测不准原理的哲学审视

1、测不准原理的哲学审视摘  要  测不准原理及波粒二象性的物理本质表明，粒子的波动性来源于它所携带的场。光子电磁场与带电磁场的粒子相互作用才显示出粒子性，而粒子的波动性在与场的作用时才呈现出来，两者是完全对称的。因而粒子的波动性根源应归属与它所携带的场。目前，仅参与电磁作用的粒子波动性得到直接实验验证，参与其它作用粒子的波动性并无直接实验证据，只不过是一种先验的“推广”。按量子论观点，波动的粒子按一定的机率穿越势垒，而夸克却一直处于有限势垒的囚禁之中，高能粒子碰撞能打破囚禁为这种有限性提供了证据。如果粒子理论是正确的，无论提出何种夸克模型都无法否定这样唯一的结论：夸克不具有波

2、动性，因为它携带的强场力程太短，使其失去显性波动性的机会。波动性是粒子自由存在的必要条件，这是量子规则隐含的必然结论。1引言在现代物理学中，测不准原理可谓最富哲学争鸣的话题。1927年，它一经公布就引来众多批驳，经过十年激烈争鸣，物理学界才基本接受了“哥本哈根解释”，即波动的互补原理1。但在以后的岁月中，互补原理不断受到怀疑、批驳，最有力的当数爱因斯坦等人于1935年提出的EPR佯谬2。不过，随着争鸣和相应实验的进展，互补原理的地位似乎愈加巩固。即便如此，许多卓越的物理学家仍对其耿耿于怀，诚如当代杰出的天体物理学家斯蒂芬·霍金所言：“测不准原理可能是自然界给我们的深奥暗示，时至今日，

3、所有的哲学解释难以令人满意”3。从十几年前认真阅读爱因斯坦文集至今，作者反复审视有关测不准原理的种种解释，并力争理解其物理本质，这里简述一些思考结果。为了便于比较，先简单回顾测不准原理的产生及争鸣历史。2波粒之争测不准原理争鸣的漫长前奏测不准原理的实质在于量子世界的波粒二象性。因此，在其诞生之前，关于光本性的波粒之争早已进行了漫长争鸣前奏。17世纪末，关于光是粒子还是波动已展开过争论。牛顿(Y. Newton)虽然在这个问题上犹豫不决，但还是倾向于粒子性，并称之为微粒。这是牛顿经典力学理论关于物质相互作用的必然要求。因为在牛顿看来，物质之间的相互作用是通过质点实现的，万有引力作用如此，运动三定

4、律依然如此。牛顿的思考代表着当时人类认识自然界的最高智慧，他根本不可能萌发引力场概念，因而只能认为光是微粒。之所以又犹豫不决，因为这种微粒实在细微的无以计量，不可观测又如何敢于肯定。尽管牛顿时常还相信上帝存在，但他却十分清楚，其力学理论完全建立在天文观测和力学实验基础之上。我们知道，电磁理论和电磁场概念是牛顿之后人类经过深入研究才建立起来的，牛顿也好，惠更斯(C. Huygens)也好，当时都不可能用电磁场概念建立光的波动观念。尽管惠更斯主张光是波动，其实他也仅仅是测猜，仅仅是因为观察不到光微粒。19世纪初期之前，牛顿的声望使光的微粒说一直占统治地位。随着杨氏(T. Young)双缝干涉实验和

5、菲涅尔(A. J. Fresnel)光衍射理论的成功，使物理学家纷纷转向波动说。19世纪中叶，麦克斯韦(Maxwell)以统一的电磁场方程组为波动描述奠定了坚实的理论基础，当时的物理学家们认为，“问题”终于解决了，不过这是量子论诞生之前的事情。到19世纪末，“问题”又来了。在研究黑体辐射过程中，维恩(W. Wien)和瑞利金斯(RayleightJeans)分别提出了不同的辐射公式。但前者的结果在低频段与实验结果偏离较大；而后者则正好相反，即在紫外频段趋于无穷大，历史上曾称其为“紫外灾难”。普朗克（M. Planck）在深入研究后发现，如果改变经典理论传统，将连续的能量改为分立的“能量子”，问

