第十章 现代物理学中的语言和实在_物理学和哲学

贯穿整个科学史，新的发现和新的思想总是引起科学上的争论，引出一些批评新思想的论战性论著，而这样的批评却常常有助于它们的发展；但是这种论战在过去从未到达象相对论发现时所达到的那种激烈程度，而量子论的发现所引起的争论的激烈程度又较差一些。在这两个例子中，科学问题最终都与政治争端发生联系，而且有些科学家就曾依靠政治的方法来贯彻推行他们的观点。只有当人们认识到现代物理学的最新发展已使物理学的基础发生动摇，并且认识到这种动摇已经引起科学即将丧失基地的预感，人们才能理解对现代物理学的新近发展的这种激烈的反应。同时，这或许还意味着，人们尚未找到谈论新形势的正确语言，而到处狂热地发表的关于新发现的不正确的陈述已经引起了各种各样的误解。这确实是一个根本性问题。现代的先进实验技术已在料学领域中引入了不能用普通概念描述的自然的新面貌。但是，应该用什么样的语言来描述它们呢，在科学阐明过程中涌现出来的 广义相对论中关于真实空间中非欧几里得几何学的观念受到某些哲学家的强烈反对，他们指出，我们整个部署实验的方法，都是以欧几里得几何学为前提的。

实际上，如果一个工匠企图准备一个完全的平面，他能用如下的方法做成。他首先准备三个差不多同样大小的表面，它们差不多已是平面。然后他尝试把三个表面中的任何两个在各种相对位置面对面地相互接触。在整个表面上，这种接触能够密切到怎样的程度，是可叫做“平面”的表面的准确度的量度。只要三个表面中任何两个都能到处完全接触，工匠将对他的三个表面表示满意。如果这一点成立了，人们能够从数学上证明欧几里得几何学在三个表面上均成立。这样，就证明了欧几里得几何学正是由我们自己的量度使它成为正确的。

从广义相对论的观点看来，当然，人们能够回答说，这种论证只证明欧几里得几何学在小的空间范围内成立，在我们实验装置的大小范围内成立。在这个范围里，它具有如此高的准确度，以致上述制造平面的过程总能够实现。但由于表面不是由严格刚性的材料构成的，它容许很小的变形，又因为“接触”这一概念不能完全准确地定义，所以将不能觉察仍存在于这个范围中的对于欧几里得几何学的极微小的偏离。关于宇宙尺度的表面，上述操作过程就不适用了；但这不是一个实验物理学问题。

并且，广义相对论中数学方案的物理解释的明显出发点是这样一个事实，就是几何学在小范围内非常接近于欧几里得几何学；而相对论在这个范围内接近于经典理论。由此可见，在这里，数学符号和测量与日常语言中的概念之间的关联是无故义的。但是，人们可以在大空间范围里谈论非欧几何学。事实上，甚至在广义相对论建立前很久，教学家，特别是哥丁根的高斯，似乎已经考虑了非欧几何学在真实空间中的可能性。当高斯完成了非常准确的、由三个山头——哈尔茨山脉的布罗肯山、图林根的英舍耳堡山和靠近哥丁极的霍恩哈根山头——构成的三角的大地测量之后，据说他曾经很仔细地检验过三个角之和是否真正等于180”；这表明他曾把那种可以证明背离欧几里得几何学的差别看作是可能有的实在。实际上，在测量的准确度范围内，他没有发现任何背离。

在广义相对论中，我们现在用来描述普遍定律的语言实际上继承了数学家的科学语言，而对于实验本身的描述，我们能够使用日常概念，因为欧几里得几何学在小空间范围里是足够准确地成立的。

然而，关于使用语言的最困难的问题是在量子论中发生的。这里我们 但是，语言问题在这里确实是严重的。我们希望以某种方式谈论原子结构，而不仅仅是谈“事实”——后者只是照相底片上的黑斑或云空中的水滴等等。但是，我们却不能用日常语言谈论原子。

现在能够进一步从两个完全不同的方面来分析。或者我们问：从建立量子力学形式系统的三十年来，关于原子，物理学家们实际上建立了什么样的语言。或者我们可以叙述一下关于确定一种对应于这个数学方案的准确科学语言的尝试。

在回答第一个问题时，人们可以说，玻尔引入量子论解释中的互补概念鼓励了物理学家们宁可使用一种含糊的语言，而不使用一种无歧义的语言，以符合于测不准原理的比较模糊的样子来使用经典概念，交替地使用那些在同时使用时会导致矛盾的经典概念。以这种方式，人们谈论电子轨道、物质波和电荷密度、能量和动量等等，总是意识到这些概念只有很有限的适用范围。当这样模糊和不系统地使用语言导致困难时，物理学家必须回到数学方案及它与实验事实的无歧义的关联中。

