相对论和量子力学的关系十篇

相对论和量子力学的关系篇1

量子力学是当代科学发展中最成功、也是最神秘的理论之一。其成功之处在于，它以独特的形式体系与特有的算法规则，对原子物理学、化学、固体物理学等学科中的许多物理效应和物理现象作出了说明与预言，已经成为科学家认识与描述微观现象的一种普遍有效的概念与语言工具，同时也是日新月异的信息技术革命的理论基础；其神秘之处在于，与其形式体系的这种普遍应用的有效性恰好相反，量子物理学家在表述、传播和交流他们对量子理论的基本概念的意义的理解时，至今仍未达成共识。量子物理学家在理解和解释量子力学的基本概念的过程中所存在的分歧，不是关于原子世界是否具有本体论地位的分歧，而是能否仍然像经典物理学理论那样，把量子理论理解成是对客观存在的原子世界的正确描述之间的分歧。

在量子力学诞生的早期岁月里，这些分歧的产生主要源于对量子理论中的波函数的统计性质的理解。因为量子力学的创始人把量子力学理解成是一种完备的理论，把量子统计理解成是不同于经典统计的观点，在根本意义上，带来了量子力学描述中的统计决定性特征。而理论描述的统计决定性与物理学家长期信奉的因果决定论的实在论研究传统相冲突。在当时的背景下，对于那些在经典物理学的熏陶下成长起来的许多传统物理学家而言，对量子力学的这种理解是难以容忍的。这些物理学家仍然坚持以经典实在观为前提，希望重建对原子对象的因果决定论的描述。这种观点认为，现有的量子力学只是临时的现象学的理论，是不完备的，将来总会被一个拥有确定值的能够解决量子悖论的新理论所取代。量子哲学家普遍地把这种实在论称之为定域实在论，或者称为非语境论的实在论。从EPR悖论到贝尔定理的提出正是沿着这一思路发展的。这种观点把量子论中的统计决定论与经典实在论之间的矛盾，理解成是量子论与传统实在论之间的矛盾。

但是，自从1982年阿斯佩克特等到人完成的一系列实验，没有支持定域隐变量理论的预言，而是给出了与量子力学的预言相一致的实验结果以来，量子论与传统实在论之间的矛盾焦点，由对量子理论中的统计决定性特征的质疑，转向了对更加基本的量子测量过程中的“波包塌缩”现象的理解。因为量子测量问题是量子理论中最深层次的概念问题。冯诺意曼在本体论意义上引入量子态的概念来表征量子实在的作法，直接导致了至今难以解决的量子测量难题。到目前为止，所有的量子测量理论都是试图站在传统实在论的立场上，对量子测量过程作出新的解释。玻姆的本体论解释在承认量子力学的统计性特征，把量子世界看成是由客观的不确定性、随机性和量子纠缠所支配的世界的前提下，通过假设非定域的隐变量的存在，寻找对量子测量过程的因果性解释。量子哲学家把这种实在论称为非定域的实在论。[1] 多世界解释在承认现有的量子力学的形式体系和基本特征是完全正确的前提下，通过多元本体论的假设来对具有整体性特征的量子测量过程作出整体论的解释。量子哲学家把这种实在论称为非分离的实在论。[1]

量子测量现象的非定域性和非分离性所反映的是量子测量过程的整体性特征。问题是，相对于科学哲学研究而言，如果把量子测量系统理解成是一个包括观察者在内的整体，我们将永远不可能在观察者与被观察系统之间作出任何形式的分割。而观察者与被观察系统之间的分界线的消失，将会使我们在不考虑观察者的情况下，对物理实在进行客观描述的梦想彻底地破灭。这是因为，一方面，如果我们认为量子力学的形式体系是正确而完备的理论，那么，就能够用量子力学的术语描述包括观察者在内的整个测量过程。这时，观察者成为整个测量系统中的一个组成部分参与了测量中的相互作用；另一方面，如果我们仍然渴望像以可分离性假设为基础的经典测量那样，在以整体性假设为基础的量子测量系统中，也能够得到确定而纯客观的测量结果，那么，他们必须要在观察者与被观察的量子系统之间作出某种分割，观察者才有可能站在整个测量系统之外进行观察。然而，在量子测量的具体实践中，这个重要的“阿基米德点”是永远不可能得到的。因为对量子测量系统进行的任何一种形式的分割，都必然会导致像“薛定谔猫”那样的悖论。这样，关于量子论与实在论之间的矛盾事实上转化为，在承认量子力学的统计性特征的前提下，如何解决量子测量的整体性与传统实在论之间的矛盾。

以玻尔为代表的传统量子物理学家在创立了量子力学的形式体系之后，并不追求从量子测量现象到量子本体论的超越中提供一种本体论的理解。而是在认识论和现象学的意义上做文章。玻尔认为，观察的“客观性”概念的含义，在原子物理学的领域内已经发生了语义上的变化。在这里，客观性不再是指对客体在观察之前的内在特性的揭示，而是具有了“在主体间性的意义上是有效的”这一新的含义。这种把“客观性”理解成是“主体间性”的观点，在认识论意义上，所隐藏的直接后果是，使“客观性”概念失去了与“主观性”概念相对立的基本含义，从而使量子力学成为支持科学的反实在论解释的一个重要的立论依据。与此相反，近几十年发展起来的多世界解释，试图以多元本体论的假设为前提，恢复对客观性概念的传统理解；玻姆的本体论解释则是以粒子轨道与真实波的二元论假设为代价，把测量过程中的整体性特征归结为是量子势的性质。这两种解释虽然在理解量子测量现象时坚持了传统实在论的立场。但是，这些立场的坚持是以在量子力学中增加某些额外的假设为代价的。这正是为什么近几十年来，反思与研究量子力学与量子测量的概念基础问题，成为不计其数的论著和论文所讨论的中心论题的主要原因所在。

到目前为止，在量子物理学家的心目中，微观客体的非定域性特征和量子测量的非分离性特征已经成为不争的事实。如果我们站在科学哲学的立场上，像当初接受量子统计性一样，也接受量子力学描述的微观系统的这种整体性特征。那么，量子测量过程中被测量的系统与测量仪器（包括观察者在内）之间的整体性关系将会意味着，在微观领域内，我们所得到的知识，事实上，总是与观察者密切相关的知识。这个结论显然与长期以来我们所坚持的真理符合论的客观标准不相容。因此，接受量子力学的整体性特征，就意味着放弃真理符合论的标准，需要对传统实在论的核心概念——理论和真理的性质与意义——进行重新理解。这样，现在的问题就变成是，能否在接受量子力学的统计性和整体性特征的前提下，阐述一种新的实在论观点呢？如果答案是否定的，那么，科学实在论将永远不可能得到辩护；如果答案是肯定的，那么，与理论的整体性特征相协调的实在论是一种什么样的实在论呢？这正是本文所关注的主要问题所在。

2．认识论教益：隐喻思考与模型化方法的突现

自近代自然科学产生以来，公认的传统实在论的观点是建立在宏观科学知识基础之上的一种镜像实在论。在宏观科学的研究领域内，观察者总是能够站在整个测量系统之外，客观地获得测量信息。在有效的测量过程中，测量仪器对测量结果的干扰通常可以忽略不计。测量结果为理论命题的真假提供了直接的评判标准，使命题和概念拥有字面表达的意义（literal meaning）或非隐喻的意义和指称。因此，镜像实在论是以观察命题的真理符合论为前提的。

真理符合论的最实质性的内容是，坚持命题与概念同实际的事实相符合。长期以来，科学家一直把这种观点视为是科学研究活动的价值基础。

维特根斯坦在其著名的《逻辑哲学导论》一书中，把真理的这种符合论观点表述为：就像唱片是声音的画像并具有声音的某些结构一样，命题所描述是事实的画像，并具有与事实一致的结构。因为用语言来思考和说话，就是用语言来对事实作逻辑的模写，它类似于画家用线条、色彩、图案来描绘世界上的事物。所以，用语言描述的图象与世界的实际图象之间具有同构性。1933年，塔尔斯基对这种真理观进行了定义。在当前科学哲学的文献中，人们习惯于用“雪是白的”这一命题为例，把塔尔斯基对真理的定义形象地表述为：“雪是白的”是真的，当且仅当，雪是白的。

普特南把塔尔斯基对真理的这种定义概括为“去掉引号的真理论”。塔尔斯基认为，要想使“‘雪是白的’是真的”，这个句子本身成真，当且仅当，“雪是白的”这个事实是真实的，即我们能够得到“雪是白的”这一经验事实。这个看似简单的句子隐含着两层与常识相一致的符合关系：第一层的相符合关系是，语言表达的命题与实际事实相符合；第二层的相符合关系是，观察得到的事实与真实世界相符合。在日常生活中，像“雪是白的”这样的经验事实是非常直观的，只要是一个正常的人，都有可能看到“雪确实是白色的”这个实际存在的事实。因此，人们对它的客观性不会产生任何怀疑，能够作为“‘雪是白的’是真的”这个句子的成真条件。

然而，量子力学揭示出的微观测量系统中的整体性特征，既限制了我们对这种理想知识的追求，也向传统的客观真理标准的价值观提出了挑战。这是因为，在量子测量的过程中，对命题的这种理想的描述方式和对对象的如此单纯的观察活动，已经不再可能。以玻尔为代表的许多物理学家虽然在量子力学诞生的早期就已经意识到这一点。但是，在科学哲学的意义上，他们在抛弃了真理符合论之后，却走向了认识论的反实在论；冯诺意曼的测量理论以真理符合论为基础，要求在观察者与测量仪器之间进行分割的做法，直接导致了量子测量中的“观察者悖论”；现存的非分离与非定域的实在论解释，也是以真理符合论为基础，在量子力学的形式体系中增加了某些难以令人接受的额外假设，来解决量子测量难题。从哲学意义上看，这种借助于额外假设来使量子力学与实在论相一致的作法并没有唯一性。它不过是借助于各种哲学的想象力来解决量子测量难题而已。

由此可见，量子测量难题的产生，实际上是以真理符合论为基础的传统实在论的观点，来理解量子测量过程的整体性特征所导致的。现在，如果我们像放弃经典的绝对时空观，接受相对论一样，也放弃真理符合论的实在论，接受现有的量子力学。那么，在当代科学哲学的研究中，我们需要以成功的量子力学带给我们的认识论教益为出发点，对理论、概念和真理的性质与意义作出新的阐述。量子力学所揭示的微观世界与宏观世界之间的最大差异在于，我们对微观世界的内在结构的认知，不可能像对宏观世界的认知那样，使观察者能够站在整个测量语境的外面来进行。

这就像盲人摸象的故事一样，不同的盲人从大象的不同部位开始摸起，最初，他们所得到的对大象的认识是不相同的，因为每个人根据自己的触摸活动都只能说出大象的某一个部分。只有当他们摸完了整个大象时，他们才有可能对大象的形状作出客观的描述。然而，虽然他们对大象的描述始终是从自己的视角为起点的，并建立在个人理解的基础之上。但是，不可否认的是，他们的触摸活动总是以真实的大象为本体的。在微观领域内，量子世界如同是一头大象，物理学家如同是一群盲人，有所区别的是，物理学家对微观世界的认识不可能是直接的触摸活动，而只能借助于自己设计的测量仪器与对象进行相互作用来进行。在这个相互作用的过程中，包括观察者在内的测量语境成为联系微观世界与理论描述之间的一个不可分割的纽带。

如果把这种量子力学的这种整体性思想延伸外推到一般的科学哲学研究中，那么，可以认为，科学家所阐述的理论事实上是一个产生信念的系统。科学家借助于模型化的理论，把他们对世界的认知模拟出来。理论模型所描述出的世界与真实世界之间的关系是一种内在的、整体性的相似关系。这种相似分为两个不同的层次：其一，在特定的语境中，模型与被模拟的世界在现象学意义上的初级相似。这种相似是指，在这个层次上，我们只是能够通过某些关系把现象描述出来，但是，对现象之所以发生的原因给不出明确的说明；其二，在特定的语境中，模型与被模拟的世界在认识论意义上的高级相似。这种相似是指，理论模型达到了与真实世界的内在结构与关系之间的相似。所以，现象学意义上的相似最后会被成熟理论所描述的认识论意义上的结构相似所包容或修正。

这两个层次之间的相似关系是建立在经验基础之上的，而不是建立在逻辑或先验的基础之上。这样，虽然科学家在建构理论模型的过程中，总是不可避免地存在着许多非理性的因素。但是，在根本的意义上，他们的建构活动是以最终达到使理论描述的可能世界与真实世界之间的结构与关系相似为目的的。因此，测量语境的存在成为科学家建构活动的一个最基本的制约前提。建构理论模型的活动是一种对世界的认知活动。建构活动中的虚构性将会在与公认的实验事实的比较中不断地得到矫正，直至达到与真实世界完全一致为止。或者说，在一定的语境中，当从理论模型作出的预言在经验意义上不断地得到了证实的时候，类比的相似性程度将随之不断地得以提高；当科学共同体能够依据理论模型所描述的可能世界的结构来理解真实世界时，相似性关系将逐渐地趋向模型与世界之间的一致性关系。

在这种理解方式中，真理是物理模型与真实世界之间的相似关系的一种极限，是在一定的语境中完善与发展理论的一个最终结果。这样，在科学研究中，真理成为科学研究追求的一个最终目标，而不是科学研究的逻辑起点。或者说，把真理理解成是在科学的探索过程中，成熟的物理模型与世界结构之间达成的一致性关系。对真理的这种理解，使过去追求的客观真理变成了与语境密切相关的一个概念。超出理论成真的语境范围，真理也就失去了存在的前提和价值。这样，与玻尔把理论的客观性理解成是主体间性的观点所不同，本文是通过改变对真理意义的理解方式，挽救了理论的客观性。

如果把科学活动理解成是对世界的模拟活动，那么，在理论的建构活动中，科学理论的概念与术语所描述出的可能世界，只在一定的语境中与真实世界具有相似性。所以，相对于不可能被观察到的真实世界而言，科学的话语（scientific discourses）将不再具有按字面所理解的意义，而是只具有隐喻的意义。只有当理论与世界之间的关系趋向于一致性关系时，对某些概念的隐喻性理解才有可能变成字面语言的理解。所以，在科学研究的活动中，研究对象越远离日常经验，科学话语中的隐喻成份就越多。这也许是为什么在量子理论产生的早期年代，物理学家在理解微观现象时，不可能在微观对象的粒子性和波动性之间作出任何选择的原因所在。实际上，微观粒子的波——粒二象性概念只是在现象学意义上的一种典型的隐喻概念，它们并不拥有概念的字面意义，而只具有隐喻的意义。因此，它们不是对真实世界的基本结构的实际描述。正如惠勒的“延迟实验”所揭示的那样，物理学家不可能选择用其中的一类图象来解释另一类图象。只有当关于微观世界的内在结构在可能世界的模型中得到全部模拟时，原来的波——粒二象性的概念才被一个更具有普遍意义的新的量子态概念所取代。

如果科学语言只具有隐喻的意义，科学理论所描述的是可能世界，那么，物理学家对测量现象的描述，也只是一种隐喻描述，而不是非隐喻的按照字义所理解的描述。这种描述既依赖于观察者的背景知识，也依赖于当时的技术发展的水平。就像格式塔心理学所阐述的那样，同样的图形、同一个对象，不同的观察者会得出不同的结论。在这个意义上，测量与观察不再是纯粹地揭示对象属性的一种再现活动，而是观察者与对象发生相互作用之后，受到测量语境约束的一种生成活动。在这个活动中，就现象本身而言，至少包含有两类信息：一是来自对象自身的信息；二是包括观察者在内的测量系统内部发生相互作用时新生成的信息。

从这个意义上看，微观粒子在测量过程中表现出的波——粒二象性只是一种现象学意义上的相似，而不是微观粒子的真实存在。在大多数情况下，现象还不等于是证据，把现象作为一种证据表述出来，还要受到物理学家的背景知识和社会条件的制约，甚至受到已接受的可能世界的基本理念的制约。按照对理论、真理和测量的这种理解方式，由“波包塌缩”现象所反映的问题，就变成了提醒物理学家有必要对过去所忽视的物理测量过程的各个细节，对宏观与微观之间的过渡环节，进行更细致的理论研究的一个信号，成为进一步推动物理学发展的一个技术性的物理学问题，而不再是观念性的与实在论相矛盾的哲学问题。

玻姆的量子论是试图用非隐喻的字面语言对真实的量子世界进行描述，而现有的量子力学在它的产生初期则是用隐喻的语言对量子世界的一种模拟描述。正是由于理论模型具有的相似性，才使得薛定谔的波动力学与海森堡等人的矩阵力学能够得出完全相同的结果，并最终证明两者在数学上是等价的。在量子力学的语境中，不论是波动图象，还是粒子图象都只是理论与世界之间的现象学意义上的初级相似。在以后的发展中，量子力学所描述的可能世界的预言与真实世界的实验现象相一致的事实说明，当冯诺意曼在希尔伯特空间以量子态为基本概念建立了量子力学的公理化体系之后，这些现象学意义上的相似已经上升到认识论意义上的结构相似，说明量子力学描述的可能世界与真实世界在微观领域内是一致的。这时，以波——粒二象性为基础的隐喻图象被整体论的世界图象所取代。这也许正是物理学家可以在抛开哲学争论的前提下，只注重量子物理学的技术性发展的一个原因所在。而相比之下，玻姆的理论不过是追求传统意义上的非隐喻的字面图象和传统哲学观念的一种理想产物。

在对理论、概念和真理的意义的这种理解方式中，理论与世界之间的一致性关系不是建立在命题与概念的层次上，而是以测量语境为本体，建立在物理模型与真实世界之间从现象学意义上的初级相似到认识论意义上的结构相似的基础之上的。测量语境的本体性，成为我们在认识论意义上承认科学理论是一个信念系统的同时，拒绝后现代主义者把理论理解成是可以随意解读的社会文本的极端观点的根本保证。所以，真理的意义不是取决于词、概念和命题与世界之间的直接符合，而是在于理论整体与世界整体之间在逼真意义上的一致性。由于可能世界与真实世界之间的这种一致性关系在一定程度上是依赖于社会技术条件的动态关系。因此，以一致性为基础的真理是依赖于语境的真理，它永远是一个动态的和可变的概念，而不是静止的和不变的概念。这显然是对“把科学研究的目的理解为是追求真理”这句话的最好解答。

3．从思维方式的变革到语境实在论的基本原理

当我们把对理论、真理和意义的这种理解方式应用于对真实世界的认识时，也可以在测量语境的基础上，对理论进行实在论的解释。所不同的是，这种实在论不再是把科学理论理解成是提供关于世界的某种镜象图景的、以强调语言与命题的真理符合论为基础的那种实在论，而是把科学理论理解成是通过先对世界的模拟，然后，与真实世界趋于一致的、依赖于测量语境的实在论。不同的理论模型和测量语境可以提供对世界的不同描述。但是，通过进一步的观察或实验，我们可以判断哪一个模型能够更好地与世界相一致。在这里，理论模型与世界之间的关系是一种相似关系，而不再是相符合的关系；测量结果与对象之间的关系是在特定条件下的一种境遇性关系，而不再是一种纯粹的再现关系。我们把这种与量子力学的整体性特征相一致的量子实在论称为“语境实在论”。用语境实在论的观点取代传统实在论的观点，必然带来思维方式的根本转变。需要以整体性的语境论的思维观取代传统思维观。这种思维方式的逆转主要通过下列几个方面体现出来：

