美哉物理（八）

现代物理学的20世纪进展，自始至终都以量子概念为主导；量子理论的百年成就，其中包括与相对论的形式结合，乃世纪初叶掀起的物理学革命的主要展现。物理学革命对于人类影响的深刻程度，莫过于思想观念的转变。伴随着量子概念的诞生，N · 玻尔的互补原理引发出一种新颖的哲学观念、开拓出一个非：凡的哲学领域。这种新哲学观念或许会成为21世纪人类之指导思想和工作方法的一项不可忽缺的要旨。

学者们论及，新世纪将更偏重于东方文化。互补原理的进一步诠释，恰恰可植根于东方文化的深厚底蕴。推崇中国文化的李约瑟指出：“对于目前和将来形式的现代科学，必不可少的是中国传统的有机论哲学。”中国文化传统强调综合和统一，特别是强调人与自然界之间的有机结合；而“天人合一”可谓有机论哲学的核心命题。我们认为，玻尔互补原理与“天人合一”命题正相契合。后者的是前者的底蕴；前者阐发了后者的精髓，并赋予后者以现代表述形式。从后者到前者，其科学哲学思想的美学神韵璨然升华。

互补性观念确立的物理学背景

从19世纪后期起始，对于物质世界之微观层次的探索日见成效。微观粒子遵循与宏观物体迥然相异的运动规律；而量子理论经过从旧量子论+量子力学→量子场论的百年发展历程，已被认作是关于原子、亚原子客体运动的合适表述形式。爱因斯坦的光量子论、德布罗意的物质波假设以及狄拉克的物质场量子化概念揭示了微观层次一切物质形态的波粒二重性。量子力学中的薛定谔方程表述的是微观体系运动的统计规律；微观体系被观测时呈现不确定的统计性状，海森伯测不准关系式（不确定性原理）则就标明了这种不确定性的程度。

然而，人们观测微观客体，采用的自然是宏观实验仪器，并且由实验观测所得之“一切经验，最终都必须用经典（物理）概念来描述"；玻尔认为，“这就是量子理论的整个佯谬"。因为一方面，要建立起不同于经典物理定律的量子物理定律——比如薛定谔方程表示波函数的变化规律，而波函数代表微观客体的运动状态（量子态）；另一方面，每当观测，便不得不凭借经典物理中的原有概念——可观测力学量均为经典物理量，诸如空间坐标、时间、动量、能量等。为了简捷地解释这个佯谬，玻尔便提出了巧妙的互补（并协）原理。

玻尔在1927年的科摩物理学国际会议上首次申述其互补性观念。他说：“量子理论的本性迫使我们必须承认时空标示和因果性要求是描述的两个互补、但又互斥的特色。”所谓量子理论的本性，起因于作用量子h取值非零；这导致微观体系只能处于分立的量子态，并时而发生量子跃迁。玻尔注意到观测对于客体必有干扰。当然，对于宏观客体，此干扰可予忽略或可予补偿、甚至可设法避免。但对于微观客体，观测时的干扰即指仪器与客体之间的量子耦合作用，由其引起运动状态突然跃变（即量子跃迁）；这耦合作用正是因作用量子h终究不为零而不可避免、又正是因h的整个性而不可再分，从而导致状态跃变具有不可确定、不可控制的统计性状。玻尔看清这样的两难局面：要确定微观客体的运动状态，却不能观测，反之要观测就必然引起客体状态的突然跃变；他认为只要作出互补性说明，便能应付此两难局面。

经典理论以可观测物理量的时空微分方程为核心，表明宏观体系同时兼有可予时空标示和满足严格因果律的特征。而薛定谔方程的情况不同，它是波函数的时空微分方程，代表微观客体之量子态的波函数并非可观测（即在时空中直接显现）力学量。该方程亦算是反映了对于微观客体之知识（由波函数给出）随时间演变的因果律，但这当然并非客体本身在时空中运动的因果律；况且，"知识演变过程'总是在观测时被干扰，每次观测，“知识的因果链”便中断，量子态在干扰下突然跃变。对此，玻尔将时空标示和因果性要求二者的互补互斥关系具体解释为：或者是，凭依时空描绘原子、亚原子现象，但须附带不确定性原理；或者是，用时空微分方程表达波函数演变的因果律，但在时空中描绘原子、亚原子现象就不可能。

