原因與結果
——因果律是一種歷史遺物
英國數學(xué)家、哲學(xué)家羅說(shuō)素：“所有各派的一切哲學(xué)家都以為因果律是科學(xué)的基本公理之一，可是奇怪得很，在象天文學(xué)那樣高深的科學(xué)中，原因這個(gè)詞卻從來(lái)沒(méi)有出現過(guò)。我認為，因果律是一種歷史遺物，它所以能象君主政體那樣殘存著(zhù)，在哲學(xué)中間代代相傳，只是因為錯誤地以為它是無(wú)害的。”原因和結果是我們如此熟悉的兩個(gè)概念，羅素為什么會(huì )這樣來(lái)評論它呢？這兩個(gè)概念在人們探索自然現象時(shí)曾起過(guò)重要的作用。然而，隨著(zhù)統計方法在物理學(xué)越來(lái)越廣泛地應用，因果決定論的思想也日益成為妨礙科學(xué)發(fā)展的東西。
一、牛頓力學(xué)與決定論。
亞里士多德認為一個(gè)物體的運動(dòng)離不開(kāi)力的作用。一輛馬車(chē)要前進(jìn)就得有馬拉它，馬不拉它，它就不走。16世紀，意大利物理學(xué)家伽利略提出了慣性概念。他認為，力是改變運動(dòng)狀態(tài)的因素，而不是維持運動(dòng)的因素。他指出，一輛運動(dòng)著(zhù)的馬車(chē)，即使馬不再用力，馬車(chē)也不能立即停下來(lái)，而要繼續運動(dòng)一段距離。一旦有力作用于運動(dòng)的物體上，那么物體的運動(dòng)就不是勻速的，而是變速的。也就是說(shuō)，物體的運動(dòng)速度每時(shí)每刻都是不同的、變化的。這就產(chǎn)生了瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度的問(wèn)題。
為了描述瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度，牛頓創(chuàng )造了微積分，瞬時(shí)速度為距離對時(shí)間的一階導數，而瞬時(shí)加速度為距離對時(shí)間的二階導數。運動(dòng)物體的瞬時(shí)狀態(tài)被當作一個(gè)點(diǎn)，這時(shí)把物體看作質(zhì)點(diǎn)。這個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度，由位置的一階導數和二階導數確定。
當人們用微積分去研究力學(xué)問(wèn)題、物理學(xué)問(wèn)題就要用到微分方程。牛頓第二運動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律的數學(xué)表達式都是微分方程。微分方程描述的是一個(gè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。對動(dòng)力學(xué)方程的積分表示，從初始狀態(tài)開(kāi)始的逐漸延伸的相繼運動(dòng)狀態(tài)，也就是質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)軌跡的集合，也就是物體的運動(dòng)軌道。這條軌道包含了質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)的所有信息，完整地描述了這個(gè)動(dòng)力系統。
軌道的特征是決定性和可逆性。為了計算一條軌道，需要知道運動(dòng)物體的初始狀態(tài)和運動(dòng)規律。然后，就可以根據運動(dòng)規律，從任何一個(gè)初始狀態(tài)推演出系統隨時(shí)間的推移所經(jīng)歷的一系列狀態(tài)。也就是說(shuō)，只要知道了作用力，從任何一個(gè)初始狀態(tài)出發(fā)都可以確定系統的過(guò)去和未來(lái)的狀態(tài)，因此一切都是給定的。發(fā)生在前面的事件是原因，發(fā)生在后面的事件是結果。這樣就把自然界的一切運動(dòng)變化用因果關(guān)系連接起來(lái)了。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“只有微分定律的形式才能完全滿(mǎn)足近代物理學(xué)家對因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一。”