首先，在本体论意义上，用普遍的本体论的关系论（global-ontological relationalism）的观点取代传统的本体论的原子论（ontological atomism）的观点。承认关系属性或倾向性属性的存在，承认概率的实在性，承认世界中的实体、属性与关系之间的整体性。传统的原子本体论总是把世界理解成是由可以进行任意分割的部分所组成，整体等于部分之和，牛顿力学是这种本体论的一个典型范例；关系本体论则把世界理解成是一个不可分割的整体，整体大于部分之和，量子力学是这种本体论的一个典型范例。与原子本体论中认为实体可以独立地拥有自身的属性所不同，在关系本体论中，实体及其属性总是在一定的关系中体现出来。这里存在着两层关系：一层是实体之间的内在关系属性；另一层是实体固有属性表现的外在关系条件。前者具有潜存性，后者为潜存性向现实性的转变创造了有利条件。 其次，在认识论意义上，用理论模型的隐喻论的观点取论模型的镜象论的观点。传统的模型镜象论观点把理论理解成是命题的集合，命题与概念的指称和意义是由对象决定的，它们的集合构成了对对象的完备描述；而模型隐喻论的观点虽然也认为理论能够以命题的形式表示出来，但是，理论不是命题的集合，而是包含有模仿世界的内在机理的模型集合。理论与世界之间的关系不是传统的相符合关系，而是在一定的语境中，理论描述的可能世界与真实世界之间以相似为基础的一致性关系。理论系统的模型与真实系统之间的相似程度决定理论的逼真性。这样，真理不再是命题与世界之间的符合，而是成为理论的逼真性的一种极限情况。或者说，当理论所描述的可能世界与真实世界相一致的时候，理论的真理才能出现。这是对基本的认识论概念的倒转：传统的逼真性理论是用命题或命题集合的真理作为基本单元，来衡量理论距真理的距离，即理论的逼真度；而现在正好反过来，是通过对逼真性概念的理解来达到对真理的理解。

第三，在方法论意义上，用语义学方法取代传统的认识论方法。在传统的认识论方法中，是用命题的真理或图象与世界之间的逼真度的术语来表达科学实在论的一般论点。然而，这种方法使我们从开始就需要清楚地辨别对一些解释性描述的理解。例如，在相同的研究领域内，我们为什么能够说，一个理论比与它相竞争的另一个理论更逼近真理或更远离真理？对于诸如此类的问题，如果没有一个明确的和可辩护的回答方式，那么，逼真性概念要么是空洞的；要么就是不一致的。结果，对理论的逼真性的论证反而成为对“认识的谬误（epistemic fallacy）”的证明，并在某程度上支持了认识论的怀疑论观点。但是，如果我们在语义学的语境中，通过对逼真性概念的分析与辩护，然后，衍生出理论的真理，对上述问题的理解方式将不会陷入如此的认识论困境。并且从认识论的怀疑论也不会推论出语义学的怀疑论。

第四，在经验的意义上，用现象生成论的测量观取代现象再现论的测量观。所谓现象再现论的测量观是指，把物理测量结果理解成是对对象固有属性的一种再现，测量仪器的使用不会对对象属性的揭示产生实质性的干扰，它扮演着一个单纯意义上的工具角色。理论术语能够对这些观察证据进行精确的表述。观察证据的这种纯粹客观性成为建构与判别理论的逻辑起点；而现象生成论的测量观则认为，测量是对世界的一种透视，测量结果是在对象与测量环境相互作用的过程中生成的。测量结果所表达的经验事实，不是纯粹对世界状态的反映，因为经验事实存在于我们的信念系统之中，而不是独立于观察者的意识或论述之外与世界的纯粹符合，只是在特定的测量语境中的一种相对表现，是相互作用的结果。或者说，测量语境构成了对象属性有可能被认识的必要条件。

所以，理论的逼真度与科学进步之间的联系，应该在经验的意义上来确立。科学进步的记录并不是真命题的积累，而是从模型系统与真实系统之间的相似性出发，用逼真度的概念衡量科学研究纲领接近真理的程度。在这里，相似性不是一个命题，也不是两个世界之间的一种固定不变的关系，而是依赖于语境的一个程度性的概念。它的内容将会随着我们对世界的不断深入的理解而发生变化。所以，科学进步不是真命题积累的问题，而是理论的成功预言与经验事实的函数。

第五，在语义学的意义上，用整体论或依赖于语境的隐喻语言范式取代非隐喻的字面真理范式（literal-truth paradigm）。从17世纪开始，非隐喻的字面真理的范式就已经被科学家广泛地接受为是理想的语言。其动机是期望把理论模型的言语和论证，建立在优美而简洁的数学和几何的基础之上。当时的理性论者和经验论者把科学语言当成是理想的合乎理性的语言，或者说，把科学的经验和知识看成是人类经验和知识的典范。这种观点认为，所有的知识与真实世界之间的关系是根据表征知识的命题方式来讨论的，科学语言与概念的意义由它所表征的世界来确定，它们不仅在本质上具有固有的字义，而且语言本身的字面意义就是使用词语的标准。语言的意义不仅与语言的用法无关，而被认为是客观地对应于世界的各个方面。科学的话语总是关于自然界的现象、内在结构和原因的话语。

然而，在整体论的隐喻语言范式中，理论所讨论的是由科学共同体提出的关于世界的因果结构的信念，知识与真实世界之间的关系是根据可能世界与真实世界之间的相似关系来讨论的。在这里，两个世界之间的相似程度的提高是它们共有属性的函数。在隐喻的意义上，语言与概念的意义是极其模糊的和语境化的，隐喻的表达通常并不直接对应于世界中的实体或事件：即，按照字面的意义理解隐喻的陈述常常是错误的。例如，在理解量子测量现象时，实验已经证明，或者强调使用粒子语言，或者强调波动语言都是失败的。这也是玻尔的互补性原理在量子力学的时期岁月里容易被人们所接受的高明之处。从本文的观点来看，关于微观世界的粒子图象或波动图象只不过是传统思维惯性的一种最显著的表现而已。事实上，这两种图象都只是一种隐喻意义上的图象，而不代表微观世界的真实图象。隐喻与其它非字面的言词是依赖于语境的。正如后期维特根斯所言，语言与概念的意义依赖于活动，使用一个符号的充分必要条件必须包括对活动的描述。

在这种整体论的思维方式的基础上，我们可以把语境实在论的主要观点，总结为下列六个基本原理：

本体论原理：在物理测量的过程中，物理学家所观察到的现象是由不可能被直接观察到的过程因果性地引起的。这些不可能被直接观察到的过程是独立于人心而自在自为地存在着的。

方法论原理：对一个真实过程的理论模型的建构，是对不可能被观察到的真实世界的机理和结构的模拟。对于真实世界而言，它在现象学意义上的表现与它的内在结构或机理在定性的意义上具有一致性。即，理论模型具有经验的适当性。

认识论原理：理论描述的可能世界与真实世界只具有的相似性，它们之间的相似程度是它们具有的共同特性的函数。这些共性是在实验与测量语境中找到的。

语义学原理：在一定的语境中，理论模型与真实系统之间的相似关系决定理论的逼真性。在理想的情况下，真理是理论描述的可能世界逼近真实世界的一种极限。

价值论原理：科学理论的建构在最终意义上总要受到实验证据的制约，科学理论的发展总是向着越来越接近真实世界机理的方向发展的。

伦理学原理：包括人类在内的自然界具有不可分割的整体性，关于人类行为的评价标准应该建立在人与自然的整体性关系上。

4．科学进步的语境生成论模式

探讨科学进步的模式问题一直是科学哲学研究中的重大理论问题之一。不同的学派提出了不同的观点。逻辑实证主义者继承了自培根以来的哲学传统，认为科学的发展在于对经验证实的真命题的积累。理论所包括的真命题越多，它就越逼近真理。波普尔把理论逼近真理的这种性质称为“逼真性”，逼真性的程度称为“逼真度”。他认为，理论是真内容与假内容的统一，理论的逼真度等于理论中的真内容与假内容之差。而真内容由理论中那些得到经验确认的真命题所组成。真命题越多，理论的逼真度就越高。在所有这些观点中，逼真性的主要特性是用命题与事实的符合作为近似真理的基本单元。换言之，是用命题真理的术语来理解理论的逼真性。在这里“符合”没有程度上的差别；逼真性与真理之间的关系是部分与整体之间的关系。这种“符合”或“与事实相符”包含着四个方面的关系：其一，句子的主语与谓词之间处于相互联系的状态；其二，事态（the state of affairs）与主语之间的指称关系；其三，谓词表达与被选择的事态之间的指称关系；其四，说话者所选择的对象与事态之间的相适合关系。[1]

然而，这种以真命题的多少来衡量理论的逼真度的方法，似乎没有办法回答诸如下面的那些问题：如果一个理论最后被证明是与事实不相符，那么，这个理论怎么可能接近真理呢？比如说，在当前的情况下，量子场论还是一个不成熟的理论，它在未来一定会被加以修改，那么，我们能够说，量子场论不如牛顿力学与事实更相符吗？此外，“符合事实”这个概念也会遇到同样的问题：如果某个理论根本就是错误的，我们又怎能说，它与事实符合的更好或更糟呢？也许有些在表面上曾经显示出具有某种逼真性的理论，实际上，它却在根本意义上就是错的。例如，化学中的“燃素说”、物理学中的“地心说”，等等，这些理论都曾经在科学家的实际工作中，起到过积极的作用。但是，后来的发展证明，它们都是错误的假说。另一方面，这种方法还无法解释为什么在前后相继的理论中使用的同一个概念，却具有不同的内涵这样的问题。例如，经典物理学中的质量概念不同于相对论力学中的质量概念；量子力学的中微观粒子概念也比经典物理学中的粒子概念拥有更丰富的内涵。库恩在阐述他的科学进步的范式论模式时，为了避免上述问题的出现，走向了彻底的相对主义。

如果我们用强调理论描述的物理模型与世界之间的相似性比较，取论中包含的真命题的比较来理解理论的逼真性，那么，上述问题就很容易得到解决。在特定的语境中，并存着的相互竞争的理论，分别描绘出几个相互竞争的可能世界，这些可能世界与真实世界之间的相似程度决定理论的逼真性。逼真度越高的理论，将会越客观、越接近于真理。真理是理论的逼真度等于1时的一种极限情况。例如，牛顿力学比伽里略的力学更接近真理的真正理由是，因为牛顿物理学所描绘的世界模型比伽里略物理学所描绘的世界模型与真实世界更相似。而不应该把这个结论替换成是，在每一个方法中通过真命题的计数来使它们与精确地说明真实世界的真命题的总数进行比较后作出的选择。前后相继的理论中所使用的共同概念的意义也是依赖于可能世界的。不同层次的可能世界虽然赋予同一个概念以不同的内涵。但是，由于更深层的可能世界更接近真实世界的内在结构，所以，对为什么同一个概念会有不同内涵的问题就容易理解了。

我们把由理论描绘的可能世界逼近真实世界的过程，以及前后相继的理论之间的更替关系总结为：

前语境阶段——语境确立阶段——语境扩张阶段——语境转换阶段

——新的语境确立阶段……

在科学进步的这个模式中，前语境阶段是指，当科学进入一个新的研究领域时，面对不可能被旧理论所解释的有限数量的实验证据和存在的重要问题，科学家首先是进行大胆的创新和积极地猜测，提出可能与证据相一致的相互竞争的理论或假说。这些理论或假说分别描绘出了相互竞争的各种可能世界的图象。这个时期，科学家在建构理论时，通过模型与现象的比较来约束他们的想象。或者说，他们的富有创造性的想象力是一种意向性的想象，而不是完全随意的想象。这种意向性的信息直接来自不可能被直接观察到的对象本身。科学家在相互竞争的理论中作出选择时，依赖于两个主要的归纳根据：其一，相信任何一个理论模型的建构都是为了尽可能准确地模拟真实世界的结构和机理；其二，依据模型所产生的信念能够作为成为设计新的实验方案的基础，这个实验方案的设计是为了探索世界，和检验模型与它所表征的世界之间的类似程度。在特定领域内和一定的历史条件下，根据一个理论的信念所设计的实验越新颖，在得到应用之后，越能够证明理论的成功性。同时，理论的调整总是向着与新的实验结果相一致的方向进行的。而新的实验结果是由自然界中某种未知的因果机理引起的。

然而，说明的成功（explanatory success）只是理论逼近真理的一个象征或一个结果，或者说，说明的成功只是理论逼近真理的一个必要条件。凡是逼真的理论都必定能够对实验现象作出成功的说明。但是，并不是每一个拥有成功说明的理论都是逼真的理论。在理论的说明中，理论的逼真性与不断增加的成功之间的联系应该是一个认识论问题，而不是一个语义学问题。一个完整的科学理论从产生到成熟通常要经过三个阶段：其一，对现象的描述阶段，这个阶段得到了在经验上恰当的模型。例如，在量子力学之前，玻尔等人提出的各种原子模型；第二个阶段是建立一个理论的说明模型。例如，现有的量子力学的数学形式体系。第三个阶段是为成功的说明模型寻找一种可理解的机理，或者说，对说明模型提供语义学的基础。相对于一个成熟的科学理论而言，现象——模型——机理三者之间的相互关系具有内在的不可分割的整体性。这也就是为什么原子物理学家在理解量子力学的内在机理的问题上没有达成共识时，产生了量子力学的解释问题的原因所在。

在这里，我们所说的模型是指物理模型而不是仅仅指数学模型。物理模型除了包括数学模型之外，还包括理解世界的构成机理的模型。物理模型是为数学模型提供一个语义学基础。例如，分子运动论模型是解释压强公式的语义学基础；场的观点是理解引力理论的语义学基础。所以，物理学中的模型是指真实物理系统的替代物，它既具有解释的作用，也能够把抽象的数学系统翻译为一个可理解的论述。正是在这个意义上，物理学模型是指一个模型簇。由这些模型簇所描绘的可能世界的结构与真实世界的结构之间的相似关系，在选择理论时是很重要的。一方面，它能够使理论在科学实践中被不断地修改和扩展以适应新的现象，而不是静止的和孤立的；另一方面，它使相互竞争的理论之间的选择在科学实践的规则与活动之内自然地得到了求解。这时，被淘汰掉的理论并非必须要被证伪（尽管证伪也是因素之一），而是如同生物进化那样是自然选择的结果。

在这里，把逼真度作为选择理论的标准，与要么强调经验证实，要么强调经验证伪的标准不同，它永远是动态的和依赖于研究语境的概念。它既有助于把淘汰掉的理论中的某些合理化因素进行再语境化，也能够确保科学描述和与此相关的实验技巧与独立于人心的世界之间建立起一种物理联结，从而坚持了存在着一个不可能被观察到的独立于人心的世界的本体论的实在论观点。大体上，衡量可能世界与真实世界之间的结构或机理的相似程度可以通过它们之间的共有属性（或共同特征）来进行。如果用S（A ，B）表示两个世界之间的基本特征的相似关系，用 A∩B表示共有属性，A – B和 B - A表示它们之间的差异，那么，在定性的意义上，这些量之间的关系可以定性地表示为：[1]

S（A ，B）= C1F（A∩B）- C2F（A - B）- C3F（B - A）

这个公式说明，两个世界之间的相似关系是它们的共性与差异的函数。当C1远远大于C2和C3时，两个系统之间的共性将比差异处于更重要的支配地位。其中，三个系数C1、C2和C3 的值是通过实验来确定的。这样，我们就有可能在经验的意义上来研究相似关系。在经验的意义上，如果相互竞争的理论中的某个理论的描述和说明模型能够完全依据当前的实验结果和本体论概念被加以校准，那么，我们就可以认为，这个理论是似真的（plausible）。理论越拟真，它就越逼真。

在一个特定的语境中，当一个理论的说明与理解模型能够完全经得起经验的考验时，科学共同体将认为理论描绘的可能世界与真实世界之间达到了某种一致性。这时，科学的发展进入了语境确立的阶段。这个阶段相当于库恩的常规科学时期或范式形成时期。这时，科学家不仅拥有共同的信念和共同的语言，而且拥有对真实世界的共同图象。他们相信，理论描绘的可能世界代表了真实世界的内在机理；理论描绘的图象就是不可观察的真实世界的图象。为了进一步探索真实世界的精细结构，科学家常常会根据现有理论提供的信念和约定，设计新的实验规划，预言新的实验现象，特别是运用成熟理论中的理论实体进行实验操作，从而形成了一个相对稳定的语境阶段。但是，这个相对稳定的语境边界是非常不确定的。

当科学家把成熟理论所揭示的世界机理作为一个范式和信念的基础，延伸推广到解释其它相关领域的现象时，科学的发展进入到语境的扩张阶段。其中，既包括理论研究的信念与方法的扩张，也包括以它的基本原理为基础的技术与实验的扩张。例如，在牛顿理论确立之后，不论是物理学还是化学家，他们都用牛顿力学的基本思想解释他们所面临的其它领域内的新的实验现象，并且成功地制造出了许多测量仪器；同样，现代技术的崛起和分子生物学、量子化学等学科的产生都是量子力学的基本原理成功应用的结果。所以，语境扩张的过程实际上是已有语境膨胀的过程。当科学共同体在语境扩张的过程中，遇到了与理论信念相矛盾的而且是他们料想不到的实验事实时，他们才有可能开始对理论的信念产生怀疑，这时，理论的应用边界，或者说，语境扩张的边界逐渐地变得明确起来，科学的发展开始进入语境转换阶段。在这个阶段，旧语境的扩张受到了限制，新的语境处于形成与培育当中。新的理论竞争也就随之开始了。随着新理论竞争的开始，科学共同体的信念也在不断地发生着改变，直到一个全新的语境形成为止。

当新的语境确立之后，不仅科学家确立了新的信念，而且他们对问题的求解值域也随之发生了改变。这时，原来前语境中的一些不合理的偏见，在新语境中得到了纠正。在前语境中是真理的理论，在后语境中失去了它的真理性。后语境的形成是伴随着新理论的确立而完成的。由于新语境比旧语境揭示出了更深层次的世界结构或机理。所以，它在理论信念、方法和技术层次的扩张与渗透力将会比旧语境更强、更彻底。这也就是，为什么量子力学的产生所带来的理论、方法与技术革命会比牛顿力学更深刻、更广泛的原因所在。但是，前后语境之间的界线是连续的。这时，就像新理论是对旧理论的一种超越一样，新语境也是对旧语境的一种超越。由于语境的变迁和运动是不断地向着揭示世界的真实机理的方向发展的。因此，在语境中生成的理论也使得科学的发展与进步向着不断地逼近真理的方向进行。本文把科学发展的这种模式称为“语境生成论模式”。

这里包括两个层次的生成，其一，理论的形成与完善是在特定的语境中进行的；其二，科学进步也是在语境的变更中完成的。但是，值得注意的是，强调语境化并不意味着使科学进步成为无规则的游戏。把理论系统放置于特定的语境当中，强调了系统的开放性和连续性。在这个意义上，语境论的事实也是一种客观事实。运用语境论的隐喻思考与模型化方法，不仅能够使科学进步过程中的微观的逻辑结构与宏观的历史背景有机地结合起来，而且能够使基本的内在逻辑的东西在历史的发展中内化到新的语境当中，从而使得语境在自然更替的同时，一方面，完成了理论知识的积累与继承的任务；另一方面，揭示出更深层次的世界机理。所以，语境生成论的科学进步模式既不会像库恩的范式论那样，走向相对主义，也不会像普特南那样，走向多元真理论。科学进步的语境生成论模式，既能够包容相对主义的某些合理成份，又能够坚持实在论的立场。

5．结语

从量子力学的认识论教益中抽象出的语境实在论的观点，是一种具有更广泛的解释力，并且有可能把许多观点有机地融合在一起的实在论观点。它不仅能够赋予量子力学以实在论的解释，而且为解决科学实在论面临的许多责难，理清上世纪末围绕“索卡尔事件”所发生的一场震惊西方学坛的科学大战，[1] 提供了一条可能的思路。法因曾经在《掷骰子游戏：爱因斯坦与量子论》一书中断言“实在论已经死了”。[2] 然而，我们通过对量子力学与实在论的分析，在放弃了传统的真理符合论之后，运用隐喻思考与模型化方法所得出的结论则是，“实在论还活着，而且活的很好”。

[1] D.Bohm and B.J.Hiley， The Unpided Universe: An ontological interpretation of quantum theory， Routledge and Kegan Paul， London (1993).

