量子物理名词的商榷

刘源俊

(东吴大学物理学系,台湾台北)

量子物理名词的商榷

刘源俊

(东吴大学物理学系,台湾台北)

20世纪量子物理的大师们发现,在描述原子物理时,日常言语词有所穷,道有所断.但海森堡指出,当我们要叙述自然界时,还是得从算学语言回到日常语言来.物理本难懂,量子物理更难懂,使用名词要特别讲究,才不致误人子弟——名不正则教不顺,教不顺则学难成.我们活在中文语境里,更应尝试用中文表达其精义.笔者讲授量子物理三十多年,对量子物理的中文化有一些心得与体会.借此文略加整理,就教于物理学界.

量子物理;物理名词

科学由概念构成,是人的思考的产物;概念靠语言文字表达其意义.名词是语言的基石,亦即概念的符号,代表概念的浓缩.要精确定义一个名词,总需费一番说辞;因而欲求顾名能思得其义,固有其困难.但好的名词可以让人“顾名思得八分义”,糟的名词使人“顾名无从思其义”,最糟的名词则教人“顾名思错义”.孔子说:“必也正名乎!名不正则言不顺.”王安石说:“盖儒者所争,犹在于名实,名实既明,而天下之理得矣.”

18世纪化学家拉瓦锡在其重要著作《化学元素》[1]的序里有一段重要文字,发人深省:“……每一门物质科学必须包括三样东西:作为科学对象的系列实事(facts),代表这些实事的观念(ideas),与表达这些观念的文辞(words).……文辞须产生观念,观念须是实事的图像.而,既然观念经由文辞保存与传播,因此任何科学语言的改进必伴随科学本身的改进;另一方面,则不改良其语言或命名法,也不可能改良科学.不管任何科学的实事是如何确定,又不管我们对这些实事形成的观念是如何恰当,若我们缺乏合适表达的文辞,就只会传播错误的印象给他人.”他在此清楚主张,科学名词应与科学俱进.

20世纪量子物理的大师们发现,在描述原子物理时,日常言语更是词有所穷,道有所断.举最简单的质粒(mass particle)概念为例:古典物理说质粒有确定的位置与速度,但海森堡的“不两确原理”(uncertainty principle,详下文)指出,一个东西的位置与速度不可能同时测准;那么,还能说质粒么?可是,不说“质粒”又如何讲起?从古典物理到量子物理的过程好比是“渡”——历史发展如是,学习历程亦如是.从旧大陆移民到新大陆,必须先用旧大陆的材料造船,乘船渡海到新大陆,然后才能开始新生活;同样的,从古典物理世界渡到量子物理世界,也必须先用古典物理的语言描述,然后才改用量子物理的语言,否则渡不过去的.

海森堡在《物理与哲学——近代科学的革命》[2]第十章〈语言与近代物理的实在〉指出,量子物理学家的语言“不是可以使用正常逻辑的精密语言;是可在吾人头脑里产生图像的语言,但同时要有一观念,就是这些图像与实在间只有模糊的关联,它们只代表一种趋近实在的倾向.”他在另一本自叙体的名著《分与成——原子物理世界交谈录》[3]第十一章“关于语言的讨论(1933)”里也提到:玻尔说:在原子物理里,一些原为我们最信任的概念(例如位置及速度),其应用却是明确受限的.理论物理学家描述自然界时所使用的算学公式尽管在逻辑上干净、严格,但当我们要叙述自然界时,还是得从算学语言回到日常语言来.换言之,即便明知日常语言不够精确,还是得用!因为日常语言——亦即古典物理的语言——是吾人所用以思考的语言.

所以,量子物理的名词不可能精确.但愈是如此,吾人就愈有需要努力尽量使名词达意,趋近精确;否则,更不知所云了!前述还是在西方语境下的考量;我们日常是用中文思考,又应如何考量呢?约30年前在台湾有人认为中文不适合表达科学概念,还曾引起辩论[4];但观乎中国大陆60年来主要是用中文发展科学与技术,已经证明可行,这个年代已经过去了!因此,量子物理虽然远离吾人经验,我们还是应尝试用中文表达其精义.就此而言,马上庚提倡“科学中文化”,将 bosons译为“合群粒子”、fermions译为“不合群粒子”两类,堪称范例[5].

“科学中文化”有3层意义:(1)翻译出恰当的中文名词;(2)改正错误的洋文名词;(3)创造优良的中文名词.笔者认为:有些不恰当或不正确的旧名词即使因大家习用已久已难更改,不得已必须沿用,教师也应在课堂上讲清楚其真正的涵义与更恰当或更正确的用法,以期学生正确认识.笔者讲授量子物理三十多年,对量子物理的中文化有一些心得与体会.现借此文略加整理,就教于物理学界.

