1、自然辯證法與量子力學(xué)周本胡（湖南師范大學(xué) 凝聚態(tài)物理專業(yè)）摘要：本文簡(jiǎn)要分析了量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程，從自然辯證法的角度闡述了科學(xué)發(fā)展的辨證規(guī)律。關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 發(fā)展 辯證法十九世紀(jì)末，物理學(xué)理論在當(dāng)時(shí)看起來(lái)已發(fā)展到相當(dāng)完善的階段，當(dāng)時(shí)有許多人認(rèn)為物理現(xiàn)象的基本規(guī)律已完全被揭露，剩下的工作只是把這些基本規(guī)律應(yīng)用到各種具體問(wèn)題上 ，進(jìn)行一些計(jì)算而已。這種把當(dāng)時(shí)物理學(xué)的理論認(rèn)作“最終理論”的看法顯然是錯(cuò)誤的，自1900年P(guān)lank提出量子概念以來(lái)，物理學(xué)發(fā)生了重大的飛躍，從量子概念的提出到量子力學(xué)的建立再到量子力學(xué)的應(yīng)用及檢驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程科學(xué)家們做出了偉大的貢獻(xiàn)，譜寫了輝煌的思想史和科學(xué)史，充分展示了

2、科學(xué)發(fā)展的辨證規(guī)律。本文就量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程、辨證思想以及給我們的啟示作淺陋分析。1 量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程就在物理學(xué)的經(jīng)典理論取得重大成就的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)了一些新的物理現(xiàn)象，例如黑體輻射、光電效應(yīng)、原子的光譜線系以及固體在低溫下的比熱等，都是經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋的，縱觀量子力學(xué)的發(fā)展，大致可分為以下幾個(gè)過(guò)程：為了解決“黑體輻射”這個(gè)問(wèn)題，也就是為了拯救“紫外災(zāi)難”，Plank于1900年提出“量子”概念，得出了與實(shí)驗(yàn)相吻合的輻射定律。為了成功的解釋光電效應(yīng)，Einstein于1905年提出了光量子論，揭示了光的波粒二象性。Bohr于1913年提出了氫原子理論、玻爾理論并以三個(gè)假設(shè)為基礎(chǔ)，后來(lái)這種

3、假設(shè)都證實(shí)是正確的。De Broglie從光量子論得到啟發(fā)，于1923年提出物質(zhì)波假說(shuō)。Shrodinger建立非相對(duì)論量子力學(xué)的基本方程，建立了波動(dòng)方程，同年提出了多粒子體系的薛定諤方程。Heisenberg拋棄Bohr的軌道概念，建立了矩陣力學(xué)。Dirac于1928年提出了電子的相對(duì)論量子論，預(yù)言了正電子的存在，后來(lái)Anderson發(fā)現(xiàn)了正電子，證實(shí)了Dirac理論的正確，至此，量子力學(xué)已經(jīng)基本建立。量子力學(xué)建立后，關(guān)于其完備性以及統(tǒng)計(jì)詮釋遭到不少物理學(xué)家的反對(duì)和懷疑，當(dāng)時(shí)還包括愛(ài)因斯坦，但至今為止量子力學(xué)沒(méi)被實(shí)驗(yàn)打破，它完全與實(shí)驗(yàn)相符，而且它在研究晶體、生物、化學(xué)等方面得到了迅速發(fā)展。量

4、子力學(xué)發(fā)展的哲學(xué)思想科學(xué)是一個(gè)理論的體系，是用嚴(yán)密的邏輯表達(dá)出來(lái)的系統(tǒng)化了的科學(xué)知識(shí)，科學(xué)理論的概念、判斷及推理應(yīng)首位一貫、不斷前后矛盾1，量子力學(xué)最終被證明是自洽的。量子力學(xué)誕生和發(fā)展的過(guò)程，是充滿著矛盾和斗爭(zhēng)的過(guò)程。一方面，新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)暴露了微觀過(guò)程內(nèi)部的矛盾，推動(dòng)人們突破經(jīng)典物理理論的限制，提出新的思想、新的理論；另一方面，不少的人，他們的思想不能隨變化了的客觀情況而前進(jìn)，不愿承認(rèn)經(jīng)典物理理論的局限性，總是千方百計(jì)地企圖把新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象以及為說(shuō)明這些現(xiàn)象而提出了新思想、新理論納入經(jīng)典物理理論的框架之內(nèi)。人們不是通過(guò)拋棄舊理論從而消除悖論，而是通過(guò)糾正錯(cuò)誤、嚴(yán)密概念、確定范圍、補(bǔ)充條件等方式

