论当代科学前沿背景下实验方法的转向

赵 煦

(金陵科技学院 思政部，南京 211169)

“哲学的发展跟不上科学,特别是物理学现代发展的步伐。”[1]3霍金(Stephen Hawking)一语道出了当下科学的迅猛发展给哲学带来的挑战。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006—2020年)将“微观和宇观尺度以及高能、高密、超高压、超强磁场等极端状态下的物质结构与物理规律,探索统一所有物理规律的理论,粒子物理学前沿基本问题,暗物质和暗能量的本质,宇宙的起源和演化,黑洞及各种天体和结构的形成及演化,太阳活动对地球环境和灾害的影响及其预报等”[2]作为当前我国首要的科学前沿问题确立下来。但当今世界科学活动的主要手段却是自近代以来就一直被科学家们广泛认可的常规手段——物质实验[注]物质实验(physical expriments)不仅仅是指物理学科中的实验,而是指相对于思想实验(thought expriments)而言的物质世界的实验。,其在上述问题的研究中越来越显得难当重任。科学实验方法的创新势在必行。

以不确定性原理的产生为界,在此前漫长的科学史中,物质实验在推动科学发展过程中发挥了决定性作用。此后,由于物质实验操作上的局限性导致它的应用范围有所缩小,而思想实验的作用逐渐显现。

一、现代科学的进展

1900年,为解决紫外灾难,普朗克(Max Planck)做了一个大胆假设,即能量不是无限可分的,它以量子方式存在,能量的辐射和吸收都是以一个很小的特定的量进行的。普朗克这一假设开创了物理学一个全新的研究领域——量子力学。之后不久,玻尔(Niels Bohr)提出了原子的量子模型。1923年,德布罗意(Louis Victor de Broglie)提出了波粒二象性理论。根据这个理论,不仅光和电磁波具有这种性质,粒子也是如此。这一发现,推动量子力学迅速走向成熟,同时量子力学变得越发难以理解。这也促使更多的人加入到这一研究队伍中。

在量子力学中,拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)的确定的世界不再存在。玻尔等人对于粒子现象的研究,始终无法为粒子的运行找到一个唯一的轨道。概率似乎为粒子的研究提供了一条可能的研究路径,即粒子在运动中不存在一条固定轨道,而是有多种可能的运动轨道,这些轨道遵循一定的概率而存在。但在某一次运动中,粒子沿哪条轨道运行是无法得知的。更让确定论者沮丧的是,根据海森堡(Werner Heisenberg)提出的不确定性原理,即不管在何种条件下,人们都无法同时确切地获得粒子的位置和其动量的数值。至此,量子力学变得更加扑朔迷离。20世纪，世界上许多著名科学家都被卷入这一研究之中。薛定谔(Erwin Schrodinger)、爱因斯坦(Albert Einstein)和玻尔等人围绕量子力学领域中的不确定性原理展开了一场持久论战。论战的工具便是思想实验。

不确定性理论将导致一个充满随机性和概率的世界。对此,许多科学家都无法接受,爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等就是代表。爱因斯坦对此提出疑问:“难道真有物理学家相信,我们将永远不能洞察这些单个的系统的结构及其因果关联中的重要变化,而不管由于威尔逊云雾室和盖革计数器等这些不可思议的发明,已把这些单个事件展现在我们面前这一事实吗?”[3]然而,爱因斯坦这个伟大的科学家,几经论战之后,他在不得不惊叹量子力学精妙的同时,也被这一问题困扰了几十年。尽管如此，他还是宣告，“这与我的科学本能相矛盾,我决不能放弃对完备的概念的寻求”[3]。从哲学上讲,在爱因斯坦等人的心灵深处,是无法接受一个随机的世界这一事实的。

但事实上,量子力学为粒子世界的各种现象提供了一个令人满意的解释。纵然不确定性原理遭到了许多人甚至是爱因斯坦这样伟大人物的质疑,但它在原子以下的层面上却能与各种现象相吻合,关键是它能够与实验相符合。因此,量子力学理论不久就站稳了脚跟,并且很快就被应用到科学发明中。随后,介子、反粒子、虚粒子、夸克、中微子等一系列粒子的发现,夸克的分类,以及这些粒子之间相互作用的研究,使得量子力学的研究领域不断拓展。而在现实生活中,虽然牛顿的经典物理学遭遇了爱因斯坦广义相对论的颠覆,可它还是一直发挥着它应有的作用。因为量子力学在微观领域的研究成果不能够被有效运用到日常生活中,就像牛顿的经典力学原理到了粒子世界中就会失效一样。爱因斯坦的广义相对论预言时空弯曲等理论,虽然已得到科学实验的证明,但这些宏观世界中的真理在日常生活中同样也难以被人们察觉。因此,近代以来，牛顿经典力学传统在现实世界中仍然有效,且一直占据人们大部分生活领域。以上事实说明:牛顿经典力学理论早已被证明是存在缺陷的理论,至少是不精确的理论。无论是对于微观世界,还是对于宏观世界,都是如此。由于存在缺陷的理论本身也包含着许多合理内容,如牛顿的经典力学,所以对待这些存在缺陷的理论,我们可以存疑,同时还可以使用。即使是存在问题的理论,在还未能找到更为合适的替代理论之前,人们是不会放弃它的。

