第一章問題與挑戰(zhàn)
到目前為止，量子力學是當代科學發(fā)展中最成功也是最神秘的理論之一。其成功之處在于，它以獨特的形式體系與特有的算法規(guī)則，對原子物理學、化學、固體物理學等學科中的許多物理效應(yīng)和物理現(xiàn)象做出說明與預言，已經(jīng)成為科學家認識與描述微觀現(xiàn)象的一種普遍有效的概念與語言工具，同時也是日新月異的信息技術(shù)革命的理論基礎(chǔ)；其神秘之處在于，與其形式體系的這種普遍有效的應(yīng)用恰好相反，量子物理學家在表述、傳播和交流他們對量子理論的基本概念的意義的理解時，至今仍未達成共識。量子物理學家在理解和解釋量子力學的基本概念的過程中所存在的分歧，不是關(guān)于量子理論的算法規(guī)則本身的分歧，也不是關(guān)于亞原子粒子是否存在的分歧，而是能否仍然像以牛頓力學為核心的經(jīng)典物理學那樣，為現(xiàn)行的量子力學提供一個實在論的解釋之間的分歧。這是由量子力學對傳統(tǒng)哲學觀念顛覆性的挑戰(zhàn)造成的。
第一節(jié)經(jīng)典物理學的哲學基礎(chǔ)*
經(jīng)典物理學是隨著實驗方法與數(shù)學方法的確立而發(fā)展起來的，被廣泛地稱為“實驗科學”。實驗在經(jīng)典物理學中至少發(fā)揮著“發(fā)現(xiàn)與檢驗”兩種同樣重要的功能，數(shù)學則是物理學家描述與理解自然界最喜歡使用的一種簡潔而有效的語言符號。實驗方法所具有的物質(zhì)性、能動性與可感知性，以及數(shù)學方法所具有的邏輯性、推理性和系統(tǒng)性等特點，直接奠定了物理學研究中的實在論立場。這種立場大致包括如下基本點：承認有一個客觀的、離開知覺主體而獨立存在的實在世界，它現(xiàn)實地構(gòu)成了全部自然科學研究的直接或間接的對象域；物理學家關(guān)于研究對象的知識首先來自測量、觀察和實驗等感性物質(zhì)活動；加工感性材料而形成的概念和理論是對客觀對象的間接而深刻的反映；概念與理論的正確性需要由是否與對象的內(nèi)在本性相符合來加以判斷；得到實驗證實的真理性的概念與理論，具有指導人們做出預言從而變革現(xiàn)實的作用。幾百年來，這種立場已經(jīng)牢固地貫穿于物理學家的研究信念當中，內(nèi)化為科學哲學家?guī)於鳎═.Kuhn）所說的一種“范式”。“范式”的形成極大地超越了理論的簡單陳述，轉(zhuǎn)化為一種較為固定的思維方式或研究直覺，成為近代經(jīng)典物理學研究的哲學基礎(chǔ)和確保物理學研究能夠持續(xù)發(fā)展的最基本的價值前提。
一、機械實在論的興衰
“機械實在論”是以經(jīng)典力學的研究范式為基礎(chǔ)的。經(jīng)典力學的奠基性工作主要由英國物理學家、數(shù)學家、天文學家和自然哲學家牛頓（I.Newton）完成。
牛頓在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，通過對著名的萬有引力定律和運動三定律的詳盡闡述，確立了經(jīng)典力學的基本框架。牛頓力學是一個富有成果的理論體系，它不僅將先前零散發(fā)現(xiàn)的力學知識概括和統(tǒng)一起來，而且還為爾后發(fā)展起來的機械制造工業(yè)提供了理論工具。從當代物理學的發(fā)展趨勢來看，不論“知識陳舊”的呼聲多么強烈，不論經(jīng)典力學的適用范圍受到怎樣的限制，不論經(jīng)典力學的研究方法多么粗糙，經(jīng)典力學始終在科學的殿堂里占有一席之地，不僅如此，經(jīng)典力學所蘊涵的對“科學理論與實在”之間的關(guān)系的許多理解，在某種程度上，至今仍然是科學家所堅持的基本信念。這種理解主要建立在牛頓力學三個基本特征的基礎(chǔ)上。
從形式上看，牛頓力學是一個由公理化方法建構(gòu)起來的演繹體系。牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，首先，從八個原始定義出發(fā)，對一些重要的物理量（如質(zhì)量、加速度、力、動量等）性質(zhì)做了明確的規(guī)定；其次，著重闡述了力學的基本公理或運動定律以及一些推論。這些定義、公理及推論內(nèi)在地聯(lián)系在一起，形成了物理學家海森伯（W.Heisenberg）所說的一個相對完備的“閉合系統(tǒng)”，在這個系統(tǒng)中，任何一個原始定律的改變都將會破壞整個系統(tǒng)的完備性。
