浅析爱因斯坦的哲学思想

范文1:浅析爱因斯坦的哲学思想

内容摘要:阿尔伯特爱因斯坦(1879~1955)是现代物理学的开创者和奠基人,他以探索理论物理学的基础解决物理理论中的基本矛盾作为自己科学研究的主要任务,这就迫使他比较深入地接触到哲学上的重大问题。爱因斯坦在他的科学研究中始终都秉持着坚定的唯物主义信念,这种信念给他的认识论也带来了影响。本文以爱因斯坦哲学思想的形成过程和转变过程为出发点,探讨了这位伟人哲学思想的发展轨迹。

关键词:

爱因斯坦;哲学思想;宇宙宗教感情;科学理性论

爱因斯坦认为存在着一个独立的、外在的、客观的实在世界,这个世界不以人的意志为转移。终其一生,爱因斯坦追求的都是对自然界秩序和规律的理性理解。这种执着的追求最终成为一种深挚的信仰,爱因斯坦称之为“宇宙宗教感情”。在这种信念的影响下,爱因斯坦最终转向了科学理性论。下面我们就来具体分析爱因斯坦哲学思想的发展历程。

1.从朴素的唯物主义到“宇宙宗教感情”

爱因斯坦的哲学思想集众家之所长,早期曾受到休谟、康德、斯宾诺莎、马赫、亥姆霍茨、彭加勒等哲学家和自然科学家的影响。其中,马赫对爱因斯坦早期哲学思想形成所起的作用是不容忽视的,有的人甚至认为爱因斯坦早期的哲学思想就是马赫哲学。但实际上爱因斯坦接触到马赫哲学后,并不是不加选择地全盘接受,而是抛弃了其中的唯心主义成分,接受了经验论。那么,是什么原因促使爱因斯坦形成唯物主义观点呢?

当爱因斯坦还是个四五岁的小孩的时候,他的父亲给了他一个罗盘,这只罗盘深深震动了爱因斯坦,让他第一次对世界感到了惊奇。爱因斯坦思考,一定有什么东西深深地隐藏在事物后面。事实上,隐藏在事物后面的正是是看不见的规律,幼年时期的爱因斯坦第一次对现象背后的规律有了模糊的印象。

青少年时期,通过阅读一些通俗科学书籍,爱因斯坦很快相信,《圣经》里面的许多故事是不可能会真实发生的。爱因斯坦少年的宗教天堂就这样失去了,他意识到世界不是《圣经》上描述的那样,所谓的天堂可能并不存在。爱因斯坦认识到在我们自身之外还有一个巨大的世界,这个世界以自己独有的形式存在着,横亘在人类面前的这个世界就像是一个永恒的谜,但人类可以依靠观察和思维来感知它至少可以部分地来感知。于是,爱因斯坦在这个时期就树立了朴素的唯物主义信念,从此再也没有发生动摇。

从少年时期就形成的唯物主义信念伴随了爱因斯坦一生。不可否认,爱因斯坦在一些场合也使用了“神”和“上帝”等字眼,但我们应该看到,爱因斯坦所说的“神”,绝不是大众所认为的真正宗教意义上的“神”,而是斯宾诺莎的与自然等同的泛神论之“神”。

爱因斯坦非常欣赏斯宾诺莎的人生观和处世态度,并以他为榜样。斯宾诺莎是一位泛神论哲学家,他一生思想自由,品德高尚,个人生活经历却十分坎坷。斯宾诺莎认为神是一个有广延的东西,同时认为只存在一种广延实体,他称之为自然界。在斯宾诺莎看来,上帝与自然是等同的,他提出“对上帝的理智的爱”,这成为爱因斯坦生活的最高目标和科学探索的强大动力。

