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W.海森堡 王自华译:原子研究和因果律
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-10-28 点击: 2074 次 我要收藏

[德]W.海森堡/文 王自华/译
现代原子物理学的最引人注目的普遍结果,就是在其影响下自然规律在概念上所发生的变革。
近年来经常听说,现代原子物理学取消了原因和结果的规律,或者至少这个规律有时不灵了;因此,人们再也不能按原来的意义谈论事件合乎自然规律的确定性。有时就干脆说,也许因果性原理与现代原子学说是不能协调一致的。要是因果性或者规律的概念弄得不够清楚,那么这些表述终究是不易理解的。因此,下面我想首先简要地谈一下这些概念的历史发展。然后打算探讨在量子论之前早已得出的原子物理学和因果性原理之间的关系。接着准备研究量子论的结果,并谈谈原子物理学近年来的发展。这些发展至今很少深入到公众中去,但看得出来,它似乎也在哲学的领域中期待着它的反作用。
就原因和结果的规则来说,因果性概念的应用在历史上尚较年轻。在早期哲学中,语词“原因(causa)”与现在相比其意义更普遍得多。例如在经院哲学中,按照亚里士多德的说法,“原因(Ursache)”就有四种形式。那里称之为“形式因”(近似于表示现在所指的事物的结构或精神内涵);“质料因”(做成事物的材料);“目的因”(创造事物的目的);以及最后“动力因”。而只有动力因才有点像我们今天所认为的原因(Ursache)这个语词的意思。
从概念“原因(causa)”演变到如今的概念原因(Ursache)是在好多个世纪的进程中实现的,并与由人们所理解的全部现实的演变和在近代开始的自然科学的形成有着内在联系。按照物质过程获得现实性的同一个程度,语词“causa”也与先行于可解释事件的、并以某种方式产生了这一事件的那样一种物质事件有关。因此,在康德[其实他在许多地方事实上干脆是从牛顿以来的自然科学发展中吸取哲学结论]那里,语词“因果性”甚至就已经像我们从19世纪以来所熟悉的那样来表述了:“当我们获悉发生了什么时,与此同时,我们也就总是预设了某种它按照一条规则从中产生的东西在先行着。”
于是渐渐地,因果性原理被弄得狭窄了,最后与预期自然界中的事件总是被单义地规定,因而预期对自然界或者其中一个确定片断的准确知识至少在原则上足以预先确定将来,是同一个意思了。牛顿物理学正是这样猜测的:能够从系统的一个状态预计系统在一定时间内的未来的运动。拉普拉斯(Laplace)把这个自然界中极为基本的观点说成是虚构一个魔鬼,这也许是最通俗易懂的了。这个魔鬼在某一给定时刻熟悉所有原子的位置和运动,而后它就必定处在能预计整个未来世界的位置。一旦如此狭窄地解释了因果性这个语词,人们也就可以谈论“决定论”了,并且因而认为:存在着从系统的现在状态单义地确定未来状态这样一个永久不变的自然法则。
原子物理学从一开始,就展示出一些本质上不适合这样一个图景的观念。虽然它们与这一图景的矛盾不是根本的,但是原子学说的思想方法一开始就必然与决定论的思想方法有别。早在古希腊德谟克利特(Demokrit)和留基伯(Leukipp)的原子学说中就已经提出:宏观过程是经由许多不规则的微观过程的发生而实现的。这在原则上是可行的,日常生活中就不乏这种例子。比方对农民来说,他们只消看到云层的凝聚和土壤的灌溉就够了,根本就不需要知道水滴是怎样一滴滴下落的。或者再举一个例子,我们准确地知道我们用的花岗石这个语词指的是何物,即使并未准确了解一个个小晶体的形状和化学结构、它们的混合比和颜色。所以,我们总是一再使用涉及宏观的行为的概念,而不用对微观的单个进程发生兴趣。
这种由许多微小事件从统计上共同起作用的想法,在古希腊罗马的原子学说中已经成为它们解释世界的基础,并且被推广成这个观念:物质所有可感觉的性质间接地由原子的排列和运动所造成。在德谟克利特那里就已经有这种说法:“一物的甜和苦是虚假的,颜色也是虚假的,实际上只存在原子和虚空。”如果人们通过非常多的微小的单个过程的共同作用这种方式来解释感性上可以觉察的过程,那么几乎必然会得出结论:人们也只是把自然界中的规律性看成为统计规律性。尽管统计规律性也能得出一些或然性程度很高、相当可靠的表述,但在原则上它总是存在有例外。
统计规律性概念经常被认为是充满矛盾。比方人们可能会认为,自然界中的过程要么是被合规律地确定,要么是完全无序地给出;但是在统计规律性之下,人们就很难设想什么东西。与此相反的是,人们必须记住:我们在日常生活中不得不处处与统计规律性打交道,并把它们作为我们实践行动的基础。例如当技术人员建造一座发电厂时,他主要利用每年的平均降雨量来进行计算,虽然他不可能预测何时下雨和下多少雨。
