费恩曼物理学讲义：量子力学的哲学意义及其应用

2023-12-01 理论教育版权反馈

【摘要】：我们简单地谈谈量子力学的某些哲学含义。通常这种问题总是有两个方面：一个是作为物理学的哲学的含义，另一个是把哲学问题外推到其他领域。在把和科学有关的哲学观念引申到其他领域中去时，它们往往完全被歪曲了。所以，对经典物理学家来说恰当地按照这样的程序进行是完全合理的，从而假设位置——对垒球来说显然具有某种意义——对于电子来说也具有某种意义。

我们简单地谈谈量子力学的某些哲学含义。通常这种问题总是有两个方面：一个是作为物理学的哲学的含义，另一个是把哲学问题外推到其他领域。在把和科学有关的哲学观念引申到其他领域中去时，它们往往完全被歪曲了。因此我们将尽可能把自己的评论限制于物理学本身。

首先，最有兴趣的问题是不确定性原理的概念，观察影响现象。人们向来都知道进行观察要影响现象，但是问题在于，这种效应不可能依靠重新安排仪器使其可以忽略，或减到最小或任意减小。当我们观察某一定的现象时，不可避免地要产生某种哪怕是最低限度的扰动，这种扰动是观测的自洽性所必需的。在前量子物理学中，观察者有时也是重要的，但这只是非本质的问题。曾经有人提出过这样的一个问题：如果有一棵树在森林中倒了下来，而旁边没有人听到，那它真的发出了响声吗？在真实的森林中倒下的一棵真实的树当然会发出声音，即使没有任何人在那里。但即使没有人在那里听到声音，它也会留下其他的迹象。响声会使树叶振动，如果我们够仔细的话，可以发现在某个地方有一些荆棘擦伤了树叶，在树叶上留下细小的划痕，除非我们假定树叶曾经发生振动，否则对此划痕就无法解释。所以，在某种意义上我们必须承认曾经发出过声音。我们也许会问：是否有过声音的感觉呢？大概没有，感觉一定要意识到才有意义。蚂蚁是否有意识以及森林中是否有蚂蚁，或者树木是否有意识，这一切我们都不知道。对这个问题我们就谈到这里吧！

量子力学发展以来人们所强调的另一件事情是这样一个观念：我们不应当谈论那些我们不能够测量的事情（实际上相对论也这么说的）。如果一件事情不能通过测量来定义，它在理论上就没有地位。由于一个定域粒子的动量的精确值不能通过测量来确定，因此它在理论上就没有地位。但是，认为这是经典理论的问题是错误的。这是一种对情况所作的粗枝大叶的分析。只是因为我们不能同时精确地测量位置和动量并不是从先验的意义上说我们不能讨论它们。它的意思只是我们不需要讨论它们。在科学中情况是这样的：一个无法测量或无法直接与实验相联系的概念或观念可以是有用的，也可以是无用的。它们不必存在于理论之中。换句话说，假如我们比较世界的经典理论与世界的量子理论，并假设实验上确实只能不精确地测出位置与动量，那么问题就是一个粒子的精确位置与它的精确动量的概念是否仍然有效。经典理论承认这些概念；量子理论则不。这件事本身并不意味着经典物理是错误的。当新的量子力学刚发现时，经典物理学家——除去海森伯、薛定谔和玻恩以外所有的人——都说：“看吧，你们的理论一点也不好，因为你们不能回答这样一些问题：粒子的精确位置是什么？它穿过的是哪一个孔？以及一些别的问题。”海森伯的答复是：“我不用回答这样的问题，因为你们不能从实验上提出这个问题。”这就是说，我们不必要回答这种问题。考虑两种理论(a)与(b)，(a)包括一个不能直接检验但在分析中用到的概念，而(b)则不包括这个概念。如果它们的预言不一致，我们不能声称：由于(b)不能解释(a)中的那个概念，因而它就是错的，因为这个概念是一个无法直接检验的东西。知道哪些观念不能直接检验总是好的，但是没有必要将它们全部去掉。认为我们只利用那些能直接实验测定的概念才能真正算作科学的这种看法是不正确的。