“对上帝的理智的爱”,即追求对自然界秩序和规律的理性理解。爱因斯坦认为,思维的对象是自然的奥秘而不是人格化的上帝;思维的内容是宇宙的合理性而不是上帝的神圣性。爱因斯坦汲取了斯宾诺莎泛神论的思想,并进一步升华为一种宇宙宗教的信仰,即“关于世界的合理性或者可理解性的信念”:“我认为人类世界的可理解性(如果允许我们这样讲的话)是一个奇迹,或者是一个永恒的神秘”1在爱因斯坦看来,科学就是以宇宙宗教的信仰(信念)和感情为基础的。他说:相信世界在本质上是合理的和可知的,这一信念是建筑在宗教感情上的。

在爱因斯坦看来,宇宙宗教感情是一种最高的宗教感情,拥有这种宗教感情的人常常被大众看成是无神论者或是圣人。在他眼里,德谟克利特、斯宾诺莎、开普勒和牛顿都是有着强烈宇宙宗教感情的科学家。

爱因斯坦认为宇宙宗教感情的纯粹形式是难以找到的:没有拟人化的上帝概念,没有固定的教条,所以让人很难理解。真正具有宇宙宗教感情的科学家表现出来的是一种对自然规律的和谐所感到的狂喜和惊奇,这种和谐表达出了一种极为高超的理性,对这种理性的追求和强烈想要了解这种理性的愿望构成了一种深挚的感情。这种感情成为这些科学家生活和工作的指导原则,同时也作为他们进行科学研究的最强有力和最高尚的动机,促使他们献身于那种远离直接现实生活的工作。

从根本上来说,爱因斯坦的宇宙宗教感情与他的唯物主义信念是一致的。正是秉持着坚定的唯物主义信念,爱因斯坦才对宇宙自有的规律产生惊奇。从某种意义上说,爱因斯坦的宗教信仰就是对整个宇宙规律的热爱和追寻,他的一生都在为寻找宇宙的奥秘而奋斗。

与此相似的是,作为牛顿科学研究动力的那种对于神的虔诚信仰无疑也是一种诚挚的宗教感情,促使他通过科学研究来寻找宇宙的规律,从而揭开神的奥秘。从本质上来看,牛顿对神的崇拜与爱因斯坦的宇宙宗教感情是一致的,都是强烈想要了解自然界的理性,并且都对这种理性抱以谦恭的态度。只是,牛顿给这种理性的来源冠以神的名义,而爱因斯坦却自始至终认为,这种理性不具有纯粹的1 [美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版,

形式。

2.从怀疑的经验论到科学理性论

1938年,爱因斯坦给兰佐斯的一封信中有这样一段话:“从有点像马赫的那种怀疑的经验论出发,经过引力问题,我转变成为一个信仰理性论的人,也就是说,成为一个到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉的人。”2

爱因斯坦早期对马赫极为推崇。在悼念马赫的文章中爱因斯坦对他评价很高,其中着重提到了两个观点:

第一,概念和规则是经验材料归纳和排列的结果。

按照马赫的观点,科学就是一种用我们已知的观点和方法,把实际的感觉经验加以比较和排列的结果。从这个结果中产生的抽象概念和规律是这样来确定的:概念和规律组成一个排列的纲目,那些经验材料就可以在这个纲目中可靠又清楚地排列起来。这就像绘制一份图表,先把表格中的每个项目按照一定的顺序排列,然后把具体的内容填进去,形成一份结构清晰,内容完整的图表。这个图表要求要能够准确体现所要描述的材料内容,所以项目的拟定,排列顺序的选择就不是随意的,而是要根据材料的内容来形成最佳组合,这和概念和规律的确定是一样的。

与马赫观点相似的是,爱因斯坦也认为经验事实是理论原理的来源。在普鲁士科学院的就职讲话中,爱因斯坦在开始就提到理论物理学和实验物理学两个物理学领域,并且认为理论家的方法在于应用那些作为基础的普遍假设或者“原理”,从而导出结论。于是工作就分为两部分,首先发现原理,然后从这些原理推导出结论。3其中,对于第一步原理的发现,爱因斯坦是这么说的:“科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可用精密公式来表示的普遍特征,由此探求自然界的普遍原理”;“归纳的物理学向演绎的物理学提出问题,反过来,演绎的物理学也向归纳的物理学提出问题。”4也就是说,爱因斯坦认为原理是来源于经验事实的,后面提到的“归纳的物理学”对应的是前面的“理论物理学”,而这正是他研究的领域。也就是说,理论的原理是从经验事实中归纳出来的,这种认识论的方法带有明显的马赫认识论的成分。

