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基于佛教哲学来审视爱因斯坦与玻尔的争论1
来源: 日期: 2013-09-10 浏览量: 3992
资料来源:《中国社会科学学报》

作者:崔维成

爱因斯坦和玻尔关于对量子力学现象的解释的争论是20世纪物理学界的一个重大事件,尽管目前的量子力学基本上是采用了玻尔的所谓“哥本哈根解释”,但仍有不少人对于他放弃微观世界的因果律而感到不满意。本文基于佛教哲学来重新审视爱因斯坦与玻尔的争论,简要介绍了他们争论的过程和本质以及佛教哲学的基本概念,在此基础上,用佛教哲学来重新解释量子力学的现象,并比较了它与爱因斯坦和玻尔的观点的差别。

同时,对当代多名顶级物理学家有关解释量子现象的哲学观点进行了剖析。通过这一审视,本文作者认为,基于佛教哲学,我们完全可以在坚守因果律的前提下解释微观世界的各种现象,同时,也发现了爱因斯坦、玻尔以及其他几名物理学家哲学观点中需要进一步研究的问题。对于这些问题的研究有可能对当今的前沿科学研究有重要的推动作用。

1 、引言

在20世纪物理学的发展中,爱因斯坦和玻尔是两位最伟大的科学巨匠,他们都创造了现代物理学的辉煌,然而他们对现代物理学的基本问题却有着自己独特而深刻的见解,由此引起了长期的争论,成为两个最伟大的心灵之间的冲突。

尽管目前的量子力学基本上是采用了玻尔的所谓“哥本哈根解释”,但仍有不少人对于他放弃微观世界的因果律而感到不满意。2008年报道的在欧洲日内瓦原子核中心耗资54亿美元建设的大型强子对撞机(Large Hadron Collider),旨在破解困惑物理学家们已久的种种谜团,如“上帝粒子”与“宇宙黑洞”,其实质还是要理解微观世界的本质,也是检验爱-玻争论的一次重要实验。

实验还没开始,对于实验结果的预报又已引发了在世的两位最著名的科学家,彼得•希格斯和斯蒂芬•霍金,发生口水大战。彼得•希格斯在2008年4月7日表示很快将能证明让宇宙具备质量和使生命成为可能的“力量”的存在性,此神奇力量就是所谓的“上帝粒子”。 霍金曾在一次采访中半开玩笑地说,如果欧洲日内瓦原子核中心进行的实验,没发现它一直想确认的“上帝粒子”的话,会“更令人兴奋”。他说:“实验将证明有些东西是搞错的,我们都必须重新思考。”霍金甚至下100美元赌注,打赌“上帝粒子”并不存在。但他认为,大型强子对撞机将产生比发现“上帝粒子”更加有意义的结果。

2008年9月10日,希格斯在爱丁堡举行的记者会上对霍金的上述言论进行了回击。虽然大型强子对撞机要证明他的理论是正确的至少还需要三年时间,但是希格斯已经准备好一瓶香槟。他说:“如果结果跟我想的不一样,我会非常吃惊和失望。但是我相信我的观点是对的。”

大家知道,佛教哲学是建立在完全的因果律基础之上的,无论是宏观宇宙世界,还是微观粒子世界,无论是物质的器世界,还是有生命的有情世界,无不遵循因果律:“有因必有果,有果必有因”,那么,依据佛教哲学如何来解释量子现象呢?这就是本文所要探讨的问题。

本文首先简要介绍了爱-玻争论的过程和本质以及佛教哲学的基本概念,在此基础上,尝试了用佛教哲学来重新解释量子力学的现象,并比较了它与爱因斯坦和玻尔的观点的差别。同时,对当代多名顶级物理学家有关解释量子现象的哲学观点进行了剖析。通过这一审视,本文作者认为,基于佛教哲学,我们完全可以在坚守因果律的前提下解释微观世界的各种现象,同时,也发现了爱因斯坦、玻尔以及其他几名物理学家哲学观点中需要进一步研究的问题。对于这些问题的研究有可能对当今的前沿科学研究有重要的推动作用。

2、爱-玻争论简介

1900年普朗克在对关于热物体的辐射热能在各波长上的分布问题进行研究时发现:在某些理想条件下,此能量是按某种特征方式分布的。他证明了:只有假设物体以离散包或离散方式发射电磁辐射,才能对这些特征方式作出说明。他称离散包或离散束为量子。他当时不知道为什么有这种不连续性,只是特设被迫接受而已。

