自然辩证法与量子力学

自然辩证法与量子力学周本胡（湖南师范大学凝聚态物理专业）摘要：本文简要分析了量子力学的发展过程，从自然辩证法的角度阐述了科学发展的辨证规律。关键词：量子力学发展辩证法十九世纪末，物理学理论在当时看起来已发展到相当完善的阶段，当时有许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露，剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上，进行一些计算而已。这种把当时物理学的理论认作“最终理论”的看法显然是错误的，自1900年Plank提出量子概念以来，物理学发生了重大的飞跃，从量子概念的提出到量子力学的建立再到量子力学的应用及检验，整个过程科学家们做出了伟大的贡献，谱写了辉煌的思想史和科学史，充分展示了科学发展的辨证规律。本文就量子力学的发展过程、辨证思想以及给我们的启示作浅陋分析。1量子力学的发展过程就在物理学的经典理论取得重大成就的同时，人们发现了一些新的物理现象，例如黑体辐射、光电效应、原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等，都是经典物理理论无法解释的，纵观量子力学的发展，大致可分为以下几个过程：①为了解决“黑体辐射”这个问题，也就是为了拯救“紫外灾难”，Plank于1900年提出“量子”概念，得出了与实验相吻合的辐射定律。②为了成功的解释光电效应，Einstein于1905年提出了光量子论，揭示了光的波粒二象性。③Bohr于1913年提出了氢原子理论、玻尔理论并以三个假设为基础，后来这种假设都证实是正确的。④DeBroglie从光量子论得到启发，于1923年提出物质波假说。⑤Shrodinger建立非相对论量子力学的基本方程，建立了波动方程，同年提出了多粒子体系的薛定谔方程。⑥Heisenberg抛弃Bohr的轨道概念，建立了矩阵力学。⑦Dirac于1928年提出了电子的相对论量子论，预言了正电子的存在，后来Anderson发现了正电子，证实了Dirac理论的正确，至此，量子力学已经基本建立。量子力学建立后，关于其完备性以及统计诠释遭到不少物理学家的反对和怀疑，当时还包括爱因斯坦，但至今为止量子力学没被实验打破，它完全与实验相符，而且它在研究晶体、生物、化学等方面得到了迅速发展。２量子力学发展的哲学思想科学是一个理论的体系，是用严密的逻辑表达出来的系统化了的科学知识，科学理论的概念、判断及推理应首位一贯、不断前后矛盾[1]，量子力学最终被证明是自洽的。量子力学诞生和发展的过程，是充满着矛盾和斗争的过程。一方面，新现象的发现暴露了微观过程内部的矛盾，推动人们突破经典物理理论的限制，提出新的思想、新的理论；另一方面，不少的人，他们的思想不能随变化了的客观情况而前进，不愿承认经典物理理论的局限性，总是千方百计地企图把新发现的现象以及为说明这些现象而提出了新思想、新理论纳入经典物理理论的框架之内。人们不是通过抛弃旧理论从而消除悖论，而是通过纠正错误、严密概念、确定范围、补充条件等方式，使原有的科学理论系统愈趋完善，科学发展的过程也是人类思想认识发展的过程，量子力学的发展也一样，它显示了人类对微观世界的认识革命，它的发展同样遵循了科学发展的规律，它是一个自然辨证的规律，下面就几个方面谈谈量子力学的发展所体现出的辨证思想。2.1精确与模糊量子力学的现有解释不能被看作是解决波粒二象性二律背反的一种可能的方案，而只能看作为量子力学理论中“截断”这种矛盾的各种方案之一，莱辛巴赫认为：既然命题的真实性无法证实，又无法伪证，那么就应该把它描述为第二种意义——不确定。在量子力学中，有一个著名的理论，它指的是由海森堡提出的测不准关系，“测不准关系指出一个微观粒子的某些成对共轭的物理量（例如动量和位移），不可能同时具有精确的数值”[2]。这从根本上否定了追求绝对精确的道路，说明微观领域同样存在精确性与模糊性的统一。2.2决定论与非决定论的统一在量子力学诠释方面，玻尔与爱因斯坦经过了一段论战，充分显示了决定论与非决定论思想的矛盾统一，当时，爱因斯坦认为对自然界的理论描述应当是完备的。他坚信上帝不是在掷甩子[8]，而玻尔等人认为量子力学的解释本质上是一个放大的不确定原理，不过是一种智力自律作用的哲学，例如玻尔的门徒约翰.惠勒说“除非它是一个被测量的对象，没有什么基本的现象是实在的”[3]，爱因斯坦坚持认为量子力学必定本身是不完备的，并且必须有一个更深刻的、更细致的理论，它应包括物理学家对实验结果做出完满而又确定的预言所必须的一切信息，而不只是可能性和概率的陈述，玻尔却认为，寻找这样一种理论是误入歧途，爱因斯坦曾铺设量子力学的道路，但对玻尔等的几率性物理和对量子力学的诠释却抵制，他千方百计想找反例驳斥玻尔，但均遭失败，即使他认识到量子力学的逻辑性及它与实验例证符合，但还是不喜欢它，爱因斯坦与玻尔都非常认真、严肃审慎量子力学，爱因斯坦有时自相矛盾，玻尔也被自己糊涂过，可谁也没说服谁，但是随着人类科技的进步以及量子力学的不断向前发展，很大程度上有利于玻尔观点的发。所有这些，说明在自然科学发展中，是充满矛盾和斗争的过程，存在着决定论与非决定论的对立统一。