为什么量子力学会引起我们的困惑？—兼谈玻尔的“现象”概念及互补原理 （下）

四、量子理论对经典实在的颠覆

经典物理的实在观在漫长的科学史中不断得以加强和完善，直到20世纪，量子力学和相对论所描述的世界超出了感官所能延伸的范围，尤其是量子力学，对经典实在观造成了革命性的冲击。将基本感官世界的实在观加以改造，可以延伸到相对论的世界，却无法延伸到量子世界。所以惠勒强调：“量子力学要求一种新的实在观。”8

1900年，普朗克拼凑出一个能够很好描述黑体辐射实验曲线的公式。为了从已有理论导出这个公式，就必须假定，辐射能量不是连续的，而是一份一份的。在经典的物理世界里，时间、空间、物质、能量都是连续的，正如数轴是连续的。我们所行走的道路，是连续的柏油路，而不是中间有空隙的梅花桩。量子论与经典物理的冲突如此巨大，以至于普朗克当时就已经意识到，“或许只有牛顿的发现才能和它相比。”9普朗克自己并不喜欢这个发现，他曾努力完全用经典物理来解释量子现象，最终归于失败。‍

此后，1905年，爱因斯坦用量子论来解释光电效应；1913年，玻尔用量子论来解释氢原子光谱；1924年德布罗意提出波粒二象性；1925年海森堡提出矩阵力学；1926年薛定谔提出波动力学。这两种量子力学在形态上截然不同，但是对同一个物理事件能给出相同的结果。这表明，理论与实在之间，并不一定具有一一对应的关系。这两种形态很快被薛定谔证明在数学上是等价的。量子力学与经验观测符合得非常好，但是在波动力学提出之初，方程中的变量波函数竟然还没有物理意义。一段时间之后才由波恩给出波函数的几率诠释，把波函数解释为一种几率波。在玻尔的领导下，量子物理在物理意义朦胧不清的情况下迅速发展成为庞大的理论体系。

在量子理论发展的每一步，都给出了经典物理所难以解释的物理现象。在解释这些现象的过程中，不断对经典实在观进行冲击。量子力学描述了一幅截然不同于经典物理的实在图景。它大致有以下几个特征10：

1. 量子论——实在由连续的变成了分立的。空间、时间、能量、物质，一切都是量子化的，都有最小的基本单元；‍

2. 物体不再有确定的、唯一的形态

按照波粒二象性，量子系统的对象既是粒子又是波，或者既不是粒子又不是波。在经典物理的语言框架中，粒子是物质，波是能量。而在量子系统中，粒子的有无都是不定的。粒子可以按照爱因斯坦的质能关系转换成能量，能量也可以凭空转换成一对正负粒子。甚至在没有能量的情况下，也可以产生和湮灭虚拟的正反粒子对。这在普朗克长度的尺度下变得尤为突出。

3. 实在与观察者之间的关联

在量子理论中，实在并不是外在于观察者就“在哪儿”的东西，而是与观测相关的。惠勒反复强调玻尔的这句话：“在一个基本量子现象被观测到之前，没有一个现象是现象。”物理对象由物质实体被玻尔用现象来代替。这个关联被惠勒推到了极端，就是他所提出的“参与的宇宙”。

观察者被引入到物理学中来：在经典物理中，人是一个旁观者，观察这个世界，在量子力学中，人是参与者，参与了量子的行为。独立于人之外的客观世界不复存在。

4. 整体论11

量子理论的整体论原则主要有两个层面的意义，其一是量子系统与测量仪器乃至观察者是不可分的整体；其二是波函数所描述的量子系统是一个整体，不能简单还原为各个部分，因为其各个部分具有作为整体的关联，这种关联甚至在系统分离之后依然存在，就是所谓EPR长程关联。原则上，我们也可以把包括人在内的整个宇宙作为一个系统，用一个波函数来描述。这样，整个宇宙都是一个不可分的整体。

