（科学技术哲学专业论文）论能量时间不确定关系的解释语境.pdf

摘要 自1 9 2 7 年海森堡提出不确定关系以来，关于能量时间不确定关系 ( e t u r ) 的争论一直未休。争沦主要集中在对e 和出的指称、 a e a t h i 2 的意义上。物理学家们基于不同的理论背景预设，对其做出 了不同的解释。能量时间不确定关系中，其确切的指称是什么，其意义 是什么，物理学家们仁者见仁、智者见智。科学解释理论的发展趋向显 示了解释语境作为种全面的解释框架、视角，对于科学理论的解释是 系统而有效的。对于e t u r 进行解释语境的考察，能够理清其所涉及的 不同的指称和意义，从意义的高度统观在不同解释间的分歧实质所在。 文章首先从能量时间不确定关系的提出、关于其的争论等入手，论证了 对其作解释语境考察的合理性，而后基于物理学家们所做出的不同种解 释进行分析归纳，指出e 和f 的指称、e a t h 2 的意义及其意义在 量子力学中的延伸作为解释语境的构成要素共同构成了对于e t u r 的三 种不同解释语境，即认识论的解释语境、本体论的解释语境、语义学的 解释语境。认识论的解释语境揭示的是主体与客体问的相互作用，本体 论的解释语境揭示的是客体自身的特性，语义学的解释语境是一种对 e t u r 在严格意义上成立的语义论证。三种不同的解释语境是与其不同 的指称、意义相关联的。文章从意义的哲学层面整体把握了能量时间不 确定关系，清晰地呈现了其在不同解释语境下的指称和意义，厘清了在 其解释中存在的混乱。通过对e t u r 解释语境考察分析，文章最后得出 结论，解释语境作为一种新的视角对于科学理论的解释无疑是积极的探 索和有益的尝试。 关键词：能量一时间不确定关系( e t u r ) ；指称；意义；解释语境 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nm u c hc o n t r o v e r s ys u r r o u n d i n ge n e r g ya n dt i m eu n c e r t a i n t y r e l a t i o n ( e t u r ) s i n c eh e i s e n b e r ge s t a b l i s h e di ti n1 9 2 7 t h ec o n t r o v e r s yi s m a i n l yo n t h er e f e r e n c eo fa ea n da t ，a n d t h e m e a n i n go fa e a t h 2 p h y s i c i s t sb a s e do nd i f f e r e n tp r e - s u p p o s i t i o n s ，e x p l a i n e di td i f f e r e n t l y t h e d e v e l o p m e n to ft h et h e o r y o fs c i e n t i f i c e x p l a n a t i o ns h o w se x p l a n a t i o n c o n t e x tc a np l a ya ne f f e c t i v er o l ei nt h ee x p l a n a t i o no fs c i e n t i f i ct h e o r y a n a l y s i n g i ti n e x p l a n a t i o nc o n t e x tc a nc l a r i f yd i f f e r e n tr e f e r e n c e sa n d m e a n i n g so ft h ee t u r ，c a nf i n do u tw h e r et h ed i f f e r e n c el o c a t e s t h ea r t i c l e b e g i n sw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee t u ra n di t sd i s p u t a t i o n ，a r g u e st h e r a t i o n a l i t yo ft h eu s eo fe x p l a n a t i o nc o n t e x th e r e ，t h e na n a l y s e st h ed i f f e r e n t e x p l a n a t i o n so ft h ee t u ra n de d u c e st h r e ed i f f e r e n te x p l a n a t i o nc o n t e x t s ，a s e p i s t e m o l o g i c a l ，o n t o l o g i c a la n ds e m a s i o l o g i c a l ，c o n s i d e r i n gt h er e f e r e n c e ， m e