首先,“量子物理”这一名词本身就值得商榷.

不知始于何时,凡西文字尾是-om,-on的名词都被译为“X子”,quantum就也比照被译为“量子”.其实atom本系指物质的基本单元,electron指电荷的基本单元,photon指辐射能量(及动量)的基本单元,phonon指晶格振动能量(及动量)的基本单元,magneton指磁偶极矩的基本单元.

atom与electron这些东西皆有质量,称“子”尚可;proton、neutron、meson等等物皆是某一种东西的单元,有特定质量,比照称“子”亦可.但photon是定不下来的东西,位置概念不适用,称“光子”会使人误解为像一颗颗的东西,极为不当,笔者译为“光元”.同理,phonon译为“振元”.magneton则根本不是“东西”,笔者译为“磁矩元”[6].也许有人认为译成“子”,诠释为“单元”即可;但要知道,人对“子”的颗粒刻板印象很难消除,须一开始就讲得十分明白才行.

quantum的原意指(有些)物理量的基本单元[7],宜译为“量元”,不要叫“量子”,以免会错意.准此,quantum of action应译“作用量量元”,普朗克常数应称量元常数,quantum physics应作“量元物理”.“quantum mechanics”一词更有大问题——其中以“机运”挂帅,明显不是命定的(mechanistic)mechanics!又,根本不谈“力”,何能称“力学”?有人清楚认识这一问题,乃将quantum与 mechanics两字取头接尾新造quantics一词,并以做书名[8],颇有可取;中文作“量元学”即可.

此外,有各种各样的“量元”,如“电阙”(hole)、“激元”(exciton)、“磁振元”(magnon)、“电离体元”(plasmon)、“旋元”(roton)、“极化元”(polaron)、“起伏元”(fluctuon)等,都需要从新检讨译名.

量元物理通常都从黑体辐射开始讲.“黑体”指的却明明不是“体”,是“面”.何来“黑体”?只有“黑面”!称“黑面辐射”就对了.又,“黑面辐射”指的是黑面在温平衡时的辐射,当称为“温辐射”.区分温度与热两种概念,是热学史上最重要的发展;所以应该温是温,热是热,不容混淆.笔者发现:将thermal或thermo-一律译作温,heat译作热,通常都恰当.古书里是有 heat radiation(德文Wärmestrahlung)这一名词的,现已不合时宜.

量元物理是牵涉量元常数 h的物理.能量是量元物理里最重要物理量;能量是 Hamiltonian operator的本征值,这怎么翻译好?

首先讲operator:物理界沿用算学界所译的“算符”,笔者以为不能达意.算学本是研究算的学问,有各种运算符号,“算符”的名称太普通了,不足表现其特质.笔者建议译为“算机”,取其像机器的特性——有输入,有输出.量元物理里的算机是在希伯特宇(态宇)里操作,有“位置算机”(position operator)、“动量算机”(momentum operator)、“能量算机”(Hamiltonian operator)等等.

输入算机的,是代表系统状态的“态矢”(state vector),态矢的诸分量是“态幅”(可以用位置表象、动量表象、能量表象或其他表象来表示).过去薛定谔讹称作wave function(波函数)的,玻恩诠释为“或然率幅”或“运幅”(probability amplitude),费曼则称为“态幅”(state amplitude).笔者主张:现今应一律依费曼称“态幅”.

量元物理理论与测量的关系如下:物理系统对应于一“态宇”;测量仪器(所设计测量的物理量)对应于一自伴的(hermitian)“算机”(其本征轴互相正交);测量的作为对应于“态矢”往算机的某一本征轴的“投影”(projection);测量得某本征值的或然率则对应于该投影值(亦即态幅)的绝对值平方.微小世界里,测量造成干扰的奥秘就在于此“投影”,也就是“wave packet reduction”的缘由 ,这一过程可描述为“遇断”(contingent non-causality).

任意态矢可表为不同位置本征态的线性组合——是为“兼处态”;因而一质粒可“兼处”多地[9];同理,也可“兼摄”不同动量,“兼摄”多种能量.这里用“处”,有“潜在”意味(海森堡的用语是“potentia”——“势在”)[10].“越地性”(non-locality)或“不可分隔性”(non-separability)不过是量元物理里“兼处”现象的特例.于是,孪生系统的越地纠葛(entanglement)就不足为奇了.

