物理學和哲學 · 譯後記

本書作者韋納爾·卡爾·海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901-1976）是當代最卓越的理論物理學家和原子物理學家之一。1976年，物理學家維格納在悼念海森伯的文章中說：「沒有一個活著的理論物理學家在這個領域內比他貢獻更大。」海森伯是量子力學的創始人之一。他為原子、原子核、基本粒子物理學的發展奮鬥了終生。他是繼玻爾之後的哥本哈根學派的主要代表人物。 海森伯平1901年12月5日生於德國維爾茨堡。原子物理學也正是在這前後誕生和開始發展起來的。1911年他到慕尼黑上中學。1919年他首次接觸到原子概念。1920年他進入慕尼黑大學隨原子物理學家索末菲等學習物理學。卓越的物理學家泡利是他的同學和摯友。 索末菲雖然是一個傑出的物理學家，但不是一個哲學家。他在1922年寫信給愛因斯坦說：「我只能促進量子的技術，您必須研究它的哲學。」所以，海森伯不能從索末菲那裡學到量子論的哲學，他是以後從哥本哈根學派的首領玻爾那裡學到量子論的哲學的。 1922年6月，玻爾到哥丁根大學作有關原子的量子論和元素的周期系的一系列講演，這被稱之為「玻爾的節日」。海森伯也隨老師索末菲前去聽講。在一次講演會中，二十一歲的大學生海森伯對原子物理學權威玻爾關於塞曼效應的解釋表示了不同的意見，引起了玻爾的注意。會後，玻爾邀海森伯一起散步長談。海森伯回憶說：「這是我能夠回憶起來的關於現代原子理論的基本性物理學問題和哲學問題的第一次透徹的討論，它當然對我以後的生涯有決定性的影響。我第一次理解到玻爾關於原子理論的觀點遠比當時其他物理學家——例如索末菲——的觀點更具有懷疑論的精神，而他對理論結構的深刻理解不是對基本假設作數學分析的結果，確切地說是由於大量占有關於實際現象的材料，從而使他有可能直觀地理解現象之間的聯繫，而不是從這些現象形式地推導出其間的關係。……玻爾首先是一位哲學家，而不是一位物理學家，但是他理解我們當代的自然哲學只有當它的每一個細節都能夠經受得住無情的實驗檢驗時才是有力量的。」儘管海森伯從不自認為唯物論者，但在我們看來，他的上述論點是完全符合自然科學的唯物主義傳統的，這對他一生的科學工作確實有決定性的影響。 在索末菲的指導下，海森伯通過對湍流的研究於1923年7月獲得了博士學位，之後就到哥丁根大學作玻恩的助手。1924年3月，他第一次訪問了哥本哈根。7月，他在哥丁根大學取得授課的資格。1924年底到1925年初，他到哥本哈根在被爾指導下從事研究。以後，他又回到哥丁根。1925年6月，他在因枯草熱病到海利戈蘭特療養期間第一個創建了矩陣力學——量子力學的一種形式體系，發表了題為《關於運動學和力學關係的量子論的重新解釋》的一篇物理學史上劃時代的論文。 在創建矩陣力學的過程中，海森伯遵循了自然科學的唯物主義傳統。他從原子物理學大量實驗結果（主要是原子光譜中里茲組合原則、弗蘭克-赫茲的原子電子碰撞實驗、玻爾頻率關係等〕所揭示的輻射和原子能級的不連續性（即量子性）出發來建立他的理論，又以實驗結果來檢驗他的理論。結果表明，量子力學不僅能夠解釋舊量子論能夠解釋的實驗結果，還能夠解釋舊量子論所不能解釋的許多實驗結果（例如氦光譜特徵、帶光譜中半量子數的存在、光電子的連續空間分布和放射性蛻變現象等）。 海森伯創建矩陣力學的指導思想是「在原子領域內，經典力學不再有效」。他反對他的老師玻爾、索末菲等先驗地把經典力學中的位置、速度、軌道概念強加給原子中的電子，而主張代之以原子光譜的頻率、波長、強度等可觀測量。他這樣做，自稱是受到馬赫的實證論哲學的影響。實際上他在這裡是應用了經驗論，反對了唯心論的先驗論。 海森伯的矩陣力學應用並推廣了玻爾提出的對應原理。對應原理要求：量子理論得到的結果對於大量子數應當收斂於經典力學得到的那些結果。從1918年到1925年，玻爾等物理學家在舊量子論中運用對應原理，通過天才的猜測和人為的拼湊，已得到許多重要的結果。