a n i n ga n di t se x t e n d e dm e a n i n gi nq u a n t u mm e c h a n i c sa st h ee l e m e n t so f e x p l a n a t i o nc o n t e x t t h ee p i s t e m o l o g i c a le x p l a n a t i o nc o n t e x tr e v e a l st h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ns u b j e c ta n do b j e c t ，t h eo n t o l o g i c a le x p l a n a t i o nc o n t e x t d e s c r i b e st h ec h a r a c t e ro fo b j e c ta n dt h es e m a s i o l o g i c a le x p l a n a t i o nc o n t e x t i sas t r o n gd e m o n s t r a t i o no ft h ee t u r t h et h r e ed i f f e r e n te x p l a n a t i o n c o n t e x t sa r er e l a t e dw i t ht h e i rd i f f e r e n tr e f e r e n c e sa n dm e a n i n g s t h ea r t i c l e d i s c u s s e st h ee t u rf r o mt h ea s p e c to fp h i l o s o p h i c a lm e a n i n g ，p r e s e n t sa c l e a rp i c t u r eo ft h er e f e r e n c ea n dm e a n i n go ft h ee t u ra n do v e r c o m e st h e c o n f u s i o ns u r r o u n d i n gt h ee x p l a n a t i o no ft h ee t u r t h ec o n c l u s i o ni st h a t e x p l a n a t i o nc o n t e x t i sah e l p f u la t t e m p ti ns c i e n t i f i ce x p l a i n i n g k e y w o r d s ：e n e r g y - t i m eu n c e r t a i n t yr e l a t i o n ；r e f e r e n c e ； m e a n i n g e x p l a n a t i o nc o n t e x t 引言 引 日 量子力学诞生已有近一百年的历史了。迄今为止，它被认为是关于物质世界最 为成功的表述，且对于实际问题的解决也已经取得了辉煌的成就。量子力学的产生 颠覆了经典物理学的本体论、认识论和语义学基础，影响了人们的世界观和方法论， 其哲学影响是深远的：量子力学态函数的统计解释打破了经典力学以来的因果决定 论，引入了统计决定论；不确定关系的提出划定了人类认识的极限；量子力学的解 释学研究则开辟了语义学研究的广阔空间；等等。非定域性、相干性、纠缠和粒子 全同性等概念的提出使得量子力学拥有与经典力学全然不同的概念框架体系。不确 定关系作为量子力学区别于经典力学最为显著的原理之一，所带来的冲击也是巨大 的。 1 9 2 7 年海森堡( w h e i s e n b e r g ) 提出不确定关系，其中包括位置一动量不确定关 系、能量一时间不确定关系等。对于式子g p h 2 和e - a t h 2 的成立物理学 家们没有异议，而对于其解释则争论不休。当前关于不确定关系的争论主要集中在 三方面：1 ) 在不确定关系与量子力学的关系方面，它具有独立的逻辑地位，还是由 量子力学的基本假设推导出来的；2 ) 其中的“不确定度”指的是对单个微观过程进 行测量的可能误差，还是在相同条件下多次测量的统计偏差；3 ) 在单个过程的意义 下，“不确定度”指的是观察者对物理量知识的缺乏，或是测量物理量的实验不准确 度，还是对物理量定义的模糊性，或者是物理量本身取值的不确定性。 而具体到能量一时间不确定关系，由于时间在量子力学中所扮演角色的复杂性， 其争论更多。争论主要集中在：1 ) 能量一时问不确定关系是否成立，若成立的话， 能量和时间的“不确定度”指称什么，它的意义又如何；2 ) 量子力学中是否存在在 严格的可观察量的意义上成立的能量一时问不确定关系，即同位置一动量不确定关系 建立在相同基础之上的能量一时间不确定关系。问题的最终回答需要物理学的进一 步发展而给出，但目前对其解释的研究对于澄清不同解释的关键所在、理清其不同 解释问分歧实质所在、清晰地呈现出关于其解释的图景是有十分必要的，对于问题 的进一步解决是一种很好的铺垫。 