[1] Jeffrey Alan Barrett， The Quantum Mechanics of Minds and Worlds， Oxford University Press (1999).

[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 136-137.

[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 133.

相对论和量子力学的关系篇2

一、易学自然观

《周易》包括《易经》和《易传》两部分，实际上是上古巫文化化出的符号、周初时期占筮验词集锦和战国末年理性诠释的统合。作为《易传》的十篇释文已经完全脱离卜筮，建立起一套以阴阳为纲阐释变化的理论体系。汉兴，《周易》作为官学传习和研究的对象，被尊称为“五经”之首；汉易已经纳入阴阳五行学说，隋唐时期易学即以其理性向科学领域渗透；进而逐渐形成以符号系统与以阴阳为纲纪相结合的范畴体系和理论结构。

易学对宇宙的基本观点是：阴阳相涵相因、流变会通，构成一个合谐互补的有机整体。

张立文教授在《王船山易学思想略论》〔1-191〕中指出：船山的本体哲学，统体会通于和合。所谓和合者，就是“阴阳未分，二气合一，氤氲太和之真体”。《易传》有言“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，作者认定道器是虚实范畴，虚与实的主要差异在于隐与显。“形而上者是隐也”，隐不是无，而是潜在，是形而下所以存在的根据。“形而下者是显也”，指有形质的东西，“即形之成乎物而可见可循者也”。即此可知，显指可见可循的事物和现象，隐指寓于“器”而起作用的现象背后更本质的东西；而隐又不是虚无，“道不虚生，则凡道皆实也”。从而推定道乃实存之体，得出道器交与为体、相涵相因、流变会通的两系统结构论。

道和器的关系究竟如何？就逻辑上讲，“形上者乃形之所自生”，因为凡器皆有形，由“形”逻辑上得出对应于“形下”必然存在着“形上”。就二者的主从关系讲，“当其未形而隐然有不可喻之天则，天以之化”，依此概括二者的关系为：道是器存在的依据；道通过器而表现自己，一切显性的运动变化之因皆源之于道。再就孰先孰后的角度讲，是“理不先而气不后”，二者既不存在先后、本末之别，也就从根本上排除了天理、神创的观念。

张教授立足于人文（兼及自然）阐述问题，认为“王船山道器、气关系，充分体现和贯彻了《周易》和合人文的精神”，本文专门讨论自然而不涉及人文。依据形上学本体哲学，自然界的物理客体应该分两类，即“形之已成乎物”和“未形”，二者的本质区别在于形下之“显”和形上之“隐”。

小结：易学自然观是两系统结构论。从静态角度讲，“万物（包括宇宙自身）负阴而抱阳，冲气以为和”；从动态角度讲，“阴变阳，阳变阴，其变无穷”。所谓的易，就是讲阴阳变化之理的学问，即“易以道阴阳”。

二、两种物理学理论

物理学作为一门学术的名称，是从亚里士多德的希腊文著作延续下来的，这个希腊词的意思是探讨自然的秩序和原理的“自然学”，亚氏又称其为自然哲学。大约到18世纪中叶，由于学科内容的分化，自然史和化学从物理学中独立出来，18世纪后半叶法国讨论过留下的物理学意味着什么，结果是把物理学分为一般物理学和特殊物理学。前者指牛顿力学或由《自然哲学的数学原理》导出的以数学描述质点运动的传统，后者包括声、光、电、磁等广泛领域。通常都把这种划分说成是数学科学传统和实验物理学的分离。

1829年，泊松把当时法国物理学的思想倾向归为两类：物理力学和解析力学。他把前者的特征描述为“它的唯一的原理是把一切还原为分子运动，而这些分子是把力的效果从一点传到另一点并保持这些力之平衡作用的核心”，即期望用天体运动的牛顿平方反比定律数学格式，精密地描述宇宙一切现象，称牛顿范式；而后者则强调现象的解析格式，轻视对物理原因进行讨论，称非牛顿范式。1840年以后，牛顿范式的地位被非牛顿范式所取代；与之同时，拉格朗日原理被泊松和哈密顿予以发展，使力学成为完全分析的形式，并且以能量取代力的概念体系。本应该由之意识到“根本不存在纯粹的力学现象，实际上运动总是结合着热和电磁的变化，它们也规定运动”〔2-9〕，从而结束牛顿的“力学神话”，可惜的是西方哲学没有能够为物理学提供合适的自然观，以后的物理学就在迷茫中走了许多弯路。对两种范式的本质差异，一般都视为用几何法还是用解析法的数学问题。

19世纪30年代之后，随着实验物理学的成熟，出现了实验物理学和理论物理学之区分；物理学的理论又分原理理论和构造理论两类。前者是先使用分析法在经验中发现自然过程的普遍特征（即原理），然后给出各种过程必须满足的数学形式的判据，比如牛顿力学；后者又叫“假说—演绎”法，即先确立“想象的原理”（即“假说”），然后采用反证法通过由原理导出的结论对原理进行证明，给出的内容与经验所显示的现象吻合得愈多愈一致，特别是能够从假说来预言现象并得到证实，这种构造理论就愈成功。依据这种分类方法，一般都承认17世纪牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》就分别代表了原理理论和构造理论。对这两种理论划分的依据主要在于思维方式，即前者采用分析法而后者采用综合法。

三、两类物理客体

牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》，从近代物理学奠基开始，两种截然不同的理论分别传承为两种体系，即牛顿范式——原理理论，惠更斯范式——构造理论，其本质差异不在思维方式和数学形式之不同，也不在是采用数学方法还是实验方法之别，而在于研究的客体分属于根本不同的两类。

以质量对物体进行计量，并假定质量都集中在一个质点，以相互传递力的作用描述运动，是牛顿范式的核心观念；非牛顿范式研究的光、热、电、磁等现象，都不能以质量进行计量，最终认识到了这种现象都与“能量”直接相关，并且以能量取代了力学概念体系。

而今首当其冲应该明确的是物理学根本就不直觉研究“物质”，正象无法品尝水果一样，因为二者都是抽象的类概念。物理学只研究质量、能量、电量、时间和空间之间的关系，两种理论的适用范围不同，前者是关于质量系统的理论，后者则适用于能量系统。以往不适当地把能量说成是物质运动的形式（如“能即运动”）〔3-526〕，是产生混乱的肇端。现代物理学已经确认物理客体分两类：宇观上有分立的天球和连续辐射，微观上分粒子和场，粒子物理学分费米子和玻色子，理论物理学称其为物质粒子和相互作用；物理学理论也分用质量计量和时空描述、用能量计量和位形描述两个系统。“我们首先把宇宙的物质内容分成两个部分：“物质”即诸如夸克、电子和缪介子等粒子，以及“相互作用”诸如引力和电磁力等等”〔4-38〕。当代著名物理学家霍金居然会说出如此不合逻辑的荒唐话，不难看出“物质”这个误用概念带来的混乱是何等严重。

物理客体不能用“物质”这个概念进行抽象和概括，而应该分为质量和能量两个系统，二者的本质差异有3：1、分立和连续；2、有无静质量；3、量传递时物理客体仅只振动而不发生运动方向的位移。确认能量系统存在的依据有5：1、德西特从广义相对论场方程得出没有物质的宇宙时空解；2、无限的（负能电子）海的发现；3、爱因斯坦说：“依据广义相对论没有以太的空间是不可思议的”；4、3K微波背景辐射证明“空间”不空；5、粒子物理学的实验发现，绝大多数粒子为瞬息亿变的动态网络。

“全〖ZZ(〗空间〖ZZ)〗充满着相互作用着的各种不同的场”〔2-387〕，这种分布着某种物理量的空间，不同于经典物理学中作为参量的空间。“场从数学上表述了能量局域性概念”，“是一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。即此可知，一切自然现象虽表现为质量系统单元个体的运动和变化，动变之因却源于能量系统的作用；而能量系统本身不通过作用于质量系统的效应也根本就无法观测。物理学早已将物理客体分为弥散态粒子和凝聚态物体，3K微波辐射发现之后，就应该从分类学的角度再增添一种连续态网络；进而将弥散态粒子分为质量子和能量子，如此一来，物理世界图象就会变得非常清晰。

物理客体分物体、粒子、网络三类，分别用质量、电量（或荷质比）、能量计量；人类生活的现实世界属于质量系统（从天球到原子乃至质子、电子），能量系统则是一切运动变化的动力之源；所有的共振态、复合态粒子均属于能量系统的动态网络，只有那些稳定的能量子才有现实意义；不同能量子的有序组合构成信息（从质量系统讲，传递信息必须有载体，而对能量系统，信息和载体则合而为一，于此无暇展开讨论），可以用于操作质量系统的变化和存储一切自然现象。

小结：物理客体分两个系统三种态。质量系统和能量系统确实属于“负阴而抱阳，冲气以为和”的状态；作为两系统“中介”的弥散态，是演绎世间万象的“大舞台”；何以产生质量和电量，是现实世界存在的最根本机制。

四、时间和空间

无论哲学还是物理学，时间和空间都是一对非常重要的范畴，同时又是亘古至今争论最多直到今天还没有取得共识的两个概念。16世纪之前，基本上没有留下多少值得关注的重要论点；牛顿为了创立完整的力学体系，不得不提出人类历史上第一个时空构架。他认为物质是在绝对空间中运动，时间不跟任何物质对象相关、自身等速地在那里流；时间和空间各自独立互不相关。亦即是说时间和空间仅只是描述运动的参量。

现代物理学的发现则是：“广义相对论用空时结构的几何性质来表示引力场”〔2-328〕，场不但“是某种物理量的空间分布”，还是“一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。很显然，时空结构应该被理解为改变物体或带电粒子运动状态的作用量。

依据质能两系统结构论看待，即使在牛顿力学体系中，时空结构也是作用量而不是描述运动的参量。比如牛顿力学的第一号自然力——重力G=mg，如果没有g作用于m，物体就不会自由下落，很显然g是使m自由下落的作用量。如果用电磁作用相类比，g可以被称为引力场强，其作用效应跟电场作用于电量没什么两样。自从发现了动量和能量守恒之后，牛顿力学方程基本上已经不再使用，足以说明牛顿力学非常片面，能够沟通三个领域最基本的物理量只有动量和动能，根本就不需要力这个概念。

时间和空间究竟指什么？答曰：二者分别是对能量系统单元个体持续性和广延性的计量，恰如用质量计量物体、用电量计量带电粒子那样。

“空间一时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性”〔5-112〕。爱因斯坦如果对中国古典哲学稍有理解，就会再说一句：这些客体还有着时间的持续性。这种“物理实在的实际客体”即指能量系统而言。

能量系统虽是连续态，探究其具体作用时却需要量子化。假定其最小单元为h，由ε＝hν＝h/T可知，只要测出周期T，即可以知道具体的能量值，同理测出波长即可知动量。故而可以说时间和空间是对能量系统两种属性的计量。

董光璧教授猜想对于不同的相互作用，应该“各有其时空结构”，是有道理的。用于电动力学的时空结构已经非常成功，“对于电磁相互作用，相对论提供的时空结构和量子论提供的能量结构，既在逻辑上自洽又与经验相符”〔2-429〕；而对于质量，发挥作用的时空结构有ι2t-2和ιt-1两种，对行星的运行则有R3/T2＝K。

小结：时空不是独立的存在，而是用于计量能量系统属性的概念构架。对于物体或带电粒子，不同的时空结构作用于质量和电量可得能量和动量；对于能量系统，只需要用T和λ对基本单元个体计量，即是能量和动量。

五、两种运动

讨论过物理学不应该使用“物质”这个哲学范畴，明确了物理客体分质量、能量两个系统，确立了质量、电量、能量和时空是基本的物理量，并且弄清了时（T）空（λ）可以直接作为计量能量和动量的基本量，不同时空结构又分别是驱动质量或电量的基本作用量之后，还应该讨论一下运动形式问题。

亚里士多德很早就提出自然运动和强迫运动区分之必要，物理学界至今都没有认真对待。所谓自然运动，应该是不受人的干预，不准附加任何人为条件的运动，比如自由落体、自组织系统的变化和行星运转等（下文称绝对运动）；所谓的强迫运动当指人为增添了特设条件的运动，比如将物体抬高、摆钟和日常生活中经常发生的许多运动。

牛顿力学除自由落体之外，几乎都有附加条件，将运动定义为一个物体对另一个物体的位移，运动的基点建立在物体对物体的作用（即力）之上，并将物体看作一个质点等，基本上都属于质量系统的相对运动。现代物理学发现的因果关系被破坏，基本上都产生于对绝对运动和相对运动的作用机制之混淆。

“一个钟所处的引力势越低（深），它走得越慢，而那里发出的光在引力势较高处去接收就会发生红移”〔5-92〕，亦即是说原子钟在那里发出的光频率较小，周期变大。如果是摆钟，依据T＝2πL/g，由于g变大，周期就必然变小。两种钟的结果居然完全相反，基于什么原因呢？这就恰好能够说明相对运动和绝对运动的作用机制不同，显示的结果就必然会适得其反。由于原子钟的频率直接决定于能量子的频率，属于绝对运动；而摆钟的周期则由作用量g与弹性势的平衡决定，属于相对运动，g变大时相对而言等于固定不变的弹性势变小，故而钟的周期亦随之变小。“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”〔6-127〕；“量子力学改变了古典物理学的因果观和实在论”〔2-328〕。这些观念产生于发现了绝对运动和相对运动效果迥异，感到困惑的原因是没有树立起时间和空间“不再是事件在其中发生的被动的背景”，“相反的，它们现在成为动力学的量”〔4-53〕，根源在于没有突破“物质”一元论的樊篱。

问起广义相对论场方程的意义，通常的回答是：“物质和能量要使时空向其自身弯曲”〔4-60〕，反过来弯曲时空的曲率又决定着物体运动的路径。这种表述本来存在一个因果互易的逻辑循环，只需要将误用概念“物质”去掉，就变成了非常明晰的单因（能量）决定单果（质量运动路径）的关系。再如“势函数V表示质量系统对空间任意点的引力作用”〔2-361〕，实质上则是势函数表示任意时空点对质量的趋动作用。作用和被作用的因果关系弄颠倒的原因，许多都出在用相对运动的观念去解释绝对运动；产生这种观念的根源又非常久远和牢固，先是哲学上把物质说成第一性，继而近代科学一开始就决定只研究属于第一性的质量和重量，外加担心宗教神学找麻烦，所有物理学理论就都必须把物质或质量说成是运动变化的起因。依据两系统结构论，动因仅来源于能量系统。

宇观上的星体都是绝对运动，很早很早之前就受到许多哲人的关注，他们的不少观点由于跟相对运动的理论不合，都受到了冷遇。欧拉认为“一切物理过程都是以太与物质相互作用的结果”〔2-180〕，欧多克斯认为“日、月和行星分别固定在想象的匀速转动的天球上，星体本身不动，它们随着天球运动”〔2-51〕，笛卡尔的观点更明确：“宇宙空间充满媒质的旋涡运动，天体被媒质的旋涡推动”〔2-145〕；最直观形象的描述莫过于那个阴阳互动的太极图，那是华夏先民无数代人仰观俯察智慧的结晶。天空中所有星系或星系团无不都是一个涡旋，其中不少涡旋的中心根本就找不到质量（被称为质量丢失的暗物质）。很显然这些涡旋都是能量积累形成的畸变时空，那些特定的R3/2＝K的不同旋线上，都可能会有星体在做自然运动，根本就不需要什么引力作为向心力，自然也就没有必要去找切线力的源。

易学中虽说没有“自组织”这个词，王船山却早就讲清了自组织的作用机制。“阳变阴合，乘机而为动静”，“二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象”，如果将质量子和能量子类比为阴阳，这种说法还满有道理的。

小结：运动有相对和绝对之别。因果关系被破坏的原因大都生之于用相对运动的理论去解释绝对运动，根源在于物质一元论不能作为物理学的哲学基础。

六、唯物宇宙观

科学思想作为文化的一部分，在相当长的时间内世界各地都是沿着自己的传统在发展；从16世纪开始，随着西方殖民主义的掠夺，希腊传统的科学逐渐传播到世界各地。如今所说的近代科学，主要指希腊科学传统的扩展，其间也不乏阿拉伯、中国和印度等地科学成果的积累。物理学思想的发展在很大程度上跟古希腊哲学有着非常密切的关系，古希腊哲学的自然观主张人与自然分离。

在古希腊文化传统中，从公元1世纪基督教创立开始，就出现了理性和信仰、哲学和神学的纷争，科学思想的发展亦被打上深深的烙印。基督教成为国教之后，“知识服从信仰”成为教会的基本准则之一，于是就有人提出“学问来源于经验”与之抗衡。

基督教创立不太久，某些护教派发现那些愚昧贫乏的教义抵抗不住古希腊、罗马文化，特别是哲学，就开始从古希腊、罗马哲学中寻找为教义辩护的依据，从而发展出貌似科学的神学，进而宣布真正的哲学和真正的宗教是同一的和信仰先于理性的原则。中世纪的欧洲几乎一切学术都在宗教神学的桎梏之下，自然科学也不例外，布鲁诺被活活烧死，伽利略遭受终生监禁，都因为他们的理论对神学不利。

唯物主义宇宙观针对信仰先于理性提出物质第一性、意识第二性，自然科学总算找到了哲学基础。由于近代科学确定只研究属于第一性的质量和重量，而不研究与感觉有关的第二性，即把意识范畴留给宗教，总算争得了一席之地。当我们立足于现代科学的成果和困惑，去反思物理学发展的历史时发现，把物质和意识的关系视为全部、特别是近代哲学重大基本问题的唯物主义哲学，根本就不能作为物理学的理论基础。为了从神学桎梏下挣脱出来，选择第一性、第二性之分的哲学虽说必要，终归总逃不掉为临时应付而“举债”付出更高的代价。

物质和意识对立，对立的双方是自然和人，这是古希腊自然与人分离自然观的延续。这种哲学适用的范围应该是人天系统，即探讨的中心课题是人与自然的关系；而物理学则属于纯客观地探讨自然界的秩序和原理的学问，亦即是说它只研究物质和物质之间的联系、相互作用和运动变化规律等问题，丝毫不涉及物质与意识关系的内容。故而我们认为，唯物主义宇宙观虽说使物理学摆脱了宗教神学的束缚，而成为一门独立的学科，却不能做为物理学的哲学基础。

自然界是一个有机整体，要探讨其运动变化的规律，就不应该将所有的物理客体用“物质”一个概念概括。因为变化只能发生在至少两种客体之间，如MN和NM；而MM则是永远无法观测的。

