第一章問題與挑戰(zhàn)
到目前為止，量子力學(xué)是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展中最成功也是最神秘的理論之一。其成功之處在于，它以獨(dú)特的形式體系與特有的算法規(guī)則，對(duì)原子物理學(xué)、化學(xué)、固體物理學(xué)等學(xué)科中的許多物理效應(yīng)和物理現(xiàn)象做出說明與預(yù)言，已經(jīng)成為科學(xué)家認(rèn)識(shí)與描述微觀現(xiàn)象的一種普遍有效的概念與語言工具，同時(shí)也是日新月異的信息技術(shù)革命的理論基礎(chǔ)；其神秘之處在于，與其形式體系的這種普遍有效的應(yīng)用恰好相反，量子物理學(xué)家在表述、傳播和交流他們對(duì)量子理論的基本概念的意義的理解時(shí)，至今仍未達(dá)成共識(shí)。量子物理學(xué)家在理解和解釋量子力學(xué)的基本概念的過程中所存在的分歧，不是關(guān)于量子理論的算法規(guī)則本身的分歧，也不是關(guān)于亞原子粒子是否存在的分歧，而是能否仍然像以牛頓力學(xué)為核心的經(jīng)典物理學(xué)那樣，為現(xiàn)行的量子力學(xué)提供一個(gè)實(shí)在論的解釋之間的分歧。這是由量子力學(xué)對(duì)傳統(tǒng)哲學(xué)觀念顛覆性的挑戰(zhàn)造成的。
第一節(jié)經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)*
經(jīng)典物理學(xué)是隨著實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)學(xué)方法的確立而發(fā)展起來的，被廣泛地稱為“實(shí)驗(yàn)科學(xué)”。實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典物理學(xué)中至少發(fā)揮著“發(fā)現(xiàn)與檢驗(yàn)”兩種同樣重要的功能，數(shù)學(xué)則是物理學(xué)家描述與理解自然界最喜歡使用的一種簡(jiǎn)潔而有效的語言符號(hào)。實(shí)驗(yàn)方法所具有的物質(zhì)性、能動(dòng)性與可感知性，以及數(shù)學(xué)方法所具有的邏輯性、推理性和系統(tǒng)性等特點(diǎn)，直接奠定了物理學(xué)研究中的實(shí)在論立場(chǎng)。這種立場(chǎng)大致包括如下基本點(diǎn)：承認(rèn)有一個(gè)客觀的、離開知覺主體而獨(dú)立存在的實(shí)在世界，它現(xiàn)實(shí)地構(gòu)成了全部自然科學(xué)研究的直接或間接的對(duì)象域；物理學(xué)家關(guān)于研究對(duì)象的知識(shí)首先來自測(cè)量、觀察和實(shí)驗(yàn)等感性物質(zhì)活動(dòng)；加工感性材料而形成的概念和理論是對(duì)客觀對(duì)象的間接而深刻的反映；概念與理論的正確性需要由是否與對(duì)象的內(nèi)在本性相符合來加以判斷；得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)的真理性的概念與理論，具有指導(dǎo)人們做出預(yù)言從而變革現(xiàn)實(shí)的作用。幾百年來，這種立場(chǎng)已經(jīng)牢固地貫穿于物理學(xué)家的研究信念當(dāng)中，內(nèi)化為科學(xué)哲學(xué)家?guī)於鳎═.Kuhn）所說的一種“范式”�！胺妒健钡男纬蓸O大地超越了理論的簡(jiǎn)單陳述，轉(zhuǎn)化為一種較為固定的思維方式或研究直覺，成為近代經(jīng)典物理學(xué)研究的哲學(xué)基礎(chǔ)和確保物理學(xué)研究能夠持續(xù)發(fā)展的最基本的價(jià)值前提。
一、機(jī)械實(shí)在論的興衰
“機(jī)械實(shí)在論”是以經(jīng)典力學(xué)的研究范式為基礎(chǔ)的。經(jīng)典力學(xué)的奠基性工作主要由英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家牛頓（I.Newton）完成。
牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，通過對(duì)著名的萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律的詳盡闡述，確立了經(jīng)典力學(xué)的基本框架。牛頓力學(xué)是一個(gè)富有成果的理論體系，它不僅將先前零散發(fā)現(xiàn)的力學(xué)知識(shí)概括和統(tǒng)一起來，而且還為爾后發(fā)展起來的機(jī)械制造工業(yè)提供了理論工具。從當(dāng)代物理學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)來看，不論“知識(shí)陳舊”的呼聲多么強(qiáng)烈，不論經(jīng)典力學(xué)的適用范圍受到怎樣的限制，不論經(jīng)典力學(xué)的研究方法多么粗糙，經(jīng)典力學(xué)始終在科學(xué)的殿堂里占有一席之地，不僅如此，經(jīng)典力學(xué)所蘊(yùn)涵的對(duì)“科學(xué)理論與實(shí)在”之間的關(guān)系的許多理解，在某種程度上，至今仍然是科學(xué)家所堅(jiān)持的基本信念。這種理解主要建立在牛頓力學(xué)三個(gè)基本特征的基礎(chǔ)上。
從形式上看，牛頓力學(xué)是一個(gè)由公理化方法建構(gòu)起來的演繹體系。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，首先，從八個(gè)原始定義出發(fā)，對(duì)一些重要的物理量（如質(zhì)量、加速度、力、動(dòng)量等）性質(zhì)做了明確的規(guī)定；其次，著重闡述了力學(xué)的基本公理或運(yùn)動(dòng)定律以及一些推論。這些定義、公理及推論內(nèi)在地聯(lián)系在一起，形成了物理學(xué)家海森伯（W.Heisenberg）所說的一個(gè)相對(duì)完備的“閉合系統(tǒng)”，在這個(gè)系統(tǒng)中，任何一個(gè)原始定律的改變都將會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的完備性。
牛頓用數(shù)學(xué)符號(hào)表示物理概念，并把不同的物理概念之間的聯(lián)系用數(shù)學(xué)符號(hào)之間的關(guān)系體現(xiàn)出來，形成了可供具體運(yùn)算的數(shù)學(xué)方程。數(shù)學(xué)方程之間的關(guān)聯(lián)在邏輯上是內(nèi)在自洽的。在牛頓力學(xué)中，力學(xué)定律可以說明和預(yù)言所有物體在某種力的作用下的運(yùn)動(dòng)行為。牛頓對(duì)運(yùn)動(dòng)三定律的表述分別是：
定律一：每個(gè)物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態(tài)。
定律二：運(yùn)動(dòng)的改變和所加的力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個(gè)直線方向上。
定律三：每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它相對(duì)抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等，并且各自指向其對(duì)方。這三個(gè)定律就是我們?cè)缫咽熘�的慣性定律、加速度定律和作用力與反作用力定律。牛頓通過這三個(gè)定律預(yù)設(shè)了宏觀力學(xué)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)，給出了原始概念間的定量數(shù)學(xué)表述，并且明確了力的含義，規(guī)定了力的性質(zhì)。在這三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律中，第三定律是關(guān)于兩體相互作用的。從表面看，第一定律在物理內(nèi)容上完全可以作為第二定律的特殊情況（即合力為零）來處理�？墒牵�牛頓卻將第一定律與第二定律以并列的形式作為不可通約的兩個(gè)定律呈現(xiàn)出來，其中的原因顯然不是出于物理內(nèi)容上的考慮，而是在于第一定律預(yù)設(shè)了理解牛頓力學(xué)的基本前提。
這恰好是第二定律所沒有的。所以，慣性定律作為第一定律的地位是非常重要的。它所包含的一些概念，如“靜止”、“勻速直線運(yùn)動(dòng)”，是與參照系的選擇有關(guān)的。物體之所以能在無外力作用時(shí)保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，是因?yàn)殡[含了參照系是以笛卡兒坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)的慣性系的假定�？墒�，直接從經(jīng)驗(yàn)上選擇任何參照系都不是不動(dòng)的參照系，并且，任何一個(gè)具體的物體運(yùn)動(dòng)都是非勻速的。這說明，與實(shí)物相聯(lián)系的任何參照系都不可能成為慣性定律成立的基礎(chǔ)。于是，牛頓假設(shè)了與任何具體物體都不相聯(lián)系的絕對(duì)時(shí)空觀。