1905年,量子假设受到爱因斯坦的支持,他将光束看成是后来被称为光子的离散的粒子流,成功地解释了所谓的光电效应。再加上托马斯•杨早在1801年用其著名的“双缝”实验所证明的光的波动性,光就具有了波-粒二象性。

后来人们发现,波-粒二象性并不局限于光。1913年尼•玻尔提出:原子的电子也是“量子化”的,即量子化的电子可以处于某些固定的能级上而不损失能量。当电子在能级间跳跃时,电磁能以分离的量被释放或吸收。事实上,这些能量包就是光子。

克林顿•戴维孙及其他人的实验工作以及路易斯•德布洛衣的理论工作导致这样一种概念:电子与光子一样既可按波行事,又可按粒子行事,究竟如何则取决于具体的环境。

不久,人们就明白了:不仅电子,而且所有的亚原子粒子都具有波-粒二象性。这样,由牛顿表述的传统力学定律,以及麦克斯韦电磁定律,在原子及亚原子粒子的微观世界中似乎失效了。为了说明这种波-粒二象性,到上世纪20年代中期,开始诞生了一个新的力学体系——量子力学。

由于以玻尔为首创的哥本哈根学派为了解释波-粒二象性的量子现象,提出了微观世界不遵守因果律的观点,受到了以爱因斯坦为首的经典物理学家的批判。两位大科学家在世时争论了近四十年,文献比较详细地叙述了他们争论的全过程和双方的主要观点,本文在表1中作了一个简单归纳。后续的物理学家继续在争论,至今还没有定论。这就是著名的爱-玻争论,是20世纪物理学界最重大的事件之一。

表1 爱因斯坦与玻尔的争论过程和双方的主要观点(数字编号为阅读顺序)

玻尔

爱因斯坦

(1)由于观察操作引起的扰动不能任意小,我们只能谈论一种“单元事件体”。例如电子从激发态到基态的某一次跃迁,比这更细微的过程我们便无法认识到。因此,对于经典物理学的连续性和严格因果性必须放弃。 (2)爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性,但从根本上他不准备放弃连续性和严格因果性,因为这些正是相对论的基本特征。他坚持相信对于原子过程能够给出连续的机制和直接的原因,而这种原因一旦被得到、被重复,现象即会无一例外地以决定论方式精确地出现。

(3)在玻尔看来,经典物理学和量子理论是不可调和的,虽然它们通过对应原理以渐近的方式联系着。

(4)而爱因斯坦则是一切物理现象应该有一个统一的因果理论的坚定信仰者。“关于因果性的问题也使我很伤脑筋。光的量子吸收和发射是否有朝一日总可以在完全的因果性的意义下去理解呢,还是一定要留下一个统计性的尾巴?我必须承认,在这里我缺乏判决的勇气。无论如何,要放弃完全的因果性,我将是非常、非常难受的……”。“我在空暇时总是从相对论的观点来沉思量子论的问题。我认为理论并不见得非得要放弃连续性不可。但是,迄今我未能把我的宝贝想法具体化,这个想法就是用过分确定条件下的微分方程来理解量子的结构。”
(5)1923年,康普顿效应被发现后,玻尔同爱因斯坦的争论达到了头一次高潮。看来康普顿效应是绝对支持光的粒子说的,为了回答这个挑战,玻尔完全摈弃了爱因斯坦关于辐射的量子结构的观念,而是假设用抽象的几率波来说明实在的电磁波,从而进一步突出了不连续性与统计性的根本性质。 (6)“玻尔关于辐射的意见使我很感兴趣。但是,在有比迄今为止更为有力得多的反对严格的因果性的证据之前,我不想轻易放弃严格的因果性。我不能容忍这样的想法:受到一束光照射的一个电子,会由它自己的自由意志来选择它想要跳开的时刻和方向。如果是那样,我宁可做个补鞋匠或者甚至赌馆里的一名佣人,都比当个物理学家强。不错,我要给量子以明确形式的尝试,一而再、再而三地失败了,但是,我还是不想长远地放弃希望。”
(7)在玻尔提出对应原理和哥本哈根学派提出波函数的几率解释的基础上,1927年海森伯提出“测不准关系”。同年9月,玻尔提出著名的“互补原理”。互补原理认为“微粒和波的概念是互相补充的,同时又是互相矛盾的,它们是运动过程中互补图像。”玻尔特别指出,观察微观现象的特殊性,由于微观客体中最小作用量子h要起重要作用,因此微观客体和测量仪器之间的相互作用是不能忽略的。这种相互作用在原则上是不可控制的,是量子现象不可分割的组成部分。这种不可控制的相互作用的数学表示就是测不准关系。由此决定了量子力学的规律只能是几率性的;为了描述微观客体,必须抛弃决定性的因果原理;而量子力学精确地描写了单个粒子体系状态,它是完备的。 (8)波函数不是代表单个电子,而是代表分布在空间中的电子云。 |ψ|2表示在被观察的那一部分空间有电子云的一个粒子存在的几率,而不是表示在所考虑时刻的那一瞬间一个特定的粒子存在于所给地方的几率。因此,量子力学只能给出相对来说是无限多个基元过程的集合的知识,而不能完备地描述某些单个过程。