显然，凭藉经典概念不足于准确地描述微观体系，因h的存在而使此描述方式受到不可克服的限制；换言之，借用经典概念去认识微观运动规律，必定遇到十分棘手的困难，这认识论上的限度实在是不可逾越的。互补原理正就反映了宏观的人（认识之主体）利用宏观的实验仪器，观测微观体系（认识之客体）的运动状态时所受到的限制。比如不能同时测准任何哪一对相互共轭的力学量（空间坐标和动量或者时间和能量等等），测量时二者的准确度会彼此排斥，即得此而失彼，其数值由测不准关系式给定；又如一切物质形态的波粒二重性涉及须以两类不同的经典概念分别描述的物理图象——粒子图象和波动图象，但二者并非同时呈现，即也是彼此排斥、得此而失彼，两类经典概念亦然如此。所以玻尔说：“不论注意对现象描述的连续性一面或非连续性一面，我们总会丢掉一面。”唯通过互补原理才能化解描述上的困难：两个互斥的方面（互斥的力学量、互斥的图象及其互斥的概念等）又是互相补充的，必须同时兼顾；使二者并协地构成对同一客体的完备描述。再则，由观测结果呈现为哪一类物理图象（对各物理图象采用相应的经典概念描述），以及哪一类力学量测得准，均由实验安排及其所使用仪器的类型决定，故而这“两大类不同的实验场合（或称观测方式）也互斥互补”。

可见，互补原理提供了对上述佯谬的一种自圆其说的妥帖解释。玻尔认为，在某种意义上说，量子力学的形式体系本是对此佯谬、即对借用经典物理概念描述微观客体在一定的实验安排下所得之观测结果的统计征状的理解，而互补原理阐明了这种理解。因此，互补原理是量子力学的重要内容；尽管它只是一种解释，不能用数学公式表示。玻尔进而还认为，互补原理是对经典物理关于物质运动最基本的规则——因果原理的“一个合理的推广”：涉及因果律，又添加以原子、亚原子现象观测上的不确定性。

因此，随着人们对物质世界的探索从宏观层次深入到微观层次、物理学的主杆理论框架从经典体系转变为量子体系，互补原理便应运而生，它是量子物理趋于成熟的产物。玻尔倘若没有明确地意识到：因观测微观客体必须使用宏观仪器，描述原子、亚原子现象则依然需要借助于经典物理概念，并且凭借经典概念表述微观运动必有一个认识论上的限度；亦即如果没有看清：借用经典概念而形成的两难局面难以回避，但这又不过是一个佯谬而已，那么他就不会以这样简易的方式提出此互补原理。然而该原理貌似简单、实为诡秘，貌似平易、实为机巧；它赋予量子力学和量子场论以涵义深刻的物理解释。在物理学史上，先有圆满的形式体系，尔后才对其作出适宜解释的，量子力学确为典型之一例。量子力学的完善以及量子场论的建树，恰正是互补性观念确立的物理学背景。

现代科学哲学的新颖观念

互补原理岂止是一条物理学原理，更恰当地说，实乃一条哲学原理。即便经典物理中的因果原理，亦被看作机械决定论的一条主要哲学原理。而互补原理突破了这种机械论哲学观念的禁锢，主要体现于改变了“物理实在”的定义；经玻尔等人修改过的物理实在，其涵义或许可作为现代科学哲学、现代自然观的最重要的内容之一。

不少物理学家以为，客观物体（不论宏观抑或微观）及其与认识主体截然无关的运动变化所呈现的图象就是物理实在，亦即物理实在等同于独立于主体之外的客观物质世界。承认物质世界的客观性当然是唯物论哲学的基本观念。可是，对于微观体系而言，若忽视客体运动图象与主体的关联，便难免有陷于机械唯物主义之嫌。以玻尔为首的哥本哈根学派虽然明白微观物质层次也是客观存在着的，但又认定物理实在只可能是“经验实在”；离开人们对于微观客体的间接感知经验，就无所谓微观物理实在。因为人们所感知的粒子图象和波动图象等等，并非微观体系的本来面貌，却只是由其与宏观仪器之间的量子耦合作用而引起的不可逆放大效应、是呈现于仪器上的宏观现象。这已发生了质变的、具有统计征状的、宏观显示的原子、亚原子现象才是玻尔等人所定义的微观物理实在；很清楚，它与认识主体所作的实验安排密切相关，它是人们使用宏观仪器、借用经典概念观测、描述微观物质世界而获得的间接经验。如此定义的物理实在势必同时带有“客观和主观的色彩”，从而表明“客体和主体之间不可能断然区分”。

