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桂起权:再论量子场的实在论和生成辩证法——从生成论与构成论对比的眼光看
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-10-28 点击: 1318 次 我要收藏

笔者曾著有《充实的真空观:量子场的实在论与生成辩证法》[1]一文(下称《一论》),起因于薛晓舟《量子真空物理导引》(2005)的教益。笔者在接受其鲜明的“充实的真空=基态量子场”思想的同时,领悟到在量子场论的物理内容之中所包含的“场的实在论”与“关于生成/湮灭的辩证法”思想,并发觉它确实是支持金吾伦的“生成哲学”的。然而,《一论》言犹未尽,故有《再论》。
1 生成论还是构成论
在西方哲学史上,生成辩证法思想发端于古希腊的赫拉克里特。“一切皆流,一切皆变”,“世界过去、现在和将来都是永恒的活火”,“创生和毁灭是同一的。前者转化就成为后者,后者转化就成为前者”。这些都早已成为耳熟能详的话。
金吾伦在《生成哲学导论》[2]一文中,对于“构成论哲学”进行了批判。构成论认为,一切存在的东西都是由一些早已存在的东西造成的。事物的生成和毁灭,都是完全独立的既成要素的重组和分离的结果。构成论的基本特征是:实体主义(主张基本实体=一种独立自存和同一不变的存在物),元素论(事物的变化=只是元素的重组),简单性原则,还原论,严格决定论。金吾伦所创导的生成哲学是在反构成论、反还原论的语境下成长起来的。“生成”是生成论的基本范畴。生成论的最本质特征是动态性和整体性,并通过潜在性、显现性、全域相关性、随机性和自我同一性等方面体现出来。生成哲学所主张的整体论,甚至比贝塔朗菲“一般系统论”的整体论更为彻底地反还原论,因为“系统整体论”预设了“要素”是事先构成的。相反,生成论则强调,没有生成,就没有要素,整个宇宙都是生成的,即使作为其基础的粒子也是生成的。尤其,对我们所讨论的量子场论哲学最有针对性的是,他借用董光璧《当代新道家》的话来说:“量子场论中的产生和湮灭算符的概念基础正是生成论”。
然而,《一论》未曾料到,狄拉克在量子场论初创阶段未能真正摆脱“粒子本体论”和“构成论”等传统思想的束缚。好在科学史家曹天予在《20世纪场论概念发展史》[3]144-209(尤其是第七章)中,对量子场论思想的来龙去脉作过细致的历史考证,触发了我们的灵感,为我们用“生成论”观点作再分析准备了条件。
狄拉克并非一个天生的“场本体论者”,他的思想也经历了一个转变和发展的过程,在粒子本体论与场本体论之间存在着过渡性的中间形态。这件事本身就富有认识论意味。从狄拉克提出“虚光子跃迁”的革新假说(仍保留某些构成论和粒子本体论的痕迹)转变到场量子的“产生与湮灭”系统理论(采取真正的生成论和场本体论的立场)的进步,是从过渡性的“特设性假设”到建立正规理论的“第一原理”的进步,具有科学上概念革命的性质。本《再论》的目的就是要对由量子场论所蕴含的场本体论、结构实在论和生成辩证法思想,以及概念革命的主要历程做更深入的分析。
2 量子场论:场本体论及结构实在论的解释
从科学哲学角度看,所谓对量子场论的解释,也就是要澄清相关数学形式系统的物理意义,具体说,一是要说明它所描述的基本实体是什么;二是要说明“理论实体”是否物理实在的客观表征。对此,可以持有各不相同的立场。曹天予在1998年国际哲学会议论文《表征还是建构,量子场论的一种解释》[4]中指出:量子场理论有如下五种可供选择的基本本体论:①粒子本体论②场的本体论③结构实在论④操作主义和⑤结构主义等等。
笔者的看法是:①的“粒子本体论”观点过于传统,它以为惟有“粒子”才是第一性的物理实在,“场”没有独立实在性,至多只是粒子的衍生物(对此,前辈舒炜光先生关于“场不是物质”的看法,以及征汉文的新著《场的本质是空间初探》(2007)中的同类观点就很有代表性)。④⑤的“操作主义”和“结构主义”都属于工具主义的范畴,它们仅仅把“粒子”和“场”看做表征场方程或者拉格朗日函数等数学结构的不同符号而已,这是科学实在论者所难以接受的。笔者曾在《一论》中明确表示,比较赞赏②“场的本体论”和③曹天予的“结构实在论”这两种观点。