“科学史界越来越多的学者认识到，站在现代科学的立场寻找历史来龙去脉的做法有误入歧途的危险，转而采取从原来的境况中重新阐释科学思想”〔7-2〕，不少人发现了《周易》中保留着自然学的原初形式，可以为科学发展提供有益的哲学启迪。本人沿着这条进路摸索多年，学习探寻的心得是，物理学只有依据两系统结构论的自然观，才可以讨论变与不变。

易以道阴阳；万物负阴而抱阳，冲气以为和；阴变阳，阳变阴，其变无穷；阳变阴合，乘机而为动静；二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象——仅依据上述五句富涵哲理的格言，对物质、时间、空间、运动和因果关系等重要概念做一些简要的剖析，就可以理出一条新的思路。如果依据两系统结构论，对物理学的概念和理论进行一次新的整合与梳理，极有可能会将物理学带出当前的困境。不当之处，敬请各位师长、同仁指正。

参考书目：

1、朱伯昆主编《国际易学研究》第三辑，华夏出版社1997年版

2、董光璧等著《世界物理学史》吉林教育出版社1994年版

3、《马克思恩格斯选集》第三卷人民出版社1972年版

4、(英)霍金著《霍金讲演录》湖南科技出版社1995年版

5、倪光炯等著《近代物理》上海科技出版社1979年版

相对论和量子力学的关系篇3

一、易学自然观

《周易》包括《易经》和《易传》两部分，实际上是上古巫文化化出的符号、周初时期占筮验词集锦和战国末年理性诠释的统合。作为《易传》的十篇释文已经完全脱离卜筮，建立起一套以阴阳为纲阐释变化的理论体系。汉兴，《周易》作为官学传习和研究的对象，被尊称为“五经”之首；汉易已经纳入阴阳五行学说，隋唐时期易学即以其理性向科学领域渗透；进而逐渐形成以符号系统与以阴阳为纲纪相结合的范畴体系和理论结构。

易学对宇宙的基本观点是：阴阳相涵相因、流变会通，构成一个合谐互补的有机整体。

张立文教授在《王船山易学思想略论》〔1-191〕中指出：船山的本体哲学，统体会通于和合。所谓和合者，就是“阴阳未分，二气合一，氤氲太和之真体”。《易传》有言“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，作者认定道器是虚实范畴，虚与实的主要差异在于隐与显。“形而上者是隐也”，隐不是无，而是潜在，是形而下所以存在的根据。“形而下者是显也”，指有形质的东西，“即形之成乎物而可见可循者也”。即此可知，显指可见可循的事物和现象，隐指寓于“器”而起作用的现象背后更本质的东西；而隐又不是虚无，“道不虚生，则凡道皆实也”。从而推定道乃实存之体，得出道器交与为体、相涵相因、流变会通的两系统结构论。

道和器的关系究竟如何？就逻辑上讲，“形上者乃形之所自生”，因为凡器皆有形，由“形”逻辑上得出对应于“形下”必然存在着“形上”。就二者的主从关系讲，“当其未形而隐然有不可喻之天则，天以之化”，依此概括二者的关系为：道是器存在的依据；道通过器而表现自己，一切显性的运动变化之因皆源之于道。再就孰先孰后的角度讲，是“理不先而气不后”，二者既不存在先后、本末之别，也就从根本上排除了天理、神创的观念。

张教授立足于人文（兼及自然）阐述问题，认为“王船山道器、气关系，充分体现和贯彻了《周易》和合人文的精神”，本文专门讨论自然而不涉及人文。依据形上学本体哲学，自然界的物理客体应该分两类，即“形之已成乎物”和“未形”，二者的本质区别在于形下之“显”和形上之“隐”。

小结：易学自然观是两系统结构论。从静态角度讲，“万物（包括宇宙自身）负阴而抱阳，冲气以为和”；从动态角度讲，“阴变阳，阳变阴，其变无穷”。所谓的易，就是讲阴阳变化之理的学问，即“易以道阴阳”。

二、两种物理学理论

物理学作为一门学术的名称，是从亚里士多德的希腊文著作延续下来的，这个希腊词的意思是探讨自然的秩序和原理的“自然学”，亚氏又称其为自然哲学。大约到18世纪中叶，由于学科内容的分化，自然史和化学从物理学中独立出来，18世纪后半叶法国讨论过留下的物理学意味着什么，结果是把物理学分为一般物理学和特殊物理学。前者指牛顿力学或由《自然哲学的数学原理》导出的以数学描述质点运动的传统，后者包括声、光、电、磁等广泛领域。通常都把这种划分说成是数学科学传统和实验物理学的分离。

1829年，泊松把当时法国物理学的思想倾向归为两类：物理力学和解析力学。他把前者的特征描述为“它的唯一的原理是把一切还原为分子运动，而这些分子是把力的效果从一点传到另一点并保持这些力之平衡作用的核心”，即期望用天体运动的牛顿平方反比定律数学格式，精密地描述宇宙一切现象，称牛顿范式；而后者则强调现象的解析格式，轻视对物理原因进行讨论，称非牛顿范式。1840年以后，牛顿范式的地位被非牛顿范式所取代；与之同时，拉格朗日原理被泊松和哈密顿予以发展，使力学成为完全分析的形式，并且以能量取代力的概念体系。本应该由之意识到“根本不存在纯粹的力学现象，实际上运动总是结合着热和电磁的变化，它们也规定运动”〔2-9〕，从而结束牛顿的“力学神话”，可惜的是西方哲学没有能够为物理学提供合适的自然观，以后的物理学就在迷茫中走了许多弯路。对两种范式的本质差异，一般都视为用几何法还是用解析法的数学问题。

19世纪30年代之后，随着实验物理学的成熟，出现了实验物理学和理论物理学之区分；物理学的理论又分原理理论和构造理论两类。前者是先使用分析法在经验中发现自然过程的普遍特征（即原理），然后给出各种过程必须满足的数学形式的判据，比如牛顿力学；后者又叫“假说—演绎”法，即先确立“想象的原理”（即“假说”），然后采用反证法通过由原理导出的结论对原理进行证明，给出的内容与经验所显示的现象吻合得愈多愈一致，特别是能够从假说来预言现象并得到证实，这种构造理论就愈成功。依据这种分类方法，一般都承认17世纪牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》就分别代表了原理理论和构造理论。对这两种理论划分的依据主要在于思维方式，即前者采用分析法而后者采用综合法。

三、两类物理客体

牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》，从近代物理学奠基开始，两种截然不同的理论分别传承为两种体系，即牛顿范式——原理理论，惠更斯范式——构造理论，其本质差异不在思维方式和数学形式之不同，也不在是采用数学方法还是实验方法之别，而在于研究的客体分属于根本不同的两类。

以质量对物体进行计量，并假定质量都集中在一个质点，以相互传递力的作用描述运动，是牛顿范式的核心观念；非牛顿范式研究的光、热、电、磁等现象，都不能以质量进行计量，最终认识到了这种现象都与“能量”直接相关，并且以能量取代了力学概念体系。

而今首当其冲应该明确的是物理学根本就不直觉研究“物质”，正象无法品尝水果一样，因为二者都是抽象的类概念。物理学只研究质量、能量、电量、时间和空间之间的关系，两种理论的适用范围不同，前者是关于质量系统的理论，后者则适用于能量系统。以往不适当地把能量说成是物质运动的形式（如“能即运动”）〔3-526〕，是产生混乱的肇端。现代物理学已经确认物理客体分两类：宇观上有分立的天球和连续辐射，微观上分粒子和场，粒子物理学分费米子和玻色子，理论物理学称其为物质粒子和相互作用；物理学理论也分用质量计量和时空描述、用能量计量和位形描述两个系统。“我们首先把宇宙的物质内容分成两个部分：“物质”即诸如夸克、电子和缪介子等粒子，以及“相互作用”诸如引力和电磁力等等”〔4-38〕。当代著名物理学家霍金居然会说出如此不合逻辑的荒唐话，不难看出“物质”这个误用概念带来的混乱是何等严重。

物理客体不能用“物质”这个概念进行抽象和概括，而应该分为质量和能量两个系统，二者的本质差异有3：1、分立和连续；2、有无静质量；3、量传递时物理客体仅只振动而不发生运动方向的位移。确认能量系统存在的依据有5：1、德西特从广义相对论场方程得出没有物质的宇宙时空解；2、无限的（负能电子）海的发现；3、爱因斯坦说：“依据广义相对论没有以太的空间是不可思议的”；4、3K微波背景辐射证明“空间”不空；5、粒子物理学的实验发现，绝大多数粒子为瞬息亿变的动态网络。

“全〖ZZ(〗空间〖ZZ)〗充满着相互作用着的各种不同的场”〔2-387〕，这种分布着某种物理量的空间，不同于经典物理学中作为参量的空间。“场从数学上表述了能量局域性概念”，“是一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。即此可知，一切自然现象虽表现为质量系统单元个体的运动和变化，动变之因却源于能量系统的作用；而能量系统本身不通过作用于质量系统的效应也根本就无法观测。物理学早已将物理客体分为弥散态粒子和凝聚态物体，3K微波辐射发现之后，就应该从分类学的角度再增添一种连续态网络；进而将弥散态粒子分为质量子和能量子，如此一来，物理世界图象就会变得非常清晰。

物理客体分物体、粒子、网络三类，分别用质量、电量（或荷质比）、能量计量；人类生活的现实世界属于质量系统（从天球到原子乃至质子、电子），能量系统则是一切运动变化的动力之源；所有的共振态、复合态粒子均属于能量系统的动态网络，只有那些稳定的能量子才有现实意义；不同能量子的有序组合构成信息（从质量系统讲，传递信息必须有载体，而对能量系统，信息和载体则合而为一，于此无暇展开讨论），可以用于操作质量系统的变化和存储一切自然现象。

小结：物理客体分两个系统三种态。质量系统和能量系统确实属于“负阴而抱阳，冲气以为和”的状态；作为两系统“中介”的弥散态，是演绎世间万象的“大舞台”；何以产生质量和电量，是现实世界存在的最根本机制。

四、时间和空间

无论哲学还是物理学，时间和空间都是一对非常重要的范畴，同时又是亘古至今争论最多直到今天还没有取得共识的两个概念。16世纪之前，基本上没有留下多少值得关注的重要论点；牛顿为了创立完整的力学体系，不得不提出人类历史上第一个时空构架。他认为物质是在绝对空间中运动，时间不跟任何物质对象相关、自身等速地在那里流；时间和空间各自独立互不相关。亦即是说时间和空间仅只是描述运动的参量。

现代物理学的发现则是：“广义相对论用空时结构的几何性质来表示引力场”〔2-328〕，场不但“是某种物理量的空间分布”，还是“一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。很显然，时空结构应该被理解为改变物体或带电粒子运动状态的作用量。

依据质能两系统结构论看待，即使在牛顿力学体系中，时空结构也是作用量而不是描述运动的参量。比如牛顿力学的第一号自然力——重力G=mg，如果没有g作用于m，物体就不会自由下落，很显然g是使m自由下落的作用量。如果用电磁作用相类比，g可以被称为引力场强，其作用效应跟电场作用于电量没什么两样。自从发现了动量和能量守恒之后，牛顿力学方程基本上已经不再使用，足以说明牛顿力学非常片面，能够沟通三个领域最基本的物理量只有动量和动能，根本就不需要力这个概念。

时间和空间究竟指什么？答曰：二者分别是对能量系统单元个体持续性和广延性的计量，恰如用质量计量物体、用电量计量带电粒子那样。

“空间一时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性”〔5-112〕。爱因斯坦如果对中国古典哲学稍有理解，就会再说一句：这些客体还有着时间的持续性。这种“物理实在的实际客体”即指能量系统而言。

能量系统虽是连续态，探究其具体作用时却需要量子化。假定其最小单元为h，由ε＝hν＝h/T可知，只要测出周期T，即可以知道具体的能量值，同理测出波长即可知动量。故而可以说时间和空间是对能量系统两种属性的计量。

董光璧教授猜想对于不同的相互作用，应该“各有其时空结构”，是有道理的。用于电动力学的时空结构已经非常成功，“对于电磁相互作用，相对论提供的时空结构和量子论提供的能量结构，既在逻辑上自洽又与经验相符”〔2-429〕；而对于质量，发挥作用的时空结构有ι2t-2和ιt-1两种，对行星的运行则有R3/T2＝K。

小结：时空不是独立的存在，而是用于计量能量系统属性的概念构架。对于物体或带电粒子，不同的时空结构作用于质量和电量可得能量和动量；对于能量系统，只需要用T和λ对基本单元个体计量，即是能量和动量。

五、两种运动

讨论过物理学不应该使用“物质”这个哲学范畴，明确了物理客体分质量、能量两个系统，确立了质量、电量、能量和时空是基本的物理量，并且弄清了时（T）空（λ）可以直接作为计量能量和动量的基本量，不同时空结构又分别是驱动质量或电量的基本作用量之后，还应该讨论一下运动形式问题。

亚里士多德很早就提出自然运动和强迫运动区分之必要，物理学界至今都没有认真对待。所谓自然运动，应该是不受人的干预，不准附加任何人为条件的运动，比如自由落体、自组织系统的变化和行星运转等（下文称绝对运动）；所谓的强迫运动当指人为增添了特设条件的运动，比如将物体抬高、摆钟和日常生活中经常发生的许多运动。

牛顿力学除自由落体之外，几乎都有附加条件，将运动定义为一个物体对另一个物体的位移，运动的基点建立在物体对物体的作用（即力）之上，并将物体看作一个质点等，基本上都属于质量系统的相对运动。现代物理学发现的因果关系被破坏，基本上都产生于对绝对运动和相对运动的作用机制之混淆。

“一个钟所处的引力势越低（深），它走得越慢，而那里发出的光在引力势较高处去接收就会发生红移”〔5-92〕，亦即是说原子钟在那里发出的光频率较小，周期变大。如果是摆钟，依据T＝2πL/g，由于g变大，周期就必然变小。两种钟的结果居然完全相反，基于什么原因呢？这就恰好能够说明相对运动和绝对运动的作用机制不同，显示的结果就必然会适得其反。由于原子钟的频率直接决定于能量子的频率，属于绝对运动；而摆钟的周期则由作用量g与弹性势的平衡决定，属于相对运动，g变大时相对而言等于固定不变的弹性势变小，故而钟的周期亦随之变小。“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”〔6-127〕；“量子力学改变了古典物理学的因果观和实在论”〔2-328〕。这些观念产生于发现了绝对运动和相对运动效果迥异，感到困惑的原因是没有树立起时间和空间“不再是事件在其中发生的被动的背景”，“相反的，它们现在成为动力学的量”〔4-53〕，根源在于没有突破“物质”一元论的樊篱。

问起广义相对论场方程的意义，通常的回答是：“物质和能量要使时空向其自身弯曲”〔4-60〕，反过来弯曲时空的曲率又决定着物体运动的路径。这种表述本来存在一个因果互易的逻辑循环，只需要将误用概念“物质”去掉，就变成了非常明晰的单因（能量）决定单果（质量运动路径）的关系。再如“势函数V表示质量系统对空间任意点的引力作用”〔2-361〕，实质上则是势函数表示任意时空点对质量的趋动作用。作用和被作用的因果关系弄颠倒的原因，许多都出在用相对运动的观念去解释绝对运动；产生这种观念的根源又非常久远和牢固，先是哲学上把物质说成第一性，继而近代科学一开始就决定只研究属于第一性的质量和重量，外加担心宗教神学找麻烦，所有物理学理论就都必须把物质或质量说成是运动变化的起因。依据两系统结构论，动因仅来源于能量系统。

宇观上的星体都是绝对运动，很早很早之前就受到许多哲人的关注，他们的不少观点由于跟相对运动的理论不合，都受到了冷遇。欧拉认为“一切物理过程都是以太与物质相互作用的结果”〔2-180〕，欧多克斯认为“日、月和行星分别固定在想象的匀速转动的天球上，星体本身不动，它们随着天球运动”〔2-51〕，笛卡尔的观点更明确：“宇宙空间充满媒质的旋涡运动，天体被媒质的旋涡推动”〔2-145〕；最直观形象的描述莫过于那个阴阳互动的太极图，那是华夏先民无数代人仰观俯察智慧的结晶。天空中所有星系或星系团无不都是一个涡旋，其中不少涡旋的中心根本就找不到质量（被称为质量丢失的暗物质）。很显然这些涡旋都是能量积累形成的畸变时空，那些特定的R3/2＝K的不同旋线上，都可能会有星体在做自然运动，根本就不需要什么引力作为向心力，自然也就没有必要去找切线力的源。

易学中虽说没有“自组织”这个词，王船山却早就讲清了自组织的作用机制。“阳变阴合，乘机而为动静”，“二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象”，如果将质量子和能量子类比为阴阳，这种说法还满有道理的。

小结：运动有相对和绝对之别。因果关系被破坏的原因大都生之于用相对运动的理论去解释绝对运动，根源在于物质一元论不能作为物理学的哲学基础。

六、唯物宇宙观

科学思想作为文化的一部分，在相当长的时间内世界各地都是沿着自己的传统在发展；从16世纪开始，随着西方殖民主义的掠夺，希腊传统的科学逐渐传播到世界各地。如今所说的近代科学，主要指希腊科学传统的扩展，其间也不乏阿拉伯、中国和印度等地科学成果的积累。物理学思想的发展在很大程度上跟古希腊哲学有着非常密切的关系，古希腊哲学的自然观主张人与自然分离。

在古希腊文化传统中，从公元1世纪基督教创立开始，就出现了理性和信仰、哲学和神学的纷争，科学思想的发展亦被打上深深的烙印。基督教成为国教之后，“知识服从信仰”成为教会的基本准则之一，于是就有人提出“学问来源于经验”与之抗衡。

基督教创立不太久，某些护教派发现那些愚昧贫乏的教义抵抗不住古希腊、罗马文化，特别是哲学，就开始从古希腊、罗马哲学中寻找为教义辩护的依据，从而发展出貌似科学的神学，进而宣布真正的哲学和真正的宗教是同一的和信仰先于理性的原则。中世纪的欧洲几乎一切学术都在宗教神学的桎梏之下，自然科学也不例外，布鲁诺被活活烧死，伽利略遭受终生监禁，都因为他们的理论对神学不利。

唯物主义宇宙观针对信仰先于理性提出物质第一性、意识第二性，自然科学总算找到了哲学基础。由于近代科学确定只研究属于第一性的质量和重量，而不研究与感觉有关的第二性，即把意识范畴留给宗教，总算争得了一席之地。当我们立足于现代科学的成果和困惑，去反思物理学发展的历史时发现，把物质和意识的关系视为全部、特别是近代哲学重大基本问题的唯物主义哲学，根本就不能作为物理学的理论基础。为了从神学桎梏下挣脱出来，选择第一性、第二性之分的哲学虽说必要，终归总逃不掉为临时应付而“举债”付出更高的代价。

物质和意识对立，对立的双方是自然和人，这是古希腊自然与人分离自然观的延续。这种哲学适用的范围应该是人天系统，即探讨的中心课题是人与自然的关系；而物理学则属于纯客观地探讨自然界的秩序和原理的学问，亦即是说它只研究物质和物质之间的联系、相互作用和运动变化规律等问题，丝毫不涉及物质与意识关系的内容。故而我们认为，唯物主义宇宙观虽说使物理学摆脱了宗教神学的束缚，而成为一门独立的学科，却不能做为物理学的哲学基础。

