薛定谔的《自然与希腊人》都讲了什么?
2016/8/26 哲学园

    

     埃尔温·薛定谔著 张卜天译

     本书是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔两部作品《自然与希腊人》《科学与人文主义》的合集。两部作品主题密切相关,关注的都是实在的本性以及自古以来人类如何感知存在。讨论了一些与科学和科学家在社会中的角色有关的社会议题,更关心的是历史上的大思想家是如何处理这些议题的。《自然与希腊人》着重从理性与感官的竞争、毕达哥拉斯学派、克塞诺芬尼的宗教、原子论者等展开论述;《科学与人文主义》则从科学对生活的精神影响、我们“模型”的本性、连续体的复杂性等方面展开论述。本书对于物理学以及相关专业的研究者具有重要的参考意义。

     前言

     罗杰·彭罗斯(RogerPenrose)

     我还清楚地记得大约40年前阅读埃尔温·薛定谔(ErwinSchr?dinger)的小册子《科学与人文主义》的情形,当时我还是剑桥大学的一名研究生。此书对我后来的思想产生了很大影响。而《自然与希腊人》虽然基于稍早前的讲演,出版时间却要晚一些。我必须承认,当时我并没有看到。直到最近我才第一次读它,觉得非常出色,文字同样优雅和有力度。

     这两本书放在一起很协调。其主题密切相关,关注的都是实在的本性以及自古以来人类如何感知实在。两本书的文字都很优美,使我们得以领略20世纪最深刻的思想家之一的某些洞见。薛定谔不仅是一位伟大的物理学家,提出了以他的名字命名的方程(根据量子力学原理,薛定谔方程支配着所有物质基本组分的行为),而且对哲学问题、人类历史和其他许多具有社会意义的议题都作过深入思考。

     在这两部著作的开篇,薛定谔都讨论了一些与科学和科学家在社会中的角色有关的社会议题。他明确指出,尽管科学无疑对现代社会产生了深刻影响,但这种影响绝非做科学的真正原因,而且这种影响本身是否总是正面的也并不清楚。然而,他的主要目的并非仅仅讨论这类议题。他主要关心的是物理实在的本性以及人相对于这种“实在”的位置,关心的是历史上的大思想家是如何处理这些议题的。薛定谔显然认为,研究古代历史不应只是出于对事实的好奇,也不应仅仅关注现代思想的起源。在《自然与希腊人》中,他对古代哲学家/科学家的观点作了引人入胜和富有洞见的研究,这清楚地表明,在他看来,虽然现代科学所取得的进展无疑远远超过了希腊人,但我们仍然可以从希腊人的洞见和思路中直接获得启发。关于“我从何处来,又往何处去”这一最深的问题,我们真的已经取得进步了吗?薛定谔显然认为没有,尽管他似乎仍然乐观地相信,我们将来或许能对这些问题有一些真正的洞见。

     薛定谔本人是这场以自然的最小成分来理解自然的革命性转变的主要发动者之一,因此他很能理解,相比于他之前的物理学家和哲学家的观点,这一转变的重要性何在。此外,在我个人看来,薛定谔和爱因斯坦关于量子力学更加“客观”的哲学观点远远胜于海森伯(Heisenberg)和玻尔(Bohr)的“主观”观点。虽然常有人说,量子物理的巨大成功使我们怀疑分子、原子及其粒子组分这样的量子层次是否有一种“客观实在”,但极为精确的量子形式系统(quantum formalism,本质上意味着薛定谔方程)却向我们表明,必定存在着一种量子层次的“实在”(尽管是我们不熟悉的一种实在),从而有“某种东西”能被该形式系统精确地描述。