自能量一时间不确定关系提出以来，物理学家们站在各自不同的立场对这个问 题提出了不同的看法。对于能量一时间不确定关系的讨论主要集中在三方面：1 ) 对 于其研究的历史综述，摆出了各位物理学家的观点，主要有雅默( m j a m m e r ) 的量 子力学的哲学和关洪的量子力学的基本概念等；2 ) 对于海森堡和玻尔( n b o h r ) 论能量一时间不确定关系的解释语境 关于此问题分析研究的再研究，主要有s t a n o n a 和j h i l g e v o o r d 等人的工作；3 ) 当 代物理学家们结合具体的物理问题对能量一时间不确定关系的讨论和研究。 上述三方面的研究，要么只是沿着历史的纵向线索来叙述，要么只限定于最初 海森堡和玻尔的工作展开，要么局限于具体物理问题的讨论，均未给出一幅清晰的 关于能量一时间不确定关系的解释图景，也未曾清楚地界定其指称和意义、明确其 解释间分歧的实质所在。由于物理学家们在对能量一时间不确定关系做出解释时， 无形的哲学立场、潜在的预设条件、其关于量子力学的整体解释等因素的影响，单 纯地来讨论能量一时问不确定关系存在与否，其指称和意义是什么，无疑是乏力的。 本文正是在上述研究结果的基础之上，通过对能量一时间不确定关系解释语境要素 的分析，理出清晰的关于能量一时问不确定关系的指称和意义，界定其不同的解释 语境范畴，从指称、意义、解释语境三者的相互关系中揭示能量一时间不确定关系的 解释语境。文章第一部分通过回顾能量一时问不确定关系产生的历史背景，关于其争 论的主要症结，论证了对其进行解释语境考察的合理性，后三部分分别介绍和分析 了能量一时间不确定关系的认识论解释语境、本体论解释语境和语义学解释语境，整 理了从能量一时间不确定关系诞生至今在认识论意义上的、本体论意义上的和语义学 意义上的各种解释版本，通过对其解释中关于a e 和出的指称和a e a t h 2 意义， 结合对于整个量子力学体系的解释，将这三者作为对e t u r 解释语境的构成要素，通 过对解释语境要素的分析得出三种层面的解释语境，即认识论、本体论和语义学的 解释语境。文章通过对e t u r 解释语境的构成要素的分析，在整体的解释语境把握之 下，清晰地呈现了能量一时间不确定关系的指称、意义，明确了不同解释间的分歧实 质所在，从而为进一步解决问题提供概念上的铺垫。文章立足于解释语境的整体来 分析问题，其中解释晤境能够基于一种全面的视角来审视问题，对于考察分析具体 问题的解释不失为一种方法上的积极探索和有益尝试。 第一部分对e t u r 解释语境考察的合理性论证 第一部分对e t u r 解释语境考察的合理性论证 1 9 2 7 年海森堡提出了著名的不确定关系，包括位置一动量不确定关系、能量一时 间不确定关系等，即g p h 2 和e a t h 2 。不确定关系一经提出，便被绝 大多数的物理学家们接受为量子力学的重要组成部分，但同时关于其解释的争论也 相继开始。具体到能量一时间不确定关系，争论主要集中于对e 和f 的指称、 b e - a t h 2 关系式的意义的解释上。指称、意义和解释语境三者之间的相互关系 共同决定了对e t u r 的解读。本章通过对能量时间不确定关系产生的历史背景回顾， 明确了在其解释争论中的主要症结，论证了对e t u r 进行解释语境考察的合理性， 为下文展开解释语境的论述寻求合理的基点。 1 ，1e t u r 的提出 不确定关系作为量子力学中的重要原理之一，在量子力学诞生之初便被提出， 对量子力学的进一步发展起了很大的推动作用。不确定关系提出的直接原因是海森 堡为了追求矩阵力学同波动力学相同的明晰性，根本原因则在于寻求更进一步的理 沦与经验之间的桥梁。追寻e t u r 的提出的历史背景，对于理清其解释中对指称和意 义的把握，更进一步把握其解释语境的意义层次是十分必要的。 1 1 1 不确定关系提出的直接原因追求理论的明晰性 1 9 2 5 年，玻恩( m b o r n ) 、海森堡和约尔丹( p j o r d a n ) 共同发展了第一个自洽 的量子力学数学体系，即矩阵力学。矩阵力学的基本要素是“跃迁量”，其主旨是 只有原则上能够观察到的量才在理论中占有角色，不应该试图去构造关于原子内部 的图景。矩阵力学的建立，最初的出发点是来自于光谱和相关的原子跃迁的观察数 据，而其核心概念是从经验中抽象出来的不连续的“跃迁”，不具有直观性。矩阵 力学从现象出发，抽象出理论概念以表达实在过程，在理论与经验之间架起了有效 的桥梁，因而在理论表征经验方面获得了巨大的成功。 1 9 2 6 年，薛定谔( e ，s c h r s d i n g e r ) 完成了他的历史性论文“量子化作为本征值 问题”，即建立了量子力学的波动力学形式体系。波动力学的基本要素是“波函数”， 这样，量子力学在表述形式上又回到了人们所熟悉的经典的波动形态。波动力学将 抽象的量子化规则转换成了某个空间函数具有有限性和单值性的这一自然要求，通 过对在时空中连续的因果过程的描述表征了观察数据，从而具有更大的明晰性，更 符合经典力学影响下的思维模式，易于被物理学家们所接受。