首先,笔者所赞成的基本本体论是“场的实在论”,即认为量子场(更加确切地说,是量子场的“原物质”,在特定语境下简称为“场”)是第一性的物理实在,场对于粒子具有优先性,“粒子”也是物理实在,但只是作为“场量子”而出现,是场激发的一种表现和特征。“粒子”只是场的复杂结构特征的现象指示器而已。深入一步说,我们觉得曹天予的“结构实在论”也非常有道理。其基本论断是:①关于“实在”的具体概念,实质上由它在不同情景下的“结构特征和关系的知识”所构成。②尽管对于“理论实体”的单独概念很难直接判断其实在性,但它若能融入描述有关“实在事件的关系”的概念网络,则概念的“结构实在性”就可以通过经验研究来确证或否证。结构实在性离开实体实在性的认识可说只有一步之遥。在笔者看来,结构实在论继承了科学实在论的基本内核,只是更加强调了实在的整体关系和结构方面的特征以及认知的能动性而已。因此,结构实在论与场物质的实在论(即场本体论)不仅仅完全可以相容,甚至可以说确实是亲密盟友。
陈刚在其博士论文《世界层次结构的哲学探索》[5]中提出了“结构实在论”具有形象模型的有趣想法。该文第八章从形式实在论和层次结构的视角讨论了,从孟德尔因子、摩尔根的基因再到DNA双螺旋模型的历史案例。在笔者看来,它实际上提供了“结构实在论”的一种非常生动的形象化表述。它通过人们耳熟能详的DNA的双螺旋模型表明,“实在是有结构的,结构是实在的”。陈刚很在乎深入浅出,很看重法拉第用铁矿砂显示磁力线的实验。虽然依我看,那只是一种“现象实在”的结构,还算不上深层的本体论结构。不过这种试图将场的本体论结构形象化、通俗化的想法却具有非凡的吸引力和启发力。回想当年,我学过《超高频技术》(列别捷夫),该教材中就展示过微波波段电磁场各种型号的结构图式。还记得,洪定国先生的论著《物理学理论的结构与拓展》[6]中介绍过玻姆的量子势的结构图式,尤其是“双高斯缝(A与B)背后量子势的分布图”,难道它不可以看作展示量子场本体论结构的某种模型吗?这些事例都表明,电磁场和量子场是可以具有本体论结构的,而且数学结构和物理结构是紧密联系的。甚至数学上抽象的“梯度、散度、旋度”的结构模型以及隐喻或心理意象,都可以增强对电磁场本体实在的结构的想象力和理解力。
3 粒子本体论或场本体论的两难抉择
1927年,狄拉克发表了《辐射的发射和吸收的量子理论》,该文为量子场论提供了概念基础。从本体论视角看,量子场论应当预设场本体论的立场。量子场论是描述粒子生灭的一套新的概念框架,一种新的语言、新的技术,用以计算各种粒子如光子、电子、正电子、质子、介子等等的产生、湮灭和散射的几率。然而,如果对科学思想的产生和演变进行更细致的分析,就会发现在这量子场论的初创阶段,其实狄拉克此刻正好处在从粒子本体论到场本体论的转折点上,这是具有“两可”性质的过渡时期。虽然狄拉克发明了“虚光子”的概念,还涉及虚光子与实光子、不可观察量与可观察量、“零态”与非零态之间的相互转化。然而,深究起来“光子”却仍然在本体论上被预设为第一性的存在。
量子场论的出发点是薛定谔的波场和波函数。狄拉克和其他奠基者一样,其量子化程序的第一步是把薛定谔波解释为一个几率波,然后借助于玻恩几率解释(波的几率幅平方与粒子数相关联)最终把这种虚化的几率波落实到“粒子本体论”上去。1927年,狄拉克在该论文中是这样说的:
光量子有一种特性,当它处于一个定态,即动量以及能量为零的零态时,它明显地不再存在。当一个光量子被吸收时,可以被认为是跃迁到了零态;当它被发射时,可以被认为是从零态跃迁到了一个它的物理性质明显的态,因此表现为创生[3]。
只要我们带着生成论与构成论对比的眼光,从论文标题就可以看出,“发射和吸收”的概念是预设了“构成论”和“粒子本体论”的,因为只有稳定粒子才谈得上“发射和吸收”。狄拉克在第一步中所做的一切,只是涉及粒子的跃迁,跳来跳去,从隐蔽状态到明显状态,粒子是固有的,完全没有涉及任何“真实的场”,实质上与真正的“场的量子化”无关,并不是再一次量子化。
