《无尽的探索》

18.实在论和量子论

作者:卡尔·波普尔

虽然我的《研究的逻辑》对于有些人看起来也许有点像是对维也纳学派的批判,但是它的主要目的是建设性的。我曾试图提出一种人类知识理论,但是我对人类知识的看法与古典哲学家们的看法迥然不同。一直到休谟、穆勒和马赫,大多数哲学家都把人类知识看成是某种固定不变的东西。甚至休谟,他自认为是个怀疑论者,并且写了《人性论》希望彻底改革社会科学,也几乎把人类知识和人类习惯混为一谈。人类知识几乎是众所周知的东西:如猫在席子上;尤利乌斯·恺撒遭到暗杀;草是绿色的。在我看来这一切根本不值得注意。值得注意的是有关问题的知识。知识的成长——发现。

如果我们把知识理论看作是一种关于发现的理论,那么最好考察科学的发现。知识成长的理论尤其应该说明了物理学的成长以及物理学中各派意见的冲突。

1930年,我在赫尔伯特·费格尔的鼓励下开始写书,当时现代物理学正处于动乱之中。在1925年韦尔纳·海森堡就已创立了量子力学;但是几年之后,局外人——包括专业物理学家才认识到,已经实现了一个重大的突破。并且从一开始,就存在着歧见和混乱。两位最伟大的物理学家爱因斯坦和玻尔——也许也是20世纪两位最伟大的思想家——各持己见。他们的分歧直至1955年爱因斯坦去世时仍然向1927年索尔威会议上出现的分歧一样没有变化。有一个广泛流传的神话说,玻尔在他同爱因斯坦的争论中获得了胜利;大多数有创见的物理学家都支持玻尔,并且同意这个神话。但是两位最伟大的物理学家德布罗意和薛定谔却很不满意玻尔的观点(后来被人们称为“量子力学的哥本哈根诠释”),他们按照一条独立的思路工作。第二次世界大战后,又出现了若干重要的对哥本哈根学派持不同意见者,特别是玻姆、邦格、朗代、马格瑙和维日耶。

哥本哈根诠释的反对者一直是少数,并且他们会仍然如此。他们之间的观点并不一致。但是,在哥本哈根正统派内也可以看出有许多分歧。这个正统派的成员似乎没有注意到这些分歧,或者他们无论如何没有为这些分歧担忧,正如他们似乎没有察觉到他们的观点中具有的困难一样。而这两点对局外人来说却是非常引人注目的。

所有这些十分肤浅的评述也许说明为什么当我第一次努力掌握量子力学(那时被称为“新的量子论”)时,我感到不知所措。我根据书刊进行自学,有时同我谈论我的困难的惟一一位物理学家是我的朋友弗朗茨·乌尔巴赫。我试图理解这个理论,而他怀疑这个理论是可理解的——至少是否可为凡人所理解。

当我认识到玻恩的量子理论统计学诠释的意义时,我才开始有所领会。起初,我并不喜欢玻恩的诠释:薛定谔原先的诠释由于美学上的理由,并且作为一种关于物质的说明吸引了我;但是一旦我承认这种诠释是站不住脚的,而玻恩的诠释是十分成功的,我就坚持后一种诠释。因此,使我费解的是:如果玻恩的诠释被人们所接受,那么一个人又怎样能够坚持海森堡对他的测不准公式所作的阐释。似乎显而易见,如果量子力学应该用统计学来加以诠释,那么海森堡的公式也必须作如此诠释:它们必须被诠释为散射关系,也就是诠释为规定量子力学实验任何系列统计学散射的下限或齐性的上限。这种观点现在已被广泛接受了。(然而我应该说明,起初我总不能清楚地区分一组实验结果的散射与一次实验中一组粒子的散射;虽然我在“形式单一”的概率陈述中找到了解决这个问题的办法,但只有借助趋向性观念才能完全弄清楚它。)

量子力学的第二个问题是著名的“波包收缩”问题。也许很少有人会同意这一问题是1934年在我的《研究的逻辑》一书中得到解决的,但是一些很有能力的物理学家也承认这一解决的正确性。所提出的解决办法是指出出现在量子力学中的概率是相对概率(或条件概率)。