互补原理反映了主客观的关联，与经验实在观念相洽。两大类互斥互补的观测方式由人为的实验安排规定。例如实验者使用两套不同类型的仪器可分别测准位置和动量。如图8-1所示，让光子（或电子）通过大小可变的小孔。倘若光阑与尺和钟刚性地连结，那么可使这固定不动的光阑上的小孔缩小而准确地测定光子的位置，但刚性连结方式排除了光子与光阑之间准确地交换动量（和能量）的可能性。而倘若将光阑用弹簧悬挂起来，那么动量交换可予确定，但光子通过小孔的准确位置却因光阑位置的不确定而变得不可能了。这个实验被用来验证海森伯测不准关系式；同时，如此人为安排的两套互斥互补的测量装置又被用来说明互补原理：二者的测量结果相反相斥，又须将其相互补充、彼此并协，这样方能全面地标示微观物理实在的测量特征和主观色彩。

图8-1两种观测方式互斥互补

互补性观念确为现代科学哲学的一种奇特思想、一个新颖观念。玻尔藉此而阐发“经验实在论”——人们由观测物质客体所得之经验迳直等同于物理实在。与此相应，玻尔就把观测认作“原始概念”，从而强调能借用经典物理概念描绘对于微观客体的观测结果、即表述微观物理实在，并因观测而导致微观客体状态的突然跃变。观测作为原始概念，点明了上文所述的“量子理论的整个佯谬”，而这便是玻尔提出互补原理的出发点。韦斯科夫声称这条原理“触及了宇宙的神经"。其实，“互补性观念足以象征原子物理学中现象不依赖于观察方式而客观存在这一观点所遇到的基本限制”（玻尔语）；唯采取互斥互补的诠释形式才能把经典物理概念的局限性简明地表达出来：这一新颖观念违背机械唯物论的奇特之处即在于此。

这一发源于量子物理的互补原理适用面甚广，玻尔将其推广用于许多场合，甚至超出物理学范畴、超出自然科学的范畴；凡两难的局面，总可把两种不同的甚或对立的概念、图象用来描述同一研究对象的两个侧面，并使二者相互补充，彼此并协，以共同构成关于对象的完整说明。例如，他曾提及：温度概念与热物体中原子行为的细致描述，以及生命现象与生物体内分子运动机制的考查之间的关系都是互斥的；若将互斥的两面互补互协，则就为探讨宏观体系的热力学性质以及生命本质问题提供了阐解其微观运动基础的研究途径。所以，互补原理不仅是经验实在论的基本思想，而且本身已扩展成为奇特的“互补哲学"；其影响所及，被当今哲学家认作是“遍布一切系统性研究的范围”。互补哲学，作为现代科学哲学新开拓的领域，与所有传统哲学都甚有差别；C · 考尔森说：“由此在对人类生活在其中的世界的理解上开始了新的一章”。这一章从20世纪延续到21世纪，由互补哲学引出的思维方式、工作方法以及指导思想，或许更能为现代人士所接受；尤应指出，这种哲学和经验实在观念、观测概念等，更富有辩证的成分、更突出人的主观能动一面，故而也就更符合当今文明建设的需求。无疑，“发现互补性，是玻尔对现代科学哲学的最大贡献”（M · 雅默语）。

互补原理诠释的东方文化底蕴

任何哪个科学哲学概念都依托于一定的文化形态，一些现代哲学流派往往与传统文化有千丝万缕的联系。以玻尔而论，他在1937年访向中国后，悟及互补原理与中国古代的阴阳学说以及老子、庄子等人的思想颇有相通之处，于是竟然采用阴阳太极图作为其家族的族徽（见图8-2），他认为用此图案来标志互补性观念是最形象贴切不过的。众所周知，中国古代许多学者皆认“一阴一阳之谓道”（《周易 · 系辞上》）；“铟缊太和，合于一气”（王夫之语）。太极便是阴阳二气合一之实体，而天地万物均为阴阳统一体的不同的表现形式。阴阳太极图清楚地表示阴阳二气既彼此排斥、对立，又相互补充，同时并协，组成一个十分和谐的太极整体，这是宇宙的本原。玻尔用此图案标明互补原理的涵义，并暗示它在宇宙间各领域的普遍适用性，看来非常恰当。其实，阴阳学说的哲学蕴含或许比互补原理更丰富些；尽管后来被道家所利用，多少蒙上一些神秘主义的色调。太极图显得那么简洁、优美，阴阳两鱼呈反对称性状且天衣无缝地合成圆形；这与互补原理描述的互斥概念之间的简单“反比对称关系”正相符合。所以，凭借太极图，正可显现互补原理的美学魅力。

