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文檔簡介
1、測不準原理的哲學(xué)審視摘 要 測不準原理及波粒二象性的物理本質(zhì)表明,粒子的波動性來源于它所攜帶的場。光子電磁場與帶電磁場的粒子相互作用才顯示出粒子性,而粒子的波動性在與場的作用時才呈現(xiàn)出來,兩者是完全對稱的。因而粒子的波動性根源應(yīng)歸屬與它所攜帶的場。目前,僅參與電磁作用的粒子波動性得到直接實驗驗證,參與其它作用粒子的波動性并無直接實驗證據(jù),只不過是一種先驗的“推廣”。按量子論觀點,波動的粒子按一定的機率穿越勢壘,而夸克卻一直處于有限勢壘的囚禁之中,高能粒子碰撞能打破囚禁為這種有限性提供了證據(jù)。如果粒子理論是正確的,無論提出何種夸克模型都無法否定這樣唯一的結(jié)論:夸克不具有波
2、動性,因為它攜帶的強場力程太短,使其失去顯性波動性的機會。波動性是粒子自由存在的必要條件,這是量子規(guī)則隱含的必然結(jié)論。1引言在現(xiàn)代物理學(xué)中,測不準原理可謂最富哲學(xué)爭鳴的話題。1927年,它一經(jīng)公布就引來眾多批駁,經(jīng)過十年激烈爭鳴,物理學(xué)界才基本接受了“哥本哈根解釋”,即波動的互補原理1。但在以后的歲月中,互補原理不斷受到懷疑、批駁,最有力的當(dāng)數(shù)愛因斯坦等人于1935年提出的EPR佯謬2。不過,隨著爭鳴和相應(yīng)實驗的進展,互補原理的地位似乎愈加鞏固。即便如此,許多卓越的物理學(xué)家仍對其耿耿于懷,誠如當(dāng)代杰出的天體物理學(xué)家斯蒂芬·霍金所言:“測不準原理可能是自然界給我們的深奧暗示,時至今日,
3、所有的哲學(xué)解釋難以令人滿意”3。從十幾年前認真閱讀愛因斯坦文集至今,作者反復(fù)審視有關(guān)測不準原理的種種解釋,并力爭理解其物理本質(zhì),這里簡述一些思考結(jié)果。為了便于比較,先簡單回顧測不準原理的產(chǎn)生及爭鳴歷史。2波粒之爭測不準原理爭鳴的漫長前奏測不準原理的實質(zhì)在于量子世界的波粒二象性。因此,在其誕生之前,關(guān)于光本性的波粒之爭早已進行了漫長爭鳴前奏。17世紀末,關(guān)于光是粒子還是波動已展開過爭論。牛頓(Y. Newton)雖然在這個問題上猶豫不決,但還是傾向于粒子性,并稱之為微粒。這是牛頓經(jīng)典力學(xué)理論關(guān)于物質(zhì)相互作用的必然要求。因為在牛頓看來,物質(zhì)之間的相互作用是通過質(zhì)點實現(xiàn)的,萬有引力作用如此,運動三定
4、律依然如此。牛頓的思考代表著當(dāng)時人類認識自然界的最高智慧,他根本不可能萌發(fā)引力場概念,因而只能認為光是微粒。之所以又猶豫不決,因為這種微粒實在細微的無以計量,不可觀測又如何敢于肯定。盡管牛頓時常還相信上帝存在,但他卻十分清楚,其力學(xué)理論完全建立在天文觀測和力學(xué)實驗基礎(chǔ)之上。我們知道,電磁理論和電磁場概念是牛頓之后人類經(jīng)過深入研究才建立起來的,牛頓也好,惠更斯(C. Huygens)也好,當(dāng)時都不可能用電磁場概念建立光的波動觀念。盡管惠更斯主張光是波動,其實他也僅僅是測猜,僅僅是因為觀察不到光微粒。19世紀初期之前,牛頓的聲望使光的微粒說一直占統(tǒng)治地位。隨著楊氏(T. Young)雙縫干涉實驗和
