人类的宇宙观及其同宇宙的关系的重要的修正。有人设想,这种修正突破了人类的命运和自由的基础,甚至影响到人类对他掌握自己的命运的能力的看法。这种设想,在物理学的各个部门中,再没有比量子力学的测不准原理表现得更直截了当了。本书的作者是测不准原理的发现者。事实上,这个原理通常都冠以他的名字。因此,要判断这个原理意味着什么,没有人比他更合适的了。

海森伯在他以前的一本书《量子论的物理原理》中,向专业物理学家们阐明了量子力学的理论解释、实验意义和教学工具。在本书中,他向外行人阐明了量子力学和其他物理理论,以及这些理论的哲学会意和它们的某些可能的社会后果。比较明确地说,他试图在本书中提出并回答下列三个问题:(1)已被实验所证实了的当代物理学理论肯定了什么,(2)它们容许或者要求人们怎样去没想他自己同他的宇宙的关系?(3)这种作为现代西方的创造的新思想方法将要怎样影响世界的其他地区,

海森伯只是在本书的开头和结尾部分简要地探讨了第三个问题。读者不要因为他的评述的简短而忽视了它们的重要意义。正如他所指出,不管我们喜欢与否,现代思想方法将要改变并且部分地破坏传统习惯和社会准则。非西方社会的本国领袖和他们的西方顾问常常设想,将现代科学仪器和方法引入亚洲、中东和非洲的问题,仅仅是给予当地人民以政治独立然后向他们提供经费和实用的仪器的问题。这种轻易的设想忽略了几件事情。第一,现代科学仪器渊源于它的理论,为了正确地制造和有效地使用它们,需要理解那个理论。第二,而这个理论又以哲学假设和物理假设为依据。一旦被人们理解了,这些哲学假设就会产生一种个人的和社会的精神状态和行为,它们完全不同于并且在有些问题上不相容于亚洲、中东或非洲本地人的以家族、等级、种族为中心的精神状态和社会准则。总之,人们不能在引入现代物理学仪器的同时,而不求早或晚地引入它的哲学精神,而这种哲学精神,当它一旦掌握了受过科学训练的青年,就将推翻对家族和种族的陈腐的道德忠诚。如果要不致于因此引起不必要的感情冲突和社会的道德败坏,那么,让青年人理解到他们正在遭遇的事情,这是重要的。这意味着,他们必须把他们的经验看作是两种不同的哲学精神的结合,即他们的传统文化和新物理学的结合。由此可以看出人人都理解新物理学的哲学的重要性。

但是,可能有人要问:物理学是不是完全同哲学无关?现代物理学是不是只有在抛弃了哲学之后才能成为有成效的,显然,海森伯对这两个问题的回答都是否定的。为什么会是这样的呢?

牛顿给人留下了这么一个印象,以为在他的物理学中没有一个假设不是实验数据所必然要求的。当他提出他不作假说,并且他是从实验研究结果推出他的基本概念和定律时,就给人以这种印象。如果关于物理学家的实验观测同他的理论的关系的这种想法是正确的,牛顿的理论就永远不需要修正了,它也不可能包含实验未予证实的结论了。要是牛顿的理论是隐含在事实之中,它就该象那些事实一样确凿和肯定。

然而,1885年迈克耳孙和莫雷所完成的实验揭示了这样一个事实,如果牛顿的理论假设全是真理的话,这个事实就不应当存在。这个事实表明,物理学家的实验事实和他的理论假设之间的关系完全不同于牛顿引导许多现代物理学家去设想的那样。在大约十年以后,关于黑体辐射的实验迫使人们对牛顿关于他的研究对象的思想方法作又一次的改造。所以,这个结论就成为不可避免的了。肯定地说来,这意味着物理学理论既不仅仅是实验事实的描述,也不是可以从这样一种描述推论出来的某种东西;而是如爱因斯坦所强调指出的,物理学家只有通过思辨的方法才能得到他的理论。在物理学家的方法中,不是从事实推演到理论的假设,而是从假设的理论推演到事实和实验数据。因此,人们必须思辩地提出理论,并且用演绎法推导出这些理论的许多结果,以便使这些理论能够接受间接的实验检验。总之,任何物理理论所作出的物理假设和哲学假设,都要比仅仅由事实所给出和隐含的假设更多。由于这个理由,任何理论,随着同这个理论的基本假设不相容的新证据的出现(类似迈克耳孙-莫雷实验结果那种方式),要受到进一步的修正和改造。

并且,这些假设都带有哲学的特征。它们可以是本体论的假设,那就是涉及科学知识的对象的假设,这种对象是同它和感知者的关系无关的;或者它们也可以是认识论的假设,那就是涉及作为实验者和认识者的科学家同他所认识的对象之间的关系的假设。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论由于根本改变了时间和空间以及时空同物质的关系的哲学理论,从而在本体论方面修正了现代物理学的哲学。量子力学,特别是它的海森伯测不准原理,给物理学家关于实验者同他的科学知识的对象之间的关系的认识论所带来的变化是很显著的。这本书的最新奇也是最重要的命题也许就是本书作者的这样一个论点:量子力学已经把潜能的概念带回到物理科学中了。这使得量子论对于本体论也象对认识论一样重要。在这一点上,海森伯的物理哲学同怀特海(Whitehead)的物理哲学有一个共同的因素。

正是由于在物理学的研究对象中引人了潜能(这不同于物理学家的认识论范畴),所以爱因斯坦反对量子力学。他说:“上帝是不掷骰子的”,以此来表示他的反对意见。这个陈述的要点是骰子游戏以机遇律为依据,而爱因斯坦认为,后一概念只有在有限的认识主体的认识论的局限性中才能找到它的科学意义,这种局限性存在于认识主体同包罗一切的科学知识对象的关系之中,因此,当在本体论上讲到那个对象本身时,那就是误用了。这个对象自身是无所不包的,因而在这个意义上是全知的(类似上帝那种形式);对于任何有关这种对象的科学描述,机遇或者几年概念是不适当的。

本书之所以重要,是因为它包含了海森伯对爱因斯坦以及其他人对他的测不准原理和量子论的批评的回答。在理解这个回答时,必须记住两件事:(1)前面提到过的关于实验物理学的数据和它的理论概念之间的关系。(2)在(a)牛顿力学和爱因斯坦的相对论中和在(b)量子力学中,几率概念所起的作用的区别。关于(1),爱因斯坦和海森伯,相对论力学和量子力学是一致的。只是关于(2),他们才有分歧。然而,关于(2),海森伯和量子物理学家同爱因斯坦发生分歧的理由,有相当成分取决于(1),这是爱因斯坦也承认的。

(1)断言物理学的实验数据不包含它的理论概念。由此可见,科学知识的对象决不是通过观察和实验去直接认识的,而只有通过思辨地提出的理论结构或公理假设才能认识的,这些理论结构或公理假设只有通过由它推演出来的结论间接地在实验上加以检验。因此,为了深知科学知识的对象,我们必须走向它的理论假设。

当我们为(a)牛顿力学或爱因斯坦的力学和为(b)量子力学去这样做时,我们发现,在量子力学中,几率或者机遇的概念进入了物理系统的态的定义,在这个意义上,也就是概念进入了它的对象,但在牛顿力学或者爱因斯坦的相对论中却不是这样。无疑,这正是海森伯在本书中所写的“量子论把潜能概念带回到物理科学中来了”这句话的意思。毫无疑问,这也是爱因斯坦反对量子论时心中所想的东西。

更具体地说,量子力学同以往的物理理论的差别可以表述如下:在牛顿的理论和爱因斯坦的理论中,只要经验地测定了在已定时刻表明系统中每个质点的位置和动量的数值,就可以准确地给出任何孤立力学系统在这一时刻的状态;不出现任何关于几率的数值。在量子力学中,关于观测一个系统的解释是一个颇为复杂的程序。观测可以是单独一个读数(它的准确度还必须加以讨论〕,或者观测也可以包含一组复杂的数据,例如云空中水滴的照相;不管是哪一种情况,只能用几率分布(譬如说,关于系统的各粒子的位置和动量的几率分布〕来陈述观测的结果。这样,理论就预言了未来时间的几率分布。当未来的态达到时,如果只是在单独一次观测中,动量和位置的数值处在预期的范围之内,那么,理论并没有在实验上获得证实。具有同样初始条件的同样实验必须重复许多次,而在每次观测中可以有所不同的位置或动量值,必须表现出与预期的几率分布相似的分布。总之,量子力学同爱因斯坦力学或者牛顿力学的决定性区别集中在任何时刻一个力学系统的定义上,这种区别就在于量子力学在它对态的定义中引入了几率概念,而牛顿和爱因斯坦的力学却不是这样。

这并不意味着在牛顿力学或爱因斯坦力学中,几率就毫无地位。然而,它仅仅是在用以决定理论预测是否正确或不肯定的程度的误差理论中才有地位。因此,几率和机遇的概念仅限于科学家在证实他所认识的东西的认识论方面;它并不进人关于他所认识的东西的理论陈述。因此,在爱因斯坦的两个相对论和牛顿力学中,都满足爱因斯坦的格言“上帝是不掷骰子的”。

有没有什么办法可以裁决爱因斯坦同海森伯及其他量子理论家的论战呢,对于这个问题已有人作出了许多答案。有些物理学家和哲学家强调操作的定义,他们论证说:既然一切物理理论(甚至经典理论也是如此〕都给人类留下了误差和不确定性,那就无法在爱因斯坦和量子理论家之间作出裁决。然而,这是:(a)忽视了科学方法中存在着用公理法构成的、构造性的理论定义,也存在着误差理论和操作定义;并且,(b)假设了几率概念以及更加复杂的测不准关系只是在操作定义的意义上进入了量子力学。海森伯指出后一假设是错误的。

别的科学家和哲学家走到了另一个极端,他们主张,仅仅因为在预测某些现象时有不确定性,这决不能构成“这些现象都不是完全确定的”这个命题的论据。这一论据将两个问题结合了起来,一个问题是定义力学系统在已定时间的态的静力学问题,另一个问题是预测这个系统的态随时间而变化的动力学问题,或因果性问题。但是,量子论中的几率概念只进入它的静力学,也就是只进入量子论关于态的理论定义。因此,读者将发现,把关于态的定义的静力学理论成分和态随时间而变化的动力学的(或因果性的)理论成份截然划分开来,那是明智的。对于前一种成分,几率概念和随之而来的不确定性在理论上和原则上都进入了;它们不仅仅涉及操作上的和认识论上的不确定性和误差——这类不确定性和误差是由人类行为的有限性和不准确性所引起的,并对任何科学理论和任何实验总都是共同的。

但是,可以问,为什么应当在原则上把几率概念引进力学系统在任何静态时刻t1的态的理论定义中去呢?在利用公理假设作出这样一种理论构造时,海森伯和其他量子理论家在同爱因斯坦争论时不是普遍地以本身尚待证明的假定作为自己的论据吗,这本书把这些问题的答案阐明如下:量子力学的程序的理由是上述命题(1),这个命题是爱因斯坦本人也接受的。

命题(1)是我们只用公理的理论构造或假设的思辨方法来认识科学知识的对象;牛顿关于物理学家可以从实验数据推演出我们的理论概念的设想是错误的。由此可以推论出,断言科学知识的对象(或更具体地说,即力学系统在已定时刻t1的态)必须以一种特殊方式来定义,是没有先验的或经验的意义的。唯一的准则是,当求得由理论推演出来的实验后果时,究竟哪一组关于力学对象的理论假设为实验数据所证实?

现在的情况是:当我们如爱因斯坦要求我们去做的那样,在理论上和原则上只用关于位置和动量的数值来定义亚原子现象的力学系统的态,并且推演出黑体辐射的结果的时候,关于力学系统的态和原子物理学的对象的这种理论假设已被实验证据证明是错误的。实验事实绝不是理论所要求的那样。然而,当通过引入普朗克常数并在原理中加入关于将发现有关的位置-动量数值的几率(由此导出测不准原理)的第二组数值,而把传统理论加以修正时,实验数据证实了新的理论概念和原理。总之,在量子力学中关于黑体辐射实验的情况同爱因斯坦所遇到的关于迈克耳孙-莫雷实验的情况是相同的。在这两种情况中,都只有通过引入在原则上是新的理论假设,才能使物理理论同实验事实相一致。因此,如果按照爱因斯坦和上述科学哲学家的要求就应该断言:不管量子力学是怎样的,亚原子物体的位置和动量都是“真正”明确地处于空间和时间之中(因为它们只要用一对数字来表示就行了),从而在因果关系上,它们也完全是决定论性的,但是,要作这样的断言,就是要求人们承认巴为黑体辐射实验证明是错误的一种关于物理知识对象的理论,所谓错误的意思是说,这种理论可以推演出来的实验结果没有得到证实。

当然,由此得不出结论说,不可能发现某种符合于以往的实验事实的新理论,在这理论中,几率的概念原则上不进入它的态的定义。例如,诺贝特·维纳(Norbert Wener)教授认为,他找到了一些线索,可以作为这样一种理论遵循的方向。然而,这种理论必须拒绝以爱因斯坦理论的四维时空来表示态的定义,因此,它同爱因斯坦建立在其他基础上的命题是不相容的。无疑地,人们不能排除这样一种可能性。然而,除非提出了这样一种代替的理论,否则,任何一个人,只要他对关于科学知识的对象必须是什么的问题,不主张具有某种先验的或秘密的信息来源,那么,他除了接受量子论的态的定义,并赞同本书作者海森伯的观点,把潜能的概念复归于现代科学知识的对象,别无其他抉择。黑体辐射实验要求人们作出结论说:上帝是掷骰子的。

因果性和决定论在量子力学中的地位如何,也许外行人和人文科学家对本书的兴趣主要取决于它对这个问题的答复。

如果要理解这个答复,读者必须特别注意海森伯有关(a)上述求助于几率概念的态的定义和(b)薛定谔时间方程这二者的描述。读者也必须弄明白(而这也是一切任务中最困难的一项),当他向上述问题时,在他的心目中“因果性”和“决定论”二词的意义,和海森伯在说明他的答复时,这些词在海森伯的心目中所具有的意义是否相同。否则,海森伯所回答的不是读者所问的问题,在读者方面就会发生完全的误解。

现代物理学允许因果性概念有两个不同的、科学上准确的意义,其中一个比另一个强,而在物理学家中间,对于应当使用“因果性”一词来表示这两个意义中的哪一个,并没有取得一致意见,因此,情况就更为复杂了。因此,某些物理学家和科学哲学家用这个词来表示两个意义中较强的一个。时常有这样的证据,至少海森伯教授在本书中的用法就是这样。其他的物理学家和哲学家,包括这篇序言的作者,则用“因果性”一词表示两个意义中较弱的一个,而用“决定论”一词来表示较强的意义。如果按照前一种用法,“因果性”一词同“决定论”就成为同义语了。如果按照第二种用法,则每一个决定论性的系统都是一个因果性的系统,而每一个因果性的系统却不一定是决定论性的系统。

在这个题目的上述讨论中,已经产生了巨大的混乱,因为经常出现这样的情况:不论是提问题的人,或是回答问题的物理学家,都未曾仔细地说明在问题或回答中,他使用“因果性”这个词,究竟是用它较弱的现代科学意义,还是用它较强的意义。如果有人问:“因果性在量子力学中成立吗?”而没有指明他是在较强还是较弱的意义上提出有关因果性的这个问题的,那么,人们会从有同样才能的物理学家那里得到显然相互矛盾的回答。在较强意义上使用“因果性”一词的一位物理学家,会十分正确地回答:“不。”在较弱的意义上使用“因果性”的另一位物理学家会同样正确地回答:“是。”自然,这给人产生了这样一种印象,以为对于答案究竟是怎样的,量子力学并不明确。然而,这种印象是错误的。一旦人们具体说明了他所说的“因果性”的意义,使得问题和回答都毫无歧义,量子力学的回答就不再是含糊的了。

由此可见,弄清楚“因果性”一词的可能的不同含义是重要的。让我们从外行人通常使用“原因”一词的用法开始,然后转到现代物理学中比较精确的意义,并且在中途考察一下亚里士多德的物理学中所说的意义。

人们可以说:“石头打中窗于使得(Caused)玻璃破碎了。”在 “因果性”(Causality)的这种用法中,它被认为是对象之间的关系,即石头和窗玻璃之间的关系。科学家以不同的方式表示同一件事。他用石头和窗玻璃在它们相碰以前的时刻t1的状态,和在它们相碰时以后的时刻t2 这两个对象所组成的同一系统的状态来描述上述那组事件。因此,外行人倾向于把因果性设想为各个对象之间的关系,而科学家则把它设想为同一个对象或者同一组对象在不同时间的不同状态之间的关系。

这就是为什么为了断定量子力学关于因果供所说过的话,人们必须注意两件事的原因。这两件事是:(1)规定任何物理系统在任何特定时刻t的状态的态函数;(2)将物理系统在较早的时刻 t1的态同它在任何可确定的较晚时刻t2的不同的态联系起来的薛定谔时间方程。因此,海森伯关于(1)和(2)所说的一些活,必须小心翼翼地来阅读。

如果我们考察一既定物理对象或物理对象系统在不同时刻的态之间的关系可能具有的可能性质,会对于理解量子力学关于这种关系的论述有所帮助。关系最弱的可能情况应该是单纯在时间上相继的情况,在这情况中没有任何必然的联系,甚至也没有出现下面这样的事情的几率(不管多么小):特定始态随着时间的流逝,会被一个特定的未来态所追随。为了使我们相信直接感觉的自然现象的一些感觉状态之间具有这样的性质,休谟(Hume)进行了论证。正如他所指出的,人们肯定感觉不到任何必然联系的关系。人们也不能直接感觉到几率。对于任何现象的相继状态,感觉所给予我们的一切,仅仅是在时间上相继顺序的关系而已。

这一点具有头等的重要性。它意味着,要在任何科学或常识中,得到关于任何对象或者系统的相继状态之间关系的因果性理论,或者甚至只要得到一个几率理论,人们只能运用思辨的方法和由公理法构造起来、由演绎法系统阐述的科学与哲学理论,而这种理论不是直接用感觉材料和实验数据来检验的,而只能通过从它推演出的结果未间接地检验的。

关于任何物理系统在不同时刻的各个态之间的关系的特征的第二种可能性是一种必然的联系,但是人们只有认识了未来的态,才能知道这种必然联系是什么。要获得后一种关于未来态的知识,可以等它到来,或者可以观察过去类似系统的未来态或终态。如果情况是这样的话,因果性就是目的论的了。系统随时间的变化是由这个系统的终态或目的所决定的。物理系统在早期t1时的状态是一颗椽子而在后期t2时是一株橡树,这就是一个例子。这样两个状态之间的联系看来是一种必然的联系。橡子决不能变成枫树或大象。它们只能变成橡树。然而,给出在早期t1时处于橡子状态的这种物理系统的性质,还没有科学家能够推演出系统在后期t2时将具有的橡树的种种性质。亚里士多德的物理学就曾断言,一切因果关系都是目的论的。

