互补原理视域下的不可通约性——兼谈科学革命中的连续性

马醒初,李曙华

(南京大学哲学系,江苏南京 210093)

互补原理视域下的不可通约性
——兼谈科学革命中的连续性

马醒初,李曙华

(南京大学哲学系,江苏南京 210093)

库恩提出的“不可通约性”概念在一定程度上否定了科学革命前后的理论存在连续性。从近代光学发展过程可以看到科学革命中存在连续性,玻尔提出的互补原理也为理解科学革命提供了新的理论视角。若从互补原理的视角看待不可通约性,可以得到“不可通约性”是有其所适用的条件和基础的,对“不可通约性”也需要做出限制和改进,以使其适用于新的科学和哲学情境。

不可通约性;近代光学革命;互补原理;连续性

库恩的《科学革命的结构》一书,在学界有很大的影响,书中提出的“不可通约性”的观点更是引起了广泛的争议和讨论,由于库恩在书中提出在革命前后的两种理论、范式间存在不可通约性,有人则批评库恩否定了革命前后的科学理论所存在的连续性。那么,科学革命前后,相继理论之间是否存在连续性?对于“不可通约性”的论断,在哥本哈根学派“互补原理”视域的审视下,也可以得到一些富有启发性的结论。

一、库恩的“不可通约性”

库恩提出“不可通约性”与科学革命本身有着密切联系,“不可通约”针对的也是革命前后相继的范式。库恩首先提出了传统的积累式的科学发展的观点:“原则上,一种新现象的突现并不一定会与以往的科学研究相冲突;或者,新理论可能仅是比现有理论更高层次的理论,它能把一批较低层次的理论组合在一起,而无须对其中一理论做实质性改变。”[1](P88)他继而指出:“很难想象如果对自然界的信念没有破坏性的转变,新理论怎么能崛起并为大家接受。虽然逻辑上的蕴涵关系作为新旧理论间的关系是一种可允许的观点,但从历史上看这种观点是不可能的。”[1](P90)这里要注意的是,库恩提到在科学革命的过程中,存在着“对自然界的信念的破坏性转变”,而这样的转变造成的结果就是从历史上看传统的“新理论可以蕴含旧理论”的观点成为不可能。

库恩随后提出了“不可通约性”的观点,其要旨可概括如下:1)“相继范式对宇宙构成要素及其行为有不同的看法,例如对关于亚原子粒子的存在、光的物质构成、热或能量的守恒性等问题的意见不同。这些都属于实质性的差异”;[1](P94)①2)由于“科学革命是科学家据以观察世界的概念网络的变更”,[1](P94)每一理论下的概念都只能在该理论之下才能被准确地理解,所以“必须改变已经确立,且为大家所熟悉的概念的含义”;[1](P94)3)新旧理论之间不可能存在逻辑上的蕴涵关系,如牛顿力学不能被看成是相对论的一个特例或极限情形。4)“在革命之后,科学家们所面对的是一个不同的世界”。[1](P101)。

在库恩后期对“不可通约性”的研究中,将探讨的方向逐渐转向了语言哲学和术语分类学(taxonomy),[2]并将“不可通约性”和“不可翻译性”等同起来,宣称两个理论、范式的不可通约,就是宣称不存在一个能够把视为句子集合的两种理论毫无剩余或毫无损失地翻译的中性语言,“不可通约性”即意味着没有公共词典——无法找到一个术语的集合,能够准确的陈述这两个理论的所有成分,其根源在于这两个理论中,概念、范畴的分类是不同的。如库恩在《〈结构〉之后的路》中所言:“不可通约性因此而变成一种不可翻译性,集中出现在两种不同的语词系统的分类存在差异的地方。产生这种不可翻译性的差异不是任何旧的差异,而是一种既违背了无交叠条件,类标志条件,又违背了我们不能细述的等级关系的限制的差异。”[2]

库恩后期在《对批评的答复》一文中指出:“在从一种理论到下一理论的转换的过程中,单词以难以捉摸的方式改变了自己的含义或应用条件,虽然革命前后所使用的大多数符号仍在沿用,例如力、质量、元素、化合物、细胞,但其中有些符号依附于自然界的方式已有了变化,此时,无法找到一种中性的或理想的语言,使得两种理论至少是经验结果,能够不走样的翻译成这种语言,因而我们说相继理论是不可通约的。”[3]