5. 物质的逐层还原不再成立

物质由分子构成；分子由原子构成；原子由原子核与电子构成；原子核由质子和中子构成；中子和质子由夸克构成；这样一个逐层还原的套盒结构在夸克那里到了终点。在核子及以下层次，粒子之间是互相构成的，不存在更基本的粒子。

6，某些物理概念失去定义：经典物理的很多概念失去了原来的物理意义，在亚原子的世界里，空间的左右，时间的先后，都失去了意义。在未被观测的时候，粒子并不一定占据某一个确定的空间，也不一定在空间中有一个轨道。甚至时间和空间的概念，在普朗克长度的尺度下，都失去了意义。

7. 因果性

因果性是实在本身的属性还是人安排实在的一种方式。这个问题在经典物理学那里，答案毫无疑问是前者。而在量子理论中，答案倾向于后者。

8. 或然论

经典理论给出的结论是决定性的。量子理论只能给出几率性的预言。

量子实在与经典实在之间的巨大差异让人困惑，从而需要我们对量子力学进行解释。

所谓解释，就是讲一个故事，讲一个能够为听众听懂并认可的故事。量子力学的解释同样与听众有关，早期的量子力学阐释就是要努力将量子世界的奇怪行为，归结到基本感官实在的认知模式中去。然而，早期的种种努力都失败了。

五、互补原理，现象与完形转换

在量子力学阐释的过程中，玻尔于1927年提出的互补原理（Complementary

principle）是一个重要环节[4]。惠勒甚至认为，互补原理是量子思想的核心。这个原理有时被认为是测不准关系的推广，但据戈革先生考证，“玻尔甚至在1927年海森堡提出测不准原理以前就已经具备了类似的而且是更本质的认识。”12乃至可以追溯到玻尔的大学时期。‍

互补原理一直遭到各种各样的误解，但玻尔却从未对互补原理给出一个定义性的叙述，他总是通过各种例证进行说明。戈革先生对互补原理有非常精当的阐释：

我们的概念、图像等等，常常分成两类。设用A和B代表两个概念、图像、现象、描述方式、单词的含意或两种不同的人类文化等等，那么，说A和B是“互补的”，就意味着A和B满足下列条件：

（1）A和B具有某些互相反对的性质或行为（例如分别满足叠加原理和守恒原理，分别具有连续性和分立性，分别是分布开来的和集中成一点的，等等）；

（2）A和B不能按照人们以前所知的任何逻辑法则而被结合成一个统一的、唯一的、无矛盾的图像或体系；

（3）但是，为了得到所研究对象的完备描述，A和B都是同样地不可缺少的；我们只能按照适当的条件（或自由选择条件）来分别地应用A或应用B，而不能一劳永逸地彻底抛掉A或B。13

根据互补原理，经典物理的日常用语对于描述微观世界是不够充分的，或者说不够方便的。但是如果我们要描述它，解释它，又只能采用日常话语，所以，就要采取一种折中的手段。即交替采用两种不同的图景，两套不同的概念，而这两套图景或者概念，还不仅仅是不同，在某种意义上可能是对立的，冲突的，比如波和粒子。当我们用波来描述光的时，光就表现为光波；当我们用粒子来描述光时，光就表现为光子；我们必须交替采用波和粒子来描述光，而无法取消其中一种，或者把其中一种纳入到另外一种之中。

互补原理后来被发展成一种普遍的哲学原理，所应用的范围远远超出了物理学。戈革先生指出：“用同样的方法，玻尔处理了人种学、人类学、语言学、人类文化以及一般的科学认识问题。他到处都揭示了某种形式的互补关系，揭示了和量子物理学中的局势有点类似的局势。这样一来，在他的心目中，互补原理就成了一条十分普遍的原理，而他的那一套观点也就形成了一种独特的互补哲学。”14原理的独特性为戈革先生所再三强调：“意义较宽的互补性概念，有时也许可以在中外各家的学说中找到它的‘影子’，而严格意义下的互补性则代表了人类未之前闻的一种全新的逻辑关系；正如他的对应原理一样，玻尔的互补原理也是‘独一无二的，我们在以往的物理学、哲学、心理学、宗教或任何别的东西中都找不到任何和它相像的东西。”15