统计规律性在这个规则中意味着:人们只能不完全地了解有关的物理系统。著名的例子就是玩骰子。因为骰子的任何一面都不比其他一面占优势,因此我们用哪一种方法都不能预言它会哪一面朝上地落下来,人们可以认为的是,在掷了非常多的次数后,大约正好有六分之一的次数是五点朝上。
早在近代开始,人们就已试图通过物质原子的统计态从质上也从量上去解释物质的状态。R.波义耳(Robert Boyle)曾指出:倘若利用单个原子对容器壁的大量碰撞来解释压强的话,便可以弄清楚一定气体的压强和体积之间的关系。用类似方法,人们已经解释了热动力学现象,因为他们认为:在热的物体中的原子比在冷的物体中的原子运动得更加激烈。这个陈述的一个数学上的定量形式已经成功地给出,并借此说明了热学规律。
统计规律性的这一应用的最终形式,已经在上世纪后半叶通过所谓统计力学得到了。在这个其基本规律是从牛顿力学简单推导出来的理论中,人们研究了从一个复杂的力学系统的不完全的知识中所得到的结果。所以原则上人们并没有放弃纯粹的决定论,他们设想:单个事件完全是由牛顿力学所规定的。但是人们补充了一种想法:该系统的力学性质并非完全被知悉。正是吉布斯(Gibbs)和玻尔兹曼(Boltzmann)成功地用数学公式适当地领会了不完全知识的性质,尤其是吉布斯能够指出:温度概念正好与知识的不完全性紧密相连。
当我们知道一个系统的温度时,那么这意思就是:这个系统是来自一组权利相等的系统。这组系统可以用数学来精确地描述,而对于所涉及的特殊系统却不行。因此,吉布斯本来已经几乎无意识地跨出了一步,这一步后来引出了一个最重要的结果。吉布斯第一次提出一种物理概念,只有在我们对自然界中的一个对象的知识不完全时,才能把这种物理概念用到这个对象上。例如假设气体中所有分子的运动和位置已知,那么,谈论气体的温度便再也没有意义。温度概念只能被应用于系统不完全被知悉的情况,并且人们希望从这个不完全的知识中得出统计的结论。
自从吉布斯和玻尔兹曼的发现以来,尽管人们用这个方法把一个系统的不完全知识列入物理定律的表述中,但是,直到M.普朗克(Max Planck)的著名发现(它是“量子论”的开端)为止,人们基本上还是坚持决定论。普朗克在他关于辐射理论的工作中首先只是发现了在辐射现象中的某种不连续性的要素。他指出,一个在发射中的原子所放出的能量不是连续的,而是分立的,呈脉冲状。这个分立的、呈脉冲状的能量发射像原子论的全部观念一样,又引出一个假设:辐射的发送可能是一种统计现象。但只是在25年的进程之后人们才提出:事实上,量子论甚至迫使我们把这条规律正好表述为统计规律,并且还与决定论发生了原则性的偏离。
在爱因斯坦(Einstein)、玻尔(Bohr)和索末菲(Sommerfeld)的工作之后,普朗克理论已被证明是能用以打开通向原子物理学全域的大门的钥匙。在卢瑟福(Rutherford)—玻尔原子模型的帮助下,人们已经能够解释化学过程。从这个时候起,化学、物理学和天体物理学融合成一个统一体。但是,在量子论规律的数学表达中,人们已经迫不得已地发现自己偏离了纯粹的决定论。因为在此还不能谈论这些数学上的评估,所以我只打算指出几种不同的说法,在其中人们表达了物理学家看到在原子物理学中所体现的那种值得注意的情况。
人们一度能够把与以前物理学的偏离表述为所谓的“不确定性关系②(Unbestimmtheit- srelationen)”。人们确信,一个原子微粒的位置和速度不可能同时以任意精度来确定。如果能够非常准确地测量位置,那么由于观察仪器的干扰,对速度的认识在一定程度上就会变得非常模糊;反之,由于精确的速度测量也会模糊对位置的认识,于是,对于这两个不准确性的乘积由普朗克常数给出一个下限。这种说法至少让人们清楚地看到,借助于牛顿力学的概念就只能裹足不前;因为对一个力学过程进行计算,就非得要在一个确定的时间点同时准确知道位置和速度,但根据量子论这恰好是不行的。
另一种说法由玻尔所创造,他采用了“互补性(Komplementaritat)”概念。他认为,我们用以描述原子系统的不同直观图景,尽管对于确定的实验已经完全测定,但不是相互排斥的。例如可以把玻尔原子描述成那样一个小规模的行星系:中间是原子核,外面是电子,电子围绕核旋转。但是在另外的实验中,这样来设想才会是适当的:原子核被多层固定的波所包围,在此波的频率决定了由原子所发射的辐射的频率。最后,人们也能把原子看作一个化学的对象,可以计算它与其他原子联合时的反应热,但这样一来就不能同时对电子的运动有所陈述。因此倘若人们在正确的地方应用它们,这两幅不同的图景都是正确的,但是它们彼此矛盾,因此称它们为互补。每一单个的图景都具有不确定性,而这种由不确定性关系来表达的不确定性恰好足以避开不同图景之间的逻辑矛盾。
从这个暗示出发,哪怕不进一步讨论量子论数学也很可以理解到,一个系统的不完全知识必定是那个量子论表述的一个重要组成部分。这个量子论规律必然是统计性质的。为此举一例:我们知道镭原子能发射

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