自然界是一个有机整体，要探讨其运动变化的规律，就不应该将所有的物理客体用“物质”一个概念概括。因为变化只能发生在至少两种客体之间，如MN和NM；而MM则是永远无法观测的。

“科学史界越来越多的学者认识到，站在现代科学的立场寻找历史来龙去脉的做法有误入歧途的危险，转而采取从原来的境况中重新阐释科学思想”〔7-2〕，不少人发现了《周易》中保留着自然学的原初形式，可以为科学发展提供有益的哲学启迪。本人沿着这条进路摸索多年，学习探寻的心得是，物理学只有依据两系统结构论的自然观，才可以讨论变与不变。

易以道阴阳；万物负阴而抱阳，冲气以为和；阴变阳，阳变阴，其变无穷；阳变阴合，乘机而为动静；二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象——仅依据上述五句富涵哲理的格言，对物质、时间、空间、运动和因果关系等重要概念做一些简要的剖析，就可以理出一条新的思路。如果依据两系统结构论，对物理学的概念和理论进行一次新的整合与梳理，极有可能会将物理学带出当前的困境。不当之处，敬请各位师长、同仁指正。

参考书目：

1、朱伯昆主编《国际易学研究》第三辑，华夏出版社1997年版

2、董光璧等著《世界物理学史》吉林教育出版社1994年版

3、《马克思恩格斯选集》第三卷人民出版社1972年版

4、(英)霍金著《霍金讲演录》湖南科技出版社1995年版

5、倪光炯等著《近代物理》上海科技出版社1979年版

相对论和量子力学的关系篇4

关键词：自然哲学　量子革命　系统辩证法

关于20世纪科学革命，有人说只须记住三件事：相对论、量子革命和混沌学（系统科学中最突出的新分支）。正是这三大科学革命为人类建构全新的自然图景（也就是新颖的自然哲学）作出了决定性的贡献。这里所谓自然哲学是指人对自然的哲学反思。自然哲学的中心问题就是基于人与自然的关系来研究自然本体最一般的性质和人类的世界图景。

一

自然哲学在哲学史上有过两个全盛时期（古希腊及近代机械论），只是在谢林、黑格尔之后衰落了。由于20世纪三大科学革命的强大影响，自然哲学正在当代复兴起来，这是十分令人鼓舞的。我们先从三大科学革命说起。

首先要提到的是相对论革命对改造人类世界图景的贡献。在1905年的狭义相对论中，时空性质依赖于参照系等概念是对“观察无关性”的经典信念的初次冲击；1915年的广义相对论把引力场（它具有整体全息相关性）确立为新的“独立的实在”，这是对牛顿的实体观的又一次打击。接着要论述的是量子革命，它比相对论革命更为深刻地改变着人类的世界图景。因为1925年以后所创建的量子力学进一步使笛卡儿与牛顿以来的主客绝对二分原则、实体主义原则乃至严格决定论原则都受到猛烈冲击。最后要强调的是系统科学革命。20世纪中叶以来近半个世纪系统科学的蓬勃发展表明，从总体上说，系统自然观集中体现了当代自然图景的精华，因此系统自然观几乎成了当代自然科学的世界图景的代名词，贝塔朗菲称之为“一种新的自然哲学”。20年代所出现的怀特海的“机体论哲学”则是这种自然哲学之先声。

当代的系统自然观借助于维纳的控制论(1949)、贝塔朗菲的一般系统论(1948)、普利高津的耗散结构论(1969)和哈肯的协同学(1971)等理论复活了亚里士多德的机体论和内在目的论的自然哲学。〔1〕控制论通过对“动物（即生命系统）和机器（即非生命系统）的通用规律”的研究表明，自动机器通过反馈调节机制可以表现出与神经控制同样的合目的性或规律。[1]维纳在《控制论》中对牛顿的严格决定论进行了深刻有力的批判，肯定了统计力学家吉布斯把偶然性引进到科学中来的重大的方法论意义，并突破了目的论与机械论之间的两极对立。莫诺在《偶然性与必然性——略论现代生物学的自然哲学》(1971)一书中，则用生物微观控制论表明，借助于生物化学和分子生物学层次的反馈机制以及微观-宏观相互作用，完全偶然的基因突变最终可以纳入物种进化的必然轨道；耗散结构论表明，在远离平衡态条件下开放系统可以通过非线性正反馈机制的作用表现出有序化和合目的性；协同学还进一步发现序参量是整个自组织过程的主宰如此等等。总之，所有这些自动机器和自组织理论都表明，无须超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系统也象自动机一样可以凭借内在机制的作用呈现合目的性。从这个特定意义上说，认为宇宙＝巨大的超级自动机的“机械论”是对的，而非神学性的宇宙“内在目的论”也是对的。从历史上看，牛顿的机械论自然哲学是对亚里士多德的目的论自然哲学的否定。现在，我们的立足于系统科学的新自然哲学则应看作一种“否定之否定”。它是对机械论与目的论自然哲学的更高的辩证综合。

当代自然哲学（它以系统自然观及其系统辩证法为核心或灵魂）最有革命性的一个方面，也许表现在反严格决定论和对偶然性客观意义的新认识。直到现在为止，一般人都相信“近似决定论”：只要近似知道一个系统的运行规律和初始条件就可以足够好地计算出系统的近似行为。可是混沌学中著名的“蝴蝶效应”，即系统演化进程对初始条件的敏感依赖性，却断然否决了牛顿-拉普拉斯决定论的任何翻版（如“近似决定论”）的有效性。美国气象学家洛仑兹在1961年发现，实际上长期天气预报是不可能的。因为即使对于严格确定的气象方程组，初始条件的小误差，也会导致灾难性的后果。诸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那样的初始小扰动，经由地球大气系统中的逐级放大，最终可能在南美洲引起大风暴。这种由决定论引出来的混沌，对经典观念的打击是毁灭性的。混沌革命加强并深化了量子革命。

通过量子力学、分子生物学、协同学乃至混沌学的研究，现代科学家越来越认识到，偶然性在自然界具有不容忽视的本体论地位，以及研究偶然性的内在机制的重要性。为恩格斯赞同过的黑格尔关于“必然性自己规定自己为偶然性，……偶然性又宁可说是绝对的必然性”（〔2〕，第562—563页）的辩证论断，得到最新自然科学的支持。正如马克斯·玻恩在《关于因果与机遇的自然哲学》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果与机遇联合统治的，其中机遇是有规则的。同样，在哈肯的协同学演化方程（如福克-普朗克方程和郎之万方程）中，决定论力项与随机力项是共同起作用的。在混沌理论中，混沌本是由决定论规律引出的内在的无序和不规则性，然而对混沌吸引子的相空间图解研究却表明，即使混沌也有精细结构，其中机遇也是有规则的，偶然性与必然性相互作用的深层非线性机制是可以认识的。从量子力学到系统科学的研究表明，概率统计定律是比严格决定论定律更好的认识工具，但原有的“大数定律”与“统计平均值”等概念对于描述偶然性已经显得太粗糙了，非线性数学该出阵参战了。因为唯有借助于非线性数学才可能认清偶然性起作用的深层结构机制。

当代自然哲学中的系统整体论思想也是相当有革命性的。自从欧几里得、阿基米德以来，“整体＝部分和”的公理已经成为背景知识不可缺少的一部分。这一观念也是牛顿的机械论自然哲学的一个基本要素（它与实体主义、还原主义相协调）。然而，一般系统论中的贝塔朗菲原理“整体不等于各部分简单相加的总和”，却断然取消了欧几里得的公理，以整体论取代了机械论的还原主义。量子力学中的全域相关性和粒子物理学中的新奇现象（“基本”粒子分割到一定限度，将出现“部分大于整体”的佯谬）以及生态系统的整体关联性（卡普拉《转折点》，1989）都支持贝塔朗菲的系统整体观。

总之，以现代物理学与系统科学为代表的当代科学革命已经引起了人类自然图景的根本变革，人们有理由期待一种浸透着量子力学辩证法和系统科学辩证法精神的全新的自然哲学的出现。

二

现在我们转入当代自然哲学的主要疑难及其可能解法的讨论。

鉴于机械论自然哲学所遇到的困难，当代自然哲学所要讨论的主要问题可以归结如下：1.自然本体的性质问题。物理实在究竟是孤立的实体还是依赖于系统场境的存在？“潜在”是否也是物理实在的基本形态之一？究竟是否存在终极实在？2.物理实在所遵循的规律究竟是决定论还是非决定论的？自然系统究竟是必然性还是偶然性所支配的？偶然性应当具有怎么样的本体论地位（是否应当有）？3.所谓“观察者侵入物理事件”的实质是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系统整体论与还原主义孰是孰非？5.目的论的新解释问题。自然系统本身能有目的性吗？能代替上帝作为选择主体的地位吗？目的论是否真与机械论势不两立？它又如何与神学划清界线？下面我们将依次详细分析这些问题：

1.自然本体或物理实在的性质问题。

牛顿机械论自然哲学的本体论或实在观的要害就在于实体主义。一切物理实在被认为都有实体性、实存性，自然被等同于实体的集合（简单相加的总和），一种在绝对空间构架中的机械性的存在物。然而，在新的原子科学中，从前认为不容置疑的“实体实存”原则已经失效。明确的电子“轨道”或光子“路径”等经典性观念在量子力学中是不允许的。电子实际上以“电子云”方式存在着，它并没有绝对分明的轮廓，而且只是或然地显现出来。如“测不准关系”所要求的，电子的位置与相应的动量具有天生的不确定性，决不可能同时有确定的值，因而人们决不可能同时测量到其确定的值。所有这些事实，如果从牛顿的经典本体论的眼光来看简直是不可理解的，因为“潜在性”观念完全没有地位。

实际上，现代物理学家海森伯在批判牛顿机械论实在观的基础上，确实发展了一种全新的、更广义的“潜在”实在观。他根据量子力学事实总结出，潜在是介于可能与现实之间的物理实在的新型式，它被认为特别适用于微观客体。海森伯尖锐地指出：“在量子论中显示的实在概念的变化，并不是过去的简单的继续，而却象是现代科学结构的真正破裂。”（〔3〕，第2页）“几率波的概念是牛顿以来理论物理学中全新的东西。……它是亚里士多德哲学中‘潜在’(potentia)这个老概念的定量表述。它引入了某种介乎实际的事件和事件的观念之间的东西，这是正好介乎可能性和实在性之间的一种新奇的物理实在。”（〔3〕，第11页）“事件并不一定是确定的，而是可能发生或倾向于发生的事情便构成了宇宙中的实在”。（〔4〕，第177页）

总之，海森伯认为量子理论意味着实在观念的革命，牛顿机械论的实在观念已经失效。他举例说，几率波、量子态、电子轨道等都与统计期望值相关联，表示倾向性的、潜在的物理实在，这是物理实在的新形式。

现代粒子物理学的新假说把潜在性观念发展到海森伯本人始料所不及的程度。乔弗利·丘(geoffrey chew)著名的粒子靴绊学说[2]，断然否定了终极实体的可能性，揭示了自然本体的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系统实在论与系统辩证法完全本体论化了！由于任何粒子都可以充当基础粒子，用以构成其他粒子，因此说穿了没有任何一种粒子是真正的“基本粒子”，这就是所谓“基本粒子并不基本”。从根本上说，自然界不可能还原到任何一种或几种终极的实体。说一个质子可以由中子和π介子所构成，或者说它是由λ超子和k介子所构成，或者说它是由两个核子和一个反核子所构成，甚至说是由场的连续质所构成。所有这一切可能性是同样真实地存在的。应当说，所有这些陈述都同样地正确又同样地不完善。因为真实世界等于所有这些潜在的“可能世界”互相叠加的总和。借用日本物理学家武谷三男的话来说：“作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件事变革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”（〔5〕，第28页）

我们的进一步的问题是：作为自然本体的物理实在究竟是否可以归结为互相孤立的实体？还是从本质上说只能是依赖系统场境的整体全息相关的存在？在对著名的epr假想[3]的实验检验中所表现出来的量子关联（即远距粒子之间的整体相关性）很好地回答了这一问题。正如美国科学哲学家西莫尼(a.shimony)所指出：“我们生活在一个实验结果正在开始阐明哲学问题的非凡时代”。而今最新实验结果表明，两个相隔几米且又没有彼此传递信息机制的实体可能被相互纠结在一起，即它们的行为可以有极显著的相关性，以致对其中一个实体进行测量将瞬时地影响到另一个实体的测量结果。这个新奇的实验结果断然否定了爱因斯坦等人(epr)的预设（即“空间上远隔的客体的实在状态必定是彼此独立的”），却符合量子力学的系统整体观。正如玻尔所注意到的，量子现象是作为整体而存在的，其中所反映出来的内在关联是不可消解的。量子现象的整体性不允许人们对它作机械的切割并把这种切割物认作它自身。因此我们有理由说，量子力学的整体实在观是与系统整体观相通的，量子辩证法与系统辩证法相互渗透，量子革命与系统科学革命相互支持。因此，作为科学革命的结晶，新自然哲学主张，物理实在的部分性质取决于整体，取决于系统的内在关联，从根本上说，自然本体是整体全息相关的存在。

2.决定论与非决定论疑难，偶然性的本体论地位问题。

从前认为不容置疑的机械论自然哲学的“严格决定论”预设，如今在新的原子科学中也已经失效。人们向来认为，自然科学和“自然科学唯物主义”有一个不可动摇的支柱：这就是严格决定论。对自然科学的这种见解，最典型地表现在拉普拉斯杜撰的那个精灵故事中，据说这个精灵（超智慧者）知道世界现况的一切决定因素，因而能够无歧义地得出世界在过去或未来的其他一切状态。这个被后人称作“拉普拉斯妖”的理想实验正是严格决定论的化身。可是，现在在微观领域里发现了与这种严格决定论原则相违背的种种反常事实。简略地说，热学与分子物理学的研究表明，气体分子运动是包含不确定性的自然进程，由于初始条件捉摸不定，单个分子的运动状态成为纯粹的偶然事件。分子运动论乃至统计力学的建立表明，概率统计定律也是自然描述不可缺少的一种基本形式。

强调概率统计定律重要性的科学思想反映到自然哲学中去，就成为“统计决定论”。其要旨可概括如下：对于一些包含不确定性的自然过程，虽然严格决定论不能直接应用，但若应用统计方法研究大量单个偶然事件的平均行为，却可以找出明显的统计规律性。换句话说，这些自然过程在统计平均意义上仍是决定论性的。这是决定论的弱化形式之一。

统计决定论的科学基础在于经典统计力学。统计力学的基本出发点则在于，认为尽管大量分子的集团行为满足统计规律，但从底层基础而言，单个分子（单个过程）仍遵守牛顿定律，满足严格决定论。这样，统计决定论并不把不确定性归因于基础规律的不同，而是把它归因于初始条件的难以捉摸（即人类知识的不完备性）。因此，统计决定论只是严格决定论的补充形式。

然而，将概率统计观点真正贯彻到底，最终导致量子物理学的兴起，而测不准关系的发现则使严格决定论沦为无意义的空想。

在现代科学家中第一个对“非完全决定论”（即under-determinism，这个词的不恰当的替代词是indeterminism，即非决定论）有十分清醒认识的是哥廷根学派的马克斯·玻恩。他在名著《关于因果和机遇的自然哲学》中对非完全决定论作了比其他量子物理学家（如玻尔、海森伯等）更为系统和透彻的分析。通过对玻恩文本的适当解释、调整与转译，我们可以提炼出对当代自然哲学极有价值的内容和决定论／非决定论问题的辩证解。〔7〕

非完全决定论的最主要或最有特色的一种表现形式，是与量子力学相应的概率决定论。其要点如下：(1)单个（量子）过程内在地是几率性的、非决定性质的；(2)“自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。”（〔8〕，第9页）(3)机遇律是自然律的终极形式，偶然性有规则，“它们是用数学上的概率论表述出来的。”（〔8〕，第7页）

关于自然界究竟是由必然性还是偶然性所支配的，是决定论性还是非决定论性的那个争论，波普有一个著名的比喻：“云和钟”。“云”就是天上的云，代表极端不确定性，它非常不规则、毫无秩序又有点难以预测；“钟”就是家家都有的时钟，代表高度的确定性，它非常有规则、有秩序又是高度可预测的。这是两个不同的极端，一端变化莫测，另一端高度精确。一般的自然事物往往处在这两个极端之间。波普用“所有的云都是钟”（当然也可以说“所有自然事物都是钟”）表示决定论，用“所有的钟都是云”（当然也可以说“所有自然事物都是云”）表示非决定论。波普终于认识到，人类理性需要的是“处于完全的偶然性和完全的决定论之间的某种中间物，即处于完全的云和完善的钟之间的某种中间物。”（〔6〕，第239—240页）这种完全的偶然论（非决定论）和完全的决定论的中间物，我们可以恰当地称作“非完全决定论”，它意味着对偶然性与必然性、因果与机遇的某种辩证综合，这就是当代自然哲学对这一争论所作的正确解。以上我们是借用m.玻恩与波普的话，经校正、转译纳入自己的概念框架，并用以阐发自己的“非完全决定论”观点。〔7〕

现代生物学和生物微观控制论也为非完全决定论提供新的佐证。莫诺在其名著《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》中，从分子生物学的材料出发，有力地抨击了严格决定论，并为恢复偶然性在自然哲学中的本体论地位付出极大的努力。莫诺是这样说的：

当偶然事件——因为它总是独一无二的，所以本质上是无法预测的——一旦掺入了dna的结构之中，就会被机械而忠实地进行复制和转录，……从纯粹偶然性的范围中被延伸出来以后，偶然性事件也就进入了必然性的范围，进入了相互排斥、不可调和的确定性的范围了。因为自然选择就是在宏观水平上、在生物体的水平上起作用的。自然选择能够独自从一个噪声源泉中谱写出生物界的全部乐曲。（着重号为引者所加）（〔9〕，第88页）

莫诺这段话应当看作关于生物自然界的非完全决定论，关于极小几率的偶然事件向极严格规律转化过程的生动说明。特别是最后那句话是说明生物界的偶然性与必然性的相互联系、相互作用方式的绝妙比喻。当然，由于莫诺有时十分不恰当地将严格决定论与辩证唯物论混为一谈，应当注意他的言论本身具有两重性。（〔10〕，第324页）

非完全决定论的内容还由于系统科学的兴起而得到了进一步丰富和加强。有人因之称作系统决定论。其要旨可概括如下：

一般的自然界的复杂系统（在自然哲学中姑且撇开社会系统），不能由它的构成要素和子系统通过简单相加和线性因果链无歧义地决定其整体功能和行为。但系统的存在与演化仍有相当确定的规律可循，机遇与因果共同决定着系统的存在和发展，因而系统在整体上仍有决定性。

具体地说，系统演化的主要机理就在于机遇性涨落、反馈和非线性作用。人们常喜欢将借助于系统科学特有的资料所认识的辩证法，称作“系统辩证法”。系统科学从自己的角度阐明了因果与机遇、决定性与随机性的辩证法：自组织系统作为远离平衡态的开放系统，以偶然的随机的涨落为诱导，通过正反馈和非线性放大，某一涨落在矛盾竞争之中取得支配地位，成为序参量，于是使系统的演化纳入必然的轨道，建立时空、功能上的新的有序状态。系统辩证法与矛盾辩证法在自组织动力学机制的解释上是高度一致的：当自组织系统处于不稳定点时，系统内部矛盾全面展开并有所激化，与各种子系统及其要素的局部耦合关系和运动特性相联系的模式和参量都异常活跃，各种参量的涨落此起彼伏，它们都蕴含着一定的结构与组织的胚芽，为了建立自己的独立模式并争夺对全局的支配权，它们之间进行激烈的竞争与对抗，时而“又联合又斗争”，最后才选拔出作为主导模式的序参量。非完全决定论在协同学的描述系统演化的数学方程中也得到反映。如郎之万方程（描述布朗运动的）和福克-普朗克方程中，概率论描述与因果性描述共处于一体，随机作用项与决定论作用项被综合在一起，偶然性与必然性因子被综合在一起。从自然哲学看，它们体现了机遇律与因果律的辩证综合。

