玻恩诠释给科学观念带来的冲击

时间：2022-02-14 理论教育版权反馈

【摘要】：玻恩对此有过简洁的说明：牛顿力学中最初的僵化的因果律必须用几率的考虑来补充，才能适当地处理由许多原子组成的气体和其他体系。量子力学之所以使因果观念发生如此巨大的变化。接着，主要是玻恩，提出了“因果关系的几率描述”。按照量子力学的统计解释，基本过程并不服从决定论的规律而是服从统计规律。从所使用的理论的观点来看，每个几率的陈述或者是正确的，或者是错误的。

量子力学产生以前，几率的概念在经典物理学的统计力学和分子运动论里，虽然得到了系统的利用，并且如玻恩所说“嵌入”到物理学体系中去了，但普遍的看法仍然是认为统计规律之所以必要，是因为我们不可能用严格的方法来处理大量的粒子，而基本过程如两个原子的碰撞，仍然遵循经典的因果描述。所以，这时起基本作用的仍然是严格的决定论。玻恩对此有过简洁的说明：

牛顿力学中最初的僵化的因果律必须用几率的考虑来补充，才能适当地处理由许多原子组成的气体和其他体系。为此目的，发展了统计力学和热的分子运动论。然而，人们仍然认为，只要能详细地观察这些粒子的运动，就可以看到这些粒子所服从的是行星所服从的同样的力学定律，而行星的位置是在几千年前就可以预见得到。但是，当进一步研究单个原子的结构时，人们弄清楚了，围绕着核的云中的电子不服从经典的力学定律。1900年，普朗克的量子假说提出了第一个暗示，它表明我们已经碰到了某种完全新的东西。在以后的25年中，这些开端慢慢发展成为现代的量子力学，量子力学给混乱的原子现象带来了秩序和意义。在这里我不可能讨论这个理论。我只想强调一点：这种新的力学原则上只做出几率的陈述。

量子力学的建立从根本上动摇了人们对因果关系机械描述的信念，正如玻尔所说，它迫使人们认识到：

量子定律的发现宣告了严格决定论的结束……这个结果本身具有重大的哲学意义。相对论改变了空间和时间的观念，现在量子论又必须修改康德的另一个范畴——因果性。这些范畴的先验性已经保不住了。……对于因果性，有了一个更普遍的概念，这就是几率的概念。必然性是几率的特殊情况，它的几率是百分之一百。物理学正在变成一门从基础上说是统计性的科学。

量子力学之所以使因果观念发生如此巨大的变化。是因为微观粒子本身的属性（即波粒二象性），使得人们不可能知道单个粒子的瞬时状态。而且，由海森伯的不确定性原理我们知道，在量子力学里任何一个可观测量的集合中，总有某个可观测量无法确定其数值。这样，我们当然就无法像经典物理学所期望的那样，由初始条件去精确地预言此后的情形了，“原则上的不可预测性”以及“本质上的不确定性”，赋予了偶然性、几率与以往极为不同的物理内涵，并最终导致了因果关系的几率描述。

但在30年代，事情还不那么简单。那时，在量子力学刚产生之际，物理学家们虽然普遍感到因果关系的机械描述已经不适用于微观领域，但对于如何回答这个事关重大的问题，物理学家们一时感到无所适从。德国哲学家石里克（F. A. M. Schlick，1882—1936）曾经描述过当时的情况，他说，海森伯对因果性问题的回答（即“因果律的失效是量子力学本身的一个确立的结果”）使近代哲学家大吃一惊，因为尽管人们从古至今都在讨论这个问题，但对海森伯这种回答的可能性那是连想都没有想过的。

大致上说，对于因果关系的态度在当时可分为两种。一种态度认为在微观领域里应当放弃因果律，持这种态度的代表人物是玻尔、海森伯。海森伯在1930年前后坚持认为，在微观领域里“因果律出了毛病。我们有各种理由认为：没有一种原因是实在的”。他认为“因果性只在有限的范围内才有意义、才能成立”，“物理学只能限于描述感觉之间的关系”。持这种态度的人，虽然正确地指出因果关系的机械描述在微观领域里是站不住脚的，但由此而否定一般因果律则是错误的。事实上，他们犯错误的原因正是把机械的因果关系做了不适当的普遍外推，没有看到因果关系的复杂性，因而走向了极端。

仍以海森伯为例，1930年12月9日，他在维也纳的一次讲演中把一般因果律解释为：“如果在某一时刻知道了一个给定系统的全部数据，那么我们就能准确地预言这个系统在未来的物理行为。”这其实并不是对因果律的准确的解释，而只是对拉普拉斯“机械的”因果关系即决定论的表述；所以，海森伯要抛弃的其实是决定论，而不是一般的因果关系。他自己弄拧了。