第二,概念是可变的。

马赫认为概念是会发生“嬗变”的,没有绝对的永远有效的观点,精确的观察和巧妙的本能是科学家完全可以信赖的导师,只要他们的概念显得是不适用2 [美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版,3 同上,、112页4 [美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版,、114页

的,这些概念就会最好地和最快地被事实改正过来。5

爱因斯坦认为,“物理学是从概念上掌握实在的一种努力”6,“然而为了科学,就必须反反复复地批判这些基本概念,以免我们会不自觉地受它们支配”7。相对论的产生修改了空间和时间学说以及力学中的某些概念。为了说明概念不是不可改变的,爱因斯坦提出了概念发展的三种情况:如果它们不能被证明为充分合法,它们就将被抛弃;如果它们同所给定的东西之间的对应过于松懈,它们就将被修改;如果能建立一个新的、由于无论哪种理由都被认为是优越的体系,那么这些概念就会被别的概念所代替。这也就是说概念在发展过程中有三种情况,被抛弃、被修改和被代替。相对论对力学中某些概念的修改就是三种情况中的第二种,而被代替的概念也有很多,著名的“光的波粒二象性”的提出就代替了原来的光的波动性和光的粒子性理论,这是目前为止最优越的解释光的性质的理论。所谓“充分合法”,“对应松懈”和“优越”,判断的标准其实就是概念和事实的对应程度,与事实更接近的概念就被认为是更优越的。这和马赫的观点是一致的。广义相对论的完成对爱因斯坦的哲学观转变具有决定性的作用。在悼念马赫后的第二年,也就是1917年,广义相对论刚刚完成不久,爱因斯坦在给贝索的信中是这样评价马赫的:“至于马赫那批小马,我并不骂它;你会全明白,对此我是怎样想的。但是,它不可能创造出什么有生命的东西,而只能扑灭有害的虫豸。”8爱因斯坦清楚认识到,马赫哲学在创新上的能力是薄弱的,但他也承认马赫哲学对理论体系的批判作用。

著名自然科学史家许良英先生在他的研究中指出,爱因斯坦的哲学思想在早期就已经有了理性论的思想,并举了五例加以说明。我认为这五例已经是很好的证明,现简述如下:

第一,爱因斯坦在《自述》中提到,失去宗教天堂后,他开始思考“在我们之外又一个巨大的世界,它离开我们人类而独立存在,它在我们面前就像一个伟大而永恒的谜,然而至少部分地是我们的观察和思维所能及的。从思想上掌握这个在个人以外的世界,总是作为一个最高目标而有意无意地浮现在我的心目中。”,这种信念和感受和经验论是格格不入的,是理性论者所特有的;9

第二,1901年4月,爱因斯坦给格罗斯曼的信中表达了他对探索自然界统一性的乐趣。而相信自然界的内在统一性存在并且是可以认识的,这是理性论最基本的信念;

56朱亚宗著:《伟大的探索者爱因斯坦》,人民出版社,1985年第1版,[美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版,7 同上,8 [美]同上,9 [美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版,

第三,在1905年狭义相对论论文中,追求统一性和对称性,赋予两个原理以公设的地位,这也体现了理性论的思想;

第四,1906年,当考夫曼宣称他的实验结果与爱因斯坦关于电子运动的假设不相容时,爱因斯坦并没有动摇,还是相信自己的理论是正确的。这表明爱因斯坦否认实验在认识论上的优先权,更不用说感觉经验的优先权了;