爱因斯坦的广义相对论在宏观世界中取得巨大成功之后,他就开始着手构建一种大统一理论。但广义相对论除了在日常生活领域中难以为人们察觉以外,在微观层面同样也不能适用。直至今天，科学研究表明,广义相对论与量子力学理论无法调和到一个统一的理论之中,“这两个理论不是相互协调的——它们不可能都对”[4]。但爱因斯坦的相对论研究导致物理学发生了巨大变化,对牛顿经典力学的冲击使得许多常识性知识都发生了改变,这种冲击直至人们思想观念深处。不过,他的大统一理论一直没有取得什么进展。直到目前,人们对于世界的解释仍然是基于三个部分理论之上，即牛顿力学、量子力学和广义相对论。上世纪70年代以后,以霍金为代表的科学家们开始致力于对量子引力论的探索,欲以此来结合量子力学和广义相对论,并取而代之。不过,这种努力并未取得最终成功,因为大统一理论无法将引力统一进去。

但在1949年,哥德尔的研究却得出了一个惊人的结论:广义相对论允许新的时空存在,人们可以旅行到过去。这在宇宙弦时空中可以实现。后来,霍金将其发展为弦理论。弦理论虽然到目前为止还没有什么实际应用价值,但它在数学上已被证明为自洽的。弦理论与“纠缠”的研究一起冲击着人们长久以来的时空观。

二、思想实验在当代科学中的运用

在量子力学研究中,微观层面的粒子现象与量子效应使得传统的物质实验不再适用。虽然物质实验一直都在实验室中进行,但它们大多是通过对一些现象进行观测之后作出的解释或推测,所以它们往往是作为科学理论产生的验证手段存在的。而理论产生过程中的论证环节大多是通过思想实验来推进的。

海森堡的测不准原理一经发表,玻尔和狄拉克等人就立刻意识到这一理论的重要价值,因为它与一直困扰着人们的粒子现象相符合。但是，许多科学家对这一理论始终持反对意见。他们要么是受到牛顿经典物理学的影响,一个确定无疑的世界已在他们心中根深蒂固;要么是怀着一种对统一的世界理论的追求。他们认为这只是海森堡的问题。前者认为,“海森堡的主张是对他们实验技巧的挑战。他们认为海森堡是在说他们的实验精度不够高,以至于不能同时精确地测定位置和动量”[5]。事实上,这并不是海森堡所要表达的意思。而后者则致力于寻找不确定性理论本身存在的问题,以追求一个统一的世界理论。

围绕着不确定性原理,爱因斯坦和玻尔之间进行了长达30年的论战。论战主要围绕思想实验展开。其中，影响最为深远的莫过于前文提及的“EPR佯谬”。

1935年,爱因斯坦、波多尔斯基(B Podolsky)和罗森(N Rosen)三人共同发表了一篇名为《量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文。在文章中,他们设计了一个思想实验来论证量子力学的不完备性,人们称之为“EPR佯谬”。在论证中,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森先假定存在两个粒子:粒子A和粒子B，A、B同属于一个系统之中,且发生过相互作用,随后便一直处于一种分离状态。当然,不管它们之间的距离有多远,A和B都有一个确定的空间位置,且都有一个确定的动量。虽然这两者在量子力学的哥本哈根解释中不能被同时得知。然而,EPR论证指出,由于之前A和B处于同一系统,且二者之间发生过相互作用,那么只需测量出A的动量,便可推算出B所有的动量。随后也可以精确得出A的位置,并由此推算出B的精确位置，并且对A的动量和位置的测量,可能会对A产生影响,导致误差产生,但这一测量对B毫无影响。由此,爱因斯坦等人得出结论,粒子B的动量和位置必定可精确得知。而根据量子力学的解释,人们只能精确得知其中之一,因而量子力学对粒子状态的解释是不完备的。

不久,玻尔对此作出回应。他指出,爱因斯坦的论证依然是从现实世界的物理原理和因果关系出发对量子现象加以推导的,由此得出自相矛盾的结论是显而易见的。因为他们忽视了量子力学的本质特征,现实世界与粒子世界是不能等同的。对粒子世界的观测,到目前仍然依赖于用另外一些粒子轰击原子,由此来观测其中更微小的粒子的运动现象。由于粒子本身微小,轰击无法准确定位,因而无法得出精确的数据。

