关于“月亮在没人看它时是否存在？”的问题
关洪

 

《自然辩证法研究》Vo1.7,No.3,1991

 本文根据作者1990年8月在全国物理哲学学术台议(北京)上的发言写成。

 

1引言

 

月亮在没人看它时是否存在？这句话听起来似乎是关于哲学基本出发点的一个问题，但

是，我们在这里指的不是这种意思。

 

我们觉得，涉及到哲学基本问题的时候，应当提出的问题是：在没有人看着它的情况下，组成月亮的物质是否仍然存在？

 

在本文里讨论的不是这样一个问题，我们要讨论的其实是在没有人看见它的时候，组成月亮的那块物质是否仍然以它被看见的那种形式存在着？

 

所以,我们是在唯物论的基础上，讨论物质在被观察同不被观察的两种情况下，是不是可以有不同的存在形式这样的问题。

 

目前要讨论的这个问题，事实上是从现代物理学的发展，特别是从量子力学诞生之后所

提出来的。

 

根据派斯(A.Pais)的回忆，他曾经许多次同爱因斯坦讨论对量子力学的解释，我们常常讨论他的客观实在的观念。我记得在一次散步中爱因斯坦突然站住，转身向着我，问我是不是真的相信，月亮只在我看着它的时候才存在。

 

在这次散步的余下时间里，我们热衷于讨论“存在”这一术语对一位物理学家来说应当是什么意思。

 

近年来，在关于爱因斯坦一波多尔斯基一罗森(EPR)论证以及与此有关的对贝尔不等

式的实验检验的讨论里，牟民(N.D.Mermin)先后发表过两篇文章。

 

其中刊登在一份有影响的物理学期刊上的一篇文章，[2]就是以”月亮在没人看它时是否存在？“为标题的。

 

另一篇刊登在哲学刊物上的文章则断言：”我们现在知道，月亮在没人看它时肯定不存

在。

 

[3]这些反映了当代不少物理学家看法的言论，介绍到国内之后，激起了颇为热烈的反响。

 

一方面，有人看到这样的言论，就贸然宣称唯物主义已经被证伪了。

 

另一方面，也有人看到同样的言论，就断然斥之为唯心主义的狂言。我们觉得，这里面存在着严重的误解，两方面的态度都不是我们所必须采取的。

 

首先，大家知道，任何一种哲学原理，都是不可能只凭个别事例就被确证或推翻的。其

次，从以上的介绍可以看出，这里所讲的月亮，只是一种譬喻和夸张的说法。

 

 

 

实际上，它指的是量子理论所描写的微观客体的存在形式问题。做了这样的解释之后,我们就可以把那句话里的月亮换成例如象光子那样的微观粒子。那么，本文要论证的就是，在一定的条件下，“光子在没人看它时是不存在的”这一命题，乃是建立在现代物理学理论和实验基础上的科学结论。

 

由现代物理学得出来的这种崭新观念,已经进一步丰富了人们对物质存在形式多样性的认识，这种认识决不会损害唯物主义,而是必定会相反地为唯物主义的发展作出应有的贡献。

 

2经典物理学的观念

 

现在让我们先分析一下，为什么—般认为，月亮在没人看它的时候仍然存在。在经典物

理学里，从地面看来，月亮可以近似描写成一个有确定半径和质量的刚性球体。它离开地球有一定的距离并绕着地球旋转，由于反射太阳光而被我们看到。即使这个人没有在看，另一个人也可以看到。如果在地球这边看不见，在地球那一边也可以看见。

 

还有，除了视觉观察以外，我们也可以通过月球引力的效应，例如潮汐现象等等察知它的存在..…等等。

 

然而，我们还可以追问，在没有任何人对月球进行直接或者间接的观察时，有什么理由

认为它仍然存在着呢？

 

原来，在经典物理学里，每个物体都可以看做是由许多质点组成的系统。

 

每一个质点的运动状态，是用它的位置和动量来描写的。

 

亦即是说，每个质点在每个时刻都有确定的位置和动量。

 

随着时间的演进，质点连续走过的位置就连成一条轨道，月球(的质心)就是沿着某种轨道环绕地球运动的。

 

而且，经典动力学的运动定律，所支配的正是这种沿着轨道的连续运动，其中质点在每一时刻的位置(或动量)，都是由前一时刻的位置(或动量)演化而来的。

 

根据我们所掌握的天文学知识，早就可以运用这些定律，精确地计算出月球的轨道运

动。

 

无论什么时候，只要我们对月球进行直接的或者间接的测量，所得的结果都同理论预言

符合得很好。

 