5、，使原有的科學(xué)理論系統(tǒng)愈趨完善，科學(xué)發(fā)展的過(guò)程也是人類思想認(rèn)識(shí)發(fā)展的過(guò)程，量子力學(xué)的發(fā)展也一樣，它顯示了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)革命，它的發(fā)展同樣遵循了科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，它是一個(gè)自然辨證的規(guī)律，下面就幾個(gè)方面談?wù)劻孔恿W(xué)的發(fā)展所體現(xiàn)出的辨證思想。2.1精確與模糊量子力學(xué)的現(xiàn)有解釋不能被看作是解決波粒二象性二律背反的一種可能的方案，而只能看作為量子力學(xué)理論中“截?cái)唷边@種矛盾的各種方案之一，萊辛巴赫認(rèn)為：既然命題的真實(shí)性無(wú)法證實(shí)，又無(wú)法偽證，那么就應(yīng)該把它描述為第二種意義不確定。在量子力學(xué)中，有一個(gè)著名的理論，它指的是由海森堡提出的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系指出一個(gè)微觀粒子的某些成對(duì)共軛的物理量（例如動(dòng)量

6、和位移），不可能同時(shí)具有精確的數(shù)值”2。這從根本上否定了追求絕對(duì)精確的道路，說(shuō)明微觀領(lǐng)域同樣存在精確性與模糊性的統(tǒng)一。2.2 決定論與非決定論的統(tǒng)一在量子力學(xué)詮釋方面，玻爾與愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)了一段論戰(zhàn)，充分顯示了決定論與非決定論思想的矛盾統(tǒng)一，當(dāng)時(shí)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為對(duì)自然界的理論描述應(yīng)當(dāng)是完備的。他堅(jiān)信上帝不是在擲甩子8，而玻爾等人認(rèn)為量子力學(xué)的解釋本質(zhì)上是一個(gè)放大的不確定原理，不過(guò)是一種智力自律作用的哲學(xué)，例如玻爾的門徒約翰.惠勒說(shuō)“除非它是一個(gè)被測(cè)量的對(duì)象，沒(méi)有什么基本的現(xiàn)象是實(shí)在的”3，愛(ài)因斯坦堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)必定本身是不完備的，并且必須有一個(gè)更深刻的、更細(xì)致的理論，它應(yīng)包括物理學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做

7、出完滿而又確定的預(yù)言所必須的一切信息，而不只是可能性和概率的陳述，玻爾卻認(rèn)為，尋找這樣一種理論是誤入歧途，愛(ài)因斯坦曾鋪設(shè)量子力學(xué)的道路，但對(duì)玻爾等的幾率性物理和對(duì)量子力學(xué)的詮釋卻抵制，他千方百計(jì)想找反例駁斥玻爾，但均遭失敗，即使他認(rèn)識(shí)到量子力學(xué)的邏輯性及它與實(shí)驗(yàn)例證符合，但還是不喜歡它，愛(ài)因斯坦與玻爾都非常認(rèn)真、嚴(yán)肅審慎量子力學(xué)，愛(ài)因斯坦有時(shí)自相矛盾，玻爾也被自己糊涂過(guò)，可誰(shuí)也沒(méi)說(shuō)服誰(shuí)，但是隨著人類科技的進(jìn)步以及量子力學(xué)的不斷向前發(fā)展，很大程度上有利于玻爾觀點(diǎn)的發(fā)。所有這些，說(shuō)明在自然科學(xué)發(fā)展中，是充滿矛盾和斗爭(zhēng)的過(guò)程，存在著決定論與非決定論的對(duì)立統(tǒng)一。2.3科學(xué)理論更替的矛盾運(yùn)動(dòng) 量子力學(xué)概