牛頓根據自己的理論，計算了地球的形狀，并得到法國科學(xué)家的證實(shí)；同樣，天文學(xué)家根據牛頓理論計算并預言哈雷慧星的回歸日期，以及預先確定了海王星在太空的位置。牛頓力學(xué)的輝煌成就，使人們相信它的前因后果的嚴格確定性，它的嚴格可預言性；使人們認識到自然界因果聯(lián)系的客觀(guān)性和普遍性，并形成了哲學(xué)上的決定論。這種決定論實(shí)際上是牛頓力學(xué)巨大成就的產(chǎn)物。1814年，法國數學(xué)家拉普拉斯把這個(gè)決定論推廣到整個(gè)宇宙。他說(shuō)：“我們應當把宇宙的現在狀態(tài)看作是它先前狀態(tài)的效果，隨后狀態(tài)的原因。暫時(shí)設想有一位神靈，它能知道某一瞬間施加于自然界的所有作用力以及自然界所有組成物各自的位置，并且他能夠十分廣泛地分析這些數據，那么他就可以把宇宙中最重物體的運動(dòng)和最輕的原子的運動(dòng)，均納入同一公式之中。對于它，再沒(méi)有什么事物是不確定的，未來(lái)和過(guò)去一樣，均呈現在它的眼前。”
根據拉普拉斯的決定論，未來(lái)已經(jīng)包含在過(guò)去中，一切都是給定了的。任何事件都是可以預言的，任何事件都在預料之中。正是這個(gè)科學(xué)的決定論，宇宙好象被堅硬的枷鎖套住了，使人喪失了一切創(chuàng )造性，也妨礙了一切革新。而這是與人類(lèi)追求自由，向往改革，進(jìn)行創(chuàng )造的精神相違背的，是與人類(lèi)的目標和本性相違背的。
二、統計物理學(xué)與決定論
19世紀，由于物理學(xué)家把統計方法引進(jìn)物理學(xué)領(lǐng)域而使決定論思想受到第一次沖擊。
1857年，德國物理學(xué)家克勞修斯，在研究熱現象時(shí)，采用了統計方法。他認為，熱是由于大量分子的無(wú)規運動(dòng)。在這里，要考慮所有分子的因果聯(lián)系是不可能的，也沒(méi)有必要。系統的宏觀(guān)性質(zhì)涉及的是大量分子的平均效應?？藙谛匏褂媒y計方法研究氣體分子的運動(dòng)，得到了理想氣體的壓強公式，解釋了氣體分子緩慢擴散的事實(shí)。
1860年，英國物理學(xué)家麥克斯韋采用更徹底的統計方法，來(lái)研究氣體分子的運動(dòng)。他認為，氣體分子的頻繁碰撞并不會(huì )使分子的速度趨于一致，而是出現不同速度的一個(gè)分布。他用嚴格的統計方法得到了氣體分子的速度分布律。
1877年奧地利物理學(xué)家玻耳茲曼用統計方法解釋了熱力學(xué)第二定律的不可逆性。他指出，熵自發(fā)減小的過(guò)程不是絕對不可能，只是概率非常非常小。這樣，玻耳茲曼就揭示了熱力學(xué)第二定律的統計本質(zhì)，表明這個(gè)定律是一個(gè)統計規律。
統計方法在物理學(xué)中的應用，出現了一種新的規律——統計規律。統計規律在物理學(xué)領(lǐng)域的出現產(chǎn)生了重大的后果。首先，它打破了力學(xué)規律，也即嚴格決定論獨霸天下的局面。
隨著(zhù)牛頓力學(xué)在18世紀一次又一次的勝利，竟在不同程度上決定了后來(lái)物理學(xué)的研究方法和實(shí)驗方向。按照牛頓的看法，自然界的一切現象和問(wèn)題最終都可以用力學(xué)方法來(lái)解釋。20世紀以前的物理學(xué)也的確是沿著(zhù)牛頓指出的方向發(fā)展的。聲學(xué)最早被納入力學(xué)的框架，人們把聲音看作是在彈性媒質(zhì)中傳播的機械運動(dòng)。熱學(xué)在18世紀以熱質(zhì)為基礎。在光學(xué)方面，牛頓把光看作是具有慣性的微粒。后來(lái)光的波動(dòng)說(shuō)取代了光的微粒說(shuō)，但堅持波動(dòng)說(shuō)的物理學(xué)家把以太看成傳播光的媒質(zhì)。在電磁學(xué)中，庫侖定律是比照著(zhù)萬(wàn)有引力定律得出的；法拉第的力線(xiàn)和場(chǎng)仍與力學(xué)有密切的聯(lián)系。