并且，由我们的经验得知，只要温度和压力没有充分的变化，一个宏观物体的大小和形状不会发生明显的改变。

 

所以，一般都相信，即使在没有任何人观察月球的时候，它仍然是有那么大小的和有那么多质量的一个球体，并且仍然沿着已经确知的轨道运动着。

 

这大体上就是在一位物理学家看来，月亮在没人看它时仍然存在着的意思。

 

然而，即使在经典物理学的范围，问题也不总是象月球的轨道运动那么简单，有时也

会出现观察结果明显地依赖于观察方式的情况。

 

例如说，物体所表现的颜色是随着照明光的颜色而变化的。在阳光下看到是白色的，在红光照射下则会呈现红色，在绿光照射下又会呈现绿色。

 

不过这个问题好办，我们约定在白光照射下的颜色为物体的本色好了。

 

进一步可以问，在黑暗中看不见任何物体，那么它们是否仍然有颜色呢？如果把颜色仅

仅看做是一种感觉，那么说黑暗中所有物体都设有颜色，应当是一个合理的答案。

 

有一句谚语不是说夜里所有的猫都是黑的吗？其实,不一定要在完全黑暗的条件下讨论这个问题，即使有微弱的亮光，人眼仍然辨不出颜色来。因为，从生理学已经了解到，人眼网膜有两种感受细胞，一种是杆状细胞，一种是锥状细胞。前者对光强的灵敏度高，但不能辨色，后者可以辨色，但只在比较强的光照射时才起作用。

 

有人会说，这个问题也不难解决，要知道原来处在黑暗中的物体的颜色，只需要对它施

加照明就可以看到了。这个办法当然很好，但是已经暗中假定了物体的颜色是同照明状况无关的。并且，这里讲的颜色已经不是单纯指的感觉，而是指能够引起一定颜色感觉的物体的性质；从物理学的角度看，指的就是物体表面对各种不同波长的单色光反射能力的一种谱分布。

 

那么，这里暗含的假定就是，不论是否施加照明和进行观察，物体的这种谱分布都是不

会改变的。我们也许可以称之为”颜色不变性”原理吧。

 

可是,什么事情都会有例外。例如，拿来一卷装在暗盒里的照相底片，请问暗盒里的底

片是什么颜色？鲁莽的试验者很可能会马上抓住片头，把胶卷拉出来察看。但是，这样看到的是底片在曝光以后的颜色，而我们问的是底片未曝光时的颜色。感光材料在曝光前后的颜色肯定是不一样的，否则就不可能用来照相了。这的确是一种令人进退两难的困境：要观察底片的颜色，就必须把它置于光亮之下（我们已经讲过，在暗室里也是看不清颜色的）但底片曝光之后，就改变了原先的颜色。换句话说，我们用肉眼是看不到底片未感光时的颜色的，我们所看得到的颜色只是观察条件对底片施加影响之后的结果。

 

不过这也难不住我们，物理学家可以运用各种不同波长的单色光，对未感光的底片进行

连续的扫描，纪录下它的反射能力的谱分布。只要所用的单色光的强度远小于使底片完全曝光所需的强度(这一点在技术上不难实现)，就可以认为观察到的谱分布曲线，恰当地描写了未感光底片的颜色特性。

 

但是，毕竟只有很少数专家掌握着和使用过这样的观察手段。可以肯定，本文读者的绝

大多数，谁都没有亲眼见过一张未经曝光和冲洗的底片，对其颜色特性也没有什么具体的了解。然而，即使没有进行过任何观察，按照经典物理学的观念，人们一般都相信，未感光的底片必定也具有一种确定的颜色特性。这是把对普通事物的认识推广到未经观察的事物的结果。

 

不仅如此，现代科学技术出现以前的人类，或者现在还不了解这些科学技术的人们，他

们仍然处在上面所说的进退两难的困境之中。他们会很自然地认为，未感光底片的颜色是原则上观察不到的。即使这样，他们仍然会同时认为，未感光的底片肯定存在着一种确定的颜色，虽然由于我们能力有限而观察不到。

 

人们之所以这样想，是因为受到从经典物理学或者日常生活经验中形成的观念的支配。

 

例如，在经典统计力学里，总是认为一盒气体里的每一个分子，在每一个时刻里都具有确定的坐标值和动量值。虽然，由于分子数目的众多和尺寸的微小，即使在经典物理学的立场看，原则上也是不可能在每一个时刻测量出每一个分子的坐标和动量的。

