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李增智等:玻尔的并协原理与我国古代阴阳学说

(2018-05-24 17:18:19)
标签:

玻尔

并协原理

太极图

历史

物理

分类: 海外道学

玻尔的并协原理与我国古代阴阳学说

 

李增智 胡艳艳 孟湛祥 吴亚非

 

(天津大学应用物理系,天津 300072)


    摘 要 本文介绍了玻尔的并协原理和我国古代阴阳学说的基本内容。1947年玻尔授勋时,他选择了太极图作为礼仪罩袍的图案,表明我国古代文明与现代科学之间存在着深刻的和谐一致。

 

    关键词 不确定原理;并协原理;阴阳学说;太极图

 

  1925年上半年,德国物理学家海森伯放弃用诸如电子轨道等经典概念来想象原子,而代之以原子发射的辐射强度和频率等在实验上能够观测的物理量来描述原子过程。这种新颖的方法使得海森伯等人创立了量子力学的第一种形式——矩阵力学。矩阵力学比较偏重于物质的粒子性。另外,在1925年下半年,奥地利物理学家薛定谔在法国物理学家德布罗意物质波思想的指引下,创立了量子力学的另一种表述形式——波动力学。波动力学比较偏重于物质的波动性。此后不久,薛定谔等人便证明了,矩阵力学与波动力学不过是量子力学的两种不同的描述方法,在本质上是完全等价的。微观客体既具有波动性,又具有粒子性,即具有波—粒二象性。1926年夏天,德国物理学家玻恩又进一步提出物质波是概率波。波动力学理论中波函数的平方表示在给定时间与空间发现粒子的概率密度,这就是波函数的统计解释。量子力学的诞生,打开了深刻理解原子的大门,开创了物理学的新纪元。很多长期困扰人们的疑难问题得到解决,量子力学并以惊人的速度开辟着新的研究方向。

 

    然而粒子图象与波动图象是有很大差别的,甚至可以说是相互对立、相互排斥的。经典物理学认为,粒子是具有确定体积的实体,其能量和动量在某一时刻可以定域在空间确定的位置上;而波动却可以弥散在很大的空间范围之内。在探讨整个量子力学的物理解释,即量子力学的本质的过程中,1927年春天,海森伯提出了不确定原理(也称为不确定关系或测不准关系)。不确定原理表明,人们无法同时准确地确定粒子的位置和动量。位置的不确定度Δq与动量的不确定度Δp的乘积决不能小于用普朗克常数h所给出的一个量,其数学表达式为Δq·Δp≥h2π(有时为简单起见,写成Δq·Δp≥ )。当粒子的位置愈准确确定时,其相应的动量就不能准确确定;反之亦然。对于其它各对“共轭”变量,例如能量和时间,类似的关系也成立。

 

    也是在1927年,丹麦物理学家玻尔在充分肯定海森伯不确定原理的同时,自己又提出了并协原理(Complementary Principle,又称互补原理)。玻尔认为,波—粒二象性是任何辐射与物质都具有的内在的和根本的性质。这两种图象是互相排斥的,但同时又都是确定存在的。波动性和粒子性两种描述中任何单独一方都是不充分的,尽管它们彼此不相容,但为了说明所有可能的实验又都是必要的。在某种意义上说,不确定原理正是这样一个简单的数学表述,它给出同时应用这两种描述而不致陷入矛盾的程度。玻尔相信,理论的最终形式只能是尽可能地把彼此矛盾,但显然又是必不可少的波动概念和粒子概念协调起来。波动图象和粒子图象是并协的(互补的),两个都用,相互过渡,相互补充,就可以得出微观粒子“古怪状态”的真实概念。这就是玻尔最初提出的并协原理的基本内容。

 

    从根本上说,玻尔的并协原理认为真理具有两个侧面,如同一枚钱币具有两个侧面一样。每个侧面都是正确的,它们是对立的,但又是并协的。只有把并协的两个侧面结合起来,成为比单独各个侧面更和谐的整体,我们对微观世界才能有全面的理解。由于微观客体需要波动图象和粒子图象并协地加以描述,所以从原则上说,对微观客体的描述只能是概率论的,而不是确定论的。在微观世界中,有“因”未必有“果”,因果律失去了意义。