海森伯的重大貢獻是把對應原理推廣到整個力學體系。當量子數很大或普朗克常數可以略而不計時，量子力學的公式就趨近於經典力學的公式。這樣，海森伯就把猜測性的、零散的量子論發展成為一個邏輯一貫的、嚴密的形式體系。它反映了原子層次微觀客體的基本運動規律，並揭示了它與宏觀客體基本運動規律之間的聯繫。 在海森伯首創矩陣力學以後，他又和玻恩、約爾丹協作，繼續努力發展矩陣力學。1926年，奧地利的卓越物理學家薛定諤在德布羅意的物質渡假說的基礎上，將波動力學與經典力學的關係類比於物理光學與波動光學的關係，從而創建了波動力學，提出了以他命名的薛定諤方程。以後不久，薛定諤又證明海森伯、玻恩、約爾丹創建的矩陣力學和波動力學是等價的，可以通過數學變換從這種形式轉化為另一種形式。同年，波恩指出了薛定諤方程中的fai 函數可以給出大量微觀客體性狀的統計分布或是單個微觀客體具有某種性狀的幾率。 1927年 3月，海森伯發表了《量子論運動學和力學的直觀內容》一文，提出了著名的測不準關係（又名不確定原理〕。海森伯不迴避矛盾，敢於承認微觀客體具有波粒二重性，它們不同於經典物理學中的粒子，也不同干經典物理學中的波，應用經典的波或粒子圖象來描述微觀客體時，必須受到測不準關係的限制。 接著波爾就提出了互補原理。這個原理認為，對於微觀客體，波動圖象和粒子囹象是互相排斥的，但是又相互補充。關於微觀客體位置的知識和動量的知識（又如時間的知識和能量的知識）是互補的概相互排斥，又相互補充人關於原子事件的時空表示和它的決定論性因果描述是互補的（既相互排斥，又相互補充，即統計地關聯起來）。關於互補原理的作用，至今仍存在許多不同的意見。但它承認矛盾的兩極，多少有點辯證法的因素，對衝破經典物理學中機械決定論觀念的束縛也起了積極作用。海森伯在1958年也曾指出：「在量子論的認識論分析中，尤其是在玻爾所給予它的形式中，還包含著許多會使人想起黑格爾哲學方法的特徵。」 1927年秋，26歲的海森伯成為萊比錫大學理論物理學教授，被人稱為「德國最年輕的教授」。在他和德拜周圍，先後聚集了一批傑出的青年物理學家物布洛赫、供特、派埃爾斯、斯萊透、泰勒、韋斯科夫、威札克爾等五、六十人，我國物理學家王福山也曾在萊比錫學習〕。他們把量子力學推廣應用到分子結構理論、原子核物理、固體物理、金屬的電磁性等等方面，作出了巨大的成績，猶如一次所向披靡的凱旋進軍。海森伯本人就在鐵磁性理論方面作出了重要貢獻。萊比錫的這支隊伍成了哥本哈根學派的重要支柱。 1929年，海森伯曾到美國、日本、印度講學，1930年出版了以芝加哥講演稿為基礎的《量子論的物理原理》一書，宣揚量子論的「哥本哈根精神」，在國際物理學界有廣泛的影響。他成了以被爾為首的哥本哈根學派的主要代表人物。 1932年5月，英國物理學家查德威克發現了中子。接著海森伯和兩個蘇聯物理學家分別獨立地提出了原子核由中子和質子組成的理論。就在這一年，海森伯因創建量子力學（矩陣力學）和提出測不準關係而獲得諾貝爾物理學獎。 1933年，希特勒上台，給德國的科學帶來深重的災難。許多傑出的猶太族科學家受到殘酷迫害，紛紛逃亡。萊比錫的科學隊伍也逐漸離散。愛因斯坦創建的相對論被當作猶太人的物理學險遭取締。「運動物體中時間的延緩被批評為荒謬的和純理論的思辨」。1937年，海森伯因支持相對論也遭到納粹分子的攻擊。那時，海森伯正從事宇宙線的研究。他根據相對論，認為1937年發現的μ子的蛻變時間應當同它的速度有關。實驗結果證實了這個預言，「從而為〔大學中〕開設相對論課程開闢了道路」，所以海森伯「對μ子總是懷有感激之情」。 1942年，海森伯擔任柏林大學教授併兼任威廉皇家物理研究所所長。在這時期他參加領導研製重水型原子反應堆的工作。在二次大戰期間，他發表了《原子核物理學》（1943年）一書，編輯出版了《宇宙輻射論文集》（1943年）。1945年5月，他和德國其他一些科學家一道被美國軍隊俘至英國，到1946年才獲釋返回西德。 二次大戰以後，海森伯積極為恢復發展西德的科學事業而努力。