自然科学世界图像的统一性

海森堡

海森堡(Werner Heisenberg,1901年-1976年),德国著名物理学家,量子力学的创立人。他于20世纪20年代创立的量子力学,可用于研究电子、质子、中子以及原子和分子内部的其它粒子的运动,从而引发了物理界的巨大变化,开辟了20世纪物理时代的新纪元。为此,1932年,他获得诺贝尔物理奖,成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。

  在我们面前,这个世界的外表图像在不断变化,而为了认识这个世界,我们用一切手段全力以赴地进行着斗争。在这样的时代,人们不会想到精神世界比如在科学里所起的变化。关于这方面的思想,自然就退居次要地位。虽然如此,对于从外部来认识这个世界来说,人类思想和愿望的缓慢变化,其重要性不亚于那些一次发生的重大事件。而如果在任何一个精神领域里逐渐完成了一个永久而彻底的变化,那么这个变化,对于将来在整个范围内认识这个世界,也有它的重要意义。因此,也许可以从一般不习惯的一面来看一下我们这个时代,并把它作为在科学领域方面也很重要的一个时代来对待。在这个时代里,各种不同的自然科学似乎正在开始融合成一个巨大的统一体。所以我要讲的,正是自然科学世界图像的这种统一性。 
  让我们首先回顾一下新时代开始时的自然科学最初阶段。在伽利略发现落体定律和开普勒研究行星运动的那个时期,人们对世界已有了一个简单的、统一的图像;但还不是自然科学的世界图像。那时候的世界图像,倒不如说还完全是由对一个超自然的、圣经里定下的启示的信仰决定的,而自然科学家给自己提出的任务,不是认识上帝在自然界中的业绩,并且在理解了自然界的有规律的和谐以后对他的业绩加以颂扬。但是无论哥白尼或者伽利略都没有想到,从自然科学的一些发现中得出的那些结论,可能会同当时宗教的世界图像根本发生矛盾。 
  但是只不过几十年以后,自然科学家提出的这个任务,也就是对世界的看法,就发生了根本的变化。随着人们对自然界中观察到的许多现象用数学加以整理澄清、并给以“解释”时所做的种种尝试获得成功,也就很增长了一种见解,以为这个任务非常艰巨而且大得无限。18世纪初期的自然科学家已不再像开普勒那样,以为离开洞察上帝的创世计划并在这样揭开其帷幕的神龛面前顶礼膜拜的这一目的已经不远,而是站在漫无边际、望不到尽头的新大陆的门前。关于这一变化,不能比英国科学家牛顿的名言表达得更加清楚了:“我不知道世界把我看作什么。在我自己看来,我好比一个在海滩上玩耍的孩童,往往因为拾到一个比普通更光滑的卵石,或者一个比普通更好看的贝壳而高兴,但那一望无涯的未经探索过的真理的海洋,仍然横在我的面前。” 
  所以在这个时期就开始了一种认识,以为自然科学的新方法——即把简单的自然过程用适当的实验剥脱出来,并把发现的定律用数学语言写下来——为研究自然界开辟了一个无限广阔的天地;这方法可应用于自然界向我们提出的许多个别问题,因而这里所涉及的,根本不是去理解单独一个大的相互联系,而首先是对许多小的个别的相互联系作详细分析。 
  18世纪在理解电现象方面取得了决定性的进展。它为今天的化学奠定了基础,并且获得了一系列重要的天文知识,它收集了并整理了动植物的许多经验事实。19世纪把热力学和关于电磁现象的学说提高到了牛顿力学的高度。在其他大部分自然科学领域里,这一研究也获得了无论在广度和深度方面都超过以往时期的巨大成就。 