二、“不可通约性”观点下科学理论的连续性

有人(如庞迪、夏佩尔等)曾指责库恩否认了科学发展的连续性,继承性。在这里需要澄清的是,本文所论述的科学中“连续性,继承性”,并不仅仅是拉瑞·劳丹在《进步及其问题》里所谈及的“经验层面的连续性”,而是在描述世界现象层面的前后相继的科学理论之间的连续性。倘以数学的观点去看待科学革命,可将“科学革命”视作一个理论集合到另一个理论集合的映射,那么这里所谈及的具有“连续性”的部分就可以看作是这个映射下的“不变子集”,在映射的变换下,这个部分是保持不变的——这样的不变性,至少是保持“同构”的。②

在《科学革命的结构》一书中,库恩所提出的“不可通约性”对科学发展具有连续性、积累性的传统观点产生了很大的冲击。“如佐野正博所指出的:库恩在《结构》一书中把‘不可通约性’分成三种类型,第一是关于科学的基准和定义的不可通约性,相异的范式的科学性基准有各种各样的差异,范式之间的争论在理论上就成为难以契合的东西,随着科学性基准的变化,作为研究活动的科学的不连续性也就产生了”。[3]

“库恩在《结构》中强调,意义的改变,乃是理论改变的中心因素,也是这些改变过程的革命品格之来源”,[4]“语言中的革命变化在于:不仅改变术语用以附着自然的规则,而且也大规模改变术语所附着的客体或情境的集合”。[4]在“不可通约性”的观点下,革命造成的改变是整体性的,科学概念依附于自然的方式发生了变化,术语的指称对象与情境也发生了变化,改变的不仅仅是一些基本的理论假设,而且是整体概念框架,理论的概念网络,甚至在范式的变革前后,科学家所看到的世界都是不同的。因而,我们只能以一种依赖于“范式”的“意义整体论”③的观点去审视变革前后的相继理论、范式中的概念、定律等等。

在库恩后期,他将“不可通约”与奎因的“不可翻译”加以等同,并认为不可通约的两个理论在概念、范畴上的分类具有根本的不同,革命前后的相继理论之间没有公共词典,也不存在能够将两个理论同时完整、清晰表述的中立语言。

不论是库恩的前期还是后期,对“不可通约性”的诠释都依赖于一种“意义整体论”,概念必须要放在一个概念网络中才能得到准确的理解。因而,相继的科学理论之中的同名的概念,必然会有涵义和适用的理论情境的变化——由于这样的一种整体性观点,革命前后相继理论之间的连续性就被切断了,革命前的理论与革命后的理论之间也不可能存在蕴含关系。

库恩也试图调和不可通约性与科学连续性之间的矛盾。如他在《可公度性、可比较性、可交流性》一文中指出:“两个理论中的多数共同术语在两者中的作用还是相同的;它们的意义,不管是什么,被保持下来,它们的翻译是简单同义的。可译性问题只是存在于一小部分术语(通常是不确定的)以及包含它们的那些语句中。关于两个理论不可公度的断言其实要比它的许多批评者所认为的要有节制的多。”[5]

可以看到,库恩之后的观点已有所退让,如果仅从《结构》一书中引入的不可通约性及其意义整体论的观点来看,对库恩的“不可通约性”否定了科学革命中存在连续性的批评是必要的。

三、近代光学革命所体现的连续性

在光量子理论被提出之前,在光学中占统治地位的学说是光的电磁波理论,可见光作为一种电磁波,被纳入到麦克斯韦的经典电磁波理论之下,满足电磁波所具有的性质,且光的干涉,衍射等物理现象都可以通过这样的波动理论得到很好的解释。

但是光电效应却成为了波动光学里的一个公认的,不可忽视的反常,无法与光的波动理论相容。在1902年,爱因斯坦在普朗克的量子假说的基础上,进一步提出了关于光的本性的光量子假说,爱因斯坦在1905年的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中认为:“用连续空间函数来运算的光的波动理论,在描述纯粹的光学现象时,已被证明是十分卓越的,似乎很难用任何别的理论来替换。可是,不应当忘记,光学观测都同时间平均值有关,而不是同瞬时值有关,而且尽管衍射,反射,折射,色散等等理论完全为实验所证实,但仍可以设想,当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时,这个理论会导致和经验相矛盾。确实现在在我看来,关于黑体辐射,光致发光,紫外光产生阴极射线,以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察,如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释,似乎就更好理解。按照这里所设想的假设,从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中,而是由个数有限的,局限在空间各点的能量子所组成,这些能量子能够运动,但不能再分割,而只能整个的被吸收或产生出来。”[6]