A与B两本征轴架构不一,则对A的投影继之以对B的投影不等于对B的投影继之以对A的投影.由于位置算符与动量算符不相对易,可推论位置与动量不能同时测准,于是有“不两确原理”.海森堡称之为“Unbestimmtheit Prinzip”,英译“Indeterminacy Principle,”“Uncertainty Principle”或“Unknowability Principle”;一般译为“测不准原理”或“不确知原理”均易引人误解.

量元物理的描述有所谓Schrödinger picture,Heisenberg picture与interaction picture之别.Schrödinger picture可称为“态演绘景”或“运演绘景”——算机不改而态矢随时间演变;Heisenberg picture可称为“机演绘景”——态不改而算机随时间演变;薛定谔与狄拉克于1926年证明两种绘景殊途而同归,狄拉克更提出interaction picture,可译为“涉演绘景”.量元物理在“运演绘景”描述下的诡异在于:一方面有平常“命定的”(deterministic)演变,另一方面又有“测量”时“偶遇的”(probabilistic)突变.至于费曼后来发展出的“pathintegral approach”,可称“诸径俱摄绘景”,又是另一种门道,另一层次的诡异.

施特恩与格拉赫于1921年发现银原子束在不均匀磁场中分为两道.泡利为解释原子光谱的多重态,于1924年提出电子的“两值性”(two-valuedness).后来古兹米特与乌仑贝克提议电子有spin(一般直译为“自旋”),即刻被埃伦费斯特与泡利指出:不可能!因为若从电子的磁偶极矩估计,自转的速度会违背相对论.泡利是对的,因为后来狄拉克1928年发现,电子的这一性质来自相对论与量元物理的结合,与自转根本无关.笔者因此主张不可以讹译讹——不能说电子有自旋.那要如何说呢?说电子有“两仪性”[11]——它在外加磁场中表现“上仪”或“下仪”.为描述这一性质,我们定电子的“仪数”为1/2.

这一说法可以推广:质子与中子的仪数也是1/2,光元的仪数是1,介子的仪数是0,等等.泡利复于1940年从量元场论(quantum field theory)证明:仪数为整数的粒子都是合群粒子,仪数为半整数的粒子都是不合群粒子.一群相同质粒(identical particles)在温平衡下的分布依其合群或不合群的群性(statistics)而不同.1933年,海森堡更提议质子与中子是同一种粒子的不同状态,另有“同种仪”(isospin)的性质,它们的“同种仪数”为1/2.

最后做一总结.物理本难懂,量元物理更难懂,使用名词要特别讲究,才不致误人子弟.名不正则教不顺,教不顺则学难成.

编者注本文作者刘源俊在台湾担任物理教授39年,曾任东吴大学校长.本文为2010年7月31日在“2010年两岸三地高等学校物理教育学术研讨会”(北京)上作者所做的大会邀请报告全文.

注

[1] A.Lavoisier.Elements of Chemistry.1789

[2] W.Heisenberg.Physics and Philosophy—The Evolution in Modern Physics.1958

[3] 该书德文版书名为 Der Teil unddas Ganze—Gespräche im Umkreis der Atomphysik 出版于 1969年,书名主标题意思是“部分与整体”,此处译“分与成”,系采自《庄子 ·齐物论》“其分也,成也.”一语.该书英译版书名改为 Physics and Beyond—Encounters and Conversations(《物理里外——际遇与交谈回忆录》),出版于1971年.

[4] 胡秋原.科学甲乙丙.中华杂志,1976年,3月号

[5] 马上庚出版《统计力学》时在1982年.参见刘源俊:〈物理教育从名词谈起〉,《物理》双月刊,2005年8月,台北·台湾物理学会.转载于《物理》月刊,2010年5月,北京·中国物理学会.

[6] 关于此,陆谷孙的《英汉大辞典》在“-on”词条下出错.

[7] Ox f ord Dictionary定义quantum为“a minimum amount of a physical quantity which can exist and by multiplets of which changes in the quantity occur.”.Planck 最早用于“elementarquantum der Electrität”,是 Einstein开始用“energiequantum”的(1905).

[8] Quantics—Rudiments of Quantum Physics,by J-M Lévy-Leblond&F.Balibar,North-Holland 1990

[10] “处”有隐藏之意,与“出”是对立的;例如“处士”即“隐士”.又,“摄”有“吸引”、“兼有”之意.关于Heisenberg用“potentia”一词,见注 2所引 Physics and Philosophy.

[11] 取自《易经》:太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦.

2011-04-19)