2.3科学理论更替的矛盾运动量子力学概念和理论的发展充分体现了矛盾运动的规律[7]，如玻尔的原子模式演变的例子可以说明，发展理论概念就是通过引入局部的补充假设来同化新的实验资料的，为了根据玻尔模式说明新发现的光谱系，最初做出了关于电子围绕着体系的共同引力中心旋转的假设，如按经典理论试图说明光谱就会遇到困难，按照经典电动力学，“当带电粒子有加速度时，就会辐射，而发射出来的电磁波的频率等于辐射体运动的频率”[4]。原子中电子的轨道运动具有向心加速度，它就应连续辐射，这样的话，会导致有两点与事实不符，其中之一是电子的轨道半径就要连续的缩小，另一点是原子光谱应该是连续光谱，但事实不是这样，但波尔通过引入局部的补充假设成功地解决了上述问题，尔后，Sommerfeld进行了相对论修正，而Pauli则用“不相容原理”补充了波尔的原子模式，原始原则和概念是在矛盾运动中进行新旧更替、逐渐延伸的。又如对微观世界的研究，导致了波粒二象性的二律背反观点的形成，“微观客体是粒子”与“微观客体是波”相矛盾，事实上，微观客体既不是经典力学意义上的粒子，也不是经典力学意义上的波，更不是两者的机械结合。后来，玻尔提出了互补原理，今天我们认为微观客体服从量子统计规律。2.4连续性与间断性的统一根据量子现象的波、粒二重性来看，“热辐射的电磁波到由电子所构成的量子系统，可以说是由经典波动向量子力学领域过渡，而电子的波性是由经典粒子向量子力学领域的过渡”[3]。在这种过渡中必须建立粒子性的物理量和波动性的物理量间的关系，从经典波动场向量子学领域的过渡，通常称为经典场的量子化方法，把连续的经典场转变为粒子的观点，这时的场与不连续的能量子相对应，从而在科学上把间断的实物与连续性的场统一起来，例如，我们已经知道，经典的电磁波动场是由Maxwell方程组描述的，而Maxwell方程组是满足相对论要求的电磁波动方程。按照Einstein的观点，电磁辐射场是由光子组成，是一种光子系统；换言之，电磁辐射场是一种多粒子系统，因此，满足相对论要求的经典场所对应的是一种多粒子系统，从而连续性与间断性完善地统一在量子力学之中。2.5数学化思想科学需要一套确定的形式体系和逻辑手段，需要用简单的数学语言阐述，而物理学是数学化程度最高的科学，量子力学中数学化的体现有：原子的间断性对应于海森堡的矩阵力学；波动性对应于薛定谔波动方程；波粒二象性的统一对应于量子统计。此外，对微观世界的描述已不再使用经典概念，代之以态、算符等等数学手段，量子力学的通常的形式体系只不过是他所谓的“互补性逻辑”的数学表示[5]。可见，数学在量子力学中起着举足轻重的地位。2.6逻辑思想对量子力学应用逻辑相对性原理的最早的成果，是建议对于微观物理学放弃传统的亚里士多德逻辑或更精确的说克吕西普逻辑[6]。后来，乌卡谢维奇建立三值逻辑系统，而最早把量子力学看成是应用三值逻辑系统德一个领域的荣誉，要归根于波兰的逻辑学家查维尔斯基，他的出发点是：波——粒二象性是一个自相矛盾的，然而仍然是成立的陈述。他多次引用海森堡的话，根据海森堡的意见：一样的东西不能同时既是波动的一种形式又由粒子组成[6]。但是尽管如此，这两种陈述却都正确地描述为同一物理情形，这两种描述的同等合法性以及支持一种描述而消除另一种描述的不可能性，是海森堡测不准关系的不可避免的结果，可见，逻辑在量子力学中起着非常大的作用。3结论量子力学的发展中展现出的辨证思想，能使我们领会学习自然辨证法的重要性，量子力学的建立使人们从根本上改变了决定论等旧的自然观，使人们对世界的认识进入了一个更新、更高的层次，同时，也使人们的认识更加全面，现在，我们生活在知识大爆炸时代，许多新观点、新问题不断涌现，这就更要求我们对未来世界的认识应遵从自然辩证法，“用稳定与不稳定、可逆与不可逆、上升与下降、渐变与突变、决定论与非决定论对立统一的观点去面对新问题，新观点”[9]，遵从客观规律，用联系、发展、矛盾、否定之否定的哲学观点去分析问题。量子力学的发展同时也体现了辨证唯物主义的观点，辨证唯物主义强调科学发展的连续性和不断革命性，承认间断性和革命的阶段性，承认发展道路的曲折性和前进性，强调实践、科学实验的重要，从“实践使检验真理的唯一标准”出发，来检验我们的理论是否正确，同时又主张理论与实践相结合的历史的统一，强调科学思想、科学史、科研的历史经验模式的重要，承认科学是一个永无境的实践与认识的过程，真理是相对性与绝对性的统一，量子力学的理论也一样，有的理论还有待进一步完善、进一步补充。我们绝对不能认为量子力学的理论是最终的理论，还有待去完善和发展，这条历史的长河中，我们可以去寻找其一个个的发源地，但它没有尽头。参考文献[1]王德胜自然辩证法原理[M]北京：北京师范大学出版社1997：483[2]周世勋量子力学教程北京：高等教育出版社1979：2[3]罗长勋量子场论引论西安：陕西师范大学出版社1986：20[4]曾谨言量子力学（卷Ⅰ，Ⅱ）北京：科学出版社2000：105[5][美]量子力学的哲学M.雅默商务印书馆出版1989：399[6]玻尔原子物理学和人类的知识北京：商务印书馆1964：60[7]柳树滋物理学的哲学思考北京：光明日报出版社1988：118[8]爱因斯坦文集第一卷北京：商务印书馆1977：432[9]马克思、恩格斯全集第42卷北京：人民出版社1979：178