量子力学本身就存在着概率幅、势以及其他许多不能直接测量的概念。科学的基础是它的预测能力。预测就是说出在一个从未做过的实验中会发生什么。我们怎么去做这件事呢？假定我们不是依靠实验要知道发生什么情况，我们只能将已有的实验外推到实验尚未达到的领域。我们必须依据我们的概念并将它们推广到这些概念还没有受到检验的领域中。如果我们不是这样做，就不会提出预测。所以，对经典物理学家来说恰当地按照这样的程序进行是完全合理的，从而假设位置——对垒球来说显然具有某种意义——对于电子来说也具有某种意义。这并不愚蠢。这是合理的步骤。今天我们说相对论定律对所有的能量都应该是正确的，但是或许有一天，有人会跑出来说我们是多么愚蠢呀！直到我们自己惹出麻烦之前，我们实在是不知道“蠢”在哪里的，所以整个思想都是自找麻烦。唯一能发现我们错误的方法是说出我们的预测是什么。这对于建立概念是绝对必要的。

我们已对量子力学的非决定性作过一些评论。那就是我们现在还不能预测在给定尽可能仔细安排好的物理条件下会发生什么物理事件。假如有一个处于受激态的原子，并且它将发射光子，那么我们无法说出它将在什么时候发射光子。它有在任何时刻发射光子的一定振幅，我们可以预测的只是发射的概率；我们不能精确地预测未来。这引起了关于意志自由的意义的种种问题和胡说八道，还引起了世界是不确定的种种观念。(www.chuimin.cn)

当然，我们必须强调，在某种意义上经典物理也是非决定的。人们通常认为这种非决定性，即我们不能预言未来，是重要的量子力学的特色，而且据说这可用来解释精神的行为、自由意志的感觉等等。但是假如世界真的是经典世界——假如力学定律是经典的——还是一点也不清楚精神是否也觉得多少有些相同。确实，在经典物理学中如果我们知道了世界上，或者在一盒气体中的每个粒子的位置与速度，那么就能精确地预言会发生什么。因此经典的世界是决定论的。然而，考虑到我们的精确度有限，而且不知道哪怕只是一个原子的精确位置到譬如十亿分之一。那么这个原子运动时会撞上另一个原子，由于我们知道的位置的精确度不超过十亿分之一，因此我们发现在碰撞后，位置的误差还会更大。当然，在下一次碰撞时，误差又被放大，这样，如果起先只有一点点误差的话，后来就迅速放大而出现很大的不确定性。举个例子来说：比如一道水流从堤坝上泻下时，会飞溅开来。如果我们站得很近，时不时地有水滴溅到我们的鼻子上。这一切看来完全是无规则的，然而这样一种行为能够按纯粹的经典定律来预言。所有水滴的精确位置取决于水流流过堤坝以前的精确运动。

结果怎样呢？在水流落下时，极微小的不规则性都被放大了；结果就出现了完全的随机性。很明显，如果我们不能绝对精确地知道水的运动，就不能真正预知水滴的位置。说得更明确一些，给定任一精确度，无论多么精确，都能找到一个足够长的时间，以致我们无法使对这么长的时间作出的预言有效。问题在于这段时间并不很长。如果精确度为十亿分之一，这个时间并不是数百万年。事实上，这个时间随着误差呈对数式地变化，结果发现只在非常、非常短的时间里我们就丢失了所有的信息。如果精确度提高到亿亿亿分之一——那么不管我们想要多少个亿，最后总要停在某一位数上——我们就会得出一个时间，

小于这个时间的事件都在已有测量的精度下是可预言的——此时间后发生的事件就再也不能预言了！由此看来，诸如以下的说法，什么由于人类精神表面上的自由与非决定性，我们应当认识到再也不能希望用经典的“决定论的”物理学来理解它，并且欢迎量子力学将我们从“完全机械论的”宇宙下解放出来，等等，都是不公正的。因为，从实际的观点来说，在经典力学中早已存在着非决定性了。

费恩曼物理学讲义：量子力学的哲学意义及其应用

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