在上述引文中,爱因斯坦从能量的角度阐述了“光量子”的概念,并提出光在产生和转化过程中的能量具有“分立性”,而这一点和经典的麦克斯韦电磁波理论存在着矛盾,因为麦克斯韦的电磁波理论中,波的能量是在空间中连续分布的,但这并没有否认在物质层面光的电磁波理论的正确性,光量子理论只适用于解释光的能量层面的现象。

在此之后,物理学家又发现了康普顿效应,在光量子理论下该效应也可以很好的得到解释。但是,光量子理论却无法成功解释光的干涉、衍射等现象。如何解决光的波动性、粒子性的矛盾就成为了物理学界的一个重要问题。这个问题的本质在于,波动性的连续性和粒子性的分立性是难以统一的,于是玻尔提出:“确实,在原子现象的描述中,量子公设给我们提出了这样一个任务:要发展一种‘互补性’理论,该理论的无矛盾性只能通过权衡定义和观察的可能性来加以判断。”[7]

德布罗意在他的博士论文中又提出,实物粒子也具有波动性,该理论之后被戴维逊—革末实验和电子衍射实验所证实。即证实了不仅仅是光,实物粒子也是波动性和粒子性两者兼具的。于是,“波粒二象性”是物质世界普遍所具有的特点的观点就被进一步强化了。

爱因斯坦和德布罗意分别提出了光的波粒二象性理论和实物粒子的波粒二象性理论。[8]之后,以玻尔为首的哥本哈根学派又提出了与“波粒二象性”直接相关的“互补原理”,该理论认为:像光、电子所具有的波动性和粒子性,不会同时在一次观察中出现,在一次观察中出现的现象,能且只能用波动性和粒子性之一加以解释。从这个角度上看,“波”与“粒子”是互斥的。但是,它们又都不能完备的描述所有相关的物理现象,因此都是不可或缺的。“至于何时用何种理论,玻尔和海森堡等人持下述看法:一个电子是以‘粒子’状态出现还是以‘波’出现,则全视我们的观察度量而定,如果我们的观察,是量它的能及动量,则量得粒子的性质(如能与动量),如我们的观察是量它的波长,则量得波的性质”。[9]

从光量子理论产生的历史过程中可以看到,光量子理论是具有革命性的——该革命性在于,它符合库恩的“对自然界的信念的破坏性转变”的标准,并且导致了从光的经典电磁波理论到光的“波粒二象性”理论的范式转换,在量子物理学发展史上具有重要地位。但光的经典电磁波理论并没有被光量子理论所推翻,而是在互补原理之下与具体的观察情境结合,成为了光的“波粒二象性”理论中的重要组成部分。虽然对光的波动性究竟是电磁波的波动性还是几率波的波动性这一点在现代理论物理学界还存在争议,④但实际上,对光的干涉,衍射等实验现象的经典电磁波解释依然无法被代替,一些关于光的波动性的原理如“叠加原理”也依然成立,在通常的意义上说的光的“波粒二象性”依然是指光的物质层面电磁波的“波动性”和光量子理论能量观点下的“粒子性”。因此,在这次光学革命中,光的“波动理论”是得到很大程度的保留的,这里也印证了科学革命前后的理论中连续性的存在。

四、在互补原理之下对不可通约性的重新审视

玻尔在1927年9月的一次物理学会议上,发表了题为《量子公设和原子理论的晚近发展》的演讲。在这篇演讲中,玻尔阐述了对当时微观物理学中局势的看法,提出了“互补性”这一基本观点。该观点是:“在经典描述中,时空标示和因果描述的紧密结合是其主要特征,但是在对微观世界的描述中,时空标示和因果描述是永远不能像人们所相信的那样密切地结合起来而加以使用的,它们不能同时无比精确地成立,从而人们只能在二者之间做出选择。在这种意义上,它们是互斥的。但是玻尔又认为,对于完备的描述现象来说,这二者又是同等重要的,只有在不同的条件下分别运用它们,才能得出现象的完备描述,在这种意义上,它们又是互补的。”[10]