第五,在关于原子和分子实在性的争论中,爱因斯坦始终坚持实在论的立场。从这五个例子我们可以很清楚地看到,爱因斯坦早期的哲学思想中确实已经有了理性论的思想,但这个时候还没有形成一个完整的体系,只是在涉及到与物理学直接相关的问题时才会表现得比较明显。所以,爱因斯坦后来转变为一个信仰理性论的人,并不是突然和偶然的,而是一个在科学探索中长期积累的结果。在这个转变过程中,普朗克的理性论的实在论、斯宾诺莎对上帝的理性理解、陀思妥耶夫斯基理性论的诗体,还有毕达哥拉斯、伽利略、牛顿、笛卡尔、莱布尼茨、休谟、康德、彭加勒等人的思想对他的理性论的形成都有很大影响。

爱因斯坦的理性论与前人的理性论最大的区别在于,他并不认为理性是科学知识的唯一源泉,同样,他也不认为经验是科学知识的唯一来源,而是把两者结合起来,在传统的理性论和经验论之间开辟了一条“交叉地带”,我们可以称之为科学理性论。

参考资料:

1.[美]阿尔伯特爱因斯坦著:《爱因斯坦文集》(增补本)第一卷,许良英、李宝恒、赵中立、范岱年编译,商务印书馆,2009年第2版

2.朱亚宗著:《伟大的探索者爱因斯坦》,人民出版社,1985年第1版

范文2:我的信仰——爱因斯坦

我的信仰

我们这些总有一死的人的命运是多么奇特呀!我们每个人在这个世界上都只作一个短暂的逗留;目的何在,却无所知,尽管有时自以为对此若有所感。但是,不必深思,只要从日常生活就可以明白:人是为别人而生存的首先是为那样一些人,他们的喜悦和健康关系着我们自己的全部幸福;然后是为许多我们所不认识的人,他们的命运通过同情的纽带同我们密切结合在一起。我每天上百次地提醒自己:我的精神生活和物质生活都依靠别人(包括活着的人和死去的人)的劳动,我必须尽力以同样的分量来报偿我所领受了的和至今还在领受的东西。我强烈地向往着简朴的生活,我认为阶级的区分是不合理的,它最后所凭借的是以暴力为根据。我也相信,简单淳朴的生活,无论在身体上还是在精神上,对每个人都是有益的。

我完全不相信人类会有那种在哲学意义上的自由。每一个人的行为,不仅受着外界的强迫,而且还要适应内心的必然。叔本华(Schopenhauer)说,“人能够做他想做的,但不能要他所想要的。”①这句话从我青年时代起,就对我是一个非常真实的启示;在自己和别人生活面临困难的时候,它总是使我得到安慰,并且永远是宽容的源泉。这种体会可以宽大为怀地减轻那种容易使人气馁的责任感,也可以防止我们过于严肃地对待自己和别人;它还导致一种特别给幽默以应有地位的人生观。

要追究一个人自己或一切生物生存的意义或目的,从客观的观点看来,我总觉得是愚蠢可笑的。可是每个人都有一定的理想,这种理想决定着他的努力和判断的方向。就在这个意义上,我从来不把安逸和快乐看作是生活目的本身这种伦理基础,我叫他猪栏的理想。照亮我的道路,并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想,是善、美和真。要是没有志同道合者之间的亲切感情,要不是全神贯注于客观世界那个在科学与艺术工作领域永远达不到的对象,那么在我看来,生活就会是空虚的。人们所努力追求的庸俗的目标财产、虚荣、奢侈的生活我总觉得都是可鄙的。

我对社会正义和社会责任的强烈感觉,同我显然的对别人和社会直接接触的冷漠,两者总是形成古怪的对照。我实在是一个“孤独的旅客”,我未曾全心全意地属于我的国家、我的家庭、我的朋友,甚至我最接近的亲人;在所有这些关系面前,我总是感觉到有一定距离并且需要保持孤独而这种感受正与年俱增。人们会清楚地发觉,同别人的相互了解和协调一致是有限度的,但这不足惋惜。这样的人无疑有点失去他的天真无邪和无忧无虑的心境;但另一方面,他却能够在很大程度上不为别人的意见、习惯和判断所左右,并且能够不受诱惑要去把他的内心平衡建立在这样一些不可靠的基础之上。