牛頓對(duì)時(shí)間和空間概念的界定是為了消除一般人從時(shí)間、空間、位置及運(yùn)動(dòng)這些基本概念與可感知的物質(zhì)之間的聯(lián)系中產(chǎn)生的理解上的偏見。他指出：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地，與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著，它又可以名為‘延續(xù)性’；相對(duì)的、表觀的和通常的時(shí)間是延續(xù)性的一種可感知的、外部的（無論是精確的還是不相等的）通過運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的量度，我們通常就用諸如小時(shí)、日、月、年等這種量度來代替真正的時(shí)間�！薄敖^對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)的永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的。相對(duì)空間是絕對(duì)空間的可動(dòng)部分或者量度。我們的感官通過絕對(duì)空間對(duì)其他物體的位置而確定了它，并且通常把它當(dāng)作不動(dòng)的空間看待。如相對(duì)于地球而言的地下、大氣或天體等空間就都是這樣來確定的。絕對(duì)空間和相對(duì)空間，在形狀上和大小上都相同，但在數(shù)字上并不總是保持一樣。因?yàn)�，例如�?dāng)?shù)厍蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)相對(duì)于地球總是保持不變的大氣空間，將在一個(gè)時(shí)間是大氣所流入的絕對(duì)空間的一個(gè)部分，而在另一時(shí)間將是絕對(duì)空間的另一個(gè)部分，所以，從絕對(duì)的意義來了解，它總是在不斷變化的�！�
牛頓在對(duì)絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)時(shí)間，絕對(duì)空間與相對(duì)空間進(jìn)行了區(qū)分之后，接著，對(duì)絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間進(jìn)行了進(jìn)一步的表述，他寫道：“所有的運(yùn)動(dòng)可能都是加速的或減速的，但絕對(duì)時(shí)間的流逝卻不會(huì)有所改變。不管其運(yùn)動(dòng)是快是慢，或者根本不運(yùn)動(dòng)，一切存在的事物的延續(xù)性或持久性總是一樣的�！薄芭c時(shí)間各個(gè)部分的次序不可改變一樣，空間各個(gè)部分的次序也是不可改變的。……所有事物時(shí)間上都處于一定的連續(xù)次序之中，空間上都處于一定的位置次序之中。”“……整體的和絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)，只能從不動(dòng)的處所來予以確定。也正由于這個(gè)原因，所以我在前面總是把這種絕對(duì)運(yùn)動(dòng)認(rèn)為是對(duì)于不動(dòng)的處所的運(yùn)動(dòng)，而把相對(duì)運(yùn)動(dòng)看作總是對(duì)于運(yùn)動(dòng)處所而言的運(yùn)動(dòng)。然而只有那些從無限到無限，確實(shí)彼此間處處都保持相同位置的處所，才是不動(dòng)的處所，因此，它必然永遠(yuǎn)停止不動(dòng)，從而形成一個(gè)不動(dòng)的空間。”
愛因斯坦認(rèn)為，在牛頓力學(xué)中，時(shí)間與空間具有雙重作用：
首先，它們起著物理學(xué)中所出現(xiàn)的事件的載體或者構(gòu)架的作用，事件是參照這種載體或構(gòu)架用空間坐標(biāo)和時(shí)間來描述的。……空間和時(shí)間的第二個(gè)作用是作為一種“慣性系”。慣性系之所以被認(rèn)為比一切可想像的參照系都優(yōu)越，就是因?yàn)閷?duì)它們來說，慣性定律必定是成立的。
可見，絕對(duì)時(shí)空的這種特殊作用，使得時(shí)空與物質(zhì)彼此獨(dú)立，時(shí)間僅作為一種描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)參量出現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)方程之中，在這個(gè)方程中，時(shí)間具有反演對(duì)稱性�；蛘哒f，經(jīng)典力學(xué)中某些量的變化被認(rèn)為在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。時(shí)間的這種特殊地位，再加上經(jīng)典力學(xué)定律中并不存在限制該定律應(yīng)用的任何普適常數(shù)，即定律的定義沒有涉及現(xiàn)象發(fā)生的尺度限制與范圍：小到分子、原子，大到行星等天體，力學(xué)定律被認(rèn)為都是普遍適用的，體現(xiàn)了力學(xué)定律在宇宙間的普適性和完備性。換言之，在經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)中，用數(shù)學(xué)方程表示的定義和公理體系，完全可以被看做是描述自然的永恒結(jié)構(gòu)的“永真”系統(tǒng)，既與特殊的空間無關(guān)，也與特殊的時(shí)間無關(guān)。這構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的超時(shí)空性特征。