 

这种认为描写对象性质的物理量，不论受到观察与否，甚至在原则上不可观察的情况

下，同样具有确定的量值这种观念，可以称为”经典实在论”，因为它是建筑在经典物理学的基础上的。

 

但是对它的更通用的称呼是”客观实在论”，例如在EPR的文章里，关于物理实在的判据：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，必定存在着一个物理实在的元素。[4]就属于这种

客观实在论的范围。

 

由以上的分析可见，这种认为月亮在没人看它时仍然存在的客观实在观念，既然只是从

经典物理学的基础上建立出来的，就没有理由认为它必定是普遍适用的。下面我们将说明，对于量子物理学所描写的微观对象，这种旧的观念是根本不适用的。

3量子物理学的观念

 

为了明确起见，我们在讨论量子力学原理的时候，不使用诸如互补原理，波粒二象性和

测不准原理等本身涵意不够确定和（或）容易产生歧义的早期陈述。

 

作为我们讨论出发点的，只是量子力学里早已得到公认的几条基本假设；以这些假设为基础，再加上一些具体的辅助假定，便足以构造出量子力学的数学程式以及建立起它同经验的对应联系。[5]

 

首先要指出的是，在量子力学的基本假设里，只假设了物理系统在测量时的表现，完全

没有谈到系统在接受测量之前的行为。

 

所谓测量时的表现，指的就是当系统处在确定的状态时，对一个力学量进行许多次的测量，所得出的平均值的统计预言，这种平均值可以写成一种几率表示，其中每次测量的可能取值是与该力学量相对应的算符的一个本征值，而测量值取某一个本征值的几率则等于态函数（Ψ函数）对相应本征函数投影分量的绝对值平方。

 

所以，系统的状态函数的意义，仅在于它的绝对值平方给出了一旦接受测量时测量值的几率分布。

 

态函数从一开始就同系统在不进行测量时的行为没有任何直接的联系。

 

其次，人们很自然会想起，在经典力学里，运用动力学定律，就可以从系统已观察到的

（侧如坐标和动量）的表现，推演出无人观察时系统的运动情况。

 

那么，在量子物理学里是不是也可以如法炮制呢？这个问题的答案是令人沮丧的，如上所述，量子力学里的态函数本身不是物理量，也不表示不同物理量之间的确定关系，在这点上同经典物理量有根本的区别。

 

在量子力学里,态函数Ψ只是几率幅。与此相适应，作为量子力学基本假设之一的动力学方程（例如薛定谔方程），描写的就是这种态函数随时间的演化规律。

 

因此，在量子力学里，有因果联系可循的只是几率幅，而不是任何一个物理量。

 

于是，当我们对某一个力学量进行测量并得出一个观察值的时候，原则上就不应该问它刚才取的是什么数值，或者它是怎样变化过来的这一类问题。

 

严格地讲，甚至不应该问在前一时刻它有没有一个确定的数值，因为量子力学并不准备回答这样的问题。

 

例如，当我们测量到一个电子的坐标或者动量的时候，不能够认为此刻的坐标或动量是

由前一刻的坐标或动量演化而来的。

 

因为,在量子力学里，坐标或动量是没有因果性曲变化规律的。

 

因此，象一般所说的那样，电子是没有轨道可言的。

 

不仅如此，我们现在观察到束流中的一个电子，此前是否以“电子”——即一颗颗具有确定质量，电荷和自旋的微粒的形式存在，这本身亦成为一个严重的问题。

 

为了方便起见，以下都举光子为例子，来分析这一问题。只要选择好适当的语汇，这些讨论同样适用于电子或其他微观客体。

 

大家知道，光量子的概念最早是爱因斯坦在1905年提出来的。他那篇文章的标题是”关于光的产生和转化的一个启发性观点”，而在文中的引言里写道：”......有关光的产生和转化现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解一些。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的，局限在空间各点的能量子所组成……；[6]

 

在这里，爱因斯坦把从对黑体辐射和光电效应等光的产生和转化过程的观察推出的量子性质，缺乏根据地推广到光的传播即自由行进过程中去。自此以后，逐渐形成了认为未经观察的光束，也是由一颗颗运动着的光于组成的观念。

 

早在量子力学诞生之前，这种可疑的观念就受到了激烈的批评。

 

例如，洛仑兹1910年曾经指出说：“如果假定一束光线是一股光子流，那么怎样可能说明干涉和衍射等现象呢?……例如，一支光束通过一块半透镜，那就必定要么假定一个光子分成两半，这两部分互相干涉，要么假定不同相干子之间进行干涉。