我的政治理想是民主主义。让每一个人都作为个人而受到尊重,而不让任何人成为崇拜的偶像。我自己受到了人们过分的赞扬和尊敬,这不是由于我自己的过错,也不是由于我自己的功劳,而实在是一种命运的嘲弄。其原因大概在于人们有一种愿望,想理解我以自己的微薄绵力通过不断的斗争所获得的少数几个观念,而这种愿望有很多人却未能实现。我完全明白,一个组织要实现它的目的,就必须有一个人去思考,去指挥,并且全面担负起责任来。但是被领导的人不应该受到强迫,他们必须有可能来选择自己的领袖。在我看来,强迫的专制制度很快就会腐化堕落。因为暴力所招引来的总是一些品德低劣的人,而且我相信,天才的暴君总是由无赖来继承,这是一条千古不易的规律。就是这个缘故,我总是强烈地反对今天我们在意大利和俄国所见到的那种制度。②象欧洲今天所存在的情况,使得民主形式受到了怀疑,这不能归咎于民主原则本身,而是由于政府的不稳定和选举中与个人无关的特征。我相信美国在这方面已经找到了正确的道路。他们选出一个任期足够长的总统,他有充分的权力来真正履行他的职责。另一方面在德国的政治制度③中,我所重视的是,它为救济患病或贫困的人作出了比较广泛的规定。在人类生活的壮丽行列中,我觉得真正可贵的,不是政治上的国家,而是有创造性的、有感情的个人,是人格;只有个人才能创造出高尚的和卓越的东西,而群众本身在思想上总是迟钝的,在感觉上也是迟钝的。④

讲到这里,我想起了群众生活中最坏的一种表现,那就是使我所厌恶的军事制度。一个人能够洋洋得意地随着军乐队在四列纵队里行进,单凭这一点就足以使我对他轻视。他所以长了一个大脑,只是出于误会;单单一根脊髓就可以满足他的全部需要了。文明国家的这种罪恶渊薮应当尽快加以消灭。由命令而产生的勇敢行为,毫无意义的暴行,以及在爱国主义名义下一切可恶的胡闹,所有这些都使我深恶痛绝!在我看来,战争是多么卑鄙、下流!我宁愿被千刀万刮,也不愿参与这种可憎的勾当。⑤尽管如此,我对人类的评价还是十分高的,我相信,要是人民的健康感情没有被那些通过学校和报纸而起作用的商业利益和政治利益加以有计划的破坏,那么战争这个妖魔早就该绝迹了。

我们所能有的最美好的经验是神秘的经验。它是坚守在真正艺术和真正科学发源地上的基本感情。谁要是体验不到它,谁要是不再有好奇心也不再有惊讶的感觉,他就无异于行尸走肉,他的眼睛是迷糊不清的。就是这种神秘的经验虽然掺杂着恐怖产生了宗教。我们认识到某种为我们所不能洞察的东西存在,感觉到那种只能以其最原始的形式为我们所感受到的最深奥的理性和最灿烂的美正是这种认识和这种情感构成了真正的宗教感情;在这个意义上,而且也只是在这个意义上,我才是一个具有深挚宗教感情的人。我无法想象一个会对自己的创造物加以赏罚的上帝,也无法想象它会有象在我们自己身上所体验到的那样一种意志。我不能也不愿去想象一个在肉体死亡以后还会继续活着;让那些脆弱的灵魂,由于恐惧或者由于可笑的唯我论,满足于觉察现存世界的神奇的结构,窥见它的一鳞半爪,并且以诚挚的努力去领悟在自然界中显示出来的那个理性的一部分,即使只是其极小的一部分,我也就心满意足了。

[注释]