牛頓用數(shù)學符號表示物理概念，并把不同的物理概念之間的聯(lián)系用數(shù)學符號之間的關(guān)系體現(xiàn)出來，形成了可供具體運算的數(shù)學方程。數(shù)學方程之間的關(guān)聯(lián)在邏輯上是內(nèi)在自洽的。在牛頓力學中，力學定律可以說明和預言所有物體在某種力的作用下的運動行為。牛頓對運動三定律的表述分別是：
定律一：每個物體繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態(tài)，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態(tài)。
定律二：運動的改變和所加的力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個直線方向上。
定律三：每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠相等，并且各自指向其對方。這三個定律就是我們早已熟知的慣性定律、加速度定律和作用力與反作用力定律。牛頓通過這三個定律預設(shè)了宏觀力學運動的時空結(jié)構(gòu)，給出了原始概念間的定量數(shù)學表述，并且明確了力的含義，規(guī)定了力的性質(zhì)。在這三個運動定律中，第三定律是關(guān)于兩體相互作用的。從表面看，第一定律在物理內(nèi)容上完全可以作為第二定律的特殊情況（即合力為零）來處理�？墒�，牛頓卻將第一定律與第二定律以并列的形式作為不可通約的兩個定律呈現(xiàn)出來，其中的原因顯然不是出于物理內(nèi)容上的考慮，而是在于第一定律預設(shè)了理解牛頓力學的基本前提。
這恰好是第二定律所沒有的。所以，慣性定律作為第一定律的地位是非常重要的。它所包含的一些概念，如“靜止”、“勻速直線運動”，是與參照系的選擇有關(guān)的。物體之所以能在無外力作用時保持原來的運動狀態(tài)不變，是因為隱含了參照系是以笛卡兒坐標為標準的慣性系的假定�？墒牵�直接從經(jīng)驗上選擇任何參照系都不是不動的參照系，并且，任何一個具體的物體運動都是非勻速的。這說明，與實物相聯(lián)系的任何參照系都不可能成為慣性定律成立的基礎(chǔ)。于是，牛頓假設(shè)了與任何具體物體都不相聯(lián)系的絕對時空觀。
牛頓對時間和空間概念的界定是為了消除一般人從時間、空間、位置及運動這些基本概念與可感知的物質(zhì)之間的聯(lián)系中產(chǎn)生的理解上的偏見。他指出：“絕對的、真正的和數(shù)學的時間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地，與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著，它又可以名為‘延續(xù)性’；相對的、表觀的和通常的時間是延續(xù)性的一種可感知的、外部的（無論是精確的還是不相等的）通過運動來進行的量度，我們通常就用諸如小時、日、月、年等這種量度來代替真正的時間。”“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)的永遠是相同的和不動的。相對空間是絕對空間的可動部分或者量度。我們的感官通過絕對空間對其他物體的位置而確定了它，并且通常把它當作不動的空間看待。如相對于地球而言的地下、大氣或天體等空間就都是這樣來確定的。絕對空間和相對空間，在形狀上和大小上都相同，但在數(shù)字上并不總是保持一樣。因為，例如當?shù)厍蜻\動時，一個相對于地球總是保持不變的大氣空間，將在一個時間是大氣所流入的絕對空間的一個部分，而在另一時間將是絕對空間的另一個部分，所以，從絕對的意義來了解，它總是在不斷變化的�！�
