量子力学的还原论整体论思想.docx

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量子力学的还原论整体论思想

爱因斯坦对恩格斯的《自然辨证法》手稿阅读完毕后曾做出这样的评价：

“爱德华·伯恩斯坦先生把恩格斯的一部关于自然科学内容的手稿交给我，托付我发表意见，看这部手稿是否应该付印。

我的意见如下：

要是这部手稿出自一位并非作为一个历史人物而引人注意的作者，那么我就不会建议把它付印，因为不论从当代物理学的观点来看，还是从物理学史方面来说，这部手稿的内容完全就是胡说八道、疯人之作。

可是，我可以这样设想：

如果考虑到这部著作对于阐明恩格斯的思想的意义是一个有趣的文献，那是可以勉强出版的。

”  

以上选自《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，１９７７年，第２０２页  

为什么爱因斯坦这么激烈的反对《自然辨证法》呢?

这和爱因斯坦相信“上帝不掷骰子”，反对量子力学有很大的关系。

爱因斯坦虽然否定了牛顿力学的绝对时空观，却仍然坚持牛顿力学的机械决定论，认为物质的运动完全是确定的，必然性的，没有偶然性，不确定性。

量子力学是必然性和偶然性的辨证统一,量子力学告诉我们，宏观的必然性是大量微观的偶然性的总和，这就是量子力学的辨证法，必然性是大量偶然性的总和，必然性不能脱离偶然性。

恩格斯说：

“力学（当时的牛顿力学）的出发点是惯性，而惯性是运动不灭的反面表现”。

因为匀速直线运动没有变化，惯性运动是运动状态不变化的运动，相反,非惯性运动是运动状态变化的运动。

实际上任何物体都不可能作匀速直线运动,而是作不确定的量子运动,位置越确定,动量就越不确定，越是微观的尺度这种不确定的量子运动越激烈，到了10-33厘米的普朗克尺度（普朗克长度最小的长度单位，没有比普朗克长度更短的长度，任何物体的长度都是普朗克长度的整数倍），运动会变得极其激烈,不仅具有极其巨大的动量和能量,而且动量还具有极度的不确定性。

由于位置和动量这对物质固有的基本矛盾，物质不仅永远运动不能静止，而且运动状态也不断变化。

这就是量子力学的辨证法。

爱因斯坦的相对论仍然是一经典理论，出发点仍然是牛顿力学的惯性。

爱因斯坦的出发点仍然是牛顿力学的惯性运动，他一直坚持牛顿力学的机械决定论，认为物质的运动完全是确定的，必然性的，没有偶然性，不确定性。

一直反对量子力学的偶然性，不确定性，他有一句名言“上帝不掷骰子”来反对量子力学的不确定性，量子力学在他眼里是那样的疯狂，难怪他要说《自然辨证法》是“疯人之作”了。

浅谈量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

Abstract:

Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

　　Keywords:

quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

　　经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。

经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。

以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：

统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：

微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。

[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界

　　图景。

　　一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

　　经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。

说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。

[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。

机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。

[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。

[4]

　　量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。

量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。

[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

　　玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。

在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。

物理学原理的方向发生了质的改变：

统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

　　经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。

量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。

任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。

因此，量子力学必须是几率的、统计的。

而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

　　二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

　　还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。

它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。

其目的是简化、缩小客体的多样性。

这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。

如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。

但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

　　量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。

部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。

部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。

因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。

在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。

[6]

　　波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。

用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。

可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。

这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。

于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。

这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。

同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。

由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。

经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。

所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

量子力学多世界解释的哲学审视

       一、引言

　　量子力学正统解释（orthodoxinterpretation）告诉我们，量子系统在两种情况下遵循不同的方式演化。

在非测量过程中，量子系统按照薛定谔方程演化，是熵不变过程，其演化方式是决定论和连续性的；在测量过程中，量子系统发生突变，是熵增加过程，其演化方式是非决定论和突变性的。

