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矩阵力学和波动力学:通向量子力学的两条道路(下)
2015年07月07日 14:36 来源:中国社会科学报 作者:苏湛 字号

内容摘要:矩阵力学和波动力学之间的冲突,不仅仅在于它们对世界的基本构成方式有着完全不同的假设,更重要的是它们背后蕴含的哲学理念针锋相对。尤其是在实在论承诺方面,玻尔、海森堡等哥本哈根学者所遵循的是所谓的逻辑经验主义的实在观,即除了可以直接观测、感知的实体外,别无实在。而薛定谔、德·布罗意乃至爱因斯坦等支持波动力学的物理学家们则坚守着牛顿以来的物理学信念,坚信必然存在某种最基本的基元(无论这种基元是原子还是波、是单一的全同粒子还是几种甚至无数种不同粒子或波),作为组成这个世界的“砖块”。这一问题不但构成了1926年薛定谔与哥本哈根学派之间的严重分歧的实质,也是后来著名的“爱因斯坦—玻尔”之争中最关键的矛盾点之一。

关键词:量子力学;矩阵力学;波动力学;爱因斯坦;哥本哈根学派;薛定谔;德·布罗;观测;基元;经验主义;力学;哲学理念;布罗意

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  矩阵力学和波动力学之间的冲突,不仅仅在于它们对世界的基本构成方式有着完全不同的假设,更重要的是它们背后蕴含的哲学理念针锋相对。尤其是在实在论承诺方面,玻尔、海森堡等哥本哈根学者所遵循的是所谓的逻辑经验主义的实在观,即除了可以直接观测、感知的实体外,别无实在。因此对于他们来说,他们所能观测到的能级差(频率)、跃迁几率(亮度)等等就是全部了,不需要去寻找、也根本不存在一个更深层次的原理作为这一切现象的原因;而薛定谔、德·布罗意乃至爱因斯坦等支持波动力学的物理学家们则坚守着牛顿以来的物理学信念,坚信必然存在某种最基本的基元(无论这种基元是原子还是波、是单一的全同粒子还是几种甚至无数种不同粒子或波),作为组成这个世界的“砖块”,并且必然存在一组简单、自洽的基本原理,指挥着这些“砖块”的一切行为和相互作用,无论是这种基元还是这组基本原理,它们的存在无需诉诸经验,而是根据理性得出的一个显而易见的必然结果,物理学家要做的只是去尽可能地揭示:它们具体是什么——基于这一信念,他们当然不可能满足于仅仅如实描述可观测的现象,而是一定要去追问,隐藏在我们看得见的部分背后的完整真相到底是什么。这一问题不但构成了1926年薛定谔与哥本哈根学派之间的严重分歧的实质,也是后来著名的“爱因斯坦—玻尔”之争中最关键的矛盾点之一。

  然而有趣的是,尽管出发点、基本图景以及背后的哲学理念完全不同甚至针锋相对,矩阵力学和波动力学在数学上却最终被证明是等价的。当然,这也并不完全是偶然。就其物理学根源而言,海森堡在对核外电子的动量、位移做傅立叶展开时,实际上已隐含地将电子所有可能的运动状态转化并分解成了一系列简谐振动来理解,因而与德·布罗意从形而上角度出发给出的物质波的图景在本质上达成了一致。

  而从量子力学的后续发展来看,这两条路线甚至还表现出一定的互补性。哥本哈根学派强调直接的观测事实,所有推理只以这些事实为基本前提,较少受到旧的物理学成见造成的束缚和误导,所以到目前为止,至少看上去是哥本哈根学派对新现象做出了更多正确的预言。但是在有关微观世界本质的问题上,却是德·布罗意、薛定谔以及爱因斯坦的学说提供了更多有价值的洞见。比如在电子的波动性问题上,今天的人们已经普遍接受了电子同时也是波的解释,并把其量子特性的根源更多地与它的波动性联系在一起。而这一图景,如果没有对超越于现象之上的深层次原理的追求,是不可能从对现象本身的平铺直叙中自动显现的。甚至哥本哈根学派在预言物理现象方面的成功,在很大程度上同样要归功于其论敌们对“形而上学假设”的追寻。正是在这种追寻中,他们提出了问题,从而为哥本哈根学派的研究与推理提供了目标、方向,爱因斯坦提出的量子纠缠问题就是其中最著名的一个案例。事实上,如果再往前追溯,甚至量子这个概念的提出本身也是由普朗克对凌驾于现象之上的根本原理的追求所导致的。

  在今天,由于哥本哈根学派在量子力学方面的突出成就,其学术观点,包括其哲学理念,被很多物理学家和哲学家奉为金科玉律。然而很多人却恰恰忽视了作为哥本哈根学派对立面的薛定谔、爱因斯坦等物理学家所尊奉的哲学理念在量子力学建立和发展的过程中所起到的重要作用。事实上,不仅仅是量子力学,对于整个物理学而言,无论是哥本哈根学派尊奉的经验主义传统,还是德·布罗意、薛定谔、爱因斯坦等人坚持的对世界本源问题和基本原理的追求,都是非常重要的,缺一不可。在历史上,物理学家们曾经受困于以太、绝对空间等虚妄的形而上学概念,正是对经验主义的重新回归促成了20世纪初的物理学革命。但如果过于强调经验,而忘记了追求终极原理的理想,那么物理学必将停步不前,再也无法发现新的东西。

  (作者单位:中国科学院自然科学史研究所)

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