     然而,这个形式系统本身所揭示的量子层次的实在完全不同于我们在日常宏观尺度所经验的实在。薛定谔以高明的手法为我们描绘了一幅关于那种实在的图像。由40年前对《科学与人文主义》的阅读,我还清楚地记得薛定谔讲过一件事情:他小时候有一个丹麦大狗形状的铁镇纸,纳粹入侵时把它忘在了奥地利。多年以后,他重新找回了那个镇纸。这个镇纸与他原来拥有的是同一个,这样说是什么意思呢?赋予它的任何个体粒子以“同一性”是毫无意义的。薛定谔指出了一种明显的讽刺。自两千多年前的留基伯(Leucippus)和德谟克利特(Democritus)以来,一直有一种基本观念认为,物质是由基本的个体单元构成的,各个单元之间存在着空隙。然而,这本质上是一个假设,它所基于的是可接受性各不相同的间接证据。而正当物质原子论本性的第一个直接证据开始出现时(比如在威尔逊云室以及其他实验设备中),量子理论拆了我们的台。该理论为我们揭示的粒子根本不像我们期待的如坚硬的谷粒那样,而是以无法理解的方式铺展开来;更糟糕的是,它们根本没有个体性!

     在薛定谔时代所认知的粒子如今地位又如何呢?电子仍被认为不可分,但属于一个被统称为“轻子”的更大的粒子家族。而质子并非不可分,它是由名为“夸克”的更小单元构成的。现代粒子物理学正是用这些新的成分(夸克、轻子、胶子)来描述的,它们是所谓物质“标准模型”的基本组分。在这个模型中,夸克和轻子被视为没有结构的点状粒子。这些是否就是自留基伯和德谟克利特时代以来物理学家一直在寻求的真正的原子成分呢?

     我怀疑,今天的许多物理学家都不会坚信这种看法。一种流行的思路是把希望寄托于弦理论,该理论认为,基本单元根本不是点状的,而是被称为“弦”的小环。然而,它们远远小于现代实验技巧目前所能达到的尺度。最近一些实验表明,在比弦理论的要求大得多的尺度上,夸克有可能显示出结构——这与标准模型所预期的点状物截然相反。不过,在得到进一步确证或否证之前,下这样的结论必须谨慎。尽管如此,我们完全可以预料,人类距离最终解决这些问题还很遥远。

     此外,在这两本书中,薛定谔对我们时空图景的实际连续性感到深深的困惑。根据量子理论,物质粒子的状态可以发生不连续的跃迁。薛定谔试图把这种奇异行为与个体粒子应当保持某种基本的同一性这一合意特征调和起来,在此过程中他萌生了这样的想法:不连续的应当是空间本身,而不是粒子。这里我不禁要指出,今天我们知道,量子粒子行为的这种“奇异性”比薛定谔时代所想象的更为离奇。1935年,(作为爱因斯坦、波多尔斯基[Podolsky]和罗森[Rosen]工作的继续,)薛定谔本人已经指出了量子纠缠这一令人困惑的现象。这种现象表明,在由不止一个粒子构成的系统中,个体粒子实际上并不是个体的,而应被视为构成了一个不可分的整体。20世纪60年代中期,约翰·贝尔(JohnBell)表明,对这种纠缠可以作实际的直接测量,在我看来,它对我们实在图景的影响还没有完全弄清楚。

     薛定谔以非凡的洞见追溯到古希腊时代,试图考察我们今天关于时空连续性的牢固信念背后的原因。他思考了数学家们经历数个世纪最终描绘出的连续性图景,并且指出了这种图景令人困惑的、几乎悖谬的本性。前面我曾提到,薛定谔对我本人的思想产生过重大影响。当时我的确认为,时间与空间从根本上讲并非它们“看起来”的那样(也许它们本身是离散的而非连续的),薛定谔的著作对我影响甚大。我花了很多时间试图构建一种理论,使空间观念能够产生于一套完全离散的组合结构。虽然这些尝试在一定意义上取得了成功,但其背后数学构想的一步步推进却把我们引向了由复数(√-1在其中起重要作用的数)提供的极为优雅的连续性形式。复数是量子力学的基础(√-1直接出现在薛定谔方程中),是我精心构造的“扭量理论”(twistor theory)的基础,也是弦理论的基础。此外,复数也是最深奥的数论结果的基础(比如在怀尔斯[Wiles]最近对费马[Fermat]最后定理的证明中),而数论是离散数学的缩影。或许,令薛定谔颇感困惑的物理学中离散与连续的矛盾可以在复数中得到解决。只有时间能给出答案。

    

    

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