德國物理學(xué)家赫姆霍茲說(shuō)：“我們最終發(fā)現，所有涉及到的物理問(wèn)題都能歸納為不變的引力和斥力，……整個(gè)自然科學(xué)的最終目的溶化在力學(xué)之中。”英國物理學(xué)家開(kāi)爾文說(shuō)：“我的目的就是要證明，如何建造一個(gè)力學(xué)模型，這個(gè)模型在我們所思考無(wú)論什么物理現象中，都將滿(mǎn)足所要求的條件。在我們沒(méi)有給一種事物建立起一個(gè)力學(xué)模型之前，我是不會(huì )滿(mǎn)足的。”可見(jiàn)，在19世紀末以前，物理學(xué)家普遍認為，力學(xué)是整個(gè)物理學(xué)的基礎，因而把力學(xué)解釋看成是物理學(xué)解釋的最終標準。
然而，統計規律的出現使這一切發(fā)生了變化。當物理學(xué)家把統計方法引進(jìn)物理學(xué)領(lǐng)域，就發(fā)現了事物的一些新的性質(zhì)，新的規律。這是與力學(xué)規律完全不同的規律。從科學(xué)本體論來(lái)說(shuō)，這表明嚴格決定論并不是描述自然現象的唯一有效的方法。
統計規律的出現導致的另一個(gè)嚴重后果是，它剝奪了規律的嚴格性?！吨袊蟀倏迫珪?shū)•哲學(xué)》關(guān)于規律的解釋是：“規律亦稱(chēng)法則?？陀^(guān)事物發(fā)展過(guò)程中的本質(zhì)聯(lián)系，具有普遍性的形式。規律和本質(zhì)是同等程度的概念，都是指事物本身所固有的、深藏于現象背后并決定或支配現象的方面。然而本質(zhì)是指事物的內部聯(lián)系，由事物的內部矛盾所構成，而規律則是就事物的發(fā)展過(guò)程而言，指同一現象的本質(zhì)關(guān)系或本質(zhì)之間的穩定聯(lián)系，它是千變萬(wàn)化的現象世界的相對靜止的內容。規律是反復起作用的，只要具備必要的條件，合符規律的現象就必然重復出現。”這就是哲學(xué)家所理解的規律。
統計規律正是要否定對規律這種死板的解釋。統計規律的實(shí)質(zhì)是概率性的，涉及自然界的隨機現象。由于分子數目很大，沒(méi)有必要去求解每個(gè)分子的軌跡，而只能運用統計方法，求運動(dòng)著(zhù)的大量分子各種平均值。趨于平衡狀態(tài)的過(guò)程有極高的概率；然而，相反的過(guò)程也不是絕對不可能，只是概率非常小。玻耳茲曼正是這樣來(lái)解釋熱力學(xué)第二定律的。由于相反方向的過(guò)程概率極低，對不可逆性規律作統計解釋的實(shí)踐意義雖然不大，但它的理論意義卻極大。人們發(fā)現，除了嚴格的必然性規律之外，還有另一種規律——統計規律。由于這一結果，因果性理論進(jìn)入一個(gè)新的階段。
統計規律的出現直接沖擊了因果決定論。既然統計規律使得由前一種狀態(tài)產(chǎn)生的結果不是完全確定的，那么那種單值的因果鏈條就不存在了。德國科學(xué)哲學(xué)家依賴(lài)欣巴哈說(shuō)：“我們沒(méi)有理由假設分子是由嚴格規律所控制的；一個(gè)分子從同一個(gè)出發(fā)情況開(kāi)始，后來(lái)可以進(jìn)入各種不同的未來(lái)情況，即使拉普拉斯的超人也不能預言分子的路徑。”
三、量子力學(xué)與決定論
1926年初，奧地利物理學(xué)家薛定諤給出了微觀(guān)粒子的運動(dòng)方程，建立了波動(dòng)力學(xué)。在這個(gè)方程中，波函數是中心概念。1926年6月，德國物理學(xué)家波恩，給出波函數的統計解釋。薛定諤發(fā)現的量子規律經(jīng)過(guò)玻恩的解釋?zhuān)妥兂闪私y計規律。這時(shí)，對一個(gè)電子的出現，我們不能預言它一定會(huì )在什么地方出現，而只能預言它出現在某個(gè)位置的概率。量子力學(xué)不具有牛頓力學(xué)那樣的確定性。
1927年，德國物理學(xué)家海森伯提出測不準原理：不能同時(shí)準確地測定運動(dòng)粒子的位置和速度。這是量子力學(xué)中一個(gè)非常重要的原理。
