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成素梅:量子科学哲学:科学与哲学的深度交融<举例说生活与哲学的关系>

成素梅:量子科学哲学:科学与哲学的深度交融

当前,新时代中国特色社会主义建设进入依靠科技创新驱动发展的关键时期。习近平总书记在科学家座谈会上曾就充分认识加快科技创新的重大战略意义、加快解决制约科技创新发展的一些关键问题,以及大力弘扬科学家精神作出了重要论述,明确指出基础研究是科技创新的源头,而科技创新离不开创造性思辨的能力、严格求证的方法、假设与猜想等。这些需求为科学哲学的发展带来了新机遇。

量子力学作为第二次科学革命的核心理论,提供了认知微观世界的基本理论与概念框架,奠定了量子计算等前沿技术的理论基础,成为第四次技术革命的奠基者和经济发展的推进者。在科学史上,还没有一个理论像量子力学那样如此彻底地颠覆了我们对实在的认知与理解。对于理论物理学家而言,以量子力学为核心的量子理论提供了理解实在世界的新态度;对于其他科学家和技术专家而言,量子理论成为推进从遗传学到超导等相关领域发展的新引擎;对于哲学家而言,量子理论开辟了思想的新领域,彰显了科学与哲学在科学前沿和思想深处的融合与互动,拓展了科学哲学研究的新视野,孕育和促进了“量子科学哲学”的真正兴起。

超越经典科学哲学框架

美国哲学家约翰·塞尔在20世纪末发表的《哲学的未来》一文中预言,21世纪的科学哲学发展时,把科学哲学家至今没有接受20世纪科学尤其是量子力学带来的哲学挑战,说成是科学哲学界的一件“丑闻”。塞尔的看法并不完全夸大其词。量子理论的核心概念是“量子化”。量子化观念的确立以及在此基础上形成的理论,第一次打开了人类探索与认知微观世界的大门,摧毁了在“连续性”观念基础上建立的理论框架和传统认知,带来一系列颠覆性的哲学挑战。

首先,从概念与语言的运用来看,思维总是悬置在语言中,当我们最大限度地扩展已有概念的用法,并不知在哪里可以放弃这个概念的传统用法时,最终会陷入其没有意义的情境之中。物理学家在运用经典概念来理解量子理论时就遇到了这种情况。在量子力学创立初期,玻尔提出互补性原理,解释同一个对象在不同测量设置中表现出的粒子性和波动性,后来有学者将“互补性原理”同“光速不变原理”相提并论,认为是发现了在量子领域内不能同时使用某些经典概念的事实条件。与此相反,海森堡把在量子领域内坚持使用经典概念和经典思维方式看作危险的方法,认为微观领域内诸如位置、速度、测量、现象等经典概念,已经失去了其原先被赋予的意义。如果意识不到这一点,必然会导致无尽的争论,为此,他希望哲学家和物理学家能够明白量子力学所带来的概念变革。玻恩则主张,在现实的科学研究活动中,基本概念的含义并不是一成不变的,而是不断延伸与发展的。比如,“数”的概念最初是指整数,后来扩展到分数、无理数、虚数等。同样,在量子领域内,物理学家应扩展“实在”概念的含义,才能理解与把握量子理论的实在性。这些不同见解向我们提出了如何理解经典概念在量子领域内的语用、语义以及适用性等问题。

其次,在量子力学中,薛定谔方程的解与测量结果之间的脱节,造成两个层次的断裂。一是微观粒子的真实存在情形与理论描述之间的断裂。这使得粒子在测量过程中所起的作用不可知,因而阻断了因果性思维的链条。二是这种不可知的作用与可知测量结果之间的断裂。对测量过程的任何理解都成为蕴含着某种哲学假设的一种解释。在这些解释中,为量子理论增加因果决定论基础的努力始终没有间断。与此同时,当物理学家只能借助抽象的数学思维来理解诸如量子纠缠等违背直觉的现象,并让数学成为他们的研究向导时,数学家也开始进入量子理论的研究行列。比如,他们试图通过研究复几何和辛几何之间的镜像现象来验证弦理论的预言。这种数学思维方式的确立和日益远离经验的理论发展,对如何理解统计因果性、理论的实在性、测量结果的可靠性、数学与物理学关系乃至自由意志等提出一系列哲学挑战。

最后,自量子力学诞生以来,理论物理学一直沿着量子化道路不断发展,从能量量子化到电磁场量子化再到时空量子化,从非相对论量子力学到量子场论再到量子引力理论等。在这个过程中,基本粒子家族不仅越来越庞大,而且其特性也越来越独特。但有意思的是,物理学家对微观粒子的定义却还未达成共识,至今仍歧见并存。从理论认知上看,量子理论告诉我们,微观粒子具有宏观粒子所不具备的新特征,既可生可灭和相互转化,又无法分辨和不可克隆,且不同类型的粒子又具有不同特征。比如,构成物质原材料的费米子满足泡利不相容原理,而传递作用力的玻色子却并非如此,反而全同玻色子更喜欢处于同一个量子态,这种特性奠定了凝聚态物理学的基础。这些现象颠覆了我们对“物质是无限可分的”“自然界是连续的”等直观认识,提出了许多在经典科学基础上形成的无法解决的深层哲学挑战。科学哲学家对诸如此类哲学挑战的回应,须超越建立在经典科学基础上的哲学框架,摆脱量子理论的形式体系。这为“量子科学哲学”的兴起提供了必要前提。

量子力学蕴含的哲学假设

在科学发展史上,从1880年左右统计力学兴起到1930年量子力学推广应用大约50年的时间,既是物理学家取得突破性进展的年代,也是哲人科学家不断辈出的年代。19世纪末20世纪初,玻尔兹曼、奥斯特瓦尔德和马赫就原子是否具有实在性问题的争论,20世纪20年代以来爱因斯坦与玻尔关于量子力学的逻辑一致性、内在自洽性和理论完备性的争论,不仅成为当时哲学会议的热点话题,而且很多

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