第二个问题所涉及到的或许是我考虑的主要之点——猜想(后来发展成为确信)量子力学的诠释问题都可以追溯到概率计算的诠释问题。

第三个已解决的问题是一种状态的准备与测量之间的区别。尽管我对这个问题的讨论是十分正确的,并且我认为是非常重要的,但是我在一个思想实验上犯了一个严重的错误(《研究的逻辑》第77节中)。我非常重视这个错误;那时我不知道甚至爱因斯坦也犯了一些类似的错误,而且我认为我的过失证明了我的无能。我听说爱因斯坦的错误是1936年在哥本哈根“科学哲学大会”以后。根据理论物理学家维克多·韦斯科夫的提议,我受到了尼尔斯·玻尔的邀请,在他的研究所里逗留了几天进行讨论:先前我已为我用来反对冯·魏茨泽克和海森堡以及反对爱因斯坦的思想实验作了辩护,前两人的论据并不使我十分信服,但后者的论据确实使我信服,我也和梯尔林以及(在牛津)和薛定谔讨论了这个问题,薛定谔告诉我,他为量子力学而怏怏不乐,他认为没有人能够真正理解它。因此当玻尔告诉我关于他与爱因斯坦的讨论——他后来在施尔普的《爱因斯坦》卷中描述了那些讨论——时我是处于一种失败主义的情绪中。我并没有想到从这一事实中得到安慰:即根据玻尔的说法,爱因斯坦和我一样犯了错误;我感到我失败了,并且我不能抵制玻尔个性的巨大影响。(在那些日子里,玻尔无论如何是不可抗拒的。)我多少还是屈服了,尽管我仍然为我对“波包收缩”的解释作辩护。韦斯科夫似乎乐于接受它,而玻尔却过于渴望阐述他的互补性理论,以致不能对我为宣传我的解释所作的微薄努力给予任何注意,而我也没有坚持这一点,因为我满足于学习,而不是讲授。当我离别玻尔时,他那和蔼可亲。才华横溢、积极热情的品质给我留下了极深刻的印象;我也几乎觉得无疑他是正确的,而我是错误的。但是我不能自信我理解了玻尔的“互补性”理论,并且开始怀疑是否有别的什么人也能理解它。虽然有些人显然已被说服,认为他们是理解了。正如爱因斯坦后来告诉我的,还有薛定谔也有这种怀疑。

这使我去思考“理解”问题。玻尔以某种方式断言,量子力学是不可理解的,只有古典物理学是可以理解的,并且我们不得不顺从这一事实:量子力学只能部分被理解,而且只有通过古典物理学的中介去理解它。这种理解的一部分是通过古典的“粒子图像”达到的,大部分是通过古典的“波图像”达到的;这两种图像是不相容的,它们就是玻尔称为“互补性的”。没有希望去更充分地或更直接地理解这个理论,要求的却是放弃要达到一种更充分理解的任何试图。

我猜想玻尔的理论是建立在对能够达到什么样的理解持十分狭隘的观点之上。看起来玻尔想到的是用图像和模型理解——用某种形象化理解。我认为这种观点太狭隘了,我终于发展了一种完全不同的观点。根据这种观点,即要紧的不是对图像的理解,而是对一种理论的逻辑力量的理解,就是说它的说明力,它对有关问题和其他理论的关系。多年来,我在讲演中发展了这种观点,我想第一次是在阿尔巴赫(1948年)和普林斯顿(1950年),在剑桥一次关于量子力学的讲演中(1953年或1954年),在明尼阿波利斯(1962年),后来又在普林斯顿(1963年)以及其他地方(当然也在伦敦)。这个观点可在我新近的一些论文中找到,虽然只是一个梗概。

关于量子物理学,数年来我一直是不抱信心的。我不能忘却我的错误的思想实验,并且,虽然我认为为自己所犯的任何错误感到痛心是对的,但现在我认为我过分重视这个错误了。只是在1948或1949年,与一位量子物理学家阿瑟·马尔赫进行了一些讨论之后(我在《研究的逻辑》一书中引用了他的《论量子力学基础》一书的观点),我似乎才重新鼓起勇气再次回到这个问题上来。