(9)1930年,爱因斯坦提出了一个“光子箱”的理想实验,试图通过能量和时间可以同时精确测量,由此来驳倒能量与时间的测不准关系。
(10)爱因斯坦的理想实验出乎玻尔的意外,但是,在经过一个不眠之夜的紧张思考之后,玻尔终于找出了问题的症结所在。他发现爱因斯坦在上述论证中,竟忘记他自己发明的效应:在引力场中,时钟会延缓。结果使爱因斯坦否定测不准关系的光子箱实验,反倒成了论证测不准关系的理想仪器。 (11)从此以后,爱因斯坦承认量子力学的内在体系是自洽的,但他仍坚持认为量子力学不是微观体系的、完备的、最终的描述。
(13)EPR所说“不对体系进行任何干扰”是不确切的。因为在测量过程中虽然没有对子系统Ⅰ施加力学干扰,但由于作用量子的不可分性,微观体系和测量仪器构成了一个不可分割的整体。测量安排是确定一个物理量的必要条件,而对微观体系未来行为所预示的可能类型正是由这些条件所决定的。这样,玻尔提出的量子现象的整体性特征,引起了人们对EPR所默认的定域实在论的怀疑,意味着把世界看做在空间上分离的、独立存在的各部分组成的看法不一定普遍成立,从而促使量子力学的完备性问题得到了系统的研究。 (12)1935年5月,爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多耳斯基和罗森一起,提出了物理理论体系完备性的判据与著名的以三位作者姓的头一个字母简称的EPR悖论(这一悖论涉及到如何理解微观世界实在的问题),认真地论证了量子力学对物理实在描述的不完备性。EPR在推理过程中默认了以下两个假设:(a)定域性假设;如果测量时两个体系不再相互作用,那么对第一个体系所能做的无论什么事,都不会使第二个体系发生任何实在的变化;(b)有效性假设:量子力学的统计预示已为经验所证实。接着,EPR介绍了物理实在的量子力学描述的一般特征后,认为量子力学不满足上述这些判据,所以是不完备的。

(14)对于这场持续了近40年的争论,特别是EPR悖论的争论,从基本观点来说,谁也没有说服谁。后来,有人想将上述EPR理想实验推进到真实实验,以此来证明孰是孰非。50年代,英国物理学家玻姆在EPR悖论启发下提出了隐参量的量子理论。60年代,又一位英国物理学家约翰•贝尔根据隐参量的量子理论从数学上推导出了一个关于远隔粒子量子关联的定量不等式——贝尔不等式。

由于贝尔的工作,人们才有可能设计真实实验来检验EPR悖论的争论的谁是谁非。从1972年至1982年间,物理学家共完成了12个实验,其中10个实验的结果违反贝尔不等式而与量子力学的预言一致。但是,人们如果引入非决定论的随机性,便可导出贝尔不等式。所以,上述实验只是说明了量子理论是超距关联、非定域的,而没有确定量子理论是决定论的还是非决定论的,也就是说微观世界因果律是否成立还没有盖棺论定,EPR悖论的争论还有待于人们进行更深入的研究。

两位科学巨匠争论的问题,主要不在于量子理论本身的内容与形式,而在于量子理论的解释方面,即关于作为量子理论基本特征的不连续性与统计性的说明方面。争论的本质是哲学的争论,即微观世界到底是否遵守因果律的问题,放弃因果律,本质上等同于承认这个世界的本质是不可知的,而经典物理学家因为深信物质世界是可知的,才做出不断探索的努力。




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