8、念和理論的發(fā)展充分體現(xiàn)了矛盾運(yùn)動(dòng)的規(guī)律7，如玻爾的原子模式演變的例子可以說(shuō)明，發(fā)展理論概念就是通過(guò)引入局部的補(bǔ)充假設(shè)來(lái)同化新的實(shí)驗(yàn)資料的，為了根據(jù)玻爾模式說(shuō)明新發(fā)現(xiàn)的光譜系，最初做出了關(guān)于電子圍繞著體系的共同引力中心旋轉(zhuǎn)的假設(shè)，如按經(jīng)典理論試圖說(shuō)明光譜就會(huì)遇到困難，按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，“當(dāng)帶電粒子有加速度時(shí)，就會(huì)輻射，而發(fā)射出來(lái)的電磁波的頻率等于輻射體運(yùn)動(dòng)的頻率”4。原子中電子的軌道運(yùn)動(dòng)具有向心加速度，它就應(yīng)連續(xù)輻射，這樣的話，會(huì)導(dǎo)致有兩點(diǎn)與事實(shí)不符，其中之一是電子的軌道半徑就要連續(xù)的縮小，另一點(diǎn)是原子光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜，但事實(shí)不是這樣，但波爾通過(guò)引入局部的補(bǔ)充假設(shè)成功地解決了上述問(wèn)題，爾后，S

9、ommerfeld進(jìn)行了相對(duì)論修正，而Pauli則用“不相容原理”補(bǔ)充了波爾的原子模式，原始原則和概念是在矛盾運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行新舊更替、逐漸延伸的。又如對(duì)微觀世界的研究，導(dǎo)致了波粒二象性的二律背反觀點(diǎn)的形成，“微觀客體是粒子”與“微觀客體是波”相矛盾，事實(shí)上，微觀客體既不是經(jīng)典力學(xué)意義上的粒子，也不是經(jīng)典力學(xué)意義上的波，更不是兩者的機(jī)械結(jié)合。后來(lái)，玻爾提出了互補(bǔ)原理，今天我們認(rèn)為微觀客體服從量子統(tǒng)計(jì)規(guī)律。2.4連續(xù)性與間斷性的統(tǒng)一 根據(jù)量子現(xiàn)象的波、粒二重性來(lái)看，“熱輻射的電磁波到由電子所構(gòu)成的量子系統(tǒng)，可以說(shuō)是由經(jīng)典波動(dòng)向量子力學(xué)領(lǐng)域過(guò)渡，而電子的波性是由經(jīng)典粒子向量子力學(xué)領(lǐng)域的過(guò)渡”3。在這種過(guò)

10、渡中必須建立粒子性的物理量和波動(dòng)性的物理量間的關(guān)系，從經(jīng)典波動(dòng)場(chǎng)向量子學(xué)領(lǐng)域的過(guò)渡，通常稱為經(jīng)典場(chǎng)的量子化方法，把連續(xù)的經(jīng)典場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｗ拥挠^點(diǎn)，這時(shí)的場(chǎng)與不連續(xù)的能量子相對(duì)應(yīng)，從而在科學(xué)上把間斷的實(shí)物與連續(xù)性的場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)，例如，我們已經(jīng)知道，經(jīng)典的電磁波動(dòng)場(chǎng)是由Maxwell方程組描述的，而Maxwell方程組是滿足相對(duì)論要求的電磁波動(dòng)方程。按照Einstein的觀點(diǎn)，電磁輻射場(chǎng)是由光子組成，是一種光子系統(tǒng)；換言之，電磁輻射場(chǎng)是一種多粒子系統(tǒng)，因此，滿足相對(duì)論要求的經(jīng)典場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的是一種多粒子系統(tǒng)，從而連續(xù)性與間斷性完善地統(tǒng)一在量子力學(xué)之中。2.5數(shù)學(xué)化思想 科學(xué)需要一套確定的形式體系和邏輯手段

