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成素梅:量子科学哲学:科学与哲学的深度交融

更新时间:2022-02-22 21:14:22
作者: 成素梅  

  


   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,而且很多相关文章刊发在哲学类杂志上。经过一个多世纪的发展,哲人科学家论述的原始文献不断被整理出版,关于其哲学思想的研究成果也日益增多,特别是库恩等人曾在60年代用了近3年时间对量子力学创始人或参与者进行了口头采访。这些进展为研究量子力学史和量子物理学家的哲学思想,并从中挖掘新的哲学洞见,提供了极其珍贵的原始资料。

   从量子理论的整个发展史来看,20世纪20年代量子力学形式体系的建立,向我们揭示了微观粒子具有波粒二象性、量子测量具有不确定性、量子概率具有根本性、量子态叠加原理蕴含了量子纠缠和非定域性的关联等令人震撼的新概念和新认知,带来了第一次量子革命。到20世纪末,量子力学基本原理的拓展应用,诞生了量子信息论、量子密码学、量子纠缠理论、量子信息技术等日新月异的新领域与新技术,掀起了第二次量子革命,排除了人们对量子力学概念体系的质疑。然而,量子技术发展对量子科学原理的间接印证,虽然揭示了常识性认知的局限性,但并不意味着人们对量子科学有了一致性的理解。因此,像康德的科学哲学思想为理解“科学”概念成功进行论述那样,生活在第四次技术革命时代的哲学家,也须主动承担起系统地消化与吸收量子理论的历史使命。

   事实上,自量子力学诞生以来,许多科学哲学家都试图基于对量子力学的理解来阐述自己的哲学观点。赖欣巴赫的概率意义理论、库恩的范式论、费耶阿本德的多元论、普特南的“内在实在论”、范·弗拉森的建构经验论、哈金的实体实在论以及法因的“自然本体论态度”等,都在不同程度上吸收了量子理论的观点。弱实在论者把量子力学看成是对世界的直觉思维方式的一种可修正的经验约束。结构实在论者则认为,在量子理论中,深奥的数学不变性才是真理的标志,就所假设的实体和过程而言,有意义的是数学结构,而不是量子力学的解释。

   上述三个层面为量子科学哲学的兴起提供了丰富的文献资源、思想资源和理论资源,使其由可能性与偶然性发展到现实性和必然性。

   量子科学哲学研究的问题域

   量子科学哲学不是对传统科学哲学的完全替代,而是拓展科学哲学的研究领域,并反过来深化我们对传统科学哲学论题的反思。其主要目标是基于量子理论基本原理所蕴含的前提与假设,深入量子物理学家的哲学思想中,挖掘新的哲学见解,应对重大哲学挑战,变革思维方式,提升对科学的新理解。

   第一,理解自在实在、对象性实在和理论实在的区别与联系。传统科学哲学框架是在经典科学基础上形成的。在经典科学领域内,科学家主要是提出理论体系来理解和说明实验现象,认知者、测量环境、认知对象之间有着明确的边界,实验既是归纳理论的前提,也是印证理论的证据,在这里,作为研究对象的对象性实在是自在实在的一部分,理论所描绘出的理论实在被认为是对自在实在的直接描述。然而,在量子领域内,对象性实在只能扮演承上启下的角色,成为沟通自在实在和理论实在的中间桥梁,并不再像经典意义上的对象性实在那样,与自在实在具有等同关系,而是成为一种新的实在形式,一种由自在实在和仪器共同建构出来的实在。这样,自在实在、对象性实在和理论实在分别构成了三个不同层面的实在。如何理解三者之间的区别与联系,成为量子科学哲学研究的问题域之一。

   第二,揭示科学家洞察力或直觉判断力形成过程和认知价值。对这个问题的研究,有助于制定更合理的科学政策和形成更有效的科学教育体制等。传统科学哲学是在分析哲学框架内建构起来的,专注于探讨理论命题的意义、理论与观察、事实与价值、理论变化与概念指称等问题,力图为科学的成功辩护,但并不关注科学家的认知直觉或领悟能力等因素。然而,在数学化程度越来越高并且越来越远离实验的量子理论中,以及在实验室科学或工程科学中,科学家的洞察力或直觉判断力虽并不像理论与证据那样总是能够以命题的形式明确地表达出来,却同理论与证据一样有价值,甚至更有价值。洞察力或直觉判断力能使知识融会贯通,引导科学家超越实验证据的束缚,创造性地提出革命性的概念和理论,还能引导工程科学家有针对性地设计出精妙设备,挖掘科学世界中有意义的新问题并验证新理论。因此,量子科学哲学研究需要揭示科学家嵌入认知实践中激发出来的领悟能力的认知价值。

   第三,重新剖析现象、事实、理论、测量、实在等相关概念之间的复杂关系。在经典科学中,我们通常是在本体论意义上讨论问题,经典思维方式是将认识论问题本体论化的思维方式。而在量子理论中,物理学家则是在认识论意义上使用概念和语言。如果我们意识不到运用概念层次的这种变化,就无法对量子革命有更清晰的认识。正如海森堡在《爱因斯坦与玻恩通信集》序言中所评论的那样,只有当科学家愿意付出巨大努力扩展其哲学框架和改变思想进程的结构时,才能理解新的经验证据。同样,科学哲学家也只有乐意付出努力,基于量子科学蕴含的哲学假设来修正过去不经审思和批判的常识观念时,才能实现更好地理解科学的目标。

   第四,揭示科学活动的民主性和阐释集体认识论。在量子力学诞生之前,物理学理论通常都与物理学家的名字联系在一起,比如,牛顿力学、麦克斯韦方程组、爱因斯坦相对论等。这些理论和定律虽然也与其他科学家的努力分不开,但在理论贡献方面,主要成就归功于个人。哲学中的认识论研究基本上也不考虑社会因素与集体讨论中科学家之间的相互启发等因素。量子力学的诞生不仅开启了强调关注集体智慧的先河,揭示了科学活动民主性与求真的复杂性,还体现了通过数学描述来拯救现象,而不是基于现象归纳来提炼方程的方法论技巧。集体认识论主要关注科学共同体内部的认知活动与达成的科学共识。在当代科学研究中,个人称霸一个领域的时代似乎难以再现。然而,集体认识论不完全等同于社会认识论,因为其不关注社会影响等非认知因素。传统科学哲学中的认识论属于个人认识论范围,科学知识社会学家讨论的社会认识论则侧重于社会等非认知因素对科学研究活动的影响。

第五,系统地阐述科学说明(explanation)、科学理解(understanding)和科学解释(interpretation)之间的关系。在传统科学哲学中,亨普尔的科学说明模型主要探讨科学理论对现象的说明方式,(点击此处阅读下一页)


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文章来源:中国社会科学报
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