“在1 9 2 6 年的一段时 论能量时问不确定关系的解释语境 间内，在波动力学还没暴露出它的严重问题来时，薛定谔的方法在物理学界得到了 比矩阵力学更多的支持。” 同年，薛定谔证明了矩阵力学和波动力学之间数学上的等价性。尽管矩阵力学 和波动力学的基本假定、数学工具和总的意旨都明显不同，但却表征了相同的物理 实在，是从不同的表象空间对于同一实在的不同表征方式。比较两种不同的表象可 以发现，薛定谔的波动力学由于其更接近于经典力学的连续性思维模式，其波动性 描述更形象化，因而这种方法倍受物理学家们的厚爱，例如玻恩虽然是矩阵力学的 创始人之一，但是他对薛定谔的方法有很深刻的印象。 物理学家们对于薛定谔所采用的方法的垂青，让海森堡很不愉快。海森堡曾经 在给泡利( w p a u l i ) 的信中写道：“薛定谔写道他理论的明晰性而我考虑的是 垃圾”。1 9 2 6 年海森堡总结了两种相互竞争的理论同时发展的独特情形，沧述了薛 定谔方法中存在的问题，但他承认矩阵力学没有提供明晰性，而正是明晰性使得波 动力学更有吸引力。他在总结中写到：“为了得到无矛盾的明晰性解释，在我们在 于物质结构的图景中仍然缺乏些本质的特征。”。而1 9 2 7 年关于不确定关系的论 文正是提供了这种所缺乏的特征，即理论的明晰性。这样一来，矩阵力学就成为了 无矛盾的并且明晰的量子理论。 在海森堡关于不确定关系的论文中，他以对明晰性的重新定义开始。海森堡不 赞同薛定谔把明晰性与提供关于现象的因果时空图像关联起来，而是宣称：“如果在 所有简单的情形下，我们能够掌握定性的实验结果且并米发现理论产生任何的矛盾， 则我们相信我们得到了对物理理论的明晰性理解”。海森堡在这个“明晰性”新的 意义之上，表明矩阵力学能够与波动力学具有相同的明晰性，而不确定关系的提出 则是达成此目的的途径。 11 2 不确定关系提出的根本原因架构理论与经验的桥梁 1 9 2 6 年，薛定谔在哥本哈根访问期间，在其同玻尔和海森堡之间关于波动力学 和矩阵力学两种表象的解释的争论使得波动力学和矩阵力学之间的对立更加公开化 了，且显得不可调和。这次论战使得玻尔和海森堡认识到需要进一步澄清他们所设 想的量子力学同经验资料之间的关系。 海森堡从最简单的观察现象出发，着重于寻找矩阵力学理论与经验之问最为直 。j a nh i l g e v o o r d ，j o su f f i n k ，7 r h eu n c e r t a i n t yp r i n c i p l e a 1 i nt h es t a n f o r de n c y c l o p e d i ao f p h i l o s o p h y , w i n t e r2 0 0 e d i t i o n ，e d i t e db yenz a l t a , h t t p ：p l a t os t a n b r de d u a r c h i v e s w i n 2 0 0 1 e n l r i e s q t u n c e r t a i n t y o 同上 。同一匕 d 第一部分对e t u r 解释语境考察的合理性论证 接的联系。得益于爱因斯坦( a e i n s t e i n ) 的“是理论决定我们能够观察什么”的论 述，海森堡通过对威尔逊云室的电子径迹的分析，抽象出他的“测量等于意义原则” ：如果谁要想阐明一个物体的位置，例如一个电子的位置这个短语的意义，那 么他就得描述一个能够测量电子的位置的实验；否则这个短语就根本没有意义。 基于此，他认为在威尔逊云室中观察到的电子径迹并非是粒子的真实轨迹，而是由 凝结的小水滴所表征的不精确位置所组成的一个不连续的序列。这样一来，在矩阵 力学的数学形式体系同观察经验之间就建立起最表观的、协调一致的联系了。海森 堡通过对概念意义的操作限定，把理论与经验在最表观的层面相互联系起来了。理 论的意义就在于经验的实现，经验所不可能达到的就不应该有理论的对应，即使有 相应的理论也是无意义的，即经验的界限也就是理论概念意义的界限。 在上述“测量等于意义原则”下，通过对“明晰性”概念的定义，海森堡从两 方面考虑了不确定关系的得出：一是形式体系是否容许不确定关系的成立；二是不 确定关系的成立能否与实验结果相容。对于前者海森堡只考虑了位置动量不确定关 系，他引用狄拉克约尔丹变换推导出了位置动量不确定关系，从而证明了不确定关 系与量子力学的形式体系是相容的。对于后者，海森堡先通过对“y 射线显微镜实 验”理想实验的分析，推论出若对位置进行精确测量，则会导致动量发生不连续的 变化，即若位置测定得越准确，动量的测定就越不准确。继而通过对确定原子磁矩 的斯特恩- 盖拉赫实验的分析得出能量一时间不确定关系，即原子穿过偏传场所费的时 间血越长，能量测定中的不确定性e 就越小。 在上述海森堡对理想实验的分析得出不确定关系与经验相容的过程中，海森堡 规定了物理量的意义所限在于测量所限：因为测量过程中，不可能在测得精确位置 的同时得到精确的动量值，所以位置和动量的同时精确值是没有意义的；能量和时 间也是如此。由此可见，在形式体系与不确定关系和经验与不确定关系之间，后者 起了关键作用，前者只是对后者结论的一个求证而已。“测量等于意义”这一规定 潜存了海森堡本人的形而上学假设，即物理量的意义限于测量的过程。