另一种可能性是,在不同时间的任何对象或任何对象系统的态之间的关系是这样一种具有必然联系的关系,即知道了系统(假设是孤立的)始态,就能推演出这系统的未来态。用比较专门的数学语言来说,这意味着,存在一种间接证实了的、由公理法构造起来的理论,它的公设是:(1)指定一个态函数,它的独立变量完全规定了系统在任何指定时刻的态,(2)规定一个时间方程,把在任何早些时候t1时这个函数的独立变量的经验数值和在任何特定的晚些时候t2 时它们的经验数值以这样一种方式联系起来,那就是把操作上决定的t1时的数值巢引人时间方程,未来t2时的数值只要用解方程的办法就可以推算出来。如果情况是这样的话,那么,各个态之间的这种时间关系就可说是给力学因果关系作出了例征。

应当注意,这个力学因果性的定义对于需要用怎么样的独立变量来规定系统在任何已定时间的态的问题,仍然悬而未决。因此,至少出现两种可能性:(a)几率概念可以用来规定系统的态,或者(b)不可以这样使用几率概念。如果(b)成立,态函数中就不出现同几率有关的独立变量,这时就存在着较强类型的力学因果性。如果(a)成立,同几率有关、也同位置、动量这类其他性质有关的独立变量就会在态函数中出现,这时就只存在较弱类型的力学因果性。如果读者心中牢记力学因果性的这两种意义,并且弄明白海森伯在本书的任何特殊句子中引用的是哪一种意义,那就应当能够得到有关现代物理学中因果性状况问题的答案。

决定论又是怎样的呢,也是这样,在物理学家和科学哲学家中间,关干这个词该如何使用,也没有一致的协议。按照常识的用法,它和可能最强的因果性相等同。因此,我们将把“决定论”一词只用来表示力学因果性的较强类型。这样,我相信,本书的细心的读者会对他的问题得到下列答案:在牛顿力学、爱因斯坦力学和量子力学中,与其说是目的论的因果性成立,不如说是力学因果性成立。这就是为什么把量子物理学称为量子力学,而不称为量子目的论的缘故。但是,既然牛顿物理学和爱因斯坦物理学中的因果性是属于较强的类型的,因而这种因果性既是力学的,又是决定论的;而量子力学中的因果性,是较弱的因果类型,因而是力学的,但不是决定论的。从后一事实可以看出,如果海森伯在本书中处处是在较强的、决定论的意义上使用“力学因果性”一词,并且提出这样的问题;“在量子力学中,这种较强意义的力学因果性成立吗?”那么,答案必定是“否”。

读者会发现,情况甚至比不同类型的因果性之间的这些初步区分所显示的还要复杂。然而,可以期望,对这些不同的意义予以集中的注意,会使读者能够找到比用别的办法更方便的办法来读懂这本异常重要的书。

这些区分还足以使人们抓住在现代物理学中引人较弱类型的力学因果性(这已出现在量子力学中〕的巨大哲学意义。它的意义就在于将亚里士多德物理学中的客观的、并且在这个意义上是本体论的潜能概念和现代物理学中的力学因果性概念调和起来。

由此可见,如果读者由于海森伯强调了在量子力学中有某种类似于亚里士多德的潜能概念的东西,就下结论说当代物理学已把我们带回到亚里士多德的物理学和本体论,那该是一种错误。如果反过来作这样的结论:因为在量子力学中,力学因果性在它的较弱的意义上仍然成立,所以,现在在现代物理学中,在它的因果性和本体论方面,同量子论产生以前的情况完全一样。这个结论同样也是错误的。已经发生的事情是:在量子论中,当代的人已经超过古典的、中世纪的和近代的世界前进到一个新的物理学和哲学,它把两者的某些基本的因果性的假设和本体论的假设前后一致地结合起来了。这里,让我们回想起这样一点,就是我们使用“本体论的”一词去表示任何实验上证实了的科学理论的概念,这些概念涉及了科学知识的对象,而不仅仅涉及那种作为认识主体的科学家和他所认识的对象之间的认识论关系。当物理学家们发现,除非他们把几率的概念,从它在规定什么时候他们的理论在实验上被证实或不被证实时所扮演的牛顿式的和爱因斯坦式的、仅仅是认识论的、误差论的角色,扩大成为在理论公设中原则上被指定的、表征着科学知识对象本身的本体论角色,否则,就不可能从理论上说明康普顿效应和黑体辐射实验的结果;在这个时候,这样一种实验上证实了的关于本体论的潜能和本体论的力学因果性的哲学综合(在后一概念的较弱的意义上)也就出现了。

海森伯在他听从于那种由实验和教学的考虑二者所强加给他的,使他以如此深刻的方式来修正中世纪和现代人的哲学和科学信仰的必要性之前,经历了本书所描述的那样一种主观感情经验,对此,我们用不着感到惊讶。对最富有创造力的时刻的人类精神的第一手描述感兴趣的那些人,会仅仅因为这个因素就会想读这书本。如果人们回想一下,甚至象爱因斯坦这样勇敢和富有创造精神的人物,也曾在迈出背离近代经典物理学的彻底决定论这一步时踌躇不前,人们就会赞赏迈出这一步的勇气了。爱因斯坦不允许上帝掷骰子;他认为,在科学知识的对象中不可能有如量子力学中较弱形式的力学因果供所允许的那种潜能。

然而,在人们作出“上帝已成为一个十足的赌棍,并且潜能存在于一切对象之中”这样的结论之前,必须注意到量子力学给它的力学因果性的较弱形式的应用所加的某些限制。为了体会这些限制,读者必须注意本书关于下述三方面的论述:(1)康普顿效应,(2)普朗克常数h和(3)用普朗克常数h来规定界限的测不准原理。

这个常数h是一个有关任何物体和物体系统的作用量子的一个数值。这个把原子性从物质和电扩展到光以至能量的量子是很小的。当被观测系统的各个量子数都很小,就像亚原子现象中的情形那样时,由海森伯的测不准原理所规定的系统质点的位置和动量的不确定性就变得可观了。从而,与态函数中位置-动量数值相联系的几率数值也变得可观了。然而,当系统的各量子数都很大时,海森伯原理所规定的不确定性就变得无关紧要,而态函数中的几率数值也可以忽略不计。这就是关于普通的大物体的情形。在这个时候,具有根本上较弱类型的因果性的量子力学,就作为它本身的一个特例,导致了具有较强类型的因果性和决定论的牛顿和爱因斯坦力学。因此,当人类仅仅考虑普通的大物体时,较强类型的因果性就成立,从而决定论仍居统治地位。

然而,亚原子现象对于人类也是具有科学意义的。至少,对于这个领域,控制人类的因果性是属于较弱的类型,而人类把力学的宿命和潜能二者都体现了出来。有一些科学根据可使人相信这种情况甚至在遗传中也会发生。想在本书篇幅之外探索这个题目的任何读者可以看看爱尔文·薛定谔(Erwin Schrodinger)教授的《生命是什么?》一书,薛定谔是一位物理学家,量子力学的时间方程就是用他的名字命名的。无疑,潜能和较弱的因果性形式对于人类的无数其他特性也是成立的,特别是人的大脑皮层神经中枢的那些生理现象,那些现象在认识上是同人类的直接的内省观念和目的相关联的。

如果上述可能性成立的话,一个科学、哲学以至道德的难题就可以迎刃而解了。这个问题就是:力学因果性,甚至是它的较弱的形式即量子力学的因果性,如何同专门存在于人的道德、政治和法律目的中和他的身体行为(其中至少有一部分是由于上述目的)的有目的的因果决定中的目的论因果性调和起来,简单地说,海森伯在本书中详细阐述的物理哲学怎样同道德、政治、法律科学和哲学调和起来,如果在这里对某些把物理学因果性理论同人文科学和社会科学中的机械论和目的论之间的广泛关系关联起来的某些论文作一简要的介绍,可能有助于读者体会到为什么在这些较大问题能被正确理解和有效解答之前,必须精读这本书。这方面有关的论文是:(a)罗森勃吕特(Rosenblueth)、维纳(Wiener)、毕格罗(Bigelow)等教授在 1943年 1月《科学的哲学》(The Philosophy of Science)期刊上的论文;(b)麦克柯勒(McCulloch)和皮茨(Pitts)两博士在《数学生物物理学通报》(The Bulletin of Mathematical Biophysics)第 5卷(1943年)和第 9卷(1949年)上的文章;(c)本序作者(即F·S C.诺斯劳普)编的、耶鲁大学出版社1949年出版的《意识形态分歧和世界秩序》(Ideological Differencesand World Order)一书的第十九章。如果在读了本书之后再读上述文章入阿将表明目的论因果性是怎样作为海森伯在这里描述的力学因果性的一个特例而出现的。同样(b)将提供一个用(a)的目的论力学因果性来表示的内省观念的神经关联的物理理论,从而对观念为什么能够对人的行为产生一种有因果性意义的效果作出解释。并且,(c)将表明人的道德、政治、法律观念和目的如何以(b)和(a)的方式,与海森伯在本书中如此透彻地描述过的物理潜能和力学因果供理论相联系。

还需要提醒读者注意的是海森伯教授关于玻尔的互补原理所作的论述。这个原理在波尔、海森伯都包括在内的“哥本哈根学派”所作的量子论解释中起着重大的作用。某些量子力学的学者,例如马报脑(Margenau)在他的《物理实在的本性》一书中,都倾向于下述结论:量子力学仅仅需要它的态的定义、它的薛定谔时间方程和其他一些数学公设,就足以保证(如前所述)把爱因斯坦力学和牛顿力学作为量子力学的特例而从量子力学推导出来。按照后一个命题,互补原理是起因于人们不能在内心连续地保持较强或较弱的力学因果性,而把较强的形式最终归因于量子力学中只包含较弱形式的那些部分。当这种情况发生时,必须引入互补原理以避免矛盾。然而,如果人们回避了上述实际,互补原理即使不成为无用的,至少也不过是一种形式,这样,人们要避免如马报脑所指出并为玻尔所重视的那种危险;那就是以互补原理的名义,反复无常地玩弄矛盾律,给物理学和哲学问题以虚假的解决。

通过互补原理的使用,对于原子物理学的粒子图象的日常语言和其波动图象的日常语言所必须加上的限制都融合在一起了。但是一旦用那种由公理法构造起来的数学严密性来表述这个结果,互补原理的任何进一步使用都仅仅是当人们抛开量子力学的严格而又基本的数学假设,而沉洒于日常语言和波动与粒子的映象时的一种表面的方便。

为了使读者能够对海森伯在本书中关于物质实体和精神实体的日常概念和笛卡儿概念的论述作出有见识的判断,有必要深入到互补原理的不同解释中去。这是因为他所作的关于笛卡儿的结论来源于他把互补原理推广到物理学之外,首先推广到通常的生物学概念和数学物理学概念之间的关系上去,其次推广到肉体-精神问题上去。这种推广的结果是,笛卡儿的精神实体理论,正如一般实体概念一样,在本书中比本序作者所知的任何其他论述当代物理学的哲学的著作要运用得好得多。

例如,怀特海曾下结论说,当代秤学和哲学没有实体概念的地位,也不需要实体概念。中立一元论者(Neutral monist)如罗素勋爵和逻辑实证论者如卡尔纳普(Carnap)教授也都同意这种看法。

一般地讲来,海森伯主张:在人们知道了那些使原子物理学问题完全阐明的精炼的概念之后,就没有强制性的理由要抛掉通常的生物学概念,或者数学物理学概念。因为原子物理学问题的阐明是完全的,它只同科学中一个范围很有限的问题有关,而不能使我们在其他地方避免使用许多经不起量子力学中所作的那种批判分析的概念。既然完全阐明的理想是不能达到的——重要的是,在这一点上我们不应当受骗——人们可以沉湎于日常概念的使用,如果使用日常概念是足够小心谨慎的话。在这方面,当然,互补性是很有用的科学概念。

在任何事件中,有两件事看来是明白的,它们使得海森伯关于这些问题所作的论述显得特别重要。第一件事是互补原理同肉体与精神的笛卡儿概念及日常概念在目前的有效性是共存亡的。第二件事是可能所有这些概念不过是方便的梯子,它们在现在或者将来总得被抛掉。即使如此,至少在关于精神的理论方面,这梯子必须一直留到这样的时候,在那时我们由于使用它而找到了语言学上更严格和经验上更令人满意的理论,使得我们可以搬掉笛卡儿的语言。诚然,关于精神的片段的理论并不求助于现有的实体概念,但是,这些理论的作者当中,除了怀特海,还没有人说明过,这种片段的理论的语言怎样才能同人类知识的其他事实的科学语言建立起相称的和相容的关系。因此,任何人,不管他是一个专业物理学家,还是一个哲学家,或者是一个外行的读者,如果他认为在这些重要问题上要比海森伯懂得更多,他就会留巨大的风险去设想他有一个关于精神及其与肉体的关系的科学理论,可是事实上大概不会有这么一回事。

到此为止,我们集中注意了当代物理学的哲学关于科学知识的对象(作为不依赖于它和认识主体即科学家的关系的客体)所作的论述。简言之,我们已经讲到了它的本体论。这种哲学还有它的认识论成份。这种成份分为三个部分:(1)下述两方面的关系:(a)给予物理学家(作为对他的观测和实验进行归纳的认识主体)的直接观测资料;(b)思辨地提出的、间接证明了的、用公理法构造起来的他的理论公设。后一项(b)规定了作为客体的科学知识的对象,因此给出了本体论。(a)和(b)之间的关系规定了认识论中的一个因素。(2)几率概念在误差论中的作用,利用误差论,物理学家可以规定一个准则,用以判断他的实验数据(由于人的实验误差)可以偏离理论公设所推演出来的结果到什么程度,而仍然可认为是证实了这个理论。(3)所进行的实验对于被认识的对象的影响。海森伯关于当代物理学的这三个认识论因素中的头两个因素所作的论述已在本序中着重说明了。还有待读者予以注意的是他关于第三项的论述。

在量子力学以前的现代物理理论中,(3)不起任何作用。因此,那时现代物理学的认识论只需(1)、(2)就完全被说明了。然而,在量子力学中,(3)[以及(1)和(2)]变得很重要了。当被观测的对象的量子数是很小时,观测动作本身就会改变被观测的对象。

从这个事实出发,海森伯对有关观测对象、进行观测的物理学家、以及宇宙的其余部分三者之间的关系作出了很重要的结论。如对下列关键性论点予以注意,就能够体会这个结论。读者可能还记得,在本序前面所作的若干关于力学因果性的定义中,加了限制词“对于一个孤立系统”;在其他地方它是隐含的。这种限制条件在牛顿和爱因斯坦力学中原则上可以得到满足,而且在实际上,通过精益求精的观测和人们的实验仪器的改善,也可以得到满足。然而,在量子力学中关于科学知识对象的态的定义中,几率概念的引入,在原则上而不仅是在实际上(由于人的观测和仪器的不完善〕不允许满足“物理学家知识的对象是一个孤立系统”这一条件。海森伯还说明,把实验仪器、甚至把进行观测的物理学家的眼睛也包括在作为认识主体的知识对象的物理系统之内,也帮不了什么忙,因为,如果量子力学是正确的,那么,一切对象的态在原则上都必须用几率概念来定义。因此,只有当整个宇宙包括在科学知识的对象之内,限制条件“对于一个孤立系统”才能够得到满足,并且即使对干力学因果性的较弱形式也能满足。很清楚,本书证明当代物理学的哲学在它的认识论方面和它的本体论方面一样新奇。确实,正是由于它的本体论的新颖——潜能和较弱形式的力学因果性的前清一致的统———才产生了它的认识论的新奇性。

毫无疑问,另一件事也是清楚的。现代物理学的一些由实验证实了的特殊理论,对它们关于人类知识对象及其身认识主体的关系的论述所作的分析,展示了一种非常丰富多采的本体论和认识论哲学,它是科学理论和科学方法本身的一个主要部分。因此,物理学既不在认识论上也不在本体论上中立。否认物理学家理论的任何一个认识论假设,就没有科学方法可以检验理论关于物理对象所作论述究竟是真是假(指在经验上是否被证实的意义上)。否认任何一个本体论假设,在用公理法构造起来的物理学家理论的数学公设中,就没有足够的内容可以允许椎演出实验事实,而提出这些实验事实是为了进行预测、作出始终一致的对应并且作出解释。因此,实验物理学家在多大程度上向我们保证他们的当代物理理论间接地在实验上被证实了,那么在事实上(ipso facto),他们也就在同样程度上向我们保证这个理论的丰富多采的本体论和认识论哲学已被证实了。

当这种从经验上证实了的自然科学中的关于“真”的哲学同人文学和社会科学中关于“善”和“正义”的准则打成一片时,人们就有了伦理学和法学的自然律了。换句话说,人们有了一个具有科学意义的认识标准和方法,它可用来判断成文法律中那种字面上的关于个人和社会的规范,也可以用来判断那种体现在实际的人的风俗、习惯和传统文化制度以及世界文化中的活生生的社会精神。这种新的物理哲学同一些有关的人类文化哲学相结合,是今天和明天的世界的主要事件。正是在这一点上,本书中的物理哲学同它与物理学的社会后果的重要关系结合在一起了。

本书的一些章节曾于1955至 1956年间冬季学期在圣安德鲁兹(St.Andrews)大学的基福特(Gifford)讲座上宣讲过。按照基福特讲座创立者的意志,这个讲座应当“自由地讨论所有下面这类问题:人类关于上帝或者无限、它们的起源、自然和真理的概念,人类是不是能够有任何这类概念,上帝是不是要受到任何限制,那是些什么限制,如此等等”。海森伯的这些讲演并不试图涉及这些最普遍和最困难的问题。但是,他的这些讲演力图远远超越一门专门科学的有限范围,而深入到那些由于自然科学新近的巨大发展和影响深远的实际应用所引起的关于人的一般问题的广阔领域中去。

诺斯劳普(F·S·C·Northrop)

耶鲁大学法学院斯特林讲座哲学和法学教授

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

科学真理和宗教真理

我感谢您们给我的荣誉,这是和罗曼诺·瓜尔迪尼(Romano Guardini)的名字相联系的。这对我特别亲切,因为瓜尔迪尼的精神世界早在我青年时期就给我以深刻的影响。当我还是一个青年人的时候,我读了他的著作,通过他的评介来看陀思妥耶夫斯基作品中的人物,后来我又很幸运地与他有个人的交往。瓜尔迪尼的世界是宗教的世界,而且是彻底的基督的世界,乍看起来似乎很难找到它与科学的世界之间的联系,而我从学生时代起就在科学的世界之中从事工作了。你们都知道,在科学的发展过程中,自从对伽利略的著名审判以来,人们已一再地表示了这样的意见,即科学真理不能与对世界的宗教解释相调和。尽管我深信科学真理在它自身的领域内是不容置疑的,但是我决不能排斥宗教思想的内容,不能认为它只是我们曾经经历过的人类意识的一个阶段而在将来我们就可以排除这部分内容。所以在我一生中,我不得不持续不断地思考这两个精神世界之间的关系,因为我从来不能够怀疑它们两者所指示的真理。我想在我这个讲话中首先谈谈科学真理价值的不容置疑的特性;然后谈谈更广泛的宗教领域,这里要涉及到瓜尔迪尼以如此令人信服的方式论述过的基督教;最后,——这将是最难以表述的方面——谈谈两种真理彼此之间的关系。