①叔本华这句话的德文原文是:“Ein Mensch kann zwar tun, was er will, aber nichi wollen, was er will.”编译者

②第二次世界大战期间,爱因斯坦承认他在战前很长一段时期受了反苏宣传的影响,以后他对这个问题的看法有一些改变。参见他1942年10月25日在美国“犹太人支援俄国战争公会”一次宴会上的演讲和1950年3月16日给美国反共“理论家”胡克的一封信。编译者

③指1918年第一次世界大战结束时建立,1933年被希特勒推翻的“魏玛(Wei mar)共和国”。本文最初发表时用的不是“德国的政治制度”,而是“我们的政治制度”。编译者

④爱因斯坦由于目睹了德国军国主义的泛滥和法西斯瘟疫的蔓延,对群众和群众运动产生了非常错误的看法,这种错误看法也常在别的文章中流露出来。编译者

⑤1933年7月以后,爱因斯坦改变了这种绝对的反战态度,积极号召反法西斯力量武装起来,以打击法西斯的武装侵略。参见1933年7月20日给A.纳翁的信。编译者

此文最初发表在1930年出版的《论坛和世纪》(Forum and century),84卷,193-194页,“论坛”丛书第13种《当代哲学》上。当时用的标题是“我的信仰”(What I believe)。编译者

范文3:量子力学史话:玻尔与爱因斯坦的争论

量子力学史话:玻尔与爱因斯坦的争论

量子力学建立以后,对于量子力学的物理解释和哲学意义,一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛,在科学史上是罕见的。在这其中,以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。

1.量子力学的哥本哈根学派的诠释

1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所,并很快成为当时国际上公认的物理研究中心,逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。

歌本哈根学派中,对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献的代表人物有:玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人。海森堡的“不确定性原理”和玻尔的“互补原理”、玻恩的波函数的几率诠释,共同构成了哥本哈根学派诠释量子力学的几大主要支柱。1927年后(也即本文所讨论的大争论之后),逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的“正统”解释。其主要核心理论如下:

①波函数的几率诠释:在微观领域里,经典力学的因果律和决定论都遭到了破坏。在相同的实验条件下,可以发生各种不可预测个体量子过程,每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件,使通常情况下的因果链被打断。所以在量子力学中,人们必须放弃经典力学意义上的因果律和决定论,而把量力力学的几率性看成是本质的。

②不确定性原理:1927年,海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中,提出了著名的“不确定性原理”(uncertainty principle)历史上又称作“测不准原理”或“不确定关系”。海森堡不确定性原理是量子力学的一个基本原理。为了说明他的不确定性原理,海森堡设计了一个理想实验:用一个γ射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光波波长的限制,为了精确确定电子的位置,应该使用波长短的光,而波长越短,光子的动量越大,根据康普顿散射,引起电子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确,就愈难确定电子的动量。反之亦然。

海森堡认为,微观粒子既不是经典的粒子,也不是经典的波;当人们用宏观仪器观测微观粒子时,就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰,使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌;而这种干扰是无法控制和避免的,就像盲人想知道雪花的形状和构造。通过仔细分析,海森堡得出电子坐标的不确定程度Δx和动量的不确定程度Δp遵从:ΔxΔp≤h/4π;同样,能量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系。海森堡认为“这种不确定性,正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。

③互补原理:海森堡认为,测不准关系的存在,表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限;玻尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性,只是表明同时应用它们既是不可能的,但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说,微观粒子具有波粒二相性,正是用经典语言描述微观客体的结果,但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在,它们是相互排斥的,并且,无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述;只有把这两种图象结合起来、相互补充,才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学,甚至成为一种哲学原理。

哥本哈根学派的主要思想和观点大致可概括为四个方面:①可观察量是建立理论的基础和依据。②量子跃迁是量子力学的最基本概念。

③描述微观客体的波函数是一种几率波,粒子出现的几率由波幅的平方所决定。④从实验中所观察到微观现象,满足测不准关系和互补原理。

2.爱因斯坦的观点

以爱因斯坦为首的另一部分物理学家,如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面:

①因果性还是几率波?