牛頓力學(xué)的第二個(gè)值得關(guān)注的特征是，嚴(yán)格的因果決定性，這是由運(yùn)動(dòng)方程確定的。在牛頓力學(xué)中涉及兩個(gè)重要的要素，“一個(gè)要素是每一點(diǎn)在某一瞬間的位置和速度，這一瞬間通常叫做‘初始瞬間’。另一個(gè)要素是把動(dòng)力學(xué)的力和加速度關(guān)聯(lián)起來的運(yùn)動(dòng)方程。運(yùn)動(dòng)方程的積分將從這個(gè)‘初始狀態(tài)’出發(fā)伸展到相繼的狀態(tài)，即組成系統(tǒng)的各物體的軌跡的集合�！痹谶@里，不僅“一切都是給定的”，而且“動(dòng)力學(xué)把所有的狀態(tài)都定義成是等價(jià)的：每一個(gè)狀態(tài)都允許沿著軌道計(jì)算出所有其他狀態(tài)，這軌道連接著所有的狀態(tài)，無論是過去的狀態(tài)還是未來的狀態(tài)�！备�明確地說，牛頓力學(xué)所描述的世界完全是鑲嵌在一個(gè)數(shù)學(xué)-力學(xué)的世界之中。在真實(shí)的世界與數(shù)學(xué)-力學(xué)的世界之間存在著某種等當(dāng)性，這種無歧義的等當(dāng)性通過下列方式體現(xiàn)出來：由動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算所得到的每一個(gè)物理量的數(shù)值，總是與一個(gè)實(shí)際測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在一定條件下，理論描述與實(shí)際測(cè)量成為互相檢驗(yàn)、相互印證的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。我們既可以通過理論計(jì)算求出物理量的數(shù)值，也可以通過測(cè)量手段來測(cè)得其具體狀態(tài)。在這里，初始條件的確定成為推知系統(tǒng)其他任何時(shí)刻狀態(tài)的一把鑰匙。
亥姆霍茲于1847年在他的《論力的守恒》一文中把近代自然科學(xué)的這種研究方式概括為：
自然科學(xué)的問題首先在于尋找一些規(guī)律，以便把種種特定的自然過程歸因于某些一般規(guī)則，并從這些一般的規(guī)則中推演出來�！�…我們相信這種研究是對(duì)的，因?yàn)槲覀兇_信自然界中的各種變化都一定有某個(gè)充分的原因。我們從現(xiàn)象推得的近似原因，它本身可能是可變的也可能是不變的。如果是前者，上述的信念會(huì)促使我們?nèi)プ穼つ軌蚪忉屵@種變化的原因。直到最后找到不可變的最終原因，而這個(gè)不可變的最終原因在外界條件相同的各種情形下一定能產(chǎn)生同樣的不變的效果。因此，理論自然科學(xué)的最終目標(biāo)就是去發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象的終極的、不變的原因。
海森伯在談到近代物理學(xué)中的語言和實(shí)在的關(guān)系時(shí)，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的概念系統(tǒng)與哲學(xué)基礎(chǔ)做出的評(píng)論是，19世紀(jì)末“所引入的全部概念構(gòu)成了適用于廣闊經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域的完全首尾一貫的概念集，并且，與以往的概念一起，構(gòu)成了不僅是科學(xué)家，也是技術(shù)人員和工程師在他們的工作中可以成功地應(yīng)用的語言。屬于這種語言的基本觀念是這樣一些假設(shè)：事件在時(shí)間中的次序與它們?cè)诳臻g中的次序無關(guān)，歐幾里得幾何在真實(shí)空間中是正確的，在空間和時(shí)間中發(fā)生的事件與它們是否被觀測(cè)完全無關(guān)。不可否認(rèn)，每次觀測(cè)對(duì)被觀測(cè)的現(xiàn)象都有某種影響，但是一般假設(shè)，通過小心謹(jǐn)慎地做實(shí)驗(yàn)，可使這種影響任意地縮小。這實(shí)際上是被當(dāng)做全部自然科學(xué)的基礎(chǔ)的客觀性理想的必要條件”。