然而，互补原理同样是难以解释的。初看起来，互补原理的解释方式比较牵强，仿佛不是一个解释，而只是一个规定。就像玻尔在其早期原子核模型中对原子能级所做的规定一样。进一步，这种互补到底是什么意思，微观世界为什么会表现出这种互补，都让人心存疑虑。在某种意义上，互补原理似乎并未对量子力学构成解释，它本身反而也成了需要解释的对象。

1938年，玻尔又引入了“现象”一词，用“现象”取代经典物理中的物体、或者某种客观实体，作为量子理论的研究对象。我发现，使用“现象”一词，结合完形心理学的某些概念，可以对量子力学进行某种“解释”。这种解释不是演绎性的，而是类比性的，说明性的。

玻尔指出：“现象一词仅仅代表在包括整个实验装置的叙述在内的指定条件下得出的观察结果。在这样的术语下，观察问题不会再有什么特殊的复杂性，因为在实际的实验中一切观察结果都是用无歧义的叙述来表达的。”16力学符号体系的结构及诠释更加协调得多，也和基本的认识论原理更加协调得多的作法，显然是把‘现象’一词保留下来，用以表示在给定的实验条件下观察到的各效应的综合。”17现象一词，玻尔表达了与马赫相一致的思想：把物理学建立在感知元素的基础上。现象一词所代表的便是观察者所能感知到的包括仪器读数在内的各种感知实在元素的集合。

所谓“无歧义的叙述”，就是把所观察到的“现象”用日常话语表述出来。在一个实验过程中，实验仪器的设置、实验操作的过程、各种仪表的读数、云雾室的痕迹、照相底片上的感光，所有这些，都是可以观察到的“现象”，都可以做“无歧义的叙述”。而“中子”、“电子”、“光子”，这些在经典物理中应该作为基本物理对象的“基本粒子”，则可以看作为了解释“现象”所构造出来的概念。但是，在日常话语下，这些概念自然而然地被理解为与基本感官尺度的“粒子”相似的东西。然而，问题在于，相似的仪器设置、相似的实验过程、相似的仪表读数等，所产生的相似的“现象”，在另外的实验中，用类似粒子的概念则无法对之构成解释，而只能用“波”来解释。

我们必须意识到，“中子”、“电子”这些我们一度视为物理实体的东西，是我们从来没有直接观察过的。在以往的描述框架中，可以这样表述：我们观察到的是它们表现出来的现象。然而，这个表示仍然假定了其实体的存在。事实上，我们更可以做这样的表述：我们观察到了某些现象，然后，我们假设了一些叫做“中子”、“电子”之类的物理实体，用来解释这些现象。

这样一来，我们就可以用“现象”，来解释为什么量子力学会引起我们的困惑，并解释互补原理。

在《所见即所能见》18通过惠勒的实在观与完形心理学之间的关联，我讨论了科学与认知模式之间的对应关系。这里继续利用这种对应进行讨论。

现代派画家玛格利特有一副著名的作品，画面上画着一只烟斗，下面题字是“这不是烟斗”。在林林种种的理论分析中，有一种解释是：这不是烟斗，这是一幅画。的确，画布上并没有一只烟斗，只有油彩构成的色块和线条——这些是观察者所看到的“现象”。但是，观察者的视觉认知机制，会自动地把这些“现象”构建成一只烟斗，于是我们“看”到了一只烟斗——这是一个在人类的基本感官尺度可以理解并接受的视觉形象。西方古典的油画作品都用油彩描绘某种具体的形象，比如人物或者风景；成功的作品也的确能让观察者直接“看”到画家所要呈现的那些形象，而不会首先意识到，那些形象是由油彩的“现象”建构起来的。在这种情况下，画布上的油彩，只能够建构出一种“完形”，或者说，用一种单一的“完形”，已经可以对画布上的“现象”进行解释。