牛頓在對絕對時間和相對時間，絕對空間與相對空間進行了區(qū)分之后，接著，對絕對時間和絕對空間進行了進一步的表述，他寫道：“所有的運動可能都是加速的或減速的，但絕對時間的流逝卻不會有所改變。不管其運動是快是慢，或者根本不運動，一切存在的事物的延續(xù)性或持久性總是一樣的�！薄芭c時間各個部分的次序不可改變一樣，空間各個部分的次序也是不可改變的�！�…所有事物時間上都處于一定的連續(xù)次序之中，空間上都處于一定的位置次序之中�！薄啊�…整體的和絕對的運動，只能從不動的處所來予以確定。也正由于這個原因，所以我在前面總是把這種絕對運動認為是對于不動的處所的運動，而把相對運動看作總是對于運動處所而言的運動。然而只有那些從無限到無限，確實彼此間處處都保持相同位置的處所，才是不動的處所，因此，它必然永遠停止不動，從而形成一個不動的空間。”
愛因斯坦認為，在牛頓力學中，時間與空間具有雙重作用：
首先，它們起著物理學中所出現(xiàn)的事件的載體或者構(gòu)架的作用，事件是參照這種載體或構(gòu)架用空間坐標和時間來描述的�！�…空間和時間的第二個作用是作為一種“慣性系”。慣性系之所以被認為比一切可想像的參照系都優(yōu)越，就是因為對它們來說，慣性定律必定是成立的。
可見，絕對時空的這種特殊作用，使得時空與物質(zhì)彼此獨立，時間僅作為一種描述相對運動的數(shù)學參量出現(xiàn)在動力學方程之中，在這個方程中，時間具有反演對稱性�；蛘哒f，經(jīng)典力學中某些量的變化被認為在數(shù)學上是等價的。時間的這種特殊地位，再加上經(jīng)典力學定律中并不存在限制該定律應(yīng)用的任何普適常數(shù)，即定律的定義沒有涉及現(xiàn)象發(fā)生的尺度限制與范圍：小到分子、原子，大到行星等天體，力學定律被認為都是普遍適用的，體現(xiàn)了力學定律在宇宙間的普適性和完備性。換言之，在經(jīng)典力學系統(tǒng)中，用數(shù)學方程表示的定義和公理體系，完全可以被看做是描述自然的永恒結(jié)構(gòu)的“永真”系統(tǒng)，既與特殊的空間無關(guān)，也與特殊的時間無關(guān)。這構(gòu)成了經(jīng)典力學的超時空性特征。
牛頓力學的第二個值得關(guān)注的特征是，嚴格的因果決定性，這是由運動方程確定的。在牛頓力學中涉及兩個重要的要素，“一個要素是每一點在某一瞬間的位置和速度，這一瞬間通常叫做‘初始瞬間’。另一個要素是把動力學的力和加速度關(guān)聯(lián)起來的運動方程。運動方程的積分將從這個‘初始狀態(tài)’出發(fā)伸展到相繼的狀態(tài)，即組成系統(tǒng)的各物體的軌跡的集合�！痹谶@里，不僅“一切都是給定的”，而且“動力學把所有的狀態(tài)都定義成是等價的：每一個狀態(tài)都允許沿著軌道計算出所有其他狀態(tài)，這軌道連接著所有的狀態(tài)，無論是過去的狀態(tài)還是未來的狀態(tài)�！备�明確地說，牛頓力學所描述的世界完全是鑲嵌在一個數(shù)學-力學的世界之中。在真實的世界與數(shù)學-力學的世界之間存在著某種等當性，這種無歧義的等當性通過下列方式體現(xiàn)出來：由動力學方程計算所得到的每一個物理量的數(shù)值，總是與一個實際測量結(jié)果相對應(yīng)。在一定條件下，理論描述與實際測量成為互相檢驗、相互印證的兩個相對獨立的環(huán)節(jié)。我們既可以通過理論計算求出物理量的數(shù)值，也可以通過測量手段來測得其具體狀態(tài)。在這里，初始條件的確定成為推知系統(tǒng)其他任何時刻狀態(tài)的一把鑰匙。
亥姆霍茲于1847年在他的《論力的守恒》一文中把近代自然科學的這種研究方式概括為：
自然科學的問題首先在于尋找一些規(guī)律，以便把種種特定的自然過程歸因于某些一般規(guī)則，并從這些一般的規(guī)則中推演出來�！�…我們相信這種研究是對的，因為我們確信自然界中的各種變化都一定有某個充分的原因。我們從現(xiàn)象推得的近似原因，它本身可能是可變的也可能是不變的。如果是前者，上述的信念會促使我們?nèi)プ穼つ軌蚪忉屵@種變化的原因。直到最后找到不可變的最終原因，而這個不可變的最終原因在外界條件相同的各種情形下一定能產(chǎn)生同樣的不變的效果。因此，理論自然科學的最終目標就是去發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象的終極的、不變的原因。
