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量子论问题探讨——1、进步还是异化


量子论是二十世纪初出现的一个新物理学思想,或许是十九世纪的经典物理学世纪末的两片乌云的压抑?量子论与同期出现的相对论很快就以其反传统的新思维引起了学界的热议和追捧,被赞誉为是颠覆了已经陷入理论困境的经典物理学,为已经步履蹒跚物理学带来了生机和希望,从而迅速进入了现代物理学的主流。在此后的一个世纪中,这一新的思想得到了快速的发展和扩张,普遍被主流学界所接受,最终荣登为排除经典物理学在外的所谓现代物理学的两大基本框架之一。但是,在一个多世纪以后的今天我们回顾量子论的发展历史时,不能不考虑这样一个问题:量子论究竟解决了什么?万有引力?电磁力?衰变和聚变?还是质量和重力?恐怕直至目前连电势、电动势U是如何形成的,都没有能够给出一个完满的答复。


不可否认,量子论的构建者发现了大量的经典物理学所未曾知识的微观世界的现象,取得了在量化和应用方面的巨大成就,也提出了许多新的理论和思想,但在对自然更为本真的内涵本性和机理的认识上,并未在经典物理学的水平上取得真正的超越,仍然没有解释清楚究竟什么是万有引力以及引力是如何发生又是如何在作用的?没有解释清楚电子、电荷、电磁场的物质属性是什么,电势和电动势U究竟是如何的和产生的?也没有解释清楚为什么E=mc2,质能之间是如何转换的?是什么因素在制约着宇宙中这些元素老老实实的呆在那里不把它的mc2的能量释放出来呢?


在哲学的形而上的层面上,有关量子论的各种观点更是各异甚至混乱和互悖,远离了十九世纪经典物理学与哲学之间的那种贴近和互补,那种原则的严谨和目的的清晰,甚或是走入一条越来越神秘、模糊的异化了的歧途。本文认为,量子论乃至整个现代物理学目前在理论的前沿和更深的层次上感到困惑和步履艰难,并非完全是人类知识和思维能力的不足,也不是纯粹的物理学和技术层面的问题,而是缺乏对自然科学的更为深刻、全面的哲学思考,而是在认识论和方法论方面出了问题,这才是现代物理学真正需要认真回顾和反思的。


19世纪末,普朗克(Max Planck,1858-1947)在解决黑体辐射问题的过程中发现,黑体辐射的发生存在着一种经典物理学中不曾有的现象,即能量似乎是存在一种不可再分割的份额下限的,必须要达到这个份额的整倍数,黑体辐射才能够发生,因此必须考虑自然界中的能量不是无限微分的,而是存在着一个固定的、不可再分割的最小份额单位,否则黑体辐射问题是无法得到合理解释的。由此,普朗克在维恩(Wien,1864-1928)等人的经验公式的基础上,引入了玻茨曼(Boltzmann,1844-1906)常数,导出了一个一切能量所能拆细的最小单位——普朗克常数,这个常数是自然界中所有能量不可再继续分割的最小份额,由于它表达的是能量的单位,因此而被称为量子。普朗克于1900年宣布了他的公式,这个常数在理论上和实验中确实很好用,与物理实验和观测相符合,至于内在的原理是什么,普朗克本人对这个常数的解释是:原子中的电振子是量子化的,这些振子仅能辐射出具有特定大小的能量,它们内部的某种东西阻止它们吸收或发射出中间能量的辐射。


这个发现显然是重要的,这个发现不在于量子的单位有多小,而在于它使人类第一次看到了似乎具有自明性的、久经考验的自然的连续性竟然出现了断层,这极大的震撼了人们传统的自然观,从而引发了一种新的反思传统的思维方式的萌动。

1913年,玻尔(Bohr,1855-1962)通过对氢原子中巴尔末谱线这种原子的手征进行的分析,发现了原子谱线的不连续性,如果用卢瑟福(Rutherford,1871-1937)的原子理论中的两个基本量,即电子电荷和粒子质量,根本无法去解释这种现象;但是,如果把普朗克的量子单位加入进去,就可以构造出以长度单位为量纲的数,这个数将原子的尺寸单位、巴尔末谱线和电子的轨道联系在一起,就可以解决原子的层间结构问题,这又一次支持了普朗克的能量子的份额化和非连续性的发现。


