物理学哲学:在形而上与形而下之间
2015/6/17 哲学园

     物理学哲学:在形而上与形而下之间

     来源:中国社会科学网 作者:记者 陈叶军

     转自中国社会科学网

     学界有一个说法,20世纪是物理学的世纪,因为20世纪的物理学取得了辉煌的成就,物理学哲学也因此成为显赫的学术研究领域。同时,学界还有另外一个说法,21世纪是生物学的世纪,而物理学已经超过半个世纪没有类似于量子论和相对论这样的重大突破了。物理学哲学这门在形而上与形而下之间的学科,是否会因此而过时?近些年来,物理学哲学的研究进展如何?未来有哪些值得关注和进一步推动的研究话题?带着这些问题,本网记者专访了相关学者。

     受访学者:

     吴国林:华南理工大学科技哲学研究中心主任

     成素梅:上海市社会科学院哲学研究所研究员

     桂起权:武汉大学哲学学院教授

     董春雨:北京师范大学哲学与社会学学院教授

     学科定位:在科学哲学中仍然处于基础地位

     中国社会科学网:作为曾经的显赫学术研究领域,物理学哲学过时了吗?当前,它在科学哲学家族中处于什么地位?

     吴国林:物理学哲学的根是物理学,必须要有物理学的新进展,才有物理学哲学的新进展。自17世纪以来,物理学一直成为带头学科。21世纪物理学仍然是带头学科,因为它的研究范式一直成为其他学科学习的榜样。物理学成为自然科学发展的典范。生物学的进步在很大程度上仍然得益于物理学。

     成素梅:在科学哲学家族中,物理学哲学是最成熟,也是最早发展起来的一门学科,但并等于物理学哲学已经过时,相反,需要通过深化物理哲学的研究来推动科学哲学的发展。这既与物理学的研究性质相关,也与科学哲学当前面临的难相关。到目前为止,物理学仍然是科学技术发展中最基础的学科。

     科学哲学的诞生是物理哲学的延伸,或者说,科学哲学的产生和发展始终与物理学哲学相关。从时间上看,逻辑实证主义兴起的时代正是量子力学创立的时代。由于量子力学的产生颠覆了物理学家在经典物理学土壤中形成的理论观、实在观、因果观等一系列哲学观念,关于如何理解量子力学的问题成为当时包括爱因斯坦和玻尔在内的一大批理论物理学家争论的焦点,这些争论产生了广泛的影响。

     在逻辑实证主义的重要创始人和代表性人物中,石里克、卡尔纳普、赖欣巴赫、费格尔、享普尔等人都是学习物理学出身,都出版过物理哲学方面的著作,他们后期的科学哲学思想,基本上是在前期物理学哲学思想的基础上形成的。

     作为科学哲学第一个流派的逻辑实证主义的初衷是根据科学的方法改造当时越来越向着思辨方向发展的哲学,而这种科学的方法实际上就是物理学的方法:重视实验证实,把观察结果看成是检验理论的试金石。后来,随着批判理性主义者和历史主义者对逻辑实证主义哲学体系的批判与超越,才更完整地形成了科学哲学这门学科。因此,可以说,科学哲学是逻辑实证主义的副产品。

     20世纪60年代以来的科学哲学发展始终与物理学哲学相关,比如,库恩的范式论、法因的“自然本体论态度”、范·弗拉森的经验建构论、哈金的实体实在论等都与物理学史与物理学哲学相关。20世纪末影响科学哲学界的“索卡尔事件”就是由量子物理学家发起的。因此,物理哲学研究对于科学哲学的发展来说,仍然是最基本的。

     董春雨:物理学作为物质世界最基础组成和最简单运动的科学,最早成熟起来,并成为近代科学的带头科学。时至今日,物理学无论在时间和空间的认识广度,还是在物质属性与规律的认识深度上早已达到了前人无法企及甚至想象的程度。建立在其上的物理学哲学也因此成为最全面和接近自然底蕴的人类思想形式之一。与物理学的当代发展相适应,物理学哲学也具有自己鲜明的特色,而与其他自然科学门类的科学哲学相区别。