虽然爱因斯坦的思想实验没有达到他们想要的目的,但它却启发人们在其他领域开展更多的研究。在“EPR佯谬”中,粒子A和粒子B之间的关系在量子力学中称为“纠缠”,即两个或多个粒子由于相互作用而紧密关联,甚至它们之间的距离可能相隔很远。这在爱因斯坦看来是相当荒谬的,因为A和B分开后已经不存在相互作用的关系。一旦这一关系存在,那么通过A来测量B就是可能的，尽管起初爱因斯坦预设这种状况不存在。但在量子力学中,对一个粒子A的测量,决定了粒子B的状态,这种“纠缠”现象现在已为实验所证明。这就是思想实验的力量,即使它以失败告终。

三、科学前沿中实验方法的转向

近代以后,科学取得了令人瞩目的成就,科学的威力得以充分显现。这在很大程度上应该归功于实验方法的有效运用,“实验方法是近代科学从自然哲学母体中独立出来的催化剂, 同时也是推动近代科学迅猛发展的一个最基本、最重要和最普遍的方法”[6]。然而实验方法的广泛运用也带来一个负面影响：此后机械决定论思想开始在人们心中生根发芽,并在自然科学领域四处蔓延。有事实表明,直到牛顿(Isaac Newton)时代,实验作为一种好的方法,它在科学的各个领域中的运用仍然是比较谨慎的。牛顿坚持“不制造假说,意思是指形而上学的,不能证明的假说,或是根据权威而形成的理论,而且他从来不发表不能用观测或实验证明的学说”[7]。随后,牛顿经典力学理论在科学各主要领域中都取得了巨大成功。牛顿理论体系所具有的对自然界各种现象的精确解释和预测能力是惊人的,且其科学成果大多如牛顿所坚持的那样能够被人们实际观察,最起码也可通过一些客观现象加以验证。此时,在科学活动的诸要素中,实验所扮演的是除客观自然条件之外的必备条件的角色。这种情况令拉普拉斯在拿破仑问及为何不见他的宇宙理论著作中有上帝存在的时候,他才能够有足够的信心和勇气回答:用不着那样的假设。

这种状况一直持续到20世纪才发生了根本变化。其缘由是爱因斯坦相对论的发现和量子力学研究的进展。1905年,爱因斯坦狭义相对论的诞生使人们有关世界的观念发生了根本性改变。此前,牛顿经典物理体系一直坚信:存在一个绝对时间和绝对空间,宇宙万物都在此框架内运行。爱因斯坦大胆提出假设,向牛顿的绝对时空观提出挑战。相对论于1917年的一场日食观测之后为全世界所接受。它改变了人们思想深处许多常识性的甚至是观念性的有关世界本来面目的知识。耐人寻味的是,爱因斯坦很少做物质实验,似乎他的伟大成就大多是在思想中产生的。他一生给人们留下了许多经典实验,诸如追光实验、爱因斯坦电梯、爱因斯坦火车等。这些都是思想实验,而非可实际操作的物质实验。后来他与玻尔在量子力学领域的长期争论中所做的“光子盒实验”和“EPR佯谬”也属此类。这些思想实验成就了爱因斯坦的相对论,当然它们应当归功于爱因斯坦天才的头脑。这表明，在此后的科学发展中,思想实验越来越多地出现在历史的舞台上。

这种情况在量子力学领域中的表现更为明显。在拉普拉斯眼中,人们只要知道一个物体的位置和初始速度,就可计算出这个物体的未来状态,整个宇宙都是如此。然而量子力学的研究却发现,这是一个充满概率的世界。因此,在不确定性原理之后,概率、随机性和偶然性等便理所当然地进入科学领域,甚至没有它们,科学就是不完善的。牛顿时代那种必须能用观测或实验证明理论的方法遭遇了不确定性难题。这就必然导致在现代科学发展中物质实验逐步退位,而思想实验越来越多地发挥作用。

当代科学研究的主要方向——量子力学，它对基本粒子古怪行为的描绘、宇宙大尺度现象的研究、宇宙大爆炸之前的物质现象的思考以及生命起源和世界起源的追问等,都为思想实验提供了广阔舞台。霍金在其《大设计》中,通过金鱼缸思想实验描绘了一个多视角下不同的世界:金鱼的实在图像与人类世界的不同,但金鱼仍然可以表述它们所观察到的在鱼缸外面的物体运动的科学定律。例如,由于变形,我们观察到的在一条直线上运动的一个自由物体会被金鱼观察为沿一条曲线运动的物体。尽管如此,金鱼还是可以从它们变形的参考系中表述科学定律,这些定律总是成立,而且它们能预言鱼缸外的物体的未来运动[1]31。