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图 2 鸭兔图

但是，对于图2，我们的视觉机制在处理上就发生了困惑。你可以把他看作一只低头的兔子，也可以把它看作一只仰面向天的鸭子。在你把这些线条看成鸭子的时候，就不能把它看成兔子；反过来，当你把它看成兔子的时候，也不能把它看成鸭子。这里，鸭子和兔子的形象就是互补的。这幅图形常常被完形心理学作为解释完形认知机制的一个例子。同样的线条，在兔子完形和鸭子完形中，具有完全不同的解释。我们也可以说，不是我们看到了鸭子或者兔子，而是我们把这些线条解释成了鸭子或者兔子。

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图 3 埃舍尔魔带立方体，石板画

艾舍尔的《魔带立方体》（图3）更加突出地表达了人类的视觉机制所遇到的困惑。在这幅版画中，有一个在三维空间中不可能存在的立方体；在这个立方体上，缠绕着两根魔带。当你盯着魔带上的半圆球，沿着魔带依次看过来，你就会产生困惑。因为上面的半圆球，一会被你看成是凸起的，一会被你看成是凹下的。

这幅画与互补原理构成了非常好的对称。画面所提供的现象，不能构建成单一的完形。为了解释现象，我们的视觉机制必须构建出两套完形，交替使用。当你看到它凸起的时候，它就没有凹下；当你看到它凹下时，它就没有凸起。凸起和凹下，就构成了一对共轭量。

对于经典物理而言，我们可以把“物体”当作基本对象，而“现象”则是物体在不同场合下的种种表现。但是在量子尺度，我们的感官直接观察到的只是“现象”。人类的认知模式本能地会期望不同层面的实在具有一致性。因而，我们自然而言地将基本感官尺度的实在观延伸到量子尺度，并试图用日常话语赋予原子世界以一个基本感官实在的可视模型——仍然把“物体”视为基本对象，把“现象”视为“物体”的表现形式。但是这一次，基本感官尺度的实在观向量子尺度的延伸遭到了失败。按照惠勒的说法，我们遇到了实在的边界。

在原子尺度以下，人们已经无法再设计出既具有可用日常语言描述的可视形象，又能符合所有可观测量的一致性模型。比如玻尔的原子模型只能在部分情况下使用，另一些时候则需要用电子云来代替电子轨道。至于原子核的内部景象，任何可视模型都失去了意义。

实际上，对于宏观世界，也可以认为，“现象”是基本的，而“物体”是为了解释现象所建构出来的。但是，这种叙述方式在宏观世界会造成很多麻烦，因为在宏观世界，“物体”是可以被感官直接观察的。

通过现象一词，我们在互补原理和完形心理学给出的人类认知模式之间找到了对应。

六、结语

为什么量子实在总是引起我们的困惑？我们把困惑的“过程”重新阐述一下，就比较清楚了。在量子世界中，类似于图1的滑雪图景是经常的，每日每时每秒都在发生着的，当我们试图用基本感官尺度的日常话语对这样的图景进行描述的时候，困惑自然发生。‍

量子世界超出了我们的基本感官尺度，在我们的基本感官尺度之外。量子世界，是我们通过仪器的读数、云雾室的轨迹、光电探测器的计数、乳胶上的印痕建构出来的。我们要通过这些观测资料建构出一个缩小了的基本感官尺度下的可视图景。然而，我们发现，我们不得不同时建构出两套图景，交替使用，才能对相关“现象”进行完整的解释，这就是互补原理。

为什么量子实在就是互补的？当我们问这个问题的时候，隐含着一个前提，即实在或者自然界，在不同尺度上的图景是统一的，一致的。然而，这个前提是一个假设，一个信念，它从来也没有得到过证明。而当我们放弃这个前提，接受互补原理作为基本的公理，则互补原理就不需要进一步的解释了。它可以作为量子实在的逻辑起点。

为什么我们总是对量子实在感到困惑，因为我们总是想要把我们在基本感官尺度形成的认知模式推广到这个尺度之外。实际上，这种推广不仅在量子尺度不能成功，而且在宏观的宇宙尺度，同样没有成功。因为按照广义相对论，宇宙尺度的实在已经不能用三维欧氏几何进行描述了。日常语言在宇宙尺度同样失效了。