第二种演化方式用数学化的语言表述就是“投影假设”（projectionpostulate），用物理化的语言表述就是“波包塌缩”（thecollapseofwavepacketorwave-function），这使“测量”成为微观世界中难以理解而又神秘的物理现象，导致众所周知的“测量难题”。

　　三、多世界解释的整体论重塑

　　关于量子测量的“还原论—整体论”的争论由来已久。

还原论是“将认识对象从其所处的环境整体中抽离出来进行单独分析”的方法论原则，整体论则是从整体的角度去把握事物的实在和解释一切现象。

戴维斯指出：

“过去三个世纪以来，西方科学思想的主要倾向是还原论。

的确，‘分析’这个词在最广泛的范围中被使用，这种情况也清楚地显明，科学家习惯上是毫无怀疑地把一个问题拿来进行分解，然后再解决它的。

但是，有些问题只能通过综合才能解决。

它们在性质上是综合的或‘整体的’。

”（20）由于一开始就受还原论思想的影响，量子力学将微观对象从整体中抽离出来，甚至将测量仪器和微观对象分隔开来。

学者们逐渐意识到还原论的弊端，玻尔的互补原理在某种意义上可以视为调和“还原—整体”的产物。

20世纪60年代初，普特南（HilaryPutnam）认为，“心理学是不可还原的”；1980年，玻姆（DavidBohm）在《整体性与隐缠序》中提出，量子理论打碎了常识中的实在概念，主体与客体、原因与结果之间的界线变得模糊，从而将整体论引入了我们的世界观；1989年，斯查弗（DavidC.Scharf）指出，冯·诺依曼投影假说作为一条基本预设不能还原为更基本、更原始的规律，更不能通过还原基本粒子的演化规律推演出来，所以，“要么科学统一的还原观念是错误的，要么当前的微观理论是不充分的”。

（21）后来他甚至宣布：

“还原论死了”，（22）这无疑给还原论以沉重打击。

在传统量子力学遭遇还原论困惑之后，多世界解释采取了整体论重塑的路径。

　　第一，多世界解释洞悉微观世界本体的整体性，是本体界限有原则放宽的必然结果。

本体论整体性消解了本体实在在空间结构上的机械划分。

在越来越小的空间结构中，越来越多的现象表征了本体论的整体性。

“量子纠缠”（quantumentanglement）导致“鬼魅似的超距作用”（spookyaction-at-a-distance），充分表明不同粒子态之间的整体性特征。

以往，人们能够通过理论预言分子和原子的存在，并为实验所验证；然而，现在虽然一致承认夸克的存在，却长期找不到“自由”的夸克，只能用“夸克禁闭”（quarkconfinement）的说法加以描述。

难免会有人提出，既然量子纠缠坚定地支持了整体论，那么作为其反题的退相干难道不能支持还原论？

在笔者看来，退相干效应非但不能排除还原论的困扰，反而支持了整体论。

因为消失不等于还原，干涉项的消失并不意味着可以将干涉项还原出来做独立的分析，而恰恰依赖于量子系统与环境的整体耦合，退相干“就是量子系统的纠缠态与其外在环境的纠缠，只是扩展了的纠缠性而已。