在此假设之 下，理论与经验自然就相互联结起来了，不确定关系的在形式体系中的得出自然也 是此假设的必然结论。 至此，不确定关系的已经建立起来了，其一经提出，“就成为物理学中随后又 。j a nh i l g e v o o r d ，j o su f i i n k ，t h eu n c e r t a i n t yp r i n c i p l e a 】i nt h es t a n f o r de n c y c l o p e d i ao f p h i l o s o p h y , w i n t e r2 0 0 1 e d i t i o n ，e d i t e db ye nz a l t a , h t t p ：h p l a t os t a n f o r dc d u a r c h i v c s w i n 2 0 0 i e n t r i e s q t - u n c e r t a i n t y 。雅默量子力学的哲学 m 秦克诚译北京：商务印书馆1 9 8 97 3 5 论能量时间不确定关系的解释语境 成为哲学中热烈讨论的题目”。“基于不确定关系，许多量子现象很容易就可以得到 理解和说明，可见不确定关系在量子力学中的重要性是无可置疑的。对于 a q p h 2 和e a t h 2 的成立物理学家们是没有疑义的，但对于其解释却充 满了争议。争议主要集中在不确定关系与量子力学的关系、不确定关系与互补性原 理的关系、不确定关系的哲学内涵、能量一时间不确定关系的存在性及指称和意义等 方面。 1 2 围绕e t u r 的争论 围绕不确定关系的解释问题物理学家们展开了许多的争论，意见各异。下面我 们着重来探讨不确定关系自身解释巾的争论及其与量子力学之间关系的争论。 1 2 1 不确定关系自身解释中的争论 从不确定关系中不确定度的确切所指，到其所表达的物理内容，一直以来都没 有达成共识，由于实验手段的限制，至今问题的争论仍然停留在形而上的层面，而 物理学家们所坚持的不同观点都是基于不同的物理信仰而产生的。在这点上，不确 定关系的解释与量子力学的解释遭遇是相似的。因此，对于其解释做解释语境的考 察就显得更为必要了。 围绕能量一时问不确定关系的争论，许多是离不开不确定关系自身解释中的争 论的，因而对不确定关系自身解释中的争论作一考察，能够更好地把握能量一时间不 确定关系的解释问题。 不确定关系解释争沦的第一个焦点在于：不确定关系中的不确定度是指多次测 量结果的统计散布，还是单次测量结果的精确度，即统计或非统计。海森堡最早通 过对高斯型波包的表象变换定量地导出了不确定关系，即a x a p = h 2 ，其中的工 和a p 指偏离其平均值的标准偏差，是统计意义上的关系。而他在随后用来举例论证 不确定关系成立的理想实验，即“y 射线显微镜实验”和斯特恩一盖拉赫实验的分析 中，又明确地把不确定关系看成是对单次测量结果的限制，而不是多次测量的统计 散布性质。海森堡在对不确定关系进行推导的过程中，未曾清楚地界定不确定关系 的统计属性或非统计属性，但他和玻尔同作为哥本哈根学派的代表人物，曾明确地 指出不确定关系是在单个过程的意义上成立的。由于不确定关系的统计散布解释能 够由量子力学的数学体系推导而出，因而统计解释也有许多的物理学家赞同，如波 普尔( k r p o p p e r ) 矛d 马格脑( hm a r g e n a u ) 等。至今，不确定关系是统计的或非统计的 。雅默量子力学的哲学 帕秦克诚译北京：商务印书馆，1 9 8 9 8 8 6 第一部分对e t u r 角j i ! 释语境考察的台理性论证 仍没有定论，仍然处在争沦之中。 不确定关系解释争论的第二个焦点在于：不确定关系的来源问题，即不确定度 是否源自于测量过程中仪器对客体的不可控制的扰动。在海森堡和玻尔的解释中， 对上述问题的回答是肯定的。按照海森堡的理想实验分析可知，海森堡认为测量中 同时得不到两共轭量的精确值，其原因在于测量仪器的扰动，而这种扰动是固有的、 不可控制的，在未测量时其取值或许是精确的，但却并不是我们所关心的，因为物 理学描述的只是现象，并非物质的本来面目。对于海森堡和玻尔的这种扰动解释， 对不确定关系持统计解释者持反对态度，认为不确定度，即标准偏差只是由态函数 所决定的，与其他因素无关，故不可能与测量仪器发生任何联系。这个争论是在第 一个争论，即统计或非统计基础之上对非统计解释的进一步质疑。 不确定关系解释争论的第三个焦点在于：不确定关系是否是关于单次测量中两 个力变量同时进行测量所可能达到的精确度的限制。在海森堡和玻尔的论述中，回 答是肯定的。而统计解释则否定了讨论同时测量的必要性。如马格脑把测量分为空 间系综测量和时间系综测量，从而可以执行对坐标和对动量的测量或先后执行对坐 标和对动量的测量，这样一来，对坐标测量和对动量的测量互不相干。按照统训解 释，既然不确定关系描述的是统计系综的涨落关系，则对于不同的单次测量所得到 的血和a p 有可能超越关系式缸知h i 2 ，而得到a x a p h 2 的结果。可以看 出，海森堡和玻尔对不确定关系的非统计解释要比统计解释严格的多，但孰是孰非， 在目前实验的条件下是不可能得到判决的。 