关于现代科学的开始,即哥白尼、咖利略、开普勒、牛顿的发现,人们通常是这样说的,圣经和教会神父的著作中所断言的宗教天启的真理曾支配了中世纪的思想,这时被补充以感觉经验的实在,它可以由每个人的健全的五官加以检验,如果检验时足够小心,其结果是无可怀疑的。但是这种最初的描述新思想的方法只对了一半,它忽略了某些十分重要的因素,忽视了这些因素,我们就不能理解这种新思想的力量。现代科学的开始是同否定亚里士多德而接受柏拉图相联系的,这决不是偶然的。早在古代,亚里士多德作为一个经验论哲学家,就曾经抨击过毕达哥拉斯派(而我们必须把柏拉图算作其中的一个)不是从事实寻求解释和理论,而是根据某些理论和所珍爱的观念来摆弄事实,而且我们可以说,他们把自己看成是参与结宇宙以形状的峨在这里基本上是引用亚里士多德的原话)。事实上,新科学并不象亚里士多德批评时所主张的那样直接来自经验。我们只要想一想对行星运动的理解。直接的经验教导我们,地球静止不动而太阳绕它运转。今天,我们甚至可以以更极端的形式说,“静止”一词是由地球静止着这个陈述来定义的,并且我们把相对于地球是不动的每一物体描述为静止的。如果对“静止”一词作如此理解——而这是普遍接受的意义——那么,托勒密是对的,哥白尼却错了。只有当我们沉思了“运动”和“静止”的概念,并把运动理解为至少是关于两个物体的关系的陈述,我们才能够把关系倒转过来,使太阳成为行星系的不动的中心并获得一个简单得多、也更统一的关于行星系的观点,后来牛顿充分评价了这种观点的阐明的力量。因此,哥白尼把一个全新的要素加到直接经验之上,我称这个要素为“自然定律的简单性”,而它与直接经验毫无关系。从伽利略的落体定律可以看到同样的情况。直接的经验教导说,轻的物体比重的物体落得更慢些。可是,伽利略主张,在真空中一切物体落得同样快;而且它们的降落运动可以用数学表述的定律,即伽利略的落体定律,作正确的描述。那时还不可能观测真空中的运动。直接经验的位置被经验的理想化形式所取代,而这成了理想化的正确形式,在这种形式中可以使教学结构在现象中显现出来。毫无疑问,在现代科学的早期阶段,对新发现的数学定律产生了最大的信心。这些数学定律是神的意志的明显的表示——我们从开普勒的著作中读到这句话——并且开普勒对他自己是第一个认识到神的创作之美的人而感到狂喜。由此可见,这种新思想与排斥宗教毫无关系。即使新的发现确实在某些地方违背了教会的教义,但是如果一个人能够如此直接地体验上帝在自然界中的创造,上述违背就无关紧要了。

当然,我们在这里所说的上帝是安排秩序的上帝,我们不知道他是否等同于我们祈求的上帝,我们把生命归之于他的上帝。所以,我们或许可以说,过去的着重点是在神的创造的这一部分,因此产生了失去整体观点、广泛联系的观点的危险。但这也是新科学取得巨大成果的真正理由。哲学家和神学家关于事物的广泛联系谈了那么多;以致于在这个题目上没有多少新东西可讲了;经院哲学已经为思维过程耗尽了精力。但是很少有人深入自然事件的细节。这是少得多的人物能够作出贡献的那种工作,此外——也考虑到关于这些细节的知识有某些实际的用途。在当时出现的某些学会中,只讨论观测到的细节,而不讨论广泛的联系,几乎成了一个神圣的原则。他们处理的不是直接经验,而是理想化了的经验,这一事实导致新的实验和量度技术,作为一种接近理想情形的方法,它可以得出总可能与实验结果相符合的结论。这当然不如在以后几个世纪显得那么明显;因为它假定在同样条件下总是发生同样的事情。人们开始发现,如果人们可以通过仔细地选择实验条件并与外部世界相隔绝而创立某种现象,那么支配这些现象的定律就会以纯粹的形式出现,而现象则由明确的因果性所决定。这提高了对事件的因果性过程的信任,人们认为它是客观的并且不依赖于观测者的,这成了新科学的基本假设。你们都知道,几个世纪以来的事实已经证明了这个假设的价值,而只是到了最近,我们通过关于原子的实验才被迫认识到这种方法的极限。即使把这一经验记在心中,我们似乎仍有一个不容置疑的真理标准。可重复的实验的自然界最终总是使人们同意自然界的真实的行为。

随着这种新科学的总方向,我们看到后来时常讨论的特征的开端,这就是对定量的强调。要求准确的实验条件和精密的量度,要求精密、明确的语言和一种理想现象的数学表示,决定了这种科学的特征,并给予它以“精密科学”的名称。这个名称有时是褒义词,有时是贬义词。如果强调它的陈述的可靠性、严密性和不容置疑性,这是襄义词。如果这意味着它不适用于大量性质不同的经验,它的范围过于狭窄,这是贬义词。我们今天的科学技术面貌是由它发展过来的,比以往进步得多了。我们只要想一想登月所要求的极端准确性、几乎是难以想象的可靠性和准确性,就可以认识到现代科学要求多么牢固地奠基在真理之上啊。

但是我们当然要问这样的问题:这样集中注意实在的一个局部的方面,并且局限于实在的特殊部分所获得的这些成就,究竟有什么样的价值?我们知道我们这一代对这个问题作出了相互冲突的回答。我们读到了科学的善恶相克。我们知道在世界的哪些部分,把科学和技术成功地联系起来了,贫苦阶级的物质贫困已经大部分消除了,现代医药已经防止了成百万人因病死亡,交通和电讯已使生活方便多了。另一方面,科学可以被误用来发展具有最可怕的破坏力的武器;技术的优先发展损害并威胁了我们的生存空间。但是除了这些直接的威胁,我们的价值(伦理标准)也改变了,对物质生活的富裕这一狭窄领域注意过多,而生活的其他方面却被忽视了。虽然科学技术只能用作达到某个目的的手段,但其结果却决定于使用它们的目的是否善良。目的不能由科学技术内部来决定。我们必须从整个人类和人类的整个实在的观点出发,而不是从它的一小部分出发来作出决定,否则我们将完全误入歧途。关于这个实在包含了许多我们还没有讨论过的东西。

首先,事实是人类只能在人类社会关系中发展他的智力。区分人类与其他生物的真正本性是他超越纯粹感觉并珍视其他东西的能力,这些本性是以他是能说话并能思维的人类社会的一部分为基础的。历史教导我们,这样的社会不仅具有物理的形式,而且具有精神的形式,但是在我们所知的精神形式中,除了直接可见的和可感知的,人们试图寻求有意义的与整体的联系,这种意图几乎总是起着决定性的作用。只是在这种精神形式之中,在社会上有效的“学说”之中,人们才发现了他们自己行动的指针,而这里不仅是反映外部状况的问题;正是在这里首次决定有关价值(伦理标准)的问题。但这种精神形式不仅决定一个社会的伦理学,而且决定它的整个文化生活。只有在这里我们看到了真、善、美的密切关系;只有在这里我们可以谈论个人生活的意义。我们称这种精神形式为社会的宗教。这里赋予宗教一词的意义比通常理解的要更广泛一些。这意味着包含各种文化和不同时期的精神内容,甚至包含上帝的概念尚未出现的时期。只有在现代的极权国家中(那里完全排斥先验的东西)所采取的社会思维形式中,才可能怀疑宗教一词是否还能有益地运用。

瓜尔迪尼在他的有关陀思妥耶夫斯基的人物的书中论述了一个人类社会的形式和其中的个人生活如何打上了宗教的印记,关于这个问题很难有人比他叙述得更好了。这些人物的生活在每一瞬间都充满了为宗教真理的斗争;它好象是渗透了基督教精神,所以这些人在行善的斗争中的胜败并没有多大影响。即使他们之中的最大的恶棍还知道什么是善和恶,并且他们也按照基督教的信仰给予他们的伟大榜样来指导他们的行动。通常的一种反对基督教的意见,即认为基督教内的人和教外的人行为一样可怕,在这里就不成立了。当然,这种情况不幸是真有其事的,但是留在基督教内的人有明确的分辨善恶的能力;而且因为只有在那里我们有这种分辨善恶的能力,所以我们才有进步的希望。如果没有榜样来指引道路,我们就失去了价值(伦理标准)的尺度,随之也就失去了我们的行动和忍受痛苦的意义,最后的结果只能是否定和失望。所以宗教是伦理的基础,而伦理是生活的先决条件。因为我们每天必须作出决定,我们必须知道决定我们行动的价值(伦理标准),或者至少隐约地想到它们。

在这里我们看到了真正的宗教(在其中精神世界,万物的中心的精神秩序起着主要的作用)和更局限的思维形式,特别是当代的思维形式(它只与人类社会的经验方面有关)之间的特征性区别。关干后一种思维形式,我们在西方世界的自由民主中找得到,我们在东方的极权国家制度中也找得到。在这里也形成了一种伦理学,但只涉及道德行为的规范,而这种规范是从对直接可见的经验的观察推论出来的。宗教本身并不讲规范,而是讲指导性理想,我们用这些指导性理想指导我们的行为,而且我们至多也只能接近这些理想。而这些指导性理想并不是以直接可见的世界为基础,而是以在它之后的“王国”为基础,这个王国柏拉图称之为理念的王国,而圣经的说法是“上帝就是一种心灵”。

但是,宗教不仅是伦理的基础;它首先是信任的基础,这我们也可以从瓜尔迪尼那里学到,正如我们在儿童时期学语言一样,感到语言中所包含的理解是人们之间信任的最重要部分,所以宗教的形象和比喻是一种诗的语言,它在世界中,在我们存在的意义中产生信任。有许多不同的语言这一事实并不是障碍,我们似乎是由于机遇而生于某种语言或宗教的社会并带有它们的印记这一事实也不是障碍。唯一重要的是我们被引向世界中的这种信任,而这种信任可以在任何语言中碰到。对干俄国人,例如,他出现在陀思妥耶夫斯基的小说中,瓜尔迪尼写到了他,上帝在世界中的创造物是被持续不断地重复的直接经验,所以他们的信任是被持续不断地更新,甚至生理的需要似乎也以它们的方式牢固地坚持着。

最后,如我曾经说过的那样,宗教对于艺术也是最为重要的。如果,象我们前面所说的那样,我们称宗教仅仅是与人类社会有关的精神形式,那么几乎自然地会认为艺术必然是宗教的一种表现。看一看各种文化史就可以知道,我们事实上能够最直接地从现存的古代艺术作品确定那个时代的精神形式,即使我们已不再知道表现这些精神形式的宗教教义。

但是我在这里关于宗教所说的一切对于与会的您们是早已熟知的东西。我之所以重复叙述它,只是为了强调:一个科学界的代表,如果他努力思索了宗教真理和科学真理的关系,也必须承认宗教的无所不包的意义。自从十七世纪以来,这两种真理相互冲突的事实已对欧洲思想史产生了决定性的影响。人们普遍认为冲突的开端是罗马宗教法庭在1616年对伽利略的审判,当时的争执是哥白尼学说,几星期之前我们刚庆祝了哥白尼诞辰500周年。我必须更深入地谈一谈这个开端。伽利略主张哥白尼学说,按照这个学说——与当时占统治地位的托勒密的世界观相对立——太阳停留在行星系的中心,地球绕太阳运转,24小时转一圈。伽利略的学生卡斯泰利提出了这样一个论点:神学家对圣经的解释必须与已证实的科学事实相一致。这样一种说法可以被认为是对圣经的一种攻击,多明尼加的神父卡奇尼和洛林尼把问题提交宗教法庭。在1616年2月23目的审判中,哥白尼的两个论点被宣判为在哲学上是荒谬和异端的,这两个论点就是:第一,“太阳是世界的中心,因此是不动的”;第二,“地球不是世界的中心,不是不动的,而是天天在转动着。”经过教皇保罗五世的批准,贝拉尔明主教受命去规劝伽利略放弃哥白尼学说。如果他拒绝放弃,主教就要下令不许讲授这样一种学说,不许为它辩护,也不许讨论它。伽利略相当忠诚地服从了这个命令,但是在教皇乌尔班八世即位以后,他认为他可以继续公开地进行他的研究了。在1632年出版了著名的论战性的《对话》之后,引起了第二次审判,在这次审判中伽利略必须宣誓放弃一切形式的哥白尼学说。今天我们对审判的细节并不感兴趣,对双方的缺点也没有兴趣。但是我们能够也必须探索冲突的更深一层的缘由。

首先,重要的是双方在内心都明确相信他们自己是正确的。教会的权威和伽利略都同样相信很高的价值(伦理标准)处于危险之中,保卫这些标准是他们的责任。如我前面提到过的那样,伽利略通过仔细地观测地球上和天空上的现象,体验了落体和行星的运动,数学定律变得很明显,它使得以往不知道的现象的简单性程度变得明白可见了。他已认识到从这种简单性产生新的理解的可能性,我们能够在现象世界的永恒秩序中得出局部的体系。哥白尼对行星系的解释比传统的托勒密解释要简单;它允许一种新的理解,而伽利略无论如何也不愿意放弃他对神的秩序的新见识。相反教会则相信,不应该动摇许多世纪以来作为基督教思想不可分割的一部分的世界观,除非有十分令人信服的理由使人不得不这样做。不论是哥白尼或是伽利略都提不出十分令人信服的理由。事实上,这里争论的哥白尼学说的第一个命题,十分肯定是错的。今天的科学也不会说太阳是世界的中心,因而是不动的。在第二个讨论地球的静止位置的命题中,人们必须首先解释“静止”和“运动”二词的意思。如果人们给予它们一个绝对的意义,就象朴素的思想所认为的那样,那么它只是一个定义:地球是静止的。不管怎样,我们是在这个意义上用这个词,而不是在别的意义上。如果我们认识到这些概念没有绝对的意义,它们涉及的是两个物体之间的关系,那么人们是否把太阳或地球看作静止或在运动都没有什么关系。在这种情况下确实没有什么理由要改变旧的世界观。

还有,我们可以设想,宗教法庭的成员在简单性概念之内还包含着权力的观念,而伽利略自觉或不自觉地主张简单性概念,这从哲学上来看是从亚里士多德回到柏拉图。法官们显然也极大地尊敬伽利略的科学权威:因此他们并不希望阻挠他作进一步的研究,但是他们希望防止不安定和不确定的因素影响传统的基督教世界观,这种世界现在中世纪社会中起过如此决定性的作用,而且还继续起着这种作用。科学发现,特别是当它们还是新发现时,常常还要改变;最终的判定大多要在几十年的检验之后才能作出。为什么伽利略不应该等待一下,晚一点发表他的作品呢?因此我们必须恢复宗教法庭的名誉,他们在第一次审判时试图作出一种和解,并且通过了一个我们很容易接受的判决。但是一旦后来伽利略超越了第一次审判给他的科学活动规定的界限,第二次审判就使这样一些人占了上风,他们认为使用权力比作出和解要更为简单,所以对伽利略作出了影响极坏的严厉判决,它对以后的教会有十分巨大的损害。

今天有这样一种议论:作为一个社会的精神结构一部分的世界观曾经在使社会生活和谐方面起过重要的作用,人们不应该过早地把不安定和不确定的因素带入这种世界观。我们究竟应该给这种议论以怎样的评价呢?许多激进分子今天会用嘲笑反对这种议论;他们会提出这样的论据;这仅仅是保存腐朽的权力结构的问题,相反,人们应该试图尽可能快地实现变革或瓦解这些权力结构。但是必须提醒这些激进分子,科学同占统治地位的哲学之间的冲突在我们这个时代仍在进行,特别是在把辩证唯物主义选作思想基础的极权国家内。因此,苏联的官方哲学在与相对论和量子论搞好关系之前曾经历了一段艰难的时期;在宇宙学方面也有过厉害的意见冲突。最后,在1948年,在列宁格勒开了一次关于天文学的意识形态问题的会议,试图通过讨论和协议澄清争论问题,并引向和解的道路。

这里基本上不是事实问题,正如对伽利略的审判一样,而是社会的精神形式(它在本性上是静态的)和科学的经验和思想形式(它们是持续不断地扩展和更新的,因此具有动态的结构)之间的冲突。即使一个社会是经过巨大的革命动荡而产生的,它仍力求巩固它那种要成为新社会的永恒基础的精神根源。可是,科学却为扩展而斗争。即令人们要用自然科学或者某些其他学科作为活的哲学的基础,——而在辩证唯物主义中人们也尝试着某种类似的东西——那它也只能是过去几十年或几个世纪的学科,并且它一旦用语言固定下来,那就又成为以后的冲突的基本条件。所以一开始就通过更广范围的形象和比喻来阐明它,运用诗的语言〔它是对所有人类的价值(伦理标准)都开放的,充满着活生生的象征〕,而不是运用科学的语言,似乎还更好一些。

尽管有这些一般的困难,我们必须回过头来考虑关于审判伽利略的事实问题。哥白尼对某些天文观测的解释不同于托勒密,这对基督教社会重要吗?是否天空中有水晶球,是否行星木星被一些卫星所环绕,是否地球或太阳是宇宙的中心,这些问题对于基督教徒个人的生活基本上没有什么关系。对干个人来说,地球确实位于中心,它是他的生存空间。但它又不全是无关紧要的。两百年后,歌德仍以恐惧和敬慕的心情谈到人们承认哥白尼体系时必须作出的牺牲。他作出了牺牲,但不是心甘情愿的,虽然对他自己说来,他深信这个学说的正确性。也许罗马宗教法庭的法官们已经猜疑到,伽利略的科学可能引起向危险的方向变化。当然,他们可能并不否认象伽利略或开普勒那样的自然界的探索者发现了现象中的教学结构,把神的世界秩序的部分结构揭示了出来。但是关于光耀夺目的部分的这种观点或许会使得关于整体的观点显得暗淡无光;它可能带来这样的后果,当与整体联系的观点在个人的意识中消失时,社会的内聚的感情就受损害了,并受到衰败的威胁。随着受技术支配的过程取代天然的生活条件,个人与社会之间的疏远也发生了,而这就带来了危险的不稳定性。在贝尔托耳特·布莱希特的剧本《伽利略》中,一个修道士说:“反对哥白尼学说的教个启示我了解到人类在太缺少控制的科学研究中所包含的危险。”我们不知道这种考虑是否在当时已起了作用;但是自那时以来,我们已经知道这会带来多大的危险。

我们还可以从科学在基督教铸造的欧洲世界中的发展学到更多的东西,我希望在我讲话的最后一部分讨论这个问题。前面我已经试图说明,用宗教的形象和比喻,我们有了一种语言,它使我们理解在现象之后的可领悟的有秩序的世界,而没有这种语言我们就没有伦理学和价值(伦理标准)的尺度。这种语言在原则上同任何别的语言一样是可以取代的;在世界的其他地方,现在有、过去也有过别的语言,它们也帮助人们去理解。但是我们生在一个特定的语言地区内。这种宗教语言与诗的语言的关系比它与那种以准确性为目的的科学语言的关系更为密切。因此两种语言中的词常常意指着不同的奈西。圣经中的天堂(heavens)与我们把飞机与火箭进上去的天空(heavens)很少共同之点。在天文学宇宙中,地球只是无数银河之一中的一小点尘埃而已,但对于我们它将是世界的中心——它真正是世界的中心。科学试图赋予自己的词以客观的意义。但宗教语言却必须避免把世界分为它的客观方面和主观方面的这种区分;因为有谁会说客观方面比主观方面更重要呢,我们不应当混淆两种语言;我们应该用一种比人们过去惯用的思考方法更聪明的思考方法去思考。

而且,近一百年来科学的发展在它自己的领域中产生了这种更聪明的思考方法。自我们不再以直接经验的世界、而以一个我们只有用现代技术的工具才能深入进去的世界作为我们的研究对象以来,日常生活的语言不再适用了。当然我们最终能够在教学公式中表示这个世界的形式结构,从而实现对这个世界的理解;但当我们要谈论它的时候,我们必须使用形象和比喻几乎就象宗教语言中的形象和比喻一样,所以我们已经学会更谨慎地使用我们的语言,并且认识到表面的矛盾可能来源于语言的不适用性。现代科学已经揭示了一些范围宽广的定律,比伽利略、开普勒所揭示的定律适用范围要广泛得多。但是现代科学也已证明,随着对现象解释的广泛程度和抽象程度的增多,理解的困难也增长了。甚至关于客观性的要求,过去长时期来被认为是一切科学的前提,现在在原子物理学中也受到下例事实的限制,即不再可能把一个受观测的现象完全与它的观测者相分离。哪里还有科学真理与宗教真理之间的矛盾呢?