”（23）由于微观世界的实体已不能用还原论的方法孤立地研究，因而必须回归整体论，多世界解释正是抓住了微观世界本体这一整体性特点，走出了本体论的形而上学“贫困”。

　　第二，多世界解释持整体论的认识论，是认识疆域有限度扩展的客观要求。

认识论上“量子论所要求的关键性的描述变化就是，放弃分析的想法，不再把世界分析成相对自主的部分，分别存在但同时又相互作用。

相反，现在最受强调的是不可分的整体性……”（24）反映在具体的认识过程中，多世界解释改变了传统理论对微观世界的看法。

相对态解释把整个宇宙视为“整体”，“说子系统的独立态是毫无意义的，人们只能说与其余的子系统的给定态相对的态”。

（25）观察不是发生于孤立系统之外的一个新的过程，而是系统内部相互作用的特殊情形，从而没有必要分割观察者与客体系统之间的联系。

显然，这“不仅要消除对经典的宏观观察装置或外部的最终观察者的需要，而且还要消除对其形式体系的先验的操作解释的需要。

”（26）如此一来，还原论方法导致的量子力学的本体论与认识论之间的鸿沟就被消解了。

　　第三，多世界解释贯彻整体论的方法论原则，是方法与形式相互渗透的内在途径。

对于多世界解释理论来说，整体论不能仅仅满足于本体论和认识论上的优越性，而应该落实为一种具有可操作性的方法论。

一方面，多世界解释认为波动力学既能描述每一个孤立系统，也能描述每一个被观察的系统；另一方面，早在多世界解释诞生之初，整体性就已蕴涵在“相对态”这一数学模型之中，建构数学形式体系与观察经验之间的某种一致性。

将整体论渗透到数学形式体系之中，是多世界解释整体性原则在方法论上的体现。

　　需要指出，整体论与还原论不是非此即彼的关系，而是一种相互协调的关系。

对部分的描述与对整体的描述并不矛盾，二者在特定层面上都是正确的。

那么，究竟应该选择整体论还是还原论来解释世界？

霍弗斯塔特（DouglasR.Hofstadter）在《歌德、埃舍尔、巴赫》（27）中斥之为无用，他认为选择整体论还是还原论，全看你想知道什么。

因此，必须清楚地意识到：

一方面，在量子世界里，整体是还原论不可分析的，整体论的意义只有在整体结构的层面上才能显现出来，而在部分结构的层面上则毫无意义；另一方面，多世界解释的整体论路径并非是某种理论的预设，而是解决物理学实际问题的需要，这恰恰反映出当代科学发展的趋势。

　　总之，还原论已经远远不能满足微观现象解释的需要，当微观世界从本体论上彻底抛弃还原论的时候，我们不得不改变以前传统的认识和方法。

而且，多世界解释的整体论重塑，为研究者提供了一个不必再向更深层次本体还原、不必再向其他理论模型还原的语境基底，充分彰显了整体性思想在微观领域研究的优越性。

　　　六、结论

　　多世界解释的理论贡献一是超越了传统量子力学解释的束缚，超越还原论，走向整体论；二是解构二元论，回到一元论；三是消解非决定论，坚持决定论。

整体论、一元论、决定论三者环环相扣，相辅相成，浑然一体，实现了宏观、微观和宇观的统一，推动着量子力学哲学基本理念的更新。

　　然而，多世界解释遵循的整体论、一元论和决定论是否能够彻底解决“测量难题”？

这种结构是否依然会遭到费耶阿本德无政府主义的批判？

如果考虑到更多的解释要素，这样的物理学和哲学框架是否能够相容？

随着新的解释理论层出不穷，这一框架是否会重蹈还原论的覆辙？

在量子力学解释没有得到最终的确认之前，寻求量子力学在哲学上的合理解释仍然是一条艰辛而漫长之路。

　　“语境论”为探索量子力学的哲学解释提供了某种可能。

语境论是一种温和的整体论和包容的一元论，能够汲取各种要素为量子力学服务。

在量子力学史上，语境论在隐变量理论发展过程中发挥过重要作用，先后出现过“非语境（noncontextual）隐变量理论__语境隐变量理论一定域隐变量理论”的嬗变。

（43）语境论具有本体论上的实在性、认识论上的包容性和方法论上的横断性，在语境论的视域下，能更加深刻地认识到量子理论解释的对象领域的广阔性，表现方式的多样性；研究的本质属性不仅表现在直观的物理客体中，而且表现在抽象的形式化体系和远离经验的微观世界之中；研究的方法手段不是建立在归纳逻辑基础上的哲学体系，而是一个容纳各种科学方法、立体化的网状理论系统。

因此，在语境论基础上解决量子力学解释难题将是一条希望之路。

　　注释：

　　①A.Whitaker,Einstein,BohrandtheQuantumDilemma,Cambridge:

CambridgeUniversityPress,2006,p.317.