狄拉克程序的第二步才真的去处理“场的量子化”。起点是经典辐射场。他对于辐射场进行了傅里叶式的频谱分析,场的每个谐波分量实际上相当于一个简谐振子,服从标准的量子化条件。不过还只是场振子或场能量的量子化,并不是场本身(实体)的量子化。
量子场论是通常量子力学的继续,然而两者在本体论立场上却是相互对立的,矛盾从一开始就埋伏在里边。因为量子力学几率波背后的基本的本体论是分立的粒子,这些粒子=一种独立自存和同一不变的存在物,是第一性的。而在场论的理解中,基本的本体论必须是连续场。粒子是由连续场生成的第二性的东西。结果,我们面临着基本本体论立场选择上的两难。从一方面看,场振子量子化的合理解释应当是“场的本体论”,因为惟有场物质本身才是能量子的载体。另一方面,薛定谔几率波,按照正统解释是虚的,粒子才是实的,其实仍然是“粒子本体论”。狄拉克把这两种本体论不知不觉地混同或者简单等同起来,才以为“粒子与波”已经达成“完全的和谐”。
曹天予在《20世纪场论概念发展史》一书中,一针见血地指出了狄拉克“粒子本体论”思想的残余影响[3]163-164:①在狄拉克的头脑中,光量子是一个独立不变的稳定粒子,携带着能量、动量等。所谓“产生或湮灭”只是粒子跃迁出或跃迁进零态的表现。在这里预设了作为基本本体的粒子的存在。②狄拉克将能量子与光量子视为同一,实质上相当于在不经意间将场本体论与粒子本体论等同起来。借助于这一重要的概念跳跃,场的性质(能量)与一个分立的物质(光量子)的存在相等同,连续的物质场与非真实的“几率波”混而为一。
然而,在开创量子场论的第二篇论文《色散的量子理论》(1927)中,狄拉克终于表达清楚了:“场的量子化”所针对的总是经典连续场、辐射场,而不是薛定谔波场,这不是要对薛定谔波进行“再次”量子化。所以说,其实狄拉克心知肚明,“场的量子化”的实际目标是什么。量子场论的真正起点应当是真实三维空间中的经典连续场,而不是抽象位形空间中的带有虚指数的薛定谔波。然而,第一篇论文中的概念混淆和麻烦还是他自己惹的。
量子场论的“场本体论”立场,棋高一筹之处就在于对于“粒子”概念的包容性。“粒子”作为连续场的量子也能够存在,它既能创生也能毁灭。依我看,这时已经真正用“生成论”的眼光来看待粒子,粒子不再是第一性的、不变的终极实在,粒子的地位被降低为附生现象:它们只是场本体(底层物质)的表现形式。场才是第一性的终极实在,粒子是可生可灭的、派生的、第二性的实在。可见,“生成论”是“场本体论”的自然结果。另一方面,只要将粒子看作是不变的终极实在,“构成论”则是“粒子本体论”的自然结果。因为构成论认为,事物的生成和毁灭,都是完全独立的元素相结合和分离的结果。
为量子场论奠基的下一个重要步骤是,由约当和维格纳于1928年将狄拉克的场论量子化的程序从玻色子情形推广到费米子(电子等)中去,主要任务是使得经典连续场也实现量子化。他们选择了一个单费米子的三维薛定谔场作为范例。推广时所附加的限制是必需满足不相容原理。于是,电子被看做是一个场的量子,更一般地,实物粒子(电子、质子等等)真正降格为由场派生的“第二性的实体”。它破天荒地打破了“原子=第一性实体”的千年教条,完成了一个新的概念革命。此刻,量子场论中“场本体论”才真正确立起来。在场论这种表述方式中,引入产生和湮灭算符以提高或减少在某种量子态中的粒子数。从形式技巧上看算符的作用就在于能够产生或者毁灭振子的一个量子。正如曹天予所指出,在场论概念发展史上,也发生过多次概念革命。有些还是物理世界观上的激进的革命。安培=电学中的牛顿,安培电动力学是立足于粒子本体论的,而麦克斯韦的电动力学则是场论的,它为后来的场本体论奠定了基础。同样,到1928年麦克斯韦的经典连续场为一个单费米子的三维薛定谔场所替代,则意味着场论内部更深刻的概念革命的完成。