3.物理事件与观察的关系、主体-客体相互作用问题。

从前认为不容置疑的“客观事件与任何观测无关”的自然哲学信条，如今在新的原子科学中同样也正在失效。正如海森伯所指出，经典物理学的真正核心，也就是物理事件在时间、空间上的客观进程与任何观测无关的信念，由于许多量子实验的发现而受到冲击。而现代物理学的真正力量就存在于自然界为我们提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新实验去发现与观测无关的“纯客观事件”或不依赖于观察者和相关参照系的“绝对时间”，就无异于指望极地探险家在南极圈尚未勘查过的地方会发现“世界尽头”，那只能是不切实际的幻想。（〔4〕，第4页和第9页）对原子、电子那样的客体的任何一次射线照射或观测都足以破坏其初始状态，而且由于或然性和不可逆性，这种状态不可恢复。

玻尔为量子力学所作的“互补性诠释”中一个最基本的思想是：观察者（主体）与被观察者（客体）之间的严格划界是不可能的，因为在实际过程中两者处在紧密相连的相互作用之中。无论是纯粹的“主体”即可以）“无干扰”地进行观察的观察者）或是纯粹的“客体”（可以绝对隔绝外界作用而界定被观察系统的孤立状态）概念都只是经典物理学所作的理想化，而这两种理想化既是相互补充又是相互排斥的。〔11〕这就是玻尔著名的“我们既是观众（观察者），又是演员（被观察者）”辩证论断的真实含义。

实际上，从当代自然哲学的眼光看，这是很自然的：人（观察者）本来就是自然（被观察者）不可分割的一部分，我们只能用一种内在化的眼光来看待自然，而不可能象上帝那样用完全超脱的外在化眼光看自然，这就是问题的症结所在。

正如罗森菲尔德所指出，所谓“观察者介入原子事件进程”的局势，容易产生科学事实的客观性被败坏的假象，因此我们必须与机械论和不可救药的唯心主义划清界线。罗森菲尔德本人正是以辩证法为武器在与机械论和唯心主义划界的过程中阐明了观察者与物理事件的辩证关系的客观性质。（〔12〕，第140页）海森伯说得很分明：“量子论并不包含真正的主观特征，它并不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分”。（〔3〕，第22页）可见，“客体行为与观测有关”原则并不意味着我们可以抛弃客观实在而接受主观主义。

4.系统整体实在观问题。在阐述以上各个问题的过程中，我们实际上已经阐明了整体实在观的基本观点：“整体不同于各部分机械相加的总和”。自然本体是依赖于系统场境的存在、处在相对相关中的存在，是整体全息相关的实在。正如d.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作为统一的不可分割的整体而存在的，其中即使是每个部分内在的性质（波或粒子）也在一定程度上依赖于场境。其实，人本身就是自然的产物，自然不可分割的一部分，人只能作为参与者并在相互作用过程中用内在化的观点来理解自然本体。只是在系统及其诸要素之间的相互作用可以忽视的情况下，还原主义才是近似地有效的。

5.自然本体目的性的（自组织解释）问题。简单地说，当代自然哲学的目的论观是亚里士多德内在目的论的复活和发展，是现代系统科学目的论观的升华。宇宙象是一个有机统一的整体，自然系统（包括生命系统和非生命自组织系统）的结构、功能和演化过程的合目的性可以通过自然本身的自组织机制的作用得到合理解释。〔1〕

例如，自然选择的实质问题是由生物哲学所提出的一个重要问题。按照生物控制论的初步解答，关于生物进化的自然选择机制实质上就是一种以偶然的突变为素材，通过反馈调节的最优化控制机制。艾根的超循环理论则进一步明确，在大分子的自组织阶段，在生化反应的超循环中选择价值高的突变不断通过过滤和正反馈放大，形成功能性的组织，强化、优化并向更高水平进化。这里，一方面自然选择表现为自然本身的纯物质性的有规则的相互作用过程，但它不同于牛顿的机械因果性模式，因为其中突变与选择机制、机遇与因果是辩证地联合起作用的；另一方面，尽管它排除了自然神力的干预，却仍然是合目的性的过程，因为它有自引导的、自动调节的功能（使物种或分子拟种适应环境）。这样，按系统辩证法重新解释过的合理的目的论又能与神学划清界线。

三

正如我们已经看到的，20世纪早期的相对论量子论革命向统治思想界长达二三百年之久的机械论自然哲学，提出了全面的诘难和挑战，并给予毁灭性的打击。当代自然哲学正是在克服旧自然哲学的危机，在回答新兴自然科学所提出的诘难和挑战的过程中逐步建立起来的。20世纪中叶以来以系统科学群为代表的新兴科学的迅速发展，丰富了当代自然哲学的内涵，加速了人类自然图景革新的步伐。

总起来说，当代自然哲学的核心观点，可以简要地重新概括如下：

1.自然本体是依赖于系统场境的、在关系中生成的、流动的实在，作为孤立实体的终极实在根本不存在，“潜在”是物理实在的一种新形式；2.自然系统遵循非完全决定论（即决定论与非决定论的中间物），它是由因果与机遇联合统治的，此两者互斥又互补。偶然性的本体论地位是：它是自然本体本质中的一个规定、一个方面和一个要素。偶然性存在精细的非线性作用机制（由混沌革命所发现！）。3.物理事件与观测有关，人作为自然系统的一分子只能用参与者的身分和内在化的观点来观察自然，绝对的主客二分只是不切实际的幻想；4.系统整体观在总体上比还原主义更为合理，不过为了进行精细的研究，有节制的还原主义仍是必不可少的和有启发力的，两者其实是互斥又互补的。5.自然系统的合目的性可以按自组织观点得到最合理的解释，目的论与机械论也是互斥又互补的。

最后，我们所要强调的是偶然性的恰当的本体论地位问题。迄今仍有不少读者受过时的哲学教科书的影响，把偶然性当作一种外在的、主观的、局部的、非本质的和不稳定的或暂时的东西。其实这种看法有违辩证法的本意，可以毫不客气地说它属于机械论的范畴。通过对量子辩证法与系统辩证法的研究，我们可以十分有把握地说：机遇或偶然性在本体论中恰恰是一种内在的、固有的、普遍的、本质的和永久性的成分。借用列宁论“假象”的话来说，偶然性是“本质的一个规定、一个方面和一个环节”，是“本质自身在自身中的表现”。机遇与偶然性是客观的并且具有自己的非常独特的规律。在新自然哲学中，我们不能再满足于把偶然性看作必然性的“补充形式”的外在化理解，而要比以往任何时候都更加清醒地认识到，机遇与因果相互联结、相互渗透，辩证地融为一体。在非完全决定论中，偶然性恢复了它本来应有的本体论地位，机遇与因果，偶然性与必然性以几率或统计性乃至“混沌吸引子”为中介辩证地联结在一起。在相空间中混沌吸引子的精巧的无穷嵌套的自相似结构，精确而形象地展示出系统演化过程中机遇与因果如何联合起作用的深层非线性机制，进一步丰富了对自然本体辩证内涵的认识。

应当说，这是量子辩证法与系统辩证法对矛盾辩证法的一项贡献，它们本应是相得益彰的。

参考文献

〔1〕桂起权：《目的论自然哲学之复活》，载“自然辩证法研究”1995(7)，并收入吴国盛主编《自然哲学》一书，中国社科出版社1994年版。

〔2〕《马克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理学与哲学》商务印书馆1984年版。

〔4〕海森伯：《严密自然科学基础近年来的变化》上海译文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理学方法论论文集》商务印书馆1975年版。

〔6〕波普：《客观知识》，上海译文出版社1987年版。

〔7〕桂起权：《非完全决定论：因果与机遇的辩证综合》，载“科学技术与辩证法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》商务印书馆1964年版。

〔9〕莫诺：《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起权：《科学思想的源流》武汉大学出版社1994年版。

〔11〕桂来权《析量子力学中的辩证法思想—玻尔互补性构架之真谛》，载“哲学研究”1994(10)。

〔12〕罗森菲尔德：《量子革命》商务印书馆1991年版。

注释：

[1]正是在这一意义上，梁实秋在《远东英汉大辞典》中，将控制论(cybernetics)译作神经机械学。

相对论和量子力学的关系篇5

1929年哈勃宣布：“宇宙正在膨胀着。星系之间的空间随时间线性增加，星系本身并没有改变；而且星系越远，离去得越快”〔1-P115〕。而后，由列梅特、伽莫夫等人发展为大爆炸理论，基本要点是：在100-200亿年之前，宇宙生之于一次大爆炸，物质、能量、时间和空间都由爆炸中创生，爆炸前那种原始的无限稠密被称为“奇点”,由爆炸引起的膨胀，现在仍在继续着。从30年代开始，膨胀的宇宙模型已经为大多数宇宙学家所接受，现在被称为现代宇宙学标准模型。现代宇宙学被定义为：“以广义相对论为理论基础，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下,研究整体宇宙的结构、运动和演化规律的一门学科”(2-P85)。

此前15年，斯利弗在美国天文学协会的一次会议上，公布的观察结果是：“一些明亮星云(后来被证实是星系)，既有蓝移的，也有红移的”；更远的弱光星云，“全都展示红移”(1-P111)。没有做出任何解释。哈勃有效地以“宇宙梯”法解决了确定星系距离的问题之后，通过对自己测定的24个河外星系距离的分析，发现红移量大致同星系距离成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝D1/D2。当时普遍认为，这个结果“唯一可能的物理学解释便是河外星系都在以正比于它们距离的速度退离我们而去”〔3-P140〕，由此得出的H＝V/D，被称为哈勃定律。其中H为哈勃常数，D为星系距离，V为星系退离速度。D和V“都不是可测量的量”(8-P403)。

哈勃定律作为膨胀宇宙论的基础原典、现代宇宙学的观测依据，存在如下纰漏：1、该定律中既没有可观测的物理量，何以能成为“观测依据”?又缺乏作为必要条件的观测数据，如何判定其正确?

2、设星系在t内退离距离D=Vt=HDt；依据哈勃关系式λ/λ=D/D，λ应随时间线性增加，即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移。

3.取H=3×10-2m/s光年，代入λ/λ=D/D=Ht=3×10-2m/s光年·t=10-10/年·t可知，任一星系的λ/λ都将以每年10-10持续增加。60年代观测精度(λ/λ～2.5×10-15)已达这个数据的4×104倍，要证明哈勃定律成立，就必须提供对同一星系λ/λ随时间线性增加的观测证据。

近40年来，新理论与新技术的结合，相继发现了一些不调和的红移现象。海尔天文台的阿普80年代末就宣称：“我们已知有38个不调和红移天体与24个星系相关联。这个数字之大，不允许我们将它一笔勾销”(1-P151)。依据这些佐证，至少在某些情况下，关于红移跟膨胀关联的传统解释是错的。

红移跟运动的关联确实并不具有唯一性。依据狭义相对论，运动物体发出的光被静止者观测时将发生频移，和声波频移机理相同，用多普勒效应解释没有错。依据广义相对论，具有强引力场的静止物体发出的光，在引力势较高处观测也要红移。即光的频移有两种机制，声波频移却仅有一种，用多普勒频移解释光现象就必然会丢失引力频移机制。通常的解释是：“引力不能定量解释星系的普遍红移，引力效应至少不占主导地位”(4-P509)，可以忽略不计；霍金的说法是：“星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应”(5-P47)。

哈勃宣布宇宙在膨胀时，全世界能够理解广义相对论的人寥若晨星，“据记载，本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了下，然后回答：我正在想这第三个人是谁”(5-P83)；50年代之前，“广义相对论大体上是数学的一个分支”，60年代之后才“从考察数学结构到开始按照物理来思考”(6-P72)；尤为重要的是，这个时期利用穆斯堡尔效应在高度差H=22.5m的条件下，“极其精密地测得57Fe的一条γ谱线的紫移，波长相对变化仅有λ/λ≌gH/C2～2.5×10-15，与理论预告值在误差范围内符合”(7-P94)。引力频移被精确地测量出来后，就不得不承认“引力是一种极其巨大的力量”(6-P66)。即此不难算出，在地球引力场中γ光子通过22.5m，需时t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。

由哈勃关系λ/λ=D/D=Ht=10-10/年·t；当λ/λ～2.5×10-15时，t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。

依据平直而各向同性的宇宙学原理,当λ/λ～2.5×10-15时，引力效应/哈勃效应=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很显然忽略引力效应肯定是个重大失误。

大爆炸——膨胀宇宙论被称为标准宇宙模型，存在3个问题：其一、不考虑引力效应就不符合现代宇宙学的定义；其二、40年前就测出的引力频移比膨胀效应大1010数量级，早已粉碎了“唯一的物理学解释”神话；其三、“广义相对论用时空结构的几何性质来表示引力场”(8-P328)，哈勃当时并不理解，用多普勒效应解释红移属于以偏概全；时至今日如果仍不考虑引力效应，宇宙常数偏小、退离速度偏大的错谬，将永远不可能得到纠正。

为了确定引力跟红移的定量关系，特作如下讨论：

一、改变高度差重做穆斯堡尔实验，依据两次测得的数据，可以确定：

1、红移相对变化量跟距离还是距离平方相关；

2、导出相关公式，为比较引力贡献和哈勃贡献提供依据。

二、有人认为，光在漫长的星际旅途中会受到无数恒星的影响，其左弯右折必然使红移量产生较大改变，无法予以判定。其实并非如此，可依据右图阐明如下：图中A为发光恒星，M、N为两个恒星，P为太阳；光线AB受它们影响的实际传播线路为AB、BC、CD、DE、EF；F为地球，FA为依据经验认定的光传播线路。实际上BC是光在M附近沿能级相同的测地线通过的轨迹，能够影响红移的仅为B′C′。即此可得如下推论：

推论1、光无论受多少恒星影响发生左弯右折，决定红移或紫移的只有直线距离。

推论2、A使光红移，F使光紫移，由于M地《M恒，地球的影响可以忽略不计。

推论3、由实验得出的公式，可以用于定量解释星系的普遍红移，同时将成为确证哈勃定律正确与否的判据。

参考书目

1、(美)巴里·派克著爱因斯坦的梦湖南师范大学出版社1989年

2、薛晓舟等著现代物理学的哲学问题河南大学出版社1996年

3、袁正光主编领导干部科普知识全书改革出版社2000年

4、大百科全书编委会大百科全书·物理卷大百科全书出版社

5、(英)霍金著许明贤等译时间简史湖南科技出版社1995年

6、(英)霍金著胡小明等译时间简史续篇湖南科技出版社1995年

7、倪光炯等著近代物理上海科技出版社1979年

8、董光璧等著世界物理学史吉林教育出版社1994年

二、光速不变与波粒二象性

在讨论这两个问题之前，首先需要廊清物理学理论中的3种观念。

1、物理学不研究“物质”，正如没有人能够讲出“水果”是什么滋味一样，因为二者都是抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量跟时空的关系，“物质”属于误用的哲学概念。

2、从牛顿那个时代开始，物理学就分牛顿范式和非牛顿范式，前者研究孤立质点运动的规律，后者探讨热、光、电、磁的本质；现在已经非常清楚，热、光、电、磁现象的本质都是电磁波，统称为能量。

3、现代物理学理论可以分为以质量计量、用时空描述，以能量计量、用位形描述两大体系，物理客体理应分为质量系统和能量系统两大类。同理粒子物理学就应该分清质量子(即费米子)和能量子(即玻色子)，本质差异在于有没有静质量。

据此，先讨论光速不变问题。

所谓的光速不变是一种简称，实际所指是光速与光源运动的速度无关，或曰：光总是各向同性的。依据“质量是惯性的量度”，光子没有静质量，自然就应该与光源的惯性无关。人们通常表现出的“不理解”，根源在于误认为任何“物质”都具有惯性，忘记了惯性只与质量相关，属于牛顿范式独霸天下产生的常识性错误，不清楚物理客体应该分为质量系统和能量系统两大类。

讨论光的各向同性，首先必须依据两系统结构论确立如下观念：所谓的宇宙是质量体(包括电子、质子、原子、分子到其大无比的天球)悬浮在能量海洋(即连续辐射)中的巨系统。只有当能量(子)从质量体中放出(或被吸收)时，才表现出一份一份的粒子属性，被称为光子；而这种能量(团)在连续辐射的海洋中传播时，则总表现为波。只需要以石块掷入水中后，水波总是各向同性传播为类比，就很容易理解光波总是各向同性的道理。

得布罗意提出波粒二象性，至今已有七十余年，开始时说微观“物质”既是粒子又是波，后来改为既不是粒子又不是波；由于实际测量的结果是：用干涉仪得到衍射图象，用计数器记下的是粒子数，就将微观粒子的实在性跟意识联系起来，认为究竟是粒子还是波，由测量者的意识所决定，关键在于选用什么样的仪器。直到今天波粒二象性依旧是个说不清道不明的谜。

实际上只需要摈弃掉“物质”这个误用的哲学概念，并承认物理客体分质量、能量两个系统，问题即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述，只需要将在能量海洋中传播和由质量体吸收(或放出)分开考虑，答案就已经非常明确：波属于能量系统的属性，而粒子性总跟质量系统相关。

光子属于能量子，现在讨论质量子的问题。依据量子运动的特点，粒子永远不会停止运动。按En＝n2h2/8mL2被关在L＝4A箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg)，最低能量状态(基态)也还有2.3eV能量，通常称它为电子的动能，又是一种植根于“物质”这个误用概念的常识性错误。量子场论承认微观存在分粒子和场，每一种粒子都对应着一种场，却讲不清二者之间的关系究竟如何。只需要将电子放到质能两系统结构论的框架去考察，就不难发现所谓的电子动能并非属于电子，而是网络态的能量海洋作用于电子的结果。任何粒子实际上都处在“树欲静而风不止”的被动状态，传统将这种能量理解为电子“自能”，是基于质、能不分产生的常识性错误。试想：空中悬浮的气球不能静止的原因在于空中能量分布不均衡，水中木屑的动能亦来自于水，都不属于气球和木屑自身所有；即此为类比就不难理解粒子性和波之间的相互关系。

结论：所谓的波粒二象性，是使用分别适用于能量或质量系统的仪器，检测由质量子和能量子构成的复合态产生的不同效应。

验证实验：同时使用干涉仪和计数器对质量子进行观测，当光栅的隙缝小于粒子的直径时，放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数。理由是通过光栅的只能是能量海洋中传递的一列波，具有静质量的粒子将被“滤”掉。

三、绝对时间和相对相间

牛顿将时间分为“自身在那里流”的绝对时间和“可感知的及外界的度量”的相对时间。狭义相对论预言“动钟变慢”；广义相对论预言“一个钟所处的引力势越低(深)，它走得越慢”。通常都说相对论的预言被证实，说明牛顿的时间观念是错的；实际上恰恰相反，即此正好证明了时间确实有绝对和相对之分。