早在1920年1月27日,爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性”的信念。1924年4月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中,他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说:“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是,我决不愿意被迫放弃严格的因果性,将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法,即认为电子受到辐射的照射,不仅它的跳跃时刻,而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”

②量子力学仅可建立在可观察量的基础上?

爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天,他在海森堡的一次谈话中,提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。

3.论战的爆发

①序幕:1926年9月,薛定谔应玻尔的邀请,到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即以传统的连续性观念,代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来,立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。

②玻尔的互补原理:1927年9月,在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上,玻尔第一次提出了“互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言,而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和老厄不赞成玻尔的观点,尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。

③论战开始:几个星期后,1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议。会议主题是“电子和光子”。在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出:“我们主张量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻尔阐述了他的“互补原理”,重复了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满,他曾在1926年12月给玻恩写信时说:“上帝不是在掷子”,当玻恩问到爱因斯坦的意见时,爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释,但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。(爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满,认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的,所以只能得出不确定的结果。)爱因斯坦的发言掀起了波浪,也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。

④爱因斯坦的单缝衍射实验:爱因斯坦提出了一个“单缝衍射”理想实验,来说明自己的观点。如图所示。一束电子射向遮光屏S,通过小孔O在半球面胶片P上得到衍射图像。这可用两个观点进行解释:

第一种观点认为,“同德布罗意---薛定谔波相对应的,不是一个电子,而是一团分布在空间中的电子云”;|Ψ2|表示在被观察的那一部分空间电子云中,一个粒子存在的几率。“量子论对于任何单个过程是什么也没有说,它只是给出关于一个相对说来无限多个基元的集合的知识”;

第二种观点认为,“量子论力图完备的描述某些单个过程。落到S上的每个粒子,不是由位置和速度来表征,而是用一个…德布罗意---薛定谔波束来描写的。这个波束经受了衍射之后,它的一部分落到胶片P上。”|Ψ2|表示在所考察的时刻一个特定粒子存在于所给地方的几率。“这样,量子论是研究一个单个过程,并且力图充分的描述全部的事实和规律性。”爱因斯坦认为,第二种观点包含了第一种观点的全部结果,但相反的论断却不能成立,这是同相对性的假设相矛盾的。

接着他具体阐述了反对第二种观点的看法:“如果认为,|Ψ2|是简单地给出了在被观察的胶片上的某一部分在给定的时刻某个粒子存在的几率,那么,由此就必须得出这样的结论:一个同一的基元过程在胶片的第二个或者更多个地方起作用。然而,认为对应于|Ψ2|的,是表示一定粒子存在于完全确定的地方的几率,这样的一种解释就必须以完全特殊的超距作用为前提,而不允许连续分布在空间中并且同时在胶片的二个部分表现出自己的作用的波的存在。”

玻尔经过认真思考,指出:不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用,即电子与狭缝边沿的相互作用。

⑤双缝干涉实验:爱因斯坦又想出了一个类似托马斯杨的双缝干涉实验,如图所示。如果让大量电子通过A、B,会在屏C上出现干涉条纹。若控制电子枪O,让它一个一个的发射电子,屏C上就会出现一个一个的亮点,并可测量他们的位置。如果分别关闭M或N,就可以知道电子是通过M还是N,从而可测出电子的准确路径。

由干涉条纹可计算电子波的波长,从而可精确确定电子的动量。否定了测不准关系。玻尔经过认真思考后反驳说,如果关闭狭缝N和M中的任一个,实验状态就完全改变了,在双缝开启时出现的干涉现象就不再出现,实验回到了单缝状态,只不过先后通过了两条单狭缝,等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的是,电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝,即依赖于我们对实验的安排。这样,玻尔把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验,反而变成了用互补原理说明波粒二相性的例子。爱因斯坦并没有因为自己的质疑被玻尔化解而改变自己的看法,他说过一句充分表达内心信念的名言:“你相信掷骰子,我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。”