综上可见，对于不确定关系自身的争论主要在于统计或非统计的解释之间，而 对于不确定度的具体指称和意义则部分地内含于对统计或非统计解释之中。在非统 计解释的意义下，“不确定度”指的是观察者对物理量知识的缺乏，或是测量物理量 的实验不准确度，还足对物理量定义的模糊性，或者是物理量本身取值的不确定性 的争论，现阶段仍然停留在形而上的哲学层面，不可能从实验的角度对其做出判定。 因而，对于其解释语境的考察，从哲学的层面先理清这些争论之间的内在关系，对 于进一步的理解问题所在、找清解决问题的出发点是具有重大意义的。 1 22 不确定关系自身解释外的争论 在对于不确定关系自身解释的争论之外，也有许多争论存在于不确定关系与量 子力学体系的关系、不确定关系与互补性原理的关系等方面。对这些方面的追溯探 讨能够在一种关系关联语境中理解不确定关系，论证把不确定关系的意义延伸作为 其解释语境的构成要素之一的必要性，以便在对不确定关系的解释语境考察基础之 论能量一时间不确定关系的解释语境 上，可以将其进行延伸，从而对量子力学的解释语境进行一窥。 海森堡曾在谈到诸如位置同动量或能量同时间这些正则共轭量的不确定关系时 说：“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。把不确定关系作 为量子力学统计关系的根本原因，给人以不确定关系是量子力学的逻辑基础之嫌。 爱因斯坦和玻尔在第五次索尔未会议上关于统计因果的量子力学是否正确的争论的 焦点就是海森堡的不确定关系。爱因斯坦认为只要推翻不确定关系，则玻尔所基于 它而建立的同时的时空描述和因果描述的不相容性，和他的全部理论就将不再成立。 而玻尔则试图把自己理论的推理链条延伸到不确定关系，以此来支持他的理论。当 然，二者的争论最终以玻尔的胜利而告终。从两位大物理学家的思路来看，可以明 确的是不确定关系与互补原理、量子力学的理论是逻辑一贯的，一旦其中之一被推 翻就说明其余也不成立。但从逻辑上来分析，不确定关系的被推翻导致量子力学理 论的不成立并不能说明量子力学的逻辑基础是不确定关系。 波普尔不认为不确定关系在逻辑上先于其他原理，他反对对不确定关系和量子 力学的统计解释或几率诠释之间的关系作出这种分析。他指出，我们能够从薛定谔 方程导出海森堡的不确定关系，但并不能从后者导出前者；若我们对这利t 推导次序 作了应有的考虑，那么就必须修正对不确定关系的解释。 在海森堡发表不确定关系的论文之时，玻尔和海森堡之间有场关于不确定关系 概念基础的争论。海森堡认为测不准性的原因是不连续性，不确定关系是对经典概 念在微观物理学玑象上的适用性的限制，而玻尔认为测不准性的原因是波粒二象性， 不确定关系并不标志着粒子物理学的语占或者波动物理学的语言的不适用，而是标 志着不同能时使用两种表述方式，尽管只有它们二者兼用a 能对物理现象提供充分 的描述。玻尔把互补性原理作为普适的、量子力学的基本原理，自然不确定关系的 得出也是基于互补性原理的，不确定关系是互补性的具体体现。 在接受玻尔意见之后，海森堡后来承认自己在论证不确定关系的所有例子里， 或者使用了“辐射理论的波粒二象性”，或者使用了“物质理论的波粒二象性”； 而在“没有直接提到波粒二象性”的其他场合，它“依然隐含在量子化条件之中”， 。从而也把波粒二象性作为了其不确定关系的最终概念起源。在1 9 2 9 年发表的一篇 关于1 9 1 8 年到1 9 2 8 年期问量子理论发展的综述中，海森堡宣称，测不准关系，就 它们仅仅只表示粒子理论的概念的可用性的极限而言，不足以成为形式体系的一种 。雅默量子力学的哲学 砌秦克诚译北京：商务印书馆，1 9 8 97 0 。关洪量子力学的基本概念 m 北京：高等教育出版社，1 9 9 0i6 4 8 第一部分对e t u r 解释语境考察的合理性论证 诠释。“相反，正如玻尔已证明的那样，应当同时依靠粒子图象和波动图象，这才 是在一切情况下确定经典概念的可用性的极限的一个必要而且充分的办法。” 毫无疑问，不确定关系是量子力学的重要组成部分，但是在何种意义上它是量 子力学形式体系的直接推论，在何种意义上它是形式体系之外的认识论解释，在何 种意义上它是互补性原理的推论等，是与关于它的解释息息相关的。由于在不确定 关系的解释过程中掺杂了解释者特定的预设和信仰，因而单纯地对这种争议的辨别 和辩护是不会有结果的，需要从解释语境的角度去分析其具体的解释，找出争论的 分歧才能够有效地把握这些问题。 1 3 对e t u r 解释语境考察的合理性论证 解释是科学理论的重要组成部分之一，也是科学哲学研究的主要内容之一。科 学解释理论的发展把解释语境推向了前台。解释语境集逻辑语形、语义和语用分析 三者于一体，能够对科学理论进行更为全面、系统的解读。具体到对能量时间不确 定关系的解释中，其指称、意义、意义的延伸，共同构成了它的解释语境，并且指 称、意义和解释语境三者之间的作用是相互的。 1 31 解释语境 从亨普尔( c qh e m p e l ) 最初提出“逻辑论证说”，西方科学解释理论经历了“因 果结构说”、“范式归化说”、“语用说”，其总的趋势是从句法学、语义学研究向语用 学解释的转向，“由理性主义到非理性主义的转向”。 “逻辑论证说”和“因果结构说”基于抽象理性主义的立场，强调覆盖律模型的 逻辑特征，忽视了解释主体的意向性，割裂了解释者和被解释者之间的关联性。