在这个问题上,物理学家庆耳夫冈·泡利有一次谈到两个对立的极端概念,二者在人类思想史上都极其富有成果,虽然它们哪一个也不符合于真正的真理。一个极端是客观世界的概念,它在时空中按照不依赖于任何观察主体的规律而运动;这是现代科学的指导原则。另一极端是主体的概念,它神秘地体验了世界的统一,它不再面对着任何客体,也不面对客观世界;这是亚洲人的神秘主义。我们的思想大致在这两个对立的极端概念之间摆动;我们必须承受这两极产生的张力。

谨慎地把宗教语言和科学语言区分开,也可以避免由于混淆它们而减少它们的内容。已经证实了的科学结论的正确性应当合理地不受到宗教思想的怀疑,反之亦然,发自宗教思想内心的伦理要求不应当被科学领域的极端理性的论证所削弱。无疑,随着技术能力的扩展,产生了不容易解决的新的伦理学问题。我可以举一些例子,例如一个科学家对他的研究成果的实际应用要负什么样的责任?或者在现代医学领域中提出的甚至更困难的问题:一个医生应该或者可以把一个垂死的病人的生命延长多久,对这样一些问题的考虑决不是要削弱伦理原则。但是我也不能设想这样一些问题仅仅用实用的权宜之计就可以解决。或许在这里有必要采取整体的观念:即用宗教语言表示的做人的基本态度,它是伦理原则的渊源。

或许今天我们有可能重新更正确地来分配着重点,这些着重点由于近百年来科学技术的巨大发展而失调了。我所谓的着重点是指我们对人类社会中的物质条件和精神条件的重视程度。物质条件是重要的,当技术和科学提供了机会时,社会有责任去消除广大人民群众在物质上的匮乏。但当做到了这一点时,仍留下许多苦难,并且我们已经看到,个人是多么需要一个社会的精神方面能够提供给他的保护,不管他是自觉地要求还是认为理所当然。或许我们最重要的任务正在于此。如果在今天的青年学生中有许多不幸,那么原因不在于物质上的贫乏,而是在于缺乏信任,这使得个人难以为他的生活找到目的。所以我们必须尝试着去克服孤立,它威胁着生活在被技术的实际需要所支配的世界中的个人。心理学问题或社会结构的理论考虑也没有多大帮助,除非我们通过实际的行动在生活的精神和物质领域方面重新成功地实现自然的平衡。这是在日常生活中恢复深藏在社会的精神方面的价值(伦理标准),并赋予这些价值(伦理标准)以如此巨大的光辉,使人们把它们当作他们自己个人生活的指针。

但是我的任务不是谈论社会;我应该讨论的是科学真理与宗教真理的关系。科学在近百年内作出了巨大发展。在这个发展过程中,我们用宗教语言谈到的生活的更宽广的范围被忽视了。我们不知道我们是否会成功地以老的宗教语言来表示我们未来社会的精神形式。理性主义地玩弄词句没有多少用处;诚实和方向是我们最需要的东西。但是,既然伦理是人类社会存在的基础,并且伦理只能从最基本的做人的态度(这种做人的态度我称之为人类的精神方面)中得到,那么我们必须都作出种种努力,和青年一代建立共同的做人的态度。我深信,如果我们又能够在两种真理之间重新找到正确的平衡,那么我们在这方面就能够取得成功。

[译自西德《总汇》(Universitas)1974年第1期]

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

量子论历史中概念的发展

普朗克在一次关于物理学发展的演讲中说过:“在科学史中,一个新概念从来都不会是一开头就以其完整的最后形式出现,象古希腊神话中雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样。”物理学的历史不仅是一连串实验发现和观测,再继之以它们的数学描述的序列,它也是一部概念的历史。为了理解现象,第一个条件就是引入适当的概念。只有借助于正确的概念,我们才能真正知道观察到了些什么。当我们进入一个新的领域时,常常需有新的概念。照例,新的概念总是先以不甚清楚、不很全面的形式出现。之后它们被修改,有时几乎被完全抛弃,并为一些更好的概念所取代,最后才成为清晰而明确的概念。我准备用三个实例来说明这种发展,这三个实例对我自己的工作一直是重要的。第一个是分立定态的概念,这显然是量子论中的一个基本概念。其次是态——不一定是定态或分立的态——的概念,它是只有在量子力学和波动力学发展了以后才能理解的概念。最后,与前面二者紧密连系着的,是基本粒子的概念,这是直到现在还有争议的概念。

分立定态的概念是尼尔斯·玻尔于1913年引入的。这是他的原子理论的中心概念,它的意思玻尔用如下的话作了说明:“必须弄清楚,这个理论不打算在以往的物理学中所使用的‘解释’一词的意义上来解释现象。它只打算把各种看来不相联系的现象联结起来,并指出它们是有联系的。”玻尔说,只有在建立起这种联系以后,才有希望给出一种在以往物理学中所指的“解释”那种意义上的解释。必须联系起来的现象主要有三个。第一是原子的稳定性这个奇特的事实。一个原子可以受到扰动,这种扰动或者由于化学过程,或者由于碰撞,或者由于辐射,或者由于其他任何原因,然而它总得回到它的原来的状态——它的正常态。这是以往的物理学不能满意地解释的一桩事实。其次是光谱定律,特别是有名的里兹定律:一个光谱中潜线的频率可以写成光谱项之差,这些光谱项必须看作是原子的特征性质。最后是卢瑟福的实验,这些实验引导他得出了他的原子模型。

上面这三组事实必须联结起来,而我们知道,分立定态的观念就是把它们联结起来的出发点。首先,我们不得不相信,原子处在分立定态的行为能够用力学来解释。这是必要的,否则就同卢瑟福模型联系不起来,因为卢瑟福实验是以经典力学为根据的。其次,也必须把分立定态同光谱的频率联结起来。这里就得应用里兹发现的定律,这个定律现在写成如下形式:h乘以谱线频率等于始态与末终态能量之差。但这定律最好用一个玻尔不肯接受的假设来解释,这就是爱因斯坦关于光量子的概念。玻尔有很长一段时期不愿相信光量子,所以他采取如下的看法:电子在它的统原子核运动的轨道上由于辐射失去能量,而定态则有如电子作运动时的中间站。其假设是:在辐射过程中,电子在称为分立定态的一些中间站上停止辐射。由于某些未知原因,它在这些中间站上不辐射,而最后一个站就是原子的正常态。当发生辐射时,电子从一个定态走到另一个去。

按照这个图象,处于定态的时间,要比从一个态到另一个态所需的时间长得多。但这两个时间之比当然绝未明确过。

关于辐射本身又怎样呢,我们可以使用麦克斯韦理论的一般概念。从这个观点看来,原子与辐射之间的相互作用似乎是一切困惑的根源。在定态时,不存在这样的相互作用,因此看来可以用经典力学来处理。但能不能应用麦克斯韦的辐射理论呢?我不妨提一句,采取这种观点大概是不必要的。人们本来可以更认真地采用光量子的观点。本来可以说,我们看到的光的干涉条纹,是由于对光量子运动的一些附加条件而产生的。我隐约记得早年同温采尔(Wentzel)的一次讨论,那次他向我解释过,有可能使光量子的运动量子化,从而得以解释干涉条纹。但不管怎样,这不是玻尔采取的观点。无论从哪里开始,总要碰到一大堆困难,所以我想比较详细地谈一下这些问题。

首先,曾有强大的论据支持定态的力学模型。我已提到过卢瑟福的实验。于是,原子中电子的周期性轨道就很容易同量子条件联系起来。因此,定态的概念可以同电子的特定椭圆轨道的概念联结起来。玻尔在他早期的演讲中,常常展示电子在它们绕原子核的许多轨道上运动的图象。

在好些有趣的场合,用这模型可处理得很完满。首先是在氢光谱中。再有索末菲关于氢光谱线相对论性精细结构的理论,以及所谓斯塔克效应——在电场中谱线的分裂。因之,大量材料似乎表明,量子化轨道同分立定态的这种联系是正确的。

另一方面,也有其他理由反驳说,这样的图象不会是正确的。我记起同斯特恩的一次谈话。他在1913年告诉我,当玻尔的第一篇论文发表后,他曾对一个朋友说,“要是玻尔刚发表的那些谬论是正确的话,我就不想再当物理学家了。”

现在我来指出这个模型的困难和错误。最严重的困难或许是如下所述。电子在这模型中作由量子条件规定的周期运动,因而它要以一定的频率绕原子核运动。然而,这个频率绝不会在观察中出现。我们决不会看到它。我们看到是些不同的频率,每一频率决定于从一个定态到另一定态的跃迁中的能量差。还有关于简并性的一个困难。索末菲引进了磁量子数。按照这种量子条件,当某方向有磁场时,原子绕这个磁场的角动量必须为±1或0。但如在另一方向取一不同磁场,就必须对这个不同的方向进行量子化。然而,可以先在某一方向有一极其微弱的磁场,而在很短时间之后变为另一方向。磁场是太弱了,不足以使原子转过去。因之同量子条件的矛盾看来无法避免。

正好五十年前我同玻尔的第一次讨论;就是围绕着这些难点之一进行的。玻尔在哥丁根作过的一次讲演中说过,在一恒定电场中,可以按量子条件算出定态的能量,而克拉麦斯(Kramers)关于二次斯塔克效应的最近计算可能给出正确结果,因为在其他场合这个方法很成功。另一方面,恒定电场与缓变电场的区别实在很小。若一电场不是变化得很缓慢,而是以一(比方说)很接近轨道频率的频率在变化,那末,我们知道,谐振当然并不是在外电场频率等于轨道频率时发生,而是当它等于在光谱中观察到的、由跃迁决定的频率时发生。

当我们讨论这问题时,最后玻尔试图解释说,一当电场随时间变化时,辐射力便出现,因而用经典方式把结果算出来大概就不可能了。但同时他当然会看到,在这一点上求助于辐射力是有些不自然的。所以我们很快便倾向于认为,分立定态的力学模型中必定有点什么东西是错误的。还有一篇非常关键性的论文没有提到。那是泡利关于 离子的一篇论文。泡利想过,如果有一个像氢那样具有周期轨道的明确模型,我们也许能应用玻尔-索末菲量子化规则,但对于一个复杂的模型,比方说氦原子,其中有两个电子绕原子核运动,那就恐怕不能应用了,因为这时我们将碰到三体问题中的一切可怕的数学困难和繁冗。另一方面,若有两个固定中心,两个氢核和一个电子,则电子的运动仍然是很好的周期运动,且可以计算出来。对于其他,这模型已经是太复杂了,所以它可用来作为一种校验,看看旧规则是否真的在这样一种中间状况下适用。泡利把这模型算了出来,发现他的计算果然得不出 。的正确能量。因此对于用经典力学计算分立定态的疑虑增加了,而注意力越来越转到了定态之间的跃迁。我们已经懂得,为了获得现象的完整解释,只算出能量是不够的,还必须算出跃迁几率。我们从爱因斯坦 1918年的论文知道,跃迁几率是规定为与始态、终态两个态有关的量。玻尔曾在其对应原理中指出,跃迁几率可以与电子轨道博里叶展开式的高次谐波的强度联系起来,从而加以估计。想法是:每条谱线对应于电子运动展开式的一个傅里叶分量,由其振幅的平方便可算出强度。当然,这强度不能与爱因斯坦的跃迁几率马上联系起来,但是它与之有关,因此可对爱因斯坦的量作某种估计。循此思路,注意力逐渐从定态的能量转移到定态之间的跃迁几率,而正是克拉麦斯,开始认真研究原子的色散,并将玻尔模型在辐射时的行为与爱因斯坦系数联结了起来。

在写出色散公式时,克拉麦斯的指导思想是,原子中虚谐振子对应于谐波。之后,克拉麦斯同我还讨论了散射光频率与入射光频率不同的散射现象。在这种现象中,散射光量子与入射光量子不同,因为当散射时原子从一个态跃迁到另一个态。这种现象那时刚被喇曼在带光谱中发现。在这些场合要写出色散公式时,就不单要谈到爱因斯坦的跃迁几率,而且也要谈到跃迁振幅,必须给振幅以相位,并且须将两个振幅相乘——比方说,从态m到态n的振幅乘上从态n到态k的振幅等等,然后对中间态n求和。只有做了这些以后,才得出色散的合理公式。

这样,我们看到,不把注意力集中到定态的能量而是集中到跃迁几率和色散以后,结果得出一条探索事物的新途径。事实上,如我适才所说,克拉麦斯和我写人我们的色散论文中的这些乘积之和,差不多已经就是矩阵之积。从那里只要再走很小一步就可以说,好吧,让我们抛弃电子轨道的整个想法,让我们简单地用相应的矩阵元来代替电子轨道的傅里叶分量吧。我必须承认,在那时我还不知道矩阵为何物,不知道矩阵乘法规则。但我们可以从物理中学到这些运算,尔后发现那正是数学家所熟知的矩阵乘法。

这时我们可看到,与分立定态联系着的电子轨道的概念,实际上已被抛弃了。然而分立定态的概念仍保存着。这概念是必要的,它在观测中有其根据。但电子轨道不能同观测联系起来。所以它被抛弃了,留下的是这些坐标的矩阵。

似乎应当提一下,在1925年发生这些之前,玻恩于1924年在哥丁根讨论班上已强调指出,把量子论的困难单单归诸辐射与力学体系间的相互作用,是不正确的。他宣传了这种想法:力学必须加以改造,必须用某种量子力学来代替,方能提供理解原子现象的基础。之后,矩阵乘法也规定了。玻恩与约尔当,和狄拉克独立地发现,在我第一篇论文中加于矩阵乘法的那些附带条件,实际上可写成qq-qp=h/2πi这样精致的形式。这样一来,他们便能为量子力学建立起一个简单的数学方程。

但即便到这时候,谁也说不出分立定态究竟是什么,所以现在来谈谈我这个报告的第二部分——态的概念。在1925年,确实已有了计算原子分立能量值的方法。并且至少在原则上,也已有了计算跃迁几率的方法。但原子的态是什么呢,怎样才能描述它呢,它不能根据电子轨道来描述。直到此时,态只能用能量和跃迁几率来描述,但原子的图象却一点也没有。何况也很显然,有时还有非定态。最简单的非定态的例子,是穿过云室的电子。因此问题实质上是,怎样处理这种可在自然界中出现的态。穿过云室的电子的径迹这样的现象,能不能用矩阵力学的抽象语言来描述呢?

幸而,那时薛定谔已经发展了波动力学。在波动力学中,事物看起来很不相同。在那里,对分立定态可以定又一个波函数。有一段时候薛定谔想过,分立定态可发展成如下图象:一个三维驻波,它可以写成一个空间因数与一时间周期函数e iωt的乘积,这个波函数绝对值的平方意味着电子密度。这种驻波的频率则使之等同于光谱定律中的项。这是薛定谔概念中决定性的崭新之点。那些项并不一定意味着能量,却是意味着频率。因此薛定谔走到了分立定态的一个新的“经典”图象,起初他相信,真的可以把这个图象应用于原子理论的。但没多久便看出,那也还是不行。1926年夏,在哥本哈根曾有十分激烈的争论。薛定谔认为,物质按波函数环绕原子核连续分布的原子波动图象,可以代替量子论的旧模型。但是与玻尔讨论导致的结论却是,这种图象甚至不能解释普朗克定律。对这种诠释,十分重要的是应当说,薛定谔方程的本征值不仅代表着频率,——它们实际上是能量。

这样一来,当然就回到了从一个定态到另一定态的量子跳跃的概念,薛定谔对于我们讨论的这种结果十分失望。但即便我们知道了这一点,接受了量子跳跃,我们也并不知道“态”这个词能意味着什么。当然,我们可以试试看,能否用薛定谔方程去描述穿过云室的电子。很快作了这种尝试,结果表明那是不行的。在初始位置时,电子可用波包来表示。波包要向前运动,于是我们获得了有些象穿过云室的电子径迹的东西。但困难的是,波包要越变越大,以致如果电子的行程足够长的话,它就会有一厘米或甚至更大的直径。这肯定不是在实验中观察到的现象,所以这种图象仍然必须抛弃。在这种情况下,当然我们作了许多讨论,而且是很困难的讨论,因为我们都感到,量子力学或波动力学的数学程式已是最终的了。它无法再改变,我们不得不按这个程式进行一切计算。另一方面,却没人知道在这程式中,怎样去表示象穿过云室的电子径迹这样简单的事例。玻恩迈出的第一步是:从薛定谔理论算出碰撞过程的几率:他引进了一个概念:波函数的平方并不是薛宝谔所认为的电荷密度,而是代表在某绘定地点找到电子的几率。

之后狄拉克和约尔当的变换理论也出来了。在这理论中,可以从ψ(q)变换到(比如说)ψ(p),而且很自然地可以认为,平方值|ψ(p)|2 应当是找到动量为p的电子的几率。因此我们逐渐获得这样的概念:波函数的平方意味着某种几率,顺便提一下,这并非三维空间中的波函数,而是在位形空间中的波函数。有了这种认识以后,我们再回到云室中的电子。会不会是我们问了错误的问题,我记得,爱因斯坦告诉过我:“正是理论决定什么是可以观测的。”那意味着,如果认真一点讲,我们不应当问:“我们怎样才能表示云空中电子的径迹?”而应当问:“在自然界中,是否真的只有那些能用量子力学或波动力学表示的情况才会出现?”