语言的这种使用方法在许多方面是十分令人满意的，因为它使我们想起在日常生活或诗歌中的类似的用法。我们认识到互补性不仅仅限于原子世界；当我们反省一个决定和我们作决定的动机时，或者当我们在欣赏音乐和分析它的结构之间有所选择时，我们就遇到它。另一方面，当以这种方式使用经典概念时，它们总是保持某种含糊性，它们在它们与“实在”的关系中所得到的只是如经典热力学概念在它的统计解释中那样的统计意义。因此，简要地讨论一下热力学的这些统计概念可能是有用的。

“温度”概念在经典热力学中似乎是描述实在的一个客观特征，是描述物质的一种客观属性的。在日常生活中，用一个温度计十分容易确定我们陈述一种物质有某种温度的含义。但当我们试图规定一个原子的温度的意义时，我们就处在一个颇为困难的境地，即令在经典物理学中也是如此。实际上我们不能将“原子的温度”这个概念和原子的明确规定了的属性相联系，但是我们至少必须将它部分地和我们对它的不完全的知识相联系。我们可以将温度值和关于原子属性的某种统计预期值相关联，但一个预期值是否应当称为客观的，这似乎是颇令人怀疑的。“原子的温度”这个概念并不比买杂拌糖的小孩的故事中的“杂拌”概念定义得更好一些。

同样，在量子论中，所有的经典概念当用到原子身上时，也就象“原子的温度”一样地定义得不清楚，它们也和统计预期值相关联；只有稀少的例子中，预期值才可能与确知值相等同。还有，和在经典热力学中一样，很难称这种预期值是客观的。人们或许可以称它为客观的倾向或者可能性，称它为亚里士多德哲学意义上的“潜能”。确实，我相信当物理学家谈论原子事件时，他们实际使用的语言在他们内心引起与“潜能”的概念相类似的想法。所以，与其说物理学家渐渐习惯于把电子轨道等等看作是实在，不如说习惯于把它们看作是一种“潜能”。至少在某种程度上，语言已经调整了自己，使之与这种真实的情况相适应。但这不是人们可以使用普通逻辑形式的那种准确语言；而是在我们内心引起图象的那种语言，但在引起图象的同时，还引起这样一种想法，就是图象和实在只有模糊的联系，它们只代表一种朝向实在的倾向。

在物理学家中使用的这种语言的模糊性，已因此引起规定另一种准确语言的尝试，这种准确语言遵循完全符合于量子论数学方案的确定的逻辑形式。可以把相克霍夫（Birkhoff）和诺埃曼（Neumann）以及最近威札克尔所作的这些尝试的结果作这样的陈述，就是说：能够把鼻子论的数学方案解释为经典逻辑的推广与修正。特别是经典逻辑中的一个基本原理似乎需要修正。经典逻辑假设：如果一个陈述有任何意义的话，那么，或者这个陈述是正确的，或者这个陈述的否定是正确的，二者必居其一。在“这里有一张桌子”或者“这里没有桌子”两句话中，不是第一句，就是第二句必定是正确的。“Tertium non datur”，没有第三种可能性。我们可能并不知道是陈述本身还是它的否定是正确的，但在“现实”中，二者总有一个是正确的。

在量子论中，“没有第三种可能性”这个法则必须加以修正。为反对这个原理的任何修正，人们当然立刻能够争辩说，这个原理是用普通语言假设的，而我们至少必须用自然语言谈论我们对逻辑的可能修正。这样，用自然语言来描述一个并不适用于自然语言的逻辑方案就是一种自相矛盾。然而，在这里，威札克尔指出，人们可以区别语言的各个层次。

第一个层次涉及对象——譬如涉及原子或电子。第二个层次涉及有关对象的陈述。第三个层次可以涉及关于对象的陈述的陈述，如此等等。那么，在不同的层次可能有不同的逻辑形式。确实，最终我们必须回到自然语言，从而回到经典逻辑形式。但是，威札克尔提出，经典逻辑可能类似于量子逻辑的前身，就象经典物理学是量子论的前身一样。那么，经典逻辑就可能被包含于量子逻辑之中，作为它的一种极限情形，而后者将构成更为普遍的逻辑形式。

这么一来，经典逻辑形式的可能修正，首先将涉及有关对象的那一层次。让我们考察在一个密闭箱中运动的一个原子。用一箱壁把这个箱子分为两个相等的部分，壁上有一个很小的孔，使原子能从中通过。那么，按照经典逻辑，原子如不在箱子的左半边，就必定在右半边。没有第三种可能性：“tertium

non　 datur。。然而，在量子论中，如果我们仍用“原子”和“箱子”等词的话，我们就必须承认，还有其他的可能性，这种可能性是前面两种可能性的奇特的混合物。这对解释我们的实验结果是必需的。例如，我们能观察被原子散射的光。我们能够做三个实验：在第一个实验中，原子限制在箱子的左半边（例如，关闭壁上的孔〕，然后测量散射光的强度分布；第二个实验把原子限制在右半边，再测量散射光的强度分布；在最后一个实验中原子可以在整个箱子中自由运动，再测量散射光的强度分布。如果原子总是不在左半边就在右半边，最后一个实验中的强度分布将是前两种强度分布的混合（按照原子在两个半边度过的时间的比例）。但这在实验上一般不成立。如前所述，真实的强度分布为“几率干涉”所修正了。