  但是在这种情况下,自然科学不可避免地要分裂成许多小的领域,这些小的领域本身又提出了如此多的问题,以致没有一个人能指望完全掌握哪怕只是其中的一个。这种发展导致了往往令人感到遗憾的专家路线。现在,真正的自然科学家引以自豪的,是深情地探索个别的事例,认识自然界在一个小领域里的最微小特征并对之作系统整理,看低有关大范围内相互联系的知识的价值。在那时候,至少在内容上,根本谈不上什么统一的自然科学世界图像;因为每一个科学家的世界,正是他以毕生精力花费于其中的自然界的那个狭隘部分。 
  也许最早在19世纪后半期,人们才能谈到自然科学的一种至少在方法论上的统一性。维勒曾发现,用无机物质可以合成有机物质。这个发现也使化学家确信有机体中的化学过程是按照无生命物质也一样服从的规律进行的。从那时起,化学在方法论上也以牛顿力学作为它的先例。而原子假说的成功,为扩展这种学说,即物质的行为可以建立在最小构造物的力学基础之上的思想愿望,提供了又一个范例。在生物学中,达尔文进化论把活力论的考察方法排挤了出去,而代之以一种根据因果概念的分析。甚至在医学方面,也由于试图把有机体中的过程同复杂机器中的过程作比较的这种想法而获得了很大成功。 
  因而在那时候,在某种意义上就已拥有一个统一的自然科学世界图像,这就是,世界由存在于空间中的事物所组成,而这些事物则由于作用和反作用而在时间上发生规律性的变化。人们可以把这种世界图像称之为对实在的理想化。但是已有好些迹象表明,各种不同的科学正在其他新的观点下,开始密切地联结起来,而且毋庸置疑,19世纪末期的这种片面的自然科学世界图像,必将就此为其他思想形式所代替。 
  但是,这种把自然科学统一起来的新的过程,不是从方法论上而是从个别分支的内容上出发的。上世纪后半叶,在麦克斯韦的著名的电现象理论中,光的理论被归结到电磁过程上去。于是光被证明为是一种电磁波过程,光学就此完成了它作为物理学的一个独立部门的使命。 
  原子的假说在19世纪由于化学的发展而获得了牢固的基础。普朗克1900年提出了量子假说。普朗克在研究热的物体的辐射时,首先发现了原子的能量具有一种奇特的不连续性。后来卢瑟福从自己的实验中得出这样一个设想,原子可以和一个小的行星系相比。原子核几乎把整个原子的质量集中于一身,而一些带负电的电子则在其周围旋转。几年以后波尔用普朗克的量子假说解释了这种与行星系相似的原子结构的稳定性,而在普朗克的发现之后约25年,终于找到了支配原子结构的那些定律的准确数学形式。 
  但是为了满足这些愿望,就必须作一个非常重大的放弃,必须放弃19世纪的自然科学世界图像,或者更准确地说,必须放弃牛顿力学所依据的那种关于实在的想象。 
  这是因为量子导致了这样一个结果:原子不像我们日常经验中的对象一样是我们所能直观想象得到的一种结构。根据这个理论,一个原子,或者更正确地说,一个目前原子物理学中最小的构造物,即一个电子,它“本身”就不再具有哪怕是最简单的一些几何的和力学的特性,而所谓它的特性,只是在它受到外界作用之后我们所能观察到的那些。这时,在所能观察到的原子的这些特性之间,存在着一个互补性,它的意义是,知道了原子的一些特性,就排除了同时知道它的另一个特性。 
  从这一事实情况,我们一方面看到了经典理论显然不能为任何新经验所动摇的可靠性和完整性,凡是经典理论的概念体系所能及到的地方,这些经典理论就都适用;另一方面,我们又看到了自然界如何给完全不同的相互联系创造条件的方式。这就是它通过必然和每一个观察联系在一起的干扰,使我们摸不到原子的完整的直观图像。原子不能再被毫无保留地客观化,把它当作空间中的一个按给定方式在时间上变化的物体。所能予以客观化的,只是个别观察到的一些结果,然而它们决不会提供一幅完整的直观图像。由此可见,必须用另一种比较广阔的想象来代替。