5、菲涅爾(A. J. Fresnel)光衍射理論的成功,使物理學(xué)家紛紛轉(zhuǎn)向波動說。19世紀中葉,麥克斯韋(Maxwell)以統(tǒng)一的電磁場方程組為波動描述奠定了堅實的理論基礎(chǔ),當(dāng)時的物理學(xué)家們認為,“問題”終于解決了,不過這是量子論誕生之前的事情。到19世紀末,“問題”又來了。在研究黑體輻射過程中,維恩(W. Wien)和瑞利金斯(RayleightJeans)分別提出了不同的輻射公式。但前者的結(jié)果在低頻段與實驗結(jié)果偏離較大;而后者則正好相反,即在紫外頻段趨于無窮大,歷史上曾稱其為“紫外災(zāi)難”。普朗克(M. Planck)在深入研究后發(fā)現(xiàn),如果改變經(jīng)典理論傳統(tǒng),將連續(xù)的能量改為分立的“能量子”,問
6、題可圓滿解決。1900年10月19日這一結(jié)果公布,宣告了量子論的誕生。1905年,愛因斯坦用“光量子”成功解決了“光電效應(yīng)”問題。按照愛因斯坦的觀點,當(dāng)光發(fā)生干涉時象波,但在光電效應(yīng)中它象粒子,如光粒子打在電子上,則電子被一個一個打出金屬表面。光的粒子性在更深刻的意義上得一恢復(fù),只所以是深刻的,是因為這時的光子已超出經(jīng)典的光微粒之意義,且不否定其波動性。光子的能量與頻率成正比,這樣光子就和光的波動性交織在一起,波長不可抗拒地與光的能量聯(lián)系起來。光量子概念立刻引起大多數(shù)物理學(xué)家的反對,包括普朗克在內(nèi)也表示無法接受??灯疹D效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)才徹底扭轉(zhuǎn)了物理學(xué)家們的傳統(tǒng)觀念,認識到光即是“粒子”又是波。19
7、23年9、10月間,德布羅意(L. de Broglie)將光的波粒二象性加以推廣,提出各種實物粒子也應(yīng)該具有波動性,且波長為=h/mv,1927年為幾個實驗所證實。不僅光從波粒之爭到進入量子世界表現(xiàn)出波粒二象形,而且連經(jīng)典理論中的物質(zhì)粒子也同樣表現(xiàn)出波動性4!3. 測不準原理生來與爭鳴為伴繼德布羅意之后,海森堡(W. K. Heisenberg)于1925年7月在量子理論研究中取得重大突破。他研究玻爾拼揍的氫原子模型后提出了量子關(guān)系公式: pqqp=hl/2 I,宣告矩陣力學(xué)誕生。它以粒子為表述對象,這也是注重“可觀察量原則”的必然結(jié)果。它剛剛誕生,就遇到波動力學(xué)的有力挑戰(zhàn)。1926年16月
8、間,薛定諤(E. Scheodinger)全面推進了物質(zhì)波理論,提出“薛定諤方程”,波動力學(xué)誕生。它使量子力學(xué)建立在波粒二象性基礎(chǔ)之上。其明確的數(shù)學(xué)形式與矩陣力學(xué)的晦澀形成鮮明的對照,很快贏得大批科學(xué)家稱贊,兩種觀點展開了激烈的爭論。波動力學(xué)雖然大受歡迎,但對波函數(shù)的物理解釋卻成為矩陣力學(xué)哥本哈根學(xué)派的攻擊目標。玻恩(M. Born)把波函數(shù)解釋為幾率波,才緩解了波動力學(xué)的窘迫處境,也逐步為物理學(xué)界所接受5。后來薛定諤證明兩種力學(xué)是等價的,兩派握手言歡。在矩陣力學(xué)中,海森堡以“可觀察量原則”代替電子軌道描述,這引起了偏愛波動力學(xué)的愛因斯坦發(fā)問:“當(dāng)我們看到電子徑跡時,您也拒絕考慮電子軌道嗎?事
