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中 国 文 化 来 做“两位科学巨人”的调停人(中)

(2012-04-05 06:04:03)
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杂谈

物理学创新

观念变革

文化

简介:科学家们对量子论的“不能理解”,根源在于西方那物质一元论的哲学。即“希腊自然哲学的出发点是丰富多彩的现象能藉以得到解释的本原问题”。随后发展为对世界本质的回答,最基本的要求是:“物质方面必须起决定性的作用”。经典物理学的哲学基础,错就错在寻找“统一的本原”。

实际上这个问题在18世纪中叶就已经暴露出来——

“1755年出现了康德的《自然通史和天体论》。关于第一次推动的问题被取消了;地球和整个太阳系表现为某种在时间的进程中逐渐生成的东西”;证明了“自然界不是存在着,而是生成着消逝着”,“然而,这个时代(指康德之前的很长一段历史时期——笔者)的特征是一个特殊的总观点的形成,这个总观点的中心是自然界绝对不变这样一种见解”。

希腊哲学中所缺少的就是这种“生成”的观念,早在四、五百年之前弗兰西斯·培根就指出了这个问题,迄今都没有引起学术界的应有关注——

“我们主要从希腊人那里得来的那种智慧,只不过是知识的童年,具有着儿童的特性;它能够谈论,但是不能生育;因为它充满着争辩,却没有实效……我们熟悉的那些科学也是这样,虽有一些冠冕堂皇的、讨人喜欢的一般论点,可是一碰到特殊事物,即生育的部分,需要结出果实、产生成果时,就引起争执,吵吵闹闹,辩论不休了”。

因为“生育”属于变化的范畴,其自然观就必须是二元的

而第一哲学对“本原”的追寻,却建立在“自然界绝对不变”的基础之上,其自然观当然就只能是物质一元论。

实际上这种跟“物质一元论”背离的现象在热学中早已存在:所谓的“热”究竟是什么——开始时人们把它叫做“热素”,后来改叫“热量”、“热能”,普朗克引入最小作用量子h之后,就逐渐被称为能量子ε、简称为量子ε。

量子和辐射能究竟有哪些异同?量子和粒子究竟有哪些异同?这才是两位科学巨人争论的焦点之所在,而西方文化却又根本就无法回答这样的问题。所以20世纪最伟大的两位科学巨人,围绕这个问题针锋相对地论战了近30年,直到爱因斯坦与世长辞,谁也没有能够说服对方接受自己的观点。

而后世界上不少有真知灼见的学者,就把目光瞄准中国传统文化,期望能够从中获得“哲学的启迪”。笔者就是乘着这股中西文化“交融汇合”之风,选取中华传统文化中“阴阳互补、有无相生、体用不二”12个字为鼎足,铺开了构建物理宇宙图像之蓝图。仅仅从自然观和对概念作出必要区分两处切入,就把围绕粒子和量子的诸多问题,给出了自洽而合理的答案。

(中)篇就依据(上)篇提供的基础,着重阐述粒子、量子h和辐射能ε的本质差异,并从“关于量子力学的基本结构、认识方式和物理图案”三个方面来调停两位科学巨人的“矛盾”。

 

“两位科学巨人”的调停人(中)

 

 

2】. 量子耶?辐射耶?

爱因斯坦和玻尔争论的焦点,就集中在这两个概念究竟指的是什么——也就是说传统物理学理论中所谓的量子、辐射、辐射能ε,到底是实体概念还是属性概念?抑或有的是实体概念、有的是属性概念?

“因为论战的内容涉及到关于量子力学的基本结构、认识方式和物理图案等根本问题的评价,这在客观上构成了现代物理学发展的基础”。

吴教授在结论中讲到的这三点,就非常扼要地抓住了要害。

先来看“量子力学的基本结构”,也就是应该怎样回答“如何”的问题,当属于科学的范畴而无疑;再看“物理图案”,爱因斯坦的具体说法是“究竟是不是存在一个原则上完全非统计性的关于实在(就单个事件而论)的概念图像?只是在这一点上,人们的意见才有分歧”—— 这里所涉及的是关于实体概念的问题,当属于哲学的范畴而无疑;其三关于“认识方式”,是需要多说几句的。