在此基础上,玻尔提出了他的量子能级原子模型,这个原子模型基本上是一种经典的行星轨道加普朗克量子单位的概念组合,这就是学生课本上的那个像太阳系一样小星系形原子模型,这个模型的能级理论成为量子论建立初期的一个组成部分,玻尔本人也承认它其中的经典成分太多,但它也确实解释了跃迁之类的问题,并预言了一些原素的周期,在物理学史上的确是留下了辉煌的一页。当然,由于后来在解释复杂的原子轨道关系时发生了不可克服的困难,所以,这个小星系原子模型很快就被另外的建立在统计基础上的其它理论模型取代了。但作为对自然的非连续性的支持,已经起到了它的关键性的历史作用。


1900年,卢瑟福等在研究放射性的本性时,发现了一个特性,即在原子核发生衰变的过程中,单个的原子完全处于一种随机性,并且这种随机性不受我们已知的所有外界条件变化的影响,无论你通过改变温度、压强或是撞击等,都不能影响作为实验对象的特定的原子核的衰变。但是,对于同一种类元素的总体,则在特定的时间中有特定比例的原子会发生衰变,如镭的半衰期为1600年,碳14的半衰期为6000年,铀的各种同位素也都有着各自规律性的半衰期等。原子核发生的衰变的不可确定性促成了量子论形而上的理论基础的进一步形成,经过反复的观测和实验后,量子论得出了一个结论:粒子在什么时刻发生衰变,电子在某一个时刻从一个能态转变为另一个能态,是无法得到精确的准确的预测的,无论你怎样改变它的环境,它都不会改变自己的半衰期,它在哪个粒子身上发生,什么时候发生,不可能存在某一个像经典物理学中的那种可律性的确定的原因,没有任何外部的和内部的可律性规定和机制去决定衰变在何时和如何发生,因此,衰变的发生纯粹是一种统计结果。由此而论,宇宙中的事物并非都是必然有原因的,非因果性和非确定性并非是一种个别现象,也不是由于我们的理论存在的不足而未能对它进行完备,而是意味着非因果性和非确定性本身或许就是一种宇宙的最基本规律和本质。而后的元素衰变的质量不守恒以及更多新发现的粒子的类似行为等似乎都支持了这一宇宙中存在着非因果性和非确定性的观点,使元素衰变的实验结果成为了非确定性和非因果性支配宇宙理论的又一个基本观测和理论根基。


海森伯(Heisenberg,1901-1976)通过对量子的动量和坐标的研究,并通过不对易的数学方式的演绎,得出了一个逻辑结论,“你永远不能非常精确的同时测量电子的位置和动量。”即在量子世界中,对一个物体的位置知道的越精确,对它的动量知道的就越不确切;反之,对它的动量知道的越精确,那么对它的位置知道的也就越不确切。位置和动量不可同时得到精确得测定,也没有任何实验能够同时观测到电子既像波又像粒子,这并不是由于观测手段的不完备,而是一个量子论的逻辑原则。玻尔也对海森伯的这个结论作了解释,他认为,位置和动量的不可同时确定性,是由于在观察的过程中,不得不对量子产生干扰而使观测的结果失真,人作为观察者同时也是实验的组成部分。并且,把这个理论与物质所具有的二相性结合起来,进一步的说明了这种叠加的和无法截然分离的互补性原理,这就是后来被称为“测不准原理”的一个量子论的最主要的基本原则,“测不准原理”被认为是在逻辑和理论上更好的阐述并有力的支持了自然界从根本上服从非确定性的观点。


在20世纪初的二三十年中,出现了这些诸多的新的科学发现和思想,普朗克的能量的非连续性的发现,卢瑟福等的原子衰变的随机性,康普顿(Compton,1892-1962)的电子散射,玻尔的量子能级原子理论和互补性原理,海森伯的测不准原理,德布罗意(LouisVictorBroglie,1892-1989)和爱因斯坦的波粒二相性理论,薛定谔(Schrodinger,1887-1961)的电子分布统计方程,还有玻色(Bose,1894-1974)-爱因斯坦统计和费米(Fermi,1901-1954)-狄拉克(Dirac,1902-1984)统计等等。在这些发现和思考的基础上,量子论逐渐的形成了他的独立的与经典理论不同的形而上学理论体系——非连续性、测不准原理、随机性、波粒二相性和互补性等共同钩织在一起,使玻尔等量子论的创建者认为,物质世界的本质远远不是像经典物理学所认为的那样是一个具有确定性的、按照力学的定律和因果律运行的机器,物质本身的概念也不像经典中那样的具有唯一的确定性,而是存在着与经典物理学完全不同的非连续和非因果关系。