海森伯在談到近代物理學中的語言和實在的關(guān)系時，對經(jīng)典物理學的概念系統(tǒng)與哲學基礎(chǔ)做出的評論是，19世紀末“所引入的全部概念構(gòu)成了適用于廣闊經(jīng)驗領(lǐng)域的完全首尾一貫的概念集，并且，與以往的概念一起，構(gòu)成了不僅是科學家，也是技術(shù)人員和工程師在他們的工作中可以成功地應(yīng)用的語言。屬于這種語言的基本觀念是這樣一些假設(shè)：事件在時間中的次序與它們在空間中的次序無關(guān)，歐幾里得幾何在真實空間中是正確的，在空間和時間中發(fā)生的事件與它們是否被觀測完全無關(guān)。不可否認，每次觀測對被觀測的現(xiàn)象都有某種影響，但是一般假設(shè)，通過小心謹慎地做實驗，可使這種影響任意地縮小。這實際上是被當做全部自然科學的基礎(chǔ)的客觀性理想的必要條件”。
牛頓力學的第三個特征是純客觀性。這是由牛頓闡述的研究問題的下列四條法則加以保證的：
法則一：除那些真實而已足夠說明其現(xiàn)象者外，不必尋求自然界事物的其他原因。
法則二：所有對于自然界中同一類結(jié)果，必須盡可能歸之于同一種原因。
法則三：物體的屬性，凡是不能增強也不能減少者，又為我們實驗所能及的范圍內(nèi)的一切物體所具有者，就應(yīng)視為所有物體的普遍屬性。
法則四：在實驗哲學中，我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運用一般歸納而導出的命題看作是完全正確的，或者是非常接近于正確的；雖然可以想象出任何與之相反的假說，但是，沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更正確或者出現(xiàn)例外以前，仍然應(yīng)當給與如此的對待。
牛頓把這四條法則稱為“哲學中的推理法則”，同時，也是他研究問題的基本方法。法則一實際上描述的是簡單性原則，用牛頓的話來說，就是“自然界喜歡簡單化，不愛用什么多余的原因夸耀自己”；法則二給出了在相似性、統(tǒng)一性的基礎(chǔ)上尋找因果關(guān)系的原則，表達了同樣的原因必然導致同樣的結(jié)果，即如果由于原因A產(chǎn)生了結(jié)果B，那么，結(jié)果B，必須是由原因A引起的。在這里，原因是結(jié)果的充分必要條件；法則三中牛頓繼承了英國哲學家培根（F.Bacon）的經(jīng)驗主義傳統(tǒng)，并把通過實驗所揭示的物體的屬性看成是純客觀的，例如，牛頓在對法則三的說明中指出，物體的屬性只有通過實驗才能為我們所了解，所以，凡是與實驗完全符合而又既不會減少更不會消失的那些屬性，我們就把它們看做是物體的普遍屬性�；蛘哒f，在牛頓看來，實驗結(jié)果作為觀察事實既與人無關(guān)，也與理論無關(guān)，是對物體內(nèi)在屬性的一種完全客觀的揭示；法則四規(guī)定了歸納論證的有效性。
顯然，牛頓的這四條法則明確地突出了觀察結(jié)果與歸納論證在理論形成過程中的重要的作用。牛頓把那些不是從現(xiàn)象中推論出來的任何說法都稱為假說，并進一步指出：
這樣一種假說，無論是形而上學的或者是物理學的，無論是屬于隱蔽性質(zhì)的或者是力學性質(zhì)的，在實驗哲學中都沒有它們的地位。在實驗哲學中，命題都是從現(xiàn)象推出，然后通過歸納而使之成為一般。
或者，我們可以把牛頓的方法論總結(jié)為三步：其一，實驗，即通過實驗把相關(guān)現(xiàn)象分離出來并對其進行測量；其二，歸納，即從現(xiàn)象中歸納出一般的規(guī)律；其三，整合與預言，即通過一般規(guī)律對觀察現(xiàn)象進行演繹說明，并預言有可能出現(xiàn)的新的實驗現(xiàn)象。在這里，實驗、測量、觀察、語言表達、符號賦義都是無歧義的，觀察陳述與實驗事實是中性的，是價值無涉的，是對自然界內(nèi)在性質(zhì)的揭示，是形成理論的基礎(chǔ)或是證實理論的判別標準。顯然，牛頓力學的這種結(jié)構(gòu)最理想地落實了邏輯經(jīng)驗主義的哲學綱領(lǐng)。
牛頓力學的這三個基本特征不是孤立外在的，超時空性表明了經(jīng)典力學的無條件性；嚴格的因果決定性表明了經(jīng)典力學的無歧義性；無條件性與無歧義性共同決定了經(jīng)典力學的純客觀性。經(jīng)典力學的這些特征是由它的公理性質(zhì)的前提所
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