“他 们只将解释理解为一种逻辑推理，只注意解释形式，不注意解释内容；只注意解释 的语法，不注意解释的语义和语用；只注意解释的认识论，不注意解释的本体论。” 9 而历史主义学派的“范式归化说”和实用主义的“语用说”则基于非理性主义的立 场，强调主体性和相对性、泛化了科学的客观性、真理性。在两种对立的科学解释 理论之上，突出解释语境的作用，关注解释主体的意向性，同时坚守科学的客观性 和实在性，成为科学解释走出理性主义和非理性主义二元困境的积极探索和尝试。 解释浯境既强调对于科学理论语形和语义的分析，也强调对于科学理论语用过 程的分析，且在一种历史演变的过程中，通过对科学理论和概念形成和运用过程中 。雅默量子力学的哲学 m 秦克诚译北京：商务印书馆，1 9 8 9 7 0 。曹志平科学解释研究的走向 刀哲学动态，2 0 0 3 ( 2 ) ：2 7 3 1 。张华夏科学解释标准模式的建立、困难与出路【j 】科学技术与辩证法，2 0 0 2 ( 2 ) ：2 9 - 3 3 9 论能量一时问不确定关系的解释语境 起作用的要素的综合作用的分析，既避免了“逻辑论证说”和“因果结构说”的直 观、抽象、片面性，也回避了“范式归化说”和“语用说”的相对性，保证了科学 的实在性、客观性。因而，在解释语境中对科学理论的形式体系进行理解，在尊于 科学理论客观性的基础之上，通过对影响其解释的语境因素进行分析，能够全面、 准确地把握科学理论的内涵和意义。 在能量时间不确定关系解释过程中，物理学家们由于不同的信仰和预设，他们 对于a e 和f 的指称，即语形和语义内容的界定和对于e - a t h i 2 的意义，即语 义和语用的确立，意见各异，呈现出纷繁杂乱的局面。忽略物理学家们在解释时一 些语境要素的影响，单纯地梳理其不同的解释、对不同解释进行对比并不能挖掘出 分歧之根本所在，这也就是至今对于此问题的解释仍然一片混乱的主要原因。从解 释语境的角度来入手，通过逐一对物理学家们在解释过程中先验预设的挖掘，对a e 和f 的指称的界定、e a t h 2 意义的解释及对其意义在量子力学中的延伸进行 分析，能够全面把握e t u r 解释中的语形、语义和语用问题，有效地理清在其不同 解释间的分歧实质，系统地呈现出其解释的全部内容，为进一步解决此问题提供清 晰的概念基础。 1 3 2e t u r 的指称、意义和解释语境三者问的相互关联 解释语境融合了对逻辑语形、语义和语用学的关注，基于一种动静态相结合的 解读模式，对科学理沧的解读是全面的、系统的。从解释语境的角度来解读能量一时 问不确定关系，对于把握其指称、意义，理解其所揭示的内涵是十分有效的。这里， 对于能量一时间不确定关系而言，其指称、意义和解释语境三者之间是相互关联、互 相影响的。 e t u r 的指称和意义问的相互关联。对能量时间不确定关系而言，脱离了e 和 出的指称，整个关系式e a t h 2 就会无任何意义可言，不表达任何的物理内容。 作为空洞的式子，a e a t h i 2 本身是没有任何内涵的，只有当e 和出指向某种 实在时，e a t h 2 才表达了某种实在性的联系，才具有了物理内涵。正是由于 不同的业和r 的指称，才会具有不同的e - a t h 2 的意义。而事实上，许多物 理学家们在进行解释时，总是依靠于先存于头脑中的某种物理信仰，即赋予其一定 的意义，从而确定了其具体的指称。比如说海森堡对能量时问不确定关系的解释是 基于一种对量子力学整体的认识论解释的，故对能量一时间不确定关系的解释电只能 量认识论意义上的解释，从而决定了r 的指称只能够是外部的绝刘时间，而不会是 表征量子系统的内部时间。 第一部分对e t u r 解释语境考察的合理性论证 e t u r 的解释语境与指称和意义间的相互关联。e t u r 的意义离不开e 和f 的指 称，而e 和出的指称的确定又依赖于e t u r 意义，e t u r 的意义又是融于其解释语 境之中的。不同的宏观的意义层面对应于不同的解释语境，解释语境的范畴比意义 的范畴宽泛，意义比解释语境的内涵具体。如在认识论的解释语境中，至少存在着 两种不同的认识论意义上的解释，但其同属于相同的解释语境中。在解释的过程中， 物理学家们赋予关系式占a t h 2 以不同的意义，而我们在对不同的解释进行解 读时，则可以发现并归纳不同的意义解释会归属于不同的解释语境。解释语境在解 释中会影响并限定意义的阐释，因为解释语境作为潜存着的观念、意义，其不同的 要素已经作用了解释过程中了，只是当时解释者自己未曾认识到而已。而对能量一时 问不确定关系进行解释语境的考察分析就是要在解释语境的整体视域下，通过对多 种解释语境要素的综合解读，来进一步阐释其不同的意义和指称内容。 综上所述，由于解释语境与指称和意义之f 司的相互关联性，以及它作为科学解释 的视角的整体性和全面性，对于能量一时间不确定关系作解释语境的考察是合理的， 对于澄清其解释中的混乱也是必要的。下文将进一步展开对其解释语境的论述。 论能量- 时间不确定关系的解释语境 第二部分e t u r 认识论的解释语境 时问t 在物理学中最普遍的涵义是牛顿的绝对时间：“绝对的、真实的、数学的时 间，由于它自身的本性，与任何外界事物无关地、均匀地流逝”。