恩格斯在《自然辩证法》中曾经指出:

“经验自然科学积累了如此庞大数量的实证的知识材料,以致在每一个研究领域中有系统地和依据材料的内在联系把这些材料加以整理的必要,就简直成为无可避免的。建立各个知识领域互相间的正确联系,也同样成为无可避免的。因此,自然科学便走进了理论的领域,而在这里经验的方法就不中用了,在这里只有理论思维才能有所帮助。但是理论思维仅仅是一种天赋的能力”(5-P465)。

积累“实证的知识材料”,需要的是“眼见为实”,经典物理学所采用的传统“认识方式”就属于这一种;量子论则“只有理论思维才能有所帮助”,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             “经验的方法就不中用了”,故而爱因斯坦才会说:“我认为像古人所梦想的,纯粹思维可以把握实在,这种看法是正确的”(2)—— 爱因斯坦提出了一种全新的“认识方式”,即依据人类所特有“天赋的能力”、即“理论思维”能力去把握“实在”,于是就被贴上了“唯心论”的标签,让他不得不在《对批评的回答》一文中,给自己画了一幅“从一个有体系的认识论者看来,他必定像一个肆无忌惮的机会主义者……”的哲学画像。

小结:在科学理论发展的道路上,“眼见为实”和凭借“天赋的能力”进行“理论思维”这两种“认识方式”,任何一种都不可或缺!

1. 量子h与辐射能ε

19世纪对热辐射的研究有突破性进展,1896年由维恩根据热力学、结合实验数据,凑出一个经验公式,稍晚些时候瑞利和琼斯假定电磁波形成一切可能的驻波,依据能量均分原理也导出一个公式,前者只适用于短波,后者只适用于长波;最后由普朗克异常大胆地放弃经典的能量均分原理,反传统地假定振子的能量变化不连续,对维恩公式引入一个假想的h(普朗克称其为“最小作用量子”)进行改进,新公式就在长波区与短波区分别跟瑞利和维恩公式一致,圆满地解决了热辐射问题,其能量可表示为:

En=n hν (n=0,1,2 …)

n叫作量子数(只能是正整数),每一种可能的能量状态称为一个量子态,h被称为普朗克恒量;普朗克就成为“量子”概念的创始人。

但是,普朗克引入的“量子”概念,是直到爱因斯坦的光量子理论获得成功,才被学者们普遍接受的。不过,这时候的“量子”已经变成了ε(=hν),根本就不再是普朗克的“最小作用量子h”。

请注意—— 被普朗克称为“最小作用量子”的是h,而迄今使用的“量子”概念却指ε;前者是跟粒子对等的、指称“实在”的物理客体,后者却是跟质量M对等的、表述客体之特质的属性概念。直到今天学者们都还没有意识到hε是两个属性完全不同的概念,不能说不是学界的一大失误。

小结:粒子是指称能用质量M度量的物质系统最小单元“实在”的实体概念,量子h是指称不能用质量M度量的空间中最小单元“实在”的实体概念;质量M是粒子所具有的最基本特质,辐射能ε是量子h所具有的最基本特质。粒子和量子h对等M和ε对等—— 传统把ε叫做量子,是造成观念混乱非常重要的原因。

2. 辐射能ε的产生和传递

辐射能ε是由充满空间的、全宇宙关联的、呈不可分隔连续态的“最小作用量子”h(下文简称量子h)的振动,所传递的一种能量;ε跟量子h的关系,与量纲式中的质量M跟粒子的关系完全相同。

但是,量子h究竟什么样子?跟粒子的本质差异又是什么呢?