　　②MaxJammer,PhilosophyofQuantumMechanics:

TheInterpretationsofQuantumMechanicsinHistoricalPerspective,NewYork&Toronto:

JohnWiley&Sons,Inc.,1974,p.v.

　　③A.C.Elitzur,"AnythingbeyondtheUncertainty?

ReflectionsontheInterpretationsofQuantumMechanics,"转引自JamesB.Hartle,"WhatConnectsDifferentInterpretationsofQuantumMechanics?

"inA.Elitzur,S.DolevandN.Kolenda,eds.,QuoVadisQuantumMechanics,NewYork:

Springer,2005,pp.73-82.

　　④成素梅：

《量子测量的相对态解释及其理解》，《自然辩证法研究》2004年第3期。

　　⑤ColinBruce,Schrdinger`sRabbits:

TheManyWorldsofQuantum,Washington,D.C.:

TheNationalAcademiesPress,2004,pp.132-133.

　　⑥H.Everett,"TheTheoryoftheUniversalWaveFunction,"inB.S.DeWittandN.Graham,eds.,TheMany-WorldsInterpretationofQuantumMechanics,Princeton:

PrincetonUniversityPress,1973,pp.3-140;H.Everett,"‘RelativeState’FormulationofQuantumMechanics,"ReviewsofModernPhysics,vol.29,no.3（July1957）,pp.454-462.

　　⑦J.A.Wheeler,"AssessmentofEverett`s`RelativeState`ofFormulationofQuantumMechanics,"ReviewsofModernPhysics,vol.29,no.3（July1957）,pp.463-465.

　　⑧MaxJammer,PhilosophyofQuantumMechanics,p.509.

　　⑨参见B.S.DeWitt,"QuantumTheoryofGravitation-Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,"PhysicalReview,vol.160,162,no.5,7（August1967）,pp.1113-1148,1195-1256.

　　⑩MaxJammer,PhilosophyofQuantumMechanics,p.517.

　　（11）参见B.S.DeWittandN.Graham,eds.,TheMany-WorldsInterpretationofQuantumMechanics,1973.

　　（12）E.J.Squires,"ManyViewsofOneWorld,"EuropeanJournalofPhysics,vol.8,1987,pp.171-173;E.J.Squires,"TheUniqueWorldoftheEverettVersionofQuantumTheory,"FoundationsofPhysicsLetters,vol.1,no.1,1988,pp.13-20.

　　（13）参见D.AlbertandB.Loewer,"InterpretingtheMany-WorldsInterpration,"Synthese,vol.77,no.2（Nov.1988）,pp.195-213;D.AlbertandB.Loewer,"TwoNo-CollapseInterpretationsofQuantumTheory,"Nos,vol.23,no.2（Apr.1989）,pp.169-186;D.Albert,QuantumMechanicsandExcperience,Cambridge:

HarvardUniversityPress,1992.

　　（14）参见R.B.Griffiths,"ConsistentHistoriesandtheInterpretationofQuantumMechanics,"JournalofStatisticalPhysics,vol.36,nos.1/2,1984,pp.219-272.

　　（15）参见R.B.Griffiths,"CorrelationsinSeparatedQuantumSystems:

AConsistentHistoryAnalysisoftheEPRProblem,"AmericanJournalofPhysics,vol.55,no.1（Jan.1987）,pp.1117;R.Omnès,"LogicalReformulationofQuantumMechanicsⅠ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,"JournalofStatisticalPhysics,vol.53-54,nos.3/4,1/2,1988-9,pp.893-975,357-382;R.B.Griffiths,"ConsistentInterpretationofQuantumMechanicsUsingQuantumTrajectories,"PhysicalReviewLetters,vol.70,no.15（Apr.1993）,pp.