玻尔认为微观事物的波粒二象性是他的互补概念的一个绝妙的例证,按照他的分析,任何波都在空间和时间中有一个分布,从而是和空间——时间标示直接联系着的;任何的粒子都是点状的,它的动量和能量是它的重要特征,从而是和因果描述直接联系着的。波服从叠加原理,而粒子则服从动量—能量守恒原理,在这方面,它们是对立的,互斥的。当研究空间——时间中传播的问题时,人们应该利用波动图像;当研究相互作用之类的问题时,人们应该利用粒子图像。这又表明,两种图像不可偏废,在这种意义上,它们是同等重要的,互相补充的。[10]从这里可以看到,在这次光学革命中,由于互补原理的提出,光的波动性和粒子性间存在的矛盾得以弥合。波动性和粒子性都是光所具有的性质,只是在不同的观察情境下,光的表现不同。因此,波动性和粒子性都只是光的性质的一个侧面,它们虽不能被同时表现出来,但是二者的统一可以共同构成对光学现象的一个完整的图像,波动图像应用于光的物质层面和传播过程,粒子图像适用于光的能量层面及光的产生与转化过程,对于完整的描述光学现象来说,二者都是不可或缺的。倘若把光电效应看成是在光的波动理论范式之下的反常,那么,爱因斯坦提出的“光量子理论”则可以看成是为了解决这个反常所提出的新的理论,但是,它并没有能够推翻波动理论,而是和光的波动理论在一个更大的框架下结合成了一个统一体,统一于波粒二象性之中。因此,这次光学革命具有了与以往科学革命不同的特点。

倘以库恩所提到的知觉的格式塔转变作比方,即库恩指出的“革命之前科学家世界中的鸭子到革命后变成了兔子”,那么在这次光学革命中,科学家则认为,先前看到的鸭子和之后看到的兔子都只是这整个图像的一个侧面,都是不完备的,两者合起来,才能够构成对这幅画的完整描述,即一个“互斥互补的统一整体”,说“互斥”,是因为在一次观察之中,能且只能看到鸭子或兔子两者之一;而互补,则是说,我们所看到的鸭子和兔子两者合起来才能构成完整的描述,它们对描述这幅画都是不可或缺的。

那么,如果从互补原理的角度去看待“不可通约性”,则可以看到,“不可通约性”是有其适用的条件和基础的,这些条件和基础可以概括为:1)它是针对一次科学革命之中相继的科学范式而言;2)对革命前后的相继理论中的概念需要用“意义整体论”的观点对待;3)由于采取了“意义整体论”的观点,不同理论中的概念、定律都只有在这个理论的语境之中才能被理解,而革命前后的相继的理论都是不可再化简的语境,这就导致了概念的“意义不可通约性”;4)由于“不可通约性”是和“科学革命”紧密联系的,在库恩那里,革命由反常引起,反常对旧范式起了根本性的变革作用,即库恩的“对自然界的信念的破坏性转变”,而革命即是在这种根本性的变革之上对理论的重新建构——这是造成革命前后相继理论“不可通约”的原因;5)库恩暗示着这样的范式重建过程最终可以重新建立一个近乎完备的图景,从而新范式的建立,就是对旧范式的抛弃和代替。因此新范式不会存在对旧范式的逻辑上的蕴涵关系。

但是实际上,“互补原理”的出现,改变了“不可通约性”所依赖的上述条件和基础。其一,是整体论的观点随着互补原理的出现被弱化了,两个不同的理论图景可以在“互斥互补”的语境下得到统一,这种统一是和以往的理论统一性所不同的;其二,反常的作用是有限的,即使能够通过解决反常去做出理论重建,但是重建的理论依然可以和旧理论都分别作为描述现象的一个侧面,即反常对旧理论无法产生摧毁性的作用;其三,理论的重建有时是不可能做到“近乎完备”的,要得到一个完整的图景,必须对旧范式的一部分做完整的吸收,因此新范式对旧范式的某些部分的逻辑上的蕴涵关系是可能且必要的。这一点即保持了科学发展中的连续性。其四,一个科学概念所适用的情境是局部化的,如果该适用情境没有变,则这个概念的意义也是不变的,在互补原理的观点下,波动图像和粒子图像都适用于一定的观察情境,其中的理论概念只在具体的“观察情境”下才有意义。

可以说,互补原理的出现,为我们理解科学革命及其中的“不可通约性”带来了新的视角,科学革命中新理论不一定要完全抛弃或者替代旧理论,对“不可通约性”及其所依赖的“意义整体论”也需要加以改进,以使其适用新的科学和哲学情境。

[注释]

①可以注意到,“亚原子粒子的存在”代表的是科学理论中概念的指称的客观实在性,“光的物质构成”代表的是科学中的基本理论假设,“热或能量的守恒性”代表的是科学中的基本原理,这些在拉卡托斯那里,可以被称为是科学的“硬核”。