牛頓力學(xué)的第三個(gè)特征是純客觀性。這是由牛頓闡述的研究問題的下列四條法則加以保證的：
法則一：除那些真實(shí)而已足夠說明其現(xiàn)象者外，不必尋求自然界事物的其他原因。
法則二：所有對(duì)于自然界中同一類結(jié)果，必須盡可能歸之于同一種原因。
法則三：物體的屬性，凡是不能增強(qiáng)也不能減少者，又為我們實(shí)驗(yàn)所能及的范圍內(nèi)的一切物體所具有者，就應(yīng)視為所有物體的普遍屬性。
法則四：在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中，我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運(yùn)用一般歸納而導(dǎo)出的命題看作是完全正確的，或者是非常接近于正確的；雖然可以想象出任何與之相反的假說，但是，沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更正確或者出現(xiàn)例外以前，仍然應(yīng)當(dāng)給與如此的對(duì)待。
牛頓把這四條法則稱為“哲學(xué)中的推理法則”，同時(shí)，也是他研究問題的基本方法。法則一實(shí)際上描述的是簡(jiǎn)單性原則，用牛頓的話來說，就是“自然界喜歡簡(jiǎn)單化，不愛用什么多余的原因夸耀自己”；法則二給出了在相似性、統(tǒng)一性的基礎(chǔ)上尋找因果關(guān)系的原則，表達(dá)了同樣的原因必然導(dǎo)致同樣的結(jié)果，即如果由于原因A產(chǎn)生了結(jié)果B，那么，結(jié)果B，必須是由原因A引起的。在這里，原因是結(jié)果的充分必要條件；法則三中牛頓繼承了英國(guó)哲學(xué)家培根（F.Bacon）的經(jīng)驗(yàn)主義傳統(tǒng)，并把通過實(shí)驗(yàn)所揭示的物體的屬性看成是純客觀的，例如，牛頓在對(duì)法則三的說明中指出，物體的屬性只有通過實(shí)驗(yàn)才能為我們所了解，所以，凡是與實(shí)驗(yàn)完全符合而又既不會(huì)減少更不會(huì)消失的那些屬性，我們就把它們看做是物體的普遍屬性�；蛘哒f，在牛頓看來，實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為觀察事實(shí)既與人無關(guān)，也與理論無關(guān)，是對(duì)物體內(nèi)在屬性的一種完全客觀的揭示；法則四規(guī)定了歸納論證的有效性。
顯然，牛頓的這四條法則明確地突出了觀察結(jié)果與歸納論證在理論形成過程中的重要的作用。牛頓把那些不是從現(xiàn)象中推論出來的任何說法都稱為假說，并進(jìn)一步指出：
這樣一種假說，無論是形而上學(xué)的或者是物理學(xué)的，無論是屬于隱蔽性質(zhì)的或者是力學(xué)性質(zhì)的，在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中都沒有它們的地位。在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中，命題都是從現(xiàn)象推出，然后通過歸納而使之成為一般。
或者，我們可以把牛頓的方法論總結(jié)為三步：其一，實(shí)驗(yàn)，即通過實(shí)驗(yàn)把相關(guān)現(xiàn)象分離出來并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；其二，歸納，即從現(xiàn)象中歸納出一般的規(guī)律；其三，整合與預(yù)言，即通過一般規(guī)律對(duì)觀察現(xiàn)象進(jìn)行演繹說明，并預(yù)言有可能出現(xiàn)的新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在這里，實(shí)驗(yàn)、測(cè)量、觀察、語言表達(dá)、符號(hào)賦義都是無歧義的，觀察陳述與實(shí)驗(yàn)事實(shí)是中性的，是價(jià)值無涉的，是對(duì)自然界內(nèi)在性質(zhì)的揭示，是形成理論的基礎(chǔ)或是證實(shí)理論的判別標(biāo)準(zhǔn)。顯然，牛頓力學(xué)的這種結(jié)構(gòu)最理想地落實(shí)了邏輯經(jīng)驗(yàn)主義的哲學(xué)綱領(lǐng)。
牛頓力學(xué)的這三個(gè)基本特征不是孤立外在的，超時(shí)空性表明了經(jīng)典力學(xué)的無條件性；嚴(yán)格的因果決定性表明了經(jīng)典力學(xué)的無歧義性；無條件性與無歧義性共同決定了經(jīng)典力學(xué)的純客觀性。經(jīng)典力學(xué)的這些特征是由它的公理性質(zhì)的前提所
……