     首先是物理学哲学的形而上学性。当代物理学研究的前沿,许多问题如统一场论问题以及超弦与M理论问题等,都是人类目前无法从经验上验证的。但我们的思想却不能在某条界线之内停止,它还会走得更远,于是物理学哲学作为人类探索精神的典型代表,总会超越时代的限制而步入形而上学之境。古代及近代的原子论如此,当代的夸克“禁闭”问题等也是如此。当代科学与哲学对知识的“形而上学性”虽然有很多非议,但其中所蕴含的不屈的理性思考精神却引领着人类不断走向未来,并不断将一些形而上学的内容变成经验上可检验的东西。可以这样说,没有科学与哲学中的形而上学性,就没有科学的今天,也没有科学的未来。

     其次是物理学哲学的深刻性。物理学是关于物质存在最本质性质和规律的科学,例如相对论涉及时空的根本属性,量子力学涉及微观粒子的基本属性和规律,从量子性到波粒二象性,从概率决定性到不确定原理,从互补原理到多世界理论,物理学本身每一个跨时代的进步,都极大地深化着人类的相关认识。这种认识因其不可替代的革命意义而使物理学哲学问题的探讨而愈发富于挑战性和启发性,它从根本上改变着人们的科学世界观和方法论。

     实际上,无论物理学的发展到什么程度,它的问题发生了怎样的转移,其内在的精神却从来没有改变。例如牛顿出于对行星与宇宙系统的切向运动的追问而提出了“上帝的第一推动”问题,当今从自然的对称性的考虑出发而提出了“对称疑难”问题,即如果自然在本质上是对称的,那么它是如何从这种静止与平衡的状态中走出来呢?这就如同历史上著名的“布里丹的驴子”,当它站在两堆对称的草堆中间而拿不出一个“理性”的选择理由最终被饿死一样。可见问题虽然转换了,但问题的本质是相通的,人类穷根究底的精神是不变的,它本质上体现了人们的一种思维方式和思维水平,对人类的心灵有强烈的震撼和启迪,这也正是它经久不衰与历久弥新的奥秘所在。

     学科进展:重点任务是推进量子力学哲学研究

     中国社会科学网:这些年来,物理学哲学取得了哪些进展?

     成素梅:当代物理学哲学的研究主要集中在三个方向:一是量子力学哲学;二是宇宙学哲学;三是量子场论哲学。其中,量子力学哲学是最基本的。据诺贝尔获得者杰克·斯坦博格估计,当代经济三分之一的国民产值以某种方式来自以量子力学为理论基础的高科技,物理学哲学研究的当前任务是推进量子力学哲学研究,形成以点带面的发展。

     到目前为止,物理哲学家和科学哲学家并没有真正消化量子力学带来的哲学挑战,这也是为什么塞尔甚至在世纪之交预言21世纪的科学哲学发展时,把量子力学同化到融贯的世界观中,看成是21世纪科学哲学最振奋人心的事情,看成是对科学哲学家和对科学哲学感兴趣的物理学家的共同任务。

     量子力学带来的哲学挑战并不是能够通过简单地补充或修正现有观念就可以就应对的,而是需要进行一场脱胎换骨的哲学革命。比如量子纠缠问题。量子纠缠现象是1935年爱因斯坦等人为了质疑量子力学的完备性,以思想实验的方式揭示的一种量子现象,直到20世纪末,物理学家才以此为基础从实验上证实了量子力学的正确性,并且基于微观粒子之间的纠缠效应开发了量子通讯、量子密码和量子计算机等技术。这是一个从观念质疑到数学量化再到实验证实的一个典型案例。这个案例也开辟了实验的形而上学。

     所谓量子纠缠是指两个同源的微观粒子在分开之后,不管它们相距多远,一个粒子发生的变化,立即在另一个粒子中反映出来。这两个粒子之间的有关联是非定域性的。爱因斯坦称之为是“诡异的超距作用”。当这种量子现象已经成为一种技术资源正在得到大力开发利用的今天,我们仍然以因果决定论的思维方式来理解问题,显然是行不通的。如果不以因果决定论的思维方式理解量子力学,就需要我们反过来,以量子力学的新特征为基础,揭示新的实在观、理论观、知识观等。然而,完成这项任务并非易事。这就像用日心说推翻地心说那样,需要彻底的哲学革命。