他參加了重建威廉皇家學會（1948年以後改名為普朗克學會）及所屬研究機構的工作，擔任哥丁根大學教授兼普朗克物理研究所所長。1958年以後到1970年，他擔任慕尼黑大學教授兼普朗克物理和天體物理研究所所長。自1949年以後，他曾先後擔任德意志科學研究委員會（DFR）主席、德意志科學研究聯合會（DFG）主席、洪堡基金會主席、普朗克學會副主席、西德政府原子問題部顧問等職。 在科學研究工作方面，海森伯自1957年以後，主要從事基本粒子統一場論的研究。最初他和泡利合作。但到第二年泡利就放棄了這項艱巨的工作並於年終因病逝世。以後，海森伯就和青年物理學家迪爾（海森伯和泰勒的學生〕一起從事這項工作。海森伯堅持這項工作直到他去世之日。在這方面海森伯發表了《基本粒子理論導論》（1962）、專著《基本粒子統一場論導論》（1966）。 海森伯在基本粒子統一場論中把所有的基本粒子都看成是同一的原始物質的不同形象（海森伯認為這種說法和赫拉克利特的哲學有相同之處）。原始物質可以用旋量場表示，並滿足一個叫做宇宙方程的非線性方程。他希望從解這個方程能推導出各種基本粒子的存在和性質。他在1970年發表的《物理學的終結？》一文中談到：「基本粒子物理學有必要尋求一個新的更加全面的理想形式，它應當把相對論和量子論作為極限情況，它應該說明複雜的基本粒子譜，就象量子力學能夠說明比如鐵原子的複雜光譜一樣。」他在《基本粒子統一場論導論》中指出：基本方程並不完全決定所有其他物理部門的定律。例如，電磁定律、放射性和引力還同宇宙模型、大尺度宇宙結構這些有關基態的邊界條件有關。而且宇宙方程也不可能包含與生命有關的複雜現象。所以，海森伯認為，建立基本粒子統一場論並不意味著物理學的終結。 1975年3月5日，海森伯在德意志物理學會年會上作了題為《基本粒子是什麼？》的報告。（見本書第185－199頁。）他認為，到了基本粒子層次，「基本粒子和複合粒子的區分從此根本消失了。」「分割」與「組合」等詞已失去了意義。他反對把電子、質子等又看成是小行星系那樣的複合系統，他反對近年來取得相當進展的「夸克」假說。他強調探索物質的基本的動力學。海森伯和迪爾的這條研究路線是否能夠取得成功？這只能有待於今後關於基本粒子的理論研究和科學實驗來作出恰當的結論。 1971年海森伯70壽辰時，他的學生、好友、天體物理學家和哲學家馮·威札克爾評價了他一生的工作：「他的物理學工作有兩個主題：量子力學和統一場論。量子力學象是一次勝利凱旋的進軍，統一場論則是一場消耗實力的陣地戰。」海森伯在晚年雖然不象青年時代那樣取得豐碩的成果，但他在統一場論探索性研究中不畏艱險、勇於登攀的追求科學真理的精神是值得我們敬仰和學習的。 海森伯不僅是一位物理學家，也是一位哲學家。他十分重視古典哲學的鑽研和物理學哲學問題的探討。他曾說：「一個人沒有希臘自然哲學的知識，就很難在現代原子物理學中作出進展。」他寫了不少有關物理學哲學問題的著作，其中主要的有：《自然科學基礎的變遷》（1935年初版，1973年第10版，英譯本改名為《原子核科學的哲學問題》，中譯本名為《嚴密自然科學基礎近年來的變化》，上海1978年版，比原書增加了幾篇重要的文章），《當代物理學的自然觀》（1955年初版，英譯本改名《物理學家的自然觀》），《物理學和哲學——現代物理學中的革命》（1958年初版，中譯本即本書），《部分與整體》（1969年初版，英譯本改名為《物理學和其他——會晤和對話》），〈跨越界限〉（1971年初版）等。 海森伯對哲學問題的探索是和他從事的原子物理學研究密切結合的。在創建和發展量子力學的時期，他的哲學觀點受到馬赫的實證論的深刻影響。海森伯的懷疑的經驗論傾向對他反對唯心主義的先驗論、反對十九世紀支配物理學界的機械唯物論觀點起了積極作用。他反對把原子和亞原子客體看成是僵硬不變的、惰性的微小粒子，而是具有波粒二重性那樣的東西。他認為不能要求經典物理學的機械決定論規律在原子世界繼續有效，這些都是有積極意義的。