整整一个世纪过去了,却没有人认真考察这个问题;因为唯物论哲学认为凡是实际存在的客体都属于物质范畴,量子h既然是跟粒子等同的“物理客体”,就自然也应该被称为“物质”。也难怪S·霍金会慨叹道:

“量子力学的本质是关于我们不知道和不能预言的事物的理论”。

爱因斯坦在1926年给玻尔的信中就干脆称其为“恶魔”:

“量子力学是堂皇的,但是有一种内在的声音告诉我,它还不是那真正的东西,这理论说得很多,但是一点也没有使我们更接近这个‘恶魔’的秘密”。

笔者以中国人特有的“理论思维”方式,这样来回答“量子”问题:

h通常被称为普朗克常数—— h既然作为“常量”,背后就必然有实际存在着的承载这种“常量”的客体。在费因曼和他的导师惠勒合作的电动力学研究中,就认为“ 是作用量的量子(最小单位)”(7-P386),其意即认定h(=2π )为“不依赖于意识而存在”的物理客体、故而称其为“作用量的量子”,这种观点和普朗克当初称h为“最小作用量子”是一致的。

由于νT=1,传统使用的辐射能公式ε=hν,就应该改写为ε=h/T

这样一来就不难看出,量子h与粒子的本质差异主要有如下3点:

(1). 粒子用量纲式中的M度量,使用的单位是kg;而量子h却用其内禀时间T(振动周期)度量,结果却使用能量的单位eV。

(2). 粒子具备“眼见为实”的特点,任何放大仪器都可以被看做视觉的延伸;而量子h却不具备这种特性,只有在它以ε的形式显示时才可以被感知—— 正是这样的一种特性,导致了熟悉粒子特性的物理学家们瞠目结舌;而哲学家们却由于害怕涉嫌“唯心主义”,也都不敢妄言而退避三舍。

(3). 量子h处于绝对静止的状态时,就是传统所谓的“真空”(即什么也没有的空间);空间中任何一个粒子的电结构有所变化产生的“微扰”,都将会引起量子h的振动,从而就有了被传向不同方向的、量值不一的各种各样的辐射能ε。粒子在放出辐射能ε的同时,必然伴随着“质量亏损”。

实际上宇宙间自组织演化的本质,就可以被概括成M→ε、ε→M的双向、可逆、自主的演变过程。

小结:辐射能ε是粒子放出的、由空间中的作用量子h以振动方式所传递的能量;粒子在放出辐射能ε的同时,必然会有“质量亏损”。

现代科学提供的精确数据是:在这种M→ε、ε→M过程中,严格遵从粒子系统亏损1.66×10-27kg质量M,量子系统就增加931MeV辐射能ε的规律;逆过程同样遵从这种当量关系。

3. 粒子 电荷量子h

“我们离开有一种合理并符合事实的关于光和实物的理论还远得很!我觉得,只有大胆的思辨而不是经验的堆积,才能使我们进步”(8)。

问题依旧出在“概念混淆”上—— 所谓的,实际是一种辐射能ε,属于属性概念的范畴;而实物却是一个实体概念。

在这里同样犯的是将空间(体)和时间T(质)并列使用的常识性错误。

普朗克凭借“纯粹思维”引入的“基本作用量子”是h,而现在被称为“量子”的却是由于h的振动所传递的辐射能ε。

以此为出发点认真剖析研究的结果,笔者又意外地发现:

自然界在微观上存在的最小“实在”有且只有3种:

用质量M计量的粒子,用电量q计量的电荷,用能量ε计量的量子h

牛顿经典力学研究的对象是“实物”粒子,电磁学研究的对象是电荷,经典的热学、光学及现代的量子论研究的对象是量子h

自然科学所研究的“能量”同样是有且只有3种:与质量M相关的能量,传统谓之机械能;与电量q相关的能量,传统谓之电磁能;与辐射相关的辐射能,传统谓之光、热,或曰电磁波,而今则错误地称其为“量子ε”。

现在可以把微观上这三种最基本的“实在”,及其与之相对应的三种能量列表对比如下:

 

实体概念

计量单位

度量依据

能量形式

本质差异

粒子

kg

m

mgR

度量标准客观、能量共轭决定

量子h

eV

T

h/T

自带度量标准、能量单独决定

电荷

C

q

ne ·Q

度量标准客观、能量共轭决定

 