从生成论与构成论比较的视角看,量子场论的概念革命体现在这两个方面:①对于单费米子的薛定谔波函数,场的实在论解释已取代了几率解释,真正的物质波取代了几率波。几率场不可能把物质性直接授予它的量子,反倒是物质场的量子从场中才能获得物质性。此刻,场才是第一性实体,粒子则是由场派生的“第二性的实体”。②场本体论已真正取代了粒子本体论,在笔者看来,与此同时,生成论也已取代了构成论。实物粒子(诸如电子、质子之类)不再被看做是一种永固的独立存在,而只是费米子场(如电子场)的激发的结果,是一种场量子。因此,1928年的约当一维格纳的论文,在量子场论史上是一个重要里程碑。从此,电子(单费米子)的薛定谔波二一个物质波场,描述电子的运动的薛定谔方程=一个场方程。“场的量子化”程序把场变量转化为满足某种对易关系的算符,场幅作为这些算符的线性组合满足相同的关系。至于多费米子的问题,则可以通过运用“产生和湮灭算符”而得到解决。总之,随着场本体论的真正确立,这个费米子场的量子化程序就不再仅仅是形式技巧,而是有了物理本体论基础,其合理性才得到辩护。
一旦正式进入量子场论的语境,用场的本体论的立场去替代粒子本体论,库恩所说的范式转换和科学革命就发生了。在新的眼光下,一切都变了,场才是第一性物质,粒子只是派生的,是可生可灭的。
4 真空:凸显场本体论必要性之转机
场本体论观点与粒子本体论观点有一个基本的区别。作为一个场,必定是一个连续的充实(pienum),在这一点上,量子场和经典场没有两样。从亚里斯多德的“虚空是不可能的”到笛卡儿的“充实空间”和“广延性=物质最基本的属性”,这个连续的充实的思想是一脉相承的。这些都属于场论思想在历史上的表现形式。其实,中国古代的“元气自然观”也是这样,在本质上都属于场本体论的范畴。何祚庥院士对此有过专门的研究。
在场本体论思想确立过程中有一个重要的转机,这就是真空的本体论依托的疑难。此话怎讲?在1930年狄拉克的《电子和质子的理论》中引入他的真空观念之后,量子场论中的定域场算符变成了抽象的动力学变量,据此才能构建物理态。由于“真空”是一个实粒子也没有的,所以物质性无法落实在“粒子”头上,因此真空的算符场本身没有任何基本的物理学解释。从科学实在论的观点看,当粒子实在论在此失去了本体论依托之后,矛盾也就激化了。在这种形势下,场本体论观点的凸显正好能够解决燃眉之急。
“真空”中零点涨落的存在隐含着场无所不在。从场本体论观点看,在真空中即使没有粒子,而场物质依然存在。薛晓舟教授在《现代物理学的哲学问题》[7]一书中,对真空作了深刻的哲理性的概括:“真空=基态的量子场,而不是量子场的基态”。看似“一词之差”,实质上却能够反映出基本本体论立场方面的根本对立。前半句强调了真空的物质性和场本体论立场,后半句把“真空”落实于状态上,完全不能体现实在论的意识。涨落的真空场实际上产生了可观察的效应,表明了场的实在性。
在上文中笔者实际上站在“生成辩证法”立场上重新透视一下狄拉克“零态虚光子”的思想。形象地说,在初创的量子场论中,狄拉克成为“两面人”:他的自觉意识是想站在“场本体论”的立场,然而潜意识却使他滑到“粒子本体论”立场上去了。不知不觉地,场的“量子化”,只是被分解为分立的、固定不变的粒子而已。在狄拉克之后,约当更加坚定、明确、自觉地采取场本体论的立场,才真正解决了粒子与波双方的逻辑协调性。因为约当在《量子力学的特征》(1928)终于发现了狄拉克所苦苦寻找的“连结连续场和分立粒子的桥梁”[3]172。这就是:第一性的量子物理实在=场物质本身,它既可以表现为波也可以表现为粒子。相比之下,对于经典理论中的粒子本体论,粒子=固定不变的持久的存在物,根本不同于可生可灭的场量子。而在采取场本体论和生成论立场的量子场论中,波场的量子是可生可灭的,连续场在激发态中也能展示它们的分立存在,在这个意义上,实在既是波又是粒子。
接着,笔者站在“生成辩证法”和“场本体论”的立场上重新透视一下狄拉克“负能电子海洋”的思想。1928年狄拉克在《电子的量子理论》(Ⅰ和Ⅱ)中指出,他的相对论电子论的波动方程式有一个奇怪的特解,即存在负动能态。为此,1930年他在《电子和质子的量子理论》中被迫提出一种新观念:“真空”不是真正的空无一物,而是“所有的负能态都已被占满,但所有的正能态却没有被占满的态”。考虑到不相容原理的限制,因而可以躲避电子不断从正能态跃迁到负能态的荒谬结果。于是,这个真空态不再是一个虚空的态,而是一个“充满负能电子的海洋”,由此推进了“充实真空”的思想。