9、實上,正是理論決定了我們能觀察到什么?!焙Iげ荒軣o視這種發(fā)問,經(jīng)思考后認為,電子的軌跡是“一串水珠”,電子位置帶有不確定性,最終表達為x·ph/4,與幾率聯(lián)系在一起5,這即是著名的“測不準關(guān)系”。它一經(jīng)提出,立即引起更為激烈的爭論。狄拉克認為,自然界本身沒有不確定性,幾率是人為帶入實驗的。海森堡則給出理想化分析:如果用顯微鏡觀測電子的位置,要想看準,必須用高頻光照射,這樣位置精確了,但電子受光子碰撞的動量變化亦隨之增大,位置越準,動量越不準,反之亦然。而玻爾則認為,波與粒子潛藏于給定的實驗之中,是實驗安排選擇的是“波”還是“粒子”,外來干擾產(chǎn)生了不確定性,實質(zhì)上它來源于波粒二象性。
10、并認為在量子世界中波動性和粒子性都是必不可少的,卻又是相互排斥的,互斥的雙方都限制在一定的范圍之內(nèi),兩者才同時具有明確的物理意義,即它們必須相互補償才能存在5。遺憾的是這種解釋已為實驗所否定1。海森堡則更進一步,他從測不準原理中得出一個驚異的哲學(xué)結(jié)論:“嚴格的因果關(guān)系失效了!”愛因斯坦反駁到:“上帝不是在擲骨子”4。并認為量子力學(xué)的描述是不完備的2。波函數(shù)僅表達了統(tǒng)計意義,只能是一個過渡階段,應(yīng)尋找更完備的概念;德布羅意認為,粒子是波的一個奇點,波則引導(dǎo)著粒子運動;玻姆則認為量子論僅僅是統(tǒng)計性的,其背后應(yīng)存在著未被發(fā)現(xiàn)的“隱變量”應(yīng)繼續(xù)尋找6。4.測不準原理的哲學(xué)審視時至今日,雖爭鳴猶繞耳畔,
11、然而為求一己之見,卻不得不掩卷長思。實質(zhì)上,測不準原理描述的是單個粒子的行為,卻又記入外來粒子的作用結(jié)果。這種作用即最初解釋的“干擾”,如果不與外界粒子作用,即不受“干擾”,這個粒子就無法向外界傳達信息,它的存在對周圍粒子便失去意義。我們知道,用于觀測的光和自然發(fā)生的光并無本質(zhì)差別,粒子也一樣,它們同樣是客觀實在,故無需強調(diào)測不準關(guān)系是由測量引起的。無論測量與否,粒子間的相互作用同樣存在,無論是測量的“干擾”,還是自發(fā)的“干擾”,其實質(zhì)都是粒子間的相互作用,測不準原理應(yīng)遠遠超出測量意義,而是更深刻地體現(xiàn)著自然界中粒子與光(輻射·場)之間的作用方式,同時也是粒子粒子,粒子場,場粒子間的
12、相互轉(zhuǎn)化的必經(jīng)之路。即只有在測不準條件下相互作用,而后才能發(fā)生轉(zhuǎn)化。奇怪的是,自然界中竟不存在場場(光子)轉(zhuǎn)化,盡管以上三種轉(zhuǎn)化都離不開場,但場只能起到媒介作用,這種功能特征使場與粒子明顯區(qū)別開來。輻射代表著能量,粒子代表著實物,這是兩種實在,正如愛因斯坦所言:“目前,我們在所有的理論體系中不得不假定兩種實在,(輻射)場和實物。”2兩種實在要發(fā)生作用,只有經(jīng)普朗克常數(shù)h量級之橋才能認同。而宏觀的物質(zhì)由于過于臃腫肥大,根本無法跨上h之橋,自然用h無法描述宏觀物質(zhì)顆粒與場(輻射)量子相互作用。只有電子這類微小的粒子才合適從h之橋上通過,進而與對岸的輻射(光子)相會。若把相互作用比作戀愛,這座h量級
13、之橋猶若中國那個古老優(yōu)美的牛郎織女傳說中“鵲橋”。輻射與物質(zhì)無相互作用時,就按自己本來的波動性運動,但要發(fā)生作用,就必須向h量級的“鵲橋”靠近,把原來松散的波動聚集為h量級的量子;而本來的粒子也向h量級的波動量子靠近,各自都為自己妝扮上一層“戀愛”的暈輝,使自己更顯出適宜“戀愛”的角色,以便在h量級的“鵲橋”上相互協(xié)調(diào)一致,相互作用的“戀愛”才能成功。測不準關(guān)系正是反映著兩種實在相互作用的認同量級。這種作用自然不會像物物相撞那樣直觀,也不像波波干涉那樣易于觀察。在經(jīng)典理論中,輻射與實物之間有一條明顯的界限,將兩者截然分開,就像天河一樣阻斷牛郎織女相會。人們對兩者之間的作用似乎渾然不知,毫無覺察