 

第一个假定是难于接受的，因为已经了解到存在着哪怕大到一米数量级的光程差的干涉，由此要求光子必须有同一数量级尺寸，而这是显然不合理的。

 

第二个假定也会带来困难…...因为它立刻提出这样的问题，为什么有些光子被反射而另外一些被折射呢？或者为什么到达屏幕上同一处的两个光子会在暗条纹处互相湮呢？”[7]

 

狄拉克在他的《量子力学原理》一书里，仍然坚持光束就是光子流的观念，强词夺理地

声称：“只有光子部分地在一支光束，部分地在另一支光束时，才能在两束光叠加起来时出现干涉和每一个光子都部分地进入两支分束中的每一支，这样，每一个光子只同它自己发生干涉。”[8]

 

等等，根据这种看法，在讨论双缝衍射时，就必定会得出每一个光子都同时穿过两条狭缝这样的解释，使无数教师和学生感到困惑不已。

 

如果说，因为过去观察到相互干涉的两支光束都来自同一光源，所以还有一部分人勉强地接受狄拉克的说法的话，激光的出现已经使得这种说法更加没有说服力了。

 

1967年,曼德尔(L.Mande1)一弗利戈尔(R.L.Pfleegor)首次成功地实现了来自两具激光器的单光子干涉。[9]

 

要是说两具激光器同时发出一个光子的两个部分，未免太讲不通了。

 

用曼德尔自己的话说：“如果我们想把光束看做是由一些近似定域的光子组成的集体，就很难理解这一实验结果。[10]

 

也有作者宣称，新的结果已经使得狄拉克书上的有关断言失效。[9]

 

另一方面，从量子力学还知道，象坐标和动量一样，粒子数和相位这两个量也存在着类

似的不确定关系。

 

它告诉我们：粒子数完全确定的状态，它的相位是很不确定的；反过来相位完全确定的状态，它的粒子数也是很不确定的。

 

显然，干涉过程只适宜用相位确定的状态（相干态）来描述，在这种状态里是不适宜于使用粒子语言的，这一点也是用经典物理学的观念无法理解的。

 

于是，我们又从另一角度论证了，具有确定相位的自由行进的光束，是不可以看做是由一定数目的光子所组成的光子流的。

 

总而言之，在光的干涉和衍射实验里，观察到的结果是由定域在空阔中微小区域的，带

有确定的一份能量和动量的一颗颗光子所形成的。

 

但是，在从光源出发到抵达检测器的干涉或衍射过程中，如果认为仍然是以一颗颗光子的形式通过的，就会遇到无法摆脱的困难。

 

在检测器里能够观察到光子，是因为其中发生了光的产生和吸收的过程，光在产生和吸收过程中表现的定域性质，不能照搬到光的传播过程中去。

 

于是,我们只能认为，光子只在光的产生或吸收的过程中存在。

 

事实上，人们正是通过这些过程观察到光子的。

 

所以，在这种意义上，对于象双缝衍射实验那样的简单情况，完全有把握认为”光子在没人看它时并不存在”乃是现代物理学给出的科学结论！

 

那么，当没有发生光的产生或转化的时候，即在光的传播过程中，它是以什么形式存在

着呢？

 

例如，在双缝衍射过程中，光是以什么形式穿过狭缝的呢？根据量子力学原理，这些

问题的答案只能是几率幅。

 

光束不是以光子流而是以几率幅的形式存在着。是几率幅发生干涉而不是光于发生干涉而不是光子发生干涉。

 

接受了这一种新的观念，就不必再为”光子是怎样通过狭缝的？“之类的问题而伤透脑筋。

 

几率幅满足量子力学的动力学方程，虽然这些方程在形式上类似于经典物理学里的波动

方程，但几率幅本身不是物理量，所以不代表任何真实的波动。

 

量子理论本质上是一种统计描述，它以几率幅为基本量，通过它得到表现出各种干涉效应的统计分布。

 

几率幅既是非定域的，因此它不可能表示粒子的轨道运动；几率幅又只有统计意义，因而它也不直接表示任何物理量的振动及其传播。

 

一旦对系统的表现进行观察，在每次测量事件里发现的都是定域的粒子，它们的出现几

率等于几率幅绝对值的平方；

 

而在来受观察时,系统的演化又只能用非定域的几率幅来描写，这时存在着的并不是一颗颗的粒子。几率幅就这样以不同的身份，分别体现了系统在被观察和不被观察时的不同的存在形式。

 