人們當然知道，任何物理量都不能測得很精確。不過(guò)，人們又相信隨著(zhù)技術(shù)水平的提高，物理量的測定會(huì )越來(lái)越精確。然而，根據海森伯的這個(gè)原理來(lái)看，在量子力學(xué)中，實(shí)際上并不是這樣，可達到的精確性是有一定限度的：對位置測量得越精確，會(huì )使得對速度的測量越不精確，反之亦然。海森伯認為，這是由于我們的研究進(jìn)入微觀(guān)世界的結果。在宏觀(guān)世界中，當我們用儀器觀(guān)測一個(gè)物體時(shí)，觀(guān)測儀器也會(huì )對物體產(chǎn)生影響，但這種影響很小，是可以忽略的。比如用光線(xiàn)照射一個(gè)天體，光子打在天體上，對天體不起作用。而在微觀(guān)世界里，光線(xiàn)照射在一個(gè)粒子上，光子對粒子的影響就是不能忽視的。觀(guān)測儀器與觀(guān)測對象之間有著(zhù)不可避免的相互作用，這使得我們無(wú)法觀(guān)測到一個(gè)絕對孤立存在的物理現象。
在牛頓力學(xué)中，由于我們能同時(shí)精確地測定質(zhì)點(diǎn)的位置和速度，以軌道為根據，就能由質(zhì)點(diǎn)的現在狀態(tài)推斷其過(guò)去和未來(lái)的狀態(tài)，因此牛頓力學(xué)是決定論的。在微觀(guān)世界，由于測不準原理，我們就不能象描述行星的運行軌道那樣來(lái)描述電子的軌道。我們從粒子的初始狀態(tài)只能計算出粒子以某一速度在某一地點(diǎn)出現的概率。這樣，量子力學(xué)就把一切都歸結為令人迷惑的概率了。量子力學(xué)中包含著(zhù)基本的統計要素，這個(gè)要素不是自然本身的性質(zhì)，它是由于物理學(xué)家的干預產(chǎn)生的。
由于測不準原理使得量子力學(xué)的規律成為統計性的，也就成為對因果決定論的挑戰和沖擊。在經(jīng)典物理學(xué)中，由于能同時(shí)準確測定運動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位置和速度，我們就能由初始狀態(tài)準確地推知系統的過(guò)去和未來(lái)，就能在所有現象之間建立穩定、嚴密、必然的因果聯(lián)系。然而，測不準原理表明，我們不能同時(shí)準確地測定粒子的位置和速度，得不到一個(gè)準確的初始狀態(tài)，也就排除了對未來(lái)狀態(tài)作準確預言的可能。
量子力學(xué)的統計性質(zhì)不同于統計物理學(xué)的統計性質(zhì)。統計物理學(xué)的統計性質(zhì)，是由于大量運動(dòng)粒子的相互作用和對它們的初始條件了解得不完備造成的。如果有一臺理想的計算機或物理學(xué)家稱(chēng)為的萬(wàn)能先知者，我們就能測定大量粒子的初始狀態(tài)和每個(gè)粒子的力學(xué)性質(zhì)，那么在理論上就可以不使用統計方法，而知道每個(gè)粒子的過(guò)去、現在和未來(lái)。但是量子力學(xué)的統計性質(zhì)不是由于我們理論的不完備性，而是由于微觀(guān)粒子的量子效應。因此，量子力學(xué)的統計性質(zhì)是本質(zhì)的、不可避免的。因而它對決定論的沖擊就更有力。美國物理學(xué)家溫伯格說(shuō)：“20世紀20年代中葉，量子力學(xué)的發(fā)現，是17世紀現代物理學(xué)誕生以來(lái)最深刻的革命。”
20世紀，量子力學(xué)的出現的確是對牛頓以來(lái)形成的因果決定論的沖擊。在許多科學(xué)家的心中，因果決定論已經(jīng)不再是自己科學(xué)研究的指導原則。正象羅素說(shuō)的那樣，它已經(jīng)成為“一種歷史遺物”。
最后，我用波恩的話(huà)來(lái)結束這篇短文。他說(shuō)：“我確信，象絕對的必然性、絕對精確、最終真理等等觀(guān)念都是應當從科學(xué)中排除出去的幽靈。人們可以根據關(guān)于一個(gè)體系目前的有限知識，依靠一種理論，推演出用概率表示的關(guān)于未來(lái)情況的推測和期望。從所使用的理論的觀(guān)點(diǎn)看來(lái)，每個(gè)概率的陳述或者是正確的或者是錯誤的。在我看來(lái)，這種思維規則的放松，是現代科學(xué)給我們帶來(lái)的最大福音。因為我覺(jué)得，相信只有一種真理而且自己掌握著(zhù)這個(gè)真理，這是世界上一切罪惡的最深刻的根源。”
聯(lián)系客服