11、，需要用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)語(yǔ)言闡述，而物理學(xué)是數(shù)學(xué)化程度最高的科學(xué)，量子力學(xué)中數(shù)學(xué)化的體現(xiàn)有：原子的間斷性對(duì)應(yīng)于海森堡的矩陣力學(xué)；波動(dòng)性對(duì)應(yīng)于薛定諤波動(dòng)方程；波粒二象性的統(tǒng)一對(duì)應(yīng)于量子統(tǒng)計(jì)。此外，對(duì)微觀世界的描述已不再使用經(jīng)典概念，代之以態(tài)、算符等等數(shù)學(xué)手段，量子力學(xué)的通常的形式體系只不過(guò)是他所謂的“互補(bǔ)性邏輯”的數(shù)學(xué)表示5?？梢?jiàn)，數(shù)學(xué)在量子力學(xué)中起著舉足輕重的地位。2.6邏輯思想 對(duì)量子力學(xué)應(yīng)用邏輯相對(duì)性原理的最早的成果，是建議對(duì)于微觀物理學(xué)放棄傳統(tǒng)的亞里士多德邏輯或更精確的說(shuō)克呂西普邏輯6。后來(lái)，烏卡謝維奇建立三值邏輯系統(tǒng)，而最早把量子力學(xué)看成是應(yīng)用三值邏輯系統(tǒng)德一個(gè)領(lǐng)域的榮譽(yù)，要?dú)w根于波蘭的邏輯

12、學(xué)家查維爾斯基，他的出發(fā)點(diǎn)是：波粒二象性是一個(gè)自相矛盾的，然而仍然是成立的陳述。他多次引用海森堡的話，根據(jù)海森堡的意見(jiàn)：一樣的東西不能同時(shí)既是波動(dòng)的一種形式又由粒子組成6。但是盡管如此，這兩種陳述卻都正確地描述為同一物理情形，這兩種描述的同等合法性以及支持一種描述而消除另一種描述的不可能性，是海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的不可避免的結(jié)果，可見(jiàn)，邏輯在量子力學(xué)中起著非常大的作用。3 結(jié)論 量子力學(xué)的發(fā)展中展現(xiàn)出的辨證思想，能使我們領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)自然辨證法的重要性，量子力學(xué)的建立使人們從根本上改變了決定論等舊的自然觀，使人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)更新、更高的層次，同時(shí)，也使人們的認(rèn)識(shí)更加全面，現(xiàn)在，我們生活在知識(shí)大

13、爆炸時(shí)代，許多新觀點(diǎn)、新問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，這就更要求我們對(duì)未來(lái)世界的認(rèn)識(shí)應(yīng)遵從自然辯證法，“用穩(wěn)定與不穩(wěn)定、可逆與不可逆、上升與下降、漸變與突變、決定論與非決定論對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)去面對(duì)新問(wèn)題，新觀點(diǎn)”9，遵從客觀規(guī)律，用聯(lián)系、發(fā)展、矛盾、否定之否定的哲學(xué)觀點(diǎn)去分析問(wèn)題。 量子力學(xué)的發(fā)展同時(shí)也體現(xiàn)了辨證唯物主義的觀點(diǎn)，辨證唯物主義強(qiáng)調(diào)科學(xué)發(fā)展的連續(xù)性和不斷革命性，承認(rèn)間斷性和革命的階段性，承認(rèn)發(fā)展道路的曲折性和前進(jìn)性，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要，從“實(shí)踐使檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”出發(fā)，來(lái)檢驗(yàn)我們的理論是否正確，同時(shí)又主張理論與實(shí)踐相結(jié)合的歷史的統(tǒng)一，強(qiáng)調(diào)科學(xué)思想、科學(xué)史、科研的歷史經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降闹匾姓J(rèn)科學(xué)是一個(gè)永無(wú)境的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)的過(guò)程，真理是相對(duì)性與絕對(duì)性的統(tǒng)一，量子力學(xué)的理論也一樣，有的理論還有待進(jìn)一步完善、進(jìn)一步補(bǔ)充。我們絕對(duì)不能認(rèn)為量子力學(xué)的理論是最終的理論，還有待去完善和發(fā)展，這條歷史的長(zhǎng)河中，我們可以去尋找其一個(gè)個(gè)的發(fā)源地，但它沒(méi)有盡頭。參考文獻(xiàn)1王德勝 自然辯證法原理M 北京：北京師范大學(xué)出版社 1997 ：4832周世勛 量子力學(xué)教程 北京：高等教育出版社 1979 ：23羅長(zhǎng)勛 量子場(chǎng)論引論