抱着经典物理学观念的人们，对于这种认识肯定是不会满意的。他们很自然产生这样的

问题：

 

虽然量子系统被测量到的性质同未被测量时有所不同，是否仍然有可能为未受测量的系统找到一种定域性的描写呢？

 

例如说，未受测量的系统是否好象未感光的底片那样，只要掌握了更精巧的实验手段，就可以对它的性质进一步给出某种确定的描述呢？

 

或者，系统中的各个成员是否好象经典统计力学里的分子那样，虽然原则上测量不出来，但它们都由某种更深层次的规律所支配，每一时刻都有确定的坐标和(或)动量呢？

 

所谓隐变量理论，就反映了从类似的想法提出来的，一种企图把非定域的几率幅还原为定域描写的努力。

 

可是，近年来对贝尔不等式的实验研究，已经证明了那种定域隐变量理论以及EPR论证

为代表的定域实在论观念是不可取的。

 

总之，从经典物理学和日常生活经验基础上建立起来的”客观实在论”观念，肯定不能适用于量子物理学。

 

现代物理学已经发现，我们观察到的物理实在的要素，在观察之前并不存在。面临着这样的形势，实在论本身也要发展和丰富，不能老停留在原来的水平上。[11]

 

4结语

 

最后作几点补充说明:

 

第一，以上从量子力学的基本假设出发，讨论了物质的不同存在形式。应当认为，量子

理论从一开始就面对着这样的问题。对EPR论证的讨论，使问题变得更加突出，并且加深了我们的认识。但问题本身早就存在，以前可能没有得到足够的重视。

 

第二，在我们对量子力学原理的讨论里，根据的只是它的基本假定，而同怎么样进行测

量无关。因此，本文不需要一些作者所津津乐道的测量仪器对系统的干扰（虽然我们不

否认这种干扰的存在），”主客体不可分”，”认识的主体性“，”主体的客体性“等等（虽然我们觉得这些论证可能都是驳不倒的）论证。

 

第三，既然在一定的条件下，光子电子等微观粒子在未被观察时是不存在的，而月亮

等宏观物体又是由许多微观粒子组成的；所以，在这种意义上，也可以说月亮在没人看它时是不存在的，虽然这种说法未免显得太夸张。

 

第四，在观察时和束被观察时，物质可以有不同的存在形式，或者更确切地讲，物质有两种存在形式，我们有可能观察到的只是其中的一种形式，这种思想可以在中国古代哲学里找得到。

 

例如，宋代张载讲过：

 

”太虚无形，气之本体；其聚其散，变化之客形尔。”

 

”太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚。”

 

”气聚，则离明得施而有形；不聚，则离明不得施而无形。”[12]

 

大意是说：

 

物质有两种存在方式，一种是气，一种是物。它们之间必定要互相转化，气聚为物，物散为气。气是无形的，不能为我们感觉到；物是有形的，可以被我们感觉到。

 

在这里我们又一次看到，现代物理学观念同东方传统哲学的相通之处。而这里所引用的张载的哲学思想，无疑是属于唯物论而不属于唯心论的。

 

参考文献

[1]A.Pais,Rev.Mod.Phys.51(1979)868.

C2)N.D.Mermin,Phys.Today58(1985)No.4.

C3)N.D.Mermin,J.Philo.7(1981)397.

C4]许良英等编译,爱因斯坦文集,(第一卷),商务印书馆1970年,第829页.

C5]关洪t量子力学的基本概念,高等教育出版社,1990年.

(6]文献(4],第二卷(1977),第38页o

C7)转S『自:B.I.Spasskii,A.V.Moskovskii,Soy.Phys.Usp.27(1984)273.

C8]P.A.M.Dirac,《量子力学原理》,陈成亨译,科学出版社1979年,第8—9页.

C9]关洪-《物理》1988g第17期,第149页.

O9]L.Mandel,Prog.Optics15(1976)27.

C11]董光壁t”EPR实验——实在论和实证论的争论”,自然辩证法研究>)1989年第4期.

[12]张子正蒙注,中华书局(1975),第3,5,13页.

 

【作者介绍】关洪，1935年-2007年，我国著名科学史家，中山大学物理系教授。1962年毕业于北京大学物理系，1965年北京大学研究生毕业，亲炙胡宁教授。在物理学史方面有自己独到的见解，他是国内少有的既懂物理学的最新进展，又对物理学史有深入研究的专家。著有《量子力学基础》、《量子力学的基本概念》、《物理学史选讲》等。

 

(本文责任编辑贾云祥)