持另一种态度的人则认为，因果关系的机械描述在微观过程中的不适用性，并不能证明这些过程中根本就不存在因果联系，其代表人物为爱因斯坦、薛定谔等人。爱因斯坦（1928年）认为：

不能否认，放弃严格的因果律在理论物理学领域里获得了重要成就。但是，我应当承认，我的科学本能反对放弃一般的因果律。

1932年6月，爱因斯坦在与英国作家墨菲（J. Murphy）的谈话中说：“量子物理学向我们显示了非常复杂的过程，为了适应这些过程，我们必须进一步扩大和改善我们的因果性概念。”他还明确指出，他完全同意普朗克的立场，即“他承认在目前情况下，因果原理不可能应用到原子物理学的内部过程上去；但他断然反对这样的命题：我们由这种不适用性所得到的结论是，外界实在不存在因果过程”。爱因斯坦、普朗克等人承认一般因果性原则，并承认因果关系具有复杂性，不能把机械因果性关系作为唯一的形式，这无疑是十分正确的。

哥本哈根学派在一部分物理学家和绝大部分哲学家的批评下，调整了对因果关系完全否定的态度，逐步认识到将因果律和决定论等同起来是不对的，量子力学并没有抛弃因果性，所谓的偶然性也不是没有原因的。接着，主要是玻恩，提出了“因果关系的几率描述”。1935年，在一次报告中玻恩指出：“因此，由波的振幅的平方确定的几率性是完全实在的东西，……几率性是物理学的基本概念。统计规律是自然界及其他一切的基本规律。”在《符号与实在性》一文中，他更加明确地指出：

经典物理学的决定论……在量子力学被发现后……变得过时了。按照量子力学的统计解释，基本过程并不服从决定论的规律而是服从统计规律。我确信，像绝对的必然性、绝对精确、终极真理等观念都是一些幻影，应当把它们从科学中清除出去。我们可以从目前有限的知识，借助于某种理论，推演出用几率表述的对于未来情形的推测和期望。从所使用的理论的观点来看，每个几率的陈述或者是正确的，或者是错误的。在我看来，这种思维规则的放宽，是现代科学给我们带来的最大福音。相信只有一种真理而且正好是自己掌握着这个真理，我认为是这世上一切罪恶最深刻的根源。

比利时化学家普里高津。

因果关系的几率描述并不否认因果关系，只是它认为因果关系不像经典物理学认为的那么简单，只有机械描述（即决定论）一种，而应该有多种描述，其中几率描述是最基本的，决定论只是几率描述的特殊情况。时至今日，几率描述可以说已经得到大部分物理学家的承认。比利时化学家普里高津（Ilya Prigogine，1917—2003，1977年获得诺贝尔化学奖）明确指出：

和企图通过隐变量或其他手段去恢复经典正统性的那种思想相反，我们将坚决主张，必须进一步远离对自然的决定论的描述，并采用一种统计的随机描述。

他还坚决地宣称：“我们决不再从这种大胆的结论上退缩！”

量子力学波函数的几率诠释在物理学乃至一般科学观念上都带来了冲击，不仅是对因果关系，还有对经典物理学特别看重的“客观性”。从牛顿力学建立300多年以来，科学家们有一个从来没有怀疑过的信念是：我们认识的自然规律是完全客观的。经典物理学中所有的物理量，都是客观现象本身的固有特征；经典物理学的规律也都是绝对客观的规律。因此在经典物理学中认为，认识的主体和被我们认识的客体之间，有一条清晰明确的界线，主观与客观泾渭分明、彼此独立。量子力学则完全不同。根据波函数的几率诠释，量子力学得到的规律不是客观物理量之间的客观规律，而是与我们进行的测量紧密相关，是测量结果的几率规律。测量是研究主体的行为，测量结果的几率不是一种物理量，而是一种数学量，是研究的主体与被研究的客体之间通过测量这种相互作用而产生的一种综合的结果。在这个意义上，量子力学并不是完全客观的，它也包含了主观的因素，而且，我们在什么时候进行测量，以及测量什么物理量，都是要由研究者来决定的，带有主观的因素。具体一点说，在实验中哪些装置是测量仪器，哪些装置是被测量的对象，这在一定程度上是由实验者来确定的。也就是说，在我们作为认识的主体和自然界作为被我们认识的客体之间，不再存在一条客观和清晰的界线，主观与客观的界线在量子力学中变得模糊不清了。