在相对论诞生以后,人们对世界的认识发生了观念性转变,一个相对的概率的不确定的世界图景出现在了人们面前。在这个以概率方式存在的震荡着的世界中,一向以确定性为追寻目标的物质实验遭遇了巨大困难。不过,与此同时,现代科学的进展还展示了它的另一种倾向,即“相对论、量子力学、现代宇宙论和广义进化论为代表的现代科学……在本体论上导致了科学与哲学的融通”[8]。思想实验具备了“科学与哲学的融通”的典型特征。

而在当代科学前沿,“物象及其表象的数学化、几何化处理使得自然科学知识成为确定的知识”[9]104。正因为如此,思想实验本身的特性决定它可以得到广泛运用。在科学理论的发展过程中,思想实验能够同时解决概念问题、经验问题以及背景问题,其协调力大大增强,更由于其条件的理想化特征而有着愈来愈大的应用价值。相对于物质实验来说,思想实验是一种更为优越的科学研究手段。当然,这并不意味着现代科学研究将要放弃传统物质实验方法。近代科学中的实验以物质实验为主,思想实验为辅。在当代科学中,由于实验所必须的各种条件要么昂贵，要么根本不具备,所以思想实验越来越无法替代,物质实验仅仅成为验证步骤。相对论、量子力学、宇宙学研究都是如此。思想实验和物质实验在科学舞台上,二者的主次关系发生了变化。

四、结语

思想实验在量子力学中发挥了显著作用,同时也引发了人们更多思考,比如爱因斯坦与玻尔争论的影响一直延续着。另外,目前人们对世界的总体认识是由三个部分理论构成,这使我们认识到:经典理论是前人对世界认知的累积,其中包含着真理的成分;而当代科学理论是人类探索世界的最新成果,代表着人类的最高认识水平,二者谁也不能简单地推翻对方。从爱因斯坦开始,费曼(RichardFeynman)、霍金(Stephen Hawking)、彭罗斯(Roger Penrose)及盖尔曼(Murray Gell-Mann)等人一直致力于把各种理论结合起来,建立起一种能够解释世界各种现象的大统一理论,以实现科学的终极目标。不过,到目前为止,这种努力没有取得什么实质性成果。“自然就像一只‘黑箱’,要知道里面的装置及其作用方式,只能通过试探的方法,点点滴滴地了解,使‘黑箱’逐步变成‘灰箱’,但似乎永远也不能把它变成‘白箱’。”[9]111这存在两种可能的原因。其一，目前的某个部分理论本身有误,或者仍不完善，可能是经典物理理论,或者是广义相对论存在缺陷。这影响了大统一理论建立的进程。当然,也可能是量子力学理论还很年轻,不太成熟,蕴含于其中的某种规律还没被发现。建立大统一理论,必须要对其中至少一种理论进行修正,修正后各理论才可相容。其二，人类所生存的世界本身就是丰富多彩的。每当人类有巨大进步或发展的时候,也是各种思想和思潮相互碰撞、相互激荡的时候。爱因斯坦、霍金等人对大统一理论的追求,是否仍在延续近代科学那种机械的大科学主义思想,追求用一种理论或一个统一的模式去看待世界、解释世界、建构世界的理想。这实质上仍然是拉普拉斯决定论思想的延续。量子力学中不确定性原理的存在已经告诉我们,机械的统一是不存在的。但科学家们仍不愿放弃对一个稳定世界的追求,仍不愿还世界一个丰富多彩的本来面目。对于不能相互融合的两个或多个理论,人们应该求同存异,让它们在各自应有的位置沿不同的方向发展,为人类的科学事业共同出力。

参考文献:

[1] 史蒂芬·霍金,列纳德·蒙洛迪诺.大设计[M].长沙：湖南科学技术出版社,2011.

[2] 中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)[EB/OL].(2006-02-09)[2012-09-20]http://www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content-183787.htm.

[3] 阿尔伯特·爱因斯坦.爱因斯坦晚年文集[M].北京:北京大学出版社,2008:74.

[4] 史蒂芬·霍金.时间简史[M].长沙:湖南科学技术出版社,2009:18.

[5] 约翰·格里宾.寻找薛定谔的猫[M].海口:海南出版社,2009:117.

[6] 钱明,钱兆华.实验方法在近代科学诞生及发展中的作用[J].江苏大学学报(社会科学版),2007(5):15-19.

[7] W·C·丹皮尔.科学史[M].桂林:广西师范大学出版社,2005:170.

[8] 李海峰.从科学与哲学的内在关系论我国过度文理分科的弊端——仅从科学技术哲学的发展困境谈起[J].高教研究与实践,2011(9):13-17.

[9] 邓周平.科学技术哲学新论[M].北京:商务印书馆,2010.