14、。隨著研究的深入,終于突破了機械觀,先認識到輻射的量子性,揭示了兩種實在作用的部分秘密,爾后認識到實物粒子的波動性,弄清了兩者趨向一致,都顯示出波粒二象性,只有這樣才具備了創(chuàng)造測不準原理的條件。假如h=0的話,那將是十分麻煩的,絕不是僅僅退回到經(jīng)典理論了事,那只不過是一種經(jīng)典描述而已。關(guān)鍵是兩種實在間再沒有可供約會的“鵲橋”,更不可能再有兩者之間的相互轉(zhuǎn)化。實物永遠是實物,輻射永遠是輻射,兩種實在各行其事,各種物理規(guī)律將不復(fù)存在,那將是一個僵死的宇宙!五從波粒二象性到波粒兩分成功總是企圖抹煞深入探究的必要性。幾十年來,科學(xué)界為波粒二象性的成功歡呼雀躍,再也無暇理會何為波,何為粒子了。更確切地說
15、是大多數(shù)人認為沒有必要再去探究它的本質(zhì)區(qū)別。但愛因斯坦直到逝世也未停止對波粒二象性的思改。1951年他這樣總結(jié)道:“整整五十年有意識的思考,依然未能使我更接近光量子是什么的答案。當(dāng)然今天那些不誠實的人都認為他知道答案,其實他不過是在欺騙自己”2。 回顧波粒之爭到波粒二象性共存,我們可以看到:發(fā)生光光干涉時,光是波;在光電效應(yīng)及康普頓效應(yīng)中,光像粒子,這正是它與粒子作用的緣故。而粒粒相互作用時,它們都顯出粒子性,至于波動性,如果電子在原子中以波動方式存在,其實質(zhì)是原子核的電磁場與電子的電磁場相互作用的結(jié)果,即波動性來源于場。若無場,當(dāng)然根本無電子和核之間的相互作用,更不會結(jié)合成原子。的
16、確,電子自身也能顯示出波動性,這是雙縫干涉實驗表述的無可辯駁的實驗事實。然而,不容忽視電子波動性的條件:其一,電子攜帶電磁場;其二,它必須與原子核的電磁場作用,像在原子中那樣,即電子的干涉衍射必須借助小孔、狹縫或者透過晶體來實現(xiàn)。電子經(jīng)過這些構(gòu)型物質(zhì)時,受其原子核電磁場的作用,就如同在固體中一樣表現(xiàn)為波動,這種波動反映到屏上就呈現(xiàn)出衍射,干涉圖樣。這時的電子無論成束或單個發(fā)射都不影響屏上圖樣。然而,所有量子理論教科書及論文都講電子的波動性,卻從未提及小孔、狹縫或晶體物質(zhì)中原子核電磁場的作用,以及對衍射等圖樣形成的貢獻。為什么沒有這種環(huán)境場的作用電子無法直接表現(xiàn)出波動性?恐怕目前并不能給出明確的
17、答案。隨著量子論場論的誕生,所有場都量子化了,似乎場都是由量子構(gòu)成的,那么量子背后又是什么?即量子是否從某種背景中產(chǎn)生出來?事實上,目前所有的理論和觀測都是把場逼向量子論的,這未必是它在宇宙中的自然形態(tài)。在粒子物理研究中,直到今日未發(fā)現(xiàn)電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),但它卻攜帶電磁場。而將其場量子化描述后卻使電子出現(xiàn)發(fā)散行為,這顯然不符合物理事實,也使物理學(xué)家們大為頭痛,于是用“重整化”聊以自慰。但狄拉克于1975年鄭重指出:“我必須指出我對這種情況很不滿意,因為這種所謂的“好理論”中確實存在著忽略無窮的問題,并且這種取舍是沒有規(guī)則的。這并不是一種合理的數(shù)學(xué)。在合理的數(shù)學(xué)中忽略一項是因為它是小量,并不是因為它