 

    “无论这类现象乍一看来显得多么不调和,”玻尔说,“我们也必须认识到它们是并协的。也就是说,它们结合起来,就能清清楚楚地把原子完完全全地讲清楚”[1]。

 

    玻尔的并协原理得到了大多数科学家的肯定。英国物理学家狄拉克称为之“急剧地改变了物理学家的世界观,其改变程度大概是空前的。”美国物理学家奥本海默称之为“人类思想进入新的进化阶段的开始。”另一位美国物理学家惠勒(J.Wheeler)则称之为“20世纪最有革命性的科学概念。”[2]

 

    玻尔的并协原理也受到一部分科学家的反对和质疑。最具代表性的人物是爱因斯坦。爱因斯坦认为,量子理论的统计性是由于这个理论未能对物理现象提供一个完备和谐地描述的结果。爱因斯坦相信,进一步的发展能够展现一个更深刻的理论。在这个理论中,原子尺度上的事件可以被确切预言,而不只是概率。爱因斯坦不满意“这种情况有可能发生”的说法,而喜欢“这种情况将会发生”的说法。“上帝并不掷骰子”成了爱因斯坦的名言和终生信念[3]。

 

    爱因斯坦还设想了一些理想化实验来反对不确定关系和并协原理,其中最著名的一个是所谓“爱因斯坦盒子”的假想实验[4]。如图1所示。盒子里装有一定量的辐射物质,盒子一侧有一个小洞,洞口有一块挡板。盒子里面放有一只能控制档板开关的钟,盒子的重量是可以测量出来的。盒子里的钟能在某一时刻将小洞打开,放出一个粒子(光子或电子)。这样,粒子跑出前后盒子的重量也可以准确地测量出来,根据爱因斯坦著名的质—能关系式E= mc2,粒子的能量也可以准确地确定。这样就可以得出在准确的时间释放出准确的能量的结论。于是,不确定关系以及并协原理不再成立,世界又可以用准确性和因果律联系来描述了。

 

李增智等:玻尔的并协原理与我国古代阴阳学说

 

图1 爱因斯坦盒子

 

    玻尔经过认真仔细地分析后指出,在粒子跑出盒子的过程中,盒子必然在重力方向上发生位移,而根据爱因斯坦广义相对论,在钟沿重力方向发生位移的过程中,它的快慢会发生变化。因此,由钟所读出的时间就会由于这个粒子的跑出而有所改变,由此引起的误差正好满足不确定关系。因此,玻尔说,“若用这套装置来准确测量粒子的能量,就不能准确控制粒子跑出的时间。”[5]这样,玻尔利用爱因斯坦创立的理论驳回了爱因斯坦的挑战,使并协原理取得了决定性的胜利。

 

    后来,玻尔把并协概念推广到了生物领域,认为对生物体的物理化学分析和机能分析是并协的。他说:“生物体的根本特性应该在某一种特殊的生物机制中寻找。在这种机制里,既有能用一般的机械方法(物理和化学方法)来分析的特征,又有典型的原子特征,并且这两者交织在一起的方式是无生物所做不到的。”[6]玻尔还把并协概念推广到社会文化领域,强调人类生存和文化的并协性。玻尔说:“……因此,不能简单地就各种文化进行比较。在这里,相互补充的并协观点尤其可以用作处理这一关系的方法……在原子物理学中,我们评价从不同的试验中所得到的经验——这些经验只有用相互排斥的观念才能理解——之间的关系时,常常用到‘并协’一词。我们现在也可以说,不同的人类文化彼此是并协的。每一种文化都确实是其传统观念的和谐表达。有了这些文化,人类生活的无限丰富多彩的潜在内容才能展现出来……人道主义的最伟大的内容,可能应该说是通过对文化发展史的不断理解,逐渐达到一切科学的共同目的——消除偏见。”[7]这样,玻尔逐渐把并协原理发展成为一种并协哲学。

 