围绕这个问题,我们立刻看到,云室中电子的径迹并不是具有明确位置和速度的一条无限细的线,实际上云空中的径迹是一系列点,这些点是由水滴不太精确地确定的,而速度也同样不能太精确地确定的。因此我简单地提这个问题:“如果从‘只有能用量子力学的数学程式表示的那些情况,才能在自然界中找到’这样的基本原则出发,那么,当我们想知道一个波包的速度同时又想知道它的位置时,所能获得的最佳准确度是怎样的呢?”这是一个简单的数学问题,其结果便是测不准原理,它看来与实验情况相符。我们终于知道了怎样表示电子径迹这类现象,但又一次付出了很高的代价。就是说,这个解释意味着,表示电子的波包在每个观察点都在变化,也就是在云空中的每个水滴处都在变化。在每一点上,我们获得关于电子态的新信息,所以必须把原来的波包代以一个新波包,以表示这种新的信息。

这样表示的电子态,不允许我们赋与轨道中的电子以确定的性质,如坐标、动量等等。我们所能做的,仅仅是谈到几率:在适当的实验条件下,于某点找到电子的几率,或找到电子速度为某一值的几率。因此,最后我们得到的态的定义,比原来的电子轨道抽象得多。数学上,我们用希耳伯特空间中的一个矢量来描述它,并且这个矢量决定了在这个态时进行的各种实验的结果的几率。每一个新的信息,都会使态改变。

态的这个定义,对自然现象的描述作了一个巨大变革,或者如狄拉克所说是一个巨大的跳跃;并且我怀疑,爱因斯坦、普朗克、冯·劳埃和薛定谔的不愿接受它,是否可以单纯归结为偏见。偏见这个字眼在这里是太消极了,并没有概括所有情况。当然那也是真实的,例如爱因斯坦就以为,必然能够在旧物理学同样的意义上,对原子态这种事情给出一种客观描述。放弃这种观念的确非常难,因为我们的所有语言都同客观性的概念紧紧地连结在一起。所以在物理学中用来描述实验的字眼,例如测量、位置、能量、温度等等,都是以经典物理和它的客观性概念为根据的。宣称在原子世界中这种客观描述成为不可能,而只能用希耳伯特空间中的一个方向来规定一个态,这样的讲法实在是太革命性了;我想那时的许多物理学家干脆不愿接受它是并不奇怪的。

1954年,爱因斯坦死前几个月,他同我讨论了一下这问题。那是我同爱因斯坦渡过的一个愉快的下午,但一当谈到量子力学的诠释时,仍然是他不能说服我,我也不能说服他。他总是说:“是的,我承认,凡是能用量子力学算出结果的实验,是如你所说的那样出现的,然而这样的方案不可能是自然的最终描述。”

现在来谈我要讨论的第三个概念:基本粒子的概念。1928年以前,每个物理学家都知道,基本粒子意思指的是什么。电子和质子是最明白的例子,那时我们喜欢简单地把它们当作点电荷:体积无限小,仅由它们的电荷与质量所确定。我们不得不勉强地承认,它们必须有一半径,因为它们的电磁质量应当是有限的。这类对象应有半径之类的性质这样的想法,我们是不喜欢的;但至少它们看来似乎像球一样完全对称,所以我们还算高兴。然而以后发现了电子自旋,使这个图象大大改变了。电子并不对称。它有一根轴,并且这结果突出地指出,恐怕这种粒子具有更多的性质,它们并不是简单的,不像我们原先所想的那样基本。1928年狄拉克发展了电子的相对论理论并发现了正电子,情况又完全改变了。一个新观念不可能在一开始时就十分清楚的。狄拉克起初想,他理论中的负能量空穴可以等同于质子;但后来很明显,它们应当具有与电子相同的质量,最后在实验中发现了它们,并称之为正电子。我觉得这个反物质的发现恐怕是本世纪物理学中所有巨大跃进中的最大的跃进。这是一个无比重要的发现,因为它把我们关于物质的整个图景改变了。在我这次谈话的最后部分里,我想对此作较详尽的说明。

开始狄拉克提出:这种粒子可能在成对产生过程中产生出来。一个光量子,能把真空中的一个虚电子从一些负能态中的一个提到较高的正能量,这就意味着,光量子产生了一对电子和正电子。但这立刻意味着,粒子数不再是个好量子数了,没有关于粒子数的守恒律了。例如,按照狄拉克的新观念,我们可以说氢原子不一定要由质子和电子构成。它也可暂时由一个质子,两个电子,一个正电子构成。实际上,在考虑到量子电动力学的更精细的细节时,这些可能性确实起一些作用。

在辐射与电子相互作用的场合中,成对产生这种现象是会出现的。但这样就可很自然地假设,类似过程可能在远为广泛的物理领域中出现。1932年时我们已知道,原子核里没有电子,原子核是由质子和中子构成的。但后来泡利提出:β衰变也许可以这样来描述,就是说一个电子与一个中微子在β衰变中产生了出来。后来费米在他的产衰变理论中表述了这种可能性。由此可见,早在那时候粒子数守恒律就已完全被抛弃了。我们知道,在有些过程中,粒子是从能量产生出来的。当然,这种过程的可能性,在狭义相对论中已经给出:能量在转化为物质,但它的实在性却是联系到狄拉克关于反物质和成对产生的发现而首次出现的。

β衰变的理论,是费米在1934年发表的。不多几年后,连系着宇宙辐射我们提出一个问题:“如果两个基本粒子以很高能量相碰,将发生什么?”自然的回答是,没有什么良好理由可以认为,在这样的过程中不应当产生许多粒子。所以,实际上,在狄拉克的发现之后,高能碰撞中粒子多重产生的假设是十分自然的。十五年后,当人们研究极高能量的现象并能够在大加速器中观察到这些过程时,才对这个假设作了实验验证。但是,如果我们知道,在极高能量的碰撞中,任何数目的粒子都可能产生,唯一条件是初始的对称性与最终的对称性相同,那么我们还得假定,任何粒子实际上是一个复杂的复合体系,因为在某种程度的真实性上我们可以说,任何粒子实际上是由任何数目的其它粒子所构成。当然,我们还得承认,把一个 π介子看作仅由核子和反核子所构成大概是合理的近似,我们无须考虑更高级的结构了。但那只是个近似,如果我们一定要讲得严谨的话,那么我们应当说,对任一π介子,我们有几个粒子甚至任意多个粒子的多种组态,只要总的对称性与 π介子的对称性一样就行了。所以狄拉克的发现的最惊人结果之一是:基本粒子的旧概念完全崩溃了。基本粒子不再是基本的了。它实际上是一个复合体系,说得更确切些是个复杂的多体体系,它所具有的复杂性完全不下于分子或任何其他这类物体真正具有的复杂性。

狄拉克理论还有另一个重要结果。在旧理论中,我们说的是在非相对论性量子论中,基态是一个极简单的态。它就是真空,空的世界,没有任何别的东西,所以它有最高可能的对称性。狄拉克理论中的基态就不同了。它是一个充满着看不到的负能粒子的客体。除此以外,如果引入了正反粒子对产生的过程,我们就可以预期,基态必须包含几乎无穷多个虚正电子、电子对或虚粒子反粒子对;因此马上可以看出,基态是个复杂的动力学体系。它是基本自然定律所确定的本征解之一。如果基态按这种方式解释,我们可以进一步看到,在基本自然定律群中,它不需要是对称的。事实上,电动力学最自然的解释看来是:在同位旋群里,基本自然定律是完全不变的,而基态却不然。因而在同位旋空间里的旋转中基态是简并的假设,按照哥耳德斯通的一个定理,要求远程力或静止质量为0的粒子的存在。库伦相互作用和光子或许也应当以这种方式来解释。

最后,狄拉克根据他的空穴理论在1941年的贝克讲座里阐述了一种思想:在相互作用的相对论场理论中,应当使用不定度规的希耳伯特空间。究竟通常的量子理论的这种推广是否真正必要,这仍是个有争执的问题。但在近数十年内经过许多讨论后,我们已不能怀疑,不定度规的理论确可以前后一贯地建立起来,并可导致合理的物理诠释。

所以在这一点上最后的结果看来是,狄拉克的电子理论改变了原子物理的全部面貌。放弃了基本粒子的旧概念以后,曾经被称为基本粒子的那些客体现在必须看成是复杂的复合体系,总有一天可从基本自然定律把它们计算出来,正如复杂分子的定态可以从量子力学或波动力学计算出来一样。我们已经知道,当取基本粒子的形式时,能量变成物质。那些叫做基本粒子的态,与原子分子的态一样复杂。或者把这似非实是地表述为:每个粒子由其他一切粒子构成。所以我们不能期望,基本粒子物理学会比量子化学简单。这是一个重要之点,因为即使现在,还有很多物理学家盼望有那么一天,我们会发现一种非常简单的方法去描述基本粒子物理,好像当年的氢光谱那样。这个我想是不可能的。

在结论中,关于什么叫做“偏见”我想再说几句。可以说,我们相信有基本粒子是一种偏见。但我又觉得那将是太消极的说法。因为在近二百年内,我们在原子物理中使用的语言,都是直接间接地以基本粒子的概念为基础的。我们经常问:“这物体由什么构成?较小粒子在较大物体中的几何或力学组态怎样?”实际上我们总是回到了德谟克利特的哲学;但我想现在我们已从狄拉克那里懂得了:这是个错误的问题。要避开已成为我们语言一部分的那些问题,仍是很困难的。所以很自然地,即便现在,许多实验物理学家,甚至还有一些理论物理学家,仍在寻找真正的基本粒子。例如,他们希望夸克能够担任这种角色,假如它存在的话。

我想这是个错误。其所以错误,因为即使夸克存在,也不能说质子是由三个夸克构成。我们必须说,它可能暂时由三个夸克构成,也可能由四个夸克一个反夸克,或五个夸克两个反夸克构成,等等。而所有这些组态都应包含在质子中;而一个夸克又可以由两个夸克一个反夸克所组成如此等等。因此我们无法回避这种基本的状况;但既然我们仍有从旧观念来的问题,避开它们是极端困难的。许许多多的物理学家在寻找夸克,并且将来大概还要找下去。以往十年内,有很强的偏见偏爱夸克,我以为假如它们真存在的话,应当已被发现了。但这是一件要由实验物理学家来决定的事。

还留有这样一个问题:应当用什么去代替基本粒子的概念呢?我想我们应当用基本对称性的概念来代替这个概念。基本对称性规定了决定基本粒子谱的基础定律。现在我不预备详细讨论这些对称性。仔细分析了观察的结果以后,我想作出论断:除洛伦兹群外,还有SU2,标度定律,以及分立变换P,C,T,都是真正的对称性。但我不想把SU3或这类高阶对称包括到基本对称性里去,它们可由体系动力学产生而作为近似对称性。

但这又是一件要由实验决定的事。我只想说,我们必须寻找的不是基本粒子,而是基本对称性。当我们确实作出了这个决定性的概念变化(这是由狄拉克发现反物质而来的)以后,我认为就不需要什么进一步的突破去理解基本(毋宁说是非基本)粒子了。我们只须学会用基本对称性这个新的、不幸是很抽象的概念去进行工作;但这可能是够糟糕的了。

[侯德彭译自《美国物理学期刊》(American Journal of Physics)1975年 5月号]

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

基本粒子是什么?

“基本粒子是什么?”这个问题当然必须首先由实验来回答,而且必定要涉及哲学思考。因此,我首先要对近五十年来的基本粒子物理学的最重要的实验成果作一简要的综合评述,并试图说明:如果人们无成见地考察这些实验,那末这些成果已经在相当大的程度上回答了上述问题,从而理论家也没有什么更多的话可补充的了。然后,我在第二部分将补充探讨与基本粒子概念相联系的哲学问题。因为,我认为,基本粒子理论的某些错误的发展——而我就怕确有这样的错误发展——是由于理论的创立者固执地对哲学模不关心,可是他们实际上不自觉地从坏的哲学出发从而由于成见提出了不合理的问题。人们或许可以稍为有点夸张地说,好的物理学不自觉地被坏哲学腐蚀了。最后我将讨论这些成问题的发展,它们可以和我亲身经历过的量子力学的历史中的错误发展相对比,我还将提出人们怎样才能避免这样的错误的一些建议。因此,这个报告的结论应该还是比较乐观的。

最重要的实验结果和它们的理论解释

我首先谈谈实验事实。差不多在五十年前,狄拉克在他的电子论中预言,除电子之外,必定还有它的反粒子——正电子;不多几年之后,安德森和布莱凯特(Blackett)用实验证明了正电子的存在(它在电子偶的产生过程中出现)以及所谓反物质的存在。这是头等重要的发现。因为在这以前,人们一般设想有两类基本粒子:电子和质子,它们与一切其他粒子的不同之点是,它们是决不能改变的,因此它们的数目也总是守恒的。正因为如此,人们称它们为基本粒子。一切物质被认为最终都应该由电子和质子组成。电子仍的产生和正电子的实验证明表明,这种设想是错误的。电子既可以产生,也可以湮灭;因此它们的数目决不守恒;它们不是原来意义上的基本粒子。

第二个重要步骤是F.约里奥和I.居里发现人工放射性。人们从许多试验知道,一个原子核可以通过发射粒子转变为别的原子核,只要能量、角动量、电荷等守恒定律允许这种转变。能量转化为质量,这在爱因斯坦的相对论中早已被认为是可能的,现在就成了经常观测到的现象了。这样也就谈不到什么粒子数的守恒了。可是还有一些可用量子数表征的物理性质——例如角动量或电荷,它们的量子数可以取正值或负值,而且守恒定律对于它们是有效的。

在三十年代,还有另一个重要的实验发现。人们证实了,在宇宙辐射中有能量很高的粒子,这些粒子和其他粒子碰撞时,例如和照相底片乳胶中的一个原子核相碰撞时,可以发射出有许多次级粒子的簇射。有一个时期,许多物理学家认为,这种簇射只能由原子核中的一种级联反应而形成;可是后来弄清楚了,实际上仅仅两个高能粒子碰撞也有理论上所预测的许多次级粒子产生。在四十年代末,鲍威耳发现了在这些簇射中起主要作用的 π介子。从而表明,在能量很高的粒子的碰撞中能量转化为物质是十分普遍的决定性过程,因此说什么“初始粒子的分裂”显然已没有什么意义了。“分裂”这个概念在实验上已经失去了意义。

在五十年代和六十年代的实验中,这种新的情况一再被证实;发现了许多长寿命的和短寿命的新粒子,而对于这些粒子由什么组成的问题,不再能作出明确的回答,因为这个问题没有理性的意义。比如说,一个质子可以由中子和π介子或者由Λ超子和K介子或者由两个核子和一个反核子合成;或者可以简单地说,一个质子由连续物质所组成;而所有这些陈述都是同样正确或者同样错误。基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了。这或许是近五十年来最重要的实验结果。

由于这种发展,实验迫使人们作这样一种类比:基本粒子多少类似于一个原子或一个分子的定态。有一整套粒子谱,就象铁原子或分子有一套定态谱一样,在最后一个例子中,我们既可以设想为一个分子的不同定态,也可以设想为化学中许多不同的分子。对于粒子我们可以说“物质”谱。实际上,六十年代和七十年代用大加速器所做的实验证明了这种类比符合迄今为止的一切经验。就象原子的定态一样,粒子也可以用量子数来表征,也就是用对称性和变换性来表征,结合这些量子数的精确的或者近似有效的守恒定律决定了转变的可能性。就象一个受激氢原子的空间转动状态决定了它的变换特性,决定了它是否能够通过发射一个光量子跃迁到一个较低的态一样,也可以提出这样的问题:一个φ玻色子能否发出一个 π介子衰变为一个ρ玻色子,是不是也是由这样的对称性决定的,就象处于不同定态的同种原子有很不相同的寿命一样,粒子也有很不相同的寿命。一个原子的基态是稳定的,它有无限长的寿命,而电子、质子、氖核等粒子也具有同样的特性。可是这些稳定粒子决不比不稳定粒子更为“基本”。氢原子的基态可由薛定谔方程导出,而氢原子的激发态也由同一个薛定谔方程导出。同样,电子和光量子也决不比一个Λ超子更基本。

因此,近年来的实验粒子物理学在其发展过程中履行着类似于二十年代初光谱学所履行的任务。就象当时出现了把所有原子的电子壳层的定态收集在内的大表册[所谓的帕邢图(Paschen Gotze)]中一样,现在也有每年一次的全面的关于粒子性质的概览(Reviews of Particle Properties),其中记载了物质的定态和它们的变换特性。这种编制这样内容丰富的表册的工作,同天文学家的天文观测概览相仿,很自然,每一个观测者希望有时能在他的领域内找到特别有趣味的对象。

但是,在原子的电子壳层物理学和粒子物理学间也有特征性的区别。在原子壳展中,人们所接触的能量是如此之低,以致相对论的特征可以忽略不计;因此人们可以利用非相对论性量子力学来表述。这意味着,以原子壳层物理学为一方,以粒子物理学为另一方,它们的有关对称群是不同的。原子壳层物理学中的伽利略群在粒子物理学中由洛伦兹群来替换;同时,在粒子物理学中加入了象同位旋群这样的新群,它和 SU2 群是同构的,然后加入了SU3群、标度群以及其他等等。确定粒子物理学中的有关群是一项重要的实验任务,而这在过去的二十年中已经在很大程度上解决了。

从原子壳层物理学我们可以了解到,在明显地只描述近似有效的对称性的那些群中,我们可以区分两种根本不同类型的群。例如我们想到光谱中的空间转动的 O3群和与光谱中的多重结构有关的O3 X O3群。量子力学方程对于空间转动群是严格不变的,因此具有较高角动量的原子伪态是严格地简并的,也就是说,有几个态具有严格相同的能量。只有当原子处于外部电磁场中时,这些态才分裂开,而象塞曼效应或斯塔克效应这些众所周知的精细结构才显示出来。如果系统的基态象一个晶体或一个铁磁体的基态那样对于转动不是不变的,那末这种简并性也可以被破坏。在这种情况下,能级的分裂也会出现;一个铁磁体中的一个电子的两个自旋方向不再严格属于同一能量。此外,按照哥耳德斯通(Goldstone)的著名理论,其能量随着波长的增长而趋近千零的玻色子也是存在的,在铁磁体的场合,布洛赫的自旋波和磁振子代替了哥耳德斯通波。