18、是無窮大你不想要它!”電磁場以輻射光子表現(xiàn)為量子化,但傳遞于粒子間的“虛光子”又是什么?其份額大小由什么因素決定?從對虛量子性質(zhì)的規(guī)定看來,它應(yīng)該是光子的母體,不僅產(chǎn)生出光子,更重要的是不間歇地維持原子的結(jié)構(gòu),進而支撐起整個宇宙。在量子理論中,帶電磁場的離子鍵相互作用靠虛光子傳遞,這在描述和數(shù)學(xué)計算上的確是方便的,但卻掩蓋了相互作用的具體過程及深刻的物理本質(zhì)。虛光子的真實面目又如何?只要愛因斯坦未弄清可觀測的“實光子”之面目,相信目前沒人能清楚“虛光子”是什么。然而,所讀到的教科書及論文視虛光子為粒子,似乎它明晰可鑒。其實,電子、質(zhì)子所帶電磁場分明是連續(xù)的,從中可以任意“存取”虛光子,只有粒子
19、間發(fā)生作用時,才顯示出量子性。顯然這種量子性來源于粒子間相互作用之需要,而不該歸屬于電磁場之本質(zhì),實質(zhì)上電磁場的所有量子性是為了描述方便而被任意分割出來的,相信必定能被任意分割下去,如果必要的話。再者,電磁場輻射出波動的光子,為什么它自身不能是波動的?可以設(shè)想,這種波動性像虛光子一樣潛藏于場中,條件允許時才表現(xiàn)出來。那么這種波動性完全可以決定攜帶它的粒子的波動性。特別值得注意的是,為了證明粒子的波動性,都需要用外來電磁場與粒子的電磁場相互作用方式來實現(xiàn)。因此,如果按照愛因斯坦的觀點,視現(xiàn)實宇宙由兩種實在構(gòu)成,即場與實物,那么可以想象,場是連續(xù)的,表現(xiàn)為波動性;而實物裸粒子則為非連續(xù)的,表現(xiàn)為粒
20、子性,兩者在相互作用并趨于認同時均表現(xiàn)出波粒二象性,而各自獨立存在時,場與實物則表現(xiàn)為波粒二分。果真如此的話,也許諸多難題能夠從中找到答案。六結(jié)束語·夸克的啟示以上論述試圖證明波粒兩分,并非要否定微觀粒子的波粒二象性本質(zhì),而是期望尋求波粒二象性源于何故。即使波動性來源于場得到證實,只要無法將場與粒子分離,波粒二象性即為微觀粒子的本質(zhì)。我們應(yīng)該注意到,目前僅參與電磁作用的電子、質(zhì)子、中子乃至原子的波動性得到直接實驗驗證,測不準原理也僅僅是在電磁作用下得到的,它是否可以無條件地推廣到強弱相互作用,尚不得而知。然而,科學(xué)史向我們展示,各種隨意“推廣”層出不窮,也因此使后來的認識陷入困境,這
21、種事例免于一一列舉。目前我們依然面臨著能否“推廣波粒二象性”抉擇,由于強弱作用下的夸克、中微子的波動性顯然僅是先驗的推廣,并無直接實驗證據(jù),也許根本無法驗證。但夸克的禁錮性卻給我們深刻的啟示:我們都十分清楚,按量子理論觀點,波動的粒子能夠按一定的幾率穿越很高的勢壘,這已為電子隧穿,和衰變確鑿地證實,從而證明量子理論的正確性【7】。同理,如果夸克具有波動性【9】,它也應(yīng)按一定幾率穿越勢壘,逃逸為自由的夸克。盡管強作用較電磁作用強137倍,但它不能建立起無限高的勢壘,碰撞粒子能將夸克強行拆開也證明其勢壘的有限性。然而目前的事實是夸克完全被囚禁,從未穿越過勢壘【8】:量子理論在電磁作用范圍內(nèi)已證明是正確的,在強弱作用中亦并無否定其正確性的證據(jù)。然而波動的夸克不能穿越有限勢壘,這顯然是與量子理論規(guī)則嚴重沖突的。無論量子電動力學(xué)(QCD)提出何種夸克模型,并想方設(shè)法讓模型符合實驗事實,進而給出圓滿解釋,卻都無法回避這種嚴重沖突,也將使我們現(xiàn)有的量子理論體系進退維谷。如果量子理論規(guī)則是正確的這已為無數(shù)事實證明,
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