    我国是文明古国。我们的祖先创造了灿烂的古代文化。阴阳学说就是我国古代思想文化的重要组成部分。

 

    阴阳最初的意义是指日光的向背。向日为阳,背日为阴,后来引伸为解释自然界两种对立和相互消长的物质力量。人们通过仰观俯察,接触到天地、日月、昼夜、阴晴、寒暑、水火等自然现象,认识到向阳者丰收,背阴者减产的规律,于是把季节变化所造成的生物界生长和衰亡的现象看作是阴和阳之间,以及寒冷而阴暗的冬季与炎热而明亮的夏季之间相互作用最明显的表现。随着上下等级的出现,面临着君臣、主奴、贵贱、贫富、战乱、兴衰等社会矛盾现象。在管理国家事物的活动中,人们认识到矛盾的缓和与激化关系到社会的战乱与安危,从事物的普通矛盾中概括出乾坤、泰否、剥复、损益等一系列对立概念,又逐渐把它们上升为阴阳范畴,并用阴阳二气的消长来解释事物变化的原因。我国古代思想家认识到一切现象都具有正反两个方面,就用阴阳这对概念来解释自然界两种对立和相互消长的势力。《老子》一书提出“万物负阴而抱阳”。认为任何事物都存在着阴与阳的矛盾,而阴阳二气又处于一个统一体之中。《易经》一书提出“一阴一阳之谓道”的原则,把阴阳概念上升为“范围天地”“曲成万物”的最高哲学范畴,成为关于解释天地万物和宇宙原型的体系,形成了比较系统完整的阴阳学说。

 

    传统的中医也以阴阳学说为理论基础。中医理论认为自然界相互关联的事物和现象都存在着阴阳两个方面。阴阳既对立,又相互依存,制约和斗争的结果,取得了动态平衡。当阴阳处于相对平衡时,人体表现出健康状态。任何疾病都是由于阴阳之间的平衡遭到破坏,而任何治疗方案都是基于阴阳之间恢复或达到平衡。具体来说有以下几个方面。[8](1)以阴阳表示人体脏腑、组织、部位等的属性,如以脏为阴,腑为阳;血为阴,气为阳等。(2)以阴阳阐明生理功能和病理变化,如阴血主要为濡润和滋养组织,阳气主要为温养和固卫肢体;阴邪内盛或阳气虚衰都可表现为寒症,阳邪盛实或阴液耗伤都可表现为热症等。寒症和热症在一定条件下可以转变,称为阴阳转化。(3)以阴阳指导诊断和治疗,如用补阴的方法以制阳热,用温阳的方法以消阴寒,称为阴阳制约或辩证施治。(4)以阴阳区分药物的性能,如把温性热性或有辛甘发散作用的药称为阳,把凉性寒性或有酸苦涌(催吐)泄(泻下)作用的药称为阴。人们所吃的食物也分为阴阳的成份,有益健康的食物在于这些阴阳成份间的平衡。

 

    为了把阴阳学说的基本内涵形象生动地表现出来,我国古代的先哲们创作了太极图。图2所示为伏羲先天八卦太极图。四周写有乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑的八个部分称为八卦,分别代表天、地、雷、风、水、火、山、泽八种基本自然现象,象征宇宙万物。中间的核心部分是具有黑暗的阴(黑色)和明亮的阳(白色)的对称图案,表示任何既对立又统一的矛盾双方,俗称阴阳鱼。矛盾对立的每一方称为一个极。从图中可以看出,两极中的每一极都与另一极能动地联系在一起而形成对称的布局。但是这种对称不是静态的,而是表示一种连续的循环运动。黑白两部分形成互补(并协)图象,表明阴阳两极既相互对立,又相互依存,任何一方都不能脱离对方而单独存在。阴在图中的下方最盛,而阳逐渐增多;阳在图中的上方最盛,而阴逐渐增多。“阳还终始,阴极返阳。”图中的两个圆点象征着这样的概念,就是每当这两种力量中的一方达到自己的极端时,在其中就已经有了它的对立面的萌芽。

 