对于O3 X O3群,情况就完全不同了,从这种群产生了光谱的众所周知的多重线。这里涉及到的是近似的对称性,只要在某个范围自旋和轨道相互作用很小,只要人们可以因此把电子的自旋和轨道互不相关地旋转,而不会使相互作用改变多少,这种对称性就实现了。因此这种O3 X O3对称性来自系统的动力学,从而它也只是在光谱的某一部分才适用的近似对称性。在经验上,我们可以用这样的办法来最明确地区分两种破缺了的对称性:对于基态的破缺的基本对称性,必定存在这些按照哥耳德斯通理论其静止质量为零或属于远程力的玻色子。如果人们找到了它们,那末就有理由认为,基态的简并在这里起重要作用。

如果我们把这个原子壳层物理学的经验应用到粒子物理学方面,那本根据实验它们十分接近,洛伦兹群和SU2 群即同位族群被解释为作为自然定律基础的基本对称性。然后电磁力和引力作为与基态的破缺的对称性相联系的远程力而出现。更高的群SU3,SU4,SU6或SU2XSU2,SU3XSU3等等这时应当被当作为动力学的对称性,就象原子壳层物理学中的O3XO3群一样。至于伸缩群或标度群,我们可以怀疑,是否应当把它们算在基本对称性之内;它们会由于有限质量的粒子的存在和与宇宙中的大物体有关的引力而被破坏。由于它们和洛伦兹群的密切关系,人们也许应该把它们列入基本对称性。刚才描述的把破缺的对称性同两种基本类型相等同,如我已经说过的那样,是通过实验结果而逐渐接近的,但是我们也许还不能说最终确定了这些对称性的类型。最重要的是,对于用以分析谱系现象的对称群,我们必须提出(如果可能)也必须回答这样的问题:它们究竟属于两种基本类型中的哪一个。

还需要指出原子壳层物理学的一个特征:在光谱中有一些不能组合或者正确地说只是微弱地组合的谱项系,就象仲氦和正氦光谱那样。在粒子物理学中,人们也许可以把费米子谱分为重子和轻子的这种划分同这种特征相比较。

因此,原子和分子的定态同基本粒子物理学中的粒子间的类比是近乎完备的,从而在我看来,把我在开始时提出的“基本粒子是什么?”这个问题定性而又完全地回答了。但只是定性地回答!于是对理论家提出了进一步的问题:是否这种定性的关系也能够以定量的计算作为基础?为此首先必须回答一个初步的问题:定量地理解一个谱系究竟是什么意思,

为此目的,不仅在经典物理学中而且在量子力学中都有一系列例子。我们可以设想一个钢片的弹性振动的频谱。如果人们不满足于定性的理解,那末我们必须从钢片的弹性出发,这种弹性应当用数学加以表述。在这一点做到之后,人们还必须加上边界条件,比如说钢片是圆的或是方的,它是被绷紧了还是没有绷紧,由此人们至少可以在原则上算出弹性或声学振动的频谱系。诚然,由于问题的复杂程度,确实不能严格算出一切振动频率,但是总能够算出那些具有最少的波节数的最低的振动频率。

因此,为了做到定量的理解,有两个要点是必不可少的:关于钢片的动力学关系的严格数学表述的知识和边界条件,后者人们可以看作是“偶然的”,也就是说是由附近的环境来确定的;人们也可以把钢片切割成别的形状。空腔共振器的电动力学振荡的情况与此相仿。麦克斯韦方程确定了动力学行为,空腔的形状规定了边界条件。铁原子光谱的情况也相类似。一个原子核和26个电子的系统的薛定谔方程确定了动力学行为,至于这个例子中的边界条件,它表明在无穷远的波函数应当为零。如果原子封闭在一个小箱中,光谱就会有一些变化。

如果我们把这些知识转用到粒子物理学上,那本首要的问题就是用实验方法求得成体系的物的动力学性质,并把它们用数学表述出来。然后必须加上作为偶然因素的边界条件,在这里这些条件包含的内容主要是关于所谓空虚空间的陈述,也就是关于宇宙和它的对称性的陈述。无论如何,第一步必须是试图用数学来表述自然定律,它确定了物质的动力学。第二步,人们必须作出关于边界条件的陈述。因为没有这些边界条件就完全不能确定谱系。例如,我可以揣测,在今天天体物理学的“黑洞”中,基本粒子谱将完全不同于我们所看到的。遗憾的是,我们对此不能进行实验。

可是,我现在还要就决定性的第一步,也就是动力学定律的表述问题,补充一句话。有一些粒子物理学的悲观主义者,他们认为,这样的确定物质的动力学性质的自然定律根本不存在。坦白地说,我完全不能从这样的观点出发。因为,无论如何,还是必需有物质的动力学,否则就不会有谱系;并且人们还应该能用数学描述它。悲观主义者的观点意味着,整个粒子物理学归根结蒂只不过是记载物质的尽可能多的定态、跃迁几率等资料的巨大的表册,即粒子性质的超级概览(Super-Review of Particle Properties),因此是其中没有东西可以进一步理解因而也很少有人阅读的这样一本表册。但是,这种悲观主义没有一点儿理由,这方面我可以提出很多的证明。因为人们已观测到具有锐线的粒子谱,因而也就是间接地观测到了严格确定的物质的动力学。我在前面简要描述的实验结果也已包含了关于基本的自然定律的基本不变性的很确定的提示,并且关于这些定律所包含的因果性的程度,我们从色散关系已经知道了不少。因此,自然定律的主要的确定部分已在我们手中,因为在我们终于在某种程度上对物理学中那么多别的谱系达到了定量的理解之后,尽管粒子谱有高度复杂性,它在这方面也应当能够被理解。我不想在这里讨论(由于它的复杂性)很久以前我和泡利提出的关于基本自然定律的数学表述的具体建议,关于这个建议我至今仍认为,它有最大的可能是正确的。但是我想特别强调指出,这样一个自然定律的数学表述有一个不可改变的前提,这就是人们对基本粒子谱系的(定量的)理解。其他一切都谈不上是理解,只不过是翻阅表册,可是我们作为理论家至少不应该满足于这种情况。

哲学问题

现在我要开始讨论哲学了。哲学,不管自觉不自觉,总是支配着基本粒子物理学的发展方向。二千五百年以来,哲学家和自然科学家一直在讨论这个问题:如果人们试图把物质一次又一次地不断分割下去,将出现什么情况,什么是物质的最小成分,不同的哲学家对这个问题作出了很不同的回答。所有这些回答都对自然科学的历史产生了影响。最著名的回答是哲学家德谟克利特的回答。在一次又一次不断地把物质分割下去的尝试中,人们最终会遇到不可分的、不变的对象,即原子,而一切物质都是由原子组成的。原子的位置和运动决定了物质的性质。对于亚里士多德和他的中世纪的继承者,最小粒子的概念表达得不那么明确。在他们看来,每一种物质确有最小的粒子,进一步分割下去就不再显示该物质特有的特性了。但是,这些最小的粒子同物质一样是可以连续地改变的。因此,在数学上物质是可以任意分割的,物质被想象为连续的。

对德谟克利特采取明确的反对态度的是柏拉图。按照柏拉图的意见,在把物质一次又一次地分割下去的尝试中,人们最终遇到的将是数学形式:立体几何学的正多面体,它们可以由它们的对称性来确定,而人们可以用三角形来合成它们。这些形状本身不是物质,但是它们构成物质。比如说,元素土就以立方体的形状为基础,元素火以四面体为基础。所有这些哲学家有一点是共同的,他们不管怎样都想解决无限小的二难推论,众所周知,康德对这个问题作了详尽的讨论。

当然,过去有过现在也有要把这个二难推论合理化的朴素的尝试。就象有些生物学家提出了这样的观念,在苹果的种子中包含了不可见的小苹果树,这棵树上也开花结果,在这个果子中又藏着种子,在这个种子中又藏着一颗更小的苹果树,如此等等,以至无穷。有趣的是,在玻尔-卢瑟福把原子当作小行星系的理论的早期,我们同样发展了这种论题:在这个小行星系的行星——电子上,也住着很小的生物,它们造房子,耕作土地,研究原子物理学,而在它们的论文中又把它们的原子看作是小行星系,如此等等,以至无穷。如我们已经说过的那样,这里在暗中总是隐藏着康德的二难推论:一方面很难设想物质总是可以一次又一次地分割下去,但是另一方面也很难设想,这种分割必然有朝一日到一个终点。而我们今天知道,这个二难推论最终是来源于,我们错误地认为我们的直观也能够应用到很小很小的环境中去。在上一世纪,给予物理学和化学以最强的影响的无疑是德谟克利特的原子论。这种观点允许对微小尺度的化学过程作直观的描述。原子可以同牛顿力学的质点相比较,并且这样的类比导致一个令人满意的热的统计理论。实际上,化学家的原子还不是质点,而是小的行星系,而原子核又是由质子和中子复合而成的。可是人们曾这样认为,电子、质子可能还有中子,仍然可看作是真正的原子,也就是物质的最后的不可分割的构成单元。因此,德谟克利特的原子观念成了上世纪物理学家的唯物主义世界观的不可缺少的组成部分。这种原子观念容易理解而且比较直观,它决定了物理学家的思想方法,甚至决定了那些不愿与哲学打交道的物理学家的思想方法。在这里我可以论证我的主题,今天在基本粒子物理学中,好的物理学不自觉地被坏的哲学腐蚀了。

我们不可避免地在使用一种渊源于这种传统哲学的语言。我们问:质子由什么东西组成,人们能够分割电子吗,抑或它是不可分的,光量子是简单的还是复合的,如此等等。但是,所有这些问题的提法都是错误的,因为“分割”或“组成”等词已在很大程度上失去了它们的意义。因此我们的任务,是要使我们的语言和我们的思想,也就是说,还有我们的自然科学哲学,适应这种由实验所造成的新形势。但是遗憾的是,这很困难。所以错误的问题和错误的观念总是一再潜入粒子物理学中并导致错误的发展,我马上就要讲到这一点。可是在这以前,我还要对直观性作一点评述。

有这样的哲学家,他们主张直观性是一切真正理解的前提。例如,慕尼黑的哲学家丁格勒(Dingler)针对相对论就表示了这样的观点,他认为直观的欧几里得几何学是唯一真正的几何学,因为我们在建造我们的量度仪器时是以它的正确性为前提的;关于后一点,丁格勒当然是对的。因此,他这样说,人们不能用背离欧几里得几何的一般黎曼几何来描述作为广义相对论基础的实验经验;因为,否则人们就要陷入矛盾。但是这种要求显然是过分了。为了证明我们用实验做的那些事是正确的,只要知道在我们的仪器的尺度内欧几里得几何是足够好地近似正确就行了。因此我们必须容忍这样的事情,就是在十分小和十分大的尺度内的实验经验不再提供我们直观的图象。然后我们才能理解前面说过的无限小的二难推论在基本粒子物理学中已以一种非常微妙的方式解决了,这是一种既非康德也不是古代哲学家所能想到的方式:这就是说,“分割”一词失去了它的意义。

如果人们一定要把今天粒子物理学的认识同任何以往的哲学相类比的话,那本只有柏拉图的哲学才能相比;因为现代物理学中的粒子是对称群的表示(量子论就是这样说的),在这方面它类似于柏拉图学说中的对称体。

基本粒子物理学中成问题的问题提法

也是我在这里并不是要讨论哲学,而是要讨论物理学,因此我现在要谈谈在我看来是从错误的问题提法出发的那些理论基本粒子物理学的发展。首先就是这样的命题:象质子、π介子、超子以及许多其他粒子那样的已被观测到的粒子,是由更小的、未被观测到的粒子——夸克,或者还有部分子、胶子,粲粒子以及一切不管叫什么的这类假想粒子——所组成。显然,这里提出了这样一个问题:质子是由什么组成的?但是提问者忘了,“组成”一词只有当粒子能以比它的静止质量小得多的能量消耗分裂为它的组成部分时才多少有一点意义,否则“组成”一词就丧失了它的意义。对于质子也是这种状况。为了说明一个好象是明确定义了的词会失去它的意义,我不得不重述玻尔在这种场合乐于引用的一个故事。一个小孩跑到一家店销中,手中拿着两个芬尼跟店员说,我要买两芬尼的杂拌糖。店员给他两块糖并对他说,你自己可以把它们杂拌起来。对于质子,“组成”这一概念同这个小孩的故事中的“杂拌”的概念具有同样的意义。

对此会有许多反对的意见:夸克假说也是从实验经验中得来的,也就是说,SU3群的经验关系的证实中得来的,甚至超出SU3群的适用范围它也能成功地解释许多实验。这确不能否认。但我可以根据我亲身经历的量子力学的历史提出一个反证,这个反证可以明显地揭示出这种论证的弱点。在玻尔的理论提出之前,有许多物理学家主张,一个原子必定由一些谐振子所组成。因为光谱中包含了只能由谐振子发射出来的锐线。而这些振子的电荷必须对应干不同于电子电荷的e/m值,此外,因为在光谱中有许许多多谱线,就必须假设有许许多多振子。

尽管有这些困难,沃耳德玛·福格特(Woldemar Voigt)1912年在哥丁根以下列方式建立了一个关干钠光谱D线的反常塞曼效应的理论:他假定有两个耦合的振子,它们在没有外部磁场的情况下发射出两条D线。他把振子的相互耦合以及它们和外场的耦合作了这样的安排:在弱磁场的情况下真正出现反常塞曼效应,而在很强的磁场下也可以正确描述帕邢-伯克效应。对于中等场的中间范围,由很长和复杂的平方根给出频率和强度,虽然是非常繁杂的公式,可是显然很好地符合实验结果。十五年后,约尔丹和我根据量子力学的微优理论费力地计算了同一问题。引起我们很大惊讶的是,我们得到的正好是福格特的关于频率以及强度的老公式,而且也包括关于中间场的复杂部分。其理由,如我们后来所了解的,纯粹是由于形式上的数学方法的缘故。量子力学微扰理论导致一个耦合线性方程组,方程组的本征值确定了频率。一个耦合谐振子系统在经典理论中同样导致这样一个耦合线性方程组。因为在福格特理论中人们已校正了最重要的参数,所以,用不着奇怪会得到正确的结果。但是,福格特理论没有对理解原子结构作出贡献。

为什么福格特的尝试在一方面如此成功,在另一方面又如此无用呢,因为福格特只考察D线,而没有掌握整个线性光谱的知识。福格特现象论地应用了振子假说的某一方面,而忽略了这一模型的其他的不合理方面,并且有意识地把这个问题留下来不作明确解答。实际上,他并没有十分严肃地对待他的假说。我怕夸克假说的创造者们也同样没有严肃对待他们的假说。关于夸克的统计学问题,关于把它们结合在一起的力的问题,与这种作用力相对应的粒子的问题,为什么夸克从不作为自由粒子出现的原因问题,夸克粒子在基本粒子内部成对产生的问题,所有这些问题都还或多或少没有作出明确解答。如果人们真要严肃对待夸克假说的话,那末就必须作出关于夸克的动力学和把夸克结合在一起的力的一个准确的数学假说,并证明,至少定性地证明,这些假说可以真正再现基本粒子物理学今天已知的特征。在基本粒子物理学中不应当有不能够应用这个假说的问题。我还不知道有这样的尝试,并且我还怕,每一个这样的用精确的数学语言描述的尝试都会很快导致矛盾。因此,我可以用问题的形式来表述我的反对意见:“难道夸克假说对粒子谱的理解比当时福格特的振子假说对凉子壳层结构的理解会作出更多的贡献,在夸克假说后面不是又隐藏着那个早被实验否定了的观念,即人们可以区分简单和复合粒子的那个观念吗,

我还想简要地讨论一些专门的问题。如果SU3在粒子谱的结构中起着重要的作用,并且如果根据实验的证据人们必须接受它的话,那末,它究竟是一种作为自然规律基础的基本对称性呢,还是一种从一开始就只是近似地有效的动力学对称性呢,对此作出判定,那就很重要了。如果这个判定悬而未决,那末关于作为粒子谱基础的动力学的一切其他假设都也无法判定,从而人们也不能有更多的理解。象SU4,SU6,SU12,SU2XSU2等等这种更高的对称性有更大的可能性是属于动力学对称性,它们在描述现象中可能是有用的;但是,它们的启发性价值,在我看来,同天文学中托勒密的本轮和均轮的启发性价值差不多。它们只给出关于基本自然规律的结构的间接结论。

最后还要谈一谈近年来的最重要的实验结果。这就是新近发现的具有比较大的质量(约为30-40亿电子伏)和较长寿命的玻色子。这样的状态在原则上是绝对有人预料到的,就象迪尔(Durr)曾特别强调指出过的那样。是否人们可以根据它们的长寿命的特点,近似地把它们解释为由其他已知的长寿命粒子所合成呢,这确实是一个困难的动力学问题,在这个问题中多作物理学的全部复杂性都将起作用。当然,在我看来,为此又一次引进新粒子,把已知对象假设为由新粒子所组成的那种尝试是一种完全无用的思辨。因为这又是错误地提出问题,它无助于对粒子谱的理解。

近年来,人们用日内瓦的储存环和巴达维亚加速器测量了很高能量的质子-质子碰撞的有效总截面。得到的结果是,有效截面大约随能量对数的平方而增长,这种行为早就在有关渐近区的理论中被预测到了。其他粒子的碰撞也得到同样的结果,因此这多少表示,在大加速器中已经到达了渐近区,从而人们在那里不用再期望会有什么令人惊讶的奇迹。

一般人们不应当期望用新实验得到一种“解围的神力”(Densex machina),它可以立即导致对粒子谱的理解。因为近五十年的实验对“基本粒子是什么?”这个问题已经定性地作出了十分令人满意的、不自相矛盾的、完满的回答。至干定量的细节,只能(就象量子化学中那样〕随着岁月的流逝通过许多物理学和数学的更为细致的工作来加以阐明,而不可能立即做到。

因此,我能够以一种预期粒子物理学发展将取得成功的乐观的展望来作结束。新的实验结果总是有价值的,它们首先就扩大了粒子的表册;但当它们回答了理论的关键问题时,它们就特别有意义了。在理论中人们必须尝试作出物质的基本的动力学的精确假设,而不带任何哲学的偏见。人们必须充分严肃地对待这个动力学问题,而不应当满足于含糊的假说,而对主要问题不作明确的解答。因为粒子谱只有当人们认识了物质的基本动力学时,才能真正理解;这个动力学是中心问题。动力学以外的一切只是数据表册的一种字面的描述,即使数据表册也许会比字面描述具有更多的内容。

[译自西德《自然科学》(Die Naturwissenschaften) 1976年1月号]