6、题可圆满解决。1900年10月19日这一结果公布，宣告了量子论的诞生。1905年，爱因斯坦用“光量子”成功解决了“光电效应”问题。按照爱因斯坦的观点，当光发生干涉时象波，但在光电效应中它象粒子，如光粒子打在电子上，则电子被一个一个打出金属表面。光的粒子性在更深刻的意义上得一恢复，只所以是深刻的，是因为这时的光子已超出经典的光微粒之意义，且不否定其波动性。光子的能量与频率成正比，这样光子就和光的波动性交织在一起，波长不可抗拒地与光的能量联系起来。光量子概念立刻引起大多数物理学家的反对，包括普朗克在内也表示无法接受。康普顿效应的发现才彻底扭转了物理学家们的传统观念，认识到光即是“粒子”又是波。19

7、23年9、10月间，德布罗意（L. de Broglie）将光的波粒二象性加以推广，提出各种实物粒子也应该具有波动性，且波长为=h/mv，1927年为几个实验所证实。不仅光从波粒之争到进入量子世界表现出波粒二象形，而且连经典理论中的物质粒子也同样表现出波动性4！3. 测不准原理生来与争鸣为伴继德布罗意之后，海森堡（W. K. Heisenberg）于1925年7月在量子理论研究中取得重大突破。他研究玻尔拼揍的氢原子模型后提出了量子关系公式： pqqp=hl/2 I，宣告矩阵力学诞生。它以粒子为表述对象，这也是注重“可观察量原则”的必然结果。它刚刚诞生，就遇到波动力学的有力挑战。1926年16月

8、间，薛定谔（E. Scheodinger）全面推进了物质波理论，提出“薛定谔方程”，波动力学诞生。它使量子力学建立在波粒二象性基础之上。其明确的数学形式与矩阵力学的晦涩形成鲜明的对照，很快赢得大批科学家称赞，两种观点展开了激烈的争论。波动力学虽然大受欢迎，但对波函数的物理解释却成为矩阵力学哥本哈根学派的攻击目标。玻恩（M. Born）把波函数解释为几率波，才缓解了波动力学的窘迫处境，也逐步为物理学界所接受5。后来薛定谔证明两种力学是等价的，两派握手言欢。在矩阵力学中，海森堡以“可观察量原则”代替电子轨道描述，这引起了偏爱波动力学的爱因斯坦发问：“当我们看到电子径迹时，您也拒绝考虑电子轨道吗？事

9、实上，正是理论决定了我们能观察到什么。”海森堡不能无视这种发问，经思考后认为，电子的轨迹是“一串水珠”，电子位置带有不确定性，最终表达为x·ph/4，与几率联系在一起5，这即是著名的“测不准关系”。它一经提出，立即引起更为激烈的争论。狄拉克认为，自然界本身没有不确定性，几率是人为带入实验的。海森堡则给出理想化分析：如果用显微镜观测电子的位置，要想看准，必须用高频光照射，这样位置精确了，但电子受光子碰撞的动量变化亦随之增大，位置越准，动量越不准，反之亦然。而玻尔则认为，波与粒子潜藏于给定的实验之中，是实验安排选择的是“波”还是“粒子”，外来干扰产生了不确定性，实质上它来源于波粒二象性。

10、并认为在量子世界中波动性和粒子性都是必不可少的，却又是相互排斥的，互斥的双方都限制在一定的范围之内，两者才同时具有明确的物理意义，即它们必须相互补偿才能存在5。遗憾的是这种解释已为实验所否定1。海森堡则更进一步，他从测不准原理中得出一个惊异的哲学结论：“严格的因果关系失效了！”爱因斯坦反驳到：“上帝不是在掷骨子”4。并认为量子力学的描述是不完备的2。波函数仅表达了统计意义，只能是一个过渡阶段，应寻找更完备的概念；德布罗意认为，粒子是波的一个奇点，波则引导着粒子运动；玻姆则认为量子论仅仅是统计性的，其背后应存在着未被发现的“隐变量”应继续寻找6。4.测不准原理的哲学审视时至今日，虽争鸣犹绕耳畔，

11、然而为求一己之见，却不得不掩卷长思。实质上，测不准原理描述的是单个粒子的行为，却又记入外来粒子的作用结果。这种作用即最初解释的“干扰”，如果不与外界粒子作用，即不受“干扰”，这个粒子就无法向外界传达信息，它的存在对周围粒子便失去意义。我们知道，用于观测的光和自然发生的光并无本质差别，粒子也一样，它们同样是客观实在，故无需强调测不准关系是由测量引起的。无论测量与否，粒子间的相互作用同样存在，无论是测量的“干扰”，还是自发的“干扰”，其实质都是粒子间的相互作用，测不准原理应远远超出测量意义，而是更深刻地体现着自然界中粒子与光（辐射·场）之间的作用方式，同时也是粒子粒子，粒子场，场粒子间的