进而认为,所有的过程都存在随机性,所有的物质形式都具有复合叠加的性质,所有的所谓物质“状态”都处在一种复合的作用之中,不存在什么独立的状态和本来的属性,我们所看到的一切,仅仅是与观测不可分割的复合作用的一种体现。如把电子的波动性看成是大量电子在空间形成的疏密波是不正确的,电子既不是粒子,也不是波;但是也可以说,电子既是粒子,也是波,它是粒子和波动两重性的统一,但是这个粒子不再是经典概念下的粒子,波也不是经典概念下的波。这种复合作用的某种体现不是个体本身所具有的,任何个体都不具有完全确定的基本性质。并且,当我们去观察一个量子的行为的时候,我们的观察实际上又增加了一个复加的作用,增加了一个复加的作用后的状态必定与我们没有观察它时有所不同。所以,量子态既是测不准的,也是不确定的,这一切并非是由于观测手段和理论的不完备,而是自然本身本质属性的揭示,自然界本身从根本上是服从非确定性和非因果关系的。


并且,玻尔还认为,不仅不存在具有确定性质的个体,甚至某种先在的状态和倾向性也是不存在的,量子的行为完全取决于随机性,因此,粒子世界所遵循的运动规律与宏观物体的运动规律是根本不同的,它从根本上不能用经典的力学定律来描述,只能由一种新的、量子力学的理论来描述,只有当粒子的大小由微观过度到宏观状态时,它所遵循的规律才由量子力学过度到经典力学。量子论认为这才是对自然的更为深刻的揭示——远比经典物理学更为深刻的自然揭示,经典物理学那种认为自然的一切都具有确定规律的观念既是不可能的,又是不可取的,这是量子论的理论的核心。因此,量子论提出要物理学脱离经典物理学的确定性和因果关系的追求,去建立一个全新的物理体系,这个体系就是认为世界从根本上是不可确定的和非因果的,确定性和因果性只是某种宏观的特定领域的特殊过程,不具有一般性,并且从根本上来讲这种宏观的确定性和因果性也仍然是建立在量子过程的统计结果上的宏观体现,一种忽略微扰的统计结果。


当然,也有人对玻尔这种表达是持不同意见的,玻姆(Bohm,1917-1992)认为量子论不应该建立在这样一个近乎于诡秘的形而上学的解释上,自然不应该建立在一个在深层处于一种非确定和非因果性所支配的基础上。因此,从确定性的原则出发,他提出了一个隐变量的理论,认为在自然中存在着许多我们未知的隐变量,这些隐变因素决定了量子的行为,试图以此来作为对量子论形而上学的补救理论。玻姆认为在双缝实验中光子确实是存在的,并非只是在观测发生后才真正的成为一个光子,因此,玻姆提出了一个导波的理论,试图来解释双缝实验中的光子行为。并且在对E、P、R的测量中提出了在两个同谋电子之间存在着某种量子势,这个量子势影响了另一个电子,通过一个隐变量的作用来解释两个同谋电子的关联性,从而使量子论的理论仍然遵从客观实在性和因果律。但玻尔则坚持认为这种隐变因素是不存在的,尽管他没有从理论上作出更多的解释,但他的回答是十分肯定的,他认为一个还不曾被测量的量子系统处于一个真正的不确定的状态,说它处于一个特殊的未知状态是没有意义的,量子态的非确定性和非因果性是自然的基本属性,它既不存在也不需要任何的隐变量,所以,玻尔从根本上否定了玻姆的隐变量理论。玻尔的这种否定不仅仅是对自然的确定性和因果性所作出的理论上的否定,而更是对人类探索自然内在本性的科学精神追求的拒斥,为量子论之后放弃物理机理、原理和理论自洽性追求,轻松的走向神秘和异化铺平了道路。