不难看出,狄拉克的负能电子海——“电子真空”,是与他1927年提出的零态光子的无穷集——“光子真空”(这两个名称是由薛晓舟教授所概括)非常类似的。这种“电子真空”也由大量不可观察的粒子所组成,并且允许产生和湮灭。只要有足够的能量,一个负能电子会跃迁到一个正能态,对应于一个正电子(空穴)的产生和一个普通电子。当然,相反的跃迁过程也能发生,它相当于湮灭。依我看,“海洋”的隐喻只是“场本体论”的临时替身演员而已。
实际上,“负能电子海”的思想在历史上有它独特的认识论价值。尽管这种过渡性概念还没有真正摆脱“粒子本体论”。然而借助于这个“特设性假设”,电子作为电子场的量子,其“产生和湮灭”的过程用观察态和不可观察态之间的“跃迁”的观念得到了某种程度的说明,同时又可以避免电子“无休止跃迁”的反常情况。事实上,狄拉克的“电子真空”和“跃迁”的概念已为量子场论孕育了一个本体论基础。它的引入,不仅作为解决狄拉克方程反常解的困难的“权宜之计”是成功的,而且也隐含着对于更进一步的量子场论“第一原理”的渴求。可观察态和不可观察态之间的“跃迁”概念,及时给出了场算符的一个直接的物理解释,并且为日后量子场论中的“激发”、“产生和湮灭”等概念的正式登场准备了条件。可见,人们对“生成辩证法”理解的逐步深化是和对“场本体论”理解的深化同步的。
正如派斯在《基本粒子物理学史》[8]一书中所指出,在下一步的发展中,奥本海默和法瑞的《电子和质子的理论》(1934),以及泡利和韦斯可夫在对克莱因一高登方程进行量子化的工作(1934),标志着量子场理论的趋于成熟。新理论包含早期理论的所有优点(正反粒子对的产生和湮灭过程等),而不再需要引入特设性假设。它表明,量子场论能够从第一原理出发导出一切,能够满意地描述正反粒子的产生和湮灭,它们平等地被看做是场的量子。
从科学实在论的眼光看,量子场论理应站在“场本体论”立场上,而不是站在“粒子本体论”立场上,换句话说,场物质是第一性的,粒子只是派生的;同时量子场论又理应站在“生成论”的立场上,而不是站在“构成论”的立场上,因为粒子不是生来就如此的,固定不变的,而是可以从场物质中真正“产生和湮灭”的,绝不仅仅是“跃迁”(时而躲起来,时而显出来)。
桂起权,武汉大学哲学学院教授、博士生导师。
【参考文献】
[1]桂起权,宋伟.充实的真空观:量子场的实在论与生成辩证法[J].郑州:河南社会科学,2007(2):79-82.
[2]金吾伦.生成哲学导论[M]//吴国盛.自然哲学:第一辑.北京:中国社会科学出版社,1994:73-111.
[3]Tian Yu CAO. Conceptual Developments of 20th Century Field Theories[M]. Cambridge University Press, 1997:144-209,162,163-164,172.
[4]Tian Yu CAO. Representation or Construction? An Interpretation of Quantum Field Theory[C]//The Proceeding of the 20th World Congress of Philosophy, 1998:129-141.
[5]陈刚.世界层次结构的哲学探索[D].武汉:华中科技大学,2008.
[6]洪定国.物理学理论的结构与拓展[M].北京:科学出版社,1988:95.
[7]薛晓舟,张会.现代物理学的哲学问题[M].开封:河南大学出版社,1996:159.
[8](美)阿伯拉罕.派斯.基本粒子物理学史[M].关洪,杨建邺,王自华,傅冬梅译.武汉:武汉出版社,2002:481.
(原载《自然辩证法研究》2009年3期。)

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