4.争论的高潮

在1930年10月召开的第六届索尔维会议上,爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是“物质的磁性”,不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验,试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。

①“光子箱”实验:如图示。一个光子箱悬挂在上底座上,不消耗辐射能。箱壁上开一小孔C,并设有用计时装置控制的快门。箱子下面挂一重物G,整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定。在从快门打开到闭合的时间Δt里,只让一个光子飞出;Δt可通过计时装置精确测定;由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变Δm也可精确测定,由只能关系式即可计算出能量的变化ΔE。这样Δt和ΔE就可同时精确测定。测不准关系不再成立。听了爱因斯坦“光子箱”的发言,据说当时玻尔“面色苍白,呆若木鸡”。面对这一严重挑战,玻尔经过一个不眠之夜的思考,终于找到了爱因斯坦的疏漏之处,第二天玻尔做了一个漂亮的回答。他指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时,箱子必将沿重力方向发生运动。这时,即使重量的测量是准确的,但是由于箱子在重力场中发生了位置变化,箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变,从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论:用这种仪器作为精确测定光子能量的工具,将不能控制光子逸出的时间。

爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验,不但没有难倒玻尔,反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。

②“EPR佯谬”:第六届索尔维会议之后,爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性,但是仍坚持认为量子力学是不完备的。1935年5月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)、罗森(N.Rosen)合作发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》,对量子力学完备性提出了有力的反驳,即“EPR佯谬”。文章在论述完“完备”理论的必要条件和鉴别“物理实在”的充分条件后认为:对于一对共扼物理量只能是:或者认为量子态Ψ对于实在的描述是不完备的;或者是对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。

最后爱因斯坦等人得出结论:量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系(系综)的性质,而不能准确的描述单个体系(如粒子)的某些性质;但是一个完备性的理论应当能描述物理实在(包括单个体系)的每个要素的性质,所以不能认为量子力学理论描述是完备的。

③波尔对“EPR佯谬”的应答:波尔认为,不可能以毫不含糊的方式来确定EPR所指的那些物理量,因为物理量本身就同测量条件和方法紧密联系着,确定物理量的这些条件使EPR所做的关于“实在”的定义在本质上就含糊不清了。玻尔认为,任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态,而是关于这个客体侵没在其中的整个实验场合。这个整体性特点,就保证了量子力学描述的完备性。

5.没有结尾的尾声

由于二次世界大战,争论平息了一个时期。直到1948年,爱因斯坦对EPR佯谬又做了一次深入的讨论。1949年玻尔也发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行商榷》的长篇文章,但基本都属于“各说各的”的历史追述,而不像以前那样针锋相对的论战了。这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认,统计性的量子理论为理论物理学代来了极其重大的进展;这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样,据他的助手回忆,在每一个重大问题上,玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的;1962年11月18日玻尔逝世时,人们在他工作室的黑板上发现了两张草图,其中之一就是爱因斯坦的光子箱。

6.意义

爱因斯坦和玻尔的争论,使量子力学的意义不断得到澄清,一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是:科学规律本质上是因果性的,还是概率性的?

这场争论并没有破坏他们的友谊,他们相互尊重,为后人树立了榜样。

当代物理学家惠勒(J.A.Wheeler)说:“我不知道哪里还会再出现两各更伟大的人物,在更高的合作水平上,针对一个更深刻的论题,进行一场为时更长的对话。”关于量子力学的解释涉及许多哲学问题,其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说,量子力学的运动方程也是因果律方程,当体系的某一时刻的状态被知道时,可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但是量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言,只能给出物理量取值的几率。在这个意义上,经典物理学因果律在微观领域失效了。

量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态,是由于测量所造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。

玻尔:谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家。

总之,量子力学冲破了经典物理的局限,迅速发展起来,成为我们研究微观世界的有力武器。普朗克、卢瑟福、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡等科学家为追求真理而勇于探索的精神,成为我们学习的榜样。