他強調人必須能動地通過宏觀儀器對微觀客體的變革（他稱之為本可控制的干擾）來認識微觀客體，人必須用數學語言補充日常生活（宏觀世界）中形成的語言概念來描述微觀世界的面貌，這些對發展哲學的認識論也是有啟發性的。 但是，海森伯進一步認為：「在允許把世界區分為主體和客體（觀察者和被視察者）從而明確地表述因果律」這一點上，「量子論開始遇到了困難」。「我們已經把一個主觀論因素引入了這個理論」，「所發生的事情依賴於我們觀測它的方法，或者依賴於我們觀測它這個事實。」（本書第18頁）「因果律在量子論中不再適用」，「因果性只有有限的適用範圍。」（本書第48、50頁）事實上，海森伯有時也不得不承認「自然界先於人類而存在」，「自然界在某種程度上獨立干人類而存在」，可是他仍然強調人先於自然科學而存在，自然規律的概念不可能是完全客觀的。在這裡，海森伯忽略了，經過實踐檢驗證實的自然規律，是具有客觀實在性的，是不以人的意志為轉移的。單個微觀客體的運動，雖不服從決定論規律，但大量微觀客體的系綜，或單個微觀客體的波函數，仍服從決定論規律。這說明，單個微觀客體的運動雖具有一定偶然性，但仍受到薛定諤方程的決定論規律所要求的必然性的制約，所以，對於微觀客體，不能說不存在因果關係，只是不存在決定論的因果關係罷了。 在五十年代末，海森伯開始研究基本粒子統一場論，他的哲學觀點在這一時期也有相應的轉變，由經驗論轉向唯理論，由馬赫的實證論轉向柏拉圖的客觀唯心論。正如他在本書中所寫：「量子論的哥本哈根解釋決不是實證論的。因為實證論所根據的是觀察者的感官知覺，以此作為實在的要素，而哥本哈根解釋卻把可以用經典概念描述的（即實際的）事物和過程看作是任何物理解釋的基礎」。（本書第93頁）但他並沒有從實證論轉向唯物論，因為他認為不能把唯物主義的本體論「外推到原子領域中去」（本書第93頁）。他說：「但是近幾年來的發展事實上非常清楚地再現了——如果我們一定要和古代哲學作比較的話——從德謨克利特轉向柏拉圖的轉移。正是普朗克的發現實際上給我們這樣一種啟示，即物質的原子結構在自然定律中能夠被理解為數學結構的表示。」 結合基本粒子統一場論的研究，海森伯對一與多、単純與複合、組合與分割、整體與部分、質料與形式等一系列對立的基本哲學範疇作了深入的探討，是富有啟發性的。他的主張物質統一性的觀點接近千赫拉克利特。他反對德謨克利特的原子論觀點，而傾向於柏拉圖和亞里斯多德的物質無限可分的觀點。但是海森伯在反對德謨克利特的機械的原子論的同時，把他的唯物論也給否定了，而傾向於柏拉圖的客觀唯心論，把理念、形式看得高於物質或物質的存在物，說什麼「物自體最終是一種數學結構」（本書第50頁），「基本粒子最後也還是數學形式』（本書第35頁），「原始的東西不再是物質的客體，而是形式，是數學對稱性，……是理智的內容，……『意義是萬物之始』——邏各斯。」我們不否認，在特定的條件下，形式對內容、精神對物質可以起決定的、主導的作用。但由此誇大到把形式、精神看作是萬物的原始，那就把形式與內容、精神與物質的根本關係給顛倒了。 因為海森伯是結合當代原子物理學的研究來探討哲學問題的，所以他的哲學充滿著豐富的、活生生的內容。儘管他對有些命題作了片面、誇大、自相矛盾的表述，我們仍應該深入地去研究、分析、鑑別，以便吸取其中的合理的內核。 本書《現代物理學和哲學——現代科學中的革命》是海森伯根據1955－1956年冬季在聖安德魯茲大學的吉福特講座上的講稿整理髮表的，干1959年出版。本書是作者最系統的一本哲學著作，也反映了他從經驗論向唯理論、從實證論向客觀唯心論的轉變。中譯本還增選了海森伯晚年所寫的《科學真理和宗教真理》（1973）、《量子論歷史中概念的發展》（1975）、《基本粒子是什麼？》（1975）、《宇宙輻射和物理學中的基本問題》（1976）這四篇文章，以供關心現代物理學的歷史及其哲學問題的讀者參考。此書的翻譯與出版，曾得到于光遠、許良英、陳步、龔育之、高崧、吳伯澤、吳雋深等同志的關心與幫助，特在此表示深切的謝意。 譯者 1980年9月於北京