牛顿之前，惠更斯已导出单摆周期公式T＝2π(L/g)1/2，据此发明的摆钟至今仍在使用，其走时快慢与g直接相关：g越大，T越小，走时读数即变大；反之即被称为变慢。这个结果为什么正好跟广义相对论的预言相反呢?因为物理学研究的客体分两个系统：一是由牛顿范式沿袭而来的，用质量计量、用时间和空间描述运动的质量系统；一是由非牛顿范式沿袭而来的，用能量计量、用位形描述运动的能量系统。摆钟的读数属于质量系统计量的相对时间，可以通过调节摆长L使所有的钟走时一致，其作用直接源于发条的弹性势。刚旋紧发条时走时慢些，发条松弛时走时即变快。

用原子钟实测的结果正好跟广义相对论预言一致，这又是为什么呢?由于原子释放能量子跟它所处环境的能级直接相关，而能量子的T即代表该能级的内禀时间，由能密梯度g′决定，是无法人为改变的，故而称之为绝对时间。

如图所示，行星R从远日点N向近日点M运行时，动能(正能)逐渐增大，g亦随之增大；由M向N运行时，势能(负能)逐渐增大，g′亦随之增大。沿NM方向，正能密梯度g递增，负能密梯度g′递减。原子钟走时由g′决定，显示的是绝对时间；摆钟走时由g决定，显示的则是相对时间。

小结：绝对时间是弯曲时空(负能密梯度决定其曲率)的内禀时间，传统使用的摆钟“度量”的属于相对时间。当使用人为规定的时间标准去度量负能量海的内禀时间时，就必然会出现时间变快或变慢的实测结果。

验证实验：将在同一地点校准的摆钟和原子钟各一枚，用气球带上高空，依据电台播放的校钟讯号去校钟时，原子钟的读数要大些(变快)，摆钟则变慢。

意义：该实验可以确证：

1、狄拉克所说的负能量海即是充满连续辐射的广袤空域；

相对论和量子力学的关系篇6

关键词：第三种波粒二象性；三种波粒二象性的统一；π型三重波粒二象性；波粒二象关系式；巨光子炮；物理学第六次大综合

中图分类号：O41 文献标识码： A

一、引言

“波粒二象性”是量子物理、现代光学与粒子物理中的核心问题，也是破解“光的本性”、“粒子与场的关系”、“物质世界的最基本结构单元”的关键所在。前苏联科学家瑞德尼克在《量子力学史话》中曾一针见血地指出：“今天，决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题，就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰：物质的两种基本形式――实物（粒子）和场（波）――之间的相互关系。”谁要是破解了实物（粒子）和场（波）的关系，那么，他就登上了物理学的珠穆朗玛峰。本文基于狄拉克“经典电磁场按模式分解”的自然推广――“经典电磁场按光子对应分解”（因为每一个模式又可以包含多个光子）而展开讨论，通过一系列逻辑分析与数学抽象而得到了一些新的结论。

二、“第三种波粒二象性”的揭示

“第一种波粒二象性（光的波粒二象性）”（如图1）由爱因斯坦1905年揭示、1916年由密立根验证，分别获1921、1923年度诺贝尔物理学奖。“第二种波粒二象性（电子的波粒二象性）”由德布罗意1923年揭示、1927年由戴维逊和小汤姆逊验证，分别获1929、1937年度诺贝尔物理学奖。

1994年，中国学者把狄拉克1927年所作“经典电磁场按模式分解”进一步推进到“经典电磁场按光子对应分解”，凝练出了“电磁基波”的概念，提出了“波粒二象性的相变假说”，在经典电磁场与量子电磁场之间建立起了一种基本单元（“电磁基波”与“光子”）的对应关系（每一份“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与一个同频光子的能量、动量、角

动量分别对应相等），揭示了与前两种波粒二象性相并列的“第三种波粒二象性”――经典（电磁）场在结构上的粒子性。

三、“三种波粒二象性”的和谐统一

虽然“第三种波粒二象性”、“第三种中微子振荡”、“第三种量子霍尔效应”的揭示令世人瞩目，但“三种波粒二象性”、“三种中微子振荡”、“三种量子霍尔效应”如何统一（揭示其背后的深刻本质）却更令人神往。

爱因斯坦整整五十年的自觉思考都没能解决“电磁波”与“光量子”之间的关系问题，德布罗意一辈子也未能解决“实物粒子”与“物质波”之间的关系问题。也就是说，尽管“光的波粒二象性”与“实物粒子的波粒二象性”被揭示出来并颁发了四次诺贝尔物理学奖，但“波粒二象性之谜”却并没有完全揭开。

今天，由于“第三种波粒二象性”的揭示，我们才能理顺“三种波粒二象性之间的π型结构关系”，破解“波粒二象性之谜”，把“三种波粒二象性”完美而又和谐地统一起来 （如上图）。

原来，只有第一种波粒二象性才是本质上的波粒二象性（真实的波与真实的粒子在存在的时间上相互错开，满足一定条件时还可以相互转化）；而第二种波粒二象性（真实的粒子在运动上具有“德布罗意波动性”）、第三种波粒二象性（真实的波“在结构上具有粒子性”）都是现象上的波粒二象性，它们的“波”与“粒子”同时存在但一虚一实、不能相互转化。这就是微观客体的“π型三重波粒二象性”。

四、“π型三重波粒二象性”的数学抽象：“波粒二象关系式”与“巨光子炮”

根据“波粒二象性的相变假说”，尤其是更为具体的“π型三重波粒二象性”理论，我们不难想象：由于在经典电磁场（电磁基波的叠加）与量子电磁场（光子气）之间建立起了一种基本单元（“电磁基波”与“光子”）的对应关系，所以，在一定条件下经典电磁场与量子电磁场之间可以发生相互转化（相变），而其本质就是“电磁基波”与“光子”之间的相互转化（真空中基态的量子电磁场吸收一份“电磁基波”而跃迁到激发态，再由激发态放出一个“光子”又回到基态；或者基态的量子电磁场吸收一个“光子”而跳到激发态，再由激发态发射一份“电磁基波”又跳回基态）。假若我们把量子电磁场（光子气）用粒子矩阵P表示，经典电磁场（电磁基波的叠加）用波矩阵W表示，那么，经典电磁场与量子电磁场之间的转化（相变）就可以用数学描写成为一种矩阵变换：

P = G W

其中，G为变换矩阵。再详细一点，我们还可以写出（甚至还可以写出其四维形式）如公式1：

这就是“波粒二象关系式”。它是对“波粒二象性的相变假说”与“π型三重波粒二象性”高度的数学抽象――不仅把量子力学的两大开山之作（普朗克公式与德布罗意公式）统一了起来，而且还把“物理学尚未征服的山峰中的最高峰――实物（粒子）与场（波）之间的关系”用精准的数学公式表达了出来，有如爱因斯坦的质能关系式E=Mc2揭示“质量”与“能量”的平等、线性关系一样。

另外，根据“波粒二象性的相变假说”与“π型三重波粒二象性”理论，我们有望把一份巨大的“弥散能量（波）”通过某种途径集中起来而转化成为一个高速（甚至接近光速）飞行的“巨粒子炮”，例如，可以把现在的激光武器改造成为“巨光子炮”――以光速飞行的“一颗巨大的光子”（根据“三种波粒二象性”的内在关系，我们把“激光谐振腔内输出的受激辐射”不是展现成为数额巨大的多“光子”，而是设法转化成唯一的一颗以光速飞行的“巨光子”炮弹――它在空中飞行几乎没有衰减，用来拦截核导弹简直就是瓮中捉鳖）。 相信“巨光子炮”这种超级武器一定会引起军方乃至世界和平组织的极大兴趣。因为核武器毁灭人类，而“巨光子炮”却可以拯救人类。

五、“三种波粒二象性”和谐统一理论的初步检验

鉴于爱因斯坦广义相对论的三大预言（水星近日点进动、光线的引力偏折、光谱线的引力红移）被验证就奠定了它在科学界的坚实基础，我们也基于“三种波粒二象性”的和谐统一理论而做出了三个颇具颠覆性（在现代物理学的框架内几乎就是不可能）的预言（推论）。如果这三个几乎是不可能的事件都能够得到证实，那么就只能说明“三种波粒二象性”的和谐统一理论具有无比强大的生命力，是攻不破、打不垮的理论。

事实上，这三个颇具颠覆性的推论经过几番腥风血雨、学术论战，已经有两个半得到了证实：

①根据经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出“普朗克的黑体辐射公式”（已为英国曼彻斯特大学的马歇尔所证实）；

②根据经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出“光能量的量子化”（已为中山大学的佘卫龙所证实）；

③“波”与“粒子”完全平等，“光的量子理论”与“光的经典电磁理论”是两个独立、平行的理论，光的量子理论不能包含光的经典电磁理论（已被甘永超证明了一半，还剩下另一半，需要实验判决）。

为了弥补上面三个推论只证实了两个半的遗憾，我们又借助科学史上伽利略亚里士多德“物体越重下落速度越快”所使用的归谬法（它比伽利略的比萨斜塔实验更为有力），从逻辑上进一步证明了第三个推论（如果“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”，那么，我们就可以完全抛弃光的经典电磁理论，这势必导致“光量子”一统天下而“电磁波”突然消失，可是，“电磁波”作为一种具有质量、能量、动量而真实存在的物质，是不可能凭空消失的。所以，“光的量子理论不能包含光的经典电磁理论”）。而这种逻辑推理的力量又十分有力，以至于“进行实验判决都成为多余”！

另外，对于光电效应实验中传统物理学都极力回避的难题（当一个光子的能量低于红限而两个光子的能量高于红限时，能否产生光电效应），“三种波粒二象性”的和谐统一理论却能够给出圆满的解释。第一个光子打到电子上，显示粒子性，被电子吸收，使电子跃迁到高能态；第二个光子紧接着打过来，如果它还显示粒子性，就可能使高能态的电子吸收该光子而逃逸，发生光电效应，可事实上并非如此。而新理论的解释却是：如果第二个光子紧接着打过来，由于电子已经跃迁到了高能态，与之发生相互作用的第二个光子就不再显示粒子性，而是显示波动性，应该用电磁波理论来处理，所以，不会发生光电效应。

如果再计及“π型三重波粒二象性”抽象成为一个数学上的矩阵等式――波粒二象关系式，而该矩阵等式却居然能够把量子力学的两大开山之作（普朗克公式和德布罗意公式）统一起来――这完全可以理解为对“π型三重波粒二象性”与物理学理论和实验自洽性的第5.5次验证。想当年，爱因斯坦的广义相对论也只有“水星近日点进动”、“光线的引力偏折”2个预言被验证（“光谱线的引力红移”一直等到1959年才被美国的庞德和雷布卡利用穆斯堡尔效应加以验证）就奠定了它在科学界的坚实基础并轰动世界，而甘永超的“π型三重波粒二象性”却已经经历了5.5次验证为什么就不能轰动世界！

六、结果与讨论

我们知道，“经典电磁场按光子对应分解”是狄拉克1927年所作“经典电磁场按模式分解”的自然推广，而在“经典电磁场按光子对应分解”基础上建立起来的“三种波粒二象性”的和谐统一理论――“π型三重波粒二象性”又经过了上述5.5次验证，特别是前面那2.5次颠覆性验证是足够有力的。如果与广义相对论的验证相对比，我们应该更加有信心，把“π型三重波粒二象性”理论进一步推向高潮。

其实，“经典电磁场按光子对应分解”――每一个“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与一个同频“光子”的能量、动量、角动量分别对应相等，就让我们找到了破解“粒子自旋”之谜的钥匙。根据“π型三重波粒二象性”理论，粒子的自旋不过是从它的娘胎里带出来的，是粒子的一种内禀特性，例如，当一份“电磁基波”转化为一个“光子”时，转化前“电磁基波”的能量、动量、角动量都由转化后的那个“光子”所承载，也就是说，光子的自旋角动量来源于转化前的那份“电磁基波”的角动量。其实，这个谜底非常简单。

随着“光子自旋”这类艰深物理问题的解决，现代物理学前沿的四大疑难“波粒二象性之谜”、“光的本性之谜”、“粒子与场的关系之谜”、“物质世界的最基本结构单元之谜”也会在“π型三重波粒二象性”的框架下得到解决，我们将会顺利进入“后粒子物理学时代”，迎来“物理学的第六次大综合”――实现“实物（粒子）与场（波）的统一”，建立起“波与粒子的统一物理学”并证实“物质世界的最基本结构单元――‘太极粒子波’”的存在。

回首亚里士多德2300多年以前的《物理学》至今，我们不妨大胆猜想一下物理学究竟有哪几大核心公式。它们应该是主宰物理运动中某一个大类运动的基本定律或公式（例如①主宰机械运动的牛顿第二定律，②主宰电、磁、光运动的麦克斯韦方程，③主宰微观粒子运动的薛定谔方程），或者是揭示最基本、最重要的物理关系与实质的公式，例如④爱因斯坦质能关系式与甘永超揭示的⑤波粒二象关系式――前者揭示了质量、能量、时间、空间与运动之间的关系，它是物理学中最基本的关系――物理学就是研究物质（质量、能量）在时间、空间中的运动，而后者则是物理学中最重要的关系，因为实物（粒子）与场（波）之间的关系至高无上――被（瑞德尼克）称之为“物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰”，也是爱因斯坦一辈子苦苦求索的对象。

作为一种印证，当您在电脑中输入“世界上最伟大的十大公式”并进行搜索时，大多数时，上述“物理学的五大核心公式”都能全部入选，只要把“波粒二象关系式”作为德布罗意方程组（普朗克公式与德布罗意公式之组合）的升级版就行。

我们殷切期望：由中国学者创立的“波粒二象关系式”能够跻身“物理学的五大核心公式”与“世界上最伟大的十大公式”，为人类的文明和进步做出不朽的贡献。我们也期望“巨光子炮”能够早日问世，为维护世界和平、全面销毁核武器做出贡献。

参考文献

[1]瑞德尼克. 黄宏荃， 彭灏译.量子力学史话[M].北京：科学出版社，1979： 281-282.

[2]甘永超， 章介伦. 沈文达，等. 辐射场的内禀结构研究[J].光子学报， 1995， 24（5）： 472～475.

[3]甘永超， 吴美钧. 论电磁场的自身量子化[J].荆州师专（现长江大学）学报（自然科学版）， 1994， 17（5）： 37～39.

[4]甘永超， 吴美钧. 一种自洽的光的波粒二象性图景[J].荆州师专（现长江大学）学报（自然科学版）， 1996， 19（5）： 53～56.

[5]Y. Gan， W.Wang.A self-consistent picture of wave-particle duality of light[C].Proc.of SPIE， 2007， 6664： 666407（本文获湖北省第十二届自然科学优秀学术论文二等奖）.

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[8]She Wei-Long. Light quantum from classical electromagnetic theory[C].Proc. of SPIE， 2007， 6664： 66640A.

相对论和量子力学的关系篇7

【关键词】原子论；原子分子论；比较

一.时代背景比较

19世纪化学发展迅速，法国哲学家伽桑狄受古希腊原子学说的影响，强调原子的大小和形状的原子论及机械哲学。波义耳有机械论宇宙观，认为物质和运动是宇宙的基本质料。通过大量化学实验，他深信万物是复杂的，不能用亚里士多德的“四元素”或医药化学家的“三元素”全部概括，自然界一定存在许多元素，结合生成各种复杂的物质，通过适当的分解方法，最后都变成元素。波义耳明确阐述科学的元素概念，虽有局限性，但与之前元素说完全区别开来，一扫化学研究中的神秘主义，为近代化学的发展指明方向。波义耳指出，实验和观察方法是形成科学思维的基础，化学应当阐明化学过程和物质结构，必须依靠实验来确定基本规律，他把严密的实验引入化学研究，使化学成为一门实验科学打下基础。随后拉瓦锡确定了质量守恒定律，使化学从定性研究方法和观点向定量研究发展。化学家们以弄清物质的组成及化学变化中反应物生成物之间量的关系为目的，将化学与数学方法结合，由此建立了一系列基本的化学定律，如当量定律、定比定律等。进一步揭示这些定律之间的内在联系。约翰.道尔顿研究的最值一提的是关于气体方面研究所得到的理论以及引发的一系列关于原子的理论。做气体实验时遇到了难以用当时已有的理论或者规律解决的问题。首先采用物理方法解释，解释不了混合气体研究内容呈现的规律和结论。其次运用古代原子论也无法解释。在大量实验事实基础上，大胆地猜想并且提出了轰动全世界的“道尔顿原子论”，震撼整个化学界，给化学界开创了新纪元，至今被奉为经典。随着科学家们研究工作的开展，道尔顿原子论的缺陷日渐凸显，传播越发困难。盖吕萨克由实验事实及反复验证提出气体实验定律，它的准确性更加说明道尔顿原子论的不足。道尔顿不肯承认盖吕萨克的说法。两种理论出现矛盾。阿伏加德罗将两者理论结合起来稍加发展提出属于自己的新理论--分子论。它的传播由于理论的不够精确性同样受到阻碍，同时仍然有很多顽固派科学家受旧的理论的束缚，支持道尔顿理论。后来康尼查罗对原子论发展作出突出贡献，独辟蹊径地研究化学史来论证原子- 分子论，体现了逻辑和历史的统一，更加准确和有说服力。毕竟顽固派势力强大，传播受阻，当时的科学技术也无法证明其准确性。在新一代科学家努力下，原子-分子论才为人接受。继而才发展到现代原子-分子理论。