李增智等:玻尔的并协原理与我国古代阴阳学说

 

图2 伏羲先天八卦太极图

 

    1937年,玻尔访问我国。5月20日到达上海。5月21日下午在上海交通大学作来华访问的第一次演讲报告,题目是“原子核问题”。上海电台用1 300kHz的频率对玻尔演讲进行了广播。5月29日到达北京(当时称为北平),在车站受到以吴有训为首的我国著名学者的热烈欢迎。5月31日、6月2日和6月4日分三次分别在北京大学、清华大学作了演讲报告。6月7日晚乘火车经西伯利亚回国[9]。玻尔演讲的主要内容是“原子核问题”以及“原子物理学之因果律”。原子核问题是当时的前沿课题,不久(1938年)便发现了原子核裂变现象,为核能利用打开了大门;而原子物理学之因果律则与玻尔的并协原理密切相关。玻尔在华共计19天。除了演讲之外,还游览了杭州、南京以及北京的故宫博物院等名胜古迹。玻尔完全被中国迷住了。自此,他一直把中国看成世界上最美好的地区之一。玻尔对中国人民怀有深厚的情谊,衷心希望中国在复兴之路上大踏步迈进。特别值得一提的是,当玻尔见到我国古代的太极图时,无比兴奋,如获至宝。认为太极图完美准确地表达了他的并协原理。阴阳两极标志着真理的两个方面,它们既是矛盾的,对立的,又是并协的,统一的。阴阳两方面综合起来,就能得到事物和现象的完备的描述。玻尔认为,阴阳学说与他的并协原理真是不谋而合。

 

    1947年,由于玻尔在科学上的杰出成就以及对丹麦文化的重要贡献,丹麦国王破格授予玻尔荣誉勋章。当玻尔必须为自己的礼仪罩袍选定一个适当的图案时,他选定了中国古代的太极图[10]。如图3所示。太极图上面的丹麦文“Contraia Sunt Complementa”是玻尔的题词,其含义为“对立物是并协的(互补的)。”并协原理在玻尔的思想体系中占有举足轻重的地位,而阴阳太极图则形象准确地表达了并协原理的深刻内涵。玻尔通过为自己的罩袍选择太极图标记以及“对立物是并协的(互补的)”的题词,来表达他承认我国古代的文明智慧与现代科学之间深刻的和谐一致。

 

李增智等:玻尔的并协原理与我国古代阴阳学说

 

图3 玻尔礼仪罩袍图案

 

    海森伯说过:“在人类思想发展史中,最富成果的发展几乎总是发生在两种不同思维方法的交会点上。它们可能起源于人类文化中十分不同的部分,不同的时间,不同的文化环境或不同的宗教传统。因此,如果它们真正地汇合,也就是说,如果它们之间至少关联到这样的程度,以致于发生真正的相互作用,那么我们就可以预期将继之以新颖有趣的发展。”[11]近代科学的发展已经表明,我国古代思想文化中有很多方面与近代科技新发现相吻合。作为炎黄子孙,我们应该努力发掘我国古代思想文化的精华,使其更加发扬光大,进而推进整个人类文明的进步。

 

    参考文献

 

    [1]P.罗伯森.玻尔研究所的早年岁月.杨福家等译.北京:科学出版社,1985.165

 

    [2]同[1].162

 

    [3]同[1].146

 

    [4]尼尔斯.玻尔文集 第七卷.北京:科学出版社,1998.308—313

 

    [5]同[1].185

 

    [6]同[1].190

 

    [7][美]R.穆耳,尼尔斯.玻尔.北京:科学出版社,1982.227—228

 

    [8]辞海 缩印本.上海:上海辞书出版社,1979.412

 

    [9]主要参考以下报刊:大公报(上海),1937,5.18;1937,5.20;商报(天津),1937,5.29;1937,5.30;1937,6.5;益世报(天津),1937,6.8

 

    [10][美]F.卡普拉.物理学之“道”.朱润生译.北京:北京出版社,1999.145

 

    [11]同[10].扉页


    转载于《物理与工程》2003年第21期,第58—62页,插图为原文所配。

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