图8-2 玻尔用阴极太极图标示互补原理

从东方文化中汲取养料，似可对互补原理作进一步的诠释；借用阴阳太极图标示所产生的效果便是生动的例证。上文说明，该原理的确立起因于由观察测量所导致的佯谬；而且对微观物理实在的全新定义亦源自于对观测这个量子物理的原始概念的深入思考。玻尔以为，观测仪器与微观客体之间的量子耦合作用是“形成（原子、亚原子）现象的一个不可分割的部分”。那么，对于微观物理实在，“时空标示与因果描述不能同时在实验操作上都有意义”；由实验呈现的图象如何、观测的结果怎样，不可避免地与人为的仪器安排相关联。所以，玻尔在科摩演讲中强调说：互补原理“适于表征这样的形势——人类概念形成时在区分主体和客体的问题上出现固有的普遍困难"。及至了解中国古文化以后，他又这样阐述其互补性观念；“我们面临着人类地位所固有的和令人难忘地表现在中国古代哲学中的一些互补关系；那种哲学提醒我们——在生存大戏剧里，我们自己既是演员又是观众。”视认识主体不仅为自然现象的观众，而且为物理实在舞台上的演员，则就突出了人在与自然的关系上的作用和地位，亦使物理实在披上了主观色彩；笔者认为，玻尔的这种看法充分地体现了中国古代哲学的“天人合一”思想。

当代著名学者季羡林先生指出：天人合一“这个代表中国古代哲学主要基调的思想，是一个非常伟大的、含义异常深远的思想”；“是人生的最高的理想境界”。此思想在东方其他国家亦有类似表述。诚然，中国古代学者将这一思想观念解析得最透彻。它始于西周时期的天命论，经过孟子和庄子从不同角度的阐解，至汉代演变为董仲舒的“天人感应"，直到宋代成为占据主导地位的哲学倾向。张载明确提出“天人合一”的命题，并认为“天人合一”的基础就是气；当代学者据此而将张的命题归入唯物主义的范畴。

季先生把“天人合一”理解为人与大自然的关系，跟中国传统文化精神并无二致，当然更符合现代自然观的唯物主义本质。其实，中国古代哲学的主流，比如张载、王夫子等所论述的，颇“能注意到不违背天、不违背自然且又能与天命自然融合一体”（国学大师钱穆语）。这个“天”，不是指天帝、天神，而实指天地万物，“天命”便可理解为自然的规律。那么，“天人合一”就是使人与大自然统一，此乃“东方综合思维模式的最高最完整的体现”（季先生语）、“中国有机论哲学”的核心。钱先生一再说：“‘天人合一论"，是中国文化对人类最大的贡献。”

钱先生指出：“离开了人，又从何处来证明有天"。由此而引申：离开了观测者，又从何处来证明有微观物质世界；甚至可以说：离开了人所制造的观测仪器和人所安排的实验观测，又何来具有互补性特征的微观物理实在。这微观物理实在是人对微观客体运动的间接经验、是“天”、“人”融合的产物。于此可见，凭借“天人合一论”，量子力学中以互补原理为主体的物理解释更为清晰、愈益深入；相反，微观物理的发展使“天人合一论”扩充以现代科学的新鲜内容，并使人与自然界更有机、更密切地相结合。换而言之，互补原理以现代物理的表述形式阐发了中国有机论哲学的精髓；反过来，中国传统文化竟可为互补原理诠释的进一步深化提供以富足的底蕴。

一般认为，东方以综合思维方式为主、西方以分析思维方式为主。如季先生所指出的，“天人合一论”乃东方综合思维模式的典型表现。西方近代科学的建立和发展使分析思维模式渐趋成熟，以致于构造出许多出色的科学理论体系。然而，分析模式常常与综合模式交织在一起。实际上，一部物理学史，从近代到现代，其各领域的理论体系在逐步综合；特别是现代物理学大师，诸如爱因斯坦等，执着地追求理论的统一。所以说，科学理论圆满与否、水准高低，往往以其综合描述、概括表示所研究的层面之宽窄而定；亦即综合和统一的程度必然是一个重要的衡量标准。至于具体考察物质客体，在如何区分各种概念、各种图象的相对地位和区分主客观的彼此关系方面，经典物理显得简单率直、泾渭分明，似乎偏向于分析思维模式，而量子物理以互补方式处理，显得融合、周全，但又有点儿神秘，似乎突出了综合思维模式的作用。

许多学者主张，新世纪当以东方文化为主；钱先生和季先生均有此意。笔者当然主要着眼于物理学。新世纪物理以量子物理为主流。对于量子理论之表述体系的延拓和综合，及其物理解释的深化和完善，均将受益于东方文化的丰厚底蕴。互补原理与“天人合一”命题的交融，会使科学、哲学、文化、人生达到最高的理想境界。互补性观念在中国有机论哲学的映衬下，将成为新世纪科学哲学的一个美学标志；而这个标志是否带有几分东方神秘主义的色调？