（本文发表于《自然辩证法通讯》2010年第5期（Vol.32, Sum No.189），pp26-34。）

注释

*基金项目：国家社会科学基金一般项目“量子现象的非实在论整体观研究”（10BZX002）

【收稿日期】2009年12月30日

【作者简介】田松（1965- ），男，吉林四平人，哲学博士，理学（科学史）博士，北京师范大学哲学与社会学学院副教授，主要研究方向为科学哲学（物理学哲学与科学哲学一般问题）、科学思想史、科学人类学和科学传播等。Email:

[1]原为计算机术语，指计算机出厂时的一些基本设置。北京大学刘华杰教授以此来比喻我们大多数人头脑里所视为当然的基本的思想观念，这些观点基本上是中小学教育阶段被建构出来的。

[2]关于惠勒之实在图示的具体描述，亦请参考拙文《所见即所能见》。‍

[3]这是惠勒用过的一幅漫画，用来说明量子实在的困惑。‍

[4]互补原理，另译为并协原理。戈革先生取前者。但是他并不排斥后者。他认为二者各有缺陷，都不能完整地表达愿意。并协一词有生造之嫌，而互补容易被误解，容易被庸俗化。本文从戈革先生译法。

参考文献

[1] 实验的具体描述见：田松，延迟选择实验及其引发的实在问题，自然辩证法研究，2004年第5期。

[2] ohn A. Wheeler and Kenneth Ford, 1998, Geons, Black Holes and Quantum Foam, New York: W. W. Norton & Company. p.263

[3] 于实在与感官这一部分，我在另一篇文章中有相关的讨论，参见：田松，所见即所能见——从惠勒的实在图示看科学与认知模式的同构，哲学研究，2004年第2期。

[4] 林武德. 自然的观念. 吴国盛，柯映红译. 北京：华夏出版社，1999. 25.

[5] 勒，物理学和质朴性，安徽科学技术出版社，1982.16

[6] E. A. Burtt, The Metaphysical Foundations of Modern Science, New York, 1925, p.236. 转引自丹皮尔.科学史：及其与哲学和宗教的关系.北京:商务印书馆,1994.249.

[7] 森堡. 物理学与哲学. 范岱年译. 北京：商务印书馆，1999. 120-121.

[8] ohn A. Wheeler, At Home in the Universe, Springer, 1996. p.295.

[9]海森堡. 物理学和哲学. 范岱年译. 北京：商务印书馆，1999. 4.

[10]胡新和对经典实在与量子实在的差异有过很好的归纳，参见：胡新和. 现代物理学视野中的自然观念. 自然哲学（第1辑）. 吴国盛主编. 北京：中国社会科学出版社，1994. 228-239.

[11] 吾伦教授在《生成哲学》中，对量子理论所引发的各种整体论见解做了详尽的分析。参见金吾伦. 生成哲学. 保定：河北大学出版社，2000. 66-85.

[12] 戈革. 尼耳斯•玻尔和他的互补原理. 史情室文帚. 北京：中国工人出版社，1999. 463. 黑体为原文所有。

[13]戈革. 尼耳斯•玻尔和他的互补原理. 史情室文帚. 北京：中国工人出版社，1999. 470-471.

[14] 戈革. 尼耳斯•玻尔和他的互补原理. 史情室文帚. 北京：中国工人出版社，1999. 469. 黑体为原文所有。

[15] 参见：戈革. 尼耳斯•玻尔和他的互补原理. 史情室文帚. 北京：中国工人出版社，1999. 472. 黑体为原文所有。句中所引文字为D. Favrholdt语。

[16] 玻尔. 尼耳斯•玻尔集（第七卷）. 戈革译. 北京：科学出版社，1998. 206.

[17] 玻尔. 尼耳斯•玻尔集（第七卷）. 戈革译. 北京：科学出版社，1998. 204.

[18]田松.所见即所能见.哲学研究.2004(2).

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