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

宇宙辐射和物理学中的基本问题

宇宙辐射,自从它在大约六十年前被发现以来,已经在物理学的发展中起了很重要的作用。从第一次证实自外层空间来到地球的射线到发现这种辐射中很高能量的粒子,发现具有意想不到的性质的新粒子,到发现自然规律中新的基本对称性,最后到发现星际空间中残余物质和磁场的大量信息,以及关于可能产生宇宙辐射的那些过程的大量信息,这是一个非常有趣的历史过程。但是我不想追随这条历史线索。

我试图把我的讲话仅限于宇宙辐射的知识进展所接触到的或大大推进了的那些物理学基本问题。我在这个讲话中主要关心的是这个非常特殊的物理学领域和成为整个物理学基础的那些基本问题之间的相互作用。在三十年代初,当宇宙辐射在本世纪最重要的物理发现之———正电子的发现——中起了必不可少的作用时,这种相互作用就显示出来了。固然,正电子的发现不是在宇宙线研究中最先作出的。狄拉克在他的电子理论中已预言了带正电的电子的对应物,但是关于正电子的存在的第一个令人信服的证据是安德森、布莱凯特和奥基亚利尼(Occhialiui)在宇宙辐射中发现的。第一批关于簇射的云室照片(在这张照片上,光子产生了电子和正电子对,而这些粒子当穿过物质时又产生光子)毫无疑问地证实了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久以后,正电子也在原子核过程中,即在β 衰变中找到了。

关于这个发现的基本重要性,我或许还得稍微多说几句。到那时为止,物理学家们或多或少不自觉地遵循古希腊哲学家德谟克利特的哲学。如果一个人试图把一块物质一次又一次地分割下去,他就会——人们这样推测——最后分到物质的最小部分而告终,这些最小的部分不能再进一步分割了,因此被称为原子。这些原子被认为是物质的不可分的、不能改变的单位,作为构成所有物质的基本单元,而原子(或者如我们今天所说的:基本粒子)应当以它们的相对位置和运动来决定各种各样物质的可见的性质。整个这幅图象,看来似乎合理,却被狄拉克的理论和它的后果——正电子的发现彻底摧毁了。决定性的要害主要不在于存在一种迄今未知的新粒子,——以后还发现了许多新粒子,对于物理学基础并没有严重的影响,要害在于发现了一种新的对称性,即粒子-反粒子共轭,它同狭义相对论的洛伦兹群,也同能量与质量的相互转化密切相关。在非相对论性物理学中,任何一种粒子的数目都是一个运动常数,就象能量和动量一样。在相对论性物理学中,这个数不再是一个合适的量子数了。譬如说,一个氢原子不一定是由质子和电子所组成,它也可以当作是质子、两个电子和一个正电子所组成,尽管后面这种组成仅仅相当于对氢的整个波函数作很小的相对论性的改正。这种状况的后果之一,就是推测在两个粒子的高能碰撞中可以产生大量新粒子,而这些可能性仅受能量、动量、同位旋等守恒定律的限制。又正是在宇宙辐射中,可以检验这种推测。

实际上,在三十年代后期,布劳(Blau)和瓦姆巴歇尔(Wambacher)在很高的高空曝光的照相底片上发现了所谓的“星”,就是在底片的同一点开始发出许多径迹。显然,一个原子核被一个射来的高能粒子击中,由于碰撞的结果,它发射出许多不同的粒子。解释这些“星”不是简单的事,因为过程的开端可能是原子核中的一种级联,这种级联同众所周知的电子-正电子级联相类似,随后就是某种原子核的蒸发。所以这些结果并不立即证实我在前面作出的推测,即仅由两个粒子的碰撞产生了多数的粒子。但是,随着时间的流逝,宇宙线实验能够得到改进,而在十五年之后,多倍地产生粒子的现象确定不移地实现了。

这些结果意味着“分割”和“组成”的概念只有有限的适用范围。就象相对论中的“同时”概念和量子论中的“位置”和“速度”概念只能在特殊的限制下使用,而当不分青红皂白地用错了地方时就失去意义一样,“分割”和“组成”的概念也只有在特定的情况下才有确定的意义。当一个粒子可以被少量能量分解为两个或几个部分,而粒子的静止质量比这一小份能量来大得很多,这时,也只有这时,人们可以说粒子由这些部分组成,并可分解为这些部分。在所有其他场合,“分割”或“组成”这类词就没有确定意义。而在两个粒子的高能碰撞中,实际发生的事是由动能产生了新的粒子。采取基本粒子的形式,能量变成了物质。但是,“基本”粒子和“复合系统”之间的区分也没有确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。所有这些很重要而又基本的结果在宇宙线研究中有它们的实验基础。

宇宙线研究的另一个引人注意的结果是1937年尼特迈耶尔(Neduermayer)和安德森发现μ子,即μ介子。这种客体起先被误认为是汤川曾预言过的作为核子间强相互作用的物质对应物的那种粒子。但是不久就弄清楚了,μ子同质子和中子这一类重粒子的相互作用是太小了;μ子不可能承担起原子核中的强相互作用。倒可以说,μ子显得象是电子的较重的哥哥,它同电子的区别仅在于它有较大的质量。μ子的发现并不象正电子的发现那样引起物理学基础发生根本性的变化,但它显示出粒子谱系中的一个有趣的特征。这个谱系被分为两个仅仅微弱地结合在一起的谱项系统,即强子系统和轻子系统。人们从原子光谱已熟悉这种微弱地结合起来的谱项系统。但是,在这两个场合中引起这种分裂的原因是否相似,还是一个没有解决的问题。μ子——加上中微子——组成了宇宙辐射中最有穿透力的部分,因此在确定作为大气高度的一个函数的宇宙辐射强度中起着重要的作用。

我或许还应当提到另一个颇为奇特的情况,在这里μ子也有助于解决一个根根本的问题。德国在大战前夕,相对论不为当权者所认可,特别是运动物体中的时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨。关于相对论可否在大学中讲授的问题,甚至还举行过审判。在这种争论中,有一次我能够指出μ子的蜕变时间应当同它们的速度有关:以接近光速运动的μ子应当比那些以较小速度运动的μ子蜕变得慢一些。——这是相对论的预言。实验结果证实了这个预言;时间膨胀能够被直接观测到,从而为开设相对论课程开辟了道路。所以我对μ子总是怀有感激之情。

战后不久,鲍威耳在布里斯托发现了μ子,它在大多数宇宙线现象中起着很重要的作用。这种客体满足了汤川所表述的强相互作用的物质对应物的全部条件;后来知道,这种粒子不是这类粒子中的唯一的一种,而不过是质量最小的一种强子。不久,差不多在所有高能事件中都发现了它。此外,π子变为μ子和中微子,结果也搞清楚了μ子的来源。

就象μ子一样,π子并没有引起物理学基础发生根本性的变化。它只证实了各种各样的粒子都是成体系的物的各种定态,因它们在基本群的变换中的不同行为而有所不同。这些群要比粒子更为根本。

那时,除了相对论的洛伦兹群,只有同位旋群被认为是基本的。它是在1932年联系着原子核物理而发现的;但首先是通过π子,它的基本特性才被完全了解。关于π子的宇宙线实验证明,同位旋群对于强相互作用是严格对称的,而只有电磁相互作用和弱相互作用破坏这种对称性。只要假设构成粒子港基础的自然定律在同位旋变换下是严格不变的,就可以解释上述结果,而对于这种对称性的偏离是由于不对称的、简并的基态所引起。在固体的量子力学中,类似的情况是众所周知的。

几乎与发现π子同时,在宇宙辐射中也发现了其他一些粒子,它们比π子重,而它们的行为有某种“奇异性”。它们有相当长的寿命,数量级为10-10 秒,因此它们的径迹可以在云室和乳胶中观测到。但是如果只考虑已知的对称性和相应的量子数(重子数、同位旋、角动量〕,这种长寿命就不能理解。人们所预期的寿命要比这短得多,就此而论,它们的行为是奇异的。正确的解释是1952年由派司(Pais)作出的,他引入了一个叫做奇异性的量子数和相应的对称性(或变换性)。这样,宇宙线研究引入了一个新的对称群;并且因为如我在前面所指出的,群比粒子更重要,这又是对物理学基本问题一个很根本的贡献。

当时大多数物理学家普遍同意,如果寿命很短的客体可以被观测到,就可以发现另外的一些粒子。这些粒子不过是成体系的物的一些定态,因此人们可以预期有许多不同的粒子,它们大多具有很短的寿命。这样的客体只能作为所谓共振态而被观测到,而为了这个目的,需要有比宇宙线观测所能提供的更好的统计资料。对于粒子物理学家说来,幸运的是第一批大加速器在当时已经建成并开始运转,这些加速器就是:布鲁克海文的同步稳相加速器、伯克利的高能质子加速器和日内瓦欧洲原子核研究中心(CERN)的质子同步加速器。在此后的一个长时期内,粒子物理学的重要结果都是用大加速器得到的,而宇宙线研究把它的注意力主要转向天体物理学问题。这种发展趋势是不可避免的,但并不总是符合粒子物理学家的愿望;这是一个可悲的转变。

浪漫的时期过去了,在那个时期,在高海拔的高山实验室对云空照片的研究,可以同滑雪和登山相结合,或者,气球实验可以象我们的意大利朋友所做的那样,在意大利海军的飞机和军舰的支援下,从地中海的一个风景秀丽的岛屿出发。无疑,地中海和煦的太阳对科学实验的成功已作出了贡献。但是,这个欢乐的时期现在已经一去不复返了,粒子研究必须在大加速器机构的“干巴巴的”气氛中进行。

在天体物理学中,宇宙辐射成了一个很有价值的新工具,它有可能在恒星的可见光和红外光所得的信息之外提供新的信息。第一个问题当然是宇宙辐射的起源。福尔布希(Forbush)已经认识到,宇宙辐射的某些低能部分偶尔也从太阳发射出来,就是从太阳表面的某种湍流现象发出。但是很快就知道,要对宇宙线的起源问题作确定的回答,需要对恒星之间、我们的行星系中(这里我可以提醒你们注意比尔曼(Biermann)最先讨论的太阳风)、我们的银河系中、最后在河外空间中的等离子体的电磁场有充分的知识。对这些电磁场的研究成了近年来天体物理学的中心部分,并且利用宇宙辐射已得到了许多信息。关于它的起源,现在普遍的意见似乎是:超新星和它们的遗骸脉冲星是高能宇宙线的主要来源。但是,我不想深入探讨天体物理的细节,而想回到我最初提出的问题:宇宙辐射在哪些地方触及了物理学的基本问题?

我刚才提到了脉冲星,它属于迄今为止观察到的具有最大密度的恒星。它们的物质密度可以和原子核的密度相比较。它们由引力聚集在一起。这样的恒星引起了两个基本问题:一个涉及物质中引力和其他相互作用力之间的关系;另一个涉及到那种较高密度甚至更高密度的物质的状态方程。但在我进入讨论这些问题之前,我还想提一下,甚至在有了大加速器的时代,宇宙线研究对粒子物理学的很重要的问题也有几个很有价值的贡献。

宇宙辐射的粒子具有高达1019电子伏的能量,显然这样高的能量是加速器所不能达到的,至少在最近的将来是不可能达到的。因此,对于这样极高能量的粒子的碰撞只能在宇宙辐射中加以研究。即使低的强度和很少的统计资料不利干得到准确的结果,但还是提出了这样的问题:簇射的截面和其他特性在极高能量范围内应当怎样随能量而变化?在远远超过普通粒子和共振态的能量的地方,是否有一个渐近区,在那里不会发现或预料不会出现比较惊人的新事件或比较剧烈的变化吗,从宇宙辐射所得到的关于这个问题的信息不过是一个模糊的提示,但它还是刺激了理论研究,这种研究在二十多年前导致了这样的推测:任何强子的整个碰撞截面在高能时应当随能量的对数的平方而增加。因此应当有一个渐近区,但是在这个区域中,整个截面不应当是常数,它们应当按照对数的比例而增加。这种推测已在最近用欧洲原子核研究中心的储存环和用巴达维亚加速器所做的实验中得到证实。渐近区域似乎在系统的质量中心从100亿电子伏数量级的能量开始,在欧洲原子核研究中心的储存环中已得到500亿电子伏质子-质子碰撞。巴达维亚加速器的主要贡献是得到这样的结果:对于π子或K子和质子的碰撞也可以观察到对数增加。这对于有一般的渐近区的假设是一个强有力的有利论据,而且这种渐近区在这些实验中已经达到了。为了理解这种渐近区,把粒子描述为连续物质的近乎球状的云就足够了,而丝毫不用涉及组成这些云的粒子本身。这是可以令人满意的,因为“组成”一词在粒子物理中通常已失去它的意义。

近十年来,另一个问题占据了粒子物理学家的思想。我们知道SU3群在粒子谱中起着一种近似对称性的作用。SU3的最简单表示是三维的,因此人们可以期望对应于这种表示应该有三个粒子组成的三重态;这些粒子的电荷是基本电荷的1/3或2/3,它们的名称叫“夸克”。可是,这样的粒子在用大加速器做的实验中从未观察到过。因此,人们设想,夸克也许相当重,它们由很大的结合能结合在一起,所以现有的加速器还不足以把它们分开。在这一点上,宇宙辐射又显得很有用了,因为宇宙辐射的原始射线的能量可以比大加速器的最大粒子能量大几千倍甚至更多倍。甚至在宇宙辐射中也没有发现过夸克这一事实,是不存在夸克的一个很有力的论据。如果这样的结果是最终的结果,在我看来,对于“质子由三个夸克组成”这种说法很难给予任何确定的意义,因为不论是“组成”一词或“夸克”一词都没有确定的意义。那末这样的一个句子怎么能够解释呢,对于其他一些预言过但未发现的粒子,W介子、部分子、胶子、磁单极子、粲粒子,同样的怀疑也是正确的。如果它们不论是在大加速器中或是在宇宙辐射中都不能被观测到,那就难以证明它们在现象论描述中是适宜的概念。这里我们所遇到的状况是量子力学中早已熟悉了的。我们的日常语言引导我们问一些毫无意义的问题。例如,“电子绕原子核运动的轨道是怎么样的?”由于测不准关系,不论“轨道”一词或者“运动”一词,都得不到明确的定义,因此这个问题没有意义。

这把我引导到一个和宇宙辐射中的经验紧密联系的中心问题。但在我讨论问题的经验方面之前,我想先说明一下它在粒子物理学和一般物理学中的基本重要性。

从近几十年来的实验,我们知道,不同的粒子正是成体系的物的不同定态。它们用量子数表示其特征,或者,如果你愿意,也可以用它们在基本群下的变换性质来表示其特征。粒子物理学的理论上的理解只能意味着对粒子谱的一种理解。铁的光谱中单独一条谱线是无法理解的,但是整个光谱却是可以理解的,它可以归结为一个包括26个电子和这个铁原子核的系统的薛定谔方程。

光谱的理论解释的基本要亲是众所周知的,并且从经典物理学和量子力学都可以学到。我们可以设想一条弦的弹性振动,或者在一个空腔中的电磁振动,或者一个原子的定态,譬如说铁原子的定态。在所有这些例子中,我们首先需要一个关于系统的动力学性质的准确陈述,然后我们必须加上特殊的边界条件。在弦的例子中,弦的弹性和动力学性质的精确的数学表述是第一步;然后,通过陈述弦在哪里固定,我们就可以算出振动谱。关于空腔中的电磁振动,麦克斯韦方程确定了系统的动力学性质。边界条件由空腔的形状给定。由于问题的复杂性,常常不能准确地计算整个谱。但对于最低的一些振动,人们应当能够得到合适的近似结果。关于铁原子,它的动力学性质是由量子力学来规定的,那就是由薛定谔方程来规定。加上波函数必须在无穷远处等于零这样一个补充条件,这些定态就确定了。如果原子被封闭在一个很小的盒子中,这些定态就会不同。

从这些类比出发,很清楚,理解粒子谱系的首要条件是物质的动力学的精确的数学表述。显然,粒子这个词不应当进入这个表述。因为粒子是后来由成体系的物的动力学结合上边界条件来定义的;粒子是次级结构。在宇宙中,在我们的周围粒子谱无疑地可以不同于很稠密的中子星的内部,因为在这两个场合中边界条件是不同的。因此可以看出物质动力学的基本重要性,问题在于我们怎样才能掌握它的数学表述。

既然粒子概念在这里没有什么用处,动力学定律的群性质必定起决定性作用。譬如说,振动弦的动力学定律对于时间的移动和沿弦的位置移动是不变的,对于绕弦旋转也是不变的。由于边界条件,第二个不变性被破坏了,第三个不变性通常不被破坏。至于空腔中的电磁振动,对于整个洛伦兹群,动力学定律是不变的:这个不变性只是部分地被边界条件破坏。

对于物质的动力学,已经知道一些主要的不变性:洛伦兹群和同位旋群SU2。标度群可能也应该算在基本的不变性中。但我不想深入探讨动力学定律的这些对称性的细节。我宁愿回到宇宙辐射上来。宇宙辐射研究,或者更一般的天体物理学研究,怎样能对我们关于物质的动力学知识作出贡献呢,

首先谈一谈因果性。我们从色散关系知道,物质的相互作用遵循因果律。这句话的严格的数学表述或许还不完全知道,但我们有可靠的理由认为相互作用可以表述为局部的相互作用,比如就象在量子电动力学中那样。非局部的库伦力同这句话是相容的。从这样一种状况出发,说极高密度物质的研究应该给出关于这种局部相互作用的最直接的信息,从而也给出关于物质的动力学的最直接的信息,这似乎是合理的。

在中子星中,密度和原子核是同一个数量级。在这样的密度时,说原子核由若干核子组成还是有意义的。因为以小量的能量——与一个原子核的静止质量相比是小的——就足以把一个质子或一个中子从原子核中打出。核子在原子核中相互距离仍然很远,即它们的相互作用能量比它们的静止质量小。这在中子星中同样正确,因此有可能对这样的星体物质的状态方程作出估计。可是,如果密度还显著提高,例如在更大质量的恒星中由于引力收缩,那末恒星由什么粒子组成的问题就没有确定的意义了。提供给一个粒子的空间将小于它的正常大小,因此它不可能具有它的正常质量;相互作用是如此强烈,以致粒子通常不在它们的质量壳层上。换句话说,人们只能说所有粒子的一种混合物,而这时说它是连续物质则更为合理。正是这种连续物质的动力学行为是粒子物理学中的基本问题。

如果不仅能够得到关于中子星中的状态方程的更多信息,而且特别是还能得到关于更高密度恒星中的状态方程的更多信息,那末这对于理解物质的动力学行为就会是极端重要的。究竟是宇宙辐射中的观测还是天体物理学的更广阔领域的观测会更有用处,对此我不能作出判断。我只想强调这个问题的重要性。