三十年代以后,随着物理发现的增加带来更多的问题,量子论的理论发展就越来越宽泛化了,狄拉克、海森伯、泡利(Pauli,1900-1958)等人认为,初期的量子力学存在着几个明显的缺陷,它不能反映场的粒子性,不能描述粒子的产生和湮灭过程,并且它存在负的能量解,因此,在量子力学的基础上通过场的量子化,并引入了相对论的概念,建立了量子场论,量子场论的基本理论基础是波粒二相性和不确定性原理,量子场论的创建者认为,首先,通过实验表明,整个空间都充斥着各种不同的场,空间任意一点的能量都不为零,只要有足够的能量,就可以在空间中激发出各种不同的粒子,所以场与粒子实际上是不可区分的(在这一点上,量子论实际上与相对论的绝对真空理论是不相容的,不知道把相对论的概念引入量子场是否认真考虑过这个问题),依据这个原理,提出者选择了场的量子粒子化的描述方式。并且,由于光子具有波粒二相性,同时光又是在空间中移动的电磁场,因此,可以把光量子认为是电磁场的场传导粒子,而电磁场则是以交换光子来发生作用的,在这个基础上建立了以粒子的能量交换来替代和消除经典物理学“力”的概念的量子电动力学。


而后,随着统一场论的兴起,现代物理学把自然界的所有作用都归结为四种基本基本力,即强相互作用、电磁作用、弱相互作用和引力作用,场量子概念又得到了进一步的推广。由于任何粒子都存在着波粒二相性,所有的场也都应该可以表述为粒子的形式,所有的场力作用也都可以由粒子的交换来进行描述,当然,由于各种作用力是不同的,所以不同的场对应不同的粒子,光子是电磁场的场粒子,介子是强相互作用的场粒子,而引力场的场粒子则是引力子。之后由于更多的新的粒子(其实大多数只是通过有限的探测手段测到的一些共振态)的发现,以及这些粒子所表现出的某种数学对称性,进而又建立起了量子色动力学,提出了八重态、十重态和夸克结构理论。夸克理论的提出者认为,由于质子在碰撞实验中被发现存在着内部结构,质子必定是由更小的部分组成的,并把这种想象中的组成质子的粒子称为夸克;但由于在实验中这些组成质子的粒子不能在加速器中被打出来,从而认为在质子的内部一定存在一种更强的力,因此又提出了一种新的基本力,当然要同时为它创造一个对应的场粒子,这种场粒子就被称为“胶子”,这种更强的具有超力的胶子把质子中的夸克牢牢的粘在一起,形成了夸克禁闭,就这样解释了为什么组成质子的夸克不能被加速器所发现。与此同期,在量子场论的基础上,费曼采用了一种新的方式来描述粒子的产生、相互作用、转换和湮灭的过程,在这个理论中,费曼等人引入了时间的可逆性概念和反粒子的概念,忽略掉过程的因果性,简化的描述了粒子的初始状态和最终结果的唯象过程。很难理解,这个根本不考虑因果性的理论是如何能够被量子论者认为是解决了粒子动态变化问题的。最后,把所有的自然作用和场都用粒子的概念进行了统一,形成了一个通过量化的能量粒子的交换来概括所有自然的力学机理过程的理论模式,完成了系统化的以自然的非确定性为哲学基础的量子力学体系。


量子电动力学和量子色动力学理论在后来的发展中,实际上已经远远的脱离了玻尔在初期表达的那个量子论,而是既包括经典粒子概念同时又夹杂着非确定性的一种矛盾重重的混和理论,从场的量子化发展到量子的粒子化,比如狄拉克的磁单极子,海森伯的同位旋,汤川等人的八重态,盖尔曼(Geli Mann,1929-)的夸克以及胶子、引力子等,实际上已经与玻尔的早期量子论解释已经是面目全非了,新的理论所描述的已经是某种具有独立固有属性的个体,它们既不是与其它部分相联系的,同时又是具有先定的属性和倾向的。这些色彩缤纷的粒子再配上由相对论衍生出来的6维空间、12维空间、26维空间、时间的反演等等,场的概念也早已被抛掷九霄云外,所有的想象都可以加入,所有定律都可以打破推翻,宇宙的最基本的对称性、守恒性也可以轻松的被扬弃,弱相互作用中的'θ-γ'粒子的镜像不对称推演,也可以在有限的实验和论证中就迅速的成为了对整个宇宙属性的判定,宇称不守恒成为一条具有普遍意义的基础科学原理,并毫不质疑的被整个物理学界轻松的接受。还有后来提出的被称为无所不能的弦理论和超弦理论等,不同量子论派系各出新意,自说自话,很难理解这些互相矛盾的提法是如何能够装在量子论的一个筐子里的,但在目前的有关量子论的多数理论中都这么接受和引用了,都不去考虑如何使这些理论能够在一个统一的框架和原则中能够自洽的融合在一起,使现代物理学在实际上走入了一条根本无法用统一的概念和模式进行描述的、追求标新立异但又不求甚解的异化道路上




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