     吴国林:目前,物理学哲学的热点主要是量子力学哲学与量子信息哲学,而原有的时空哲学、量子场论哲学也有一定的进展。

     关于量子力学的测量问题。1932年,著名科学家冯·诺依曼(J. Von Neumann)在《量子力学的数学基础》中给出了量子力学测量定理的一个严格证明。他假设测量仪器是一个微观系统,服从量子力学运动规律。于是可以把测量的量子系统S与测量仪器A看作是一个复合系统,仍然是一个微观系统。但是,量子系统与适当的宏观测量系统相互作用,仅能导致仪器与量子系统的量子纠缠,这种量子测量具有不确定性,然而,有效的经典测量必须排除这种不确定性。从数学上讲,要靠冯·诺依曼链的末端的观察者经典的“一瞥”,产生波包扁缩,得到量子测量结果。由此,有人引申出量子力学理论中必须有“主观介入”,微观世界不再具有客观性,量子微观世界不点,他提出了物理—心理平行论,即微观粒子和仪器以及仪器和“物理的自我”之间的分界线可以随意移动。冯·诺依曼得出“主观介入”的观点有一个重要的假设:测量仪器是一个微观系统,服从量子力学运动规律;能够单纯从量子力学“推导”出“测量假说”,而不需要其他要求(如仪器的宏观性和经典性)。

     20世纪末以来,物理学家在仪器与量子系统之外,还引入了环境。环境与测量仪器通过相互作用,产生理想纠缠,使量子系统出现退相干,不可逆地消去了各个干涉项,从而使系统的行为表现得就像经典物理系统一样。近年来,退相干理论得到很大的进展,成为一种主流的思想。

     关于非定域性问题。在EPR论文中,EPR给出了定域性的基本涵义:由于在测量时两个体系不再相互作用,那末,对第一个体系所能作的无论什么事,其结果都不会使第二个体系发生任何实在的变化。这当然只不过是两个体系之间不存在相互作用这个意义的一种表述而已。我认为,“非定域性(nonlocality)”应作“定域性”的“否定性”理解。非定域性表示没有“定域性”的那样一种性质。非定域性是表示超光速吗?物理学哲学界还有争论。比如波函数本身是否是非定域的?我个人认为,量子力学系统的态,即量子态(波函数)本身就是超光速的,或者是非定域的,否则无法解释量子隐形传态等重要量子信息过程。非定域性与量子纠缠的关系问题。但是,还有学者受近距作用的影响,他们认为,不存在量子信息的超光速传递,其理由是信息的发送者与接受者之间有一个整体关系(如果量子纠缠)

     关于量子力学的解释问题。目前有哥本哈根解释、隐变量解释、退相干解释、模态解释、多世界解释、多心解释等等多种量子力学的解释。但是,这些量子力学解释都是等价的吗?量子力学诠释可被定义为:当量子力学为真,世界会是什么样的描述。还有学者认为,量子平行计算支持了多世界解释,但这是有问题的,因为量子计算除了需要量子平行计算之外,还需要有量子纠缠这一重要量子现象。从科学理论的检验来看,一个科学理论要满足逻辑一致性和经验适当性,显然,量子力学诠释是满足这两个条件的,但是,仅仅满足这两个条件,面对众多的量子力学诠释,还无法区分哪一个诠释是更好的量子力学诠释。可见,对选择量子力学解释的标准或条件进行思考是十分必要的。维马斯(Pieter E. Vermaas)提出了量子力学诠释的技术功能条件和工程草图条件,这就是说,用技术条件来选择量子力学解释。但是,在我看来,量子力学解释应当增加量子信息条件,即量子力学解释能够说明量子信息的存在与演化。

     关于波函数本身的哲学问题。波函数是实在的,还是纯粹的数学符号?这是有争论的。在我看来,波函数不仅是实在的,而且是结构实在的。承认波函数的实在性,就能够更好的理解量子实在与量子信息的关系。