宇宙辐射中还有另一个特殊领域,在这个领域里关于物质的动力学这个问题可以从一个完全不同的方面来着手处理。如果两个极高能的粒子相碰撞,那末,在碰撞的最初的瞬间,就会有一个物质密度极大的小盘,然后它发生爆炸,并且随着它的密度的减小,最后蜕变为许多粒子。这就是众所周知的粒子的多重产生的过程,碰撞的粒子的能量愈高,这种过程当然就愈有意义。如果原始宇宙线粒子有107亿电子伏,那末在碰撞中,开始时的盘的密度可以比中子星中的密度大一千倍。

由此可见,这种极高能量的宇宙线簇射行为的研究会给出关于物质动力学的很有价值的信息。这方面令人感到鼓舞的是,在欧洲原子核研究中心的储存环中和在巴达维亚加速器中,人们似乎已经到达渐近区,或者至少已接近渐近区。对于这个区域中碰撞的初始阶段,初级粒子可以简单地形象化为连续物质云,其密度在表面按照指数的比例而下降。这个模型解释了总截面作为能量增加的函数是对数增加的。我还要指出两类实验的特征性的差别,一类是在极密的恒星上,另一类是在很高能粒子碰撞后的盘上。在第一种场合,引力起重要作用,在第二种场合,引力是不重要的。因此这两类实验能够给出两种不同类型的有关信息。

在结束时我要回到我报告开始时提到的一般问题,我或许应当说,宇宙辐射在整个物理学领域中的特殊作用是基于两类事实的。这种宇宙辐射含有最小尺度物质行为的信息,而且也对我们关于宇宙——最大尺度的世界——结构的知识作出了贡献。这两个极端都是不可能直接观测到的,它们只能用很间接的推理来考查。在这里,日常生活的概念必须代之以别的相当抽象的新概念。只有这样,我们才会懂得象“极端”或“无限远”这类词在涉及自然界时能够有什么意义。在这个意义上,宇宙辐射仍可以(不管实验形式有什么变化〕称为一门很浪漫的、很鼓舞人心的科学。

[译自西德《自然科学》(Die Naturwissenschaften) 1976年2月号,许良英校]

[商务]汉译世界学术名著丛书[德]W·海森伯《物理学和哲学》

译后记

本书作者韦纳尔·卡尔·海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901-1976)是当代最卓越的理论物理学家和原子物理学家之一。1976年,物理学家维格纳在悼念海森伯的文章中说:“没有一个活着的理论物理学家在这个领域内比他贡献更大。”海森伯是量子力学的创始人之一。他为原子、原子核、基本粒子物理学的发展奋斗了终生。他是继玻尔之后的哥本哈根学派的主要代表人物。

海森伯平1901年12月5日生于德国维尔茨堡。原子物理学也正是在这前后诞生和开始发展起来的。1911年他到慕尼黑上中学。1919年他首次接触到原子概念。1920年他进入慕尼黑大学随原子物理学家索末菲等学习物理学。卓越的物理学家泡利是他的同学和挚友。

索末菲虽然是一个杰出的物理学家,但不是一个哲学家。他在1922年写信给爱因斯坦说:“我只能促进量子的技术,您必须研究它的哲学。”所以,海森伯不能从索末菲那里学到量子论的哲学,他是以后从哥本哈根学派的首领玻尔那里学到量子论的哲学的。

1922年6月,玻尔到哥丁根大学作有关原子的量子论和元素的周期系的一系列讲演,这被称之为“玻尔的节日”。海森伯也随老师索末菲前去听讲。在一次讲演会中,二十一岁的大学生海森伯对原子物理学权威玻尔关于塞曼效应的解释表示了不同的意见,引起了玻尔的注意。会后,玻尔邀海森伯一起散步长谈。海森伯回忆说:“这是我能够回忆起来的关于现代原子理论的基本性物理学问题和哲学问题的第一次透彻的讨论,它当然对我以后的生涯有决定性的影响。我第一次理解到玻尔关于原子理论的观点远比当时其他物理学家——例如索末菲——的观点更具有怀疑论的精神,而他对理论结构的深刻理解不是对基本假设作数学分析的结果,确切地说是由于大量占有关于实际现象的材料,从而使他有可能直观地理解现象之间的联系,而不是从这些现象形式地推导出其间的关系。……玻尔首先是一位哲学家,而不是一位物理学家,但是他理解我们当代的自然哲学只有当它的每一个细节都能够经受得住无情的实验检验时才是有力量的。”尽管海森伯从不自认为唯物论者,但在我们看来,他的上述论点是完全符合自然科学的唯物主义传统的,这对他一生的科学工作确实有决定性的影响。

在索末菲的指导下,海森伯通过对湍流的研究于1923年7月获得了博士学位,之后就到哥丁根大学作玻恩的助手。1924年3月,他第一次访问了哥本哈根。7月,他在哥丁根大学取得授课的资格。1924年底到1925年初,他到哥本哈根在被尔指导下从事研究。以后,他又回到哥丁根。1925年6月,他在因枯草热病到海利戈兰特疗养期间第一个创建了矩阵力学——量子力学的一种形式体系,发表了题为《关于运动学和力学关系的量子论的重新解释》的一篇物理学史上划时代的论文。

在创建矩阵力学的过程中,海森伯遵循了自然科学的唯物主义传统。他从原子物理学大量实验结果(主要是原子光谱中里兹组合原则、弗兰克-赫兹的原子电子碰撞实验、玻尔频率关系等〕所揭示的辐射和原子能级的不连续性(即量子性)出发来建立他的理论,又以实验结果来检验他的理论。结果表明,量子力学不仅能够解释旧量子论能够解释的实验结果,还能够解释旧量子论所不能解释的许多实验结果(例如氦光谱特征、带光谱中半量子数的存在、光电子的连续空间分布和放射性蜕变现象等)。

海森伯创建矩阵力学的指导思想是“在原子领域内,经典力学不再有效”。他反对他的老师玻尔、索末菲等先验地把经典力学中的位置、速度、轨道概念强加给原子中的电子,而主张代之以原子光谱的频率、波长、强度等可观测量。他这样做,自称是受到马赫的实证论哲学的影响。实际上他在这里是应用了经验论,反对了唯心论的先验论。

海森伯的矩阵力学应用并推广了玻尔提出的对应原理。对应原理要求:量子理论得到的结果对于大量子数应当收敛于经典力学得到的那些结果。从1918年到1925年,玻尔等物理学家在旧量子论中运用对应原理,通过天才的猜测和人为的拼凑,已得到许多重要的结果。海森伯的重大贡献是把对应原理推广到整个力学体系。当量子数很大或普朗克常数可以略而不计时,量子力学的公式就趋近于经典力学的公式。这样,海森伯就把猜测性的、零散的量子论发展成为一个逻辑一贯的、严密的形式体系。它反映了原子层次微观客体的基本运动规律,并揭示了它与宏观客体基本运动规律之间的联系。

在海森伯首创矩阵力学以后,他又和玻恩、约尔丹协作,继续努力发展矩阵力学。1926年,奥地利的卓越物理学家薛定谔在德布罗意的物质渡假说的基础上,将波动力学与经典力学的关系类比于物理光学与波动光学的关系,从而创建了波动力学,提出了以他命名的薛定谔方程。以后不久,薛定谔又证明海森伯、玻恩、约尔丹创建的矩阵力学和波动力学是等价的,可以通过数学变换从这种形式转化为另一种形式。同年,波恩指出了薛定谔方程中的fai 函数可以给出大量微观客体性状的统计分布或是单个微观客体具有某种性状的几率。

1927年 3月,海森伯发表了《量子论运动学和力学的直观内容》一文,提出了著名的测不准关系(又名不确定原理〕。海森伯不回避矛盾,敢于承认微观客体具有波粒二重性,它们不同于经典物理学中的粒子,也不同干经典物理学中的波,应用经典的波或粒子图象来描述微观客体时,必须受到测不准关系的限制。

接着波尔就提出了互补原理。这个原理认为,对于微观客体,波动图象和粒子囹象是互相排斥的,但是又相互补充。关于微观客体位置的知识和动量的知识(又如时间的知识和能量的知识)是互补的概相互排斥,又相互补充人关于原子事件的时空表示和它的决定论性因果描述是互补的(既相互排斥,又相互补充,即统计地关联起来)。关于互补原理的作用,至今仍存在许多不同的意见。但它承认矛盾的两极,多少有点辩证法的因素,对冲破经典物理学中机械决定论观念的束缚也起了积极作用。海森伯在1958年也曾指出:“在量子论的认识论分析中,尤其是在玻尔所给予它的形式中,还包含着许多会使人想起黑格尔哲学方法的特征。”

1927年秋,26岁的海森伯成为莱比锡大学理论物理学教授,被人称为“德国最年轻的教授”。在他和德拜周围,先后聚集了一批杰出的青年物理学家物布洛赫、供特、派埃尔斯、斯莱透、泰勒、韦斯科夫、威札克尔等五、六十人,我国物理学家王福山也曾在莱比锡学习〕。他们把量子力学推广应用到分子结构理论、原子核物理、固体物理、金属的电磁性等等方面,作出了巨大的成绩,犹如一次所向披靡的凯旋进军。海森伯本人就在铁磁性理论方面作出了重要贡献。莱比锡的这支队伍成了哥本哈根学派的重要支柱。

1929年,海森伯曾到美国、日本、印度讲学,1930年出版了以芝加哥讲演稿为基础的《量子论的物理原理》一书,宣扬量子论的“哥本哈根精神”,在国际物理学界有广泛的影响。他成了以被尔为首的哥本哈根学派的主要代表人物。

1932年5月,英国物理学家查德威克发现了中子。接着海森伯和两个苏联物理学家分别独立地提出了原子核由中子和质子组成的理论。就在这一年,海森伯因创建量子力学(矩阵力学)和提出测不准关系而获得诺贝尔物理学奖。

1933年,希特勒上台,给德国的科学带来深重的灾难。许多杰出的犹太族科学家受到残酷迫害,纷纷逃亡。莱比锡的科学队伍也逐渐离散。爱因斯坦创建的相对论被当作犹太人的物理学险遭取缔。“运动物体中时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨”。1937年,海森伯因支持相对论也遭到纳粹分子的攻击。那时,海森伯正从事宇宙线的研究。他根据相对论,认为1937年发现的μ子的蜕变时间应当同它的速度有关。实验结果证实了这个预言,“从而为〔大学中〕开设相对论课程开辟了道路”,所以海森伯“对μ子总是怀有感激之情”。

1942年,海森伯担任柏林大学教授并兼任威廉皇家物理研究所所长。在这时期他参加领导研制重水型原子反应堆的工作。在二次大战期间,他发表了《原子核物理学》(1943年)一书,编辑出版了《宇宙辐射论文集》(1943年)。1945年5月,他和德国其他一些科学家一道被美国军队俘至英国,到1946年才获释返回西德。

二次大战以后,海森伯积极为恢复发展西德的科学事业而努力。他参加了重建威廉皇家学会(1948年以后改名为普朗克学会)及所属研究机构的工作,担任哥丁根大学教授兼普朗克物理研究所所长。1958年以后到1970年,他担任慕尼黑大学教授兼普朗克物理和天体物理研究所所长。自1949年以后,他曾先后担任德意志科学研究委员会(DFR)主席、德意志科学研究联合会(DFG)主席、洪堡基金会主席、普朗克学会副主席、西德政府原子问题部顾问等职。

在科学研究工作方面,海森伯自1957年以后,主要从事基本粒子统一场论的研究。最初他和泡利合作。但到第二年泡利就放弃了这项艰巨的工作并于年终因病逝世。以后,海森伯就和青年物理学家迪尔(海森伯和泰勒的学生〕一起从事这项工作。海森伯坚持这项工作直到他去世之日。在这方面海森伯发表了《基本粒子理论导论》(1962)、专著《基本粒子统一场论导论》(1966)。

海森伯在基本粒子统一场论中把所有的基本粒子都看成是同一的原始物质的不同形象(海森伯认为这种说法和赫拉克利特的哲学有相同之处)。原始物质可以用旋量场表示,并满足一个叫做宇宙方程的非线性方程。他希望从解这个方程能推导出各种基本粒子的存在和性质。他在 1970年发表的《物理学的终结?》一文中谈到:“基本粒子物理学有必要寻求一个新的更加全面的理想形式,它应当把相对论和量子论作为极限情况,它应该说明复杂的基本粒子谱,就象量子力学能够说明比如铁原子的复杂光谱一样。”他在《基本粒子统一场论导论》中指出:基本方程并不完全决定所有其他物理部门的定律。例如,电磁定律、放射性和引力还同宇宙模型、大尺度宇宙结构这些有关基态的边界条件有关。而且宇宙方程也不可能包含与生命有关的复杂现象。所以,海森伯认为,建立基本粒子统一场论并不意味着物理学的终结。

1975年3月5日,海森伯在德意志物理学会年会上作了题为《基本粒子是什么?》的报告。(见本书第185-199页。)他认为,到了基本粒子层次,“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了。”“分割”与“组合”等词已失去了意义。他反对把电子、质子等又看成是小行星系那样的复合系统,他反对近年来取得相当进展的“夸克”假说。他强调探索物质的基本的动力学。海森伯和迪尔的这条研究路线是否能够取得成功?这只能有待于今后关于基本粒子的理论研究和科学实验来作出恰当的结论。

1971年海森伯70寿辰时,他的学生、好友、天体物理学家和哲学家冯·威札克尔评价了他一生的工作:“他的物理学工作有两个主题:量子力学和统一场论。量子力学象是一次胜利凯旋的进军,统一场论则是一场消耗实力的阵地战。”海森伯在晚年虽然不象青年时代那样取得丰硕的成果,但他在统一场论探索性研究中不畏艰险、勇于登攀的追求科学真理的精神是值得我们敬仰和学习的。

海森伯不仅是一位物理学家,也是一位哲学家。他十分重视古典哲学的钻研和物理学哲学问题的探讨。他曾说:“一个人没有希腊自然哲学的知识,就很难在现代原子物理学中作出进展。”他写了不少有关物理学哲学问题的著作,其中主要的有:《自然科学基础的变迁》(1935年初版,1973年第10版,英译本改名为《原子核科学的哲学问题》,中译本名为《严密自然科学基础近年来的变化》,上海1978年版,比原书增加了几篇重要的文章),《当代物理学的自然观》(1955年初版,英译本改名《物理学家的自然观》),《物理学和哲学——现代物理学中的革命》(1958年初版,中译本即本书),《部分与整体》(1969年初版,英译本改名为《物理学和其他——会晤和对话》),〈跨越界限〉(1971年初版)等。

海森伯对哲学问题的探索是和他从事的原子物理学研究密切结合的。在创建和发展量子力学的时期,他的哲学观点受到马赫的实证论的深刻影响。海森伯的怀疑的经验论倾向对他反对唯心主义的先验论、反对十九世纪支配物理学界的机械唯物论观点起了积极作用。他反对把原子和亚原子客体看成是僵硬不变的、惰性的微小粒子,而是具有波粒二重性那样的东西。他认为不能要求经典物理学的机械决定论规律在原子世界继续有效,这些都是有积极意义的。他强调人必须能动地通过宏观仪器对微观客体的变革(他称之为本可控制的干扰)来认识微观客体,人必须用数学语言补充日常生活(宏观世界)中形成的语言概念来描述微观世界的面貌,这些对发展哲学的认识论也是有启发性的。

但是,海森伯进一步认为:“在允许把世界区分为主体和客体(观察者和被视察者)从而明确地表述因果律”这一点上,“量子论开始遇到了困难”。“我们已经把一个主观论因素引入了这个理论”,“所发生的事情依赖于我们观测它的方法,或者依赖于我们观测它这个事实。”(本书第18页)“因果律在量子论中不再适用”,“因果性只有有限的适用范围。”(本书第48、50页)事实上,海森伯有时也不得不承认“自然界先于人类而存在”,“自然界在某种程度上独立干人类而存在”,可是他仍然强调人先于自然科学而存在,自然规律的概念不可能是完全客观的。在这里,海森伯忽略了,经过实践检验证实的自然规律,是具有客观实在性的,是不以人的意志为转移的。单个微观客体的运动,虽不服从决定论规律,但大量微观客体的系综,或单个微观客体的波函数,仍服从决定论规律。这说明,单个微观客体的运动虽具有一定偶然性,但仍受到薛定谔方程的决定论规律所要求的必然性的制约,所以,对于微观客体,不能说不存在因果关系,只是不存在决定论的因果关系罢了。

在五十年代末,海森伯开始研究基本粒子统一场论,他的哲学观点在这一时期也有相应的转变,由经验论转向唯理论,由马赫的实证论转向柏拉图的客观唯心论。正如他在本书中所写:“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”。(本书第93页)但他并没有从实证论转向唯物论,因为他认为不能把唯物主义的本体论“外推到原子领域中去”(本书第93页)。他说:“但是近几年来的发展事实上非常清楚地再现了——如果我们一定要和古代哲学作比较的话——从德谟克利特转向柏拉图的转移。正是普朗克的发现实际上给我们这样一种启示,即物质的原子结构在自然定律中能够被理解为数学结构的表示。” 结合基本粒子统一场论的研究,海森伯对一与多、単纯与复合、组合与分割、整体与部分、质料与形式等一系列对立的基本哲学范畴作了深入的探讨,是富有启发性的。他的主张物质统一性的观点接近千赫拉克利特。他反对德谟克利特的原子论观点,而倾向于柏拉图和亚里斯多德的物质无限可分的观点。但是海森伯在反对德谟克利特的机械的原子论的同时,把他的唯物论也给否定了,而倾向于柏拉图的客观唯心论,把理念、形式看得高于物质或物质的存在物,说什么“物自体最终是一种数学结构”(本书第50页),“基本粒子最后也还是数学形式’(本书第35页),“原始的东西不再是物质的客体,而是形式,是数学对称性,……是理智的内容,……‘意义是万物之始’——逻各斯。”我们不否认,在特定的条件下,形式对内容、精神对物质可以起决定的、主导的作用。但由此夸大到把形式、精神看作是万物的原始,那就把形式与内容、精神与物质的根本关系给颠倒了。

因为海森伯是结合当代原子物理学的研究来探讨哲学问题的,所以他的哲学充满着丰富的、活生生的内容。尽管他对有些命题作了片面、夸大、自相矛盾的表述,我们仍应该深入地去研究、分析、鉴别,以便吸取其中的合理的内核。

本书《现代物理学和哲学——现代科学中的革命》是海森伯根据1955-1956年冬季在圣安德鲁兹大学的吉福特讲座上的讲稿整理发表的,干1959年出版。本书是作者最系统的一本哲学著作,也反映了他从经验论向唯理论、从实证论向客观唯心论的转变。中译本还增选了海森伯晚年所写的《科学真理和宗教真理》(1973)、《量子论历史中概念的发展》(1975)、《基本粒子是什么?》(1975)、《宇宙辐射和物理学中的基本问题》(1976)这四篇文章,以供关心现代物理学的历史及其哲学问题的读者参考。此书的翻译与出版,曾得到于光远、许良英、陈步、龚育之、高崧、吴伯泽、吴隽深等同志的关心与帮助,特在此表示深切的谢意。

译者

1980年9月于北京

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