0 牛顿的时间 是绝对的、惟一的，是连续的、均匀的，是物理事件发生和演化的背景，与具体的 物理事件的演化过程无关。在运动方程中，时间t 是系统演化方程中的参量，通过对 系统同一物理量两个不同时刻值的对比可以来描绘此物理量的演化。 在量子力学中，薛定谔方程描绘了系统的态函数随时间的演化，而时间t 作为系 统演化的参量，其涵义与上述牛顿的绝对时间涵义是相同的。时间作为系统演化的 参量出现，是外部的时问，并不参与到量子系统本身中去，它只是表示系统之外的 事件之间的一种顺承关系，是一种表示持续性的存在，是空洞的，没有内容的，因 为它不包含有物理事件。此种参量的时间由实验操作者实验室的时钟来确定，与系 统本身的演化无关。 作为参量的时间，它同能量之问的不确定关系是不可以同位置动量不确定关系 ( p o s i t i o n m o m o n m mu n c e r t a i n t yr e l a t i o n ) 建立在相同的基础之上的。因为位置、动 量和能量都是动力学变量，有相应的量子力学算符与之相对应，且是量子力学可观 察量，而时间只是外部的参量。这样一来，能量与时间之间的不确定关系在何种意 义上成立呢? 在海森堡、玻尔、朗道( l a n d a u ) 等人关于能量时间不确定关系的解 释中，时间是作为外部参量出现的，那么与此参量时间相对应的满足不确定关系的 能量指称什么呢? 此种参量时间涵义下的能量时间不确定关系的意义又如何呢? 2 1 e 指称能量测量的不准确度 海森堡最初是通过对确定原子磁矩的斯特恩盖拉赫( s t e r n g e r l a c h ) 实验的分析 来提出能量时问不确定关系的：原子穿过偏转场所需的时间f 越长，在能量测量中 的不确定性e 就越小。这里，血是外部的时间，是测量能量所需时间，它的测定 是通过实验者的操作来实现的，若在 时刻开始测量， 时刻测量结束，则有 a t = t 2 一t l ：占是测量能量的不准确度，它是在测量过程中由仪器的有限性引起的， 若实测能量值为e ，能量本身的值为e ，则有e = l e e l 。 。f r i t zr o h r l i c hc a u s a l i t ya n dt i l ea r r o wo f c l a s s i c a lt i m c j ls t u d i e si nh i s t o r ya n dp h i l o s o p h yo f m o d e mp h y s i c s ， v o l3 i ，2 0 0 0 ( i ) ：1 1 3 。砒i l e i s e n b e r gz p h y s i k 转日i 自jaw h e e l e r , whz u r e k ( e d ) q u a n t u mt h e o r ya n dm e a s u r e m e n t m p r i n c e t o n ， 1 9 8 3 1 2 第二部分e t u r 认识论的解释语境 玻尔接受海森堡在上述解释中所赋予r 和e 的指称，但他认为e 是由于测量 过程中仪器与客体不可控的相互作用引起的，并提醒海森堡，随后海森堡便按照玻 尔的意见修改了自己的解释，认同了玻尔的观点。玻尔对能量时间不确定关系的推 导是从经典的波列本身出发进行的，属于本体论的层面，但他对此关系的解释却是 认识论的。他在能量时间不确定关系基础之上，阐释了互补性原理，即两种经典的 描述，时空标示( s p a c e t i m ec o o r d i n a t i o n ) 和因果要求( c a u s a l i t yc l a i m ) 对于原子物 理学只是在一定程度上才适用，适用的程度用海森堡的不确定关系来衡量。 对于海森堡对上述能量时间不确定关系的导出及其具体内涵的理解，我们能够 借用他对位置动量不确定关系的分析来理解，因为海森堡是在导出位置一动量不确定 关系的基础上外推而得到能量时间不确定关系的，而对于后者的专门沦述并不多。 海森堡为确立矩阵力学同波动力学相同或更甚的明晰性而采用了一种操作性的假设 “测量即意义原则”：“粒子的位置”这个术语有意义，只当能够描述一个测量“粒 子的位置”的实验：否则这个短语就根本没有意义。这样，他便通过对理想实验的 设计，以期以实验的结果来限定物理量的意义，达到理论与经验的相互关联和不可 分性。具体到能量时间不确定关系上，则是实验只允许我们在缸时间内测得精度为 e 的能量值，理论的意义极限即是如此。即便海森堡在一种操作主义或是实证主 义的情形下，后来模糊了在本体论和认识论的不确定关系间的差别，但他对于不确 定度的认识论解释态度相对是明晰的。 玻尔作为哥本哈根学派的领军人物，他的思想成为了量子力学发展初期乃至当前 的正统解释。玻尔的认识论态度可以从两方面来得到揭示：一是玻尔对于物理量的 可定义性和经典概念在量子层次可应用限度的强调；二是玻尔对量子力学的整体解 释语境。具体到能量一时间不确定关系上，则体现为：一是时间和能量两个经典的概 念在原子层次应用的不可兼容性，精确的时空标示和因果要求二者只能有一个得到 满足；二是在能量的测量中，由于仪器的