我又深入研究了原有的论据,并得出了以下结论:

(a)决定论和非决定论问题

(1)不存在任何反对决定论的特殊的量子力学论据。当然,量子力学是一种统计学理论,而不是一种乍一看就是决定论的理论,但这并不意昧着它与一种乍一看就是决定论的理论不相容。(尤其是冯·诺依曼对这种所谓的不相容性——所谓“隐变量”的不存在——的著名证明是无效的,正如戴维·玻姆以及前不久由约翰·s·贝尔以更直接的方式表明的一样。)。我在1934年达到的立场是:量子力学中没有任何东西可以证明这种论点:决定论被反驳了,因为它与量子力学不相容。从此以后,我不止一次地改变了想法。

1951年,戴维·玻姆提出的一个模型表明:乍一看是决定论的理论的存在,确实在形式上是与量子力学的结果相容的。(构成这个证明基础的基本思想是由德布罗意先提出的。)

(2)在另一方面,没有任何可靠的理论断言决定论在物理学中有基础;实际上存在着反对这种断言的强有力的理由,正如c·s·皮尔斯,弗朗茨·埃克斯纳、薛定谔以及冯·诺依曼所指出的那样:所有这些理由都引起人们注意这一事实:牛顿力学的决定论性质与非决定论是相容的。此外,虽然把乍一看是决定论的理论的存在解释为以非决定论的和概率的微观理论为基础的宏观理论是可能的,但反之却是不可能的:只有借助于概率的前提才能推导出有价值的概率结论来(并因而得到解释)。(在这方面,朗代的一些十分有趣的论据应该予以考虑。)

(b)概率

在量子力学中,我们需要诠释概率计算。

(1)概率计算是物理的和客观的(或“实在论的”);

(2)概率计算得出的概率假说能接受统计学的检验。此外,

(3)这些假说可应用于单个事例;以及

(4)它们与实验设计有关。

在《研究的逻辑》一书中,我发展了概率计算的“形式主义”诠释,它满足所有这些要求。从那时起我已对这种诠释作了改进,用“趋向性解释”来代替了它。

(c)量子论

(1)实在论。虽然我不反对有关“波粒子”(波与粒子)或者类似的非经典的实体的原理,但我没有看到(现在仍未看到)有任何理由去偏离经典的、朴素的和实在论的观点,即电子等等就是粒子,即它们是定位的,并且具有动量。(当然,理论的进一步发展可能表明那些不同意这一观点的人是正确的。)

(2)海森堡的所谓“测不准原理”是对断言统计学散射的某些公式的一种曲解。

(3)海森堡的公式没有涉及测量;他的公式暗示目前流行的全部“测量量子论”都充满了曲解。根据海森堡公式的通常诠释被“禁止”的测量,按照我的结果不仅是允许的,而且实际上还要求对这些公式本身进行检验。然而,这种散射关系又与量子力学系统状态的准备有关。在准备某种状态时,我们总是要引入一种(共轭的)散射。

(4)对量子论来说确实独特的是概率的(依赖时相的)干扰。可以设想我们也许不得不把这一点当作某种最终的东西来加以接受。然而情况似乎并非如此:早在波动力学产生之前,当人们在反对康普顿对爱因斯坦光子理论的判决性检验时,杜安就于1923年提出了一种新的量子定律,这个定律可被看作是类似普朗克能量定律的动量定律。杜安的动量量子化定律不仅可以应用于光子,而且(正如朗代所强调的)也可应用于粒子,因而它也对粒子的干扰提供了一个合理的(虽然只是定性的)解释。朗代进一步论证波动力学的定量干扰定律,可以从简单的补充假定中推导出来。

(5)因此,许多哲学幽灵现在可驱除了,并且关于主体或精神侵入原子世界的所有那些使人惊愕的哲学断言现在也可以消除了。这种侵入主要可以解释是由于人们对概率计算的传统的主观主义曲解所致。

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