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愛因斯坦和波爾對量子理論解釋的分歧
2008-10-01 00:15:34來自: 穆封真
愛因斯坦和波爾對量子理論的解釋存在著很大分歧，雙方的爭論持續了幾十年。總的來看，爭論的焦點集中在問題 的哲學方麵。這種性質的爭論，雖然不能改變由精確實驗所確定的量子力學的基本定律，卻在觀念領域給物理學家和哲學家出了個難題：現代理論物理學的基本概念 幾乎與經典物理學的概念徹底決裂了，而西方傳統哲學的自然科學基礎依然是牛頓物理學和歐幾裏德幾何學；麵對相對論的時空觀和宇宙觀、量子力學的波粒二象性 和測不準原理，傳統哲學已經失去了對自然科學研究所具有的方法論的意義：黑格爾辯證法（正、反、合）能夠比較好地解釋許多社會現象，但對自然科學問題的判 斷幾乎全都是錯的。西方傳統哲學在20世紀，所麵臨的來自自然科學的挑戰主要在以下三個方麵：
一、非歐幾何的發現。19世紀末葉，德國數學家高斯在深入研究微分幾何學時發現：歐幾裏德幾何的第五公設（平行線公理）如果在曲麵上是不能成立的，對廣義 的“麵”來說，第五公設僅僅是微分幾何的一個極限情況，即空間曲率趨近於零的情況下才是正確的，也就是說歐幾裏德幾何學是射影為平麵的“小尺度”幾何學。 當空間曲率不為零的時候，兩條平行線的射影形式就是“雙曲線”，因此第五公設可以用同樣無矛盾的假設取代，即：三角形的三內角之和可以大於180度或者小 於180度，隻有在空間曲率為零的情況下才等於180。高斯的發現，對康德哲學可以說是一個毀滅性的打擊，因為康德哲學的“先經形式”就是建立在歐幾裏德 幾何空間的“絕對不變”的基礎上的。
二、量子理論和量子力學的創立。1900年，德國理論物理學家普朗克對“黑體輻射”問題提出了與經典物理學理論完全不同的新的解釋，他依據精確實驗提出： 黑體輻射的能量隻與光的頻率v有關，與振幅f無關係，振蕩的能量與頻率之間存在一個常數h，因此可以斷定：光的本性並不是惠更斯所認定的僅僅以波的形式進 行傳導，而是帶有能量的“量子”所構成的波。通過精確的實驗，普朗克常數得到了確定，經典物理學中光的“波動說”被“波-粒”二象性的新假設所取代；在此 基礎上，愛因斯坦提出了“光電效應”定律。從1913年到1915年，波爾發表了三篇論述新的原子結構的論文，在普朗克量子論和愛因斯坦光量子假設的基礎 上提出了角動量量子化和頻率條件假設，簡要說明了原子的光譜特征，並從理論上初步闡明了門捷列夫的周期律；波爾的理論不僅在當時有重大的意義，也為後來創 立量子力學鋪平了道路。
三、相對論的創立。經典物理學中所遺留下的一個始終未能解決的問題是：牛頓力學的第一定律（慣性定律）始終無法得到嚴格的實驗證明，隻能通過日常經驗被默 認和接受。從理論上看，牛頓第一定律和歐幾裏德第五公設是一致的，因此就會產生一個問題：牛頓力學的第一定律到底是物理學實驗所確定的經驗科學定律，還是 非經驗科學的形而上學假設？牛頓第一定律的存在形式就是“絕對空間和絕對時間”的假設，在絕對空間的形式下，場的存在和光的傳播所借助的就是彌漫宇宙的 “以太”。為了驗證“以太”的存在，麥克爾遜-莫雷設計了十分精密的光學實驗，但最終的結果卻失敗了。依據實驗結果，愛因斯坦對洛侖茨變換提出了新的解 釋：所謂的“絕對空間”是一個形而上學的假設，在物理學中並不存在；並依此提出了相對性原理和光速不變原理，創立了狹義相對論，使現代理論物理學建立在了 非歐幾何的黎曼幾何的基礎上。
自然科學上述三個方麵的革命性變化，幾乎完全改變了19世紀的自然科學麵貌，從根本上動搖了西方傳統的理性哲學基礎。因此，科學家似乎早於職業哲學家，不 能不在自己的研究過程中探索新的研究綱領和方法論。這也是愛因斯坦與波爾圍繞著量子力學的哲學問題，進行長達幾十年爭論的原因。
在這裏，我們隻能十分簡要地說明一些問題，並且盡量不使用過分專業的術語和複雜的數學公式，以便更多的人能多少了解些有關的問題。
1949年，為紀念愛因斯坦70歲的生日，波爾在《愛因斯坦：哲學家-科學家》論文集中發表了一篇文章，題為《就原子物理學中的認識論問題和愛因斯坦進行 的商榷》。波爾在該文中詳細地敘述了他和愛因斯坦爭論的全過程。作為回應，愛因斯坦發表了《對批評的回答》。最終的結果中，兩人依然各執己見，隻是把分歧 暴露的更徹底而已。
要了解波爾的觀點（也就是量子力學的哥本哈根學派的解釋），首先需要了解波爾互補原理。1927年9月，波爾在科摩召開的國際物理學會議上提出了著名的互 補原理，用來解釋量子現象的主要特征——波粒二象性。所謂互補原理是指，量子現象的空間時間坐標和動量守恒定律，既然不能同時在一個實驗中表現出來，而隻 能在互相排斥的實驗條件下表現出來，那麽它們也就不可能同時直接地同時的並存，不可能統一在一個圖景中，而隻能用互相排斥的概念來反映（這就是量子力學中 著名的“測不準原理”）。因此，波和粒子這兩個古典概念在描述量子現象時是互相排斥的；但是，這兩個概念在描述量子現象時又是不可缺一的，而且它們的總體 已經窮盡了有關微觀客體的一切可能的知識，或者說已經提供了量子現象的詳盡無遺的描述。就是在這個意義上，波爾認為波和粒子是互補的。