为了应付这种情况，威札克尔引入了“真实度”的概念。在二者择一的任何简单陈述中，例如“原子是在箱子的左半边（或右半边）”，规定一个复数作为它的“真实度”的量度。如果数值是1，这意味着陈述为真；如果数值为零，这意味着陈述为假。但是其他的值也是可能的。复数的平方的绝对值给出陈述为真的几率；但是有关二者择一（这里是非“左脚“右”）的两个部分的两个几率之和必定为1。但是，有关二者择一的两部分的每一对复数，按照威札克尔的定义，代表一个肯定为真的“陈述”，如果这些复数恰恰取这些数值的话；例如，两个数值足以决定我们实验中散射光的强度分布。如果人们容许这样使用“陈述”一词，人们就能用下列定义引入“互补性”一词：每个不与二者择一的陈述中的任何一个陈述相同的陈述——在我们这个例子中，就是不与“原子在箱子的左半边”或“原子在箱子的右半边”的两个陈述相同的陈述——称为互补于这两个陈述的陈述。对于每一个互补的陈述，原子究竟是在左边或右边的问题是不决定的。但是“不决定”、一词决不等于“不知道”一词。“不知道”将意味着原子“实在是”在左边或右边，只是我们不知道它在哪里而已。但是“不决定”是指另一种情况，即只能用互补的陈述表示的情况。

这种普遍的逻辑形式（其细节不能在这里描述），准确地对应于量子论的教学形式系统。它构成那种用来描述原子结构的准确语言的基础。但是使用这样一种语言，引起了许多困难问题，我们将在这里讨论其中的两个问题：语言的各个不同“层次”间的关系，和基本的本体论的后果。

在经典逻辑中。语言的不同层次间的关系是—一对应的。“原子是在左半边”和“原子在左半边是真实的。这两个陈述，在逻辑上属于不同层次。在经典逻辑中，这两个陈述是完全等价的，就是说，它们或者都为真，或者都为假，不可能一个为真，另一个却为假。但在互补性的逻辑形式中，这种关系却更为复杂。第一个陈述的正确性或不正确性仍然包含了第二个陈述的正确性或不正确性。但是第二个陈述的不正确性并不包含第一个陈述的不正确性。如果第二个陈述是不正确的，那可能是不能确定原子是否在左边：原子不需要一定在右边。在陈述的正确性方面，语言的两个层次仍然是完全等价的，但在陈述的不正确性方面就不是如此了。从这个联系中，人们能够了解到量子论中经典定律继续存在的特性：只要在一个给定的实验中，能用经典定律推导出肯定的结果，也就能从量子论推导出这个结果，并且这个结果在实验上成立。

威札克尔的尝试的最终目的，是将修正了的逻辑形式也应用到语言的更多层次中，但这些问题不能在这里讨论了。

另一个问题涉及作为修正了的逻辑形式的基础的本体论。如果一对复数以刚才所描述的意义代表一个陈述，那么，在自然中应当存在一个“态”或者一个“状态”，在其中这个陈述是正确的。以后我们将在这种联系上使用“态”这个词。接着，威札克尔称对应于互补陈述的“态”为“共存态”。“共存”这个词正确地描述了这种状态；确实很难称它们为“不同态”，因为每种态在某种程度上还包含了那个“共存态”。于是，这种“态”的概念可能构成关于量子论的本体论的第一个定义。人们可以立刻看出，“态”这个词的这种用法，特别是“共存态”这个词的用法，同通常的唯物主义本体论是如此不同，以致人们可能会怀疑，是否人们正使用着一种便利的术语。另一方面，如果人们不把“态”这个词看作是对实在的描述，而宁可看作是对某种潜能的描述——人们甚至可以就拿“潜能”这个词来代替“态”这个词——那么，“共存潜能”的概念是完全讲得通的，因为一种潜能可以包含其他潜能，或者与其他潜能相重叠。

如果人们把语言限制于事实的描写，即实验结果的描写，所有这些困难的定义和区分就能够避免。然而，如果人们希望谈论原子粒子本身，人们就必须或者是使用数学方案作为自然语言的唯一补充，或者是将它与使用修正了的逻辑的语言相结合，或者甚至和使用没有明确规定的逻辑的语言相结合。在有关原子事件的实验中，我们必须同物与事实打交道，同象日常生活中任何现象一样真实的现象打交道。但是，原子或基本粒子本身却不象是真实的；与其说它们构成一个物与事实的世界，不如说它们构成一个潜能或可能性的世界。