     关于因果性问题。因果性是科学哲学的重要问题。从休谟的因果性,到邦格、马基、萨尔蒙等的因果性,因果性概念得到深入认识。但是,对于量子隐形传态来说,其过程具有因果性吗?我们从事件来定义因果性,改进了邦格的因果模型。在量子力学中,事件除了包括时空变量之外,还应包括自旋、偏振等内部变量。自旋、偏振等确定的状态就是粒子的属性和状态。在量子纠缠中,粒子之间的非定域性,主要表明为测量结果之间的关联。测量结果就是量子事件,量子纠缠表现的就是量子事件之间的关联。而表征量子态的波函数则体现了量子态的演化过程,构成了粒子状态自身的状态空间,而测量结果,也就是测量导致的粒子的量子态的坍缩,就可以看作是发生在粒子之上的量子事件。由此,可证明量子隐形传态过程是一个因果过程,在过程中,我们定义为原因事件,与结果事件。

     关于科学实在论问题。面对反实在论的诘难,科学实在论的最新进展是结构实在论。主要形成了以沃雷尔为代表的认识结构实在论学派,法兰奇与雷迪曼为代表的本体论的结构实在论,以曹天予为代表的实体结构实在论学派,并在国内外哲学界获得了广泛的关注和影响。但是其理论与论证过程仍有问题:主要表现在本体论基础、因果关系的协调和科学理论的演化与进步等方面。在我看来,结构实在论应当将假设结构与元素(要素)同时存在,这样会更好一些。

     关于量子力学的基础与量子信息的关系问题。这里有一个争论的问题,一种认为,通过量子信息来重建量子力学,以说明波函数的奇特性质;而另一派持反对意见。最早的这一想法来自于惠勒的“它来自于比特”(it from bit),即是说,物质来自于信息。但是,目前,仍然有争论。在我看来,量子信息不同于量子实在,物质世界不可能来自于信息。然而,量子信息与量子实在,或者信息与实在是统一在一起的,但又是不同的范畴。这里还涉及到量子计算问题,世界的本质是计算呢?计算是物理的,还是信息的?

     桂起权:物理世界基本结构知识的本质核心蕴藏于其数学规律之中,并且该规律为自然本身所固有的(科学实在论理念)。探索新的对称性已经成为物理学家的一种重要手段,对于揭示物理世界的奥秘往往有示向作用、引导科学发现的作用。

     关于场与粒子的关系问题。我们持“场本体论”立场,认为“场”(场物质)才是第一性实体,粒子不再是永固不变的,而只是由场而派生的,是可生可灭的。真空不空,真空是处于基态的量子场,量子场论的“产生”、“湮灭”概念真正的逻辑基础在于生成论。

     关于对称与非对称的关系问题。对称与和谐是这个自组织的宇宙最基本的设计原则,但“对称性破缺”,则是隐含对称性的间接表现形式。自然界深层次的内在物理规律(定律,方程式)本身是对称的,而其外在表现形式(方程式的解)却是破缺的。内在定律比它的现象拥有更高的对称性。“非对称(指“破缺”)创造了活生生的现象世界”(居里语)。

     关于因果与机遇,偶然性与必然性的关系问题。量子世界是因果与机遇联合支配的,机遇有规则;从量子层次上说,量子粒子具有内禀不确定性。偶然性总是出现在多种因素、可能趋势相互作用的交叉点上,而其中每一分支仍然是一条因果链。然而,每一新的层次都能突现独特规律。自然界存在“质的无穷性”,根本不存在终级自然律。

     关于“真与美”的关系问题。自然因为真而美,科学家因为发现美而找到真。盖尔曼强调科学美对科学发现的启发性作用。盖尔曼的“夸克模型”,优先考虑的是基本对称性,“夸克”最初正是作为“数学抽象”而出现的。“形的逻辑”超前“物的逻辑”,最终却找到了物质基础。对科学美的再次强调,也许与粒子物理学新形势,标准模型、超弦理论等等的进展有关。