波爾在論述互補原理時，十分強調微觀客體和測量儀器之間的“原則上不可控製的相互作用”。他認為，這種“原則上的不可控製作用”是“量子現象的一個不可分 割的部分”，它“在量子現象的描述中所占有的地位特別重要”。正是由於這種“原則上不可控製的相互作用”，使得在不同實驗條件下得到的證據，不可能用一個 圖景來概括，而必須認為是互補的。波爾認為，在量子力學中，我們必須拋棄因果性和決定論（也就是19世紀所確立起來的自然科學中的“拉普拉斯決定論”）， 而代之以互補性，互補性原理應該被認為是因果性觀念或決定論力學的一種合理推廣。波爾反複強調，由於這種“原則上不可控製的相互作用”，使我們在分析量子 效應時，不可能明確地區分原子客體的獨立行動及其與測量儀器間的相互作用，這些測量儀器是用來確定現象發生的條件的。波爾還認為，客體和測量儀器間的不可 避免的相互作用，為談論不依賴於觀察工具的原子客體的行動的可能性，加上了一種絕對限製。
愛因斯坦對波爾的不滿和持續的批評，主要針對的就是波爾對量子理論解釋的“互補原理”。爭論的焦點在於：物理學所遵循的發展規律究竟是傳統的因果律和決定 論還是波爾所說的互補性。愛因斯坦依據廣義相對論的引力場方程，認為方程的邊界條件和各種極限條件，能夠合理、完滿的解釋包括牛頓萬有引力定律在內的“光 時間”所確定的宇宙半徑內的物理現象，證明因果律和決定論所確立的場微分方程是符合科學發展規律的。但是，量子力學的“測不準原理”無法用因果律和決定論 來解釋，也是不爭的事實，對此，愛因斯坦在《對批評的回答》中說：“從原則的觀點上看，這種理論不能使我滿意的東西，便是它對於那在我看來是全部物理學綱 領性目的的態度，這個態度就是：對於任何（單個的）實在狀況（它是不依賴於任何觀察或證明行動而存在著的）的完備的描述。”愛因斯坦還說：“在這種論證 中，我所不喜歡的東西，是那基本的實證主義態度，這種態度，從我的觀點來看，是不能讚同的。我以為，它會變成貝克萊的原則‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一樣的東西。‘存在’常常被當作某種由我們在精神上構成的東西，也就是說，某種我們自由假設的東西（在邏輯的意義上）。”愛因斯坦認為： “在宏觀領域中，人們必須堅持空間和時間中實在的描述這個綱領。”
不難看出，愛因斯坦對波爾的批評，並沒有建立在對“測不準原理”進行合理的解釋的基礎上，而是建立在他所謂的“在宏觀領域中，人們必須堅持空間和時間中實 在的描述這個綱領”的基礎上。客觀地說，波爾的互補原理如果限製在量子理論的範圍內，並沒有背棄愛因斯坦所說的“綱領”，因為互補原理所強調的是：波和粒 子不可能同時在一個實驗中存在，因此不可能由一個單一的圖景來反映，隻有通過兩個實驗的互補才能反映量子現象的完整實在。應該說，波爾對量子理論的這個解 釋，所依據的是經過實驗證明的“測不準原理”；愛因斯坦在沒有對“測不準原理”進行任何理論解釋的情況下，就批評波爾，顯然是不夠公正的。
其次，波爾所強調的微觀客體和測量儀器之間的“原則上不可控製的相互作用”，真象愛因斯坦認為的那樣“變成貝克萊的原則‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一樣的東西”嗎？量子的存在，如果按照愛因斯坦所堅持的因果論和決定論那樣，是無法在一個圖景中加以描述的，那麽量子的存在，到底是空間 時間坐標的形式還是動量守恒定律的形式呢？到底什麽形式符合愛因斯坦所執意認定的“綱領”？
測量儀器所反映的微觀客體狀態，就是微觀客體的真實存狀態嗎？測量儀器的精密程度對測量者的判斷難道真的沒有任何影響嗎？如果真是這樣，愛因斯坦該怎麽解 釋普通天文望遠鏡和射電天文望遠鏡所觀測的宇宙為什麽會存在差異？到底哪種形式的觀測符合他的十分主觀的“綱領”呢？如果愛因斯坦的主觀意誌就是物理學應 該遵循的綱領的話，那他才真正屬於自己所說的“變成貝克萊的原則‘存在就是被感知’（esse ets percipi）一樣的東西”。愛因斯坦不會不知道，微觀客體和測量儀器之間的關係，比射電天文望遠鏡與天體之間的關係更加複雜，在某種程度上講確實是 “原則上不可控製的相互作用”；當今所能做的也隻能是：盡可能地提高觀測儀器的精密程度，使觀測和儀器之間的“不可控製作用”盡可能減小，但隻要人對客體 的觀測是間接的而不是直接的，那麽“不可控製作用”就會存在，不可能百分之百地消除。
愛因斯坦所堅持的其實是科學上的“拉普拉斯決定論”，這和他的廣義相對論的理論有著一致性。但在進入到“統一場論”時，他也終於發現：不可能有一種能夠包 容一切物理現象的“大一統”的物理理論，他在完成廣義相對論後，在理論上就沒有什麽建樹了。而他所否定的概率論，在科學的諸多部門卻越來越重要，1948 年控製論（完全以概率統計為基礎）的誕生，可以說從根本上改變了科學研究的綱領。愛因斯坦的“綱領”在20世紀的科學發展中，被證明是錯的。