12、相互转化的必经之路。即只有在测不准条件下相互作用，而后才能发生转化。奇怪的是，自然界中竟不存在场场（光子）转化，尽管以上三种转化都离不开场，但场只能起到媒介作用，这种功能特征使场与粒子明显区别开来。辐射代表着能量，粒子代表着实物，这是两种实在，正如爱因斯坦所言：“目前，我们在所有的理论体系中不得不假定两种实在，(辐射)场和实物。”2两种实在要发生作用，只有经普朗克常数h量级之桥才能认同。而宏观的物质由于过于臃肿肥大，根本无法跨上h之桥，自然用h无法描述宏观物质颗粒与场(辐射)量子相互作用。只有电子这类微小的粒子才合适从h之桥上通过，进而与对岸的辐射(光子)相会。若把相互作用比作恋爱，这座h量级

13、之桥犹若中国那个古老优美的牛郎织女传说中“鹊桥”。辐射与物质无相互作用时，就按自己本来的波动性运动，但要发生作用，就必须向h量级的“鹊桥”靠近，把原来松散的波动聚集为h量级的量子；而本来的粒子也向h量级的波动量子靠近，各自都为自己妆扮上一层“恋爱”的晕辉，使自己更显出适宜“恋爱”的角色，以便在h量级的“鹊桥”上相互协调一致，相互作用的“恋爱”才能成功。测不准关系正是反映着两种实在相互作用的认同量级。这种作用自然不会像物物相撞那样直观，也不像波波干涉那样易于观察。在经典理论中，辐射与实物之间有一条明显的界限，将两者截然分开，就像天河一样阻断牛郎织女相会。人们对两者之间的作用似乎浑然不知，毫无觉察

14、。随着研究的深入，终于突破了机械观，先认识到辐射的量子性，揭示了两种实在作用的部分秘密，尔后认识到实物粒子的波动性，弄清了两者趋向一致，都显示出波粒二象性，只有这样才具备了创造测不准原理的条件。假如h=0的话，那将是十分麻烦的，绝不是仅仅退回到经典理论了事，那只不过是一种经典描述而已。关键是两种实在间再没有可供约会的“鹊桥”，更不可能再有两者之间的相互转化。实物永远是实物，辐射永远是辐射，两种实在各行其事，各种物理规律将不复存在，那将是一个僵死的宇宙！五从波粒二象性到波粒两分成功总是企图抹煞深入探究的必要性。几十年来，科学界为波粒二象性的成功欢呼雀跃，再也无暇理会何为波，何为粒子了。更确切地说

15、是大多数人认为没有必要再去探究它的本质区别。但爱因斯坦直到逝世也未停止对波粒二象性的思改。1951年他这样总结道：“整整五十年有意识的思考，依然未能使我更接近光量子是什么的答案。当然今天那些不诚实的人都认为他知道答案，其实他不过是在欺骗自己”2。 回顾波粒之争到波粒二象性共存，我们可以看到：发生光光干涉时，光是波；在光电效应及康普顿效应中，光像粒子，这正是它与粒子作用的缘故。而粒粒相互作用时，它们都显出粒子性，至于波动性，如果电子在原子中以波动方式存在，其实质是原子核的电磁场与电子的电磁场相互作用的结果，即波动性来源于场。若无场，当然根本无电子和核之间的相互作用，更不会结合成原子。的

16、确，电子自身也能显示出波动性，这是双缝干涉实验表述的无可辩驳的实验事实。然而，不容忽视电子波动性的条件：其一，电子携带电磁场；其二，它必须与原子核的电磁场作用，像在原子中那样，即电子的干涉衍射必须借助小孔、狭缝或者透过晶体来实现。电子经过这些构型物质时，受其原子核电磁场的作用，就如同在固体中一样表现为波动，这种波动反映到屏上就呈现出衍射，干涉图样。这时的电子无论成束或单个发射都不影响屏上图样。然而，所有量子理论教科书及论文都讲电子的波动性，却从未提及小孔、狭缝或晶体物质中原子核电磁场的作用，以及对衍射等图样形成的贡献。为什么没有这种环境场的作用电子无法直接表现出波动性？恐怕目前并不能给出明确的