     关于EPR悖论的消解问题。爱因斯坦和玻尔的观点,平分秋色吗?他俩的视角完全不同,两人都有正确的方面,又有所忽视的方面。爱因斯坦坚持实在论立场并不错,但混淆了量子客体的“独立实在性”与“量子态的独立性”。由于量子纠缠现象的存在,“实在态”却经常是纠缠的,不再是独立可分离的了,因此有远程的整体关联性就并不奇怪。爱因斯坦坚持相对论所要求的非超距的、邻接性的定域作用,也并不错;但不能由此否定远程关联。在贝尔不等式的实验检验取得决定性的成功之后,玻尔的量子整体性的观点得到了决定性的支持。然而,在这种背景下学术界却容易因此忽视爱因斯坦的正确方面。细致的分析有助于挖掘出深层的含混预设,结果是,概念一经澄清,矛盾也就烟消云散了。玻尔这一方:量子系统的整体性和“远程关联性”确实得到实验强有力的支持,但由此推出“量子粒子没有(指:完全丧失)个体性”则是过了火。爱因斯坦那一方:坚持“物理客体有实在性”没有错;说量子粒子“不能完全没有个体性”也没有错(但因整体关联性而部分个体性);坚持“超距作用不可能”没有错(但远程关联性不需要超距作用来传递)。我们必须采用辩证理性的思维方式看问题,不能简单地“非此即彼”!

     学科前瞻:突破瓶颈以求更大进展

     中国社会科学网:应当在哪些领域推进物理学哲学的未来发展?

     桂起权:超弦理论应当属于科学理论的范畴,不过它还是有点特别。我看它与广义相对论在某些方面有点相像:广义相对论在思辨性上简直可以与形上学媲美,在严谨性、抽象性上可以与纯粹数学(至少是应用数学)媲美,超弦理论也是这样。即使超弦理论在可以预见的将来却根本不可能得到直接的实验检验。但我认为,它仍然可能得到强有力的间接经验支撑。

     目前,超弦理论是有望抽象地统一自然界诸基本相互作用的几乎唯一的候选者。既然超弦理论能够统一和整合其他一个个的科学理论,而那些科学理论,事实上早就单独地得到过检验。那么,就应当说,超弦理论也就间接地得到了经验支撑。这里是借用亨普尔的“安全网”论点。

     吴国林:对物理学哲学的未来发展,我认为主要应当进一步推动量子力学哲学的研究。要加大研究量子力学的一些基础问题,比如信息能否重构量子力学的基础?世界是来自于物质还是来自于信息?信息与物质的关系如何等等。要加大力度研究量子信息理论对科学理论的模型的影响。因为科学理论模型从最早的逻辑实证主义的理论语言与经验语言的两分,再到20世纪的科学理论的模型观。那么,量子信息对科学理论的模型有什么新的启示呢?要加大力度研究量子力学的检验与量子技术的关系。原来认为,科学与技术是没有关系的,科学理论的检验与技术没有关系。然而量子信息理论的出现,它既具有科学理论的特点,又具有技术的某些特点,科学理论的检验需要受到技术的制约。要加大力度研究量子逻辑与量子技术逻辑问题。与量子力学相关的量子逻辑,同量子技术相关联的量子技术逻辑,能否各自成立?或者有一个什么关系?量子场论在我国得到的研究还不多,也需要加强。

     此外,还应当加大研究物理学理论与生物学理论的关系问题。过去物理学的方法对生物学的发展有重要的启示意义,现在生物学的发展还需要物理学的支持吗?生物学是否发展到了量子力学层次?

     最后,关于科学实在论问题。物理学的发展对实在论提供了什么新的启示?等等,这些问题都是值得进一步推进研究的。

     成素梅:目前物理学哲学面临的瓶颈是多方面的,有土壤问题、队伍问题、观念问题以及学科自身的问题。突破这些发展瓶颈首先需要稳定研究队伍。从事物理学哲学研究对研究者的知识结构要求比较高,需要有当代物理学和哲学双重背景,因此,发展与稳定研究队伍是推进繁荣物理哲学研究的根本保证。

     稳定研究队伍,需要加大扶持力度。比如,近年来,从我国哲学社会科学基础项目的立项结果来看,物理学哲学项目的批准率极低,这也迫使本来就为数不多的物理哲学研究者为了容易发文章和申请到基金项目不得不更弦改撤,结果,1990年在中央党校召开的”物理学哲学会议”是迄今为止唯一一次全国性的大型会议。

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