二.研究方法的比较

道尔顿扬弃以古希腊科学家德谟克利特为代表的古代原子论研究气体物理性质和气象研究时大胆假设出原子论内容。曾假定各种物质包括气体在内都是由同样大小的微粒构成。进而研究空气的组成、性质和混合气体的扩散与压力。为了解开混合气体的组成和性质之谜，道尔顿日益重视气体和混合气体的研究，得出结论：各地大气都是由氧、氮、二氧化碳、水蒸气四种主要成分的无数微粒或终极质点混合而成。而气体的混合是因为相同微粒之间产生排斥扩散。“混合气体的总的压力等于各组分气体在同样条件下各自占有某容器时的压力的总的加和”的气体分压定律。某种气体在容器里存在的状态与其他气体的存在无关。若用气体具有微粒的结构去解释很简单，由此推论出物质的微粒结构即终极质点的存在是不容置疑的，由于太小把显微镜改进后也未必能看见。他选择古希腊哲学中的“原子”来称呼这种微粒。空气就是由不同种类、不同重量的原子混合构成的，确认原子的客观存在。而如果原子确实存在，那么根据原子理论来解释物质的基本性质和各种规律，就需要把对原子的认识从定性上升到定量的阶段。道尔顿的首篇化学论文《关于构成大气的几种气体或弹性流体的比例的实验研究》从氧和亚硝气（即氧化氮）的结合去探讨原子之间是怎样相互去化合的，并从中发现这几种原子间的化学结合存在着某种量的关系。道尔顿在分析甲烷和乙烯两种不同气体的组成时，发现它们都含有碳、氢这两种元素，在这两种气体中，当含炭量相同时，甲烷中的含氢量恰好是乙烯中含氢量的2倍。类似的情况普遍存在：甲乙两种元素能够相互化合且生成不同的化合物，这些化合物中，实验表明跟一定重量的甲元素相化合的乙元素的质量互成简单的整数比。于是，发现倍比定律。从原子的观点来看，某元素不仅可以和另一元素的一个原子进行化合，也可以和两个或三个原子化合。得到的结果与一定质量的某元素相互化合的另一元素的质量就必然成简单的整数比：1：2、1：3或2：3等。在原子观点的启迪下，道尔顿发现并解释了倍比定律，同时倍比定律的发现又成为他确立原子论的重要奠基石。道尔顿为了建立更加完善的原子论观点和验证气象研究方面特别是大气性质方面的成果得出的结论：“不同元素的原子重量和大小是不一样的”。他联想到了倍比定律及德国化学家里希特的当量定律，既然原子按一定的简单比例关系相互化合，若对一些复杂的化合物进行分析，把其中最轻的元素的重量百分数同其他的元素的重量百分数进行比较，就可得出一种元素的原子相对于最轻元素的原子的重量倍数，从物质的相对重量，推出物质的原子的相对重量即我们现在所说的相对原子质量。尽管由于他对一些复杂原子（分子）的错误认识及当时条件的限制，他测定的原子量误差很大，但人们对物质结构的一个基本层次——原子的的认识真正建立在科学的基础上了。受当时科技水平的限制，他的理论偏于理论性，无法用科学仪器检测来验证其准确性。但道尔顿原子论关于原子的描述和原子量的计算工作是项意义深远的具有开创性的工作，第一次把纯属猜测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。1808年，法国化学家盖- 吕萨克通过多次实验结果及几番论证发现并提出气体实验定律，即“ 各种气体在相互起化学作用时常以简单的体积比相结合”。在此同时还发现：不但气体间的化合反应是以简单体积比的关系相作用，而且在化合后，气体体积的改变与发生反应的气体体积间也有明了的关系。由此他大胆地提出推论：“在同温同压下相同体积的不同气体都含有相同数目的原子”。这个推论表面上似乎是支持道尔顿的原子论，实际上却把道尔顿原子论推向了新的困境。阿伏加德罗在道尔顿基础上结合盖-吕萨克的理论假说提出了新的学说分子论，也由于理论的局限性遇到极大的困境。1811年，他发现阿伏伽德罗定律，即在标准状态下（0℃，1个标准大气压，通常是1.01325×10^5Pa），相同体积的任何气体都含有相同数目的气体分子，与气体内部化学组成和物理性质无关。它对化学的发展特别是原子质量的测定工作起了重大的推动作用。此后，又发现阿伏伽德罗常数，即1mol任何物质的分子数都约为6.023×10^23个分子。当时没有引起化学家们注意，以致在原子与分子、原子质量与分子质量的概念上继续混乱了近50年。直到他死后2年，科学家康尼查罗指出他应用了阿伏伽德罗理论可怡解决当时化学中的很多问题。在1860年在卡尔斯鲁厄重新宣读了阿伏伽德罗的论文，之后阿伏伽德罗的理论才被许多化学家所接受。在1871年，V.迈尔应用阿伏伽德罗的理论从理论上成功地解释了蒸气密度的特性问题。后来康尼查罗是通过研究化学史来论证原子- 分子理论的。解决了道尔顿原子论无法说明的领域。也将原子论发展到原子-分子理论。冲破了阿伏伽德罗理论的困境。但他也始终是把原子分子理论的微观起点停留在了原子层面，没能更推进一步。随着科技的发展，原子结构模型猜想也不断地演变：1904年汤姆生提出原子模型“葡萄干面包式”，1906年-1908年卢瑟福通过α粒子散射得出类似太阳系的原子模型，1913年玻尔提出了模型原子外电子做圆周运动，1924年法国科学家德布罗意提出光粒二相性再由薛定谔等人一起提出和发展量子力学模型，其中伦琴射线的发现，α粒子衍射法的运用，原子研究进入了更加微观的结构，质子，中子，电子相继发现。海森堡，海特勒，伦敦等科学家也都作出了巨大贡献，又一原子论新纪元在化学史上拉开帷幕。

三.具体内容的比较

道尔顿原子论：1.元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成，原子在所有化学变化中不可以再分，并且保持着自己的独特性质。2.同一种元素的所有原子的质量、性质都是完全相同的。不同元素的原子质量和性质也是各不相同的，原子的质量是每一种元素的基本特征之一。3.不同的元素在化合时，原子之间以简单整数比的方式结合。被后人发现存在缺陷性，譬如说原子可以再分，分为质子，中子，电子等，同一种元素的原子有的性质不一样，如C-12有同素异形体金刚石，石墨而C-13则应用在同位素示踪，跟踪化学反应等运用在不同的领域。阿伏加德罗在结合道尔顿和盖吕萨克的理论基础上他提出了自己的假说，而原子-分子论的代表康尼查罗在阿伏加德罗假说的基础上，重申求物质分子量的一个实用的方法--蒸气密度法。他在原子学说的基础上，突破性地提出了从分子量求原子量的方法，后被称为康尼查罗法。他指出某些金属和非金属的分子量是不可能求得的，道明阿伏加德罗假说与杜隆- 培蒂定律的联系，还指出原子量和当量的区别和联系。康尼查罗论证了无机化学和有机化学的同一性。确立了书写化学式的具体原则。可谓是将原子论细化到具体。更加准确也更加实用，被更多的人们所接受，继而传播到全世界。康尼查罗对化学发展做出的贡献远不止在原子论上，是多方面的涉及。如今科技日新月异，从原子核电子的发现到现今夸克等更小为力的发现都是现代原子-分子论的集体发展。而道尔顿原子论与现代原子分子理论的关系凸显，道尔顿原子论是大基础，后者是顺科学传播受阻而发展起来的。所以道尔顿原子论和现代原子分子论两者是密切关联，发展的关系，是辩证统一的哲学关系。

四.真理性及缺陷性比较

道尔顿原子论是建立在拉瓦锡单质论基础上，在已发现氧、氢、氮等实际存在的原子之后提出的。在此之前还没有确立科学的单质论，只认识到空气原子，水原子等非实际存在原子，而道尔顿的原子论是直接结合定比定律和倍比定律等实验法则而产生的，导入定量描述的原子量概念，是原子观念和实验事实的结合，是科学的原子论学说。道尔顿的原子论在理论上解释了一些化学基本定律和化学实验事实，揭示了质量守恒定律、当量定律、定比定律、倍比定律的内在联系，使化学由定性描述发展到了定量描述，使它成为可验证的学说。道尔顿的原子论揭示了质量是化学元素基本特征的思想，是不自觉地运用量转化为质的规律，而后导致化学元素周期律的发现。各种化学现象、化学元素以及化学定律之间存在着内在的联系，这种联系为原子论所揭示，对当时占统治地位的形而上学的自然观又是一次有力的冲击，因而原子论的建立不仅在科学上，而且在哲学上也具有重大意义。道尔顿原子论是在化学史上继往开来的崭新一页。所提出的新概念和新思想，成为当时化学家们解决实际问题的重要理论。首先用它清晰地解释了当时正被运用的定比定律、当量定律。同时这一理论使众多的化学现象得到了统一的解释。特别是原子量的引入，原子质量是化学元素基本特征的思想，引导着化学家把定量研究与定性研究结合起来，把化学研究提高到新的水平。从此化学脱去了思辨哲学的外衣，而成为自然科学的重要学科。事实证明，如果没有原子论，化学仍将仍旧是一堆杂论无章的观察材料和实验的配料记录。道尔顿的原子论使人们冲破长期束缚思想的经院哲学、机械论哲学，不仅把化学引上科学之路，而且由搜集、记录材料为特征的经验描述阶段逐步过渡到整理材料、找出材料间内在联系的理论概括阶段，它为化学开辟了新时代。革命导师恩格斯评价说，“在化学中，特别感谢道尔顿发现了原子论，已达到的各种结果都具有了秩序和相对的可靠性，已经能够有系统地，差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻，可以和计划周密地围攻一个堡垒相比。”至今科学家们受到道尔顿原子论的启发也很大。而原子-分子论是在它上面发展起来的也作出了巨大贡献，弥补了道尔顿原子论的缺陷，是继承和发扬道尔顿原子论，意义深刻。目前仍然在快速发展之中。“夸克”的发现意味着原子论面对更多新的挑战。未来原子论的发展亟待当今科学家去思考与探究。历史的车轮永远会往前滚去，发展是必然的趋势。

参考文献：

[1]张家治：《化学史教程》，太原，山西教育出版社，2006年版

[2]盛根玉：《现代化学进展》，上海师大人文学院，《上海师大学报》

[3]王峰，《道尔顿与近代化学原子论》，武大人文学院，《湖北师范学院学报》2003.3

相对论和量子力学的关系篇8

Abstract:Science generates the scientific thought, Scientific thought guides the development of science . This paper sorts out the revolution of science in the 20th century, and then analyzes the scientific thought in the 20th-century.

关键词:科学科学革命科学思想

Key word:Sciencescientific thoughtthe revolution of science

作者简介:赵福成,河北师范大学法政学院2007级科学技术哲学专业硕士研究生。

20世纪发生的两次科学革命是科学长期发展和积累的结果,但其深刻性和广泛性,是历代科学革命所无法比拟的。这驱使不少科学家去研究现代物理学革命的特征,探索科学发展的规律。

一、20世纪两次全局性的科学革命

第一次是现代物理学革命。x射线直接地揭开了原子的秘密;汤姆孙发现电子标志着人类对物质微观结构的开始;卢瑟福提出的原子模型,揭示了粒子和它的构造是怎样的;质子中子的发现,对于认识原子核的内部具有重要意义;汤川秀树提出介子学说,还提出了核力场的方程和核力的势,即汤川势的表达式;狄拉克提出了反粒子理论;盖尔曼提出了介子有一堆正反夸克组成,重子由三个夸克组成;爱因斯坦的相对论是关于时空和引力的基本理论,分为狭义相对论和广义相对论;从普朗克的能量子假说,到爱因斯坦的光量子假说,薛定谔的波动观念,到玻恩对函数的统计解释,海森伯的测不准原理及玻尔的互补原理,实现了量子力学的建立。

第二次是综合性科学革命。标志性事件是:1946年第一台计算机问世;弗里德曼提出的非静态宇宙模型,认为宇宙是可能膨胀的;哈勃确定了星系红移和距离之间的线性关系,证实了宇宙膨胀理论;勒梅特提出了宇宙爆炸说;伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来,发展了大爆炸理论,并用它来说明化学元素的起源;1948年系统论、信息论、控制论建立;申农与贝塔朗菲代表作的出版,标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生;1957年,古德等为系统工程论奠定了基础;60年代以来,又出现了新的交叉科学――突变论、协同论和耗散结构理论;50年代板块构造学说问世,魏格纳提出大陆漂移说,由地幔对流说、海底扩张说等阶段,到勒比雄等提出了全球大地板块构造学说;1969年耗散结构理论问世;应用计算机对大气科学和流体力学进行数值研究;分析力学中数学理论的进展,以及统计物理中远离平衡态系统性态的研究,促进了非线性科学的发展; 1971年新兴综合性学科协同学问世;1972年突变理论问世并发展成为一个新的数学分支。

二、对两次科学革命的科学思想浅析

(一)从历时性(纵向)看20世纪科学思想的变迁

分析这两次科学革命,我们可以把20世纪的科学思想分为两个阶段。在20世纪上半叶,科学的基础性、主导型成果是相对论和量子力学,提出了关于时空相对性、空间弯曲、质量和能量的关系、作用量子、波粒二象性、测量中主客体的关系、量子力学的统计性解释等思想,科学认识进入了宏观高速运动领域、微观领域和宇观领域。在20世纪下半叶,主要科学成果是宇宙大爆炸理论、板块构造理论、分子生物学理论以及耗散结构理论、协同学、混沌学、量子场论、量子宇宙学、规范场论、弦理论等,还提出了宇宙膨胀、全球地质观、遗传信息、系统自组织理论思想以及多重宇宙、多重历史、黑洞辐射、时间圈环、多维空间、虚粒子、虚时间等猜想。

(二)从共时性(横向)看20世纪科学思想的特征

20世纪的科学有两大思潮:追求统一性与探索复杂性。

追求自然的统一性,一直是科学追求的基本目标。基于牛顿力学、电磁场学、化学原子论等近代科学硕果,到20世纪初,科学家们认为自然界统一于原子和力。到20世纪50年代,爱因斯坦是追求统一性的主要代表,他试图把自然界的物质和作用统一于场。爱因斯坦是对以牛顿为代表的力学机械论的主要批判者,他的相对论有力的冲击了绝对主义自然观、科学观和思维方式,相对论本身也是追求统一的产物,它追求力学与电磁学、惯性系与非惯性系的统一。可是爱因斯坦在统一场论的过程中,又戏剧性的转向了绝对主义。在爱因斯坦之后,追求统一性的思潮发展为追求4种基本作用的“大统一”,不少科学家甚至追求包罗万象的终极理论。量子场论、量子宇宙学、弦理论都体现出科学家追求统一的努力。

量子力学初步揭示了微观世界的复杂性,强调自然世界的不确定性和微观世界不同与宏观世界的特殊性。以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释,同物理学机械论是根本相悖的。爱因斯坦与哥本哈根学派的争论,是坚持物理学机械论和反对无力学机械论这两种思潮的争论。

在20世纪后50年,普利高津提出了探索性的口号,使他成为复杂性科学思潮的主要代表。量子宇宙学、弦理论并不是根据现有的实验建构起来的,也很难用实验来验证,在一定意义上可以说具有“超验性”。在这种背景下,科学日益趋向数学化、模型化,思辨的色彩也越来越浓。狄拉克说,数学是特别适合于处理抽象概念的工具,在这个领域数学的力量是没有限制的。到了霍金,这种意识就更加强烈了,数学模型被看做是追求统一的工具。20世纪上半叶,马赫等人都上升到哲学,从哲学高度进行探索和解释。这将对21世纪科学的发展具有重要的启迪意义。

参考文献:

[1] 周林等 科学家论方法[M ] 内蒙古人民出版社,1985年

[2] 狄拉克 量子力学原理[M ] 科学出版社,1965年

相对论和量子力学的关系篇9

关键词：量子力学；经典科学世界图景；非机械决定论；整体论；复杂性；主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界

图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

相对论和量子力学的关系篇10

1物理学的发展过程

1.1 宏观低速阶段

研究宏观低速的理论是牛顿力学,研究对象为宏观低速运动的物体。例如:汽车、火车的运动,地球卫星的发射。在牛顿力学中,牛顿认为:质量、时间、空间都是绝对的。也就是说,对于时间来讲不存在延长和收缩的问题,即时间是在一秒钟,一秒钟地或一个小时,一个小时地均匀流失。对于空间和质量来讲也不存在着变大或变小的问题。牛顿力学的三大定律,就是在这样的基础上建立的。

1.2 宏观高速阶段

研究宏观高速的理论是爱因斯坦的相对论力学,爱因斯坦在1905年发表了论文相对论力学。爱因斯坦认为空间、质量、时间都是相对的。并且找出了动质量和静质量之间的关系:其中m0为静质量;m为动质量。

1.3 微观低速阶段

其理论是薛定谔,海森堡两个创立的量子力学。研究对象为分子、原子、电子、粒子等肉眼所看不见的物质。

1.4 微观高速阶段

理论是量子场论,研究对象为宇宙射线,放射性元素。例如:“镭”。量子场论就是粒子通过相互作用而被产生,湮灭或相互转化的规律。例如:通过对天外射线射向地球宇宙射线的研究发现“反粒子”,即电子的反粒子正电子。负电子与正电子相互作用湮没—— 转化为二个γ光子,例如“闪电”。

2物理学与工程技术的关系

物理学与工程技术有着密切的关系,他们之间是相互促进共同发展的。我们平时常说科学技术,实际上科学和技术是两个不同的概念。科学解决理论问题,而技术解决实际问题。科学是发现自然界当中确实存在的事实,并且建立理论,把这些理论和现象联系起来。科学主要是探索未知,而技术是把科学取得的成果和理论应用于实际当中,从而解决实际问题。所以技术是在理论相对比较成熟的领域里边工作。科学与工程技术相互促进的模式主要有以下两种。

2.1 技术—— 物理—— 技术

例如:蒸汽机的发明和蒸汽机在工业当中的应用形成了第一次工业革命—— 热力学统计物理—— 蒸汽机效率的提高,内燃机,燃气轮机的发明。这一次主要是这样:由于蒸汽机的发明,在当初工业应用上,出现了很多应用技术的问题。例如蒸汽机发明的初期热效率很低,大概不到5％。这样,就对物理提出了很尖锐的问题。那就是热机的效率最高能达到多少？热机的效率有没有上限？上限是多少？再一个就是通过什么样的方式来提高热机的效率？由于这些问题就促进了物理学的发展,正是在这些问题解决的过程当中,逐渐形成和建立了热力学统计物理。而热力学统计物理很好地回答了提高热机效率的途径,以及提高热机效率的限度等等这些理论上的问题。

2.2 物理—— 技术—— 物理

例如:(1)电磁学—— 发电机,电力电器,无线电通信技术—— 电磁学;电磁学从库仑定律的发现,以及法拉第发现电磁感应定律,直到1865年麦克斯韦建立电磁学基本理论,这些都是科学家在实验室里边逐渐形成的,这都是理论建立的过程,而这些理论应用于实际就发明了电动机、发电机等其它电器以及无线电通信技术,而这些实用技术的进一步发展又给电磁学提出来了许多需要解决的实际问题。正是这些问题的逐步解决,使得电磁学更加的完善和在理论上进一步得到了提高。(2)量子力学,半导体物理—— 晶体管超级大规模集成电路技术,电子计算机技术,激光技术—— 量子力学,激光物理;量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论,这种理论应用于解决晶体的问题就形成了半导体技术,而半导体技术的进一步发展就发明了大规模集成电路和超大规模集成电路,而超大规模集成电路的发明是产生电子计算机的主要物质基础,而正是由于电子计算机技术的发展又向量子力学提出了一些其他更加深刻需要解决的问题,而这些问题的解决就促进了量子力学的进一步发展和完善。(3)狭义相对论,质能关系E=mc2,E=mc2—— 原子弹及核能的利用—— 核物理,粒子物理,高能物理;狭义相对论是20世纪初期爱因斯坦建立的一种理论,他是为了解决电磁学等其他物理学科上的一些经典物理当中理论上的一些不协调和不自恰这样一种矛盾而提出的一种理论,这种理论当中有一个很重要的理论结果,那就是质能关系E=mc2,E=mc2。而这种质能关系被我们称为打开核能宝库的钥匙,这一理论结果的应用直接导致了或者指导了核能的应用,而对于核能的进一步应用又提出了许多新的问题,而这些新问题的进一步解决使得理论更加完善而得到进一步提高,从而形成像核物理,粒子物理,以及高能物理等等,那么实际技术上问题的解决又进一步促进了物理学的发展。

3结语

应该说物理和技术有着密切的联系,物理原理及理论的初创式开发和应用都形成了当时的高新技术,物理学仍然是当代高新技术的主要源泉。所有新技术的产生都在物理学中经历了长期酝酿。例如:1909年卢瑟福的粒子散射实验—— 40年后的核能利用;1917年爱因斯坦的受激发射理论—— 1960年第一台激光器的诞生等,整个信息技术的产生、发展,其硬件部分都是以物理学为基础的。

参考文献

[1] 张启仁.经典场论[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 井孝功.量子力学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

[3] 关洪.空间:从相对论到M理论的历史[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 保罗·贝内特[著],苏福忠[译].时间[M].上海:上海人民美术出版社,2003.

[5] G.司蒂文逊,C.W.凯尔密司特.狭义相对论[M].上海:上海科学技术出版社,1963.

[6] 赵展岳.相对论导引[M].北京:清华大学出版社,2002.