②在抽象代数学中,同构是保持结构的双射,我们可以对两个同构集合中的元素建立即单又满的一一对应关系。本文中用这个概念作为一个隐喻式的表述,即将其看作是一种结构上的不变性。但并不能够就此推论结构的实在性。

③这样的“意义整体论”坚持了科学术语的概念必须依附于一个概念网络才能得到理解和解释,而论其语言哲学上的根源,则在于一种“隐定义”理论,该理论类似于希尔伯特的《几何基础》中“点、线、面”等基本概念的定义方式,即是通过它们所在的整个公理系统得以定义的。

④光子和像电子那样的物质粒子都能够在双缝实验中形成类似的干涉条纹。在数学上,干涉条纹分布的计算既可以用经典波动干涉的方法,也能够完全从量子力学波函数的方法推导出。由于单个光子穿过双缝时也会发生干涉,这种干涉很容易让人理解为光子的波函数的几率波干涉;因为这种干涉完全无法用经典电磁理论解释,几率波的概念似乎更接近光子波动性的本质。不过一般教材在讨论光子的波动性时只使用经典电磁理论,而物质粒子的波动性只使用波动力学,这涉及到在物理学界光子的波函数本身仍然是一个有争议的概念。经典波动来自麦克斯韦方程组,而波函数来自薛定谔方程,但大多数物理学家都不认为这意味着对于光子而言麦克斯韦方程是薛定谔方程的简化形式,原因是通常意义下的薛定谔的几率波函数概念无法应用到光子上,光子的波函数无法拥有非相对论波动力学中薛定谔方程式的所有性质。光子没有质量,无法定域化一个光子,这造成光子没有一个定义完备的位置本征态|r＞,不确定性原理的一般形式ΔxΔp＞h/2对于光子而言没有定义。尽管现在有一些建立光子波函数的尝试,这些都没有得到广泛认可和应用,甚至一些物理学家认为光子的波函数根本不存在。

[1](美)T.库恩.科学革命的结构[A].北京:北京大学出版社,北京大学科技哲学丛书[C].2003.88—101.

[2](美)T.库恩.《结构》之后的路[J].科学哲学学会会刊,1990 (2):1—9.

[3]李醒民.论科学哲学中的“不可通约性”概念[J].辽宁教育学院学报,1993(1):33—40.

[4]金吾伦.整体论与科学革命[J].自然辩证法研究,1991,(5): 32—39.

[5](美)T.库恩.可公度性、可比较性、可交流性[J].世界哲学, 2004(3):3—16.

[6](美)A.爱因斯坦.关于光的产生和转化的一个启发性观点[A].爱因斯坦文集(第二卷)[C].北京:商务印书馆,1977.37—53.

[7](丹麦)N.玻尔.量子公设和原子理论的晚近发展[A].尼尔斯·玻尔哲学文选[C].北京:商务印书馆,1999.44—73.

[8]甘永超,朱江,程莉.Einstein与de Broglie的波粒二象性之本质区别[J].荆州师专学报(自然科学版),1999(2):42—44.

[9]吴大猷.理论物理·量子力学(甲部)[M].北京:科学出版社, 1983.154—155.

[10]戈革.尼尔斯·玻尔和他的互补原理[J].自然辨证法通讯. 1987(9):1—8.

[11]维基百科.光子[DB/OL]zh.wikipedia.org/wiki/光子.

[责任编辑 刘范弟]

Incommensurability in the Perspective of Complementary Principle——on continuity in scientific revolutions

MA Xing-chu,LI Shu-hua
(Department of Philosophy,Nanjing University,Nanjing,Jiang Su 210093,China)

The concept of"incommensurability"presented by Kuhn denied the continuity between theories before and after the scientific revolution to some extent.But from the development process of modern optics we can see the continuity does exist in scientific revolution,and the Complementary Principle initiated by Bohr also gives us a new theoretical perspective in understanding it.Viewing the incommensurability from the perspective of Complementary Principle,we can see the concept of"incommensurability"has its conditions and basics.Also restrictions and improvements should be made on"incommensurability"to let it accommodate with the new scenario of science and philosophy.

incommensurability;revolution of modern optics;complementary principle;continuity

N031

A

1672-934X(2013)02-0026-05

2012-11-18

马醒初,南京大学哲学系研究生,主要从事科学哲学研究;李曙华,南京大学哲学系教授,博士生导师,主要从事科学哲学研究。