17、答案。随着量子论场论的诞生，所有场都量子化了，似乎场都是由量子构成的，那么量子背后又是什么？即量子是否从某种背景中产生出来？事实上，目前所有的理论和观测都是把场逼向量子论的，这未必是它在宇宙中的自然形态。在粒子物理研究中，直到今日未发现电子的内部结构，但它却携带电磁场。而将其场量子化描述后却使电子出现发散行为，这显然不符合物理事实，也使物理学家们大为头痛，于是用“重整化”聊以自慰。但狄拉克于1975年郑重指出：“我必须指出我对这种情况很不满意，因为这种所谓的“好理论”中确实存在着忽略无穷的问题，并且这种取舍是没有规则的。这并不是一种合理的数学。在合理的数学中忽略一项是因为它是小量，并不是因为它

18、是无穷大你不想要它！”电磁场以辐射光子表现为量子化，但传递于粒子间的“虚光子”又是什么？其份额大小由什么因素决定？从对虚量子性质的规定看来，它应该是光子的母体，不仅产生出光子，更重要的是不间歇地维持原子的结构，进而支撑起整个宇宙。在量子理论中，带电磁场的离子键相互作用靠虚光子传递，这在描述和数学计算上的确是方便的，但却掩盖了相互作用的具体过程及深刻的物理本质。虚光子的真实面目又如何？只要爱因斯坦未弄清可观测的“实光子”之面目，相信目前没人能清楚“虚光子”是什么。然而，所读到的教科书及论文视虚光子为粒子，似乎它明晰可鉴。其实，电子、质子所带电磁场分明是连续的，从中可以任意“存取”虚光子，只有粒子

19、间发生作用时，才显示出量子性。显然这种量子性来源于粒子间相互作用之需要，而不该归属于电磁场之本质，实质上电磁场的所有量子性是为了描述方便而被任意分割出来的，相信必定能被任意分割下去，如果必要的话。再者，电磁场辐射出波动的光子，为什么它自身不能是波动的？可以设想，这种波动性像虚光子一样潜藏于场中，条件允许时才表现出来。那么这种波动性完全可以决定携带它的粒子的波动性。特别值得注意的是，为了证明粒子的波动性，都需要用外来电磁场与粒子的电磁场相互作用方式来实现。因此，如果按照爱因斯坦的观点，视现实宇宙由两种实在构成，即场与实物，那么可以想象，场是连续的，表现为波动性；而实物裸粒子则为非连续的，表现为粒

20、子性，两者在相互作用并趋于认同时均表现出波粒二象性，而各自独立存在时，场与实物则表现为波粒二分。果真如此的话，也许诸多难题能够从中找到答案。六结束语·夸克的启示以上论述试图证明波粒两分，并非要否定微观粒子的波粒二象性本质，而是期望寻求波粒二象性源于何故。即使波动性来源于场得到证实，只要无法将场与粒子分离，波粒二象性即为微观粒子的本质。我们应该注意到，目前仅参与电磁作用的电子、质子、中子乃至原子的波动性得到直接实验验证，测不准原理也仅仅是在电磁作用下得到的，它是否可以无条件地推广到强弱相互作用，尚不得而知。然而，科学史向我们展示，各种随意“推广”层出不穷，也因此使后来的认识陷入困境，这

21、种事例免于一一列举。目前我们依然面临着能否“推广波粒二象性”抉择，由于强弱作用下的夸克、中微子的波动性显然仅是先验的推广，并无直接实验证据，也许根本无法验证。但夸克的禁锢性却给我们深刻的启示：我们都十分清楚，按量子理论观点，波动的粒子能够按一定的几率穿越很高的势垒，这已为电子隧穿，和衰变确凿地证实，从而证明量子理论的正确性【7】。同理，如果夸克具有波动性【9】，它也应按一定几率穿越势垒，逃逸为自由的夸克。尽管强作用较电磁作用强137倍，但它不能建立起无限高的势垒，碰撞粒子能将夸克强行拆开也证明其势垒的有限性。然而目前的事实是夸克完全被囚禁，从未穿越过势垒【8】：量子理论在电磁作用范围内已证明是正确的，在强弱作用中亦并无否定其正确性的证据。然而波动的夸克不能穿越有限势垒，这显然是与量子理论规则严重冲突的。无论量子电动力学（QCD）提出何种夸克模型，并想方设法让模型符合实验事实，进而给出圆满解释，却都无法回避这种严重冲突，也将使我们现有的量子理论体系进退维谷。如果量子理论规则是正确的这已为无数事实证明，