其中的g表示空间中不同点的自然场强度,是个变量,R表示这一点到用L、T的函数表述的三维圆球中心的距离;mgR被称为负能(传统称为势能),gR是动力学量;由物体以mV2形式显示出来,称为正能(传统称为动能),所有物体的自然运动都是正、负能转化的过程。

h代表基本作用量子(传统叫普朗克常量),T代表h的内禀时间、即周期。

n代表正整数,e表示基本电荷电量,电位ner-1是电荷的1维分布率,属于作用于q的动力学量。电荷既带电量,又有质量,Eq以q·ner-1形式存在时决定着粒子的电结构,以电荷运动的形式存在时显示为Em=mV2

大千世界的纷纭万象,皆由物质系统展示现象,空间系统提供动因

爱因斯坦所企盼的“一种合理并符合事实的关于光和实物的理论”,放到物质~空间系统论的框架中并不难构建;要害就在于必须确立“光和实物粒子不对等”的理念;“只有大胆的思辩而不是经验的堆积,才能使我们进步”,这话确实非常正确。

 

3】. 两位巨人论战的焦点和意义

吴教授把两位科学巨人的论战分为3个阶段:

第一个阶段是1924~1927。他借用美国物理学家H.R.佩格斯的畅销书《宇宙密码》指出:爱因斯坦“一生都在坚持经典的决定论观点”,而“在量子论里,对世界一些常识性理解,像决定论和客观性,不再成立了”。

爱因斯坦这样写道:“关于统计论和决定论的对立问题,是这样的:从直接经验的观点来看, 并没有精确的决定论……究竟是不是存在一个原则上完全非统计性的关于实在(就单个事件而论)的概念图像?只是在这一点上,人们的意见才有分歧”。

第二个阶段是1927~1930。

1927年在索尔维会议上,“爱因斯坦沉默着”;玻恩点名让他谈谈,“爱因斯坦被迫应战,又被迫发言,但观点惊人。他明确表示:赞同量子力学的系统几率解释,不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论”;爱因斯坦的发言,一下子让“整个会场炸锅了”——“1927年的索尔维会议实质上标志着三十年来物理学家所献身的方案已达到最完善的境界”,P.罗伯森在《玻尔研究所的早年岁月》中,如此肯定了这次会议是确立量子论的里程碑。

第三个阶段是1930~1955爱因斯坦谢世。“争论最突出的事件,要算后来称之为EPR悖论了”。这时候的爱因斯坦“不再批评玻尔解释的自洽性,而是转向批评量子论是否给出关于实在的一个完备的描述”。

爱因斯坦始终认为:“量子力学固然是堂皇的,可有一种内在的声音告诉我,这还不是真实的东西”。不难看出,爱因斯坦在和玻尔的论战中,始终是在坚持“实体物质一元论”的自然观;而他在1952年却“用这种断然的说法来表达:如果物质消失了,空时本身(作为表演物理事件的一种舞台)仍将依然存在”,即首倡物质~空间系统论的自然观,难道这还不值得深思吗?

在两位科学巨人的论战中,爱因斯坦自始至终“反对的是哥本哈根学派对量子力学的解释,而不是量子力学本身”。“爱因斯坦认为,这种物理只是对个别体系的系统的描述,而不是对个别体系的描述”;“因为是统计理论,就不能描述个别物体的运动规律”—— 正如后来狄拉克所说的:“看来量子力学本身最后形式,要做些改变……新理论蕴含着爱因斯坦所要求的决定论。引进决定论,就要牺牲现在某些科学家的一些见解。在迄今这长距离的赛跑中,爱因斯坦被证明是正确的”。

也许就是爱因斯坦像在玩文字游戏似地加进去的“系统的”三个字,最终催生了一门全新的学科:系统论

爱因斯坦坚定地相信在量子现象的背后,“应该存在客体;客体的性状不依赖于主观的观察过程”—— 也就是说他矢志不移地相信,在一切所有现象的背后,肯定会存在着某种承载“现象”的不依赖主观意识的“实在”。

哥本哈根学派则认为:“事物存在离不开主观观察,事物现象离不开对现象的描述……他们认为不能预言每次实验的结果”。

由此不难看出,两位巨人争论的立足点,很显然是不相同的:

一位在追问“实在”到底是什么?一位却在突出强调“描述”。

“一旦争论离开了共同的假定,即实在是由仪器决定的,并且变为对实在本性评价上的分歧,那就没有解决的可能了”。佩格斯这话很有道理。

对于怀特海所说的“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”,两位科学巨人长达30余年的论战,就是一个非常典型的范例。

1. 实在~现象~观测~描述

究竟什么叫做“实在”?依据“实体物质一元论”的哲学,西方文化的传统认为,只有“能够被看到和摸到的感官知觉的对象”才能被视为实在;近代物理学创立之后,就把能够被仪器量度出结果的都叫做实在。

在1930年爱因斯坦等人发表的《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的》中,通过分析量子力学理论的完备性与实在性的逻辑关系,认为当时的量子力学理论在完备性与实在性两方面不能同时兼得:“要是对于一个体系没有任何干扰,我们能够确定地预测(即几率等于1)一个物理量的值,那么对应于这一物理量,必定存在一个物理实在的元素……只要不把这判据看成是实在的必要条件,而只看成一个充分条件,那么这个判据同古典的以及量子力学的实在观念都是符合的”—— 我们把h判定为量子本身、即一种基本实在,依据的就是这一判据;进而就发现了传统称ε为量子是错误的。

严格区分量子h和辐射能ε,不仅是和解爱因斯坦和玻尔争论非常必要的契机,同时也是彻底消除怀特海所谓“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的坚实基础。

量子论的创始人之一狄拉克,依据相对论和量子论之间的不协调,越来越怀疑量子力学的基础。1975年在澳大利亚南威尔士大学的一次演讲中,就曾经这样说:“我认为量子力学的基础还没有正确地建立起来……这些规则得出的结果与观测相符合,但毕竟是人为的规则。因此,关于现在的量子力学基础是正确的说法,我是不能接受的”——  在不能准确回答所谓的量子实在究竟是什么之前,作为量子论创始人之一的狄拉克都“不能接受”的理论,其中是不是还存在着某种纰漏,也确实是一个应该关注的问题。

现象,指的究竟是什么呢?

笔者认为现象就是怀特海说的“实体的诸属性相互联系”所展现出来的、可以被观测到的过程。所谓的自然规律,就必然存在于“现象”之中。

玻尔却说:“描述自然的目的,不在于揭示现象的真实本质,只在于尽可能找出我们的经验的各个方面之间的关系”。对于“他们把物理学的研究局限在‘现象’范围”的做法,有人把它称为“哥本哈根之雾”,并且明确指出由之“阻碍了量子物理学的进一步发展”,这种观点是正确的。

再说,现象都产生于不同“实在”之间的相互作用,像玻尔那样不注重“现象的真实本质”,甚至连存在于现象背后的“量子实在”都不知道是什么,想要精确地表述自然规律,可能吗?难怪狄拉克会说“爱因斯坦被证明是正确的”,并且公开讲对所谓“量子力学基础是正确的说法,我是不能接受的”—— 量子论有待于进一步“完善”,是确定无疑的!

观测,是科学研究的一种必要手段,是发现、描述自然规律须臾不可或缺的基础性工作。对自然规律描述的正确性,就跟观测数据的可靠性直接相关;科学的进步,在很大程度上依赖于观测仪器精度的不断提高。

描述,是科学研究和发现工作的最后一道工序。对自然规律表述的正确性,直接依赖于观测数据的精度和准确性,还必须有扎实的数学基础及天赋的“理论思维”能力。现在的人们都只相信这几个条件,却往往会忽略掉极其重要的“哲学”要素,即你用方程式描述的究竟是“谁”对“谁”的作用。

玻尔连“现象的真实本质”都不关注,自然就更不用说“谁”对“谁”的问题;爱因斯坦却咬定“量子实在”不放,并且从“完备性”的角度展开论证,最后收获了高度的肯定:

由爱因斯坦等三人“引入的完备性概念,强于并且包含预言的完备性。我们证明了EPR的结论是正确的……这种‘不完备性’,从某种意义上说就是自然界的属性”。加拿大物理学家巴伦坦和美国哈佛大学哲学教授詹里特联合发表文章,对爱因斯坦作出高度评价—— 老三论、新三论的出现,就似乎都跟这个“完备性概念”有点关系。

 

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